[发明专利]一种电容式环形动态聚焦空耦超声换能器

说明书

本发明涉及一种电容式环形动态聚焦空耦超声换能器，包括金属基底，镀电极聚合物薄膜和相控阵延时激励电路；金属基底上表面设置有粗糙空穴，粗糙空穴覆盖有上表面镀电极的聚合物薄膜；金属基底由多个环形阵元构成，各环形阵元分别连接相控阵延时激励电路的一端，相控阵延时激励电路的另一端与偏置电压电路的一端连接，进而通过连接换能器金属基底电极作为激励源；其中，多个环形阵元形成环形聚焦相控阵，用于发射声波；偏置电压电路用于通过静电作用使聚合物薄膜与金属基底表面贴紧构成空穴谐振腔。本申请提供的电容式环形动态聚焦空耦超声换能器结构简单、加工制造成本低，可以实现尺寸较小阵元和实现动态聚焦，可以实现空耦动态无损检测，提高检测速度和分辨率。

技术领域

本发明涉及超声换能器领域，尤其是一种电容式环形动态聚焦空耦超声换能器。

背景技术

空气耦合超声换能器(简称空耦超声换能器)的设计和制造方法是实现非接触超声无损检测的关键技术，它是利用空气作为耦合介质，发射和接收换能器均直接和空气接触，以空气作为超声声场的耦合介质，超声换能器并不和待检测材料有直接接触。国内外实用的空耦超声换能器按照原理分有压电式空耦超声换能器和电容式空耦超声换能器。

压电式空耦超声换能器的换能元件为压电材料，对压电材料产生激励作用产生固体中的声波，其原理与水浸超声换能器或接触式超声换能器类似。但由于通常使用的压电材料的声阻抗与空气存在很大的阻抗失配，其声阻抗通常相差10⁵数量级，为了增加超声换能器辐射到空气中的声波能量，要制作压电式超声空耦换能器，需要在换能器前端设计使用具有一定层数和特定材料的匹配层结构，具体实现上通常采用微孔发泡材料、硅气凝胶等多孔材料作为匹配层材料。这种压电式空耦超声换能器的缺点是通常需要比较高的发射电压，其频率带宽相对较窄，而且对于压电材料以及匹配层材料要求比较高，制造工艺比较复杂。

电容式空耦超声换能器，其结构示意图如下图1所示。电容式空耦超声换能器与压电式空耦超声换能器相比，通过柔性聚合物薄膜实现与空气的匹配，由于薄膜厚度只有微米量级厚度，并且非常柔软，因此可以达到很好的耦合效果。与压电式超声换能器相比，电容式空耦超声换能器的结构相对简单，无需使用高的激励电压，其机电转换效率较高，尤其是相对于压电式空耦换能器其频带较宽，可以实现导波或混频等多种检测方式。

但是现有的电容式空耦超声换能器为单阵元空耦超声换能器，单阵元的空耦超声换能器具有无法构建动态聚焦声场、因此分辨率低等缺点。

发明内容

本发明的目的是解决现有的空耦超声换能器存在的上述不足，提供了电容式环形动态聚焦空耦超声换能器。

为实现上述目的，本发明提供了一种电容式环形动态聚焦空耦超声换能器，包括金属基底，金属基底上表面设置有粗糙空穴，粗糙空穴覆盖有聚合物薄膜，聚合物薄膜上表面镀有电极；金属基底由多个环形阵元构成，各个环形阵元分别连接相控阵延时激励电路的一端，相控阵延时激励电路的另一端与偏置电压电路的一端连接，偏置电压电路的另一端连接电极另一端连接地线；其中，多个环形阵元形成环形聚焦相控阵，用于发射声波；偏置电压电路用于通过静电作用使聚合物薄膜与金属基底贴紧构成粗糙空穴；相控阵延时激励电路用于对各个环形阵元进行激励并产生多个偏置信号，多个偏置信号与偏置电压电路混合形成超声换能器的激励信号。

优选的，多个环形阵元数量为2ⁿ，n为自然数。

优选的，聚合物薄膜由电绝缘材料构成。

优选的，电极材料为低电阻率导电材料，电极可以是铝电极或银电极等金属电极，也可以是石墨电极或石墨烯电极。

优选的，通过将金属基底表面机械加工、激光打孔或刻蚀或化学腐蚀获得粗糙凹槽或空槽；并通过偏置电压电路和电极将金属基底与聚合物薄膜贴近，形成粗糙空穴。