CN106198724B

CN106198724B - 一种多稳态超声检测传感器

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Publication number: CN106198724B
Application number: CN201610503035.6A
Authority: CN
Inventors: 刘玉菲; 姜森林; 孙长河; 代付康
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-11-02
Anticipated expiration: 2036-06-30
Also published as: CN106198724A

Abstract

本发明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。

Description

一种多稳态超声检测传感器

技术领域

本发明涉及一种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。

背景技术

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,etal.Piezoelectric micromachined ultrasound transducer(pMUT)arrays forintegrated 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.Screenprinted 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。

发明内容

本发明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。本发明的技术方案如下：

一种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pMUT和cMUT两种方式组合工作，pMUT工作方式通过下层压电薄膜来实现，该压电薄膜上、下两端为金属电极，顶端电极上端为耐高压绝缘层，该绝缘层上面为上层空腔密封层，底端电极下面为下层空腔密封层，该空腔层下面为背衬层，在背衬层下面为机电控制电路板；cMUT工作方式通过上层压电薄膜和上层空腔密封层来实现，上层压电薄膜上、下两端为金属电极，顶端电极上面为声阻抗匹配层，底端电极下面为下层空腔密封层，下层空腔密封层上、下两端分别为上层压电薄膜底端电极和耐高压绝缘层。

所述如图3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cMUT工作方式下，将A、B金属电极通孔引线级联在一起作为供电地线，若在上层空腔上、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，上层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，若上层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，此时在上层空腔密封层上、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，此过程中下层压电薄膜无振动。

(2)在pMUT工作方式下，在B、C金属电极两端(构成平板电容)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5)，将A金属电极作为供电地线，若在下层压电薄膜上、下两端电极间施加适当大小的高频电压信号，则上层压电薄膜相当于负载作用在下层压电薄膜上端，由于逆压电效应使得新压电薄膜发生振动而发射超声波，若新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。

所述的多稳态超声检测传感器(图2、图3)按照pMUT方式工作时，其一阶弯曲振动频率可以确定为：其中，α_p1为pMUT方式下的一阶振动因子，t_p为压电薄膜的厚度，A为压电薄膜的表面积，Y₀为压电薄膜的杨氏模量，ρ为压电薄膜的密度，ν为压电薄膜的泊松比。

所述的多稳态超声检测传感器(图2、图3)按照cMUT模式工作时，其一阶弯曲振动频率可以确定为：其中，α_c1为pMUT方式下的一阶振动因子，t_c为压电薄膜的厚度，A为压电薄膜的表面积，Y₀为压电薄膜的杨氏模量，ρ为压电薄膜的密度，ν为压电薄膜的泊松比。由空腔密封层上、下两端电极构成的平板电容发生吸合时的塌陷电压为：其中，k为压电薄膜的弹性系数，d₀为空腔层初始高度，ε₀为真空中的介电常数，A为压电薄膜的表面积。压电薄膜的位移形变与施加的激励电压之间的关系为：当时平板电容发生吸合。

所述的多稳态超声检测传感器，机电控制电路板用来控制超声检测传感器的工作方式和超声换能器发射与接收模式，可以是一层或多层电路板，可以使用印制电路板或者柔性电路板，电路板可以采用铜箔或其他导电材料代替。此外，电路板可以固定在背衬层表面、金属电极表面或压电薄膜的表面。

所述的多稳态超声检测传感器，耐高压绝缘层的作用是在电容极板发生吸合时防止电学短路并避免被高压击穿。

所述的多稳态超声检测传感器，压电薄膜为一层或由多层叠加而成，压电材料选自压电陶瓷、压电单晶、压电复合材料或压电聚合物。其中，压电陶瓷可以是PZT、AlN或ZnO。

所述的多稳态超声检测传感器，声阻抗匹配层为一层或由多层叠加而成，本超声检测传感器不对声阻抗匹配层的材料具体限定，声阻抗匹配层的厚度由换能器设计的声学要求所决定。

所述的多稳态超声检测传感器，其结构外形可以为圆形、方形或者多边形平面元件，换能器的尺寸由工作频率所决定，换能器的表面积越大，厚度越薄，则换能器的一阶谐振频率越低，反之则一阶谐振频率越高。换能器可以根据应用需求设计不同稳态工作频率组合的传感器，比如pMUT稳态工作方式下超声频率为5MHz、cMUT稳态工作方式下超声频率为20MHz的超声检测传感器(图2)，或者cMUT稳态工作方式下超声频率为5MHz、pMUT稳态工作方式下超声频率为20MHz的超声检测传感器(图3)。在一些具体实施方式中，所述多稳态超声检测传感器可以为1D、2D等阵列超声换能器，其中，1D阵列换能器是指换能器单元沿着长度方向直线排列，2D阵列换能器是指换能器单元沿着长度和宽度方向直线排列。

所述的多稳态超声检测传感器，传感器可以为单阵元换能器或由多个阵元按同心圆的方式排列的超声换能器。

通过本设计实现的多稳态超声检测传感器具有体积小易于集成、功耗低、性能可靠、工作频率可调、超声检测方式可自由切换等优势，通过不同的外封装形式，该器件可以在真空、空气、水下等多种不同环境进行超声检测。与现有的方法相比，本发明设计的多稳态超声检测传感器具有以下特点：

(1)通过适当的结构设计将压电式微加工超声换能器(pMUT)和微电容超声换能器(cMUT)两种类型的换能器工作方式结合在一起，突破传统器件只能以单一稳态方式工作的局限，实现多稳态超声检测；

(2)通过调整换能器的结构参数，可实现对任意超声频率组合的多稳态超声检测，比如可以通过机电控制电路实现低频超声传感和高频超声传感，兼顾了超声检测的深度与分辨率，结构设计灵活，应用前景广泛；

(3)本器件兼具pMUT和cMUT的优点，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，甚至不需要匹配层；

(4)本器件采用微纳加工技术制作，体积小，功耗低，有利于器件的批量化生产，器件生产成本低，性能一致性好；

(5)该器件可以广泛应用于水中声波探测、生物医学成像及工业超声无损检测等多种领域

附图说明

图1：多稳态超声检测传感器工作原理图；

图2：pMUT稳态频率为5MHz、cMUT稳态频率为20MHz的超声检测传感器侧面结构示意图(结构一)；

图3：cMUT稳态频率为5MHz、pMUT稳态频率为20MHz的超声检测传感器侧面结构示意图(结构二)；

图4：结构一所示的传感器在两层压电薄膜发生吸合时示意图；

图5：结构二所示的传感器在两层压电薄膜发生吸合时示意图。

附图中的标号分别为：1、机电控制电路板，2、背衬层，3、耐高压绝缘层，4、金属电极，5、空腔密封层，6、压电薄膜，7、声阻抗匹配层。

具体实施方式

本发明提供一种多稳态超声检测传感器，包括机电控制电路板1、背衬层2、耐高压绝缘层3、金属电极4、空腔密封层5、压电薄膜6和声阻抗匹配层7。下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方法。

本实施例提供的一种多稳态超声检测传感器，其具体的技术实施思路：采用机电控制电路控制多稳态超声检测传感器的工作方式，根据实际应用需求在pMUT和cMUT两种方式之间切换，再根据所需换能器的工作模式选择发射或接收超声波，如图1所示。

本实施例提供两种不同结构的多稳态超声检测传感器：pMUT稳态工作超声频率为5MHz、cMUT稳态工作超声频率为20MHz的超声检测传感器，结构侧面如图2所示；cMUT稳态工作超声频率为5MHz、pMUT稳态工作超声频率为20MHz的超声检测传感器，结构侧面如图3所示。

在结构一所示的多稳态超声检测传感器(图2)中，pMUT方式下的超声换能器主要包括五层，即上层压电薄膜6、上层压电薄膜顶端和底端金属电极4、顶端金属电极上层为声阻抗匹配层7、底端金属电极下层为上层空腔密封层5，其余部分对于传感器工作状态无影响，可不作考虑。当换能器以发射模式工作时，在上层压电薄膜两端金属电极间施加适当大小的高频激励电压，当换能器以接收模式工作时，在上层压电薄膜两端金属电极间输出超声波相应频率的电压信号。cMUT方式下的超声换能器需先在上层空腔密封层两端金属电极(C、D)间施加足够强度的电压使得上层压电薄膜与下层压电薄膜发生吸合(塌陷模式下的换能器侧面结构如图4所示)，金属电极E与金属电极D级联，下层压电薄膜顶端电极C的上端为耐高压绝缘层3，下层压电薄膜底端电极B的下端为下层空腔密封层，该空腔密封层下端为耐高压绝缘层，绝缘层覆盖在金属电极A的上面，金属电极A的下端为背衬层2，其沉积在机电控制电路板1的上面。当换能器以发射模式工作时，在下层空腔密封层两端金属电极(A、B)间施加适当大小的高频激励电压，当换能器以接收模式工作时，在金属电极A和B间输出超声波相应频率的电流信号。

在结构二所示的多稳态超声检测传感器(图3)中，cMUT方式下的超声换能器主要包括六层，即上层空腔密封层5、该空腔密封层顶端为金属电极4、金属电极C的上端为上层压电薄膜6，该压电薄膜的上端为声阻抗匹配层7，耐高压绝缘层3在上层空腔密封层和金属电极B中间，其余部分对于传感器工作状态无影响，可不作考虑。当换能器以发射模式工作时，在上层空腔密封层两端金属电极间施加适当大小的高频激励电压，当换能器以接收模式工作时，在金属电极B和C间输出超声波相应频率的电流信号。pMUT模式下的超声换能器需先在上层空腔密封层两端金属电极(B、C)间施加足够强度的电压使得上层压电薄膜与下层压电薄膜发生吸合(塌陷模式下的换能器侧面结构如图5所示)，下层压电薄膜顶端为金属电极B，下层压电薄膜的底端为耐高压绝缘层，该绝缘层覆盖在金属电极A的上端，金属电极A的下端为背衬层2，其沉积在机电控制电路板1的上端。当换能器以发射模式工作时，在下层空腔密封层两端金属电极(A、B)间施加适当大小的高频激励电压，当换能器以接收模式工作时，在金属电极A和B间输出超声波相应频率的电压信号。

需要说明的是，每一层材料均可以是一层或有多层叠加而成，例如声阻抗匹配层可以有一层或多层，压电薄膜也可以有一层或多层。机电控制电路板的位置不限于在背衬层的底端，例如可以将其设置在压电薄膜的侧面，电路板中可以加入控制换能器发射和接收的专用集成电子电路芯片(ASIC)。

本实施例中所述的压电薄膜，其材料可以是压电陶瓷、压电单晶、压电复合材料或压电聚合物等。其中，压电陶瓷可以是PZT、AlN、ZnO或者其他压电材料。压电薄膜外形可以为圆形、方形或者多边形平面元件。

在实施例中，耐高压绝缘层没有具体限定，只要能起到在电容极板发生吸合时防止短路并避免被高压击穿即可，例如聚氟乙烯、聚乙烯、聚乳酸等材料。

本实施例中器件参数的选择可根据实际应用中所需工作频率的要求以及加工工艺的水平来设定，工作频率越高则换能器单元整体尺寸越小。例如，若要求换能器在pMUT模式下的工作频率为3.5MHz左右(按照结构一设计)，压电薄膜选择AlN材料，则方形薄膜的边长和厚度可以分别为：50μm和0.5μm，70μm和1μm，或者85μm和1.5μm。

综上所述，本发明将pMUT和cMUT两种类型的超声换能器工作方式结合在一起，实现多稳态超声检测，可以通过机电控制电路进行低频超声传感和高频超声传感，兼顾了超声检测的深度和分辨率，可以广泛应用于工业、医疗、军事、农业等领域。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，并没有详细叙述所有的细节，也不限制本发明为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容可以做很多修改和变型。倘若对于本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种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换能器单元上实现压电式和电容式相互组合的多稳态超声传感，每种稳态工作方式按照各自的工作频率发射或接收超声波，利用机电控制电路可实现工作方式切换。

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：所述的多稳态超声检测传感器分别按照pMUT和cMUT稳态方式工作时的一阶弯曲振动频率为：其中，α_p1和α_c1分别为pMUT和cMUT模式下的一阶振动因子，t_p和t_c分别为pMUT和cMUT模式下压电薄膜的厚度，A为压电薄膜的表面积，Y₀为压电薄膜的杨氏模量，ρ为压电薄膜的密度，ν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：所述的多稳态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方式进行低频超声传感和cMUT方式进行高频超声传感，或者按照cMUT方式进行低频超声传感和pMUT方式进行高频超声传感两种结构进行设计，兼顾超声检测的深度和分辨率。

5.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：所述的声阻匹配层、压电薄膜和机电控制电路板均可为一层或由多层叠加而成。

6.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：所述的压电薄膜材料选自压电陶瓷、压电单晶、压电复合材料或压电聚合物。

7.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：所述的耐高压绝缘层作用是在电容极板发生吸合时防止电学短路并避免压电薄膜被高压击穿。

8.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：所述的金属电极选用具有良好导电性的金属材料。

9.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：所述的多稳态超声检测传感器包括超声换能器单元的一维线阵列(1D)、二维面阵列(2D)阵列换能器，或者为单阵元传感器、由多个阵元按同心环的方式排列的传感器，实现二维或三维实时成像。