一种多稳态超声检测传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种用于超声检测领域的多稳态传感器，包括声阻匹配层、金属电极、压电薄膜、耐高压绝缘层、空腔密封层、背衬层和机电控制电路板，其特征在于所述的超声检测传感器通过机电控制电路在同一个超声换能器单元上实现压电式超声传感和电容式超声传感相互组合的多稳态工作方式，且每个稳态工作方式可按照任意超声频率设计，如按照电容式低频超声传感和压电式高频超声传感进行设计，兼顾超声检测的深度和分辨率。这种多稳态超声检测传感器可灵活应用于气态、液态、固态媒体介质的超声探测，阻抗匹配简单，体积小易于集成，可批量化生产，成本低，在水中声波探测、生物医学成像及工业超声无损检测等领域具有应用前景。

A new type of multi steady state ultrasonic testing sensor

The invention relates to a new steady state for multi sensor field of ultrasonic testing, including acoustic matching layer and a metal electrode, piezoelectric film, high-voltage insulation layer, cavity sealing layer, a backing layer and electromechanical control circuit board, which is characterized in that the ultrasonic detection of the sensor through the electromechanical control circuit to achieve steady state the working mode of piezoelectric ultrasonic sensor and capacitive ultrasonic sensor are combined in the same ultrasonic transducer unit, and each state mode according to the random ultrasonic frequency is designed according to the design, such as capacitive sensing and low-frequency ultrasonic piezoelectric ultrasonic sensor, both ultrasonic detection depth and resolution. The multi stable ultrasonic detection sensor can be flexibly applied to ultrasonic gaseous, liquid and solid media detection, impedance matching is simple, small volume and easy integration, batch production, low cost, in water wave detection, biomedical imaging and industrial ultrasonic nondestructive testing field has application prospect.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新型的多稳态超声检测传感器，主要用于超声检测和超声成像，具体地说，是利用控制电路在同一个超声换能器单元上实现压电式超声传感和电容式超声传感相互组合的多稳态工作方式，适用于水中声波探测、生物医学成像及工业超声无损检测等领域。
技术介绍
超声波是一种频率高于听阈的弹性波，具有声能集中、方向性良好、穿透力强、水中传播距离远等特点，在医学诊断治疗、工业无损检测、水中声波探测、超声波成像等方面具有广阔的应用背景。超声波换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换成电信号的能量转换器件，按照电声转换原理的不同，超声换能器主要包括压电式超声换能器和电容式超声换能器等。压电式超声换能器是利用压电元件受力或电激励后产生的的正或逆压电效应来实现超声波的发射与接收的，目前使用最为广泛，具有机电转换效率高、加工工艺简单、技术实现方便、价格低廉和性能可靠等优点，且压电材料的声阻抗与固体材料的声阻抗在相同数量级上。但是，该换能器也具有很突出的缺点，如压电材料声阻抗很大而与气、液体介质声阻抗失配，带宽低，高频换能器的压电薄膜不易加工，在恶劣环境中性能差甚至无法工作等。目前解决压电薄膜与介质之间的阻抗失配的方法是在中间增加一个阻抗匹配层，但由于匹配层不能加工太薄而进一步限制换能器的工作频率不能很高，且牺牲换能器的带宽，增加结构的复杂性和生产成本。电容式超声换能器是利用平板电容两电极板之间的静电力和顶部电极(带有薄膜)自身的结构应力之间的力平衡原理制成的。通过在电容上施加一定频率的交流电压信号使薄膜发生振动而产生超声波，或者当薄膜接收到超声波时因声压作用而产生相应超声波频率的机械振动，在平板电容两端加上一定的直流偏置电压，则此时由于薄膜的振动而产生变化的电流，从而换能器实现超声波的发射和接收。电容式超声换能器具有阻抗与气、液体介质阻抗易匹配，带宽高，工作频率范围大，可制造成一维线阵列和二维面阵列，且易于与电子电路集成，可适应恶劣环境(如高温)等特点，但也存在寄生电容大、输出声压低等问题。由于MEMS微加工技术具有较高的准确度和重复性以及良好的一致性等优点，成为加工超声换能器的一种新的技术途径，基于MEMS制作工艺的压电式微加工超声换能器(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer,pMUT)和电容式微加工超声换能器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,cMUT)逐渐成为研究热点。目前国内外对于pMUT和cMUT的研究基本上都停留在对超声换能器单一稳态的设计分析，即要么采用pMUT及其阵列(Qiu Y,Gigliotti J V,Wallace M,et al.Piezoelectric micromachined ultrasound transducer(pMUT)arrays for integrated sensing,actuation and imaging[J].Sensors,2015,15(4):8020-8041.)，要么采用cMUT及其阵列(Zhang R,Zhang W,He C,et al.Underwater Imaging Using a 1×16cMUT Linear Array[J].Sensors,2016,16(3):312.)，加工后的换能器单元工作方式单一固定。传感器工作频率低虽然可实现较长的检测深度，但是分辨率较低，反之，传感器工作频率高虽然可实现较高的分辨率，但是检测深度较短，无法做到兼顾检测深度和分辨率，或者采用多种传感器集成增加了器件体积与复杂性，传感器及其阵列具有pMUT或cMUT固有的缺陷。因此，需要研究一种多稳态的超声检测传感器，结合pMUT和cMUT的优点，利用MEMS微加工技术制作超声换能器，在一个单元中实现pMUT和cMUT两种工作方式，以实现体积小易于集成阵列、器件设计灵活、工作频率可调、可广泛应用于工业、农业、交通运输、生活医疗及军事等领域的微型超声检测传感器为目标。虽然压电式微加工超声换能器可实现弯曲振动和厚度振动两种工作模式(Hedegaard T,Pedersen T,Thomsen E V,et al.Screen printed thick film based pMUT arrays[C]//2008IEEE Ultrasonics Symposium.IEEE,2008:2126-2129.)，但是一个换能器单元只能选择其中一种模式工作，无法选择性切换，具有压电式超声换能器固有的缺点，且两种工作模式增加了器件阻抗匹配的难度，进一步影响传感器的性能。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术方案中存在的不足，在其基础上提出一种新型的多稳态超声检测传感器，利用控制电路在同一个超声换能器单元上可实现压电式超声传感和电容式超声传感相互组合的多稳态工作方式，兼顾了超声检测的深度和分辨率，工作原理如图1所示。本专利技术的技术方案如下：一种新型的多稳态超声检测传感器，包括声阻匹配层、金属电极、压电薄膜、耐高压绝缘层、空腔密封层、背衬层和机电控制电路板。按压电式超声传感和电容式超声传感稳态工作频率的不同，整体结构有两种形式，如图2和图3所示。所述的多稳态超声检测传感器，按照结构如图2所示，其特征在于：所述多稳态超声检测传感器可按照pMUT和cMUT两种方式组合工作，pMUT工作方式通过上层压电薄膜来实现，该压电薄膜上、下两端为金属电极，顶端电极上面为声阻匹配层，底端电极下面为上层空腔密封层；cMUT工作方式通过下层压电薄膜和下层空腔密封层来实现，下层压电薄膜上、下两端为金属电极，顶端电极上面为耐高压绝缘层，底端电极下面为下层空腔密封层，该空腔层下面为耐高压绝缘层，该绝缘层下面为金属电极，在金属电极下面为背衬层，在背衬层下面为机电控制电路板。所述如图2所示的多稳态超声检测传感器，其超声检测的工作原理为：(1)在pMUT工作方式下，将A、B、C、D金属电极通孔引线级联在一起作为供电地线，若在E金属电极上施加适当大小的高频电压信号，则由于逆压电效应使得压电薄膜发生振动而发射超声波，若压电薄膜接收到超声波则会按照相应的频率振动，由于正压电效应，薄膜的振动将产生相应频率的电压并经放大以后被检测，此过程中下层压电薄膜无振动；(2)在cMUT工作方式下，将D、E金属电极通孔引线级联在一起，在上层空腔上、下两端电极(构成平板电容)间施加足够强度的电压，由于两金属电极板之间的静电力大于结构应力，上层压电薄膜与下层压电薄膜吸合在一起作为新压电薄膜(图4)，将A金属电极作为供电地线，若在下层空腔密封层上、下两端电极(构成平板电容)间施加适当大小的高频电压信号，新压电薄膜由于交变的静电力作用而产生超声波并发射出去，若新压电薄膜接收到超声波，薄膜由于一定频率的声压作用而产生相应频率的振动，此时在下层空腔密封层上、下两端电极间施加一定大小的直流偏置电压并并联一定大小的电容，则由于压电薄膜的振动最终产生相应的可测电流，实现超声波的接收和检测。所述的多稳态超声检测传感器，按照结构如图3所示，其特征在于：所述多稳态超声检测传感器可按照pMU本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型的多稳态超声检测传感器，包括声阻匹配层、金属电极、压电薄膜、耐高压绝缘层、空腔密封层、背衬层和机电控制电路板，其特征在于传感器在同一个超声换能器单元上实现压电式超声传感和电容式超声传感相互组合的多稳态工作方式，利用机电控制电路可实现工作方式切换，每种稳态方式按照各自的工作频率发射或接收超声波。

【技术特征摘要】
1.一种新型的多稳态超声检测传感器，包括声阻匹配层、金属电极、压电薄膜、耐高压绝缘层、空腔密封层、背衬层和机电控制电路板，其特征在于传感器在同一个超声换能器单元上实现压电式超声传感和电容式超声传感相互组合的多稳态工作方式，利用机电控制电路可实现工作方式切换，每种稳态方式按照各自的工作频率发射或接收超声波。2.根据权利要求1所述的多稳态超声检测传感器，其特征在于：所述的传感器分别按照pMUT和cMUT稳态方式工作时的一阶弯曲振动频率为：其中，αp1和αc1分别为pMUT和cMUT模式下的一阶振动因子，tp和tc分别为pMUT和cMUT模式下压电薄膜的厚度，a为压电薄膜的边长(正多边形)或半径(圆形)，Y0为压电薄膜的杨氏模量，v为压电薄膜的泊松比。3.根据权利要求2所述的多稳态超声检测传感器，其特征在于：所述的超声检测传感器可按pMUT和cMUT工作方式组合成双稳态或多稳态结构，且每种稳态下超声频率可任意选择设计。4.根据权利要求3所述的多稳态超声检测传感器，其特征在于：所述的多稳态超声检测传感器可按照pMUT方式进行低频超...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉菲，姜森林，孙长河，代付康，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50