專利名稱：壓電聲電換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種壓電聲電換能器，尤其涉及包括壓電薄膜的壓電聲電換能器。
一般地講，壓電聲電換能器是指利用壓電材料的壓電性能將聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枏亩鴮β暡ㄟM(jìn)行探測的裝置。它廣泛地應(yīng)用于例如水下聲波探測等領(lǐng)域中。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，人們對換能器的靈敏度的要求越來越高。為滿足這一需求，業(yè)已設(shè)計出各種各樣的特殊結(jié)構(gòu)。例如，Q.C.Xu等在“Piezoelectric composites with high sensitivity and highcapacitance for use at high pressures”(見IEEE Trans.Ultrason.，F(xiàn)erroelect.，F(xiàn)req.Contr.，vol.38，no.6，第634-639頁，1991。)一文中公開了一種“月芽形”換能器，它由兩個拱形的銅板和一個固定在其中的壓電陶瓷薄膜組成。當(dāng)銅板受壓時，由于拱形的作用銅板兩端會對壓電陶瓷薄膜施加一個向外的拉力，從而使壓電陶瓷薄膜產(chǎn)生電信號輸出。但是，由于在該換能器中，壓電薄膜只以橫向收縮模式工作，聲電轉(zhuǎn)換效率較低本實用新型的目的是提高上述類型的壓電型聲電換能器的聲電轉(zhuǎn)換效率。
為此，本實用新型提供了一種壓電聲電換能器，包括一個壓電薄膜。所述薄膜做成呈凹凸不平狀；所述薄膜以這樣的方式被極化，使得構(gòu)成每個凸起/凹陷的所述薄膜的部分的極化方向朝向該凸起/凹陷的頂部/底部。
所述薄膜可做成從其側(cè)視圖看為W型。
可將所述薄膜的輪廓制成圓柱形(其中W型凹槽與所述圓柱的母線平行或垂直)、球形或月芽形。
這樣，壓電薄膜當(dāng)在與所述凹凸方向垂直的方向受力時，將以剪切模式進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換，從而可明顯提高聲電的轉(zhuǎn)換效率。
當(dāng)將壓電薄膜的輪廓制成圓柱形、球形或月芽形，直接承受聲波壓力時，還具有如下的優(yōu)點在傳統(tǒng)的“月芽形”換能器中，當(dāng)聲波對銅板的壓力轉(zhuǎn)化為對壓電陶瓷薄膜的拉力時，銅板自身的恢復(fù)效應(yīng)使應(yīng)力傳輸損耗很大；在本實用新型的換能器中，制成具有上述輪廓的壓電薄膜可直接承受聲波壓力，不存在上述轉(zhuǎn)化過程和上述應(yīng)力傳輸損耗，從而可進(jìn)一步提高換能器的靈敏度。
此外，本實用新型的換能器的靈敏度與壓電薄膜的厚度無關(guān)，因此，根據(jù)本實用新型，可以通過減小壓電薄膜的厚度的方法提高換能器的電容而不降低靈敏度，從而可以有效地降低其輸出阻抗，這在對低頻信號的探測中是極其有益的。
以下結(jié)合
本實用新型的具體實施方式
。
圖1a和圖1b分別是按照本實用新型的一種實施方式的壓電薄膜的側(cè)視圖和主視圖；圖2是圖1a和圖1b所示的壓電薄膜的輪廓做成圓柱形時的示意圖，其中壓電薄膜的凹槽與圓柱母線平行；圖3是圖2所示的壓電薄膜的靈敏度增益與圓柱半徑和壓電薄膜厚度的比值之間的關(guān)系的曲線圖；圖4是圖1a和圖1b所示的壓電薄膜的輪廓制成月芽形時的示意圖；圖5a和圖5b分別是圖1a和圖1b所示的壓電薄膜的輪廓做成圓柱形時的主視圖和俯視圖，其中壓電薄膜的凹槽與圓柱母線垂直。
圖6是圖1a和圖1b所示的壓電薄膜的輪廓做成球形時的示意圖。
如圖1a和圖1b所示，按照本實用新型的一種實施方式的壓電薄膜寬度為L，厚度t，其形狀做成從側(cè)視圖看呈W形，具有凸起a、c、e等和凹陷b、d等。該W形薄膜的輪廓厚度為h。它的極化采用頭對頭的方式，極化方向分別指向各凸起a、c、e等，如圖1a中的箭頭所示。該W形薄膜的相對表面鍍有信號輸出電極。當(dāng)該W形薄膜受到垂直于其凹槽的壓縮應(yīng)力F時，它將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號。
將圖1a和圖1b所示的W形薄膜制成圓柱形，其中凹槽與圓柱母線平行，再將圓柱的兩端封住，從而制成如圖2所示的W柱型換能器。當(dāng)該換能器受到均勻的靜壓力P時，由于拱形結(jié)構(gòu)的作用，薄膜沿垂直其凹槽的方向?qū)⑹艿揭粋€遠(yuǎn)大于該靜壓力P的壓縮應(yīng)力F。由于圓柱結(jié)構(gòu)對W形薄膜的應(yīng)力放大作用，這種換能器有很高的探測靈敏度。
這種W柱型換能器的靈敏度增益G5p可由下列公式給出G5p=Rcosα/2t---(1)]]>其中R和t分別代表圓柱半徑和薄膜厚度，α為W性薄膜的夾角(如圖1a所示)。運(yùn)用公式(1)算得的圖2所示的換能器的靈敏度增益如圖3所示。從該圖可以清楚地看出，采用較大的R/t值和較小的α值可以獲得高的靈敏度增益。
這種W柱型換能器的靈敏度s由下列公式給出s＝Rg15cosα/2 (2)其中g(shù)15表示壓電系數(shù)。由公式(2)可明顯看出，換能器靈敏度與薄膜厚度無關(guān)。因此，可以通過減小薄膜厚度獲得較大的電容而又不降低靈敏度。
如果將圖1a和圖1b所示的W形薄膜輪廓制成月芽形狀(如圖4所示)，則可以保證高靈敏度的前提下，大大減小換能器的體積。這種W月芽型換能器在實現(xiàn)小體積方面具有很大的潛力。
此外，也可以將圖1a和圖1b所示的W形薄膜輪廓制成其母線與凹槽垂直的圓柱形(見圖5a和圖5b)，或者制成球形(如圖6所示)。
需要指出的是，壓電薄膜的形狀不限于上述的W形，而可是各式各樣的凹凸形狀，甚至不必是規(guī)則的，但是，壓電薄膜的極化必須采用頭對頭的方式。此外，本實用新型的換能器可同時兼做收發(fā)器。
本實用新型的壓電薄膜也可用在本說明書開始部分所描述的傳統(tǒng)的“月芽形”換能器中，從而大大提高其靈敏度。
本實用新型的換能器中的具有凹凸形狀的壓電薄膜可由對應(yīng)形狀的模具制成。例如，將壓電陶瓷粉末放入模具中高壓成型并經(jīng)燒結(jié)制成本實用新型的壓電薄膜。之后，將制成的壓電薄膜的相對表面上的各凸起上鍍上極化電極，經(jīng)高壓極化后，重新將相對表面鍍上電極制成換能器。
權(quán)利要求1.一種壓電聲電換能器，包括一個壓電薄膜，其特征在于所述薄膜做成呈凹凸不平狀；所述薄膜以這樣的方式被極化，使得構(gòu)成每個凸起/凹陷的所述薄膜的部分的極化方向朝向該凸起/凹陷的頂部/底部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于所述薄膜做成從其側(cè)視圖看為W型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的換能器，其特征在于所述薄膜的輪廓制成圓柱形，其中W型凹槽與所述圓柱的母線平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的換能器，其特征在于所述薄膜的輪廓制成圓柱形，其中W型凹槽與所述圓柱的母線垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的換能器，其特征在于所述薄膜的輪廓制成球形。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的換能器，其特征在于所述薄膜的輪廓制成月芽形。
專利摘要本實用新型公開了一種壓電聲電換能器,包括一個壓電薄膜。所述薄膜做成呈凹凸不平狀;所述薄膜以這樣的方式被極化,使得構(gòu)成每個凸起/凹陷的所述薄膜的部分的極化方向朝向該凸起/凹陷的頂部/底部。這樣,壓電薄膜當(dāng)在與所述凹凸方向垂直的方向受力時,將以剪切模式進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換,從而可明顯提高聲電的轉(zhuǎn)換效率。此外,本實用新型的換能器的靈敏度與壓電薄膜的厚度無關(guān),因此,可以通過減小壓電薄膜的厚度的方法提高換能器的電容而不降低靈敏度。
文檔編號H04R17/00GK2359850SQ9920160
公開日2000年1月19日 申請日期1999年1月7日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月7日
發(fā)明者焦秉立 申請人:焦秉立