TW201547288A - 用於超寬頻聲波及超聲波之換能器及裝置 - Google Patents

用於超寬頻聲波及超聲波之換能器及裝置 Download PDF

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Abstract

本發明提供用於聲波及超聲波產生及接收之橫向寬度模態。該橫向寬度模態可與習知縱向或橫向模態組合，以製成具有多個共振模態、寬頻耦合模態或其組合之聲波及超聲波換能器及/或陣列。由於該橫向寬度模態之半波長共振性質，當其設計來利用適合頂置塊體及/或匹配層操作時，可實現具有中等至高聲壓位準之超寬頻換能器。利用具有低的橫向聲速之活性材料，每一換能器元件之橫向尺寸可保持為約或小於聲音於水及人體組織中之波長的一半，從而使得橫向寬度模態高度適合於各種陣列設計及操作。

Description

用於超寬頻聲波及超聲波之換能器及裝置
本發明係關於壓電換能器，確切言之，本發明係關於用於聲波及超聲波產生、發射及接收之壓電換能器之陣列。
用於聲波及超聲波產生之現代換能器陣列由相同或大致相同的發射元件之有序佈置組成，該等發射元件係設計來以縱向模態或橫向模態操作。在可能的情況下，個別換能器之側向或橫向尺寸大致等於或小於設計頻率之聲波於介質中之波長的一半(λm/2)，以產生高聲強的主聲束及低值的旁波瓣。
圖1展示在用於水下成像目的之側掃或合成孔徑聲納中使用的此種發射陣列100之實例，其中離散矩形元件102在縱向方向及交叉方向上間隔分開約λm/2，其中λm為具有設計中心頻率之聲波或超聲波於水中之波長。在陣列中使用離散換能器元件102允許主聲束經由元件相控技術電子地操縱。對陣列中元件離距之控制在此種應用中為重要的。
圖2例示Saitoh等人於『Forty-channel phased array ultrasonic probe using 0.91Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.09PbTiO3 single crystal』中報道的在醫學成像中用於超聲波發射及接收的1D相控陳列醫學換能器200之實例。陣列200示範在縱向方向上間隔分開約λm/2之離散裂片元件，其中λm為具有設計中心頻率之超聲波於人體組織中之波長。在此種裝置中，頂部電極面210及底部電極面212分別黏結至壓電活性材料204上，該壓電活性材料又黏結至背襯材料214上同時聲匹配層206黏結至頂部電極層210上。隨後將活性材料204連同頂部電極層210及匹配層206一起切塊成離散裂片元件。 最後，將聲透鏡208置放於聲匹配層206上，如圖所示。
類似換能器陣列亦用於聲波及超聲波接收。 雖然對此等接收陣列而言以偏離共振模態操作為常見的，但其對頻率相當於構成元件在接收模態中之共振頻率的聲波展現增強的接收敏感度。
現代超聲波發射元件由鋯鈦酸鉛 (PbZr0.52Ti0.48O3或PZT)多晶陶瓷驅動。對直接驅動的無活塞(piston-less)發射元件而言，常用矩形、桿狀或管狀陶瓷。此等陶瓷跨於兩個相對面極化，該等相對面充當參與所要壓電性質之電極。習知地，此極化方向指定為3-方向。
在縱向(33)模態操作中，活性材料沿極化(3-) 方向激活，該極化(3-)方向亦為聲束方向。以縱向(33)模態操作的換能器元件300之實例提供於圖3中。在此圖中，活性元件302具備背襯材料304。背襯材料304為軟及高阻尼背襯材料，其具有減小活性元件302之振鈴的效應， 以在使用短脈衝長度信號時達成改良的軸向解析度。其亦有助於以聲功率為代價加寬換能器300之帶寬。活性元件302之陰影頂面306及與頂面306相對的底面308充當電極。在此種設計中，激活方向上之活性材料302典型地具有半波長(λc/2)之尺寸，其中λc=v33 D/f，v33 D為陶瓷或單晶活性材料沿受激活縱向(3-)方向之聲速；f為所要聲頻；D指示活性材料302處於恆定電位移之狀態下。
在習知橫向(31)模態操作中，活性材料在兩個側向或橫向方向之一中共振激發，該方向亦為聲束方向。以橫向模態操作的換能器元件400之實例提供於圖4中。在此圖中，活性元件402之陰影側面404及與側面404相對的面(圖中未展示)充當電極。重尾塊體(heavy tail mass)係用作背襯材料406，其有助於將聲功率朝向前方方向投射。在此種設計中，激活方向上之活性材料402典型地具有四分之一波長(λc/4)之尺寸。活性元件402中之相關聲速係沿受激活橫向(1-)方向，指定為v11 E(或v22 E)，其中下標「1」(或「2」)指示激活方向為兩個可能的橫向方向中之1-(或2-)，且上標「E」指示活性元件402在此狀況下處於恆定電場之狀態下。
在以上所述的縱向模態或橫向模態中操作的換能器之設計中，活性元件302或402之四個側面可利用 軟及高阻尼材料屏蔽傳播介質，以確保活性元件不會不當地受側向約束，且以所欲模態自由振動或者共振，且實現在所欲聲學方向上之聲波傳播。處於清晰性原因，圖3及圖4未展示應力/壓力釋放材料、外殼以及連接至電極表面之導線。
多晶PZT陶瓷及其摻雜衍生物為截止目前用 於超聲波換能器及陣列之最流行活性材料，具有比橫向性質(d31及k31值)更加優異的縱向壓電性質(d33及k33值)，其中d及k分別為壓電應變係數及機電耦合因數；第一下標3指示外加電場在「3」-或極化方向上，且第二下標指示用於縱向致動之激活方向-「3」及用於橫向致動之「1」或「2」。 例如，對典型PZT陶瓷而言，對縱向模態d33=300-600 pC/N且k33=0.6-0.7，而對橫向模態d31=150-300 pC/N且k31=0.34-0.40。相較於縱向性質，橫向性質並不利於有效聲波及超聲波產生。此外，縱向方向及橫向方向上之聲速(典型地>2000m/s)遠高於在水及人體組織中之聲速。基於PZT的陶瓷之高聲速及次等橫向性質使得縱向模態換能器及陣列比橫向模態換能器及陣列更流行地用於適於水下及/或醫學應用之聲波及超聲波產生。
橫向模態換能器陣列在醫學領域中明顯的低 流行度之另一原因為涉及藉由已確立自動化切塊操作製造此種陣列之困難。電極於兩個橫向面上之塗層及其佈線對此種陣列組態而言是有難度的。
發明目標
本發明之一目標為克服或至少實質上改善先前技術之缺點及不足。
本發明之一目標為激發較佳地呈矩形形狀之活性元件以在兩個正交橫向方向之一上共振，以使得其產生在縱向方向或另一橫向方向上產生聲波。此種特定操作模態在下文稱為「橫向寬度模態」。
本發明之一目標亦為提供聲波或超聲波發射元件及其陣列，其經由橫向寬度模態操作，該橫向寬度模態使用基於弛緩體的鐵電/壓電單晶。
本發明之一目標進一步為，在引入聲波之頻率與換能器元件在接收模態中之橫向寬度模態共振重合時，使用相同元件及陣列以增強的接收敏感度達成聲波及超聲波接收。
本發明之一目標為提供換能器，其設計以下列模態操作：單一橫向寬度模態；或雙重或三重頻率模態，其共振模態之至少一者為橫向寬度模態；或寬頻耦合模態，其基本模態之至少一者為橫向寬度模態；或其他衍生形式，諸如利用適合頂置塊體(head mass)、匹配及/或透鏡層的情況。
本發明之一目標進一步為在水下、醫學及工業領域的聲波及超聲波產生及接收中利用橫向寬度模態。
發明要旨
本發明之目標係藉由以下方式達成：提供壓 電換能器之稱為橫向寬度模態的新操作模態，以用於聲波及超聲波產生及接收。
根據本發明之一實施例，換能器包括主動元 件，其以兩個相對面為電極且跨於該等電極面受極化，以使得當該主動元件設定成在橫向於該極化方向之方向上共振時，以相對與該主動元件之共振橫向或寬度方向之直角產生聲束，以使得該聲束方向為該極化方向或另一橫向方向之一。
根據本發明之一實施例，該主動元件包括具 有相同或相當尺寸及截片、具有矩形形狀或適當地在至少一個維度上之錐形剖面之單件活性材料或複數個活性材料，該等活性材料以並聯、串聯、部分並聯或部分串聯配置之一來電耦合。
根據本發明之另一實施例，該活性材料在受 激活橫向方向上以半波長共振模態激發。
根據本發明之另一實施例，該換能器包括背 襯元件，其黏結至與該主動元件之聲波發射面相對的面上。該背襯元件可為重尾塊體或軟及高阻尼背襯材料之一以適合所要應用。
根據本發明之一實施例，該換能器包括直接 驅動的無活塞設計或具有剛性或撓曲類型之頂置塊體以適合所要應用。
根據本發明之另一實施例，該換能器包括一 個或一個以上匹配層，其連接至該主動元件之聲波發射面。
根據本發明之另一實施例，該換能器包括一 個或一個以上透鏡層，其提供於該匹配層之頂部上。
根據本發明之另一實施例，該主動元件擁有 在兩個橫向方向之至少一者上d31(或d32)400 pC/N且k31(或k32)0.60之橫向壓電性質，其中d31、d32為相關聯的橫向壓電應變係數，且k31、k32為相關聯的機電耦合因數。
根據本發明之又一實施例，該主動元件包括 以下一或多者之二元、三元及高階固溶體之基於弛緩體的鐵電或壓電單晶之適合截片：Pb(Zn1/3Nb2/3)O3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、Pb(In1/2Nb1/2)O3、Pb(Sc1/2Nb1/2)O3、Pb(Fe1/2Nb1/2)O3、Pb(Yb1/2Nb1/2)O3、Pb(Lu1/2Nb1/2)O3、Pb(Mn1/2Nb1/2)O3、PbZrO3及PbTiO3，包括其改質及摻雜衍生物。
根據本發明之又一實施例，該主動元件包括 [0-11]1x[100]2x[011]3截片之[011]3-極化單晶，其中[011]3為該縱向方向，且[0-11]1及[100]2為該兩個側向或橫向方向。
根據本發明之又一實施例，該主動元件包括 [110]1x[1-10]2x[001]3截片之[001]3-極化單晶，其中[001]3為該縱向方向，且[110]1及[1-10]2為該兩個結晶學上等效的側向或橫向方向。
根據本發明之另一實施例，該主動元件包括 適合截片及極化的紋理化壓電陶瓷，其擁有在該兩個橫向方向之至少一者上d31(或d32)400 pC/N且k31(或k32)0.60之橫向壓電性質，其中d31、d32為相關聯的橫向壓電應變係數，且k31、k32為相關聯的機電耦合因數。
根據本發明之另一實施例，該主動元件包括 壓電單晶及紋理化多晶陶瓷之組成物及截片，其擁有在該兩個橫向方向之至少一者上d31(或d32)400 pC/N且k31(或k32)0.60之橫向壓電性質，其中d31、d32為相關聯的橫向壓電應變係數，且k31、k32為相關聯的機電耦合因數。
根據本發明之另一實施例，該主動元件包括 非紋理化多晶壓電陶瓷之改質及/或新組成物，其擁有在該兩個橫向方向之至少一者上d31(或d32)400 pC/N且k31(或k32)0.60之橫向壓電性質，其中d31、d32為相關聯的橫向壓電應變係數，且k31、k32為相關聯的機電耦合因數。
根據本發明之另一實施例，該主動元件包括 具有在至少一個側向或橫向方向上相較而言低的聲速之活性材料，該聲速之量值相當於或低於在所欲聲學介質中之聲速。
根據本發明之一實施例，該主動元件在至少 一個側向或橫向寬度方向上之尺寸為相當於、相同於或小於具有設計頻率之聲波於所欲聲學介質中之波長的一半(λm/2)，其中λm為具有設計中心頻率之聲波及超聲波於所欲聲學介質中之波長。
根據本發明之一實施例，該主動元件在兩個 橫向寬度方向上之聲速為大於在所欲聲學介質中之聲速，其中個別換能器元件之該主動元件之側向尺寸大於具有設計頻率之聲波於聲學介質中之波長的一半(λm/2)，其中λm為具有設計中心頻率之聲波及超聲波於所欲聲學介質中之波長。
根據本發明之一實施例，該換能器係用於聲波及超聲波發射及接收。
根據本發明之另一實施例，提供用於聲波及超聲波產生及/或接收之裝置，其包括換能器陣列。每一換能器包括主動元件，該主動元件以兩個相對面為電極且跨於該等電極面受極化，其中當該主動元件設定成在橫向於極化方向之方向上共振時，以相對該主動元件之共振橫向或寬度方向之直角產生聲束，其中聲波發射方向包含該極化方向或另一橫向方向之一。
P‧‧‧方向
1‧‧‧方向
2‧‧‧方向
3‧‧‧方向
100‧‧‧發射陣列
102‧‧‧離散矩形元件
200‧‧‧1D相控陳列醫學換能器/陣列
204‧‧‧壓電活性材料/活性材料
206‧‧‧聲匹配層/匹配層
208‧‧‧聲透鏡
210‧‧‧頂部電極面/頂部電極層
212‧‧‧底部電極面
214‧‧‧背襯材料
300‧‧‧換能器元件/換能器
302‧‧‧活性元件
304‧‧‧背襯材料
306‧‧‧陰影頂面/頂面
308‧‧‧底面
400‧‧‧換能器元件
402‧‧‧活性元件
404‧‧‧陰影側面/側面
406‧‧‧背襯材料
500‧‧‧換能器
502‧‧‧主動元件
504‧‧‧背襯元件
506‧‧‧電極面/陰影側面
602‧‧‧主動元件
604‧‧‧背襯元件
606‧‧‧頂面
700‧‧‧多晶換能器/換能器
702‧‧‧[011]3-極化PZN-5.5%PT單晶/晶體
704‧‧‧尾部塊體
[011]1‧‧‧晶體方向
[011]3‧‧‧晶體方向
[100]2‧‧‧晶體方向
802‧‧‧主動元件
900‧‧‧發射電壓響應(TVR)圖表/圖表
當結合隨附圖式閱讀時，例示性實施例之以上概述以及以下詳細描述得以更好地理解。出於例示本揭示內容之目的，本揭示內容之示範性構造展示於圖式中。然而，本揭示內容不限於本文揭示的特定方法及手段。此外，熟習此項技術者將理解圖式並未按比例會制。
圖1例示根據已知技術的習知平面發射陣列。
圖2例示根據另一已知技術的在醫學成像中用於超聲波發射及接收之1D相控陳列醫學換能器。
圖3例示此項技術中已知的以λc/2縱向(33) 模態共振的具有軟及高阻尼背襯層之矩形主動元件之操作原理。
圖4為描繪此項技術中已知的以λc/4橫向(31) 模態共振的具有重尾塊體之矩形主動元件之操作原理的示意圖。
圖5例示根據本發明之一實施例的以橫向寬 度模態共振的主動元件之操作原理。
圖6展示根據本發明之另一實施例的以橫向 寬度模態共振的主動元件之操作原理。
圖7例示本發明之示範性換能器。
圖8(a)-(d)為根據本發明之一實施例的主動 元件之示範性圖解，該等主動元件具有不同橫向寬度尺寸及/或具有用於改良換能器之頻寬的錐形剖面。
圖9展示圖7所描繪的示範性換能器在125 kHz至150kHz範圍內的橫向寬度模態之發射電壓響應(TVR)。
圖10展示本發明之另一示範性換能器之發射 電壓響應(TVR)。
圖11展示本發明之另一示範性換能器之擴展 頻寬之發射電壓響應(TVR)。
以下描述中論述的實施例為非限制性實例，且僅僅引用來例示至少一個實施例而不欲限制其範疇。
本發明提供用於聲波及/或超聲波產生、發射 及接收的新操作模態。使用新操作模態的換能器包括主動元件，其在激活後產生聲束，以使得聲束之方向與活性材料之共振側向或寬度方向成直角。此係與習知橫向模態對比而言，在習知橫向模態中，活性材料之共振方向及聲束為相同的。
圖5例示以本發明之新操作模態操作的換能 器500。換能器500包括主動元件502、背襯元件504、兩個電極面506及其相對面及耦接至電極面之導線。主動元件502由表現壓電性質且較佳呈矩形形狀之活性材料製成。背襯元件504可為由例如不銹鋼或鎢製成之重尾塊體。重質背襯元件504有助於將聲功率朝向前方方向投射。陰影側面506及其相對面(圖中未展示)為電極面，該等電極面又耦接至導線。為達清晰性，不展示周圍應力/壓力釋放材料、連接至電極面中每一者之導線以及外殼。
當將電壓施加於導線時，活性材料可受激 發，亦即，活性材料可設定成在橫向寬度方向上共振。活性材料之激發由圖中機械激發方向箭頭來描繪。活性材料之激發以半波長(λc/2)共振模態發生。由於共振，可產生聲束。在本發明中，不同於習知橫向模態操作，所產生聲束之方向正交於受激發橫向寬度方向。圖中展示極化方向、機械激發方向及聲束方向。此種新操作模態在下文稱為「橫向寬度模態」，以將其與習知橫向操作模態相區別，後者在下文稱為「橫向長度模態」。
本發明之橫向寬度模態亦可藉由沿適合側向 或橫向寬度方向激發主動元件之活性材料而激活，從而使得聲束在如圖6中示範性展示的縱向方向上產生。在此圖中，主動元件602之頂面606及其相對面為電極面。背襯元件604可為軟及高阻尼背襯材料。為達清晰性，不展示周圍應力/壓力釋放材料、連接至電極面中每一者之導線以及外殼。亦在此實例中，主動元件602之活性材料可以半波長(λc/2)共振模態激發。
在以上引用的兩個實例中，雖然圖5中使用 重尾塊體，但圖6中使用軟及高阻尼背襯材料。對尾部塊體或軟背襯材料之選擇取決於實際應用要求。
對在主動元件502或602之活性材料中橫向 寬度模態之有效激活而言，活性材料可在受激發側向或寬度方向上具有合理的高橫向壓電性質，尤其是橫向壓電應變係數(d31或d32)及機電耦合因數(k31或k32)。例如，d31可大於或等於400 pC/N，而k31可大於或等於0.60。較佳地，活性材料可提供沿兩個橫向方向之至少一者的聲速，該聲速可相當於或小於在所欲聲學介質中之聲速。此可允許實現在受激活寬度方向上尺寸大致為λm/2或小於λm/2之主動元件502或602，以符合陣列設計中之λm/2元件離距，其中λm為設計中心頻率之聲波在所欲聲學介質中之波長。例如，水可為用於水下應用之所欲聲學介質，而人體組織為用於醫學應用之所欲聲學介質。
展現以上性質之活性材料包括而不限於新一 代基於弛緩體的鐵電/壓電單晶，例如，鈮酸鉛鋅-鈦酸鉛(Pb[Zn1/3Nb2/3]O3-PbTiO3或PZN-PT)之固溶體單晶、鈮酸鉛鎂-鈦酸鉛(Pb[Mg1/3Nb2/3]O3-PbTiO3或PMN-PT)之固溶體單晶、鈮酸鉛鎂-鋯鈦酸鉛(PMN-PZT)之固溶體單晶，及其組成上改質的三元及四元及摻雜衍生物。此等晶體之適合截片(cut)不僅具有高的橫向壓電性質(d31、d32、k31及k32)而且具有低的橫向聲速(v11 E及v22 E)。
表1彙編[0-11]1x[100]2x[011]3截片之[011]3- 極化PZN-PT、PMN-PT及PIN-PMN-PT單晶之相關橫向及縱向壓電性質及聲速，其中Pb[In1/2Nb1/2]O3之縮寫。
*使用v11 E=1/(s11 Eρ)、v22 E=1/(s22 Eρ)及v33 D=1/(s33 Dρ)之推演值。
表2提供[110]1x[1-10]2x[001]3截片之[001]3- 極化PZN-PT及PMN-PT單晶之橫向及縱向壓電性質及聲速。
*使用v11 E=1/(s11 Eρ)及v33 D=1/(s33 Dρ)之推演值。
例如，表1展示：對[011]3-極化PZN-(6-7)%PT 單晶而言，在[0-11]1及[100]2橫向晶體方向上之壓電應變係數及機電耦合因數(分別為>1000 pC/N及>0.75)為基於PZT的陶瓷之彼等壓電應變係數及機電耦合因數之若干倍。另外，此晶體截片展現在兩個橫向方向上相較而言低的聲速(v11 E 1500m/s且v22 E<1000m/s)，其約為或小於在水及人體組織中之聲速，總合地為約1500-1600m/s。
類似地，亦對具有[110]1激活方向之[001]3- 極化PZN-(4.5-7)%PT及PMN-28%PT單晶注意到極佳橫向性質(表2)。典型值為d31 1000 pC/N，k31 0.80。就兩種組成而言，PZN-PT晶體展現在橫向方向上之較低聲速 v11 E 1740-1990m/s，其較接近在水及人體組織中之聲速。
在此等單晶之橫向方向上之極佳壓電性質及 低聲速使得新的聲波及超聲波換能器及陣列成為可能，該等聲波及超聲波換能器及陣列之操作模態之一為本發明之橫向寬度模態，如以下所說明。
圖7a-c展示示範性多晶裝置，例如多晶換能 器700。圖7a為換能器700之俯視圖，而圖7b描繪換能器700之三維視圖。圖7c描繪換能器700之透視圖。電極面如圖所示的加有陰影。作為一實例，換能器700係設計來以本發明之橫向寬度模態操作以用於水下應用，即，用於在水中以約140kHz發射聲波。
換能器700包括四個具有相同截片及尺寸之 [011]3-極化PZN-5.5%PT單晶702，其各自以兩個相對較大側面為電極，且在[011]3晶體方向上極化(圖7a)。具有相同截片及尺寸之晶體用於此實例中，但尺寸及截片可有所變化以適合所要應用，如圖8(a-d)所示。四個[011]3-極化PZN-5.5%PT單晶702以其底面耦接至適當尾部塊體704。四個晶體702並聯電連接以減少驅動電壓。諸如串聯連接或部分並聯及部分串聯連接之其他佈線方案亦為可能的，此取決於實際應用需要。為達清晰性，此圖中不展示周圍應力/釋壓材料、連接至各別電極面之導線及外殼。
晶體可設計來沿許多方向以橫向寬度模態共 振。例如，如圖7b所描繪，晶體係設計來沿[0-11]1側向 晶體方向、以約140kHz、以橫向寬度模態共振。對該晶體截片取聲速v11 E=1460m/s(表1，第5列)的情況下，用於在晶體之[0-11]1側向或寬度方向上之λc/2激發的尺寸為約5.2mm，其小於就該陣列取1500m/s之於水中之聲速而言的較佳元件離距λm/2=5.55mm。在此狀況下，聲束方向係沿[100]2晶體方向，如圖7b所指示。
在換能器700之[0-11]1側向或寬度方向上之 晶體尺寸可有所改變，以產生相應於在該方向上之λc/2共振激發的所要聲頻。
或者，四個[011]3-極化晶體可沿[100]2晶體方向受激活，且聲束方向可替代地沿橫向[0-11]1晶體方向。[011]3-極化PZN-5.5%PT晶體在[100]2寬度方向上之聲速為v22 E 880m/s，d32 2600 pC/N且k32 0.90(表1，第5列)。用於λc/2激發之所需寬度尺寸因此為約3.14mm，其遠小於傳統上對此等陣列採用的λm/2=5.55mm之元件離距，從而允許發射元件能夠更為密集包裝在陣列中以達成增加的聲功率。
適用於聲波投射之橫向寬度模態的單晶之另一實例為[001]3-極化晶體，其受激活橫向方向係沿[110]1晶體方向。[110]1及[1-10]2對此晶體截片而言為結晶學上等效的方向。對此晶體截片之PZN-(6-7)%PT而言，沿[110]1橫向方向之聲速接近水及人體組織之聲速。此晶體截片亦具有高的橫向壓電係數及機電耦合因數，其中d31=1200 pC/N且k31=0.80。
圖8(a)-(d)提供根據本發明之一實施例的主 動元件802之示範性圖解，該等主動元件具有不同橫向寬度尺寸及/或具有用於改良以橫向寬度模態共振的換能器之頻寬的錐形剖面。電極面加有陰影以便識別。儘管主動元件802係展示為由四個晶體製成，但是本發明擴展至具有一或多個晶體之主動元件之其他實施例。
本發明可因此應用於一系列由具有適合組成 物及截片之壓電單晶製成的主動元件502、602、702或802，該等主動元件擁有合理的高橫向壓電性質，即：d31(或d32)400 pC/N且k31(或k32)0.60，包括但不限於具有以下組分之二元、三元及高階固溶體之鐵電/壓電單晶：Pb(Zn1/3Nb2/3)O3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、Pb(In1/2Nb1/2)O3、Pb(Sc1/2Nb1/2)O3、Pb(Fe1/2Nb1/2)O3、Pb(Yb1/2Nb1/2)O3、Pb(Lu1/2Nb1/2)O3、Pb(Mn1/2Nb1/2)O3、PbZrO3 and PbTiO3，以及其摻雜及改質衍生物。
主動元件502、602、702或802亦包括具有 適合組成物及截片之紋理化或非紋理化多晶壓電陶瓷，該等多晶壓電陶瓷展現合理的高橫向壓電性質，即d31(或d32)400 pC/N且k31(或k32)0.60。或者，主動元件502、602、702或802可經改質，且包括單晶、紋理化及非紋理化多晶陶瓷之壓電材料之新組成物及截片展現合理的高橫向壓電性質，即d31(或d32)400 pC/N且k31(或k32)0.60。較佳地，該等單晶、紋理化及非紋理化陶瓷具有在 至少一個橫向方向上大致為或小於在所欲聲學介質中之聲速的聲速。
圖9展示示範性換能器700之發射電壓響應 (TVR)圖表900，其中在138kHz下之共振模態為本發明之橫向寬度模態。
在橫向寬度模態中，由於所使用單晶截片之 高的橫向壓電係數及機電耦合因數(d31 1000 pC/N且k31 0.80，參見表1之第5列)，所以該換能器元件展現：對在約138kHz下之橫向寬度模態而言142dB re 1μPa/V 1m之TVR峰值，及每個元件在約100Vrms之最大交流輸入電壓下、無任何直流偏壓的情況下>180dB re 1μPa/V 1m之合理的高聲壓位準。當該元件以較高交流電壓、於適當直流偏壓下驅動時，較高聲壓級為可能的。
除相應於橫向寬度模態之TVR峰值之外，圖 9亦描繪在由相同晶體展現的橫向長度模態中，當經由λc/4模態沿其其他橫向[100]2晶體方向以110kHz共振時之TVR峰值。因此，圖表900展示：本發明之橫向寬度模態及橫向長度模態兩者之TVR(及因此聲源位準為相當的，從而確認前者為用於聲波及超聲波產生之有效操作模態。
圖表900進一步指示：當橫向寬度及長度模 態之共振頻率可設計成充分間隔開時，所得換能器(作為本發明之一實例)可用作如圖所示分別在110kHz及140kHz下操作的雙頻發射器。
或者，本發明之換能器元件可設計來具有對 橫向寬度模態及橫向長度模態而言十分接近的共振頻率，以使得所得聲束將取而代之耦合來形成寬頻共振。由此種設計產生的TVR之一實例係展示於圖10中。用於此種示範性換能器之晶體具有與圖7相同的截片，但具有在[100]2方向上更短之尺寸，以產生對橫向長度模態而言稍微更高的共振頻率。
根據本發明之教示的另一示範性寬頻換能器 可藉由將其設計成具有十分接近的共振頻率而以介於適合橫向寬度模態與縱向模態之間的寬頻耦合模態來操作。
根據本發明之教示的另一示範性寬頻換能器 可在晶體之兩個側向或寬度方向上以橫向寬度模態激活且以縱向模態激活。在此狀況下，晶體之尺寸可經選擇以使得兩個橫向寬度模態及縱向模態之共振頻率十分接近，以形成超寬頻寬之耦合共振。
以下例示在超寬頻水下應用中用於兩個橫向 寬度模態及縱向模態之激活的示範性設計。在此實例中，[011]3-極化PZN-5.5%PT單晶係用作主動元件，其中[0-11]1及[100]2為兩個正交橫向晶體方向。此晶體截片在三個各別晶體方向上之聲速為：[011]3縱向方向之v33 D 3100m/s，[0-11]1橫向方向之v11E(1460m/s，且[100]2橫向方向之v11 E 1460m/s(表1，第5列)。在此實例中，[011]3晶體方向係用作聲束方向，[0-11]1及[100]2晶體方向係用作兩個橫向寬度方向。晶體經截切以具有以下大致尺寸： 在[011]3晶體方向上為5.2mm，其適於經由利用重尾塊體之縱向模態之λc/4激活；在[0-11]1晶體方向上為6.1mm，其適於經由第一橫向寬度模態、於該方向上之λc/2激活；以及該[100]2晶體方向上為4.9mm，其適於經由第二橫向寬度模態之λc/2激活。相應共振頻率估計為：對第一橫向寬度模態而言為90kHz，對第二橫向寬度模態而言為120kHz，且對縱向模態而言為150kHz，該等頻率對超寬頻超聲波發射及接收目的而言十分接近。另外，晶體尺寸可經調整以產生分離共振或耦合共振，此取決於實際應用要求。
在如以上提及的寬頻換能器中，藉由橫向寬 度模態、橫向長度模態及縱向模態產生的聲波均同相(in phase)。因此，當設計寬頻或超寬頻換能器時，耦合模態之形成可不為必要的。換言之，合理的平坦TVR回應(即，處於10dB變化內)可經由以下者之組合激活而實現：(a)橫向寬度模態及橫向長度模態、(b)適合橫向寬度模態及縱向模態、或(c)兩個橫向寬度模態及縱向模態，同時保持各別模態之共振頻率彼此十分接近。
應注意，由於藉由尾部塊體強加的機械約 束，活性材料於尾部塊體附近之橫向寬度模態共振之邊界條件局部地改變。換言之，本發明之橫向寬度模態將展現相較於在缺乏約束時的情況而言的分散或較寬共振。預期分散共振行為在附加約束存在時增強，從而將進一步影響活性材料之所欲橫向寬度模態之振動行為，該等附加約束諸如增加剛性或撓曲類型之頂置塊體(或活塞)、一或多個 適合的匹配層及/或透鏡層。晶體之頂面處的強加邊界條件將進一步增強本發明之橫向寬度模態之分散共振性質，從而得到改良頻寬。
另外，可用於促進橫向寬度模態之分散共振 行為及因此增加換能器之頻寬的其他方法包括：使用具有稍微不同橫向寬度尺寸之活性材料，以及在至少一個維度上具有適當錐形剖面之彼等活性材料，如圖8(a)-(d)中示範性所示。
圖11展示本發明之另一示範性換能器的擴展 頻寬之TVR。示範性換能器具有相當於圖7之設計，但具有增加至其頂部突出面上的適合四分之一波長匹配層。與如圖9所示的無活塞設計相對，此種設計明顯對在130-190kHz範圍內之橫向寬度模態增加更多的頻寬。當替代地使用適合頂置塊體或化合物匹配層時，預期類似的結果。
自以上實例明顯的是，本發明之橫向寬度模 態可在換能器設計中以各種適合形式加以利用，以適合各種應用需要。此等形式包括雙重或三重頻率模態、寬頻耦合模態、利用適合頂置塊體及/或匹配層之超寬頻模態、利用具有相同或稍微不同橫向寬度尺寸之單一或複數個主動元件，等等。不管此等極具吸引力之設計特徵，每一主動元件在受激活橫向方向上之尺寸上大致為或小於λm/2，從而允許實現具有約為或小於λm/2元件離距之不同配置之陣列。所製造陣列之聲學效能可易於經由習知波束成形技術預測。電子束遮蔽及操縱可適用於此狀況。
本發明之橫向寬度模態亦適用於具有適合軟 背襯層之換能器設計，如圖6中示範性所例示。所有上述效應仍可適用，只是在此狀況下，所得聲功率因擴展的頻寬而降低。
在一實施例中，橫向寬度模態亦適用於以下 狀況：活性材料在兩個橫向寬度方向上之速度大於在所欲聲學介質中之聲速。在此狀況下，活性材料在共振寬度方向上之橫向尺寸將大於具有所欲中心頻率之聲波於介質中之波長的一半(λm/2)。其亦適用於由此等元件製成的換能器陣列。
本發明亦適用於使用換能器元件及陣列、針 對頻率相當於構成元件於接收模態中之橫向寬度共振的聲波進行的聲波及超聲波接收。相較於在換能器以離共振模態工作時，在此狀況下達成增強更多的接收敏感度。
本發明進一步適用於混合聲波及超聲波發射 及接收的換能器及其陣列。共振或離共振模態可在此狀況下用於聲波接收。
本發明之換能器及其陣列可在許多領域中獲 得應用--水下應用(例如，水下成像、測距及通訊，其中典型工作頻率範圍自低的數十kHz至低的數十MHz)、醫學應用(例如，醫學成像，其典型頻率範圍自中等的數百kHz至高的數十MHz)，及工業應用(例如，結構成像及瑕疵影像，其操作頻率可自高的數十kHz廣泛變化至高的數十MHz，此取決於所檢查的材料)。
對熟習此項技術者而言明顯的是，本發明實施例之所選配置、尺寸、材料可加以改適、修改、精煉或以稍微不同但等效之方法替換，而不脫離本發明之工作原理之主要特徵，且可增加額外特徵來增強換能器及陣列之效能及/或可靠性。此等取代形式、替代形式、修改形式或精煉形式將視為落入以下申請專利範圍之範疇及許可內。
另外，以上揭示之特徵及功能及其他特徵及功能之變化形式或其替代形式可合乎需要地組合成許多其他不同的系統或應用。此外，本發明中各種當前尚未預見或尚未預期的替代形式、修改形式、變化形式或改良形式可由熟習此項技術者得出，其亦欲由以下申請專利範圍涵蓋。
P‧‧‧方向
1‧‧‧方向
2‧‧‧方向
3‧‧‧方向
500‧‧‧換能器
502‧‧‧主動元件
504‧‧‧背襯元件
506‧‧‧電極面/陰影側面

Claims (34)

  1. 一種用於超寬頻聲波及超聲波之換能器，其包含：主動元件，其以兩個相對面為電極且跨於該等電極面受極化，其中當該主動元件設定成在橫向於該極化方向之一方向上共振時，以相對該主動元件之該共振橫向或寬度方向之一直角產生一聲束，其中該聲束方向包含該極化方向或另一橫向方向之一者。
  2. 如請求項1之換能器，其中，該主動元件包含具有矩形形狀之一單件活性材料。
  3. 如請求項1之換能器，其中，該主動元件包含在至少一個維度上具有一錐形形狀之一單件活性材料。
  4. 如請求項1之換能器，其中，該主動元件包含具有以下至少一者的複數個活性材料：相同矩形形狀、具有稍微不同尺寸之矩形形狀，或在至少一個維度上之錐形剖面，該等活性材料以並聯、串聯、部分並聯或部分串聯配置之一者來電耦合。
  5. 如請求項1至4中任一項之換能器，其中，該活性材料在受激活橫向方向上以半波長共振模態激發。
  6. 如請求項1至4中任一項之換能器，其進一步包含背襯元件，其黏結至與該主動元件之聲波發射面相對的面上。
  7. 如請求項6之換能器，其中，該背襯元件包含重尾塊體或軟及高阻尼背襯材料之一者以適合所要的應用。
  8. 如請求項1至4中任一項之換能器，其中，該換能器包含直接驅動的無活塞設計。
  9. 如請求項1至4中任一項之換能器，其進一步包含剛性或撓曲類型之一種頂置塊體以適合所要的應用。
  10. 如請求項1至4中任一項之換能器，其進一步包含至少一個匹配層，其連接至該主動元件之該聲波發射面。
  11. 如請求項10之換能器，其進一步包含至少一個透鏡層，其提供於該匹配層之頂部上以適合所要的應用。
  12. 如請求項1至4中任一項之換能器，其中，該主動元件擁有在該兩個橫向方向之至少一者上d31(或d32)400 pC/N且k31(或k32)0.60之橫向壓電性質，其中d31、d32為相關聯的橫向壓電應變係數，且k31、k32為相關聯的機電耦合因數。
  13. 如請求項1至4中任一項之換能器，其中，該主動元件包含以下一或多者之二元、三元及高階固溶體之基於弛緩體的鐵電或壓電單晶之適合截片：Pb(Zn1/3Nb2/3)O3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、Pb(In1/2Nb1/2)O3、Pb(Sc1/2Nb1/2)O3、Pb(Fe1/2Nb1/2)O3、Pb(Yb1/2Nb1/2)O3、Pb(Lu1/2Nb1/2)O3、Pb(Mn1/2Nb1/2)O3、PbZrO3及PbTiO3，包括其改質及摻雜衍生物。
  14. 如請求項1至4中任一項之換能器，其中，該主動元件包含[0-11]1x[100]2x[011]3截片之一[011]3-極化單晶，其中 [011]3為該縱向方向，且[0-11]1及[100]2為該兩個側向或橫向方向。
  15. 如請求項1至4中任一項之換能器，其中，該主動元件包含[110]1x[1-10]2x[001]3截片之一[001]3-極化單晶，其中[001]3為該縱向方向，且[110]1及[1-10]2為該兩個結晶學上等效的側向或橫向方向。
  16. 如請求項1至4中任一項之換能器，其中，該主動元件包含適合截片及極化的紋理化壓電陶瓷，其擁有在該兩個橫向方向之至少一者上d31(或d32)400 pC/N且k31(或k32)0.60之橫向壓電性質，其中d31、d32為相關聯的橫向壓電應變係數，且k31、k32為相關聯的機電耦合因數。
  17. 如請求項1至4中任一項之換能器，其中，該主動元件包含壓電單晶及紋理化多晶陶瓷之組成物及截片，其擁有在該兩個橫向方向之至少一者上d31(或d32)400 pC/N且k31(或k32)0.60之橫向壓電性質，其中d31、d32為相關聯的橫向壓電應變係數，且k31、k32為相關聯的機電耦合因數。
  18. 如請求項1至4中任一項之換能器，其中，該主動元件包含非紋理化多晶壓電陶瓷之改質及/或新組成物，其擁有在該兩個橫向方向之至少一者上d31(或d32) 400 pC/N且k31(或k32)0.60之橫向壓電性質，其中d31、d32為相關聯的橫向壓電應變係數，且k31、k32為相關聯的機電耦合因數。
  19. 如請求項1至4中任一項之換能器，其中，該主動元件包含具有在至少一個側向或橫向方向上相較而言低的聲速之活性材料，該聲速之量值相當於或低於在所欲聲學介質中之該聲速。
  20. 如請求項1至4中任一項之換能器，其中，該主動元件在至少一個側向或橫向寬度方向上之尺寸相當於、相同於或小於具有設計頻率之聲波於該所欲聲學介質中之波長的一半(λm/2)，其中λm為具有設計中心頻率之聲波及超聲波於該所欲聲學介質中之該波長。
  21. 如請求項1至4中任一項之換能器，其中，該主動元件在兩個橫向寬度方向上之聲速大於在該所欲聲學介質中之該聲速，其中個別換能器元件之該主動元件之側向尺寸大於具有設計頻率之聲波於該聲學介質中之波長的一半(λm/2)，其中λm為具有設計中心頻率之聲波及超聲波於該所欲聲學介質中之該波長。
  22. 如請求項1至4中任一項之換能器，其中，該換能器係用於聲波及超聲波發射及接收。
  23. 一種用於聲波及超聲波產生及/或接收之裝置，該裝置包含：換能器陣列，其中每一換能器包含主動元件，該 主動元件以兩個相對面為電極且跨於該等電極面受極化，其中當該主動元件設定成在橫向於該極化方向之一方向上共振時，以相對該主動元件之該共振橫向或寬度方向之一直角產生一聲束，其中該聲束方向包含該極化方向或另一橫向方向之一者。
  24. 如請求項23之裝置，其中，每一換能器進一步包含背襯元件，其黏結至與聲波發射面相對的面上。
  25. 如請求項24之裝置，其中，該背襯元件包含重尾塊體或軟及高阻尼背襯材料之一者以適合所要的應用。
  26. 如請求項23至25中任一項之裝置，其中，每一換能器進一步包含頂置塊體、匹配層及透鏡層之一或多者以適合所要的應用。
  27. 如請求項23至25中任一項之裝置，其中，該陣列之至少一個換能器以橫向寬度模態來操作。
  28. 如請求項23至25中任一項之裝置，其中，該主動元件包含具有相同或相當尺寸及截片、具有矩形形狀或在至少一個維度上之錐形剖面之單件活性材料或複數個活性材料，該等活性材料以並聯、串聯、部分並聯或部分串聯配置之一種來電耦合。
  29. 如請求項23至25中任一項之裝置，其中，該主動元件在至少一個側向或橫向寬度方向上之尺寸相當於、相同於或小於具有設計頻率之聲波於所欲聲學介質中之波長的一半(λm/2)，且該陣列中之元件離距在至少 一個方向上約為或小於λm/2，其中λm為具有設計中心頻率之聲波及超聲波於該所欲聲學介質中之該波長。
  30. 如請求項23至25中任一項之裝置，其中，該主動元件在兩個橫向寬度方向上之聲速大於在該所欲聲學介質中之該聲速，其中個別換能器元件之該主動元件之側向尺寸大於具有設計頻率之聲波於該聲學介質中之波長的一半(λm/2)，且該陣列中之元件離距在兩個方向上大於λm/2，其中λm為具有設計中心頻率之聲波及超聲波於該所欲聲學介質中之該波長。
  31. 如請求項23至25中任一項之裝置，其中，該換能器陣列以雙重或多頻率模態來操作，其中該等操作模態之至少一者為該橫向寬度模態。
  32. 如請求項23至25中任一項之裝置，其中，該換能器陣列以寬頻耦合模態來操作，其基本共振模態之至少一者為該橫向寬度模態。
  33. 如請求項23至25中任一項之裝置，其中，該換能器陣列以解耦或耦合模態之至少一者來操作，其中該等解耦模態之至少一者或該耦合模態之基本共振模態之一者為該橫向寬度模態。
  34. 如請求項23至25中任一項之裝置，其中，該裝置係用於聲波及超聲波產生、發射及接收之一或多者。
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