[发明专利]一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器及其制备方法

说明书

本发明涉及超声换能器技术领域，公开了一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器及其制备方法，包括由下向上依次设置的下电极层、衬底层、薄膜支撑层和薄膜层，所述薄膜支撑层上表面设置有多个空腔组，每个空腔组包括多个空腔，不同空腔组的空腔半径不同，同一组的空腔半径相同，所述薄膜层上表面与所述空腔对应位置分别设置有上电极。本发明结构简单，制作方便，提高了超声换能器的响应带宽，可以广泛应用于局部放电检测领域。

技术领域

本发明涉及超声换能器技术领域，具体涉及一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器及其制备方法。

背景技术

宽频带的超声换能器对于超声成像超声检测来说是具有非常大优势的，因为宽频带可以减少超声脉冲的持续时间并提高轴向分辨率，基于超声波的诊断成像被广泛用于可视化体内结构。它高效、低成本、实时，并且没有任何有害的电离辐射。对于诊断成像，轴向成像分辨率等于空间超声脉冲长度的一半，脉冲长度越短，分辨率越高。超声脉冲由超声换能器发射和接收。通过增加工作频率可以缩短脉冲长度。然而，更高的频率导致更高的衰减，并且检测范围变得非常小。为了保证合理的检测范围，最高频率通常在10兆赫以下。实现较短脉冲长度的另一种方法是增加超声波换能器的频率带宽。当一个超声波换能器被一个短脉冲激发时，它会在共振频率下振荡几圈。因此，产生的声脉冲不能理想地缩短。如果对脉冲进行傅里叶变换，可以观察到频率的色散。脉冲实际上包含一系列频率，对于较短的脉冲，频率传播得更多。由于脉冲长度与频率带宽成反比，宽频带超声换能器可以产生非常短的脉冲，这意味着分辨率可以进一步提高。另一方面，如果适度降低频率以增加检测范围，则可以保持图像分辨率。此外，如果频率带宽足够宽，可以通过单个设备实现先进的谐波传感技术。它将显著增强成像对比度。因此，具有大频率带宽的超声换能器总是优选的。

几十年来，由块状压电陶瓷制成的超声换能器一直是主要的方法，但是其有限的带宽很难满足要求。有限的带宽主要是由于换能器与人体软组织之间的声阻抗失配较大。MUT的弯曲模式操作显著降低了其机械阻抗，最小化了换能器和工作介质之间的声阻抗失配。这一概念是使用电容传感和驱动机制实现的，称为电容MUT。在没有任何匹配层的情况下，已经实现了超过100%的非常宽的频率带宽。然而，共模抑制的工作电压非常高，例如超过100伏。这种高电压产生了安全问题并限制了共模抑制的可能应用。与共模抑制比类似，共模抑制比在弯板模式下工作，因此共模抑制比的声阻抗预计也会降低。

为了克服监测时候的带宽限制，Hajati等人想到了一个阵列，该阵列具有不同尺寸的元件和不同的谐振峰。当这些元件在水中一起工作时，所有的峰合并并形成宽带宽。虽然带宽问题得到了解决，但宽带效应是通过利用整个阵列实现的。单个像素的宽带仍然不可用，没有机械扫描就不能获得超声图像。

综上所述，现有传感器的带宽覆盖范围不够宽，没有办法将检测信号完全检测出来，在-6dB的衰减没有办法覆盖，要想检测不同频段的信号，则需要多个传感器多个设备来检测，这在实际实用中具有极大的不便，单一传感器对于单一频率信号的检测也不能达到实际需求。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器及其制备方法，以实现超声传感的带宽范围的拓展，提高检测准确率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器，包括由下向上依次设置的下电极层、衬底层、薄膜支撑层和薄膜层，所述薄膜支撑层上表面设置有多个空腔组，每个空腔组包括多个空腔，不同空腔组的空腔半径不同，同一组的空腔半径相同，所述薄膜层上表面与所述空腔对应位置分别设置有上电极。

所述的一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器，同一空腔组内的空腔上方对应的上电极通过连线与焊盘连接在一起，不同空腔组上方对应的上电极与不同的焊盘连接，施加的电压不同。

所述薄膜层上方与所述空腔对应的位置刻蚀有凹槽，使得所述薄膜层中，半径较大的空腔对应位置处的薄膜层厚度大于半径较小的空腔对应位置的薄膜层厚度。