超宽频声波及超声波换能器制造技术

本发明专利技术提供用于声波及超声波产生及接收的横向宽度模式。该横向宽度模式可与传统纵向或横向模式组合，以制成多个共振模式、宽频耦合模式或其组合的声波及超声波换能器及/或阵列。由于该横向宽度模式的半波长共振性质，当其设计为利用适合顶置块体及/或匹配层操作时，可实现中等至高声压位准的超宽频换能器。利用具有低的横向声速的有源材料，每个换能器元件的横向尺寸可保持为约或小于声音于水及人体组织中的波长的一半，从而使得横向宽度模式高度适合于各种阵列设计及操作。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及压电换能器，确切言之，本专利技术涉及用于声波及超声波产生、发射及接收的压电换能器的阵列。
技术介绍
用于声波及超声波产生的现代换能器阵列由相同或大致相同的发射元件的有序布置组成，该发射元件设计为以纵向模式或横向模式操作。在可能的情況下，单个换能器的侧向或横向尺寸选择为大约等于或小于设计频率的声波于介质中的波长的一半(λm/2)，以产生高声强的主声束同时避免栅瓣。另外，经由波束成形和/或束影技术保持低的侧瓣的强度。图1展示在用于水下成像目的的侧扫或合成孔径声纳中使用的此种发射阵列100的实例，其中离散矩形元件102在纵向方向及交叉方向上间隔分开约λm/2，其中λm为设计中心频率的声波或超声波在水中的波长。在阵列中使用离散换能器元件102允许主声束经由元件相控技术电子地操纵。对阵列中元件距离的控制在此种应用中是重要的。图2例示Saitoh等人于“Forty-channel phased array ultrasonic probe using 0.91Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.09PbTiO3single crystal”中报道的在医学成像中用于超声波发射及接收的1D相控陈列医学换能器200的实例。阵列200示范在纵向方向上间隔分开约λm/2的离散裂片元件，其中λm为设计中心频率的超声波于人体组织中的波长。在此种裝置中，顶部电极面210及底部电极面212分別粘结至压电有源材料204上，该压电有源材料又粘结至背衬材料214上，同时声匹配层206粘结至顶部电极层210上。随后将有源材料204连同顶部电极层210及匹配层206一起切块成离散裂片元件。最后，将声透镜208置放于声匹配层206上，如图所示。类似换能器阵列亦用于声波及超声波接收。虽然对此种接收阵列而言以偏离共振模式操作为常见的，但其对频率相当于构成元件在接收模式中的共振频率的声波展现增强的接收敏感度。现代超声波发射元件由镐钛酸铅(PbZr0.52Ti0.48O3或PZT)多晶陶瓷驱动。对直接驱动的无活塞发射元件而言，常用矩形、杆状或管状陶瓷。此种陶瓷跨于两个相对面极化，该相对面充当参与所要压电性质的电极。通常地，此极化方向指定为3-方向。在纵向(33)模式操作中，有源材料沿极化(3-)方向激活，该极化(3-)方向也是声束方向。以纵向(33)模式操作的换能器元件300的实例提供于图3中。在此图中，有源元件302设置有背衬材料304。背衬材料304是软的高阻尼背衬材料，其在使用短脉冲长度信号时具有减小有源元件302的振铃的效应，以为了改良的轴向解析度。其也有助于以声功率为代价加宽换能器300的带宽。有源元件302的阴影顶面306及与顶面306相对的底面308充当电极。在此种设计中，在激活方向中的有源材料302典型地具有半波长(λc/2)的尺寸，其中λc＝v33D/f，v33D为陶瓷或单晶有源材料沿激活的纵向(3-)方向的声速；f为所要声频；D指示有源材料302处于恒定电位移的状态下。在通常的横向(31)模式操作中，有源材料在两个侧向或横向方向的一个中共振激发，该方向也为声束方向。以横向模式操作的换能器元件400的实例提供于图4中。在此图中，有源元件402的阴影侧面404及与侧面404相对的面(图中未展示)充当电极。重尾块体用作背衬材料406，其有助于将声功率朝向前方方向投射。在此种设计中，在激活方向中的有源材料402典型地具有四分之一波长(λc/4)的尺寸。有源元件402中的相关声速是沿激活的横向(1-)方向，指定为v11E(或v22E)，其中下标“1”(或“2”)指示激活方向为两个可能的横向方向中的1-(或2-)，且上标“E”指示有源元件402在此状况下处于恒定电场的状态下。在以上所述的纵向模式或横向模式中操作的换能器的设计中，有源元件302或402的四个侧面可利用软和高阻尼材料屏蔽传播介质，以确保有源元件不会不当地受侧向约束，且以预期模式自由振动或者共振，且实现在预期声学方向上的声波传播。为了清晰性原因，图3及图4未展示应力/压力释放材料、外壳以及连接至电极表面的导线。多晶PZT陶瓷及其掺杂衍生物为截止目前用于超声波换能器及阵列的最流行有源材料，具有比横向性质(d31及k31值)更加优异的纵向压电性质(d33及k33值)，其中d及k分别为压电应变系数及机电耦合因数；第一下标3指示施加的电场在“3”-或极化方向上，且第二下标指示用于纵向致动的激活方向-“3”及用于横向致动的“1”或“2”。例如，对典型PZT陶瓷而言，对纵向模式d33＝300-600pC/N且k33＝0.6-0.7，而对横向模式d31＝150-300pC/N且k31＝0.34-0.40。相较于纵向性质，横向性质并不利于有效声波及超声波产生。此外，在纵向方向及横向方向中的(典型地>2000m/s)的声速远高于在水和人体组织中的声速。基于PZT的陶瓷的高声速及次等横向性质使得纵向模式换能器及阵列比横向模式换能器及阵列更流行地用于适于水下及/或医学应用的声波及超声波产生。横向模式换能器阵列在医学领域中明显的低流行度的另一原因是涉及通过已确立自动化切块操作制造此种阵列的困难。电极在两个横向面上的沉积及其布线对此种阵列构造而言是有问题的。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术目的之一为克服或至少实质上改善先前技术的缺点及不足。本专利技术目的之一为激发优选地呈矩形形状的有源元件以在两个正交横向方向中的一个中共振，以使得其在纵向方向或另一横向方向中产生声波。此种特定操作模式在下文称为“横向宽度模式”模式。本专利技术目的之一也是提供声波或超声波发射元件及其阵列，其经由横向宽度模式操作，该横向宽度模式使用基于弛缓体的铁电/压电单晶。本专利技术目的之一进一步为，在引入声波的频率与换能器元件在接收模式中的横向宽度模式共振重合时，以增强的接收敏感度使用用于声波及超声波接收的相同元件及阵列。本专利技术目的之一为提供换能器，其设计以下列模式操作：单一横向宽度模式；或双重或三重频率模式，其共振模式的至少一者为横向宽度模式；或宽频耦合模式，其基本模式的至少一者为横向宽度模式；或其他衍生形式，诸如利用适合顶置块体、匹配及/或透镜层的情况。本专利技术目的之一进一步为在水下、医学及工业领域的声波及超声波产生及接收中利用横向宽度模式。
技术实现思路
本专利技术的目的通过以下方式实现：提供压电换能器的称为横向宽度模式的新操作模式，以用于声波及超声波产生及接收。根据本专利技术的实施例，换能器包括有源元件，其以两个相对面为电极且跨于该等电极面受极化，以使得当该有源元件设定成在横向于该极化方向的方向上共振时，以相对与该有源元件的共振横向或宽度方向成直角产生声束，以使得该声束方向为该极化方向或另一横向方向中的一个。根据本专利技术之一实施例，该有源元件包括具有相同或相当尺寸及截片、具有矩形形状或适当地在至少一个维度上的锥形剖面的单件有源材料或多个有源材料，该等有源材料以并联、串联、部分并联或部分串联配置中的一种电耦合。根据本专利技术之另一实施例，该有源材料在受激活横向方向中以半波长共振模式激发。根据本专利技术之另一实施例，该换能器包括背衬元件，其粘结至与该有源元件的声波发射面相对的面上。该背衬元件可为重尾块体或软的高阻尼背衬材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种换能器，其包含：有源元件，其以两个相对面为电极且跨于电极面受极化，其中，当所述有源元件设定成在横向于极化方向的方向上共振时，产生了相对于所述有源元件的共振横向或宽度方向成直角的声束，其中，声束方向包含所述极化方向或另一横向方向中的一个。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种换能器，其包含：有源元件，其以两个相对面为电极且跨于电极面受极化，其中，当所述有源元件设定成在横向于极化方向的方向上共振时，产生了相对于所述有源元件的共振横向或宽度方向成直角的声束，其中，声束方向包含所述极化方向或另一横向方向中的一个。2.根据权利要求1所述的换能器，其中，所述有源元件包含矩形形状的单件有源材料。3.根据权利要求1所述的换能器，其中，所述有源元件包含在至少一个维度中具有一锥形形状的单件有源材料。4.根据权利要求1所述的换能器，其中，所述有源元件包含以下至少一个的多种有源材料：相同矩形形状、具有稍微不同尺寸的矩形形状，或在至少一个维度中的锥形剖面，所述有源材料以并联、串联、部分并联或部分串联配置中的一种电耦合。5.根据权利要求1至4中任一项所述的换能器，其中，所述有源材料在受激活横向方向中以半波长共振模式激发。6.根据权利要求1至5中任一项所述的换能器，其进一步包含背衬元件，其粘结至与所述有源元件的声波发射面相对的面上。7.根据权利要求6所述的换能器，其中，该背衬元件包含重尾块体或软的高阻尼背衬材料中的一个以适合所要的应用。8.根据权利要求1至7中任一项所述的换能器，其中，所述换能器包含直接驱动的无活塞设计。9.根据权利要求1至7中任一项所述的换能器，其进一步包含刚性或挠曲类型的顶置块体以适合所要的应用。10.根据权利要求1至9中任一项所述的换能器，其进一步包含至少一个匹配层，其附接至所述有源元件的声波发射面。11.根据权利要求10所述的换能器，其进一步包含至少一个透镜层，其设置于所述匹配层的顶部上以适合所要的应用。12.根据权利要求1至11中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件在两个横向方向中的至少一个中具有d31(或d32)≥400pC/N且k31(或k32)≥0.60的横向压电性质，其中d31、d32为相关联的横向压电应变系数，且k31、k32为相关联的机电耦合因数。13.根据权利要求1至11中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件包含以下一个或多个的二元、三元及高阶固溶体的基于弛缓体的铁电或压电单晶的适合截片：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，包括其改质及/或掺杂衍生物。14.根据权利要求1至11中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件包含[0-11]1x[100]2x[011]3截片的[011]3-极化单晶，其中[011]3为纵向方向，且[0-11]1及[100]2为两个侧向或横向方向。15.根据权利要求1至11中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件包含[110]1x[1-10]2x[001]3截片的[001]3-极化单晶，其中[001]3为纵向方向，且[110]1及[1-10]2为两个结晶学上等效的侧向或横向方向。16.根据权利要求1至11中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件包含适合截片和极化的纹理化压电陶瓷，其在两个横向方向中至少一个中具有d31(或d32)≥400pC/N且k31(或k32)≥0.60的横向压电性质，其中d31、d32为相关联的横向压电应变系数，且k31、k32为相关联的机电耦合因数。17.根据权利要求1至11中任一项所述的换能器，其中，所述有源元件包含压电单晶及纹理化多晶陶瓷的组成物及截片，其在两个横向方向中至少一个中具有d31(或d32)≥400pC/N且k31(或k32)≥0.60的横向压电性质，其中d31、d32为相关联的横向压电应变系数，且k31、k32为相关联的机电耦合因数。18.根据权利要求1至11中任一项所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张双捷，林殿桦，
申请(专利权)人：晶致材料科技私人有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG