CN111136001B - 机械槽增强型差分式压电超声换能器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种机械槽增强型差分式压电超声换能器及其工作方法。该超声换能器，包括超声换能器本体，超声换能器本体包括底部设有空腔的基底层、固设于该基底层上的停止层以及自基底层往停止层方向依次设置的弹性层、底电极、压电层，压电层上设有顶部内电极，顶部内电极外周环绕设置有顶部外电极，顶部内电极与顶部外电极之间设有机械槽组，该机械槽组的开口朝向压电层方向。该超声换能器结构简单，顶部内电极和顶部外电极这种差分式电极设计使得该超声换能器能工作在差分式电极工作模式下，此模式的理想状态下的信号将会双倍增强于单电极工作模式，同时机械槽的设计也可增强超声换能器的输出信号、敏感信号，进而提高了其传感灵敏度。

Description

机械槽增强型差分式压电超声换能器及其工作方法

技术领域

本发明涉及超声检测技术领域，具体涉及一种应用于距离测量、手势识别、液体流速及流量测量等领域的机械槽增强型差分式压电超声换能器及其工作方法。

背景技术

超声检测(传感)技术作为声学传感技术的一种，是指利用超声波的较好的方向性、较强的指向性以及较小的衰减性等特性对距离、流速、流量等物理参数进行检测的技术。压电超声换能器作为高端超声检测仪器的核心部件，是一种利用正压电效应和逆压电效应进行声-电和电-声转换的能量转换型器件。当压电超声换能器作为发射端时，其发出的超声波在介质中进行传播时，由于介质中的物理环境变化(如在空气中的传播距离、在固体中的传播距离、液体介质的流速、液体介质的流量等)。因此可以通过测量便宜测量的电学量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。

目前在超声换能器领域，存在输出信号小、敏感信号弱、灵敏度低、制造性差和无法大规模阵列化等问题。在超声换能器件的使用过程中，敏感信号是一个非常重要的性能指标，敏感信号的强弱直接关系着超声检测器件的灵敏度的大小，而灵敏度的大小直接关系着超声检测器件的检测水平，是检测仪器十分重要的静态指标。输出信号小，敏感信号弱，灵敏度小将使得超声换能器芯片无法正常使用，无法发挥性能作用，更加不能进行大规模的推广应用。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种机械槽增强型差分式压电超声换能器及其工作方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种机械槽增强型差分式压电超声换能器，包括超声换能器本体，所述超声换能器本体包括底部设有空腔的基底层、固设于该基底层上的停止层以及自所述基底层往停止层方向依次设置的弹性层、底电极、压电层，所述压电层上设有顶部内电极，所述顶部内电极外周环绕设置有顶部外电极，所述顶部内电极与顶部外电极之间设有机械槽组，该机械槽组的开口朝向压电层方向。

该超声换能器结构简单，顶部内电极和顶部外电极这种差分式电极设计使得该超声换能器能工作在差分式电极工作模式下，此模式的理想状态下的信号将会双倍增强于单电极工作模式，同时机械槽的设计也可增强超声换能器的输出信号、敏感信号，进而提高了其传感灵敏度。

该机械槽增强型差分式压电超声换能器的优选方案：所述机械槽组包括第一机械槽组和第二机械槽组，所述第一机械槽组宽度不小于第二机械槽组宽度。

所述第一机械槽组包括四个第一机械槽体，所述第一机械槽体均匀分布且圆形环绕于超声换能器本体中心；

所述第二机械槽组包括四个第二机械槽体，所述第二机械槽体均匀分布且圆形环绕于超声换能器本体中心；

所述第一机械槽体底部开设所述第二机械槽体，且两者一一对应设置。

四个第一机械槽体和四个第二机械槽体均能影响超声换能器的振动情况，可增大差分式压电超声换能器的输出信号、敏感信号，进而增大差分式压电超声换能器的灵敏度。

本发明还提出了一种机械槽增强型差分式压电超声换能器工作方法，该超声换能器的工作模式包括发射模式和接收模式；

当该超声换能器工作于发射模式时，超声换能器发射声波，对顶部内电极和顶部外电极施加电信号，超声换能器的底电极接地，压电层的逆压电效应的激发压电层弯曲振动，并带动整个超声换能器的自由活动部分在相同方向上发生振动，通过超声换能器的振动对外产生超声声波信号；

当该超声换能器工作于接收模式时，通过控制切换超声换能器从信号发射状态至信号接收状态，进行超声声波的接收，超声换能器通过压电层敏感声波，并通过压电层的正压电效应将接收到的声波信号转换为电信号。

该工作方法使得该超声换能器可工作于发射模式、接收模式下，当超声换能器处于发射模式时可以有效地增加输出声压级；当处于接收模式时，可以有效增加输出的电荷/电压，提高芯片对声波的灵敏度。

该超声换能器在发射模式和接收模式下均可进行差分式电极工作模式；

当该超声换能器工作于发射模式下的差分式电极工作模式时，超声换能器发射声波，对顶部内电极和顶部外电极分别施加相同频率且相位相差180°的正弦信号。此工作方式的超声波信号输出将两倍增强于单电极工作模式下的超声波信号输出。

当该超声换能器工作于接收模式下的差分式电极工作模式时，超声换能器接收超声声波，并将其转换为电信号，顶部内电极和顶部外电极将同时作为电信号输出端。此工作方式的电信号输出将两倍增强于单电极工作模式下的电信号输出。

该超声换能器工作于发射模式或接收模式下的差分式电极工作模式时，均可2倍增加输出信号的强度，即能够2倍提高传感灵敏度。

该超声换能器还包括单电极工作模式，即仅有顶部内电极工作模式或仅有顶部外电极工作模式；

当超声换能器只工作于顶部外电极时，所述超声换能器工作在发射模式时只有顶部外电极被施加电场，工作在接收模式时也只有顶部外电极作为信号输出电极；所述顶部内电极不外接任何电路或全部接地；

当超声换能器只工作于顶部内电极时，所述超声换能器工作在发射模式时只有顶部内电极被施加电场，工作在接收模式时也只有顶部内电极作为信号输出电极；所述顶部外电极不外接任何电路或全部接地。

本发明的有益效果是：本发明采用机械槽输出增大型的设计方式，并结合大小机械槽(第一机械槽体和第二机械槽体)的均匀间距圆形对称式布局，且对应位置的大小机械槽彼此接触，形成梯形(或非梯形)，达到增大输出信号、增强敏感信号、增大灵敏度的目的；同时本发明可采用新型微型加工技术，使得超声换能器可以产品级生产制备，进而达到大规模阵列化，提高应用能力和应用范围，最后达到大规模推广应用。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本机械槽增强型差分式压电超声换能器的俯视示意图；

图2是沿图1中A-A’的第一种剖视图；

图3是沿图1中A-A’的第二种剖视图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1至图3所示，本发明提供了一种机械槽增强型差分式压电超声换能器，包括超声换能器本体，所述超声换能器本体包括底部设有空腔3的基底层 16、固设于该基底层16上的停止层17以及自所述基底层16往停止层17方向依次设置的弹性层18、底电极19、压电层20，基底层16的底部设置于一固定板21上。所述压电层20上设有顶部内电极1，所述顶部内电极1外周环绕设置有顶部外电极2，所述顶部内电极1与顶部外电极2之间设有机械槽组，该机械槽组的开口朝向压电层20方向。

本实施例中，基底层16底部的空腔3贯穿或不贯穿基底层16，空腔3可通过刻蚀基底层16得到，具体的，当空腔3贯穿基底层16时，如图3所示，将基底层16底部全部刻蚀成圆形空腔3，只保留顶部内电极1、顶部外电极2、压电层20、底电极19、弹性层18、停止层17，弹性层18和停止层17组成支撑层，可以提高该超声换能器的灵敏度等性能；当空腔3不贯穿基底层16时，如图2所示，在基底层16顶部形成一层薄膜辅助支撑，此时基底层16顶部上的薄膜、停止层17和弹性层18组成支撑层，这有利于提高成品率，同时也提高器件的耐性，增强该超声换能器在外界破坏作用下的生存能力。

本实施例中，机械槽组底部位于压电层20与空腔3之间，即机械槽组的深度最浅可至压电层20，最深可穿透至空腔3。

本实施例的优选方案，机械槽组包括第一机械槽组和第二机械槽组，所述第一机械槽组宽度不小于第二机械槽组宽度。

所述第一机械槽组包括四个第一机械槽体8，四个第一机械槽体8结构相同，所述第一机械槽体8均匀分布且圆形环绕于超声换能器本体中心；所述第二机械槽组包括四个第二机械槽体12，四个第二机械槽体12结构相同，所述第二机械槽体12均匀分布且圆形环绕于超声换能器本体中心；所述第一机械槽体8底部开设所述第二机械槽体12，且两者一一对应设置。

具体的，如图1所示，在XY平面上，四个第一机械槽体8位于顶部内电极1与顶部外电极2的之间，优选为中间处，且以相同间距圆形环绕于顶部内电极1中心(其中一个第一机械槽体8位于超声换能器本体右上方处，其余3 个第一机械槽体8以相同的间距圆形环绕于超声换能器本体中心，四个第一机械槽体8每相邻两个之间的间距均相同，四个第一机械槽体8中每相邻两个第一机械槽体8旋转90°(顺时针、逆时针均可)可重合)。四个第二机械槽体 12位于顶部内电极1与顶部外电极2之间，优选为中间位置，且以相同间距圆形环绕于顶部内电极1中心(其中一个第二机械槽体12位于超声换能器本体右上方处，其余3个第二机械槽体12以相同的间距圆形环绕于超声换能器本体中心，四个第二机械槽体12中每相邻两个之间的间距均相同，四个第二机械槽体12中每相邻两个第二机械槽体12旋转90°(顺时针、逆时针均可) 可重合)。四个第一机械槽体8平面形状为以器件中心为圆心的圆环段，四个第二机械槽体12平面形状为以器件中心为圆心的圆环段且圆环宽度不大于第一机械槽体8；第一机械槽体8、第二机械槽体12的形状均为圆环段空腔。当第二机械槽体12的圆环宽度小于第一机械槽体8的圆环宽度时，形成阶梯剖 22的截面情况，具体如图2所示。

由上述描述可知，一一对应的第一机械槽体8和第二机械槽体12在XY平面上的中心坐标相同，在Z方向上相互接触，在Z方向上坐标可不同或相同，可在Z方向上形成如图2所示的梯度或没有梯度。当一一对应的第一机械槽体 8和第二机械槽体12在Z方向上中心坐标相同且不形成梯度时，对第一机械槽体8和第二机械槽体12不再进行区分，为同一机械槽。

需要说明的是XY平面即压电层20所在平面，Z方向即为基底层16往压电层20方向。

优选的，第一机械槽体8和第二机械槽体12均可通过刻蚀得到，第一机械槽体8的底部位于弹性层18之上，第二机械槽体12的底部位于停止层17 之上。具体的，四个第一机械槽体8结构相同，均从压电层20往下进行刻蚀，共刻蚀两层，包括压电层20和底电极19，刻蚀到弹性层18即停止刻蚀；四个第二机械槽体12结构相同，均从弹性层18开始刻蚀，共刻蚀一层，包括弹性层18，刻蚀到停止层17即停止刻蚀。

将该超声换能器放置于待测声场中(超声换能器的敏感面能够敏感到声压变化，声波传播方向不与超声换能器平行，超声换能器放置时，其正面正对于声波的传播方向为最佳)，声场中的声压变化引起压电层20发生形变，通过压电层20的正压电效应将声波信号变化转化为电信号，产生的电学信号变化将被顶部内电极1、顶部外电极2、底电极19检测到，顶部内电极1和顶部外电极2检测到的电学信号分别通过顶部内电极引出线4、顶部内电极引出接口6、顶部外电极引出线5、顶部外电极引出接口7引出至外部并进行信号的处理和分析。

将所述超声换能器放置于待产生超声波的检测空间中，由超声换能器外部分别通过顶部内电极引出接口6、顶部外电极引出接口7给超声换能器施加一定规律的交变电压，通过压电层20的逆压电效应的作用，使超声换能器发生形变从而振动，在超声换能器表面形成设计的声场及输出声压，同时由于第一机械槽体8和第二机械槽体12的作用，可增强超声换能器的声压输出和输出声压级。

本发明还提出了一种机械槽增强型差分式压电超声换能器工作方法，该超声换能器既可工作于发射模式，也可工作于接收模式。

当该超声换能器工作于发射模式时，超声换能器发射声波，对顶部内电极 1和顶部外电极2分别施加电信号，超声换能器的底电极19接地，利用压电层20的逆压电效应的激发压电层20在Z方向上的弯曲振动，并带动整个超声换能器的自由活动部分在相同方向(Z方向)上发生振动，通过超声换能器的振动对外产生一定频率的超声声波信号；

当该超声换能器工作于接收模式时，通过控制切换超声换能器从信号发射状态至信号接收状态，从而进行超声声波的接收，超声换能器通过压电层20 敏感声波，并通过压电层20的正压电效应将接收到的声波信号转换为电信号；

该超声换能器在发射模式和接收模式下均可进行差分式电极工作模式。当该超声换能器工作于发射模式下的差分式电极工作模式时，超声换能器发射声波，对顶部内电极1和顶部外电极2分别施加不同的交变电信号(即一定频率、相位相差180°的正弦信号)。本发明的机械槽增强型差分式压电超声换能器的一种利用实施例中，可采用一个频率一定的标准正弦信号a施加于顶部外电极引出接口7，而在顶部内电极引出接口6施加与标准正弦信号a相位相差180°的标准正弦信号b，由此使超声换能器工作在差分式电极工作模式下，增加输出信号的强度。

当该超声换能器工作于接收模式下的差分式电极工作模式时，超声换能器接收超声声波，通过压电层的正压电效应将声波信号转化为电信号，顶部内电极和顶部外电极将同时作为电信号输出端。

由于机械槽组的设计，当超声换能器处于声波发射状态时，即发射模式时，可以有效地增加输出声压级；当处于声波敏感(接受)状态时，即接收模式时，可以有效增加输出的电荷/电压，提高超声换能器对声波的灵敏度。同时由于差分式电极的设计，可以使超声换能器工作在差分式电极工作模式下，此工作方式理想状态下的信号将会双倍增强于单电极工作模式，故本专利机械槽增强型差分式压电超声换能器能够提高传感灵敏度。

该超声换能器还可工作于单电极工作模式下，即仅有顶部内电极1工作或顶仅有顶部外电极2工作。

当超声换能器只工作于顶部外电极2时：超声换能器工作在发射模式时只有顶部外电极2被施加电场，工作在接收模式时也只有顶部外电极2作为信号输出电极，具体的，超声换能器的顶部外电极2通过顶外电极引出线5和顶部外电极引出接口7与超声换能器外部进行电学连接，可以作为接收端检测声波声压用，也可以作为发射端产生超声波使用；超声换能器的顶部内电极1不外接任何电路或全部接地，具体的，超声换能器的顶部内电极1可通过顶部内电极引出接口6作接地处理。

当超声换能器只工作于顶部内电极1时：超声换能器工作在发射模式时只有顶部内电极1被施加电场，工作在接收模式时也只有顶部内电极1作为信号输出电极，具体的，超声换能器的顶部内电极1通过超声换能器的顶部内电极引出线4和顶部内电极引出接口6与超声换能器外部进行电学连接，可以作检测声波声压用，也可以作为产生超声波使用；超声换能器的顶部外电极2不外接任何电路或全部接地，具体的，顶部外电极2可通过顶部外电极引出接口7 作接地处理。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种机械槽增强型差分式压电超声换能器，其特征在于，包括超声换能器本体，所述超声换能器本体包括底部设有空腔的基底层、固设于该基底层上的停止层以及自所述基底层往停止层方向依次设置的弹性层、底电极、压电层，所述压电层上设有顶部内电极，所述顶部内电极外周环绕设置有顶部外电极，所述顶部内电极与顶部外电极之间设有机械槽组，该机械槽组的开口朝向压电层方向;

所述机械槽组包括第一机械槽组和第二机械槽组，所述第一机械槽组宽度不小于第二机械槽组宽度;

所述第一机械槽组包括四个第一机械槽体，所述第一机械槽体均匀分布且圆形环绕于超声换能器本体中心；所述第二机械槽组包括四个第二机械槽体，所述第二机械槽体均匀分布且圆形环绕于超声换能器本体中心；所述第一机械槽体底部开设所述第二机械槽体，且两者一一对应设置。

2.根据权利要求1所述的机械槽增强型差分式压电超声换能器，其特征在于，所述机械槽组底部位于压电层与空腔之间。

3.根据权利要求1所述的机械槽增强型差分式压电超声换能器，其特征在于，所述第一机械槽体的底部位于弹性层之上，所述第二机械槽体的底部位于停止层之上。

4.根据权利要求1所述的机械槽增强型差分式压电超声换能器，其特征在于，所述空腔贯穿或不贯穿所述基底层。

5.一种机械槽增强型差分式压电超声换能器工作方法，其特征在于，基于权利要求1-4任一项所述的机械槽增强型差分式压电超声换能器，该超声换能器的工作模式包括发射模式和接收模式；

当该超声换能器工作于发射模式时，超声换能器发射声波，对顶部内电极和顶部外电极施加电信号，超声换能器的底电极接地，压电层的逆压电效应的激发压电层弯曲振动，并带动整个超声换能器的自由活动部分在相同方向上发生振动，通过超声换能器的振动对外产生超声声波信号；

当该超声换能器工作于接收模式时，通过控制切换超声换能器从信号发射状态至信号接收状态，进行超声声波的接收，超声换能器通过压电层敏感声波，并通过压电层的正压电效应将接收到的声波信号转换为电信号。

6.根据权利要求5所述的机械槽增强型差分式压电超声换能器工作方法，其特征在于，在发射模式和接收模式下均可进行差分式电极工作模式；

当该超声换能器工作于发射模式下的差分式电极工作模式时，超声换能器发射声波，对顶部内电极和顶部外电极分别施加相同频率且相位相差180°的正弦信号；

当该超声换能器工作于接收模式下的差分式电极工作模式时，超声换能器接收超声声波，并将其转换为电信号，顶部内电极和顶部外电极同时作为电信号输出端。

7.根据权利要求5所述的机械槽增强型差分式压电超声换能器工作方法，其特征在于，该超声换能器还包括单电极工作模式，即仅有顶部内电极工作模式或仅有顶部外电极工作模式；

当超声换能器只工作于顶部外电极时，所述超声换能器工作在发射模式时只有顶部外电极被施加电场，工作在接收模式时也只有顶部外电极作为信号输出电极；所述顶部内电极不外接任何电路或全部接地；

当超声换能器只工作于顶部内电极时，所述超声换能器工作在发射模式时只有顶部内电极被施加电场，工作在接收模式时也只有顶部内电极作为信号输出电极；所述顶部外电极不外接任何电路或全部接地。