TW201636121A - 具有檯面的換能器 - Google Patents

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保羅 雷諾斯
馬克 巴爾提
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優賓股份有限公司
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Abstract

超聲換能器具有容器、基底、致動器和膜系統。膜系統可以包括膜、檯面和支座。檯面可被成形為實現一個或複數個目標頻率以及諸如振幅等的其它目標振動性質。致動器可以是具有諸如壓電和/或電致伸縮材料等的一個或複數個電活性材料的撓性件。撓性件的一端固定至容器的壁，以在其另一端或在其另一端周圍與膜系統連通。致動器可以經由檯面和/或支座與膜系統接觸。支座可以包括填充有珠子的黏合劑以實現特定厚度。

Description

具有檯面的換能器
本發明涉及一種具有檯面的換能器，尤其涉及一種具有檯面的超聲換能器。
超聲換能器(ultrasonic transducer)接收電能作為輸入並且提供以超聲頻率的聲能作為輸出，或者接收以超聲頻率的聲能作為輸入並且提供電能作為輸出。超聲換能器可以包括響應於電場的施加而改變大小的一塊壓電材料。如果使電場以與超聲頻率相當的速率發生改變，則壓電元件可以進行振動並且生成以超聲頻率的聲壓波。同樣，在壓電元件響應於衝擊超聲能量而進行共振的情況下，該元件可以生成電能。
在實現中，超聲換能器可以包括膜以及具有基底和至少一個壁元件的容器。一個或複數個壁元件可以位於基底的至少一部分的上方以形成可以具有至少部分開口的端部的腔。可以利用膜密封該開口的端部，並且可以將容器的內部維持於與環境壓力相比更低、更高或相同的氣壓。在容器內，諸如壓電式(piezoelectric)或電致伸縮式(electrostrictive)的撓性件(flexure)等的致動器(actuator)的一端可以固定至壁元件處的位置。該撓性件的另一端可以直接地或經由一個或複數個元件(諸如可以堆疊或單獨使用的檯面和/或支座等)與膜機械地連通。該檯面(mesa)和/或支座(standoff)可以與膜連通。
撓性件可以包括基板、壓電和/或電致伸縮的材料以及至少一個電極。在撓性件中可以使用任何電活性材料或這些材料的組合。如這裏所使用的，術語“電活性”(electroactive)表示響應於電場的變化而形狀以任何尺寸發生改變的任何材料。電活性材料的示例包括壓電材料和電致伸縮材料。電活性材料可以配置成一個或複數個層作為撓性件的一部分。撓性件可以包括一個或複數個電極。在撓性件的實施例中，可以在基板和導體之間配置薄膜壓電材料。基板可以由諸如金屬等的導電材料製成。然後，基板用作一個電極並且導體可以用作第二電極。在另一實施例中，基板的兩側可以被壓電層包圍，而這些壓電層可以至少部分被導體覆蓋。在特定情況下，各電活性材料層可以具有在各相對側上的兩個電極。在存在一個以上的電活性材料的情況下，各電活性材料可以具有兩個獨立電極、或者可以與其它電活性材料共用一個或複數個電極。此外，可能存在各電極被分割成各自具有獨立的電氣連接的兩個或更複數個分區的配置。
超聲換能器可以接收電氣控制訊號(“驅動訊號”)，從而使撓性件發生彎曲、以及/或者使末梢相對於基底以超聲頻率或以約超聲頻率進行振動。撓性件可以與膜直接或間接(例如，經由檯面和/或支座)連通，並且可以使膜進行振動並產生超聲頻率的聲波。
借由考慮以下的具體實施方式部分、附圖和申請專利範圍，可以說明所公開之主題之附加特徵、優點和實現或者這些附加特徵、優點和實現可以是顯而易見的。此外，應當理解，前述的發明內容部分和以下的具體實施方式部分這兩者都提供了實現的示例，並且意圖在沒有限制申請專利範圍的情況下提供進一步的解釋。
100、301、302、303、304‧‧‧換能器
101‧‧‧容器
102‧‧‧基底
103‧‧‧壁元件
104‧‧‧上部
105‧‧‧下部
106a、305、306、307、308、401‧‧‧撓性件
106b、204、403‧‧‧支座
107‧‧‧頂部被膜
108、402、502、602‧‧‧檯面
201‧‧‧上電極
202‧‧‧金屬基板
203‧‧‧壓電材料
404、501、601‧‧‧膜
500、600‧‧‧膜/檯面組合
為了提供所公開之主題之進一步理解所包括的附圖併入並且構 成本說明書的一部分。這些附圖還示出所公開之主題之實現，並且連同具體實施方式部分一起用來說明所公開之主題之實現的原理。對於所公開之主題之基本理解以及可以實踐的各種方式，沒有試圖以比所需更詳細的方式示出結構詳情。
第1圖示出根據所公開之主題之實現的超聲換能器。
第2圖示出根據所公開之主題之實現的撓性型致動器。
第3圖示出根據所公開之主題之實現的超聲換能器結構。
第4圖示出根據所公開之主題之實現的與膜連通的撓性件。
第5圖示出根據所公開之主題之實現的示例檯面。
第6圖示出根據所公開之主題之實現的示例檯面。
根據本發明，超聲換能器可以包括膜、附接至膜的檯面以及直接地或間接地機械地連接至膜(與膜連通)的致動器。該致動器可以包括電活性材料，諸如電致伸縮材料、壓電材料、或者電致伸縮材料和壓電材料的組合等。該致動器可以是撓性件。壓電材料的示例包括諸如PZT、PMN-PT、PVDF、PZT4、PZT5A和PZT5H等。電致伸縮材料的示例包括PMN鈮鎂酸鉛或電致伸縮聚合物。
檯面可以借由貼附至膜或成為膜的整體的一部分而附接至膜。例如，檯面可以是與可以使用任何接合技術(例如，使用黏合劑、接合層、壓接、扣夾、螺釘等)貼附至膜的與膜分開形成的組件。檯面還可以利用任何適當的技術(例如，借由蝕刻、鐳射切割、沉積(諸如包括濺射沉積的物理氣相沉積等))等被形成為膜的整體的一部分。
在實現中，致動器可以是一端可以機械地固定至容器的壁上的位置的撓性件。撓性件的另一端可以機械地連接至可以覆蓋容器的全部或一部分的膜系統(membrane system)。膜系統可以包括僅膜、膜和檯面、膜和支座、在撓 性件的端部和台座之間插入有支座的膜、或者其它膜系統組件的組合。可以利用電氣控制訊號(驅動訊號)驅動撓性件，以使膜系統以超聲頻率或大約超聲頻率發生移位(displace)，由此生成超聲波。撓性件的有效剛度(effective stiffness)可以為0.1kN/m~30.0MN/m，並且其有效質量可以為0.1毫克~30毫克。一些實現的有效剛度範圍可以為100kN/m~1MN/m，並且其有效質量可以為0.4毫克~10毫克。
撓性件可以與膜本身直接接觸，或者撓性件可以經由檯面機械地連接至膜。檯面可以配置在膜和撓性件之間，或者檯面可以在膜的相對於撓性件的另一側上，或者這兩個方式的組合。以直接方式或經由支座或其它組件，檯面的一側可以與膜機械接觸，並且檯面的另一側可以與撓性件機械接觸。例如，撓性件的末端可以基於撓性件的端部的位置響應於驅動訊號而改變來進行振動。檯面可以改善超聲換能器的共振性質(resonant properties)。檯面的特殊設計可以改變膜系統的振動性質。檯面的設計參數可以包括製成膜的材料、檯面的質量、質量在檯面中的佈置和檯面的幾何形狀等。如果檯面由一個以上的材料或結構元件製成，則這些元件的大小、形狀和配置也可以影響膜系統的振動性質。檯面可被有意設計成使膜+檯面的組合以預定方式移動。例如，檯面可被設計成使表面上的平均同相位移最大。檯面還可用於改變膜系統的質量。特定檯面設計所引起的針對膜系統的剛度(stiffness)和質量的改變可以有利地提高系統在產生超聲能量的一個或複數個期望頻率和/或振幅方面的性能。
膜可以包括一種材料，並且檯面可以包括相同或不同種類的材料。膜和檯面中的任一者或這兩者可以包括一個以上的材料。例如，這些材料可以採用合金、層狀材料或其它複合材料(諸如具有不同的物理性質(諸如在材料內的不同方向上的剛度和可擴展性的定向變化等)的碳複合材料等)的形式。在膜、檯面或這兩者內的不同區域中和不同圖案中可以使用不同的材料。例如，膜可以包括聚合物，並且檯面可以包括金屬；反之亦然。如這裏所使用的，術 語金屬可以包含單個金屬和合金。
在一些實現中，膜可以由包括聚合物的一個或複數個材料製成，其中該聚合物包括：諸如還習知為Kapton的聚(4,4'-氧二亞苯基-均苯四醯二亞胺)(poly(4,4'-oxydiphenylene-pyromellitimide))等的聚醯亞胺；鋁；銅；不銹鋼或其它鋼；黃銅；鈦、邁拉(Mylar)、金剛石、藍寶石或其它材料。例如，膜可以由聚合物、諸如單晶矽等的單晶材料、金剛石、或者諸如NiTi等的超彈性金屬合金製成。
檯面可以以任何適當的圖案形成，諸如H圖案、圓形形狀、橢圓形、十字形、星形、具有十字形的圓形、任何形式的環形、不規則形狀等。檯面可以包括一個以上的組件。例如，檯面可以包括兩個或複數個同心圓。此外，檯面可以繞一個軸、兩個軸或三個軸對稱，繞一個或複數個軸不對稱，或者不規則地成形。檯面可以由一個或複數個材料製成，其中這些材料包括：銅、鋁；銅；不銹鋼；黃銅；鈦或者諸如聚合物、玻璃、單晶、多晶或複合材料等的其它材料。一個檯面或檯面組件的厚度可以是恒定的或者可以改變。檯面還可以採用可以覆蓋膜的任何適當量的表面積的網格(grid)的形式。檯面可以借由使用任何適當的接合技術和材料而附接至膜，或者例如作為蝕刻或層沉積的結果而可以是與膜一體的。致動器的一部分可以在與膜或檯面或這兩者的中心大致相對應的位置處與膜或檯面相接觸。在一些實現中，致動器可以在相對於膜或檯面或這兩者的偏離中心位置處與膜或檯面相接觸。
可以基於一組目標參數來選擇檯面材料、尺寸和圖案。這些目標參數可以包括一個或複數個期望頻率、功率(振幅)、相位、振動模式或可以影響換能器所生成的超聲能量的物理性質的任何其它物理參數。驅動訊號可以是經由電極施加至致動器(諸如壓電撓性件等)的變化的電氣電位以產生向換能器的期望輸入。可以測量換能器響應於驅動訊號而生成的超聲能量的頻率。如果該 頻率為低於期望頻率，則膜系統可以變硬以提高所生成的頻率。這可以借由改變膜、檯面或這兩者的設計來進行。同樣，如果所生成的頻率過高，則可以使膜系統不太硬以降低該頻率。
可以借由增加檯面組件的大小、增加該檯面組件的厚度、將製成該檯面組件的材料改變為更硬的材料、改變該檯面組件的幾何形狀的一個或複數個屬性等，來增加膜系統的剛度。例如，單個十字形圖案與具有連接十字形的四個臂部的圓形的相同十字形相比通常不太硬。除改變檯面組件的剛度以外或代替改變檯面組件的剛度，還可以改變檯面組件的質量。例如，如果換能器所生成的超聲能量的頻率和/或振幅與期望的頻率和/或振幅相比過高，則可以增加檯面組件的質量以降低所生成的頻率和振幅。保持檯面整體的質量大致相同並且改變質量在檯面內的佈置，這也可以改變這些參數。例如，使質量從檯面中心向其外周移動，這可以實際增加振幅和頻率。使質量向中心移動，這可以具有相反效果。類似地，使檯面在更向著中心的檯面區域中更硬，這可以降低頻率，而使檯面在遠離中心的檯面區域中更硬，這可以具有相反效果。因而，改變檯面組件中的剛度和質量這兩者的分佈，這可以改變換能器的所生成的超聲能量的參數以更緊密地匹配期望值。可以借由使用具有不同的剛度-質量比的材料以及/或者借由使檯面組件以不同的方式成形來改變檯面組件的剛度和/或質量。
可以測量表面位移以判斷該位移中的多少屬□同相(phase)。如果存在異相(out-of-phase)振動的分區(section)，則針對檯面的改變可以將異相分區“綁定”(tie)至其它分區以強制使膜系統的更多分區保持同相。例如，可以將檯面組件重新設計成包括延伸到先前的異相分區上的臂部、或者包括附接至先前的異相分區的連續或網格狀部分。
檯面可用於例如借由將檯面置於膜的中心、並且沿著經由檯面中 心的一個或複數個對稱軸具有對稱形狀和質量分佈，來以對稱方式使組合後的檯面和膜變硬。檯面還可以以非對稱方式使組合後的檯面和膜變硬，以例如對與檯面或膜相接觸或者位於相對於檯面、膜或這兩者的偏離中心位置處的致動器進行補償。例如，在致動器在偏離中心位置處接觸膜的情況下，檯面使得組合後的檯面和膜在膜的其中一側比在另外一側更硬。檯面在膜的與致動器接觸的一側可以不太硬，而在膜的另一側的至少一部分上可以更硬。這樣可以針對由於致動器的接觸點而向膜系統引入的附加剛度在膜的一側比另一側更多來進行補償。
膜系統可被設計成使換能器具有在給定頻帶或頻率範圍內呈單峰或多峰的共振響應。單峰響應具有單個共振頻率，而多峰響應具有複數個共振頻率。這些共振可以是以預定頻率產生的。例如，借由以H的形狀構造檯面組件，該H的臂部的末端部分與該H的靠近橫桿的部位相比不太硬。這樣可以得到可以借由對檯面進行專門設計而進行調整的兩個或複數個共振，從而實現以給定頻率的這些共振。例如，可以調整橫桿的剛度和質量以將二次共振的特性改變為期望值。可以使用更低的剛度和/或質量來降低二次共振的頻率。可以使用更高的剛度和/或質量來提高二次共振的頻率。
膜系統的有效剛度可以為0.1kN/m~30.0MN/m，並且在一些應用中，優選為1kN/m~100kN/m。類似地，有效質量可以為0.01mg~100mg，並且在許多應用中優選為0.1mg~5mg。可以利用相同的有效剛度來設計撓性件。膜系統的有效剛度通常影響該系統所生成的頻率或頻率範圍。例如，對於針對給定的有效質量、有效剛度約為30kN/m的情況，可以生成約為50kHz的頻率。可以借由使用不同的有效剛度來生成高於或低於50kHz的頻率。例如，有效質量為0.8mg的有效膜剛度8kN/m可以得到約17kHz的頻率。對於又一示例，具有更高的有效剛度的膜系統和撓性件可用於生成17kHz以上的換能器頻率。類似地，更低的有 效剛度可以得到低於17kHz的換能器頻率。如這裏所使用的，有效剛度是指組件整體的剛度，其中該剛度不僅受到針對該組件的材料的選擇所影響，而且還受到組件的幾何形狀和性質所影響。例如，短的撓性件與由相同材料製成的長的撓性件相比可以具有更高的有效剛度。可以基於設計目標和/或限制來選擇有效剛度(和質量)。例如，如果期望不太硬的撓性件，則可以借由拉長該撓性件來實現。如果換能器中的用以拉長該撓性件的物理空間不夠，則可以使膜系統不太硬。類似地，如果鋁膜被不如鋁硬的Kapton替換，則可以縮短撓性件，由此增加其有效剛度並且保持換能器所生成的聲能的頻率相同。換句話說，撓性件和膜系統的組合可以確定所生成的頻率。
可以使用以下方程式來描述一些組合中的期望頻率的近似值：
其中：
F out 是期望頻率，F x 是組件x的頻率，M x 是組件的有效質量，並且K x 是組件的有效剛度。在一些實現中，可以使用範圍為約10kN/m~10MN/m的有效剛度和0.1~40mg的有效質量，並且還可以使用範圍為約100~400kN/m的有效剛度和1~4mg的有效質量。因而，例如，可以借由使用組合有效剛度約為200kN/m且有效質量為2mg、或者類似地有效剛度為300kN/m且有效質量為3mg的撓性件和膜來實現50kHz的輸出頻率。
換能器所用的組合後的撓性件和膜系統的有效質量可以為100微克~130毫克、並且優選為0.5~15.0毫克，或者可以為0.75mg~5mg。任何組件(檯面、支座、膜或撓性件)的更重質量均可以降低換能器所生成的頻率。
這裏所公開之參數和特性可以應用於包括具有檯面的膜的系統或者僅具有膜而無檯面的系統。
一些實現還可以包括撓性件或者附接至致動器的末端的支座。致動器可以經由支座和檯面機械地連接至膜。支座可以使致動器的至少一部分移位而遠離膜，使得致動器在振動期間不會拍擊或接觸膜。在無支座的情況下，撓性件的除期望接觸點以外的部分(例如，撓性件的臂部的至少一部分)在其振動的向下階段可能接觸膜，由此幹擾超聲換能器的超聲能量的生成，這樣使得超聲能量相對於期望特性而發生改變。
在實施例中，支座可以包括可以為中空、實心或塗布的填充有珠子或微球體的黏合劑。珠子可以由給定直徑的諸如玻璃、陶瓷或硬金屬等的剛性材料製成。例如，珠子可以是直徑為100微米的玻璃珠。珠子可以混合或嵌入諸如環氧樹脂等的黏合劑中，從而生成填充有或“裝載有”珠子的黏合劑。在實施例中，可以借由向檯面、致動器或這兩者應用所填充的黏合劑的層並將這兩者壓到一起，來使致動器的一部分固定至檯面。黏合劑可以擴散以形成越來越薄的層，直到達到約等於珠子的直徑的厚度為止。珠子可以用於阻止黏合層的進一步變薄，並且生成具有精確厚度的支座。例如，在填充有100微米的玻璃珠的環氧樹脂的情況下，支座可以是致動器和檯面之間的100微米厚的黏合層。
在其它實施例中，支座可以是插入在致動器和檯面之間或者致動器和膜之間的給定厚度的一塊材料。該一塊材料可以使用任何接合技術(包括使用填充或非填充的黏合劑)接合至致動器、檯面、膜或它們的任何組合。
在實現中，支座可以位於諸如撓性件等的致動器的端部或位於該端部周圍。撓性件的端部可以經由支座機械地連接至檯面和膜。在撓性件進行振動的情況下，這些振動可以經由支座傳遞至膜系統，從而使膜系統進行振動並生成超聲波。
一些實施例可以包括以諸如網格圖案等的給定圖案、隨機地、或者根據諸如高斯(Gaussian)或泊松(Poisson)分佈等的統計分佈而位於膜上的數個檯面。各檯面可以具有圖案化形狀。圖案化形狀的一部分或全部可以具有相同或不同的形式和/或規模。複數個致動器各自可以經由支座機械地連接至數個檯面其中之一。例如，支座可以附接在這些致動器其中之一的一端或附接在該一端周圍，於是可以機械的連接至膜上的數個檯面中的一個或複數個檯面。在膜上存在複數個檯面的情況下，這些檯面中的一部分或全部可以各自與致動器對齊。各致動器的支座可以接觸檯面中的一個或複數個，使得致動器其中之一的移動使所接觸的檯面移動。支座可以包括使致動器接合至檯面的裝載或未裝載的環氧樹脂或者其它黏合劑(諸如氰基丙烯酸酯等)。支座的至少一部分可以是包括盤狀、規則多面體、不規則多面體的任何適當的形狀，具有彎曲部分，是規則的，等等。
換能器可以包括由位於基底上的至少一個壁元件構成的容器。該容器可以是缸體、箱、多面體或任何適當的形狀，而與規則或不規則無關。膜系統可以位於容器的一端。可以使具有至少一個壁元件和基底的膜系統將容器密封。可以將容器的內部維持於與環境壓力相比更低、更高或相同的氣壓。除環境壓力以外的氣壓可以預拉伸膜並且提高換能器的膜的有效性。
在各種實施例中，撓性件可以包括基板、壓電或其它電活性層以及電極。壓電層可以是薄膜壓電材料或任何其它適當的壓電材料，例如PZT、PMN-PT、PVDF等。基板可以由各種材料製成，其中這些材料包括標準金屬(黃銅、不銹鋼、鋁)、複合材料(CFRP)或均質高分子材料。電極例如可以由諸如金、白金、這兩者的合金等的絲網印刷或氣相沉積相容的導電材料、以及其它純金屬和合金製成。基板、壓電層和電極可以是以任何適當配置構成的。
壁元件其中之一可以包括可以彼此電氣隔離的兩個部分。壁元件 的一個部分可以電氣連接至撓性件的電極，並且第二部分可以電氣連接至基板。控制訊號(驅動訊號)可以經由壁元件的部分中的一個或這兩者傳送至撓性件。作為響應，撓性件可以使膜以超聲頻率進行振動，由此產生超聲頻率的聲波。
第1圖示出包括兩個超聲換能器的所公開之主題之實施例。一個換能器100的容器101可以由基底102和壁元件103來限定。壁元件103可以具有上部104和下部105。上部104可以電氣連接至撓性件106a的具有支座106b的電極部分，其中該電極部分可以是電致伸縮致動器、壓電致動器或者包括電致伸縮組件和壓電組件這兩者的致動器。下部105可以電氣連接至撓性件106a的基板或電極。容器的頂部被膜107密封。檯面108可以是與膜107相結合地設置的。撓性件106a可以與加強件108機械接觸。可以將控制訊號諸如經由壁元件103的上部104和/或下部105等饋送至撓性件106a。
第2圖示出撓性件的實施例。撓性件可以包括上電極201和金屬基板202，其中在該電極201和金屬基板202之間配置有壓電材料203。基板202還可以是第二電活性層。支座204可以固定至撓性件的一端以便於撓性件與檯面108和/或膜107的機械連通。
第3圖示出四個換能器301、302、303和304的實施例的結構。撓性件305、306、307和308從換能器的角部延伸出來。撓性件可以相對於換能器壁配置成任意角度(例如，除法向以外)，以容納給定長度的撓性件。撓性件的末梢位移可以是其長度的函數。撓性件的振蕩的頻率可以是其長度的函數。輸出聲壓可以是隔膜位移的函數。也就是說，隔膜以給定頻率移動得越遠，在空氣中產生的壓力越大。
在又一實施例中，單個容器可以包括一個以上的膜。各個膜可以由單獨的撓性件提供能量。例如，撓性件可以固定至壁位置，並且不必與相對 於壁位置最近的膜機械連通，而是與相對於壁位置較遠的膜機械連通。例如，在第3圖中，可以使四個換能器變形為具有四個膜的單個容器，其中各個膜在位置301、302、303和304處。撓性件305可以與膜303而不是膜301機械接觸，由此延長撓性件305。其它撓性件可以是以類似方式配置的。可以借由將一個撓性件形成為借由另一撓性件的下方或上方來管理一個撓性件與另一撓性件的交叉點，由此防止這些撓性件在工作時彼此幹擾。容器的真空可以避免在單個容器內在不同的撓性件和膜之間發生聲幹擾。
第4圖示出撓性件401經由支座403與檯面402機械連通。檯面402可以與膜404機械連通。例如由於向撓性件401中的壓電材料施加變化的磁場而引起撓性件401移動可能導致檯面402借由與支座403相接觸而移動。由於檯面402可以機械地連接至膜404，因此檯面402的移動可以引起膜404的移動。膜404在檯面402向上移動時可以向上移動，並且在檯面402被撓性件401向下拉動時可以被向下拉動。
第5圖示出根據所公開之主題之實現的示例檯面。與超聲換能器一起使用的膜501可以由任何適當的材料製成，並且可以包括所附接的檯面502。檯面502可以由任何適當的材料製成，並且可以採用例如“H”形狀等的任何適當的形狀。例如，膜501可以由諸如Kapton等的聚醯亞胺製成，並且檯面502可以由銅製成。膜501和檯面502可以形成超聲換能器所用的膜/檯面組合500，其中該膜/檯面組合500可用於覆蓋容器、例如容器101。
檯面502的“H”形狀可以得到膜/檯面組合500的適當剛度和質量，這樣使得超聲換能器以期望的頻率和振幅生成超聲。檯面502的“H”形狀還可以引入以例如約100kHz的更高頻率的共振的附加模式，其中該共振的附加模式例如可用於進行通信和攝像。共振的附加模式在超聲換能器生成主50kHz超聲的情況下可能存在180度的異相，從而使得能夠在不會幹擾主50kHz模式的情況 下使用更高的頻率模式。例如，可以借由改變檯面502的“H”形狀的橫桿的寬度來改變共振的附加模式的頻率。
檯面(諸如“H”形狀的檯面等)502的圖案還可能影響超聲換能器所生成的超聲的束圖案。由於束圖案隨著相對於與超聲換能器垂直的綫所成的角度而改變，因此束圖案可以是相對於超聲換能器給定距離處的聲壓的振幅。該圖案可以引起在x面和y面中的響應有所不同，並且可用於維持沿z軸的壓力，使超聲以預設角度轉向，或者借由使膜/檯面組合500的特定區域變硬以確保超聲沿與超聲換能器的表面成法向的方向傳播，來對例如由電致伸縮或壓電致動器引入的超聲換能器中的偏壓進行補償。可以將不同的圖案用於檯面502，從而還可以改變超聲換能器的工作頻率。
第6圖示出根據所公開之主題之實現的示例檯面。與超聲換能器一起使用的膜601可以由任何適當的材料製成，並且可以包括所附接的檯面602。檯面602可以由任何適當的材料製成，並且可以採用例如具有十字形的圓形等的任何適當的形狀。例如，膜601可以由諸如Kapton等的聚醯亞胺製成，並且檯面602可以由銅製成。膜601和檯面602可以形成超聲換能器所用的膜/檯面組合600，其中該膜/檯面組合600可用於覆蓋容器、例如容器101。
檯面602的十字狀部分可以增加膜/檯面組合600的剛度，而檯面602的圓形部分可以增加膜系統的以同相方式進行振動的比例。檯面602可以位於膜601的中心，其中檯面602的圓形部分的中心是膜601的中心。在一些實現中，膜601可以包括鋁，並且例如可以是實心鋁。檯面602可以呈十字狀並且由銅製成。這樣可以優化工作頻率並且提高超聲換能器的輸出振幅。換句話說，改變檯面中所使用的形狀(例如，輪廓、厚度、大小等)和/或材料，這可以增大或減小工作頻率。
為瞭解釋的目的，已經參考特定實現說明瞭上述說明。然而，以 上的例示型論述並不意圖窮舉或將所公開之主題之實現局限於所公開之精確形式。考慮到以上教導，可以進行多種修改和變化。選擇並說明這些實現，從而解釋所公開之主題之實現的原理及其實際應用，由此使得本領域其它技術人員能夠利用這些實現以及具有可以適合所考慮的特定使用的各種修改的各種實現。
100‧‧‧換能器
101‧‧‧容器
102‧‧‧基底
103‧‧‧壁元件
104‧‧‧上部
105‧‧‧下部
106a‧‧‧撓性件
106b‧‧‧支座
107‧‧‧頂部被膜
108‧‧‧檯面

Claims (33)

  1. 一種設備，包括：膜系統，其包括：膜；以及檯面，其附接至所述膜，並且被配置為調整所述膜的振動，其中所述檯面包括具有圖案化形狀的材料；以及致動器，用於機械地連接至所述膜系統。
  2. 如請求項1所述之設備，其中，所述致動器包括壓電材料。
  3. 如請求項1所述之設備，其中，所述致動器包括電致伸縮材料。
  4. 如請求項1所述之設備，其中，所述致動器經由所述檯面機械地連接至所述膜。
  5. 如請求項1所述之設備，其中，還包括支座，所述支座被配置在所述致動器與所述檯面或所述膜之間。
  6. 如請求項5所述之設備，其中，所述支座包括填充有珠子的黏合劑。
  7. 如請求項5所述之設備，其中，所述支座包括具有包含以下形狀的組至少之一的形狀的材料：盤狀、橢圓形、規則多面體、不規則多面體、彎曲部分和不規則部分。
  8. 如請求項1所述之設備，其中，所述膜包括第一材料類型，以及所述檯面的所述具有圖案化形狀的材料包括第二材料類型。
  9. 如請求項8所述之設備，其中，所述第一材料類型是鋁，並且所述第二材料類型是銅。
  10. 如請求項8所述之設備，其中，所述第一材料類型是聚醯亞胺薄膜，並且所述第二材料類型是銅。
  11. 如請求項8所述之設備，其中，所述第一材料類型和所述第二材料類型是相 同的材料類型。
  12. 如請求項8所述之設備，其中，所述第一材料類型是聚合物，並且所述第二材料類型是金屬。
  13. 如請求項1所述之設備，其中，所述膜或所述檯面包括從包含以下材料的組中所選擇的至少一個材料：鋁、聚合物、銅、不銹鋼、黃銅、金剛石、藍寶石、鈦、共價鍵合陶瓷或晶體、或者金屬合金。
  14. 如請求項1所述之設備，其中，所述檯面的所述圖案化形狀包括H形狀。
  15. 如請求項1所述之設備，其中，所述檯面的所述圖案化形狀包括環形。
  16. 如請求項1所述之設備，其中，所述檯面的所述圖案化形狀包括圓形形狀。
  17. 如請求項1所述之設備，其中，所述檯面的所述圖案化形狀包括十字形。
  18. 如請求項1所述之設備，其中，所述檯面的所述圖案化形狀包括圓環面形。
  19. 如請求項1所述之設備，其中，所述檯面的所述圖案化形狀包括圓環面形和十字形。
  20. 如請求項1所述之設備，其中，所述圖案化形狀是為了實現目標頻率而選擇的。
  21. 如請求項1所述之設備，其中，所述圖案化形狀是基於所述設備所生成的超聲的至少一個目標性質而選擇的。
  22. 如請求項21所述之設備，其中，所述至少一個性質是從包括功率、相位、頻率和束圖案的組中而選擇的。
  23. 如請求項1所述之設備，其中，所述檯面具有變化的厚度。
  24. 如請求項1所述之設備，其中，所述膜系統的有效剛度為0.1kN/m~30.0MN/m。
  25. 如請求項1所述之設備，其中，所述膜系統的有效剛度為100kN/m~1MN/m。
  26. 如請求項1所述之設備，其中，所述膜系統的有效質量為100微克~130毫克。
  27. 如請求項1所述之設備，其中，所述膜系統的有效質量為0.1mg~5mg。
  28. 如請求項1所述之設備，其中，所述膜系統的有效質量為0.75mg~5mg。
  29. 如請求項5所述之設備，其中，所述支座包括填充有珠子的環氧樹脂。
  30. 如請求項1所述之設備，其中，所述壓電致動器的一部分在所述膜的大致中心處與所述檯面或所述膜的一部分機械地接觸。
  31. 如請求項1所述之設備，其中，所述壓電致動器的一部分在所述膜的偏離中心位置處與所述檯面或所述膜的一部分機械地接觸。
  32. 如請求項1所述之設備，其中，所述檯面具有非均勻的剛度。
  33. 如請求項5所述之設備，其中，所述支座具有包含以下形狀的組至少之一的形狀的材料：盤狀、橢圓形、規則多面體、不規則多面體、圓環面形、彎曲部分和不規則部分。
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