[发明专利]一种具有多电极多压电层的超声换能器

说明书

本发明公开了一种具有多电极多压电层的超声换能器，所述换能器包括由上到下依次设置的七层结构，第一层结构和第五层结构均为纯电极层或复合电极层，第二层结构、第四层结构和第六层结构均为纯压电层，第三层结构和第七层结构均为复合电极层或纯电极层，所述复合电极层包括电极和绝缘间隙。本发明提出的换能器具有极低的电功耗，实现了降低换能器功耗、提高换能器的超声波输出声功率，特别是在低功耗且高声功率输出应用、小尺寸应用、高频超声波应用等场景拥有了巨大实用价值，进一步推动了工业超声和医学超声应用拓展的创新与实现。

技术领域

本发明涉及超声波换能器领域，尤其是涉及一种具有多电极多压电层的超声换能器。

背景技术

超声换能器是产生超声波的核心部件，其主要利用了压电材料的逆压电效应，完成激励信号电能与超声波机械能之间的转换工作。传统应用的换能器部件由压电材料，通过机械加工、研磨、热处理、极化等工艺制作成各种形状，压电材料两面采用涂抹电极层，形成电极层-压电层-电极层的结构，当在两个电极层上施加交流电信号进行激励，中间压电层的厚度方向就会因压电材料的逆压电效应而出现拉伸和收缩的现象，这种拉伸和收缩的位移变化量就是形成超声波的初始源，当换能器周围存在可以传播超声波的介质，从换能器表面就会向外发射出超声波。

现有技术在传统的电极层-压电层-电极层换能器结构基础上进行了创新改进，实现了类似电极层-压电层-电极层-中性层-电极层-压电层-电极层…的多压电层结构，形成多电极多压电层激励的微结构换能器。现有换能器中存在以下问题：

1、制造工艺复杂且制造成本很高；

2、电功耗高、输出声功率低；

3、换能器模态振型差，易导致声场空间分布不均；

4、换能器在超声成像应用中横向扫描上的分辨率低。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种具有多电极多压电层的超声换能器解决了现有换能器制造工艺复杂且制造成本很高、电功耗高、输出声功率低、换能器模态振型差，易导致声场空间分布不均、换能器在超声成像应用中横向扫描上的分辨率低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种具有多电极多压电层的超声换能器，所述超声换能器包括由上到下依次设置的七层结构，第一层结构和第五层结构均为纯电极层或复合电极层，第二层结构、第四层结构和第六层结构均为纯压电层，第三层结构和第七层结构均为复合电极层或纯电极层，所述复合电极层包括电极和绝缘间隙。

上述方案的有益效果是：通过上述技术方案，在相同幅值激励电压下，采用了多电极叠加激励驱动，大大增强了换能器发射超声波时的最大位移振幅，提高了换能器的声输出功率，降低了换能器的电功耗。本方案具有更好的换能器模态振型，不易受非压电结构弯曲的不确定性影响，提高了发射超声声场空间分布均匀性。

进一步地，纯电极层和复合电极层均由电极组成，各电极属性相同，仅在尺寸上有差异，所述纯压电层由压电薄膜组成，各压电薄膜属性相同，仅在尺寸上有差异。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，形成了电极层和压电层交替排列的组合结构，实现每个电极区域对超声波的叠加，复合电极层中的电极之间是相互独立的，在换能器驱动控制策略中，可以做到单个电极激励驱动，可发射出更窄的超声波束，且超声波束的宽度就由单个电极的宽度决定，这就提高了本发明涉及的单个超声换能器在超声成像应用中横向扫描的分辨率。

进一步地，电极由导电材料制作，压电薄膜由具有压电效应的材料制作。

上述进一步方案的有益效果是：由导电材料制作的电极，以及压电效应的材料制作的压电薄膜，用于实现电极施加交流电后进行激励，同时实现电极上电压幅值产生的压电材料位移振幅相互叠加。

进一步地，复合电极层中的电极和绝缘间隙依次间隔排列，且电极和绝缘间隙的尺寸和数量均是可变的。