超声波传感器及扬声器制造技术

本发明专利技术涉及一种超声波传感器及扬声器，尤其是一种压电陶瓷超声波传感器及使用这类传感器实现声波定向传播的扬声系统。该超声波传感器，包括上电极层、压电陶瓷层、下电极层和基体；基体包含很多基体空腔及基体薄膜单元；压电陶瓷与基体薄膜单元一起形成超声波振子，在驱动信号作用下，振子产生纵向弯曲运动并通过空气媒介进一步产生超声波。该超声波扬声器，包括信号处理模块和驱动器及超声波传感器，信号处理模块把音频信号调制到超声波频率范围，超声波传感器采用前述的超声波传感器。其有益效果是传感器指向性高、失真小、成本低、转换效率高、适于批量制造。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超声波传感器及扬声器，尤其是一种压电陶瓷超声波传感 器及使用这类传感器实现声波定向传播的扬声系统。
技术介绍
传统的扬声系统通常利用电磁力驱动锥型盆产生活塞运动，与空气直接耦 合发出声音，这类扬声器所发出的声波是多向传播的。根据声学理论，频率大于20千赫(kHz)的超声波具有较高的指向性，而且随着频率的进一歩提高，指 向性更强；声压超过一定门限(例如120分贝)的声波在传播时，会与传播媒介 (例如空气)产生非线性交互作用，导致谐波成分的出现；另外，两种基波(例如/， /2)在空气中的非线性交互作用，会产生(/;-/2)及(;;+/2)两个新的分 量。运用这些理论， 一些人着手研究声音定向技术及相关的扬声系统，例如，Yoncyama， Kamakura, K腦amo1:o， Aoki禾口 Ikegaya发表了一篇论文，The Audio Spotlight: An application of nonlinear interaction of sound waves to a new type of loudspeaker design, J. Acoust. Soc. Am. 73 (5), May 1983: ppl532-1536。这篇论文描述了一个超声波传感器阵列，由547个独立的商品化 压电陶瓷超声波传感器单元组成，这类单元的共振频率大约为40千赫，其商业 用途多为测距应用；在Yoneyama等人的论文中，调幅信号驱动传感器产生混频 超声波(20千赫 60千赫)，在空气中干涉解调出普通的声波；虽然这个超声 波扬声器能实现一定程度的声音定向传播，但与指向性好、转换效率高、失真小的实用化目标有很大的距离。原因是(1)独立的传感器单元间存在相位及 幅度差别，声音扭曲严重、电声转换效率低；(2)制造及装配工艺复杂；(3) 系统极其庞大、造价高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种超声波传感器及扬声器。本专利技术所采用的技术方案是超声波传感器，拥有一体化的块体压电陶瓷 薄膜结构，包括具有一定模式的上电极层、压电陶瓷层、下电极层和基体；所 述的基体包含很多空腔及基体薄膜单元，基体薄膜单元与压电陶瓷一起形成超 声波振子，在驱动信号作用下，振子产生纵向弯曲运动并通过空气媒介进一步 产生超声波。一种适于超声波传感器批量生产的制造方法，包含基体空腔及基体薄膜单 元振列形成、 一体化的块体压电陶瓷片与基体粘结、块体压电陶瓷片减薄、传 感器上电极层及电极模式形成、空腔封装几个环节；其特征在于通过一体化的 块体压电陶瓷粘结、化学机械抛光减薄工艺获取压电陶瓷薄膜；所述的压电陶 瓷薄膜与基体薄膜一起形成超声波振子。一种超声波扬声器包括信号处理模块、驱动器及前述的超声波传感器；所 述的信号处理模块把音频信号(20赫兹 20千赫)调制到大于40千赫的频率 范围；所述的调制方式采用频率及相位混合调制。本专利技术的传感器指向性高、失真小、成本低、转换效率高、适于批量制造。 附图说明图l (A)是本专利技术所述的超声波传感器三维示意图。 图l (B)是本专利技术所述的超声波传感器截面示意图。图中ll是传感器单元，12是上电极层，13是压电陶瓷层，14是下电极层带，15是基体，16是后盖，17是基体空腔，18是基体薄膜单元。 图2是本专利技术所述的超声波传感器制造工艺流程图。 图中21是块体压电陶瓷片，22是它的上电极，23是它的下电极。 图3是利用本专利技术所述的超声波传感器形成的超声波扬声系统。 图中31是信号处理模块，32是驱动器，33是混频超声波信号。具体实施例方式如图1所示，本专利技术所述的超声波传感器1是一个包含25个传感器单元11 的一体化阵列。对于实际的超声波传感器而言，可以有更多的单元数量，并且 单元的形状可以是圆形、方形以及其他形状，单元的排列可以是规则的矩阵形 式，也可以通过紧凑的蜂窝架构方式排列在一起。传感器结构由上电极层12、 压电陶瓷层13、下电极层14、基体15、后盖16组成。每一个传感器单元11有 一个卜.电极，所有的上电极连接在一起，形成独特的电极模式，做为传感器的 一个输入端子，而一体化的下电极层14做为传感器的另一个输入端子。压电陶 瓷层13是一体化的结构，它不同于传统的由独立压电陶瓷单元组成的超声波传 感器阵列。另外，压电陶瓷层13由块体压电陶瓷薄膜形成，它不同于已公开的 基于半导体或MEMS工艺的沉积或溅射压电陶瓷薄膜，半导体或MEMS沉积溅射 工艺的缺点是(1)压电薄膜需要经过热处理(大于500°C)、极化才能呈现出 压电效应，这样高的温度会诱导很多应力，从而影响器件的可靠性及性能；(2) 沉积过程复杂，为了增加压电薄膜的厚度(大于1.5微米)，往往要多次重复沉 积、热处理这个过程，因此，想得到均匀的、无裂纹的压电薄膜并不是一件容 易之事。基体15包含空腔17，空腔顶部是基体薄膜单元18，底部被后盖16封 住。压电陶瓷晶片粘接到基体薄膜单元18上，形成超声波振子，在驱动信号作用下，振子产生纵向弯曲运动并通过空气媒介进一步产生超声波。传感器的共 振频率可以通过压电薄膜厚度、基体薄膜厚度、基体空腔大小进行调解，形成频率高于40千赫、带宽可调、电声转换效率高的各类超声波传感器。图2是本专利技术所述的超声波传感器制造方法及工艺流程，主要包含的步骤 为(1)基体15胚料准备。基体材料可以是金属，最好是钢材或铝材，也可以 是塑料或半导体硅；(2)基体空腔17形成。可通过各类切削加工或适于批量制 造的冲jJi加工制造金属类的基体空腔单元，可通过注塑成型或气体辅助注塑成 型制造塑料类的基体空腔单元，可通过MEMS腐蚀工艺制造半岛体类的基体4、:腔 单元；(3)块体压电陶瓷片21与基体的粘结。本专利技术采用商品化的块体压电陶 瓷片21 (厚度范围100微米 500微米)，这些陶瓷片可靠性高、性能好(压 电转换系数高)，粘结到基体上后，无需任何材料热处理。商品化的块体压电陶 瓷片21通常包含上电极22及下电极23，电极材料通常为导电性能良好的金属， 例如铂、铜、铝、钛及其合金。粘结层很薄，这里没有显示；(4)块体压电 陶瓷片21减薄。为了提高振动幅度及传感器电声转换效率，厚的块体压电陶瓷 需要被减薄。本专利技术采用化学机械抛光工艺精确、有效控制陶瓷片的厚度，形 成最终的功能压电传感器薄膜13; (5)传感器上电极层12及电极模式形成。减 薄的压电陶瓷薄膜表面被进一步溅射形成新的电极层及电极模式；(6)空腔封 装。为了防止超声波双向传播及提高电声转换效率， 一个后盖16被粘结到基体 上，形成封闭的传感器背面空腔。空腔可以包含空气，也可以是真空。 一个具 有真空后腔的传感器，其电声转换效率被近一步改善。图3是本专利技术所述的超声波扬声器3，主要包含信号处理模块31、驱动器 32及前面所述的超声波传感器1;所述的信号处理模块把音频信号(20赫兹 20千赫)调制到超声频率范围(大于40千赫)；所述的调制方式采用频率及相位混合调制。超声波电信号通过高压驱动器32驱动传感器1发射具有较高指向性的混 频超声波信号33，这些信号在空气传播中逐渐解调出的可听声波也因之具有方 向性，实现声波定向传播。在其他已公开的超声波扬声器中，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波传感器，包括上电极层（１２）、压电陶瓷层（１３）、下电极层（１４）和基体（１５）；所述的基体包含很多基体空腔及基体薄膜单元；所述的压电陶瓷与基体薄膜单元一起形成超声波振子，在驱动信号作用下，振子产生纵向弯曲运动并通过空气媒介进一步产生超声波。

【技术特征摘要】
1. 一种超声波传感器，包括上电极层(12)、压电陶瓷层(13)、下电极层(14)和基体(15)；所述的基体包含很多基体空腔及基体薄膜单元；所述的压电陶瓷与基体薄膜单元一起形成超声波振子，在驱动信号作用下，振子产生纵向弯曲运动并通过空气媒介进一步产生超声波。2. 如权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于压电陶瓷层(13)是 一体化的块体压电陶瓷薄膜。3. 超声波传感器制造工艺流程，包括基体空腔及基体薄膜单元振列形成、一体化的块体压电陶瓷片与基体粘结、块体压电陶瓷片减薄、传感器上电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁继才，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]