CN109746177B - 压电超声换能器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电超声换能器及其工作方法；该压电超声换能器含有从上到下依次设置的顶电极层﹑压电层﹑底电极层﹑基底层和固定板，顶电极层中含有1个中央顶电极单元和N‑1个周边顶电极单元，周边顶电极单元均匀分布在中央顶电极单元周围；每个顶电极单元中含有内电极片和外电极片，外电极片环绕在内电极片周围；N个顶电极单元中的内电极片连接在一起，N个顶电极单元中的外电极片连接在一起；基底层中设有N个空腔，N个空腔分别位于N个顶电极单元的正下方；压电超声换能器可工作在差分电极和单电极模式下，可发射和接收超声波；本发明发射超声波时能力强﹑接收超声波时灵敏度高，且制作简单，可大规模阵列集成化，工作方法多样﹑灵活。

Description

压电超声换能器及其工作方法

（一）、技术领域：

本发明涉及一种超声换能器及其工作方法，特别涉及一种压电超声换能器及其工作方法。

（二）、背景技术：

超声检测（传感）技术作为声学传感技术的一种，是利用超声波的较好的方向性、较强的穿透能力以及易于获得较集中等特性对距离、流速等物理特性进行检测的技术。压电超声换能器作为高端超声检测仪器的核心部件，是一种利用压电效应和逆压电效应进行声-电和电-声转换的能量转换器件。当换能器发出的超声声波由于外界物理量（如测量距离、液体流速、物体厚度等）的作用而发生某些参数的改变时，会被换能器感受到并引起电学量的变化。如此便可以通过方便测量的电学量的改变推断出待测外界物理量的具体参数，从而达到测量外界物理量的目的。

目前，压电超声换能器存在敏感信号弱、可制造性差和无法大规模阵列化等问题。在物理量的检测中，敏感信号（敏感度）是一个重要的表征量，特别对于微型集成芯片而言，敏感信号弱将会使得芯片无法正常使用，从而也无法大规模推广应用。

（三）、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供一种压电超声换能器及其工作方法，该压电超声换能器发射超声波时能力强﹑接收超声波时灵敏度高，且制作简单，可大规模阵列集成化，压电超声换能器的工作方法多样﹑灵活。

本发明的技术方案：

一种压电超声换能器，含有顶电极层﹑压电层﹑底电极层﹑基底层和固定板，固定板水平设置，基底层设置在固定板的上表面上，底电极层设置在基底层的上表面上，压电层设置在底电极层的上表面上，顶电极层设置在压电层的上表面上，顶电极层中含有N个相同的顶电极单元，其中一个顶电极单元为中央顶电极单元，其余N-1个顶电极单元为周边顶电极单元，N-1个周边顶电极单元均匀分布在中央顶电极单元的周围，N为大于等于4的自然数，相邻顶电极单元间的间距小于压电超声换能器要发射或接收的超声波的波长；每个顶电极单元中含有内电极片和外电极片，外电极片的形状为开口的环形，外电极片环绕在内电极片周围；N个顶电极单元中的N个内电极片通过内电极导电连接片连接在一起，内电极导电连接片再与内电极引出接口连接，N个顶电极单元中的N个外电极片通过外电极导电连接片连接在一起，外电极导电连接片再与外电极引出接口连接，N个内电极片﹑N个外电极片﹑内电极导电连接片﹑外电极导电连接片﹑内电极引出接口和外电极引出接口均设置在压电层的上表面上；基底层中设有N个空腔，N个空腔分别位于N个顶电极单元的正下方。

顶电极单元通过MEMS或其它加工方式形成内电极片和外电极片，内电极片和外电极片组成顶部差分电极。

每个周边顶电极单元中的外电极片的开口均朝向中央顶电极单元的中心；内电极导电连接片含有开口的环形导电连接片，环形导电连接片设在中央顶电极单元和N-1个周边顶电极单元之间，环形导电连接片向外均匀伸出N-1个第一条形导电连接片，N-1个第一条形导电连接片分别穿过N-1个周边顶电极单元中的外电极片的开口与N-1个周边顶电极单元中的内电极片连接，环形导电连接片向内伸出1个第二条形导电连接片，该第二条形导电连接片穿过中央顶电极单元中的外电极片的开口与中央顶电极单元中的内电极片连接；外电极导电连接片含有N-2个第三条形导电连接片，从N-1个周边顶电极单元之间的N-1个空隙中选出N-2个空隙，并保证该N-2个空隙中有一个与环形导电连接片的开口对应，使N-2个第三条形导电连接片分别位于该N-2个空隙处，每个第三条形导电连接片的两端分别与相邻的两个周边顶电极单元中的外电极片连接，与环形导电连接片的开口对应的那个空隙中的第三条形导电连接片向内伸出1个第四条形导电连接片，该第四条形导电连接片穿过环形导电连接片的开口与中央顶电极单元中的外电极片连接。

N-1个周边顶电极单元均匀分布在以中央顶电极单元的中心为圆心的圆周上；环形导电连接片为圆环形导电连接片；N-2个第三条形导电连接片均为弧条形导电连接片；外电极片的形状为开口的圆环形，内电极片的形状为圆形。

基底层中的每个空腔均为相同的圆柱形空腔，每个空腔的内径与其正上方的顶电极单元的外径相等，空腔的底面连通到固定板，空腔的高度小于或等于基底层的高度。

当空腔的高度小于基底层的高度时，保留空腔上面的一部分基底层，即空腔还没有刻蚀到底电极层时就停止，在空腔上面形成一层薄膜作为支撑，用于提高成品率，同时也提高压电超声换能器的耐性，增强压电超声换能器在外界破坏作用下的生存能力。当空腔的高度等于基底层的高度时，不保留保留空腔上面的基底层，即空腔向上刻蚀到底电极层为止，空腔全部掏空，用以提高压电超声换能器的灵敏度。

N-1个周边顶电极单元之间的N-1个空隙中有1个空隙处没有第三条形导电连接片，环形导电连接片上与该空隙对应处向外伸出一个第五条形导电连接片，第五条形导电连接片从该空隙中穿出后与内电极引出接口连接；任1个第三条形导电连接片上向外伸出一个第六条形导电连接片，第六条形导电连接片与外电极引出接口连接。

N为7；相邻顶电极单元间的间距为压电超声换能器要发射或接收的超声波的波长的一半。

一种上述压电超声换能器的工作方法，具体为：将上述压电超声换能器的底电极层接地，给压电超声换能器的内电极引出接口和外电极引出接口上分别施加频率相同且相位相差180°的正弦信号，正弦信号的频率与压电超声换能器所要发射的超声波的频率相同，此时，压电超声换能器向外发射超声波。

由于逆压电效应，作用在压电超声换能器的内电极片和外电极片上的正弦信号可以激发每个顶电极单元下的压电层的弯曲振动，并带动整个压电层的振动，对外产生一定频率的超声波信号。

频率相同且相位相差180°的正弦信号分别作用在压电超声换能器的内电极片和外电极片上，使压电超声换能器工作在差分模式下，增加了其输出信号的强度。

N个顶电极单元同时激发，产生的超声波频率相同、声压级相同、波束宽度相同，在压电超声换能器的正面形成声场，在声波传播方向上波束成形，由此可以增强发射的超声波的声压级；在同样控制驱动情况下，本压电超声换能器发射的声波远大于单个压电超声换能器发射的声波。

一种上述压电超声换能器的工作方法，具体为：将上述压电超声换能器的底电极层接地，从压电超声换能器的内电极引出接口和外电极引出接口上分别接收电信号后输送到外部检测电路进行分析处理，该电信号由压电超声换能器接收外部的超声波后产生。

压电超声换能器通过压电层敏感超声波，并通过压电效应将接收到的超声波信号转换为电信号。

使用该压电超声换能器接收超声波时，将压电超声换能器放置于待测声场中，压电超声换能器的正面（敏感面）正对声波的传播方向为最佳，声场中的声压变化引起每个顶电极单元下的压电层发生形变，通过压电层的压电效应产生的电学信号变化被顶电极单元检测到，顶电极单元中的内电极片和外电极片检测到的电学信号分别通过内电极引出接口和外电极引出接口引出至外部并进行信号的处理和分析。

由于本压电超声换能器顶部差分电极的设计，可以使其工作在差分模式下，该工作模式下的信号增强将会双倍于单电极工作模式，故本压电超声换能器接收信号的灵敏度高。

压电超声换能器的输出信号是同时收集到的N个顶电极单元的敏感电压/电荷的总和，故在该工作方式下，压电超声换能器输出的电学信号参量N倍于单个压电超声换能器的大小，对超声波的敏感度也大于单个压电超声换能器，其灵敏度高。

一种上述压电超声换能器的工作方法，具体为：将上述压电超声换能器的底电极层接地，给压电超声换能器的内电极引出接口或外电极引出接口上施加一定频率的正弦信号，该正弦信号的频率与压电超声换能器所要发射的超声波的频率相同，此时，压电超声换能器向外发射超声波；

当给压电超声换能器的内电极引出接口上施加一定频率的正弦信号时，压电超声换能器的外电极引出接口悬空或接地；

当给压电超声换能器的外电极引出接口上施加一定频率的正弦信号时，压电超声换能器的内电极引出接口悬空或接地。

一种上述压电超声换能器的工作方法，具体为：将上述压电超声换能器的底电极层接地，从压电超声换能器的内电极引出接口或外电极引出接口上接收电信号后输送到外部检测电路进行分析处理，该电信号由压电超声换能器接收外部的超声波后产生；

当从压电超声换能器的内电极引出接口上接收电信号时，压电超声换能器的外电极引出接口悬空或接地；

当从压电超声换能器的外电极引出接口上接收电信号时，压电超声换能器的内电极引出接口悬空或接地。

本发明的有益效果：

1﹑本发明的顶电极层中的顶电极单元中含有内电极片和外电极片，内电极片和外电极片组成顶部差分电极，该差分电极的设计在发射声波时能提高超声波的发射强度，在接收超声波时能提高信号接收的灵敏度，有效增强了整个压电超声换能器的性能。

2﹑本发明的顶电极层中含有一个中央顶电极单元，中央顶电极单元的周围均匀分部多个周边顶电极单元；发射超声波时，多个顶电极单元同时激发，产生的超声波频率相同、声压级相同、波束宽度相同，在声波传播方向上波束成形，有效增强了压电超声换能器的超声波发射能力；接收超声波时，多个顶电极单元同时接收，压电超声换能器的输出电信号是同时收集到的多个顶电极单元的敏感电压/电荷的总和，使压电超声换能器对超声波接收的灵敏度大大提高。

3﹑本发明的顶电极层中的多个顶电极单元制作在同一压电层上，简化了制作的工艺和步骤，顶电极单元可以采用微机加工技术，使得压电超声换能器能够以产品级生产制备，并可大规模阵列集成化，提高了压电超声换能器的应用能力，扩大了其应用范围。

4﹑本发明的压电超声换能器既可工作在差分电极模式下，又可工作在单电极模式下，既可发射超声波，又可接收超声波，工作方法多样﹑灵活，使用方便。

（四）、附图说明：

图1为压电超声换能器的结构示意图；

图2为图1中的A-A剖视结构示意图之一；

图3为图1中的A-A剖视结构示意图之二。

（五）、具体实施方式：

实施例一：如图1﹑图2所示， 压电超声换能器含有顶电极层﹑压电层4﹑底电极层3﹑基底层2和固定板1，固定板1水平设置，基底层2设置在固定板1的上表面上，底电极层3设置在基底层2的上表面上，压电层4设置在底电极层3的上表面上，顶电极层设置在压电层4的上表面上，顶电极层中含有7个相同的顶电极单元，其中一个顶电极单元为中央顶电极单元17，其余6个顶电极单元为周边顶电极单元18，6个周边顶电极单元18均匀分布在中央顶电极单元17的周围，相邻顶电极单元间的间距为压电超声换能器要发射或接收的超声波的波长的一半；每个顶电极单元中含有内电极片6和外电极片7，外电极片7的形状为开口的环形，外电极片7环绕在内电极片6周围；7个顶电极单元中的7个内电极片6通过内电极导电连接片连接在一起，内电极导电连接片再与内电极引出接口11连接，7个顶电极单元中的7个外电极片7通过外电极导电连接片连接在一起，外电极导电连接片再与外电极引出接口10连接，7个内电极片﹑7个外电极片﹑内电极导电连接片﹑外电极导电连接片﹑内电极引出接口11和外电极引出接口10均设置在压电层4的上表面上；基底层2中设有7个空腔5，7个空腔5分别位于7个顶电极单元的正下方。

顶电极单元通过MEMS或其它加工方式形成内电极片6和外电极片7，内电极片6和外电极片7组成顶部差分电极。

每个周边顶电极单元18中的外电极片7的开口均朝向中央顶电极单元17的中心；内电极导电连接片含有开口的环形导电连接片8，环形导电连接片8设在中央顶电极单元17和6个周边顶电极单元18之间，环形导电连接片8向外均匀伸出6个第一条形导电连接片12，6个第一条形导电连接片12分别穿过6个周边顶电极单元18中的外电极片7的开口与6个周边顶电极单元18中的内电极片6连接，环形导电连接片8向内伸出1个第二条形导电连接片13，该第二条形导电连接片13穿过中央顶电极单元17中的外电极片7的开口与中央顶电极单元17中的内电极片6连接；外电极导电连接片含有5个第三条形导电连接片9，从6个周边顶电极单元18之间的6个空隙中选出5个空隙，并保证该5个空隙中有一个与环形导电连接片8的开口对应，使5个第三条形导电连接片9分别位于该5个空隙处，每个第三条形导电连接片9的两端分别与相邻的两个周边顶电极单元18中的外电极片7连接，与环形导电连接片8的开口对应的那个空隙中的第三条形导电连接片向内伸出1个第四条形导电连接片14，该第四条形导电连接片14穿过环形导电连接片8的开口与中央顶电极单元17中的外电极片7连接。

6个周边顶电极单元18均匀分布在以中央顶电极单元17的中心为圆心的圆周上；环形导电连接片8为圆环形导电连接片；5个第三条形导电连接片9均为弧条形导电连接片；外电极片7的形状为开口的圆环形，内电极片6的形状为圆形。

基底层2中的每个空腔5均为相同的圆柱形空腔，每个空腔5的内径与其正上方的顶电极单元的外径相等，空腔5的底面连通到固定板1，空腔5的高度等于基底层2的高度。空腔5向上刻蚀到底电极层3为止，空腔5全部掏空，用以提高压电超声换能器的灵敏度。

6个周边顶电极单元18之间的6个空隙中有1个空隙处没有第三条形导电连接片9，环形导电连接片8上与该空隙对应处向外伸出一个第五条形导电连接片16，第五条形导电连接片16从该空隙中穿出后与内电极引出接口11连接；1个第三条形导电连接片9上向外伸出一个第六条形导电连接片15，第六条形导电连接片15与外电极引出接口10连接。

上述压电超声换能器的第一种工作方法为：将上述压电超声换能器的底电极层3接地，给压电超声换能器的内电极引出接口11和外电极引出接口10上分别施加频率相同且相位相差180°的正弦信号，正弦信号的频率与压电超声换能器所要发射的超声波的频率相同，此时，压电超声换能器向外发射超声波。

由于逆压电效应，作用在压电超声换能器的内电极片6和外电极片7上的正弦信号可以激发每个顶电极单元下的压电层4的弯曲振动，并带动整个压电层4的振动，对外产生一定频率的超声波信号。

频率相同且相位相差180°的正弦信号分别作用在压电超声换能器的内电极片6和外电极片7上，使压电超声换能器工作在差分模式下，增加了其输出信号的强度。

7个顶电极单元同时激发，产生的超声波频率相同、声压级相同、波束宽度相同，在压电超声换能器的正面形成声场，在声波传播方向上波束成形，由此可以增强发射的超声波的声压级；在同样控制驱动情况下，本压电超声换能器发射的声波远大于单个压电超声换能器发射的声波。

上述压电超声换能器的第二种工作方法为：将上述压电超声换能器的底电极层3接地，从压电超声换能器的内电极引出接口11和外电极引出接口10上分别接收电信号后输送到外部检测电路进行分析处理，该电信号由压电超声换能器接收外部的超声波后产生。

压电超声换能器通过压电层4敏感超声波，并通过压电效应将接收到的超声波信号转换为电信号。

使用该压电超声换能器接收超声波时，将压电超声换能器放置于待测声场中，压电超声换能器的正面（敏感面）正对声波的传播方向为最佳，声场中的声压变化引起每个顶电极单元下的压电层4发生形变，通过压电层4的压电效应产生的电学信号变化被顶电极单元检测到，顶电极单元中的内电极片6和外电极片6检测到的电学信号分别通过内电极引出接口11和外电极引出接口10引出至外部并进行信号的处理和分析。

由于本压电超声换能器顶部差分电极的设计，可以使其工作在差分模式下，该工作模式下的信号增强将会双倍于单电极工作模式，故本压电超声换能器接收信号的灵敏度高。

压电超声换能器的输出信号是同时收集到的7个顶电极单元的敏感电压/电荷的总和，故在该工作方式下，压电超声换能器输出的电学信号参量7倍于单个压电超声换能器的大小，对超声波的敏感度也大于单个压电超声换能器，其灵敏度高。

上述压电超声换能器的第三种工作方法为：将上述压电超声换能器的底电极层3接地，给压电超声换能器的内电极引出接口11或外电极引出接口10上施加一定频率的正弦信号，该正弦信号的频率与压电超声换能器所要发射的超声波的频率相同，此时，压电超声换能器向外发射超声波；

当给压电超声换能器的内电极引出接口11上施加一定频率的正弦信号时，压电超声换能器的外电极引出接口10接地；

当给压电超声换能器的外电极引出接口10上施加一定频率的正弦信号时，压电超声换能器的内电极引出接口11接地。

上述压电超声换能器的第四种工作方法为：将上述压电超声换能器的底电极层3接地，从压电超声换能器的内电极引出接口11或外电极引出接口10上接收电信号后输送到外部检测电路进行分析处理，该电信号由压电超声换能器接收外部的超声波后产生；

当从压电超声换能器的内电极引出接口11上接收电信号时，压电超声换能器的外电极引出接口10接地；

当从压电超声换能器的外电极引出接口10上接收电信号时，压电超声换能器的内电极引出接口11接地。

实施例二：如图1﹑图3所示，图中编号与实施例一相同的，代表的意义相同，其工作过程也基本相同，相同之处不重述，不同之处是：空腔5的高度小于基底层2的高度，保留空腔5上面的一部分基底层2，即空腔5还没有刻蚀到底电极层3时就停止，在空腔5上面形成一层薄膜19作为支撑，用于提高成品率，同时也提高压电超声换能器的耐性，增强压电超声换能器在外界破坏作用下的生存能力。

Claims (9)

1.一种压电超声换能器，其特征是：含有顶电极层﹑压电层﹑底电极层﹑基底层和固定板，固定板水平设置，基底层设置在固定板的上表面上，底电极层设置在基底层的上表面上，压电层设置在底电极层的上表面上，顶电极层设置在压电层的上表面上，顶电极层中含有N个相同的顶电极单元，其中一个顶电极单元为中央顶电极单元，其余N-1个顶电极单元为周边顶电极单元，N-1个周边顶电极单元均匀分布在中央顶电极单元的周围，N为大于等于4的自然数，相邻顶电极单元间的间距小于压电超声换能器要发射或接收的超声波的波长；每个顶电极单元中含有内电极片和外电极片，外电极片的形状为开口的环形，外电极片环绕在内电极片周围；N个顶电极单元中的N个内电极片通过内电极导电连接片连接在一起，内电极导电连接片再与内电极引出接口连接，N个顶电极单元中的N个外电极片通过外电极导电连接片连接在一起，外电极导电连接片再与外电极引出接口连接，N个内电极片﹑N个外电极片﹑内电极导电连接片﹑外电极导电连接片﹑内电极引出接口和外电极引出接口均设置在压电层的上表面上；基底层中设有N个空腔，N个空腔分别位于N个顶电极单元的正下方；

每个周边顶电极单元中的外电极片的开口均朝向中央顶电极单元的中心；内电极导电连接片含有开口的环形导电连接片，环形导电连接片设在中央顶电极单元和N-1个周边顶电极单元之间，环形导电连接片向外均匀伸出N-1个第一条形导电连接片，N-1个第一条形导电连接片分别穿过N-1个周边顶电极单元中的外电极片的开口与N-1个周边顶电极单元中的内电极片连接，环形导电连接片向内伸出1个第二条形导电连接片，该第二条形导电连接片穿过中央顶电极单元中的外电极片的开口与中央顶电极单元中的内电极片连接；外电极导电连接片含有N-2个第三条形导电连接片，从N-1个周边顶电极单元之间的N-1个空隙中选出N-2个空隙，并保证该N-2个空隙中有一个与环形导电连接片的开口对应，使该N-2个第三条形导电连接片分别位于该N-2个空隙处，每个第三条形导电连接片的两端分别与相邻的两个周边顶电极单元中的外电极片连接，与环形导电连接片的开口对应的那个空隙中的第三条形导电连接片向内伸出1个第四条形导电连接片，该第四条形导电连接片穿过环形导电连接片的开口与中央顶电极单元中的外电极片连接。

2.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征是：所述N-1个周边顶电极单元均匀分布在以中央顶电极单元的中心为圆心的圆周上；环形导电连接片为圆环形导电连接片；N-2个第三条形导电连接片均为弧条形导电连接片；外电极片的形状为开口的圆环形，内电极片的形状为圆形。

3.根据权利要求2所述的压电超声换能器，其特征是：所述基底层中的每个空腔均为相同的圆柱形空腔，每个空腔的内径与其正上方的顶电极单元的外径相等，空腔的底面连通到固定板，空腔的高度小于或等于基底层的高度。

4.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征是：所述N-1个周边顶电极单元之间的N-1个空隙中有1个空隙处没有第三条形导电连接片，环形导电连接片上与该空隙对应处向外伸出一个第五条形导电连接片，第五条形导电连接片从该空隙中穿出后与内电极引出接口连接；任1个第三条形导电连接片上向外伸出一个第六条形导电连接片，第六条形导电连接片与外电极引出接口连接。

5.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征是：所述N为7；相邻顶电极单元间的间距为压电超声换能器要发射或接收的超声波的波长的一半。

6.一种权利要求1～5中任一项所述压电超声换能器的工作方法，其特征是：将所述压电超声换能器的底电极层接地，给压电超声换能器的内电极引出接口和外电极引出接口上分别施加频率相同且相位相差180°的正弦信号，正弦信号的频率与压电超声换能器所要发射的超声波的频率相同，此时，压电超声换能器向外发射超声波。

7.一种权利要求1～5中任一项所述压电超声换能器的工作方法，其特征是：将所述压电超声换能器的底电极层接地，从压电超声换能器的内电极引出接口和外电极引出接口上分别接收电信号后输送到外部检测电路进行分析处理，该电信号由压电超声换能器接收外部的超声波后产生。

8.一种权利要求1～5中任一项所述压电超声换能器的工作方法，其特征是：将所述压电超声换能器的底电极层接地，给压电超声换能器的内电极引出接口或外电极引出接口上施加一定频率的正弦信号，该正弦信号的频率与压电超声换能器所要发射的超声波的频率相同，此时，压电超声换能器向外发射超声波；

当给压电超声换能器的内电极引出接口上施加一定频率的正弦信号时，压电超声换能器的外电极引出接口悬空或接地；

当给压电超声换能器的外电极引出接口上施加一定频率的正弦信号时，压电超声换能器的内电极引出接口悬空或接地。

9.一种权利要求1～5中任一项所述压电超声换能器的工作方法，其特征是：将所述压电超声换能器的底电极层接地，从压电超声换能器的内电极引出接口或外电极引出接口上接收电信号后输送到外部检测电路进行分析处理，该电信号由压电超声换能器接收外部的超声波后产生；

当从压电超声换能器的内电极引出接口上接收电信号时，压电超声换能器的外电极引出接口悬空或接地；

当从压电超声换能器的外电极引出接口上接收电信号时，压电超声换能器的内电极引出接口悬空或接地。