CN106573274B - 多胞元换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有电声胞元的平面阵列的换能器装置，每个电声胞元包括压电双层单元。该换能器装置在宽的带宽上实现了高传输灵敏度。根据具体应用，该换能器装置可以被设计为具有宽的或聚集的方向性图案，或者可以是多频的，因此具有广泛的应用范围。例如，该换能器装置可以与植入的无源超声可激励谐振传感器一起使用，以例如与传感器的谐振频率的基于多普勒的分析一起来激励传感器和/或询问传感器，和/或用来定位所植入的传感器。本发明还涉及一种制造该装置的方法。

Description

多胞元换能器
技术领域
本发明涉及一种新颖的电声换能器特别是一种多胞元(cell)换能器、包括这种多胞元换能器的超声发送器以及制造这种电声换能器的方法。
背景技术
电声换能器将电能转换成声学范围内(例如，声波或超声波范围内)的频率的机械振荡，并且/或者可以接收这种声波并将机械能转换为电能。这种转换可以通过例如压电装置来实现。压电装置可以具有分层结构，包括一个或两个压电层和能够振动的挠曲层，挠曲层通常是金属，但也可以是非金属材料。
声学发送器的效率是装置的辐射和机械换能效率的函数，并且具有一个换能器的单个元件发送器的总效率即使在机械换能率高时也可能很低。将多个换能器组合在阵列中可以克服单个元件发送器的一些缺陷，包括将可用声功率集中到波束中，从而产生增加的源水平。Decarpigny,J.N.等人的“The design of low-frequency underwater acousticprojectors:Present status and future trends”，IEEE J.Oceanic Eng.第16卷第1期第107至122页，1991年1月；Wilson,O.B.,“Introduction to Theory and Design of SonarTransducers”，159页，Peninsula Publishing,Los Altos,CA,1988。阵列还可以改善信噪比和灵敏度。对于给定的声学信号，当多个单元串联连接时，阵列可以产生更高的电压，而当多个单元并联连接时，阵列可以产生更高的电流。Abbott,W.L.,"Performance testingof sonar transducers",Sound and Vibration,第19卷第12期第8页，1985年。然而，密集阵列的各个元件之间的相互作用可能导致每个换能器元件上取决于其在阵列中的位置的不同声学负载，这可能导致阵列中每个元件的体积速度的变化。Sherman,C.H.,“Analysisof acoustic interactions in transducer arrays”，IEEE Trans.Sonics andUltrasonics,SU-13,第1期第9至15页，1966年。这会导致每个阵列元件的体积强度的显著变化。因此，尽管换能器阵列可以提供功率和信噪比的改进，但是阵列的元件之间的相互作用实际上能够降低学输出功率；在极端情况下，阵列的各个元件可以具有负的辐射阻抗因而实际上吸收声功率。当换能器元件与辐射场的波长相比较小并且当它们具有高效率时，这种相互作用可能特别成问题。
电声换能器可以用在扬声器、麦克风和超声波收发器中。在医疗设备领域中，这样的换能器可以与可植入谐振传感器如无源谐振超声可激发传感器结合使用，如例如在Girmonsky的美国专利No.7,134,341、Kaplan的美国专利No.5,619,997和Kaplan的美国专利No.5,989,190中描述的。在这样的系统中，电声换能器是生成超声波作为所植入的传感器的输入的外部单元，并且可以从所植入的传感器接收表示关于由传感器检测的被测变量的信息的超声信号，从而将这些信号转换为电信号以便处理成用户可读格式。
具有电声换能器的市售的超声发射装置通常是大且笨重的，针对所植入的传感器的最佳使用具有不足的传输灵敏度和带宽。高的传输灵敏度和大的带宽是期望的特性，因为它们在外部单元和植入的传感器之间提供更准确和有效的通信。诸如低轮廓和轻重量的其它物理特性也是这种应用中期望的特性，因为换能器可以附接或佩戴在人体上或人体内。因此，在本领域中需要具有这种有利的物理特性的电声换能器。
发明内容
本发明涉及一种电声换能器装置和制造方法。本发明的电声换能器装置是包括以基本上平坦的面板阵列布置的多个电声胞元的声发送器。该装置的每个换能部件都是含有包含有源(active)元件和惰性基底的“双层”的胞元。有源元件优选是压电圆盘。惰性基底是挠曲板，该挠曲板优选是导电的并且可以在一侧上被金属化。特别地，本发明的换能器装置的每个胞元可以包括附接到挠曲板并连接到电线的压电圆盘，以形成压电双层单元。
围栏层包括形成多个孔的材料层，这些孔的位置、形状和直径对应于胞元。围栏层的高度限定了胞元空腔的深度。围栏(在本文中也称为壁)将相邻的胞元分开。
本发明的换能器装置具有面向超声波将被传输到的身体或环境的第一侧，并且还可以被称为装置的“正面”。第一侧可选地包括匹配层，该匹配层具有与例如身体接触的表面。换能器装置具有第二侧，在一些实施例中，该第二侧包括附接到围栏层的背衬层。背衬层可以提供机械支撑和板约束。在不受理论束缚的情况下，背衬层的质量可以有助于吸收朝向换能器的背侧发射的能量。减少反向发射的能量将得到更高效的装置，因为超声能量旨在是定向的并且将被引向装置的正面。背衬层的质量可以有助于扩大朝向装置的正面发射的压力响应的频率带宽。
换能器装置的材料和设计允许声学发送器在声频的较大带宽上实现较高的传输灵敏度，同时有利地保持比具有相同表面积的常规电声换能器更低的轮廓和更轻的重量。
换能器装置具有广泛的应用范围。因为电声换能器装置相对较小并且具有低的平面刚度，所以当期望与皮肤紧密接触时，它特别有用，因为超声波可以有效地传输到身体中。除了诸如医疗诊断装置的应用之外，本发明的换能器装置还可具有民用或军用水下应用，例如合成孔径声纳(SAR)水下导航、深度探测、海洋测绘和水下通信。
本发明的换能器的一个非限制性示例性应用是可植入超声传感器，特别是可超声激励的无源谐振传感器。这种可超声激励的无源谐振传感器包括诸如膜的谐振元件，并且在没有直接电输入的情况下操作。所植入的传感器的谐振元件由来自身体外部的超声能量激励，以根据测量环境的生理变量而变化的频率进行谐振，并且返回超声信号，从该超声信号可以计算出谐振频率。在授予Kaplan的美国专利No.5,619,997、No.5,989,190、No.6,083,165、No.6,331,163、No.7,415,883和No.8,162,839以及授予Girmonsky等人的美国专利No.7,134,341中描述了可用于本发明的可超声激发的无源共振传感器的示例，这些专利的全部内容通过引用并入本文。因为其可在这种传感器的工作频率的整个带宽上以高传输灵敏度操作，所以本发明的电声换能器装置特别适用于询问所植入的可超声激励的无源谐振传感器。
本申请的声学发送器可以用于从电信号生成与位于远处的(例如植入的)谐振传感器进行通信的超声波，包括以激励超声波束来激励传感器的谐振元件(例如振动膜)的低频超声信号。换能器装置还可以向传感器发射高频载波和/或从传感器接收超声信号，例如反射或调制的信号，并将它们转换为电信号以便读取传感器输出。声学装置可以具有宽的声场或窄的声场。将换能器装置设计为具有宽的声场允许大面积的超声激励。宽的声场是期望的，其中例如将使用多普勒频移法来区分什么是谐振什么不是谐振，并且确定可超声激发的谐振传感器的谐振频率，如例如在Girmonsky的美国专利No.7,134,341中详细描述的。当想要在特定方向上导引激励场时，将换能器设计为具有窄声场是有用的。
因此，本发明的目的是提供一种具有低轮廓，然而具有高灵敏度、大频率带宽和宽声场的轻质电声换能器。
这种换能器还可以被设计为具有更集中的激励场，因此更易于操纵。因此，本发明的目的也是提供一种具有低轮廓、高灵敏度、大频率带宽和窄声场的轻质电声换能器。
本发明的另一个目的是提供一种具有多于一个工作范围的多元件换能器，特别是多频换能器。不同的频率范围可以独立地或一起操作。
本发明还涉及这种电声换能器的制造过程，其涉及生产挠曲板的组件、用于多个胞元的压电圆盘的单独组件，随后将两个组件附接在一起。
本发明的另一个目的是提供一种用于制造具有低轮廓、高灵敏度和宽声场的电声换能器的方法。
本发明的再一个目的是提供一种用于制造具有低轮廓、高灵敏度和窄声场的电声换能器的方法。
与单胞元换能器相比，根据本发明的平面胞元阵列的集体效应给予了换能器装置在较大带宽上操作的灵敏度更高的优点。这种换能器的构造还提供了具有相对廉价的原型的柔性设计的低轮廓和重量轻的装置。可以对本发明的换能器进行设计以便为各种应用提供适当的场强度、场宽度和频率或频率组合。
附图说明
从以下结合附图给出的详细描述中可以更充分地理解和领会本发明，其中：
图1A至1C从正视透视图示出了根据本发明的多胞元换能器的实施方式的层。
图2A是根据本发明的以横截面示出的一个压电胞元的示意图。
图2B是根据本发明的以横截面示出的另一个压电胞元的示意图。
图2C是根据本发明的以横截面示出的另一个压电胞元的示意图。
图3是根据本发明的以横截面示出的根据本发明的两个相邻压电胞元的示意图。
图4示出了单个压电胞元根据各种PZT材料的频率的传输灵敏度。
图5示出了单个压电胞元根据圆盘-板直径比的传输灵敏度。
图6A示出了单个压电胞元的根据间距的传输灵敏度。
图6B示出了单个压电胞元的间距和传输灵敏度之间的相关性。
图7示出了根据本发明的多胞元换能器的胞元布局设计的实施方式-实心圆盘。
图8A和8B示出了用于根据本发明的多胞元换能器-具有中心孔(开口)的圆盘的胞元布局设计的实施方式，图8B的实施方式具有比图8A的实施方式大的圆盘直径，因此具有更多的胞元。
图9示出了用于如图7所示的电声设计实施方式的不同频率的波束图案。
图10示出了用于如图8A所示的电声设计实施方式的不同频率的波束图案。
图11示出了用于如图8B所示的另一个电声设计实施方式的不同频率的波束图案。
图12是用于在根据本发明的换能器装置中使用的具有由黄铜制成的高围栏的胞元的实施方式的传输灵敏度图。
图13A是用于在根据本发明的换能器装置中使用的具有比围栏层更厚的背衬层的胞元的实施方式的传输灵敏度图，其中围栏层和背衬层都由相同的材料黄铜制成。
图13B是用于在根据本发明的换能器装置中使用的具有比围栏层厚的背衬层的胞元的实施方式的传输灵敏度图，其中围栏层和背衬层由不同的材料黄铜和钨-环氧树脂制成。
图13C是用于在根据本发明的换能器装置中使用的具有比围栏层更厚的背衬层的胞元的实施方式的传输灵敏度图，其中围栏层和背衬层都由相同的材料钨-环氧树脂制成。
图13D是用于在根据本发明的换能器装置中使用的具有比围栏层厚的背衬层的胞元的实施方式的传输灵敏度图，其中围栏层和背衬层由不同的材料钨环氧组合物和黄铜组合物制成。
图14A-P示出了根据本发明的多胞元换能器的制造方法的实施方式。
具体实施方式
本发明提供了一种多胞元电声换能器和制造这种换能器的方法。本发明的电声换能器装置基本上是平的，在一个平面中包括多个胞元。换能部件包括胞元，并且每个胞元可以包含双层单元。具体地说，可以将压电圆盘阵列附接到挠曲板，平铺在平面中以提供双层单元(胞元)的矩阵。到压电圆盘的电输入可以经由导线提供。电声胞元将电信号转换为超声波信号，由于该装置的设计，该信号可以以最小的能量损失定向发射。通过多个胞元的集体效应，换能器装置可以在大带宽上实现高传输灵敏度，以提供宽的声场。该阵列还允许增强方向性特性的设计，这允许声功率的集中波束。
使用本发明的多胞元换能器的双层换能器部件的平面阵列的优点包括高灵敏度、大带宽、低轮廓、轻重量的潜力、用于特定应用的廉价原型以及柔性换能器设计。本发明的有利的大带宽提供了在宽频率范围上提供有效的声音传输的传输幅度响应。
特别地，本发明的换能器的双层换能部件可以包括惰性基底和压电元件。双层阵列被围栏层分成多个胞元，该围栏层包括限定多个孔口的围栏，每个孔口限定一个胞元孔腔。围栏在本文中也称为壁。每个胞元具有由围栏限定的自身直径，并且每个胞元独立地操作，但是多个单元可以并行驱动。围栏层还可以具有有助于直接从换能器部件双层发射声能的垂直高度。
本发明的多胞元换能器的压电胞元可以为任何旋转对称形状(沿由胞元中心限定的轴对称)。在一个实施方式中，这些胞元具有相同的形状和尺寸。在一个实施方式中，这些胞元是圆形的。在另一个实施方式中，这些胞元是六边形的。在又一个实施方式中，这些胞元是正方形的。在围栏之间的每个胞元的直径可以具有获得期望频率的尺寸。对于一些实施方式，每个胞元的直径可以在约4-10mm之间，例如6mm或7mm。这些胞元可以平铺以便具有从任何胞元的中心到任何相邻胞元的中心的相同距离，例如六边形平铺。在一个实施方式中，这些胞元分布可以是在换能器圆盘上提供多个胞元的最大填充密度的胞元分布，即胞元之间具有最小距离。使围栏的宽度最小化以减小间距(相邻胞元的中心之间的距离)可以为具有给定直径的换能器装置提供带宽增加的工作频率。当这些胞元是六边形时，每个围栏可以具有相等的宽度。因此，在不受理论约束的情况下，本发明的换能器可以设计成具有这样的胞元密度，该胞元密度提供期望的每单位面积功率或功率密度。
该换能器装置还可以包括位于阵列的第一侧的匹配层和位于阵列的第二侧的背衬层。
该换能器装置优选地包括匹配层。匹配层位于换能器设备的第一侧-具体为换能器的“正面”，在此，从该装置发射并从环境中接收超声波，而背衬层位于换能器装置的第二侧。匹配层对于超声波是透明的，并且优选地由当声波穿过环境、匹配层和挠曲板之间的界面时使声阻抗失配最小化的材料构成。换句话说，匹配层的声阻抗应该类似于环境和挠曲板的声阻抗，以使声波的反射或折射最小化，并且还使对声波的强度(例如声能损失)和频率的不利影响最小化。当换能器装置作为一部分外部单元与所植入的传感器一起使用时，例如当为了激励传感器并且可选地从传感器接收信号或者定位传感器时，优选匹配层的材料具有近似于软体组织的声阻抗。因此，例如，在这样的应用中，匹配层可以具有类似于水、组织或血液中的一种或多种的声阻抗，例如在1.5-1.54MRayls的范围内。确定要使用换能器的环境的声阻抗在本领域的技术范围内。在医疗诊断应用中，匹配层可以与皮肤直接接触。因此，匹配层可以包括软的聚合物材料，并且可以与期望接触的身体表面生物相容。
背衬层可以连接到围栏层-装置的第二侧，从而有效地“密封“空腔以形成封闭的胞元。包括背衬层的优点是限制声能从装置背面-与期望方向相反的方向(从该方向发射的效率较低，并且会改变装置的带宽)-发射。用于背衬层的适当材料将部分地取决于所使用的声能的频率和换能器的一般结构。
换能器可以被设计为产生和接收低频超声波，或者对于非医疗应用，可以产生和接收声波。低频波可以例如在约30-200kHz，约20-160kHz，约30-100kHz，约50-100kHz或约20-80kHz的范围内，或者可以包括低至10kHz或与特定应用要求一样低。对于人类医疗应用来说通常优选地避免可听频率。或者，换能器可被设计成产生和接收高频超声波，例如在约1-10MHz或约1-50MHz的范围内。或者，换能器可以被设计为产生和接收低频和高频超声波(或声波)的组合，例如，在约30kHz至约1MHz或约20kHz至约10MHz的范围内的组合。
已经发现本发明的多胞元设计与具有相同表面积的常规电声换能器相比产生了更高的传输灵敏度。例如，当在约30-200kHz的频率范围内使用时，多胞元设计特别适合与无源超声可激励谐振传感器一起使用。
下面参照附图讨论和解释本发明的设备/方法。注意，附图是作为对本发明的示例性理解而提供的，并且用来示意性地示出本发明的特定实施方式。本领域技术人员将容易地认识到在本发明的范围内同样的其它类似实施例。附图不旨在限制如所附权利要求中限定的本发明的范围。
如图1A-1C所示，在从下面看的透视图中，换能器装置具有作为其基本元件的：挠曲板11；多个压电元件即压电圆盘12a-12c，这些压电元件以平面阵列的方式布置在挠曲板11上；和围栏层13。双层元件阵列—联接到惰性挠曲板的有源压电圆盘12a-12c构成该装置的换能部件。
如图1A所示，挠曲板11跨越换能器的整个区域。特别地，图1A中示出的挠曲板11是上面附接了压电圆盘12a-12c的阵列的惰性基底。图1B。
通常，双层120(图2)的惰性挠曲板11,111和压电圆盘12,112层不仅具有类似的机械特性，而且具有类似的厚度(垂直方向上的高度)。因此，例如，0.2mm压电圆盘可与0.2mm挠曲板成对。本文所使用的术语“高度”或“垂直高度”与“厚”或“厚度”可互换地使用。在一个实施方式中，挠曲板11,111和压电圆盘12,112的机械特性是类似的，因为挠曲板和压电圆盘材料的杨氏模量具有相同的数量级，以便在整个换能器装置的挠曲变形期间在界面处实现低应力。可以通过作用于两个层的厚度(本文中也称为垂直高度)来补偿杨氏模量的差异。例如，如果挠曲板由不锈钢形成并且压电圆盘由PZT-5H形成，则杨氏模量分别为190和61GPa。为了具有完美平衡的结构，在一个实施方式中，每个双层的挠曲板和压电圆盘具有类似的机械特性和垂直高度，例如，挠曲板可以形成为具有等于或大约140μm的厚度，并且压电圆盘可以形成为具有等于或大约200μm的厚度。在该实施方式中，挠曲板和压电圆盘都具有相同的杨氏模量。挠曲板和压电圆盘可以具有一个或多个相同的机械特性。在另一个实施方式中，挠曲板和压电圆盘都可以形成为具有200μm的相同厚度或垂直高度。可以设想，挠曲板和压电圆盘可以形成有多个另选尺寸，只要维持杨氏模量的1比4即可。如本文所使用的类似术语包括挠曲板和压电圆盘的任何尺寸，只要保持杨氏模量的1比4即可。
挠曲板11可以是导电板(例如，在至少一侧上金属化)，并且可以由通常与压电材料结合使用的任何材料制成。在选择挠曲板材料时应考虑以下标准：导电性、粘附至压电材料的能力、厚度控制、成本和可用性。因此，例如，如果在双层中使用压电陶瓷圆盘，则挠曲板材料应当能够可靠地粘附到压电圆盘的材料，例如陶瓷。另外，提供精确厚度控制的材料也是优选的。可用于根据本发明的挠曲板的示例性非限制性材料包括碳钢(例如，1.1274级碳钢)、不锈钢(例如，1.4310级不锈钢)、氧化铝(例如，金属化氧化铝)、玻璃(例如，金属化玻璃)；和硅。
压电圆盘12可以由通常用于其压电效应的任何材料制成。在选择压电圆盘的材料时应考虑以下标准：机械特性(例如，高压电常数d31、低机械损耗、低电损耗)、电特性(导电性)、形状和尺寸、技术可靠性、成本和可用性。用于压电圆盘的非限制性示例性材料包括钛锆酸铅(PZT)，例如软PZT材料如PZT5A和PZT5H，以及硬PZT材料如PZT4、PZT7A、PZT8。PZT5A在例如Engineering Fundamentals公司中描述，网址为www.efunda.com；PZT5H在例如Heinonen,E.,Juuti,J.,和Leppavuori,S.Characterization and modelling of 3Dpiezoelectric ceramic structures with ATILA software.Journal of EuropeanCeramic Society,25,2467-2470(2005)中描述。这样的材料例如可以从美国马萨诸塞州贝林汉姆的Boston Piezo Optics公司购得，该公司在http://bostonpiezooptics.com/ ceramic-materials-pzt上描述了这种材料的性质。另参见Bar-Chaim,N.,M.Brunstein,J.Grünberg和A.Seidman,"Electric field dependence of the dielectric constantof PZT ferroelectric ceramics,"J.Appl.Phys.45,2398(1974)；D.Berlincourt和H.H.A.Krueger,(C.Near修改),PROPERTIES OF MORGAN ELECTRO CERAMIC CERAMICS,Technical Publication TP-226,Morgan Electro Ceramics,可从网址http://www.morganelectroceramics.com/resources/technical-publications/获得；Berlincourt,D.,"Recent Developments in Ferroelectric Transducer Materials,"Transactions of the IRE Professional Group on Ultrasonic Engineering,第4卷,第1期，第53-65页，1956年8月；Berlincourt,D.；B.Jaffe,H.Jaffe,H.H.A.Krueger,"Transducer Properties of Lead Titanate Zirconate Ceramics,"IRE Transactionson Ultrasonic Engineering,第7卷,第1期，第1至6页，1960年2月；Jaffe,H.,D.A.,Berlincourt,"Piezoelectric transducer materials,"Proceedings of the IEEE,第53卷，第10期，第1372-1386页，1965年10月；Lamberti,N.,M.Pappalardo,"A generalapproximated two-dimensional model for piezoelectric array elements,"IEEETransactions on Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control,第42卷，第2期，第243-252页，1995年3月。
围栏层13附接到挠曲板11并且包括多个孔口，这些孔口对应于多胞元换能器的多个胞元，如图1C所示。围栏层13围绕孔口的材料在胞元之间形成围栏或壁，从而限定双层电声胞元的边界。在最有效的实施方式中，孔口的尺寸相同并且等间隔。如图2和3更详细所示，每个孔口都限定了由挠曲板111和围栏113界定的空腔115a、115b，这些围栏限定了胞元10、10a、10b的壁。每个压电圆盘12a-12c附接到挠曲板11(图1B)，并且居中地位于围栏层13的孔口(图1C)内，即位于每个空腔内。每个压电圆盘12a-12c，112、112a、112b可以具有与容纳它的胞元10、10a、10b的边界相同的形状，但是具有较小的直径，如图2和3所示。在连接了电线的情况下，压电单元即压电胞元可以将电信号转换为超声波，反之亦然。
压电元件可致动挠曲板，使其挠曲。在一个实施方式中，压电圆盘可以是压电陶瓷板，类似于在电话接收器和蜂鸣器中使用的压电圆盘。当前技术允许将这种压电陶瓷板制造为约0.1mm的薄度。复合双层板的总厚度可以为约0.2mm的数量级。因此，当施加电压时，复合板可能具有大的应变和低的挠曲刚度。挠曲板的存在防止了当施加AC电流时压电陶瓷的径向振动。由此产生的不对称应力被迫进入双层板而使其挠曲。
不受理论的束缚，胞元的挠曲板的谐振频率的一级近似由下式给出：
Figure GDA0001948194780000101
其中t是厚度(垂直高度)，dc是双层的直径，
Figure GDA0001948194780000102
是杨氏模量，
Figure GDA0001948194780000103
是泊松比，
Figure GDA0001948194780000104
是重量/表面比。用上划线表示的量是压电圆盘和挠曲板的值之间的平均值。常数λ2将取决于谐振模式和将压电圆盘附接到挠曲板所材料的结合类型。参见Caliano，G.，A.lula，N.Lamberti，M.Pappalardo，“A Piezoelectric Bimorph Static Pressure Sensor”,Sensors&Actuators A，46-47，第76-178页(1995)。对于第一挠曲模式，λ2可以从针对被支撑在边界上的板的约4.9变化到针对被夹持的板的约10.2。
在一个实施方式中，多元件换能器的元件可以具有不同的操作范围，并且可以由单独的电缆和电子器件来操作。这种布置提供了多频率换能器，其允许每个谐振频率范围的胞元独立地或彼此结合地操作。该实施方式对于某些应用(例如,声学振动测量)可能是有利的，其中两个频率，例如用于激励的较低频率和用于多普勒询问的较高频率是不可缺少的。两个单独的频率范围可以通过同轴传播通过介质而从相同源操作，从而确保被询问的环境的体积被最佳地放置在被激励的环境的体积之上。
在该多频多换能器实施方式中，胞元的组可以被设计成以不同的频率振动。对于一些应用，具有相同频率范围的胞元可以在具有不同频率范围的胞元之间均匀分布在换能器上。对于其它应用，具有相同操作频率范围的胞元可以聚簇或放置在换能器的特定区域中。
图2A示意性地示出了本发明的换能器装置的实施方式的一个胞元10的横截面视图。在该实施例中，胞元10包括挠曲板111和压电圆盘112的双层120，以及限定胞元边界的围栏113和背衬层114，该背衬层114将限定在围栏113、挠曲板111和背衬层114之间的空腔115封闭。
图2B示意性地示出了包括高围栏层和没有背衬层的实施方式的胞元10。
图2C示意性地示出了围栏层和背衬层由相同材料制成的胞元10。
图3以横截面示意性地示出了围栏113a、113b、113c如何限定本发明的换能器装置的实施方式的两个相邻胞元的边界。该实施方式类似于图2A所示的实施方式，包括挠曲板111、压电圆盘112a、112b和封闭每个胞元的空腔115a和115b的背衬层114。图3还示出了每个压电圆盘112a、112b的直径小于包含它的胞元10a、10b的直径。
在本实施方式中，压电圆盘12a和12b是相同的，直径都为d1。胞元10a和10b的直径、围栏13a、13b和13c之间的挠曲板的直径为d2。d1:d2的比(圆盘:板)可以在0.5至1的范围内。例如，当d1为5mm时，d2可以为6mm。这样的具有5:6(或0.83)的d1:d2的比的胞元实现了大约85％的高传输灵敏度，如图5所示。围栏的宽度(d3)将影响从胞元10a的中心到相邻胞元10b的中心测量的胞元-胞元距离(d4)。因此，设计具有小d3的围栏层将允许胞元的平面阵列具有更小的d4。在一个实施方式中，例如，d3可以是1mm。
如图4所示，在针对本发明的压电圆盘评估的各种材料(PZT4，PZT5A，PZT5H，PZT7A和PZT8)中，对于单胞元实施方式，PZT5H提供最高的d31(横向压电系数，也称为压电应变)。用于产生图4的数据和本文提供的其它数据的换能器胞元的实施方式包括双层，该双层包括由可从例如德国Bernau的Hasberg Schneider GmbH获得的等级1.1274碳钢制造的挠曲板。
用于产生图5、6A、6B、9-11、12和13A-D的数据的换能器的实施方式包括双层，该双层包括由PZT5H制造的压电陶瓷和由等级1.1274碳钢制造的挠曲板。
如上所述，压电圆盘可以具有小于容纳板的胞元的直径(d2)的直径(d1)。图5图示了对于根据本发明的单个元胞，针对d1:d2比的范围获得的传输灵敏度的双层单元来说，胞元或板的直径(d2)为挠曲板的区域的直径。在包括由PZT5H制造的压电圆盘板的实施方式中，5:6的d1:d2比提供了高达约160kHz的有利的声频。
相邻胞元的中心之间的距离(胞元到胞元的距离)被称为“间距”。对于单个胞元评价在一定范围的间距上的传输灵敏度，并示于图6A中。如图6B所示，频率带宽和间距值成反比。圆形胞元可以以六边形瓦片图案布置。或者，可以使用六边形胞元形状。圆形或六边形胞元形状允许胞元之间的间隔比例如正方形紧密。80mm直径的圆盘可以具有120-150个六边形或圆形胞元。在具有采取六边形阵列形式的圆形胞元的一个实施方式中，确定7mm的间距可提供85％的分数带宽。考虑到胞元的形状，可以使用其它间距，目的是实现尽可能接近100％的分数带宽。较小的间距值可以改善带宽，但是代价是胞元的数量较大，需要更多的压电材料，因此需要更高的成本。
本发明的换能器的优点是不限于特定的直径或几何形状或其组合，使得可以获得声功率和频率范围的最佳组合。因此，例如，这种换能器可以被设计成穿透特定深度，例如穿过组织，并且根据应用而具有特定的场宽度和特定的工作频率范围。
这种换能器可以具有任何平面几何形状，然而通常是大体圆的或圆形形状-已经发现圆盘提供胞元的有效平铺。圆盘可以是实心的，如图7所示，或者可以包括中心孔-如像“环状孔”，如图8A和8B所示。复合圆盘直径的非限制性示例可以在约30-90mm之间，在约50-100mm之间，或在约60-90mm之间，例如80mm直径或92mm直径。中心孔可以具有在大约10-30mm之间的直径，例如大约25mm。圆盘的厚度可以在大约5-40mm之间，例如15mm厚，包括围栏、背衬层和匹配层。在没有背衬层的情况下，圆盘的厚度可以在约1.5-40mm之间。双层层可以具有在约0.2-1mm之间的厚度，例如0.4mm。根据具体应用，大于100mm的圆盘直径也在本发明的范围内。基于本文的公开内容，适当的直径(横向尺寸)以及其它结构的相对尺寸落入本领域的范围内。
可以使用两种建模方法来针对根据本发明的胞元阵列的原型来评估电阻抗和辐射压力场。例如，可以使用有限元建模(FEM)来评估脉冲响应，即，换能器对电压脉冲激励的时域加速度响应。FIELD II模型(参见http://field-ii.dk/？./downloading_7_12.html；另参见J.A.Jensen.“Field：A program for simulating ultrasound systems.”，Med.Biol.Eng.Comp.，10th Nordic-Baltic Conference on Biomedical Imaging，第4卷，增刊1，部分1:351-353，1996b)允许针对连续正弦波或脉冲波计算由任何形状的有限大小的换能器在介质中产生的辐射压力场。
在一个实施方式中，根据本发明的低频电声换能器将具有接近100％的6dB分数带宽和足够高的灵敏度，以使用在期望频率范围(例如，30-100kHz(-6dB))内具有几十伏特大小的驱动信号在例如具有大约160mm的长度和大约40mm的直径的感兴趣的圆柱体内获得100kPa。
设计具有不同形状的换能器圆盘上的平面胞元阵列的示例性布局，如图7，8A和8B所示，并且评估这些换能器实施方式的浸没(FEM)电阻抗。在这些非限制性实施方式中，每个胞元具有6mm的最小直径，并且每个围栏具有1mm的最小宽度。
图7示出了具有实心圆盘形状的换能器130的一个实施方式以及可以如何布置胞元10a-10c的平面阵列。在该非限制性示例中，换能器圆盘130具有大约80mm的外径，这允许大约121个圆形胞元的平面阵列，每个圆形胞元具有6mm的直径。图7的实施方式的电容(C)在1kHz时为245.7nF，阻抗(Z)在30kHz时为1.82-21.2iΩ，在60kHz时为2.79-12.48iΩ，在100kHz时为0.33-8.06iΩ。电阻抗角被确定为接近-90度；损耗主要是由于声能辐射产生的。在另一个实施方式中，换能器圆盘具有等于或近似120mm的外径。
图8A示意性地示出了在具有环状形状的换能器135的实施方式中的胞元10a-10c的平面阵列的另一实施方式。在该非限制性示例中，换能器圆盘135具有大约80mm的外径和大约25mm的内径(中心孔直径)，这允许大约90个直径为6mm的圆形胞元。对于图8A的实施方式，测得如下电容和阻抗：在1kHz时C＝182.8nF，在30kHz时Z＝2.46-28.57iΩ，在60kHz时为3.75-16.79iΩ，在100kHz时为0.44-10.84iΩ。
图8B示意性地示出了在具有中心孔的换能器235的另一个实施方式中如何布置胞元10a-10c的平面阵列。在该非限制性示例中，换能器圆盘235具有大约92mm的较大外径和大约30mm的内径。该设计允许大约132个直径为6mm的圆形胞元进行平面阵列。对于图8B的实施方式，测得以下电容和阻抗：在1kHz时C＝268.1nF，并且在30kHz时Z＝1.67-19.48iΩ，在60kHz时为2.56-11.44iΩ，在100kHz时为0.30-7.39iΩ。
在辐射压力场(FIELD II)模型中针对1V正弦连续波测试图7、8A和8B的实施方式，并且以三个不同频率(30kHz，60kHz和100Hz)针对感兴趣体积300计算场强度。结果分别示于图9、10和11中。在图9，10和11的每一个图中，感兴趣的声学体积300在最右边的面板中由矩形示出。用于这些测试的感兴趣的声学体积300是直径大约40mm的大致圆柱形空间，并且从换能器装置的表面延伸大约40mm到大约160mm之间。期望这样的感兴趣体积提供可适合于与植入的超声可激励传感器结合使用的外部声发送器的一定的超声波发射范围。图9、10和11中的数据示出了在测试频率下由实施方式的换能器产生的超声场。三个频率中的每个频率的超声波的幅度都由根据每个图右侧的条的颜色表示。在三个频率中的每一个处的超声波的直径在x轴上表示。
图9描绘了从图7的换能器装置130发射的分别为30kHz、60kHz和100kHz的超声波的空间场分布(波束图案)。图9示出了在所有三个频率处，显著幅度(约5dB)的超声波到达感兴趣的声场。
图10描绘了从图8A的换能器装置135发射的分别为30kHz、60kHz和100kHz的超声波的空间场分布(波束图案)。图10示出了在所有三个频率处，显著幅度(约5dB)的超声波到达感兴趣的声场。
图11描绘了从图8B的换能器装置235发射的分别为30kHz、60kHz和100kHz的超声波的空间场分布(波束图)。图11示出了在所有三个频率处，显著幅度(约5dB)的超声波到达感兴趣的声场。图11和图10的比较示出了平面阵列中的胞元数量如何影响声场传输，虽然越过了较大直径的圆盘。
该装置的效率可以通过围栏层、背衬层和匹配层的特定设计来增强。
匹配层不仅用于防止与患者身体发生电接触，而且被设计成使发送器与测量环境例如身体组织产生声学匹配，以使能量传递最大化。因此，优选地具有匹配层(未示出)，该匹配层具有与超声波要穿过的任何介质类似的声阻抗。以这种方式匹配声阻抗可以最小化从换能器装置发送和接收的超声波的反射、折射和耗散。因此，例如，对于发送器将通过软体组织发射和/或接收超声波的应用，匹配层可以具有类似于水、组织或血液中的一种或多种的声阻抗，例如，在1.5-1.54Mrayls的范围内，或在约1.2至1.72Mrayls或约0.18至1.72Mrayls的范围内。确定换能器要使用的环境的声阻抗是本领域公知的。匹配层不是必需的，然而其对于阻尼可能由胞元之间的声相互作用引起的共振是有用的。
可以由本领域已知的硬或软聚合材料制成的匹配层还可以包括电绝缘并且提供胞元到胞元的声相互作用阻尼。这种硬或软聚合物材料的非限制性示例包括硅树脂-粉末化合物、弹性体和具有适当声阻抗的其它合适的化合物。硅树脂-纳米粉末具有约1.48MRayl的声阻抗。匹配层还可用作在医学诊断应用中接触例如皮肤的表面。合适的生物相容性对于这样的应用可能是期望的。本领域技术人员知道为了特定目的选择合适的材料，例如如果该装置要在腐蚀性环境中使用则选择惰性材料。
使用FEM模型比较具有相同声学特性的软和硬聚合物材料(塑料和橡胶)显示硬材料不如软材料有利，因为它们倾向于影响胞元的挠曲振动模式。具有更类似于流体的声学行为的软材料产生了更好的结果。包括生物相容性硅树脂-纳米粉末化合物并具有约1.48MRayl的声阻抗的匹配层被证明产生了非常低的声能损失。匹配层的厚度可以在1至20mm的范围内。
用围栏层和背衬层结构和材料的适当组合来设计换能器装置可以用于引导声能波，从而限制声能损失。背衬层不仅为换能器提供机械支撑和板约束，而且还可以设计成吸收和阻尼反向发射的能量，即，沿与所期望的方向相反的方向-朝向装置的正面-行进的声波。背衬层的特定设计可影响换能器装置的频带形状。可以使用材料和垂直高度的不同组合，考虑以下参数来实现背衬层的期望特性：可用空间、宽带激发要求和电互连。围栏层和背衬层的材料的非限制性示例可包括例如黄铜和塑料。非限制性的示例性塑料包括环氧树脂和钨填充的环氧树脂。
根据本发明可以使用围栏层和背衬层结构的各种组合来实现期望的结果。在一个实施方式中，换能器装置包括高围栏层，并且空腔是开放的，即，没有背衬层。在另一个实施方式中，该装置可包括短围栏层和高背衬层；在包括背衬层的这种实施方式中，空腔被隔离即被封闭。在具有封闭空腔的又一个实施方式中，该装置可以包括高围栏层和短背衬层。为了保持低轮廓且重量轻的装置，声学发送器作为整体可具有小于15mm的厚度，例如10mm或11mm。因此，高层可以在8-10mm的量级，短层可以在1-2mm的量级。根据具体应用，可以使用高度和材料的其它组合，并且可以由本领域普通技术人员基于本说明书确定。
制造和测试了一些上述结构设计和材料的示例性组合的单胞元原型，其结果示于图12和13A-D中。
图12示出了如图2B所示的包括高围栏层和无背衬层的简单结构设计的FEM仿真传输灵敏度。在换能器装置的该实施方式中，围栏层包括黄铜并且具有约10mm的围栏层高度。传输灵敏度在工作频带中是不变的，但是在高频下有峰值。由于在工作期间可能由换能器表面上的净压力激发的围栏结构的径向模式，在某些频率下辐射图案可能发生改变。
图13A-D示出了具有短围栏层和高背衬层以及材料的各种组合的结构设计的实施方式的FEM仿真传输灵敏度。
图13A示出了来自如图2C所示的围栏层和背衬层由相同材料(黄铜)制成的胞元的实施方式的数据。围栏层高度为约1mm，背衬层高度为约10mm。该组合的性能良好，传输灵敏度不变。由于利用本实施方式激励背衬径向模式，因此可以在某些频率处产生辐射图案变化。
图13B示出了围栏层和背衬层由不同材料制成的胞元的实施方式的数据。围栏层包括黄铜，背衬层包括注入了钨的环氧树脂。类似于图2C的装置，在该实施方式中，围栏层高度为约1mm，背衬层高度为约10mm。本实施方式中的传输灵敏度显著改变。
图13C示出了来自胞元的第二实施方式的数据，其中围栏层和背衬层由相同材料-钨填充环氧树脂制成。围栏层高度为约1mm，背衬层高度为约10mm。
图13D示出了来自胞元的第二实施方式的数据，其中围栏和背衬由不同的材料制成。围栏层包括注入了钨的环氧树脂，背衬层包括黄铜。在该实施方式中，围栏层高度为大约1mm，背衬层高度为大约10mm。在该实施方式中，传输灵敏度是改变的，但是更高频率的峰值可以有用地增强带宽。低损耗黄铜背衬的径向模式允许在某些频率下发生辐射图案改变。
如本领域普通技术人员将理解的，阵列中的每个胞元的特定设计将取决于所使用的特定频率。当要使用宽频率范围时，想要获得对所有频率都起作用的特定设计是一项复杂的工作。已经发现，由相同材料制造的短围栏层和高背衬层的组合对于宽频率范围产生了良好(85％)的效率，如下所述。
本发明的另一方面涉及一种制造换能器装置的方法。图14A-P示意性地示出了制造根据本发明的换能器装置的方法的一个实施方式，其描绘了使用双胞元示例的结构的横截面。本领域技术人员可以使用本文提供的描述将这样的方法按比例扩大到例如上述的那些具有80-150个双层单元阵列的多胞元装置。一般来说，压电圆盘和围栏层形成为一个组件，其中一个压电圆盘位于围栏层的每个孔口的中心。挠曲板形成为单独的第二组件。随后通过将围栏层和压电圆盘附接到挠曲板来组合这两个组件。
如图14A所示，首先将包括多个相邻的真空保持基座元件400a-c的真空保持基座400放置在平坦表面上。真空保持基座400a-c彼此等距地间隔开。然后将包括接触部分401a-c之间的多个孔口的对准工具401放置在每个真空保持基座元件400a-c的上面，每个对准工具孔口具有一定直径。接触部分401a与真空保持基座元件400a对齐并居中，接触部分401b与真空保持基座元件400b对准并居中，等等，如图14B所示。在对准工具401就位之后，将多个压电圆圆盘412a-b在对准工具401的接触部分401a-c之间放置在真空保持基座元件400a-c上，如图14C所示。对准工具401用于定位压电圆盘412a、412b的阵列。因此，对准工具接触部分401a(孔口直径)的边缘之间的距离将大致等于压电圆盘412a-b的直径，使得压电圆盘412a-b跨越对准工具孔口的直径并覆盖真空保持基座400a-c之间的间隙，如图14C所示。施加真空以将压电圆盘412a、412b保持在真空保持基座元件400a-c上，然后移除对准工具401。图14D示出了在对准工具被移除之后，搁置在真空保持基座元件400a-c上以期望阵列定位的压电圆盘412a-b。然后将具有第一表面、第二表面、直径和多个孔口的围栏层413放置在真空保持基座400上，使得压电圆盘412a-b在围栏413a-c之间的围栏层孔内居中，并且围栏层413的第一表面接触真空保持基座400，以形成多个空腔415a、415b，如图14E所示。接下来，用可固化聚合物402填充空腔415a、415b直到围栏413a-c的高度，如图14F所示。可固化聚合物402的非限制性示例包括RTV硅树脂或不粘附于金属、塑料和压电陶瓷的任何聚合物。优选地，可固化聚合物可在相对低的温度下浇注和固化。然后用平坦工具403覆盖被填充的空腔，如图14G所示，并开始固化过程。一旦聚合物402固化并且真空被释放，则可以移除真空保持基座400，如图14H所示。这样就完成了第一组件405的制造。
为了制备第二组件，如图14I所示，将板保持器406放置在平坦表面上。将具有第一表面、第二表面和直径的挠曲板411放置在板保持器406上，如图14J所示。然后将粘合剂407施加到挠曲板411的整个第一表面上，如图14K所示。这样就完成了第二组件408的制造。然后将第一组件405放置在第二组件408上，使得围栏层413的第一表面接触挠曲板411的第一表面上的粘合剂407，如图14L所示。然后固化粘合剂407，从而将第一组件405附接到第二组件408，即，将围栏层413和压电圆盘412a-b的阵列粘附到挠曲板411而形成多胞元阵列。将平坦工具403移除，如图14M所示。除去可固化聚合物402，如图14N所示。随后，移除板保持器406，如图14O所示。最后，如图14P所示，可以例如通过焊接将电线420a-c附接到空腔侧上的每个压电圆盘412和挠曲板411的第二表面。对于不具有背衬层的实施方式，至此完成了根据本发明的包括压电胞元的平面阵列的多胞元换能器410的制造。
然后可以将匹配层附接到挠曲板，以形成本发明的有助于将超声波能量发射到诸如身体的环境中的新型超声波发送器。如果使用背衬层，则可以在胞元阵列完成之后(图14P)或在将围栏层添加到第一组件之前对其切割以匹配围栏层的直径并附接到围栏层。在后一种情况下，由围栏层背衬层组件形成的空腔可以在步骤(图14E)之前填充RTV硅树脂。在具有或不具有匹配层的实施方式中都可以结合背衬层。当背衬层和匹配层两者组合使用时，匹配层用于阻尼“表面模式”并且防止胞元之间的声学串扰，这可以改变处于浸没中的装置的发射频率响应。
因此，在一个实施方式中，本发明的方法可以包括：将包括多个间隔相等的孔口的真空保持基座放置在平坦表面上；将对准工具放置在所述多个真空保持基座上，所述对准基座包括多个尺寸相等且间隔开的孔口；使用所述对准工具在所述真空保持基座孔上方将压电圆盘的阵列设置在所述真空保持元件上，并且使每个所述压电圆盘彼此间隔相等；其中每个所述压电圆盘的直径略小于相应的对准工具孔口直径，以允许所述压电圆盘装配在所述相应的对准工具孔口内；通过所述真空保持基座产生真空并移除所述对准工具；将具有第一表面、第二表面和直径的围栏层放置到所述真空保持基座上，使得所述第一表面接触所述真空保持基座，所述围栏层包括采取与所述压电圆盘阵列相对应的阵列形式的多个孔口，所述围栏层孔口直径大于所述压电圆盘直径，所述围栏层具有垂直高度以限定与所述多个围栏层孔口相对应的多个空腔；用可固化聚合物填充物填充所述多个空腔；用平坦工具覆盖被填充的空腔；固化所述可固化聚合物；去除所述真空；移除所述真空保持基座以形成第一组件；分别提供板保持器并将具有第一表面、第二表面和等于所述围栏层直径的直径的挠曲板放置在所述板保持器上；将可固化粘合剂施加到所述挠曲板的所述第一表面上以覆盖所述挠曲板的所述第一表面而形成第二组件；将所述第一组件放置在所述第二组件上，使得所述围栏层的所述第一表面接触所述挠曲板的所述第一表面上的所述粘合剂；固化所述粘合剂；移除所述平坦工具；去除所述固化的聚合物填充物；并且移除所述板保持器。该方法还可以进一步包括将匹配层粘附到所述挠曲板的所述第二表面。该方法还可以进一步包括将背衬层粘附到所述围栏层的所述第二表面。
已经观察到这种系统的二阶效应，例如与粘合剂有关的峰值效应和随之而来的灵敏度和/或带宽的降低。例如，存在由挠曲板和围栏层和压电圆盘之间的粘附产生的弹性约束。此外，粘合剂的厚度可以在约10-50μm之间，并且可能影响传输灵敏度。
本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对通过实施方式在本文中具体示出和描述的内容进行许多变型、添加、修改和其他应用。因此，如下面的权利要求所限定的本发明的范围旨在包括所有可预见的变化、添加、修改或应用。

Claims (29)

1.一种多胞元电声换能器，该多胞元电声换能器包括：
挠曲板；
多个压电圆盘，所述压电圆盘以平面阵列布置在所述挠曲板上并附接到所述挠曲板，每个所述压电圆盘和挠曲板限定双层单元；和
围栏层，该围栏层包括限定多个孔口的多个围栏，所述围栏层附接到所述挠曲板；
其中，所述多个压电圆盘中的每一个都在所述多个孔口中的每一个内居中，所述围栏限定多个双层电声胞元的壁；并且
其中所述挠曲板和所述压电圆盘均具有相同数量级的杨氏模量。
2.根据权利要求1所述的换能器，其中，每个双层单元的所述挠曲板和压电圆盘具有相同的垂直高度。
3.根据权利要求1所述的换能器，其中，所述挠曲板选自由碳钢、不锈钢、氧化铝和玻璃构成的组。
4.根据权利要求1所述的换能器，其中，所述多个压电圆盘中的每个包括PZT陶瓷。
5.根据权利要求4所述的换能器，其中，所述PZT陶瓷选自由PZT5A和PZT5H构成的软PZT陶瓷的组。
6.根据权利要求4所述的换能器，其中，所述PZT陶瓷选自硬PTZ陶瓷的组，所述硬PTZ陶瓷选自由PZT4、PZT7A和PZT8构成的组。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的换能器，其中，所述压电圆盘以平面阵列的方式布置在挠曲板上并且附接到所述挠曲板的表面，并且其中，所述围栏层附接到所述挠曲板的表面。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的换能器，其中，所述压电圆盘的直径与所述挠曲板的直径的比为在0.5至1的范围内。
9.一种用于制造多胞元电声换能器的方法，该方法包括以下步骤：
a)将包括多个等间隔开的孔口的真空保持基座放置在平坦表面上；
b)在所述真空保持基座孔口上对准压电圆盘阵列，以使每个所述压电圆盘彼此等间隔；
c)通过所述真空保持基座产生真空；
d)将具有第一表面、第二表面和直径的围栏层放置在所述真空保持基座上，使得所述第一表面接触所述真空保持基座，所述围栏层包括采取与所述压电圆盘阵列相对应的阵列形式的多个孔口，所述围栏层孔口直径大于所述压电圆盘直径，所述围栏层具有垂直高度以限定与所述多个围栏层孔口相对应的多个空腔；
e)用可固化聚合物填充物填充所述多个空腔；
f)用平坦工具覆盖所述填充的空腔；
g)固化所述可固化聚合物；
h)去除所述真空；
i)移除所述真空保持基座以形成第一组件；
j)单独提供板保持器并将具有第一表面、第二表面和等于所述围栏层直径的挠曲板放置在所述板保持器上；
k)将可固化粘合剂施加到所述挠曲板的所述第一表面上，以覆盖所述挠曲板的所述第一表面而形成第二组件；
l)将所述第一组件放置在所述第二组件上，使得所述围栏层的所述第一表面接触所述挠曲板的所述第一表面上的所述粘合剂；
m)固化所述粘合剂；
n)移除所述平坦工具；
o)移除所述固化的聚合物填充物；和
p)移除所述板保持器。
10.根据权利要求9所述的方法，该方法还包括以下步骤：
将对准工具放置在所述真空保持基座上，所述对准工具包括多个尺寸相等且等间隔开的孔口；和
在所述产生步骤之后移除所述对准工具；
其中，所述对准步骤还包括使用所述对准工具将所述压电圆盘的阵列设置在所述真空保持基座上的所述真空保持基座孔口上，其中，每个所述压电圆盘的直径略小于相应的对准工具孔口直径，以允许所述压电圆盘配合在所述相应的对准工具孔口内。
11.根据权利要求9或10所述的方法，该方法还包括以下步骤：将导线附接到所述挠曲板和所述多个压电圆盘。
12.根据权利要求11所述的方法，该方法还包括以下步骤：将匹配层粘附到所述挠曲板的所述第二表面。
13.根据权利要求11所述的方法，该方法还包括以下步骤：将背衬层粘附到所述围栏层的所述第二表面。
14.一种多胞元电声换能器，该多胞元电声换能器包括：
挠曲板；
多个压电圆盘，所述压电圆盘以平面阵列布置在所述挠曲板上并附接到所述挠曲板，每个所述压电圆盘和挠曲板限定双层单元；和
围栏层，该围栏层包括限定多个孔口的多个围栏，所述围栏层附接到所述挠曲板；
其中，所述多个压电圆盘中的每一个都在所述多个孔口中的每一个内居中，所述围栏限定多个双层电声胞元的壁；并且
其中所述压电圆盘包括陶瓷，并且所述挠曲板选自由碳钢、不锈钢、氧化铝和玻璃构成的组。
15.根据权利要求14所述的换能器，其中，所述压电圆盘以平面阵列的方式布置在挠曲板上并且附接到所述挠曲板的表面，并且其中，所述围栏层附接到所述挠曲板的表面。
16.根据权利要求14或15所述的换能器，其中，所述压电圆盘的直径与所述挠曲板的直径的比为在0.5至1的范围内。
17.根据权利要求14或15所述的换能器，其中，每个双层单元的所述挠曲板和压电圆盘具有相同的垂直高度。
18.根据权利要求14或15所述的换能器，其中，所述挠曲板具有80mm或120mm的直径。
19.根据权利要求1至6、14中任一项所述的换能器，该换能器还包括位于邻近所述挠曲板的第一侧的匹配层。
20.根据权利要求1至6、14中任一项所述的换能器，该换能器还包括位于邻近所述围栏层的第二侧的背衬层。
21.根据权利要求1至6、14中任一项所述的换能器，其中，所述多个压电圆盘中的每个具有相同大小并且具有选自由六边形、圆形和正方形构成的组的形状。
22.根据权利要求1至6、14中任一项所述的换能器，其中，所述挠曲板具有实心的圆盘形状。
23.根据权利要求1至6、14中任一项所述的换能器，其中，所述挠曲板具有包括中心孔的环状圆盘形状。
24.根据权利要求22所述的换能器，其中，所述挠曲板具有80mm的直径。
25.根据权利要求23所述的换能器，其中，所述挠曲板具有120mm的直径。
26.根据权利要求1至6、14中任一项所述的换能器，其中，所述换能器是多频换能器。
27.根据权利要求1至6、14中任一项所述的换能器，其中，所述挠曲板具有平面几何形状。
28.根据权利要求1至6、14中任一项所述的换能器，其中，所述多胞元电声换能器的每个胞元是可独立激励的。
29.根据权利要求1至6、14中任一项所述的换能器，其中，所述多胞元电声换能器的任意数量的胞元可彼此结合地激励。
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