[发明专利]机械槽增强型差分式压电超声换能器及其工作方法

说明书

本发明提出了一种机械槽增强型差分式压电超声换能器及其工作方法。该超声换能器，包括超声换能器本体，超声换能器本体包括底部设有空腔的基底层、固设于该基底层上的停止层以及自基底层往停止层方向依次设置的弹性层、底电极、压电层，压电层上设有顶部内电极，顶部内电极外周环绕设置有顶部外电极，顶部内电极与顶部外电极之间设有机械槽组，该机械槽组的开口朝向压电层方向。该超声换能器结构简单，顶部内电极和顶部外电极这种差分式电极设计使得该超声换能器能工作在差分式电极工作模式下，此模式的理想状态下的信号将会双倍增强于单电极工作模式，同时机械槽的设计也可增强超声换能器的输出信号、敏感信号，进而提高了其传感灵敏度。

技术领域

本发明涉及超声检测技术领域，具体涉及一种应用于距离测量、手势识别、液体流速及流量测量等领域的机械槽增强型差分式压电超声换能器及其工作方法。

背景技术

超声检测(传感)技术作为声学传感技术的一种，是指利用超声波的较好的方向性、较强的指向性以及较小的衰减性等特性对距离、流速、流量等物理参数进行检测的技术。压电超声换能器作为高端超声检测仪器的核心部件，是一种利用正压电效应和逆压电效应进行声-电和电-声转换的能量转换型器件。当压电超声换能器作为发射端时，其发出的超声波在介质中进行传播时，由于介质中的物理环境变化(如在空气中的传播距离、在固体中的传播距离、液体介质的流速、液体介质的流量等)。因此可以通过测量便宜测量的电学量改变推断出待测外界物理量的具体参数，从而达到测量外界物理量的目的。

目前在超声换能器领域，存在输出信号小、敏感信号弱、灵敏度低、制造性差和无法大规模阵列化等问题。在超声换能器件的使用过程中，敏感信号是一个非常重要的性能指标，敏感信号的强弱直接关系着超声检测器件的灵敏度的大小，而灵敏度的大小直接关系着超声检测器件的检测水平，是检测仪器十分重要的静态指标。输出信号小，敏感信号弱，灵敏度小将使得超声换能器芯片无法正常使用，无法发挥性能作用，更加不能进行大规模的推广应用。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种机械槽增强型差分式压电超声换能器及其工作方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种机械槽增强型差分式压电超声换能器，包括超声换能器本体，所述超声换能器本体包括底部设有空腔的基底层、固设于该基底层上的停止层以及自所述基底层往停止层方向依次设置的弹性层、底电极、压电层，所述压电层上设有顶部内电极，所述顶部内电极外周环绕设置有顶部外电极，所述顶部内电极与顶部外电极之间设有机械槽组，该机械槽组的开口朝向压电层方向。

该超声换能器结构简单，顶部内电极和顶部外电极这种差分式电极设计使得该超声换能器能工作在差分式电极工作模式下，此模式的理想状态下的信号将会双倍增强于单电极工作模式，同时机械槽的设计也可增强超声换能器的输出信号、敏感信号，进而提高了其传感灵敏度。

该机械槽增强型差分式压电超声换能器的优选方案：所述机械槽组包括第一机械槽组和第二机械槽组，所述第一机械槽组宽度不小于第二机械槽组宽度。

所述第一机械槽组包括四个第一机械槽体，所述第一机械槽体均匀分布且圆形环绕于超声换能器本体中心；

所述第二机械槽组包括四个第二机械槽体，所述第二机械槽体均匀分布且圆形环绕于超声换能器本体中心；

所述第一机械槽体底部开设所述第二机械槽体，且两者一一对应设置。

四个第一机械槽体和四个第二机械槽体均能影响超声换能器的振动情况，可增大差分式压电超声换能器的输出信号、敏感信号，进而增大差分式压电超声换能器的灵敏度。

本发明还提出了一种机械槽增强型差分式压电超声换能器工作方法，该超声换能器的工作模式包括发射模式和接收模式；