[发明专利]超声波传感器及扬声器

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波传感器及扬声器，尤其是一种压电陶瓷超声波传感器及使用这类传感器实现声波定向传播的扬声系统。

背景技术

传统的扬声系统通常利用电磁力驱动锥型盆产生活塞运动，与空气直接耦合发出声音，这类扬声器所发出的声波是多向传播的。根据声学理论，频率大于20千赫(kHz)的超声波具有较高的指向性，而且随着频率的进一步提高，指向性更强；声压超过一定门限(例如：120分贝)的声波在传播时，会与传播媒介(例如：空气)产生非线性交互作用，导致谐波成分的出现；另外，两种基波(例如：f₁，f₂)在空气中的非线性交互作用，会产生(f₁-f₂)及(f₁+f₂)两个新的分量。运用这些理论，一些人着手研究声音定向技术及相关的扬声系统，例如，Yoncyama，Kamakura，Kumamoto，Aoki和Ikegaya发表了一篇论文，The AudioSpotlight：An application of nonlinear interaction of sound waves to anew type of loudspeaker design，J.Acoust.Soc.Am.73(5)，May 1983：pp1532-1536。这篇论文描述了一个超声波传感器阵列，由547个独立的商品化压电陶瓷超声波传感器单元组成，这类单元的共振频率大约为40千赫，其商业用途多为测距应用；在Yoneyama等人的论文中，调幅信号驱动传感器产生混频超声波(20千赫～60千赫)，在空气中干涉解调出普通的声波；虽然这个超声波扬声器能实现一定程度的声音定向传播，但与指向性好、转换效率高、失真小的实用化目标有很大的距离。原因是：(1)独立的传感器单元间存在相位及幅度差别，声音扭曲严重、电声转换效率低；(2)制造及装配工艺复杂；(3)系统极其庞大、造价高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种超声波传感器及扬声器。

本发明所采用的技术方案是：超声波传感器，拥有一体化的块体压电陶瓷薄膜结构，包括具有一定模式的上电极层、压电陶瓷层、下电极层和基体；所述的基体包含很多空腔及基体薄膜单元，基体薄膜单元与压电陶瓷一起形成超声波振子，在驱动信号作用下，振子产生纵向弯曲运动并通过空气媒介进一步产生超声波。

一种适于超声波传感器批量生产的制造方法，包含基体空腔及基体薄膜单元振列形成、一体化的块体压电陶瓷片与基体粘结、块体压电陶瓷片减薄、传感器上电极层及电极模式形成、空腔封装几个环节；其特征在于通过一体化的块体压电陶瓷粘结、化学机械抛光减薄工艺获取压电陶瓷薄膜；所述的压电陶瓷薄膜与基体薄膜一起形成超声波振子。

一种超声波扬声器包括信号处理模块、驱动器及前述的超声波传感器；所述的信号处理模块把音频信号(20赫兹～20千赫)调制到大于40千赫的频率范围；所述的调制方式采用频率及相位混合调制。

本发明的传感器指向性高、失真小、成本低、转换效率高、适于批量制造。

附图说明

图1(A)是本发明所述的超声波传感器三维示意图。

图1(B)是本发明所述的超声波传感器截面示意图。

图中：11是传感器单元，12是上电极层，13是压电陶瓷层，14是下电极层带，15是基体，16是后盖，17是基体空腔，18是基体薄膜单元。

图2是本发明所述的超声波传感器制造工艺流程图。

图中：21是块体压电陶瓷片，22是它的上电极，23是它的下电极。

图3是利用本发明所述的超声波传感器形成的超声波扬声系统。

图中：31是信号处理模块，32是驱动器，33是混频超声波信号。

具体实施方式