CN101106836A - 微小型声频定向超声换能器阵列 - Google Patents

Abstract

一种由多个换能器阵列单元排列而成，用于发射定向超声波并且使其在空气中解调进而产生定向可听声的超声换能器阵列。该换能器阵列包括带电极的导电固定板(5)、(8)以及用以振动发射超声波的PVDF压电镀银膜(6)、用以向压电薄膜(6)提供振动空腔的阵列单元固定凹槽(7)和用以保护压电薄膜，防止其与外界接触和损坏的压电薄膜保护板(4)。固定板(5)、(8)穿过绝缘支撑框(9)直接接到交流电信号的两端，压电膜(6)通过固定板(5)和凹槽(7)紧压固定支撑，凹槽(7)为导电金属，通过与固定板(8)的焊接，将负电极接到压电膜(6)的下侧。通过在压电膜(6)两端加以预处理后的交流电信号，该换能器则会振动并发射出所期望的定向超声波从而间接产生定向可听声。

Description

微小型声频定向超声换能器阵列

技术领域

本发明涉及一种声频定向换能器，属于定向超声换能器和扬声器领域，并涉及结构设计和MEMS领域。

背景技术

声频定向扬声器是一种利用超声波在空气中的非线性传播效应产生高指向性可听声的新型扬声器。音频信号经过处理后形成含有该音频信号信息的超声波信号，由声频定向扬声器的发声设备——换能器将该超声波发射到空气中，然后该超声波在空气中自解调出其中载有的音频信号，形成一具有很强指向性的可听声信号。

用于发射定向超声波的换能器可以采用PZT、PVDF、磁致伸缩材料或其它具有压电效应的材料。这些材料的共同特点是，外加适当的电激励信号，即可产生较大的机械位移或压力，利用这一特点，将含有音频信息的超声波激励信号施加在换能器上，便可转化为机械振动或压力，将信号发射到空气中。专利US20050100181A1提出了一种用于发射定向声波的参量换能器的结构，这种结构利用若干个平行的隆起来形成若干个发射凹槽，并以此固定压电膜。由于凹槽所具有的相对较小的宽度和若干个平行隆起所占有的相当的固定面积，这种结构将会导致所发射的声波声压很小，电声转换的效率不高，不易得到较高的输出功率；并且，压电膜有相当部分被粘连在隆起上用于起固定作用，这使得其用于有效振动的使用面积降低，压电膜的有效面积利用率降低，制作成本增高。

本发明基于微机电(Micro-electromechanical Systems，简称MEMS)加工技术，将具有MEMS加工工艺的PVDF压电膜与微型换能器结构相结合，并采用了阵列的形式，使得所发明的换能器在保证稳定工作的前提下，能根据需要提高振动膜的面积以达到充分地利用振动压电膜。并且，其高灵敏度、大的位移电压比、大的电容体积比以及宽频带的谐振频率是其他任何超声换能器、纵向压电换能器和电容换能器难以实现的。

发明内容

传统扬声器的声音传播是发散式的，不具有指向性。然而随着社会的不断进步，越来越多场合要求一种具有高指向性的扬声器。与传统发散式的扬声器相比，这是第一种的可以用于声音定向传输的高指向性扬声器。

本发明的目的是通过应用MEMS技术制成的压电材料PZT或PVDF或其他材料，制作微型声频定向换能器，该换能器能够在20kHz～500kHz频带范围内有效地发出超声波。

本发明的另一目的是为手机、游戏掌机、数码照相机、数码摄像机及MP3/MP4播放器、便携式VCD/DVD播放器、笔记本电脑或掌上电脑等各种多媒体小型终端设备提供一种可使声音定向传播的免提装置。

本发明的又一目的是提供了一种微型换能器阵列布置的方式和装配的方法。包括该换能器中阵列单元的结构和装配方法及阵列间的排列方式。

为了实现以上目的，本发明提供一种以PZT，PVDF或磁致伸缩等压电材料制作而成的压电薄膜为振动膜，并配以相应固定装置和电极加载结构的微型超声换能器。其中包含：

若干个弯曲伸张单压电晶体或压电复合材料换能器，用于组成阵列式的微型声频定向换能器；

换能器的固定元件，避免振动带来的偏离；

电极，作为电气接入点，施加电激励信号；

压电薄膜保护板，用于保护压电薄膜不受外界接触和损坏，且不会影响到压电薄膜振动所发射出的声波。

其中单压电晶体或压电复合材料换能器包含：

压电薄膜，用于将电激励信号转换为机械位移；

压电薄膜固定元件，避免薄膜因振动而偏移，并且向压电薄膜提供振动所需的空间或振动腔；

压电薄膜电气接入点电极，同其他的单压电晶体换能器相连接。该导电电极也可以作为固定元件。

在本发明的一个实施例中，换能器的外形可以是矩形，其中的阵列单元可以是矩形，也可以是圆形或椭圆形。

在本发明的一个实施例中，换能器的外形可以是圆形或椭圆形，其中的阵列单元可以是圆形，也可以是椭圆形或矩形。

在本发明的一个实施例中，换能器阵列单元可以是圆形、椭圆形、矩形，还可以是一个长条形振动单元或是环形振动单元。这些所述的阵列单元都具有相同或相近的横截面。各个阵列单元可以各自使用单独的压电膜，也可以共同使用一张大的压电膜。对比而言，共用一张大的压电膜能较好地保证各个阵列单元振动的一致性，使输出声波相位一致，增大输出声压；而各阵列单元分开使用各自的单独的压电膜能尽量大地节省膜的使用面积，使得压电膜的有效使用面积尽量大，提高压电膜的使用效率。根据具体情况，可以自定义选用合适的阵列形式。

本发明在保证较好的指向性的基础上，具有失真小、面积小、声压大、稳定性好等特点，且结构简单、易制造、成本低，能适用于多种场合的需要。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是以矩形阵列单元构成的矩形换能器实例的正视图；

图2是以圆形阵列单元构成的圆形换能器实例的正视图；

图3是基于MEMS镀银加工制作的PVDF压电膜横截面；

图4是换能器阵列单元主要部分的局部剖视图；

图5是长条形阵列单元所构成的矩形换能器的3D实体正视图；

图6是以环形阵列为振动单元的环形换能器3D实体正视图。

图中1.正极固定板，2.负极固定板，3.换能器阵列单元，4.压电薄膜保护板，5.带正电极的固定板，6.PVDF压电镀银膜，6a.膜两边所镀的银层，6b.PVDF压电膜，7.阵列单元固定凹槽(注：该凹槽可以是矩形单元、圆形单元、椭圆形单元，或是长条幅形单元、环形单元)，8.带负电极的固定板，9.换能器绝缘支撑框，10.阵列单元压电膜的振动部分。

具体实施方式

图1示出按照本发明所设计的一个简化的具体实施例——矩形换能器的3D正视图，该超声换能器由正极导电固定板1、阵列单元固定凹槽7和负极导电固定板2，通过对PVDF压电镀银膜6紧密压制形成振动阵列单元3。若干个这样的振动阵列单元排列形成该矩形换能器。该简图中为更直观的表达换能器的外形，省略了阵列单元固定凹槽7。该实施例中，所用以制成的阵列单元为矩形结构，该单元也可以是圆形、椭圆形或菱形结构。各个阵列单元可以为相同尺寸大小，也可以为不同尺寸，其尺寸及阵列单元间的间距可小到毫米级别，大到厘米级别甚至更大，所构成的一个阵列形换能器也可以做到几个毫米级别到几十或几百厘米级别，也可以根据该原理，做到尺寸更大的中型或大型换能器。由于篇幅原因，这里就不一一列出。

图2示出按照本发明所设计的另一个简化的具体实施例——圆形换能器的3D正视图，与图1类似的，该超声换能器由正极导电固定板1、阵列单元固定凹槽7和负极导电固定板2，通过对PVDF压电镀银膜6紧密压制形成振动阵列单元3。若干个这样的振动阵列单元排列形成该圆形换能器。该简图中为更直观的表达换能器的外形，省略了阵列单元固定凹槽7。该实施例中，所用以制成的阵列单元为圆形结构，该单元也可以是矩形、椭圆形或菱形结构。各个阵列单元可以为相同尺寸大小，也可以为不同尺寸，其尺寸及阵列单元间的间距可小到毫米级别，大到厘米级别甚至更大，所构成的一个阵列形换能器也可以做到几个毫米级别到几十或几百厘米级别，也可以根据该原理，做到尺寸更大的中型或大型换能器。由于篇幅原因，这里就不一一列出。

图3示出了各具体实施例中所使用的PVDF压电镀银膜6的横截剖面。由图3可知，PVDF压电镀银膜6由上下侧所镀的银层6a和PVDF压电膜6b经过溅射形成。这样的工艺保证了膜两侧导电的稳定性和较小的寄生电阻。当在两侧银层加上电压后，压电镀银膜6会根据所加电压大小和其中的频率成分，产生伸缩变形，在电极固定板5和阵列单元固定凹槽7的紧固下，便会产生对应于所加信号的超声振动从而发射出定向超声波。再根据超声波在空气中的自解调作用，所期望的可听声便会从定向的超声波范围中解调出来。该实施例中，所用的PVDF膜层为28μm，两侧所镀银层分别为6μm，所形成的PVDF压电镀银膜6总共厚度为40μm。

图4示出了换能器阵列单元主要部分的局部剖视图，如图所示，在绝缘支撑框9外部，正极导电固定板5和负极导电固定板8的外部电极直接接到交流电信号的两端；在绝缘支撑框9内部，PVDF压电镀银膜6通过正极导电固定板5和阵列单元固定凹槽7紧压固定支撑，PVDF压电镀银膜6的上侧通过正极导电固定板5直接接到交流电信号的正极，阵列单元固定凹槽7为导电金属，通过与负极导电固定板8的焊接，将负电极引入接到PVDF压电镀银膜6的下侧。这样实现了PVDF压电镀银膜6的电极接入，为确保电极与PVDF压电镀银膜6的更紧密接触和稳定工作，可以用导电胶将PVDF压电镀银膜6的上侧与正极导电固定板5粘在一起，下侧与凹槽7粘在一起。导电固定板5、8通过绝缘支撑框9上的通孔，并与其紧配合固定。通过这些固定方法，PVDF压电镀银膜6在对应凹槽7的地方，便可以利用凹槽7所形成的空腔产生振动，即阵列单元中的PVDF振动膜10。压电薄膜保护板4可粘贴或是用螺栓紧固在绝缘支撑框9上用以保护压电薄膜不受外界接触和损坏，保护板4上的开口形状、位置、尺寸须保证其不会影响到电薄膜振动所发射出的声波的传播。值得注意的是，此处需精确考虑振动单元凹槽7的开口大小及深度，因为振动单元的宽度对整个换能器的模态有很大影响，而凹槽7底部所反射的声波也将会对PVDF压电镀银膜6上侧所发射出的声波产生干涉作用而造成很大的失真。振动膜10的谐振频率、振幅大小、超声声压强度以及指向性都很大程度上取决于振动膜10的振动宽度。因此，在对输出超声波有不同要求的场合，需特别地定义其振动宽度，在用于微型和一般大小的声频定向换能器时，该宽度可以设置为毫米级或厘米级。另外，凹槽7的深度也要根据实际振动频率所对应的波长来决定，为了使得在工作频率下，凹槽7底部的反射波与原来空气中的超声波在叠加后声压增加，必须在尽量减小凹槽7深度的情况下，使深度与超声波长相关；如果不希望反射波影响直接发射出的超声波，则可以在凹槽7底部涂上或粘上声波吸收材料使换能器反向发出的超声波被吸收掉。

图5示出了长条形阵列单元所构成的矩形换能器的3D外观实体正视图。由图可见，导电固定板5、8的两个电极穿过绝缘支撑框9的通孔直接与交流电信号相接。与图4所示的阵列单元剖面结构不同的是，图5中的振动阵列单元为长条幅形。这种结构能增大有效振动面积，提高压电薄膜有效面积利用率，并且能增大所发出的声压和达到较好的指向性，适用范围较广。与图4中的描述类似，正极导电固定板5与凹槽7仍可以用导电胶与压电薄膜6两侧加以固定，凹槽7为导电金属，通过与负极导电固定板8的焊接而直接接到交流电信号的负极，从而使交流电信号稳定安全地加载到PVDF压电镀银膜6的两侧。长条形阵列单元的宽度与深度与图4中的描述大致相同，这里就不再累述。

图6示出了简化的以环形阵列为振动单元的环形换能器的3D实体正视图。在该实施例中，超声换能器由正极导电固定板1、阵列单元固定凹槽7和负极导电固定板2，通过对PVDF压电镀银膜6紧密压制形成环形振动阵列单元10。该简图中为更直观的表达换能器的外形，省略了阵列单元固定凹槽7，且该阵列单元的剖面图与图4相同，也不再重复。需要补充的是，整体外形为圆形的换能器阵列单元的设计上，仍然可以采用长条幅形的单元，该长条幅形阵列单元可沿圆形换能器的半径方向排列。

尽管借助附图所示实施形式对本发明作了说明，但还应注意到，本发明不仅仅局限于所示实施形式，而是包括所有可能的变化，修改和等同的设计、配置，排列方式，以及由权利要求书所覆盖的内容。

Claims (10)

1.一种声频定向超声换能器阵列，包括压电振动薄膜材料(6)，带电极的固定板(5)、(8)，阵列单元固定凹槽(7)，绝缘支撑框(9)及压电薄膜保护板(4)。其特征在于，换能器由若干独立的换能器阵列单元(3)经排列构成，通过单元(3)内部的薄膜振动，向凹槽(7)开口方向发射经过预处理的定向超声波以解调出定向的可听声。

2.如权利要求1所述的声频定向超声换能器阵列，其特征在于，所用于振动的压电材料可以为PVDF压电膜(6)、压电陶瓷、PZT压电膜、磁致伸缩或是任意经MEMS加工的各类能将电能转变为机械振动的材料。

3.如权利要求1所述的声频定向超声换能器阵列，其特征在于，压电膜振动单元可以为平面，也可以为凹弧面或凸弧面。

4.如权利要求1所述的声频定向超声换能器阵列，其特征在于，由所加的固定元件提供薄膜振动的空间和薄膜周边固定处所需要的紧固力。

5.如权利要求1所述的声频定向超声换能器阵列，其特征在于，由带电极的固定板(5)、(8)紧固振动薄膜并在其两侧加载驱动电信号。

6.如权利要求1所述的声频定向超声换能器阵列，其特征在于，通过换能器绝缘支撑框(9)支撑和固定电极与换能器阵列单元，并保证正负极完全隔开。

7.如权利要求1所述的声频定向超声换能器阵列，其特征在于，通过压电薄膜保护板(4)保护压电薄膜不受损坏。

8.如权利要求7所述的声频定向超声换能器阵列，其特征在于，保护板(4)的开口尺寸须至少等于或大于振动阵列单元，并与之对齐。

9.如权利要求1所述的声频定向超声换能器阵列，其特征在于，换能器阵列单元可以是圆形、椭圆形、矩形，三角形，还可以是一个长条形振动单元或是环形振动单元。

10.如权利要求1所述的声频定向超声换能器阵列，其特征在于，换能器的外形可以是矩形、圆形或椭圆形。

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