CN102143422A - 圆形薄膜压电超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种圆形薄膜压电超声换能器。本发明的目的是针对现有的超声换能器的所存在的能量转换效率低的缺陷，提供一种转换效率高的振动压电超声换能器。本发明包括硅基片、位于该硅基片上的支撑层以及位于支撑层上的两个压电换能单元。其结构特征在于，外部压电单元包围住内部压电单元。两个单元给予相位始终相差π的交流电激励，从而提高换能器的工作效率。两个单元的具体尺寸，可根据换能器的设计需要进行优化调整。
Description
技术领域
本发明涉及一种换能器，具体地说，本发明涉及一种在机械能与声能之间转换效率较高的圆形薄膜压电超声换能器。
背景技术
在电子装置、家用电器、手机中广泛使用压电换能器，如压电扬声器和压电受话器，或用于医学诊断和工业检测等领域的超声成像系统等。
一般而言，换能器是将交流电压加载到压电陶瓷铺层(Piezoelectric Ceramic Layer)上，从而使铺层产生交替伸缩现象的装置。对于超声波换能器来说，虽然其伸缩的大小只有数微米，但是由于它每秒振动达数十万次，所以该铺层每秒可移动达数厘米。如图1所示，传统的压电换能器都是将矩形或圆形的压电单元铺置在硅基片之上，形成振动片。其结构主要由硅基片(101)、位于该硅基片(101)上的支撑层(103)以及位于支撑层上的单一压电换能单元组成，其中底部电极(104)、压电薄膜(105)和顶部电极(106)构成换能器单元。该压电单元与支撑层(103)构成薄膜换能器的振动膜片。该振动膜片位于空心的硅杯结构上，该硅杯结构是将硅片进行体刻蚀后形成的。由于压电薄膜具有压电效应，所以当在底部电极(104)与顶部电极(106)之间施加交流信号时，振动膜片将发生弯曲振动，并向外辐射出声波。同样的，当振动膜片接收到外界的声波作用时，压电单元会将振动膜片的形变转换成相应的电信号。这就是压电换能器的基本工作原理。
在这种传统的结构中，振动膜片是受固支边界条件的作用的，振动方程为贝塞尔方程，其基频模态如图3所示。从图4中可以看出，当发生振动时，假如振动膜片向上振动，其边缘部分的曲率为正，而中心部分的曲率为负，二者相反。这表明振动膜片表面的边缘部分与中心部分的拉压状态也是相反的，处于截然不同的应力状态。但由于传统结构采用单一的压电单元，而压电单元给与振动膜片的激励是同方向的，所以单一压电单元的边缘给与振动膜片的激励方向与压电单元的中心部分给与振动膜片的激励方向是相反的。由于基频振动涵盖了振动的绝大部分能量，所以压电单元给与振动膜片的激励能量存在着显著的抵消作用，从而使压电换能器的工作效率大大降低。
发明内容
本发明的目的是克服现有换能器结构的不足，提供一种能够提高机械能与声能之间转换效率的压电超声换能器结构及其制作方法，从而更加适于实用。
为实现上述发明目的，本发明提供的薄膜压电超声换能器包括，具有硅杯结构的硅基片(101)、位于该硅基片(101)上的支撑层(103)以及位于支撑层上的两个压电换能单元(107与108)。
本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。
前述的超声波换能器，其中所述的支撑层(103)可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜、硅薄膜或以上薄膜组成的复合膜。
前述的超声波换能器，其中所述的两个压电换能单元均由底部电极、压电薄膜和顶部电极组成。
前述的超声波换能器，其中所述的压电薄膜(105)是压电陶瓷(PZT)薄膜。
前述的超声波换能器，其中所述的外部压电单元(107)包围住内部压电单元(108)，即内部压电单元(108)为圆形形状，外部压电单元(107)为圆环形状，二者同心并且相互绝缘。
采用具有上述结构的压电换能器，当在底部电极和顶部电极之间加载交流电AC信号时，外部压电单元(107)的底部电极(109)与顶部电极(110)的电压差，同内部压电单元(108)的底部电极(111)与顶部电极(112)的电压差相比，存在着π的相位差，从而在圆形振动膜片区域上形成的两个振动区域(PZT层)，且二者沿彼此相反的方向振动。
与现有技术相比，本发明具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明超声换能器通过分别给内、外压电单元加载相位不同的电压，使得二者皆对振动膜片产生正向激励，减少了能量损失，从而可以提高换能器的工作效率。
附图说明
图1是现有的硅基压电超声换能器的示意图，说明传统超声换能器的结构情况。
图2是本发明的圆形薄膜压电超声换能器的俯视图。
图3是圆形固支膜片振动的基频模态图。
图4是圆形固支膜片在发生基频振动时，其振动膜片表面沿直径方向的挠度分布图和曲率分布图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的超音波换能器其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
图2为本发明的圆形薄膜压电超声换能器的结构示意图。本发明是在体硅刻蚀形成的硅杯上部布置支撑层(103)，两个振动膜片均由支撑层(103)、底部电极(109与111)、压电层和顶部电极(110与112)组成。底部电极位于支撑层(103)之上，压电层位于底部电极之上，顶部电极位于压电层之上。
首先选取一个硅基片(101)，该硅基片的厚度为15微米，但相关技术人员可根据工程需要选择不同厚度的硅基片。
再制备支撑层(103)，通常可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜、硅薄膜或以上薄膜组成的复合膜。该支撑层主要用于对压电薄膜的支撑和辅助振动，相关技术人员可以根据需要和工艺条件选择不同材料的薄膜。
在图2所示在支撑层(103)上面制备外部压电单元(107)的底部电极(109)以及内部压电单元(108)的底部电极(111)，该底部电极采用铝膜、铬膜、金膜或铂金膜制作，也可采用由以上金属材料构成的合金薄膜，或由以上金属薄膜构成的复合薄膜制作。其中外部压电单元(107)的底部电极(109)为圆环形状，其外径为2mm，内径为1.2mm；内部压电单元(108)的底部电极(111)为圆形形状，其直径为1.1mm。二者同心。
在底部电极(109与111)上面制备压电层，该压电薄膜的厚度为3μm，该压电薄膜为压电陶瓷材料。对于外部及内部压压电单元，其压电层的径向尺寸应与各自的底部电极一致。
在压电薄膜上制备外部压电单元(107)的顶部电极(110)以及内部压电单元(108)的顶部电极(112)，该顶部电极采用铝膜、铬膜、金膜或铂金膜制作，也可采用由以上金属材料构成的合金薄膜，或由以上金属薄膜构成的复合薄膜制作。对于外部及内部压压电单元，其顶部电极的径向尺寸应与各自的底部电极及压电层一致。
当在底部电极和顶部电极之间加载交流电信号时，应保证外部压电单元(107)的底部电极(109)与顶部电极(110)的电压差，同内部压电单元(108)的底部电极(111)与顶部电极(112)的电压差相比，始终存在着π的相位差。
最后所应说明的是，以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非是本发明的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种圆形薄膜压电超声换能器，包括硅基片(101)，位于该硅基片(101)上的支撑层(103)以及位于支撑层上的两个压电换能单元，本发明其结构特征在于，外部压电单元(107)包围住内部压电单元(108)。
2.按权利要求1所述的薄膜压电超声换能器，其特征在于所述的支撑层(103)为矩形形状，内部压电单元(108)为圆形形状，外部压电单元(107)为圆环形状。
3.按权利要求2所述的超声波换能器，其特征在于其中所述的支撑层(103)可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜、硅薄膜或以上薄膜组成的复合膜。
4.按权利要求2所述的薄膜压电超声换能器，其特征在于所述的两个压电换能单元均由底部电极、压电层和顶部电极组成。
5.按权利要求3所述的薄膜压电超声换能器，其特征在于所述的压电层是压电陶瓷(PZT)薄膜。
6.按权利要求2所述的超声波换能器，其特征在于其中所述的外部压电单元(107)与内部压电单元(108)之间绝缘。
7.如权利要求4所述的超声波换能器，其特征在于其中所述的外部压电单元(107)的底部电极(109)与顶部电极(110)的电压差，同内部压电单元(108)的底部电极(111)与顶部电极(112)的电压差相比，始终存在着π的相位差。
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