专利名称：阵列式微型声频定向换能器的制作方法
技术领域：
阵列式微型声频定向换能器，属于超声技术领域，特别涉及基于MEMS的 换能器技术领域。具体而言，本发明涉及超声换能器直接产生超声波，并通过超 声波在空气中的非线性交互作用产生具有高指向性的可听声。
背景技术：
换能器是一种把电信号转变为声信号的器件。传统的换能器直接向空气中辐 射频率在可听声频段范围内的声波，难以实现高指向性。阵列式微型声频定向换 能器通过超声波在空气中的非线性交互作用产生高指向性的可听声，而不依赖换
能器固有的特性。其主要工作原理是换能器向空气中发射调制有可听声信号的 超声波，由于空气非线性波传播效应解调了狭窄的超声波调制的声音信号，产生 出高指向可听声。
阵列式微型声频定向换能器可以采用PZT、 PVDF、磁致伸縮材料或其它具 有压电效应的材料。由于当外加适当的电激励信号时，压电材料即可产生较大的 机械位移或压力。因此，将含有音频信息的超声波激励信号施加在换能器上，便 可转化为机械振动，将信号发射出去。但是，单个换能器单元输出功率小，指向 性差，接收灵敏度低，因此，本发明采用换能器阵列，旨在改善换能器指向性、 增强传输距离、提高输出声压级、增大输出功率等。
本发明基于微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,简称MEMS)加工 技术，将经过MEMS工艺加工的PZT压电薄膜与微型换能器结构相结合，并采 用了阵列的形式，使得所发明的换能器在保证稳定工作的前提下，能根据需要增 加换能器的数量，调整换能器阵列形式，满足具体需求。换能器阵列是由多个换 能器单元按一定方式排列、组合而成的一种阵列，其阵列形式包括线阵、平面阵 和立体阵以及各种组合阵。其中，平面阵又包括方阵、矩形阵、圆弧阵、椭圆阵、 菱形阵、多边形阵等；立体阵包括圆柱阵、球壳阵、球体阵、锥形阵等；组合阵 包括均匀组合阵和非均匀组合阵。
发明内容
本发明提供的阵列式微型声频定向换能器，相比传统的换能器，能够同时控 制声波传播空间分布与声源位置，产生可控传播方向的可听声波，可以依照传输 距离的远近和输出声压的大小来设置阵列单元的数量和排列方式。
本发明的目的是通过应用MEMS工艺加工的PZT压电薄膜或PVDF或其他 压电薄膜，制作微型声频定向换能器单元，并通过阵列设计和装配制作阵列式微 型声频定向换能器。该换能器能够产生20kHz 500kHz频带范围内超声波。
本发明的详细技术方案为
阵列式微型声频定向换能器，包括若干个压电材料换能器阵列单元和支撑框。
以上所述阵列式微型声频定向换能器，其特征在于，换能器器阵列单元按一 定方式排列、组合在支撑框上，单元之间通过支撑框上的电极彼此串联或并联连
接在一起。
所述的支撑框，其特征在于，支撑框可以是金属板，非金属板如印刷电路板。 所述的支撑框，可以是方形平面薄板、圆形平面板、椭圆形平面板、抛物型
曲面板、半球形或球冠型曲面板、圆柱形曲面板。
所述的支撑框，其表面布有电极，与换能器单元电极串联或者并联。 所述的阵列单元，其特征在于，由上电极、振动辐射材料、下电极和底座四
部分组成。
所述的阵列单元，其形状可以是圆形，方形，椭圆形或者任意正多边形。 所述的阵列单元，其辐射材料为电致伸縮材料或者磁致伸縮材料； 所述的电致伸縮材料可以是压电材料；所述的压电材料可以是压电晶体、压 电陶瓷、PZT或者PVDF压电薄膜。
所述的阵列单元，其基底材料为硅；
上述方案中，所说的支撑框是整个扬声器的支撑件，所有的阵列单元安装在 支撑框上，电信号直接加在支撑框的电极上，通过支撑框表面的线路将电信号传 输到每一个阵列单元上。所述的阵列单元，其上电极和下电极分别与辐射材料的 上下表面固定连接，通过上下电极与支撑框的电极相连接。下电极与硅基底相连 接，通过硅基底将辐射材料固定，辐射材料的形状由基底上表面的形状来保证。同时，上下电极作为两个正负电极将电信号加到辐射材料上，使之产生振动，将 电信号转化为机械振动，向外辐射超声波。超声波经过空气中的非线性交互作用， 产生高指向性可听声信号。各个阵列单元可以各自使用单独的电极，也可以共同 使用一个电极。对比而言，共用一个电极能较好地保证各个阵列单元振动的一致 性，使输出声波相位一致，增大输出声压；而各阵列单元分开使用各自的单独的 电极能根据需要调节输入电压的相位。根据具体情况，可以自定义选用合适的电 极形式。
图1是本发明阵列式微型声频定向换能器的阵列单元的实施方式之一；
图2是本发明阵列式微型声频定向换能器的实施方式之一；
图3是本发明阵列式微型声频定向换能器的实施方式之二；
图4是本发明阵列式微型声频定向换能器的实施方式之三；
图5是本发明阵列式微型声频定向换能器的实施方式之四；
图6是本发明阵列式微型声频定向换能器的实施方式之五；
图7是本发明阵列式微型声频定向换能器的实施方式之六；
图8是本发明阵列式微型声频定向换能器的实施方式之七；
图9是本发明阵列式微型声频定向换能器的实施方式之八；
图10是本发明阵列式微型声频定向换能器的实施方式之九；
图11是本发明阵列式微型声频定向换能器的实施方式之十；
图12是本发明阵列式微型声频定向换能器的实施方式之十一；
图13是本发明阵列式微型声频定向换能器的实施方式之十二；
图14是本发明阵列式微型声频定向换能器的阵列单元的实施方式之二；
图15是本发明阵列式微型声频定向换能器的阵列单元的实施方式之三；
图16是本发明阵列式微型声频定向换能器的支撑框的实施方式之一；
具体实施例方式
图1所示为本发明中圆形阵列单元的一种实施方式，如下图1所示，阵列单元共有四部 分组成，上电极1、下电极3、超声波辐射材料2和底座4。上电极1和下电极3对辐射材料 2起到固定作用，并作为阵列单元的TT.负电极。上电极1和下电极3经过溅射形成，这样的 工艺保证了膜两侧导电的稳定性和较小的寄生电阻。振动辐射材料2是一种压电薄膜材料， 所述的压电薄膜材料可以是压电陶瓷薄膜材料或者是压电聚合物薄膜材料，辐射材料2要求 较高的机械响应和电响应灵敏度，其阻抗要求尽可能的与空气阻抗相匹配。当在两侧电极加 上电压后，压电薄膜会根据所加电压大小和其中的频率成分，产生伸縮变形，在固定底座4 紧固下，便会产生对应于所加信号的超声振动从而发射出定向超声波。再根据超声波在空气 中的自解调作用，所期望的可听声便会从定向的超声波范围中解调出来。辐射材料2形状为 圆平面，其大小由底座圆环面积的大小决定。平面半径决定阵列单元的谐振频率，其与阵列
单兀的谐振频率成反比。该实施例中，所用的压电薄膜2为2/ym，两侧所镀电极l、 3分别 为0.2，，总共厚度为2.4戶。图中的阵列单元的设计参数可以采用是-致的，或者是采用
不同的设计参数。都在本发明专利的保护范围之内。
在图2所示的本发明的实施例中，矩形支撑框8是该装置的支撑件，阵列单元5为一个 个独立的超声波换能器器单元，方形阵列单元5均匀的排列在矩形支撑框8上，每个线形阵 列单元5的结构大小相同，谐振频率等参数一致。上电极6、下电极7为镀在支撑框表面的 电极。线形阵列单元5可以采用MEMS工艺固定在矩形支撑框8上。支撑框8的内部结构在 下图16有详尽的描述。
在图3所示的本发明的实施例中，其结构与实施例2的结构类似。所不同的是支撑框IO 采用的阵列形状相匹配的平面椭圆结构，其内部结构与图16中的支撑框相同。阵列单元9的 结构形状与实施例2中的阵列单元5的结构相同，为圆形结构。
在图4所示的本发明的实施例中，其结构与实施例2的结构类似。所不同的是支撑框12 采用的阵列形状相匹配的平面矩形结构，其内部结构与图16中的支撑框相同。阵列单元11 的结构形状与实施例2中的阵列单元5的结构相同，为圆形结构。
在图5所示的本发明的实施例中，其结构与实施例2的结构类似。所不同的是支撑框14 采用的阵列形状相匹配的平面弧形结构，其内部结构与图16中的支撑框相同。阵列单元13 的结构形状与实施例2中的阵列单元5的结构相同，为圆形结构。
在图6所示的本发明的实施例中，其结构与实施例2的结构类似。所不同的是支撑框16采用的阵列形状相匹配的平面圆形结构，其内部结构与图16中的支撑框相同。阵列单元15 的结构形状与实施例2中的阵列单元5的结构相同，为圆形结构。
在图7所示的本发明的实施例中，其结构与实施例2的结构类似。所不同的是支撑框18 采用的阵列形状相匹配的平面六边形结构，其内部结构与图16中的支撑框相同。阵列单元 17的结构形状与实施例2中的阵列单元5的结构相同，为圆形结构。
在图8所示的本发明的实施例中，其结构与实施例2的结构类似。虽然支撑框20采用的 是与阵列形状相匹配的环形结构，其内部结构与图16中的支撑框相同。阵列单元19的结构 形状与实施例2中的阵列单元5的结构相同，为圆形结构。
在图9所示的本发明的实施例中，其结构与实施例2的结构类似。虽然支撑框22采用的 是与阵列形状相匹配的菱形结构，其内部结构与图16中的支撑框相同。阵列单元21的结构 形状与实施例2中的阵列单元5的结构相同，为圆形结构。
在图IO所示的本发明的实施例中，其结构与实施例2的结构类似。虽然支撑框24采用 的是与阵列形状相匹配的三角形结构，其内部结构与图16中的支撑框相同。阵列单元23的 结构形状与实施例2中的阵列单元5的结构相同，为圆形结构。
在图ll所示的本发明的实施例中，其结构与实施例2的结构不同，为三维阵列。虽然支 撑框26采用的是与阵列形状相匹配的半球形结构，其内部结构与图16中的支撑框相同。阵 列单元25的结构形状为方形单元，其内部结构与图14屮的单元结构相同。
在图12所示的本发明的实施例中，其结构与实施例2的结构不同，为三维阵列。虽然支 撑框28采用的是与阵列形状相匹配的半圆柱形结构，其内部结构与图16中的支撑框相同。 阵列单元27的结构形状为方形单元，其内部结构与图14中的单元结构相同。
在图13所示的本发明的实施例中，其结构与实施例2的结构不同，为三维阵列。虽然支 撑框30采用的是与阵列形状相匹配的锥形结构，其内部结构与图16中的支撑框相同。阵列 单元29的结构形状为方形单兀，其内部结构与图14中的单元结构相同。
图14所示为本发明中阵列单元的另一种实施方式，为方形结构，与图1中所采用的材料 都相同，所不同的是图14中阵列单元的底座34为方形结构，并四边固支。其上电极31、下 电极33，中间的超声波辐射材料32均为方形结构。
图15所示为本发明中阵列单元的另一种实施方式，为悬臂梁结构，与图1中所采用的材 料都相同，所不同的是图15中阵列单元的底座38为悬臂梁结构，并单边固支。其上电极35、 下电极37，中间的超声波辐射材料36均为矩形结构。
在图16所示的本发明的实施例中，支撑框包括支撑底板41和镀在其表面的正电极39、 负电极40。支撑底板采用矩形结构，电极则随着支撑底板结构而做出相应改变。支撑底板表面镀有绝缘层，上下电极则镀在绝缘层之外。阵列单元的正极引出导线，连接于支撑框的正 电极39;阵列单元的负极引出导线，连接于支撑框的负电极40。电压加到支撑框的正负电极 39、 40上，正负电极39、 40将所有的阵列单元并联在一起。
尽管借助附图所示实施形式对本发明作了说明，但还应注意到，本发明不仅仅局限于所 示实施形式，而是包括所有可能的变化，修改和等同的设计、配置，排列方式，以及由权利 要求书所覆盖的内容。
权利要求
1、阵列式微型声频定向换能器，包括支撑框和若干个阵列单元组成，其特征在于，换能器由若干独立的换能器阵列单元排列构成，通过单元内部的薄膜振动，向外部垂直方向发射经过预处理的定向超声波，其在空气中自解调出定向的可听声。阵列单元的数目根据超声波的声压、指向性等参数的要求进行调整。所述的阵列单元，其特征在于，由上电极，辐射材料、下电极和基底三部分组成。上电极和下电极作为正负电极分别和辐射材料的上下两个表面相固连。所述的支撑框为一个多层的带有导电线路的支撑板，表面镀有正负电极，和阵列单元的电极相串联或者并联。
2、 根据权利要求l所述的阵列式微型声频定向换能器，其特征在于，所用于振动的辐射 材料可以为压电陶瓷、PZT压电膜、磁致伸縮或是任意经MEMS加工的各类能将电能转变为机 械振动的材料。
3、 根据权利要求1和权利要求2所述的阵列式微型声频定向换能器，其特征在于，所述 的换能器单元辐射面可以为平面，也可以为凹弧面或凸弧面。
4、 根据权利要求1和权利要求2所述的阵列式微型声频定向换能器，其特征在于，其有 效工作面积在lmn]2至1万咖2之间，换能器阵列单元的外部形状可以是圆形、椭圆形、椭圆 曲面形、矩形，三角形，还可以是一个长条形振动单元或是环形振动单元。
5、 根据权利要求l所述的阵列式微型声频定向换能器，其特征在于，所述的阵列单元的 个数在2个至1000个之间。
6、 根据权利要求l所述的阵列式微型声频定向换能器，其特征在于，换能器单元电极之 间连接，可以是并联、串联或串并混合连接。
7、 根据权利要求l所述的阵列式微型声频定向换能器，其特征在于，所述的换能器阵列 的外部形状可以是圆形、菱形、多边形、圆环形、方形、锥形或者为半球形。
8、 根据权利要求l所述的阵列式微型声频定向换能器，其特征在于，所述的阵列单元的 谐振频率在20kHz 500kHz之间。
9、 根据权利要求1和7所述的阵列单元的弧形辐射材料的中心点之间的距离，其特征在 于，其距离小于阵列单元的谐振频率所对应的超声波的半波长。
10、 根据权利要求1所述阵列式微型声频定向换能器的阵列单元，其特征在于，所采用 的阵列单元可以为同种单元或者是采用不同的单元。
全文摘要
阵列式微型声频定向换能器，属于超声技术领域，特别涉及换能器技术领域。它通过将多个微型换能器单元均匀或非均匀的排列在一个支撑框上，用于发射被可听声信号调制的超声波，超声波在空气中自解调，产生具有高指向性的可听声。所采用换能器单元由四部分组成上电极、下电极、辐射材料和底座。支撑框表面镀有正负电极，连接所有换能器单元的正负极。阵列式微型声频定向换能器的单元个数可以根据指向性、声压级等参数的要求而改变，具有机电转换效率高、指向性强、稳定性好、阵列结构多变等特点。
文档编号H04R17/00GK101583062SQ20091005977
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者徐利梅, 李学生, 祎 王, 耿云龙, 许亮锋 申请人:电子科技大学