专利名称：压电声电换能器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种压电声电换能器，尤其涉及包括压电薄膜的压电声电换能器。
一般地讲，压电声电换能器是指利用压电材料的压电性能将声信号转变为电信号从而对声波进行探测的装置。它广泛地应用于例如水下声波探测等领域中。在这些应用领域中，人们对换能器的灵敏度的要求越来越高。为满足这一需求，业已设计出各种各样的特殊结构。例如，Q.C.Xu等在“Piezoelectric composites with high sensitivity and highcapacitance for use at high pressures”(见IEEE Trans.Ultrason.，Ferroelect.，Freq.Contr.，vol.38，no.6，第634-639页，1991。)一文中公开了一种“月芽形”换能器，它由两个拱形的铜板和一个固定在其中的压电陶瓷薄膜组成。当铜板受压时，由于拱形的作用铜板两端会对压电陶瓷薄膜施加一个向外的拉力，从而使压电陶瓷薄膜产生电信号输出。但是，由于在该换能器中，压电薄膜只以横向收缩模式工作，声电转换效率较低本实用新型的目的是提高上述类型的压电型声电换能器的声电转换效率。
为此，本实用新型提供了一种压电声电换能器，包括一个压电薄膜。所述薄膜做成呈凹凸不平状；所述薄膜以这样的方式被极化，使得构成每个凸起/凹陷的所述薄膜的部分的极化方向朝向该凸起/凹陷的顶部/底部。
所述薄膜可做成从其侧视图看为W型。
可将所述薄膜的轮廓制成圆柱形(其中W型凹槽与所述圆柱的母线平行或垂直)、球形或月芽形。
这样，压电薄膜当在与所述凹凸方向垂直的方向受力时，将以剪切模式进行声电转换，从而可明显提高声电的转换效率。
当将压电薄膜的轮廓制成圆柱形、球形或月芽形，直接承受声波压力时，还具有如下的优点在传统的“月芽形”换能器中，当声波对铜板的压力转化为对压电陶瓷薄膜的拉力时，铜板自身的恢复效应使应力传输损耗很大；在本实用新型的换能器中，制成具有上述轮廓的压电薄膜可直接承受声波压力，不存在上述转化过程和上述应力传输损耗，从而可进一步提高换能器的灵敏度。
此外，本实用新型的换能器的灵敏度与压电薄膜的厚度无关，因此，根据本实用新型，可以通过减小压电薄膜的厚度的方法提高换能器的电容而不降低灵敏度，从而可以有效地降低其输出阻抗，这在对低频信号的探测中是极其有益的。
以下结合
本实用新型的具体实施方式
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图1a和图1b分别是按照本实用新型的一种实施方式的压电薄膜的侧视图和主视图；图2是图1a和图1b所示的压电薄膜的轮廓做成圆柱形时的示意图，其中压电薄膜的凹槽与圆柱母线平行；图3是图2所示的压电薄膜的灵敏度增益与圆柱半径和压电薄膜厚度的比值之间的关系的曲线图；图4是图1a和图1b所示的压电薄膜的轮廓制成月芽形时的示意图；图5a和图5b分别是图1a和图1b所示的压电薄膜的轮廓做成圆柱形时的主视图和俯视图，其中压电薄膜的凹槽与圆柱母线垂直。
图6是图1a和图1b所示的压电薄膜的轮廓做成球形时的示意图。
如图1a和图1b所示，按照本实用新型的一种实施方式的压电薄膜宽度为L，厚度t，其形状做成从侧视图看呈W形，具有凸起a、c、e等和凹陷b、d等。该W形薄膜的轮廓厚度为h。它的极化采用头对头的方式，极化方向分别指向各凸起a、c、e等，如图1a中的箭头所示。该W形薄膜的相对表面镀有信号输出电极。当该W形薄膜受到垂直于其凹槽的压缩应力F时，它将声信号转换成电信号。
将图1a和图1b所示的W形薄膜制成圆柱形，其中凹槽与圆柱母线平行，再将圆柱的两端封住，从而制成如图2所示的W柱型换能器。当该换能器受到均匀的静压力P时，由于拱形结构的作用，薄膜沿垂直其凹槽的方向将受到一个远大于该静压力P的压缩应力F。由于圆柱结构对W形薄膜的应力放大作用，这种换能器有很高的探测灵敏度。
这种W柱型换能器的灵敏度增益G5p可由下列公式给出G5p=Rcosα/2t---(1)]]>其中R和t分别代表圆柱半径和薄膜厚度，α为W性薄膜的夹角(如图1a所示)。运用公式(1)算得的图2所示的换能器的灵敏度增益如图3所示。从该图可以清楚地看出，采用较大的R/t值和较小的α值可以获得高的灵敏度增益。
这种W柱型换能器的灵敏度s由下列公式给出s＝Rg15cosα/2 (2)其中g15表示压电系数。由公式(2)可明显看出，换能器灵敏度与薄膜厚度无关。因此，可以通过减小薄膜厚度获得较大的电容而又不降低灵敏度。
如果将图1a和图1b所示的W形薄膜轮廓制成月芽形状(如图4所示)，则可以保证高灵敏度的前提下，大大减小换能器的体积。这种W月芽型换能器在实现小体积方面具有很大的潜力。
此外，也可以将图1a和图1b所示的W形薄膜轮廓制成其母线与凹槽垂直的圆柱形(见图5a和图5b)，或者制成球形(如图6所示)。
需要指出的是，压电薄膜的形状不限于上述的W形，而可是各式各样的凹凸形状，甚至不必是规则的，但是，压电薄膜的极化必须采用头对头的方式。此外，本实用新型的换能器可同时兼做收发器。
本实用新型的压电薄膜也可用在本说明书开始部分所描述的传统的“月芽形”换能器中，从而大大提高其灵敏度。
本实用新型的换能器中的具有凹凸形状的压电薄膜可由对应形状的模具制成。例如，将压电陶瓷粉末放入模具中高压成型并经烧结制成本实用新型的压电薄膜。之后，将制成的压电薄膜的相对表面上的各凸起上镀上极化电极，经高压极化后，重新将相对表面镀上电极制成换能器。
权利要求1.一种压电声电换能器，包括一个压电薄膜，其特征在于所述薄膜做成呈凹凸不平状；所述薄膜以这样的方式被极化，使得构成每个凸起/凹陷的所述薄膜的部分的极化方向朝向该凸起/凹陷的顶部/底部。
2.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于所述薄膜做成从其侧视图看为W型。
3.根据权利要求2所述的换能器，其特征在于所述薄膜的轮廓制成圆柱形，其中W型凹槽与所述圆柱的母线平行。
4.根据权利要求2所述的换能器，其特征在于所述薄膜的轮廓制成圆柱形，其中W型凹槽与所述圆柱的母线垂直。
5.根据权利要求2所述的换能器，其特征在于所述薄膜的轮廓制成球形。
6.根据权利要求2所述的换能器，其特征在于所述薄膜的轮廓制成月芽形。
专利摘要本实用新型公开了一种压电声电换能器,包括一个压电薄膜。所述薄膜做成呈凹凸不平状;所述薄膜以这样的方式被极化,使得构成每个凸起/凹陷的所述薄膜的部分的极化方向朝向该凸起/凹陷的顶部/底部。这样,压电薄膜当在与所述凹凸方向垂直的方向受力时,将以剪切模式进行声电转换,从而可明显提高声电的转换效率。此外,本实用新型的换能器的灵敏度与压电薄膜的厚度无关,因此,可以通过减小压电薄膜的厚度的方法提高换能器的电容而不降低灵敏度。
文档编号H04R17/00GK2359850SQ9920160
公开日2000年1月19日 申请日期1999年1月7日 优先权日1999年1月7日
发明者焦秉立 申请人:焦秉立