專利名稱：圓形薄膜壓電超聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種換能器，具體地說，本發(fā)明涉及一種在機械能與聲能之間轉(zhuǎn)換效 率較高的圓形薄膜壓電超聲換能器。
背景技術(shù)：
在電子裝置、家用電器、手機中廣泛使用壓電換能器，如壓電揚聲器和壓電受話 器，或用于醫(yī)學(xué)診斷和工業(yè)檢測等領(lǐng)域的超聲成像系統(tǒng)等。一般而言，換能器是將交流電壓加載到壓電陶瓷鋪層(Piezoelectric Ceramic Layer)上，從而使鋪層產(chǎn)生交替伸縮現(xiàn)象的裝置。對于超聲波換能器來說，雖然其伸縮的大 小只有數(shù)微米，但是由于它每秒振動達數(shù)十萬次，所以該鋪層每秒可移動達數(shù)厘米。如圖1 所示，傳統(tǒng)的壓電換能器都是將矩形或圓形的壓電單元鋪置在硅基片之上，形成振動片。其 結(jié)構(gòu)主要由硅基片(101)、位于該硅基片(101)上的支撐層(103)以及位于支撐層上的單一 壓電換能單元組成，其中底部電極(104)、壓電薄膜(10 和頂部電極(106)構(gòu)成換能器單 元。該壓電單元與支撐層(10 構(gòu)成薄膜換能器的振動膜片。該振動膜片位于空心的硅杯 結(jié)構(gòu)上，該硅杯結(jié)構(gòu)是將硅片進行體刻蝕后形成的。由于壓電薄膜具有壓電效應(yīng)，所以當(dāng)在 底部電極(104)與頂部電極(106)之間施加交流信號時，振動膜片將發(fā)生彎曲振動，并向外 輻射出聲波。同樣的，當(dāng)振動膜片接收到外界的聲波作用時，壓電單元會將振動膜片的形變 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。這就是壓電換能器的基本工作原理。在這種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，振動膜片是受固支邊界條件的作用的，振動方程為貝塞爾 方程，其基頻模態(tài)如圖3所示。從圖4中可以看出，當(dāng)發(fā)生振動時，假如振動膜片向上振動， 其邊緣部分的曲率為正，而中心部分的曲率為負(fù)，二者相反。這表明振動膜片表面的邊緣部 分與中心部分的拉壓狀態(tài)也是相反的，處于截然不同的應(yīng)力狀態(tài)。但由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用單 一的壓電單元，而壓電單元給與振動膜片的激勵是同方向的，所以單一壓電單元的邊緣給 與振動膜片的激勵方向與壓電單元的中心部分給與振動膜片的激勵方向是相反的。由于基 頻振動涵蓋了振動的絕大部分能量，所以壓電單元給與振動膜片的激勵能量存在著顯著的 抵消作用，從而使壓電換能器的工作效率大大降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有換能器結(jié)構(gòu)的不足，提供一種能夠提高機械能與聲能之 間轉(zhuǎn)換效率的壓電超聲換能器結(jié)構(gòu)及其制作方法，從而更加適于實用。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的薄膜壓電超聲換能器包括，具有硅杯結(jié)構(gòu)的 硅基片(101)、位于該硅基片(101)上的支撐層(103)以及位于支撐層上的兩個壓電換能單 元(107 與 108)。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可以采用以下的技術(shù)措施來進一步實現(xiàn)。前述的超聲波換能器，其中所述的支撐層(10 可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄 膜、多晶硅薄膜、硅薄膜或以上薄膜組成的復(fù)合膜。
前述的超聲波換能器，其中所述的兩個壓電換能單元均由底部電極、壓電薄膜和 頂部電極組成。前述的超聲波換能器，其中所述的壓電薄膜(105)是壓電陶瓷(PZT)薄膜。前述的超聲波換能器，其中所述的外部壓電單元(107)包圍住內(nèi)部壓電單元 (108)，即內(nèi)部壓電單元(108)為圓形形狀，外部壓電單元(107)為圓環(huán)形狀，二者同心并且
相互絕緣。采用具有上述結(jié)構(gòu)的壓電換能器，當(dāng)在底部電極和頂部電極之間加載交流電AC 信號時，外部壓電單元(107)的底部電極(109)與頂部電極(110)的電壓差，同內(nèi)部壓電單 元(108)的底部電極(111)與頂部電極(11 的電壓差相比，存在著η的相位差，從而在 圓形振動膜片區(qū)域上形成的兩個振動區(qū)域(PZT層)，且二者沿彼此相反的方向振動。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有明顯的優(yōu)點和有益效果。借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明 超聲換能器通過分別給內(nèi)、外壓電單元加載相位不同的電壓，使得二者皆對振動膜片產(chǎn)生 正向激勵，減少了能量損失，從而可以提高換能器的工作效率。


圖1是現(xiàn)有的硅基壓電超聲換能器的示意圖，說明傳統(tǒng)超聲換能器的結(jié)構(gòu)情況。圖2是本發(fā)明的圓形薄膜壓電超聲換能器的俯視圖。圖3是圓形固支膜片振動的基頻模態(tài)圖。圖4是圓形固支膜片在發(fā)生基頻振動時，其振動膜片表面沿直徑方向的撓度分布 圖和曲率分布圖。
具體實施例方式為更進一步闡述本發(fā)明為達成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合 附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的超音波換能器其具體實施方式
、結(jié)構(gòu)、特征及其功 效，詳細(xì)說明如下。圖2為本發(fā)明的圓形薄膜壓電超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明是在體硅刻蝕形 成的硅杯上部布置支撐層(103)，兩個振動膜片均由支撐層(103)、底部電極(109與111)、 壓電層和頂部電極(110與11 組成。底部電極位于支撐層(10 之上，壓電層位于底部 電極之上，頂部電極位于壓電層之上。首先選取一個硅基片(101)，該硅基片的厚度為15微米，但相關(guān)技術(shù)人員可根據(jù) 工程需要選擇不同厚度的硅基片。再制備支撐層(103)，通?？梢允堑璞∧?、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜、硅薄膜 或以上薄膜組成的復(fù)合膜。該支撐層主要用于對壓電薄膜的支撐和輔助振動，相關(guān)技術(shù)人 員可以根據(jù)需要和工藝條件選擇不同材料的薄膜。在圖2所示在支撐層(10 上面制備外部壓電單元(107)的底部電極(109)以及 內(nèi)部壓電單元(108)的底部電極(111)，該底部電極采用鋁膜、鉻膜、金膜或鉬金膜制作，也 可采用由以上金屬材料構(gòu)成的合金薄膜，或由以上金屬薄膜構(gòu)成的復(fù)合薄膜制作。其中外 部壓電單元(107)的底部電極(109)為圓環(huán)形狀，其外徑為2mm，內(nèi)徑為1.2mm;內(nèi)部壓電單 元(108)的底部電極(111)為圓形形狀，其直徑為1. 1mm。二者同心。
在底部電極(109與111)上面制備壓電層，該壓電薄膜的厚度為3 μ m，該壓電薄膜 為壓電陶瓷材料。對于外部及內(nèi)部壓壓電單元，其壓電層的徑向尺寸應(yīng)與各自的底部電極一致。在壓電薄膜上制備外部壓電單元(107)的頂部電極(110)以及內(nèi)部壓電單元 (108)的頂部電極(112)，該頂部電極采用鋁膜、鉻膜、金膜或鉬金膜制作，也可采用由以上 金屬材料構(gòu)成的合金薄膜，或由以上金屬薄膜構(gòu)成的復(fù)合薄膜制作。對于外部及內(nèi)部壓壓 電單元，其頂部電極的徑向尺寸應(yīng)與各自的底部電極及壓電層一致。當(dāng)在底部電極和頂部電極之間加載交流電信號時，應(yīng)保證外部壓電單元(107)的 底部電極(109)與頂部電極(110)的電壓差，同內(nèi)部壓電單元(108)的底部電極(111)與 頂部電極(11 的電壓差相比，始終存在著η的相位差。最后所應(yīng)說明的是，以上所述僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非是本發(fā)明的限制，任 何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi) 容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容， 依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本 發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種圓形薄膜壓電超聲換能器，包括硅基片(101)，位于該硅基片(101)上的支撐 層(103)以及位于支撐層上的兩個壓電換能單元，本發(fā)明其結(jié)構(gòu)特征在于，外部壓電單元 (107)包圍住內(nèi)部壓電單元(108)。
2.按權(quán)利要求1所述的薄膜壓電超聲換能器，其特征在于所述的支撐層(10 為矩形 形狀，內(nèi)部壓電單元(108)為圓形形狀，外部壓電單元(107)為圓環(huán)形狀。
3.按權(quán)利要求2所述的超聲波換能器，其特征在于其中所述的支撐層(10 可以是氮 化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜、硅薄膜或以上薄膜組成的復(fù)合膜。
4.按權(quán)利要求2所述的薄膜壓電超聲換能器，其特征在于所述的兩個壓電換能單元均 由底部電極、壓電層和頂部電極組成。
5.按權(quán)利要求3所述的薄膜壓電超聲換能器，其特征在于所述的壓電層是壓電陶瓷 (PZT)薄膜。
6.按權(quán)利要求2所述的超聲波換能器，其特征在于其中所述的外部壓電單元(107)與 內(nèi)部壓電單元(108)之間絕緣。
7.如權(quán)利要求4所述的超聲波換能器，其特征在于其中所述的外部壓電單元(107)的 底部電極(109)與頂部電極(110)的電壓差，同內(nèi)部壓電單元(108)的底部電極(111)與 頂部電極(11 的電壓差相比，始終存在著η的相位差。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種圓形薄膜壓電超聲換能器。本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的超聲換能器的所存在的能量轉(zhuǎn)換效率低的缺陷，提供一種轉(zhuǎn)換效率高的振動壓電超聲換能器。本發(fā)明包括硅基片、位于該硅基片上的支撐層以及位于支撐層上的兩個壓電換能單元。其結(jié)構(gòu)特征在于，外部壓電單元包圍住內(nèi)部壓電單元。兩個單元給予相位始終相差π的交流電激勵，從而提高換能器的工作效率。兩個單元的具體尺寸，可根據(jù)換能器的設(shè)計需要進行優(yōu)化調(diào)整。
文檔編號H04R17/00GK102143422SQ20101010276
公開日2011年8月3日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者柳楊 申請人:柳楊