超寬頻聲波及超聲波換能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供用于聲波及超聲波產生及接收的橫向寬度模式。該橫向寬度模式可與傳統(tǒng)縱向或橫向模式組合，以制成多個共振模式、寬頻耦合模式或其組合的聲波及超聲波換能器及/或陣列。由于該橫向寬度模式的半波長共振性質，當其設計為利用適合頂置塊體及/或匹配層操作時，可實現(xiàn)中等至高聲壓位準的超寬頻換能器。利用具有低的橫向聲速的有源材料，每個換能器元件的橫向尺寸可保持為約或小于聲音于水及人體組織中的波長的一半，從而使得橫向寬度模式高度適合于各種陣列設計及操作。
【專利說明】
超寬頻聲波及超聲波換能器
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及壓電換能器，確切言之，本發(fā)明涉及用于聲波及超聲波產生、發(fā)射及接 收的壓電換能器的陣列。
【背景技術】
[0002] 用于聲波及超聲波產生的現(xiàn)代換能器陣列由相同或大致相同的發(fā)射元件的有序 布置組成，該發(fā)射元件設計為以縱向模式或橫向模式操作。在可能的情況下，單個換能器的 側向或橫向尺寸選擇為大約等于或小于設計頻率的聲波于介質中的波長的一半(λ η/2)，以 產生高聲強的主聲束同時避免柵瓣。另外，經由波束成形和/或束影技術保持低的側瓣的強 度。
[0003] 圖1展示在用于水下成像目的的側掃或合成孔徑聲納中使用的此種發(fā)射陣列100 的實例，其中離散矩形元件102在縱向方向及交叉方向上間隔分開約1^2,其中設計中 心頻率的聲波或超聲波在水中的波長。在陣列中使用離散換能器元件102允許主聲束經由 元件相控技術電子地操縱。對陣列中元件距離的控制在此種應用中是重要的。
[0004] 圖2例不Saitoh等人于"Forty-channel phased array ultrasonic probe using 0 · 91Pb(Zm/3Nb2/3)〇3-〇 · 〇9PbTi〇3single crystal"中報道的在醫(yī)學成像中用于超聲波發(fā)射 及接收的1D相控陳列醫(yī)學換能器200的實例。陣列200示范在縱向方向上間隔分開約人^2的 離散裂片元件，其中為設計中心頻率的超聲波于人體組織中的波長。在此種裝置中，頂部 電極面210及底部電極面212分別粘結至壓電有源材料204上，該壓電有源材料又粘結至背 襯材料214上，同時聲匹配層206粘結至頂部電極層210上。隨后將有源材料204連同頂部電 極層210及匹配層206-起切塊成離散裂片元件。最后，將聲透鏡208置放于聲匹配層206上， 如圖所示。
[0005] 類似換能器陣列亦用于聲波及超聲波接收。雖然對此種接收陣列而言以偏離共振 模式操作為常見的，但其對頻率相當于構成元件在接收模式中的共振頻率的聲波展現(xiàn)增強 的接收敏感度。
[0006] 現(xiàn)代超聲波發(fā)射元件由鎬鈦酸鉛(PbZro. 52TiQ.4803或ΡΖΤ)多晶陶瓷驅動。對直接驅 動的無活塞發(fā)射元件而言，常用矩形、桿狀或管狀陶瓷。此種陶瓷跨于兩個相對面極化，該 相對面充當參與所要壓電性質的電極。通常地，此極化方向指定為3-方向。
[0007] 在縱向（33)模式操作中，有源材料沿極化(3_)方向激活，該極化(3_)方向也是聲 束方向。以縱向（33)模式操作的換能器元件300的實例提供于圖3中。在此圖中，有源元件 302設置有背襯材料304。背襯材料304是軟的高阻尼背襯材料，其在使用短脈沖長度信號時 具有減小有源元件302的振鈴的效應，以為了改良的軸向解析度。其也有助于以聲功率為代 價加寬換能器300的帶寬。有源元件302的陰影頂面306及與頂面306相對的底面308充當電 極。在此種設計中，在激活方向中的有源材料302典型地具有半波長〇。/2)的尺寸，其中
[0008] Ac = V33D/f ^
[0009] V33DS陶瓷或單晶有源材料沿激活的縱向（3-)方向的聲速；
[0010] f為所要聲頻；
[0011] D指示有源材料302處于恒定電位移的狀態(tài)下。
[0012] 在通常的橫向（31)模式操作中，有源材料在兩個側向或橫向方向的一個中共振激 發(fā)，該方向也為聲束方向。以橫向模式操作的換能器元件400的實例提供于圖4中。在此圖 中，有源元件402的陰影側面404及與側面404相對的面（圖中未展示)充當電極。重尾塊體用 作背襯材料406，其有助于將聲功率朝向前方方向投射。在此種設計中，在激活方向中的有 源材料402典型地具有四分之一波長(A c/4)的尺寸。有源元件402中的相關聲速是沿激活的 橫向（1-)方向，指定為vnE(或 V22E)，其中下標"Γ (或"2"）指示激活方向為兩個可能的橫向 方向中的1_(或2_)，且上標?"指示有源元件402在此狀況下處于恒定電場的狀態(tài)下。
[0013]在以上所述的縱向模式或橫向模式中操作的換能器的設計中，有源元件302或402 的四個側面可利用軟和高阻尼材料屏蔽傳播介質，以確保有源元件不會不當?shù)厥軅认蚣s 束，且以預期模式自由振動或者共振，且實現(xiàn)在預期聲學方向上的聲波傳播。為了清晰性原 因，圖3及圖4未展示應力/壓力釋放材料、外殼以及連接至電極表面的導線。
[0014]多晶PZT陶瓷及其摻雜衍生物為截止目前用于超聲波換能器及陣列的最流行有源 材料，具有比橫向性質(d3^k31值)更加優(yōu)異的縱向壓電性質(d33及k 33值），其中d及k分別為 壓電應變系數(shù)及機電耦合因數(shù);第一下標3指示施加的電場在"3"-或極化方向上，且第二下 標指示用于縱向致動的激活方向_"3"及用于橫向致動的"?；?2"。例如，對典型PZT陶瓷而 言，對縱向模式d 33 = 300-600pC/N且k33 = 0 · 6-0 · 7，而對橫向模式d31 = 150-300pC/N且k31 = 0.34-0.40。相較于縱向性質，橫向性質并不利于有效聲波及超聲波產生。此外，在縱向方向 及橫向方向中的（典型地>2000m/s)的聲速遠高于在水和人體組織中的聲速?；赑ZT的陶 瓷的高聲速及次等橫向性質使得縱向模式換能器及陣列比橫向模式換能器及陣列更流行 地用于適于水下及/或醫(yī)學應用的聲波及超聲波產生。
[0015] 橫向模式換能器陣列在醫(yī)學領域中明顯的低流行度的另一原因是涉及通過已確 立自動化切塊操作制造此種陣列的困難。電極在兩個橫向面上的沉積及其布線對此種陣列 構造而言是有問題的。
【發(fā)明內容】
[0016] 發(fā)明目的
[0017] 本發(fā)明目的之一為克服或至少實質上改善先前技術的缺點及不足。
[0018] 本發(fā)明目的之一為激發(fā)優(yōu)選地呈矩形形狀的有源元件以在兩個正交橫向方向中 的一個中共振，以使得其在縱向方向或另一橫向方向中產生聲波。此種特定操作模式在下 文稱為"橫向寬度模式"模式。
[0019] 本發(fā)明目的之一也是提供聲波或超聲波發(fā)射元件及其陣列，其經由橫向寬度模式 操作，該橫向寬度模式使用基于弛緩體的鐵電/壓電單晶。
[0020] 本發(fā)明目的之一進一步為，在引入聲波的頻率與換能器元件在接收模式中的橫向 寬度模式共振重合時，以增強的接收敏感度使用用于聲波及超聲波接收的相同元件及陣 列。
[0021] 本發(fā)明目的之一為提供換能器，其設計以下列模式操作:單一橫向寬度模式;或雙 重或三重頻率模式，其共振模式的至少一者為橫向寬度模式;或寬頻耦合模式，其基本模式 的至少一者為橫向寬度模式;或其他衍生形式，諸如利用適合頂置塊體、匹配及/或透鏡層 的情況。
[0022]本發(fā)明目的之一進一步為在水下、醫(yī)學及工業(yè)領域的聲波及超聲波產生及接收中 利用橫向寬度模式。
[0023]技術內容
[0024] 本發(fā)明的目的通過以下方式實現(xiàn):提供壓電換能器的稱為橫向寬度模式的新操作 模式，以用于聲波及超聲波產生及接收。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，換能器包括有源元件，其以兩個相對面為電極且跨于該等 電極面受極化，以使得當該有源元件設定成在橫向于該極化方向的方向上共振時，以相對 與該有源元件的共振橫向或寬度方向成直角產生聲束，以使得該聲束方向為該極化方向或 另一橫向方向中的一個。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明之一實施例，該有源元件包括具有相同或相當尺寸及截片、具有矩形 形狀或適當?shù)卦谥辽僖粋€維度上的錐形剖面的單件有源材料或多個有源材料，該等有源材 料以并聯(lián)、串聯(lián)、部分并聯(lián)或部分串聯(lián)配置中的一種電耦合。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明之另一實施例，該有源材料在受激活橫向方向中以半波長共振模式激 發(fā)。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明之另一實施例，該換能器包括背襯元件，其粘結至與該有源元件的聲 波發(fā)射面相對的面上。該背襯元件可為重尾塊體或軟的高阻尼背襯材料中的一個以適合所 要應用。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明之一實施例，該換能器包括直接驅動的無活塞設計或具有剛性或撓曲 類型的頂置塊體以適合所要應用。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明之另一實施例，該換能器包括一個或一個以上匹配層，其附接至該有 源元件的聲波發(fā)射面。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明之另一實施例，該換能器包括一個或一個以上透鏡層，其提供于該匹 配層的頂部上。
[0032]根據(jù)本發(fā)明之另一實施例，該有源元件在兩個橫向方向中的至少一個中具有d31 (或(I32)多400pC/N且k3i(或k32)多0 · 60的橫向壓電性質，其中d3i、d32為相關耳關的橫向壓電應 變系數(shù)，且k31、k32為相關聯(lián)的機電耦合因數(shù)。
[0033]根據(jù)本發(fā)明之又一實施例，該有源元件包括以下一個或多個的二元、三元及高階 固溶體的基于弛緩體的鐵電或壓電單晶的適合截片:PMZm/sNWJOhPMMgvsNWdOhPb (Inl/2Nbi/2)ci3、Pb(Sci/2Nbi/2)〇3、Pb(Fei/2Nbi/2)〇3、Pb(Ybi/2Nbi/2)〇3、Pb(Lui/2Nbi/2)〇3、Pb (Mm/Abm )03、PbZr03及PbTi03，包括其改質及摻雜衍生物。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明之又一實施例，該有源元件包括[0-11]^[100]!?[011]3截片之[011] 3-極化單晶，其中[011]3為該縱向方向，且[0-11]ι及[100]2為該兩個側向或橫向方向。 [0035]根據(jù)本發(fā)明之又一實施例，該有源元件包括[110] 1X[ 1-10 ]2χ[ 001 ]3截片的 [001]3-極化單晶，其中[001]3為該縱向方向，且[110]lS[H0]2為該兩個結晶學上等效的 側向或橫向方向。
[0036]根據(jù)本發(fā)明之另一實施例，該有源元件包括適合截片及極化的紋理化壓電陶瓷， 其在該兩個橫向方向的至少一個中具有d3i(或d32)彡400pC/N且k31(或k 32)彡0.60的橫向壓 電性質，其中d31、d32為相關聯(lián)的橫向壓電應變系數(shù)，且k31、k32為相關聯(lián)的機電親合因數(shù)。
[0037] 根據(jù)本發(fā)明之另一實施例，該有源元件包括壓電單晶及紋理化多晶陶瓷的組成物 及截片，其在該兩個橫向方向的至少一個中具有d 31(或d32)多400pC/N且k31(或k32)多0.60的 橫向壓電性質，其中d31、d32為相關聯(lián)的橫向壓電應變系數(shù)，且k31、k32為相關聯(lián)的機電親合因 數(shù)。
[0038] 根據(jù)本發(fā)明之另一實施例，該有源元件包括非紋理化多晶壓電陶瓷的改質及/或 新組成物，其在該兩個橫向方向的至少一個中具有d 31(或d32)多400pC/N且k31(或k32)多0.60 的橫向壓電性質，其中d31、d32為相關聯(lián)的橫向壓電應變系數(shù)，且k31、k32為相關聯(lián)的機電親合 因數(shù)。
[0039] 根據(jù)本發(fā)明之另一實施例，該有源元件包括在至少一個側向或橫向方向上相較而 言低的聲速的有源材料，該聲速的量級相當于或低于在預期聲學介質中的聲速。
[0040] 根據(jù)本發(fā)明之一實施例，該有源元件在至少一個側向或橫向寬度方向中的尺寸為 相當于、相同于或小于設計頻率的聲波于預期學介質中的波長的一半(λ η/2)，其中λη為具有 設計中心頻率的聲波及超聲波于預期學介質中的波長。
[0041] 根據(jù)本發(fā)明之一實施例，該有源元件在兩個橫向寬度方向中的聲速為大于在預期 學介質中的聲速，其中單個換能器元件的有源元件的側向尺寸大于設計頻率的聲波于聲學 介質中的波長的一半(λ η/2)，其中λη為具有設計中心頻率的聲波及超聲波于預期學介質中 的波長。
[0042] 根據(jù)本發(fā)明之一實施例，該換能器是用于聲波及超聲波發(fā)射及接收。
[0043] 根據(jù)本發(fā)明之另一實施例，提供用于聲波及超聲波產生及/或接收所述的裝置，其 包括換能器陣列。每個換能器包括有源元件，該有源元件以兩個相對面為電極且跨于該等 電極面受極化，其中當該有源元件設定成在橫向于極化方向的方向上共振時，以相對該有 源元件的共振橫向或寬度方向成直角產生聲束，其中聲波發(fā)射方向包含該極化方向或另一 橫向方向中的一個。
【附圖說明】
[0044] 當結合附圖閱讀時，例示性實施例的以上概述以及以下詳細描述得以更好地理 解。出于描述本公開的目的，附圖中示出本公開的示例性構造。然而，本公開不限于本文公 開的特定方法及手段。此外，本領域技術人員將理解附圖并未按比例繪制。
[0045] 圖1例示根據(jù)現(xiàn)有技術的傳統(tǒng)平面發(fā)射陣列。
[0046] 圖2例示根據(jù)另一現(xiàn)有技術的在醫(yī)學成像中用于超聲波發(fā)射及接收的1D相控陳列 醫(yī)學換能器。
[0047] 圖3例示現(xiàn)有技術中已知的以k/2縱向（33)模式共振的具有軟的高阻尼背襯層的 矩形有源元件的操作原理。
[0048]圖4為描述現(xiàn)有技術中已知的以k/4橫向（31)模式共振的具有重尾塊體的矩形有 源元件的操作原理的示意圖。
[0049] 圖5例示根據(jù)本發(fā)明的實施例的以橫向寬度模式共振的有源元件的操作原理。
[0050] 圖6示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的以橫向寬度模式共振的有源元件的操作原 理。
[0051]圖7例示本發(fā)明的示例性換能器。
[0052]圖8(a)_(d)為根據(jù)本發(fā)明的實施例的有源元件的示例性圖解，該有源元件具有不 同橫向寬度尺寸及/或具有用于改良換能器的頻寬的錐形剖面。
[0053]圖9展示圖7所描述的示例性換能器在125kHz至150kHz范圍內的橫向寬度模式的 發(fā)射電壓響應(TVR)。
[0054]圖10展示本發(fā)明的又一示例性換能器的發(fā)射電壓響應(TVR)。
[0055]圖11展示本發(fā)明的再一示例性換能器的擴展頻寬的發(fā)射電壓響應(TVR)。
【具體實施方式】
[0056] 以下描述中論述的實施例為非限制性實例，且僅僅引用來例示至少一個實施例而 不旨在限制其范圍。
[0057] 本發(fā)明提供用于聲波及/或超聲波產生、發(fā)射及接收的新操作模式。使用新操作模 式的換能器包括有源元件，其在激活后產生聲束，以使得聲束的方向與有源材料的共振側 向或寬度方向成直角。這與傳統(tǒng)橫向模式對比而言，在傳統(tǒng)橫向模式中，有源材料的共振方 向及聲束為相同的。
[0058]圖5例示以本發(fā)明的新操作模式操作的換能器500。換能器500包括有源元件502、 背襯元件504、兩個電極面506及其相對面及耦接至電極面的導線。有源元件502由表現(xiàn)壓電 性質且優(yōu)選地為矩形形狀的有源材料制成。背襯元件504可為由例如不銹鋼或鎢制成的重 尾塊體。重質背襯元件504有助于將聲功率朝向前方方向投射。陰影側面506及其相對面（圖 中未展示)為電極面，該電極面又耦接至導線。為了清晰性，不示出周圍應力/釋壓材料、連 接至電極面中每個的導線以及外殼。
[0059] 當將電壓施加于導線時，有源材料可受激發(fā)，即，有源材料可設定成在橫向寬度方 向上共振。有源材料的激發(fā)由圖中機械激發(fā)方向箭頭來描述。有源材料的激發(fā)以半波長 (入。/2)共振模式發(fā)生。由于共振，可產生聲束。在本發(fā)明中，不同于傳統(tǒng)橫向模式操作，所產 生聲束的方向正交于激發(fā)的橫向寬度方向。圖中示出極化方向、機械激發(fā)方向及聲束方向。 此種新操作模式在下文稱為"橫向寬度模式"，以將其與傳統(tǒng)橫向操作模式相區(qū)別，后者在 下文稱為"橫向長度模式"。
[0060] 本發(fā)明的橫向寬度模式也可通過沿適合的側向或橫向寬度方向激發(fā)有源元件的 有源材料而激活，從而使得產生的聲束在如圖6中示例性示出的縱向方向上產生。在此圖 中，有源元件602的頂面606及其相對面為電極面。背襯元件604可為軟的高阻尼背襯材料。 為了清晰性，未示出周圍應力/釋壓材料、連接至電極面中每個的導線以及外殼。還在此實 例中，有源元件602的有源材料可以半波長〇。/2)共振模式被激發(fā)。
[0061] 在以上引用的兩個實例中，雖然圖5中使用重尾塊體，但圖6中使用軟的高阻尼背 襯材料。對尾部塊體或軟背襯材料的選擇取決于實際應用要求。
[0062] 對在有源元件502或602的有源材料中橫向寬度模式的有效激活而言，有源材料可 在受激發(fā)側向或寬度方向上具有合理的高橫向壓電性質，尤其是橫向壓電應變系數(shù)((1 31或 d32)及機電親合因數(shù)(k3i或k32)。例如，d3i可大于或等于400pC/N，而k3i可大于或等于0.60。 優(yōu)選地，有源材料可提供沿兩個橫向方向的至少一個的聲速，該聲速可相當于或小于在預 期聲學介質中的聲速。此可允許實現(xiàn)在受激活寬度方向上尺寸大致為λ"/2或小于λ η/2的有 源元件502或602實現(xiàn)符合陣列設計中的人^2元件距離，其中λη為設計中心頻率的聲波在預 期聲學介質中的波長。例如，水可為用于水下應用的預期聲學介質，而人體組織為用于醫(yī)學 應用的預期聲學介質。
[0063] 展現(xiàn)以上性質的有源材料包括而不限于新一代基于弛緩體的鐵電/壓電單晶，例 如，銀酸鉛鋅-鈦酸鉛(Pb [ Zm/3Nb2/3 ] 03-PbTi 03或ΡΖΝ-ΡΤ)的固溶體單晶、鈮酸鉛鎂-鈦酸鉛 (Pb [Mgl/3Nb2/3 ] 03-PbT i03或PMN-PT)的固溶體單晶、鈮酸鉛鎂-鋯鈦酸鉛(PMN-PZT)的固溶體 單晶，及其組成上改質的三元及四元及摻雜衍生物。這些晶體的適合截片(cut)不僅具有高 的橫向壓電性質(d31、d32、k31及k32)而且具有低的橫向聲速(viilvsgE)。
[0064] 表 1 適用于[0-ll]1χ[100]2χ[011]3截片的[011] 3-極化PZN-PT、PMN-PT及PIN-PMN-pT單晶的相關橫向及縱向壓電性質及聲速，其中PIN是Pb[In 1/2Nb1/2]03的縮寫。
[0065]
[0066]
[0067] *使用VllE= V 1/(S11EP)、V22E= V 1/(S22EP)及V33D= V 1/(S33DP)的推演值。
[0068] 表 2 提供[110]11[1-10]21[001]3截片的[001]3-極化?2^?1'及?]\^-?1'單晶的橫向 及縱向壓電性質及聲速。
[0069]
[0070] *使用V11E= V 1/(S11EP)及V33D= V 1/(S33DP)的推演值。
[0071] 例如，表1展示:對[011]3-極化PZN-(6-7)%PT單晶而言，在[0-11]1及[100]2橫向 晶體方向中的壓電應變系數(shù)及機電耦合因數(shù)(分別為>1000 pC/N及>0.75)為基于PZT的陶 瓷的壓電應變系數(shù)及機電耦合因數(shù)的若干倍。另外，此晶體截片展現(xiàn)在兩個橫向方向中的 比較低的聲速(vii e￥1500 m/s且v22E〈1000 m/s)，其約為或小于在水及人體組織中的聲速， 總合地為約1500-1600 m/s。
[0072] 類似地，也以具有[110 ]:激活方向的[001 ] 3-極化PZN- (4.5-7) % PT及PMN-28 % PT 單晶注意到極佳橫向性質（表2)。典型值為d31彡1000 pC/N，k31~0.80。就兩種組成而言， PZN-PT晶體展現(xiàn)在橫向方向上的較低聲速vnE~1740-1990m/s，其較接近在水及人體組織 中的聲速。
[0073] 在此等單晶的橫向方向中的極佳壓電性質及低聲速使得新的聲波及超聲波換能 器及陣列成為可能，該聲波及超聲波換能器及陣列的操作模式之一為本發(fā)明的橫向寬度模 式，如以下所說明。
[0074]圖7a_c示出示例性多晶裝置，例如多晶換能器700。圖7a為換能器700的俯視圖，而 圖7b描述換能器700的三維視圖。圖7c描述換能器700的透視圖。電極面如圖所示的加有陰 影。作為一實例，換能器700設計為以本發(fā)明的橫向寬度模式操作以用于水下應用，即，用于 在水中以約140kHz發(fā)射聲波。
[0075] 換能器700包括四個具有相同截片及尺寸的[011]3-極化PZN-5.5%PT單晶702,每 個以兩個相對較大側面為電極，且在[011]3晶體方向上極化（圖7a)。盡管具有相同截片及 尺寸的晶體用于此實例中，但尺寸及截片可有所變化以適合所要應用，如圖8(a_d)所示。四 個[011 ]3_極化PZN-5.5%PT單晶702在其底面處耦接至適當尾部塊體704。四個晶體702并 聯(lián)電連接以減少驅動電壓。諸如串聯(lián)連接或部分并聯(lián)及部分串聯(lián)連接的其他布線方案也是 可能的，此取決于實際應用需要。為了清晰性，此圖中未示出周圍應力/釋壓材料、連接至各 別電極面的導線及外殼。
[0076] 晶體可設計來沿許多方向以橫向寬度模式共振。例如，如圖7b所描述，晶體設計為 沿[Ο-llh側向晶體方向、以約140kHz、以橫向寬度模式共振。對該晶體截片取聲速vn E = 1460m/s(表1，第5行）的情況下，用于在晶體的[Ο-llh側向或寬度方向中的Ac/2激發(fā)的尺 寸為約5.2 m m，其小于就該陣列取15 0 0 m / s的于水中的聲速而言的優(yōu)選元件距離λ m / 2 = 5.55mm。在此狀況下，聲束方向沿[100]2晶體方向，如圖7b所指示。
[0077] 在換能器700的[Ο-llh側向或寬度方向中的晶體尺寸可有所改變，以產生相應于 在該方向中的λ。"共振激發(fā)的所要聲頻。
[0078] 或者，四個[011]3-極化晶體可沿[100]2晶體方向受激活，且聲束方向可替代地沿 橫向[0-11]ι晶體方向。[011]3_極化ΡΖΝ-5.5%ΡΤ晶體在[100] 2寬度方向中的聲速為ν22Ε~ 880m/s，d32~2600pC/N且k 32~0.90(表1，第5行）。用于λ〇/2激發(fā)的所需寬度尺寸因此為約 3.14mm，其遠小于傳統(tǒng)上對此等陣列采用的A m/2 = 5.55mm的元件距離，從而允許發(fā)射元件 能夠更為密集包裝在陣列中以為了增加的聲功率。
[0079]適用于聲波投射的橫向寬度模式的單晶的另一實例為[001]3-極化晶體，其受激 活橫向方向是沿[110]:晶體方向。[110]lS[1_10]2對此晶體截片而言為結晶學上等效的方 向。對此晶體截片的PZN-(6-7) % PT而言，沿[110 ]:橫向方向的聲速接近水及人體組織的聲 速。此晶體截片也具有高的橫向壓電系數(shù)及機電耦合因數(shù)，其中d31 = 1200pC/N且k31 = 0.80〇
[0080]圖8(a)_(d)提供根據(jù)本發(fā)明的實施例的有源元件802的示例性圖解，該有源元件 具有不同橫向寬度尺寸及/或具有用于改良以橫向寬度模式共振的換能器的頻寬的錐形剖 面。電極面加有陰影以便識別。盡管有源元件802示出為由四個晶體制成，但是本發(fā)明擴展 至具有一或多個晶體的有源元件的其他實施例。
[0081]本發(fā)明可因此應用于一系列由具有適合組成物及截片的壓電單晶制成的有源元 件502、602、702或802,該壓電單晶有源元件具有合理的高橫向壓電性質，即：d31(或d32)彡 400pC/N且k 31(或k32)彡0.60,包括但不限于具有以下組分的二元、三元及高階固溶體的鐵 電 / 壓電單晶：Pb(Znl/3Nb2/3)03、Pb(Mgi/3Nb2/3)〇3、Pb(Ini/2Nbi/2)〇3、Pb(Sci/2Nbi/2)〇3、Pb (Fei/2Nbi/2)〇3、Pb(Ybl/2Nbl/2)〇3、Pb(Lui/2Nbi/2)03、Pb(M ni/2Nbi/2)〇3、PbZr〇3^PPbTi〇3，&& 其摻雜及改質衍生物。
[0082] 有源元件502、602、702或802還包括具有適合組成物及截片的紋理化或非紋理化 多晶壓電陶瓷，該多晶壓電陶瓷展現(xiàn)合理的高橫向壓電性質，即d31(或d32)多400pC/N且k 31 (或k32)多0.60。或者，有源元件502、602、702或802可經改質，且包括單晶、紋理化及非紋理 化多晶陶瓷的壓電材料的新組成物及截片展現(xiàn)合理的高橫向壓電性質，即d 31(或d32)多 400pC/N且k31(或k32)彡0.60。優(yōu)選地，所述單晶、紋理化及非紋理化陶瓷具有在至少一個橫 向方向上大致為或小于在預期聲學介質中的聲速的聲速。
[0083]圖9示出示例性換能器700的發(fā)射電壓響應(TVR)圖表900,其中在138kHz下的共振 模式為本發(fā)明的橫向寬度模式。
[0084] 在橫向寬度模式中，由于所使用單晶截片的高的橫向壓電是數(shù)及機電耦合因數(shù) (d31~1000pC/N且k31~0.80,參見表1的第5行），所以該換能器元件展現(xiàn):對在約138kHz下 的橫向寬度模式而言，142dB re lyPa/V lm的相當高的TVR峰值，及每個元件在約lOOVrms 的最大交流輸入電壓下、無任何直流偏壓的情況下>180dB re lyPa/V lm的合理的高聲壓 位準。當該元件以較高交流電壓、于適當直流偏壓下驅動時，較高聲壓級為可能的。
[0085] 除相應于橫向寬度模式的TVR峰值之外，圖9也描述在由相同晶體展現(xiàn)的橫向長度 模式中，當經由λ〇/4模式沿其其他橫向[100] 2晶體方向以110kHz共振時的TVR峰值。因此，圖 表900示出：本發(fā)明的橫向寬度模式及橫向長度模式兩者的TVR(及因此聲源位準）為相當 的，從而確認前者為用于聲波及超聲波產生的有效操作模式。
[0086] 圖表900進一步指示：當橫向寬度及長度模式的共振頻率可設計成充分間隔開時， 所得換能器(作為本發(fā)明的實例）可用作如圖所示分別在110kHz及140kHz下操作的雙頻發(fā) 射器。
[0087] 或者，本發(fā)明的換能器元件可設計為具有對橫向寬度模式及橫向長度模式而言十 分接近的共振頻率，以使得所得聲束將替代地耦合以形成寬頻共振。圖10中示出由此種設 計產生的TVR的實例。用于此種示例性換能器的晶體具有與圖7相同的截片，但具有在 [100] 2方向上更短的尺寸，以產生對橫向長度模式而言稍微更高的共振頻率。
[0088] 根據(jù)本發(fā)明的教義的另一示例性寬頻換能器可通過將其設計成具有十分接近的 共振頻率而以在適合橫向寬度模式與縱向模式之間的寬頻耦合模式來操作。
[0089] 根據(jù)本發(fā)明的教義的另一示例性寬頻換能器可在晶體的側向或寬度方向上以橫 向寬度模式激活且以縱向模式激活。在此狀況下，晶體的尺寸可選擇為使得兩個橫向寬度 模式及縱向模式的共振頻率十分接近，以形成超寬頻寬的耦合共振。
[0090] 以下例示在超寬頻水下應用中的兩個橫向寬度模式及縱向模式的激活的示例性 設計。在此實例中，[011]3-極化PZN-5.5%PT單晶用作有源元件，其中[(^。^[…(^為兩 個正交橫向晶體方向。此晶體截片在三個各自晶體方向上的聲速為：[0 11 ]3縱向方向的v33d ^SlOOm/s，[0-11 ]ι橫向方向的viiE;^ 1460m/s，和[100]2橫向方向的V22E^880m/s(表1，第5 行）。在此實例中，[011]3晶體方向用作聲束方向，[0-11]1及[100] 2晶體方向是用作兩個橫 向寬度方向。晶體經截切以具有以下大致尺寸:在[0 11 ] 3晶體方向中為5.2mm以用于經由利 用重尾塊體的縱向模式的Ac/4激活;在[Ο-llh晶體方向中為6.1mm以用于在該方向中經由 第一橫向寬度模式的X c/2激活；以及該[100]2晶體方向中為4.9mm以用于經由第二橫向寬度 模式的λ〇/ 2激活。相應共振頻率估計為:對第一橫向寬度模式而言為90kHz，對第二橫向寬度 模式而言為120kHz，且對縱向模式而言為150kHz，該頻率對超寬頻超聲波發(fā)射及接收目的 而言十分接近。另外，晶體尺寸可經調整以產生分離共振或耦合共振，此取決于實際應用要 求。
[0091] 在如以上提及的寬頻換能器中，借由橫向寬度模式、橫向長度模式及縱向模式產 生的聲波均同相。因此，當設計寬頻或超寬頻換能器時，耦合模式的形成可不為必要的。換 言之，合理的平坦TVR回應（即，處于1 OdB變化內）可經由以下者的組合激活而實現(xiàn)：（a)橫向 寬度模式及橫向長度模式、（b)適合橫向寬度模式及縱向模式、或(c)兩個橫向寬度模式及 縱向模式，同時保持各自模式的共振頻率彼此十分接近。
[0092] 應注意，由于通過尾部塊體強加的機械約束，有源材料于尾部塊體附近的橫向寬 度模式共振的邊界條件局部地改變。換言之，本發(fā)明的橫向寬度模式將展現(xiàn)相較于在缺乏 約束時而言的分散或較寬共振。預期分散共振行為在附加約束存在時增強，從而將進一步 影響有源材料的預期橫向寬度模式的振動行為，該附加約束諸如增加剛性或撓曲類型的頂 置塊體(或活塞）、一或多個適合的匹配層及/或透鏡層。晶體的頂面處的強加邊界條件將進 一步增強本發(fā)明的橫向寬度模式的分散共振性質，從而得到改良頻寬。
[0093] 另外，可用于促進橫向寬度模式的分散共振行為及因此增加換能器的頻寬的其他 方法包括:使用具有稍微不同橫向寬度尺寸的有源材料，以及在至少一個維度上具有適當 錐形剖面的有源材料，如圖8(a)_(d)中示例性所示。
[0094] 圖11展示本發(fā)明的另一示例性換能器的擴展頻寬的TVR。示例性換能器具有相當 于圖7的設計，但具有增加至其頂部突出面上的適合四分之一波長匹配層。與如圖9所示的 無活塞設計相對，此種設計明顯對在130_190kHz范圍內的橫向寬度模式增加更多的頻寬。 當替代地使用適合頂置塊體或化合物匹配層時，預期類似的結果。
[0095] 從以上實例看明顯的是，本發(fā)明的橫向寬度模式可在換能器設計中以各種適合形 式加以利用，以適合各種應用需要。此形式包括雙重或三重頻率模式、寬頻耦合模式、利用 適合頂置塊體及/或匹配層的超寬頻模式、利用具有相同或稍微不同橫向寬度尺寸的單一 或多個有源元件的超寬頻模式，等等。不管這些極具吸引力的設計特征，每個有源元件在受 激活橫向方向中的尺寸上大致為或小于λ?/2,從而允許實現(xiàn)具有約為或小于人"2元件距離 的不同配置的陣列。所制造陣列的聲學效能可易于經由傳統(tǒng)波束成形技術預測。電子束影 及操縱可適用于此狀況。
[0096] 本發(fā)明的橫向寬度模式也適用于具有適合軟背襯層的換能器設計，如圖6中示例 性所例示。所有上述效應仍可適用，除了在此狀況下，所得聲功率因擴展的頻寬而降低。
[0097] 在一實施例中，橫向寬度模式也適用于以下狀況:有源材料在兩個橫向寬度方向 中的速度大于在預期聲學介質中的聲速。在此狀況下，有源材料在共振寬度方向中的橫向 尺寸將大于具有預期中心頻率的聲波于介質中的波長的一半(λ η/2)。其也適用于由這種元 件制成的換能器陣列。
[0098] 本發(fā)明也適用于使用換能器元件及陣列以用于頻率相當于構成元件于接收模式 中的橫向寬度共振的聲波進行的聲波及超聲波接收。相較于在換能器以離共振模式工作 時，在此狀況下實現(xiàn)增強更多的接收敏感度。
[0099] 本發(fā)明進一步適用于混合聲波及超聲波發(fā)射及接收的換能器及其陣列。共振或離 共振模式可在此狀況下用于聲波接收。
[0100] 本發(fā)明的換能器及其陣列可在許多領域中獲得應用一一水下應用（例如，水下成 像、測距及通訊，其中典型工作頻率范圍自低的數(shù)十kHz至低的數(shù)十ΜΗζ)、醫(yī)學應用（例如， 醫(yī)學成像，其典型頻率范圍自中等的數(shù)百kHz至高的數(shù)十MHz)，及工業(yè)應用(例如，結構成像 及瑕疵影像，其操作頻率可自高的數(shù)十kHz廣泛變化至高的數(shù)十MHz，此取決于所檢查的材 料)。
[0101] 對本領域技術人員而言明顯的是，本發(fā)明實施例的所選配置、尺寸、材料可加以改 適、修改、精煉或以稍微不同但等效的方法替換，而不脫離本發(fā)明的工作原理的主要特征， 且可增加額外特征來增強換能器及陣列的效能及/或可靠性。這些取代、替代、修改或精煉 將視為落入以下權利要求的范圍及許可內。
[0102] 另外，以上揭示的特征及功能及其他特征及功能的變化形式或其替代可合乎需要 地組合成許多其他不同的系統(tǒng)或應用。此外，本發(fā)明中各種當前尚未預見或尚未預期的替 代、修改、變化或改良可由本領域技術人員做出，其也旨在由以下權利要求涵蓋。
【主權項】
1. 一種換能器，其包含： 有源元件，其以兩個相對面為電極且跨于電極面受極化，其中，當所述有源元件設定成 在橫向于極化方向的方向上共振時，產生了相對于所述有源元件的共振橫向或寬度方向成 直角的聲束，其中，聲束方向包含所述極化方向或另一橫向方向中的一個。2. 根據(jù)權利要求1所述的換能器，其中，所述有源元件包含矩形形狀的單件有源材料。3. 根據(jù)權利要求1所述的換能器，其中，所述有源元件包含在至少一個維度中具有一錐 形形狀的單件有源材料。4. 根據(jù)權利要求1所述的換能器，其中，所述有源元件包含以下至少一個的多種有源材 料:相同矩形形狀、具有稍微不同尺寸的矩形形狀，或在至少一個維度中的錐形剖面，所述 有源材料以并聯(lián)、串聯(lián)、部分并聯(lián)或部分串聯(lián)配置中的一種電耦合。5. 根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的換能器，其中，所述有源材料在受激活橫向方向 中以半波長共振模式激發(fā)。6. 根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的換能器，其進一步包含背襯元件，其粘結至與所 述有源元件的聲波發(fā)射面相對的面上。7. 根據(jù)權利要求6所述的換能器，其中，該背襯元件包含重尾塊體或軟的高阻尼背襯材 料中的一個以適合所要的應用。8. 根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的換能器，其中，所述換能器包含直接驅動的無活 塞設計。9. 根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的換能器，其進一步包含剛性或撓曲類型的頂置塊 體以適合所要的應用。10. 根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的換能器，其進一步包含至少一個匹配層，其附接 至所述有源元件的聲波發(fā)射面。11. 根據(jù)權利要求10所述的換能器，其進一步包含至少一個透鏡層，其設置于所述匹配 層的頂部上以適合所要的應用。12. 根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的換能器，其中，所述有源元件在兩個橫向方向 中的至少一個中具有d31 (或d32)彡400pC/N且k31 (或k32)多0.60的橫向壓電性質，其中 d31、d32為相關聯(lián)的橫向壓電應變系數(shù)，且 k3i、k32為相關聯(lián)的機電親合因數(shù)。13. 根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的換能器，其中，所述有源元件包含以下一個或 多個的二元、三元及高階固溶體的基于弛緩體的鐵電或壓電單晶的適合截片：PMZn 1/ 3Nb2/3)〇3、Pb(Mgi/3Nb2/3)〇3、Pb( Im/2Nbi/2)〇3、Pb (Sci/2Nbi/2) 〇3、Pb (Fei/2Nbi/2)〇3、Pb(Ybi/ 2ΝΙη/2)03 Jb(Luv2Nbv2)O3 Jb(Mnv2Nbv2)OhPbZrO3 及 PbTiO3,包括其改質及 / 或摻雜衍生 物。14. 根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的換能器，其中，所述有源元件包含[0-11 ]1X [100]2X[011]3截片的[011]3-極化單晶，其中 [011]3為縱向方向，且 [〇-11]ι及[1〇〇]2為兩個側向或橫向方向。15. 根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的換能器，其中，所述有源元件包含[110]1X[1-10]2X[001]3截片的[001]3-極化單晶，其中 [001]3為縱向方向，且 [110]1及[1-10]2為兩個結晶學上等效的側向或橫向方向。16. 根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的換能器，其中，所述有源元件包含適合截片和 極化的紋理化壓電陶瓷，其在兩個橫向方向中至少一個中具有d 31(或d32)彡400pC/N且k31 (或k32)彡0.60的橫向壓電性質，其中 d31、d32為相關聯(lián)的橫向壓電應變系數(shù)，且 k3i、k32為相關聯(lián)的機電親合因數(shù)。17. 根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的換能器，其中，所述有源元件包含壓電單晶及 紋理化多晶陶瓷的組成物及截片，其在兩個橫向方向中至少一個中具有d 31(或d32)多 400pC/N且k3i(或k32)多0.60的橫向壓電性質，其中d3i、d32為相關聯(lián)的橫向壓電應變系數(shù)，且 k31、k32為相關聯(lián)的機電親合因數(shù)。18. 根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的換能器，其中，所述有源元件包含非紋理化多 晶壓電陶瓷的改質及/或新組成物，其在該兩個橫向方向的至少一個中具有d 31(或d32)多 400pC/N且k31 (或k32)彡0.60的橫向壓電性質，其中 d31、d32為相關聯(lián)的橫向壓電應變系數(shù)，且 k3i、k32為相關聯(lián)的機電親合因數(shù)。19. 根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的換能器，其中，所述有源元件包含在至少一個 側向或橫向方向上相較而言低的聲速的有源材料，該聲速的量級相當于或低于在預期聲學 介質中的聲速。20. 根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的換能器，其中，所述有源元件在至少一個側向 或橫向寬度方向中的尺寸相當于、相同于或小于設計頻率的聲波于預期聲學介質中的波長 的一半(λπι/2)，其中Am為設計中心頻率的聲波及超聲波于預期聲學介質中的波長。21. 根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的換能器，其中，所述有源元件在兩個橫向寬度 方向中的聲速大于在預期聲學介質中的聲速，其中單個換能器元件的有源元件的側向尺寸 大于設計頻率的聲波于所述聲學介質中的波長的一半(λπι/2)，其中Am為設計中心頻率的聲 波及超聲波在預期聲學介質中的波長。22. 根據(jù)權利要求1至21中任一項所述的換能器，其中，所述換能器是用于聲波及超聲 波發(fā)射及接收。23. -種用于聲波及超聲波產生及/或接收的裝置，該裝置包含： 換能器的陣列，其中，每個換能器包含有源元件，所述有源元件以兩個相對面為電極且 跨于電極面受極化，其中，當所述有源元件設定成在橫向于極化方向的方向上共振時，以相 對所述有源元件的共振橫向或寬度方向成直角產生聲束，其中，聲束方向包含所述極化方 向或另一橫向方向中的一個。24. 根據(jù)權利要求23所述的裝置，其中，每個換能器進一步包含背襯元件，其粘結至與 聲波發(fā)射面相對的面上。25. 根據(jù)權利要求24所述的裝置，其中，所述背襯元件包含重尾塊體或軟的高阻尼背襯 材料中的一個以適合所要的應用。26. 根據(jù)權利要求23至25中任一項所述的裝置，其中，每個換能器進一步包含頂置塊 體、匹配層及透鏡層中的一個或多個以適合所要的應用。27. 根據(jù)權利要求23至26中任一項所述的裝置，其中，所述陣列的至少一個換能器以橫 向寬度模式來操作。28. 根據(jù)權利要求23至27中任一項所述的裝置，其中，所述有源元件包含相同或相當尺 寸及截片、矩形形狀或在至少一個維度上的錐形剖面的單件有源材料或多個有源材料，所 述有源材料以并聯(lián)、串聯(lián)、部分并聯(lián)或部分串聯(lián)配置中的一種電耦合。29. 根據(jù)權利要求23至28中任一項所述的裝置，其中，所述有源元件在至少一個側向或 橫向寬度方向中的尺寸相當于、相同于或小于設計頻率的聲波于預期聲學介質中的波長的 一半(λπι/2)，且所述陣列中的元件距離在至少一個方向上約為或小于λπι/2,其中Am為設計 中心頻率的聲波及超聲波在預期聲學介質中的波長。30. 根據(jù)權利要求23至28中任一項所述的裝置，其中，所述有源元件在兩個橫向寬度方 向中的聲速大于在預期聲學介質中的聲速，其中，單個換能器元件的所述有源元件的側向 尺寸大于設計頻率的聲波于所述聲學介質中的波長的一半(λ η/2)，且在所述陣列中的元件 距離在兩個方向上大于λπι/2,其中Am為設計中心頻率的聲波及超聲波于預期聲學介質中的 波長。31. 根據(jù)權利要求23至28中任一項所述的裝置，其中，所述換能器的陣列以雙重或多頻 率模式來操作，其中，操作模式的至少一個為橫向寬度模式。32. 根據(jù)權利要求23至28中任一項所述的裝置，其中，所述換能器的陣列以寬頻耦合模 式來操作，其基本共振模式的至少一個為橫向寬度模式。33. 根據(jù)權利要求23至28中任一項所述的裝置，其中，所述換能器的陣列以解耦或耦合 模式的至少一個來操作，其中，所述解耦模式的至少一個或所述耦合模式的基本共振模式 的一個為橫向寬度模式。34. 根據(jù)權利要求23至28中任一項所述的裝置，其中，所述裝置是用于聲波及超聲波產 生、發(fā)射及接收的一個或多個。
【文檔編號】H01L41/08GK105934835SQ201480073976
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2014年2月18日
【發(fā)明人】張雙捷, 林殿樺
【申請人】晶致材料科技私人有限公司