一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器及其制備方法技術

本發明專利技術涉及超聲換能器技術領域，公開了一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器及其制備方法，包括由下向上依次設置的下電極層、襯底層、薄膜支撐層和薄膜層，所述薄膜支撐層上表面設置有多個空腔組，每個空腔組包括多個空腔，不同空腔組的空腔半徑不同，同一組的空腔半徑相同，所述薄膜層上表面與所述空腔對應位置分別設置有上電極。本發明專利技術結構簡單，制作方便，提高了超聲換能器的響應帶寬，可以廣泛應用于局部放電檢測領域。

【技術實現步驟摘要】
一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器及其制備方法
本專利技術涉及超聲換能器
，具體涉及一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器及其制備方法。
技術介紹
寬頻帶的超聲換能器對于超聲成像超聲檢測來說是具有非常大優勢的，因為寬頻帶可以減少超聲脈沖的持續時間并提高軸向分辨率，基于超聲波的診斷成像被廣泛用于可視化體內結構。它高效、低成本、實時，并且沒有任何有害的電離輻射。對于診斷成像，軸向成像分辨率等于空間超聲脈沖長度的一半，脈沖長度越短，分辨率越高。超聲脈沖由超聲換能器發射和接收。通過增加工作頻率可以縮短脈沖長度。然而，更高的頻率導致更高的衰減，并且檢測范圍變得非常小。為了保證合理的檢測范圍，最高頻率通常在10兆赫以下。實現較短脈沖長度的另一種方法是增加超聲波換能器的頻率帶寬。當一個超聲波換能器被一個短脈沖激發時，它會在共振頻率下振蕩幾圈。因此，產生的聲脈沖不能理想地縮短。如果對脈沖進行傅里葉變換，可以觀察到頻率的色散。脈沖實際上包含一系列頻率，對于較短的脈沖，頻率傳播得更多。由于脈沖長度與頻率帶寬成反比，寬頻帶超聲換能器可以產生非常短的脈沖，這意味著分辨率可以進一步提高。另一方面，如果適度降低頻率以增加檢測范圍，則可以保持圖像分辨率。此外，如果頻率帶寬足夠寬，可以通過單個設備實現先進的諧波傳感技術。它將顯著增強成像對比度。因此，具有大頻率帶寬的超聲換能器總是優選的。幾十年來，由塊狀壓電陶瓷制成的超聲換能器一直是主要的方法，但是其有限的帶寬很難滿足要求。有限的帶寬主要是由于換能器與人體軟組織之間的聲阻抗失配較大。MUT的彎曲模式操作顯著降低了其機械阻抗，最小化了換能器和工作介質之間的聲阻抗失配。這一概念是使用電容傳感和驅動機制實現的，稱為電容MUT。在沒有任何匹配層的情況下，已經實現了超過100%的非常寬的頻率帶寬。然而，共模抑制的工作電壓非常高，例如超過100伏。這種高電壓產生了安全問題并限制了共模抑制的可能應用。與共模抑制比類似，共模抑制比在彎板模式下工作，因此共模抑制比的聲阻抗預計也會降低。為了克服監測時候的帶寬限制，Hajati等人想到了一個陣列，該陣列具有不同尺寸的元件和不同的諧振峰。當這些元件在水中一起工作時，所有的峰合并并形成寬帶寬。雖然帶寬問題得到了解決，但寬帶效應是通過利用整個陣列實現的。單個像素的寬帶仍然不可用，沒有機械掃描就不能獲得超聲圖像。綜上所述，現有傳感器的帶寬覆蓋范圍不夠寬，沒有辦法將檢測信號完全檢測出來，在-6dB的衰減沒有辦法覆蓋，要想檢測不同頻段的信號，則需要多個傳感器多個設備來檢測，這在實際實用中具有極大的不便，單一傳感器對于單一頻率信號的檢測也不能達到實際需求。
技術實現思路
本專利技術克服現有技術存在的不足，所要解決的技術問題為：提供一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器及其制備方法，以實現超聲傳感的帶寬范圍的拓展，提高檢測準確率。為了解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案為：一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器，包括由下向上依次設置的下電極層、襯底層、薄膜支撐層和薄膜層，所述薄膜支撐層上表面設置有多個空腔組，每個空腔組包括多個空腔，不同空腔組的空腔半徑不同，同一組的空腔半徑相同，所述薄膜層上表面與所述空腔對應位置分別設置有上電極。所述的一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器，同一空腔組內的空腔上方對應的上電極通過連線與焊盤連接在一起，不同空腔組上方對應的上電極與不同的焊盤連接，施加的電壓不同。所述薄膜層上方與所述空腔對應的位置刻蝕有凹槽，使得所述薄膜層中，半徑較大的空腔對應位置處的薄膜層厚度大于半徑較小的空腔對應位置的薄膜層厚度。所有上電極通過連線與同一焊盤連接在一起。所述薄膜層材料為硅。此外，本專利技術還提供了一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器的制備方法，包括以下步驟：S1、選用帶有氧化層的硅襯底材料，圖形化氧化層形成空腔圖形，將氧化層作為薄膜支撐層；S2、將步驟S1得到的結構與SOI晶圓硅片鍵合；S3、去除SOI晶圓硅片的襯底層和氧化硅埋氧層，剩下器件層作為薄膜層；S4、在硅襯底下方和薄膜層上方分別制作下電極和圖形化的上電極。所述步驟S3還包括以下步驟，對薄膜層進行圖形化刻蝕，使得半徑較大的空腔對應位置處的薄膜層厚度大于半徑較小的空腔對應位置的薄膜層厚度。進一步地，本專利技術還提供了一種開關柜局部放電檢測裝置，包括檢測主機和多個所述的一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器，所述超聲換能器設置在開關柜外殼的各個表面外，形成超聲波檢測陣點，所述檢測主機通過超聲換能器接收到的超聲波信號和從局部放電點發出的電信號之間的時差來確定故障發生的位置。本專利技術與現有技術相比具有以下有益效果：本專利技術提供了一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器及其制備方法，利用多頻段復合式空氣耦合超聲換能器來檢測超聲信號，將不同帶寬的傳感器集成到一起，分別在其每一個響應帶寬范圍內，通過在其-6dB處的疊加可以實現30k-400k帶寬的響應，從而實現對于超聲信號的接收與檢測，并可以應用于開關柜的局部放電檢測中，完全將故障信號固定組合超聲換能器的帶寬范圍內，提高了檢測準確率。而且，本專利技術采用微電容超聲換能器陣列作為超聲傳感器，替代傳統的壓電超聲波換能器，并通過微電子機械系統（Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS）技術中的微加工工藝制造完成。與傳統壓電換能器相比，本專利技術利用MEMS技術制作微機械電容超聲換能器，具有高密度陣元集成制造、硅材料與人體介質阻抗匹配好、高靈敏度、寬頻帶和高機電轉換效率等優勢。與傳統的PZT傳感器相比，本專利技術具有以下優點：1、隨著MEMS技術的成熟，本專利技術能夠采用IC工藝進行批量的生產，而且能夠將各種數字電路集成進去，而這些PZT是無法實現的。2、本專利技術采用的微加工工藝，它更容易去制造傳感器陣列，這就使得我們將微機電電容超聲換能器來應用到開關柜局部放電信號檢測中就更加容易。3、微機電電容超聲換能器的上極板一般是一層比較薄的彈性膜，如Si3N4、SiO2、poly-Si加金屬電極，因此不需要加額外的匹配層，也就不需要考慮層與層之間的匹配問題。附圖說明圖1為本專利技術實施例一提供的一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器的結構示意圖；圖2為本專利技術實施例一中上電極的示意圖；圖3為本專利技術實施例二提供的一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器的結構示意圖；圖4為本專利技術實施例二中上電極的示意圖；圖5為本專利技術實施例三中提供的一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器的制備流程示意圖；圖6為本專利技術實施例四中提供的一種開關柜局部放電信號測量裝置的示意圖。圖中：1為下電極層，2為襯底層，3為薄膜支撐層，4為薄膜層，5為空腔，6為上電極，7為焊盤，8為凹槽，9為開關柜外殼，10為復合式空耦超聲換能器，12為局部放電源。具體實施方式為使本專利技術實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本專利技術本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器，其特征在于，包括由下向上依次設置的下電極層（1）、襯底層（2）、薄膜支撐層（3）和薄膜層（4），所述薄膜支撐層（3）上表面設置有多個空腔組，每個空腔組包括多個空腔（5），不同空腔組的空腔（5）半徑不同，同一組的空腔半徑相同，所述薄膜層（4）上表面與所述空腔（5）對應位置分別設置有上電極（6）。/n

【技術特征摘要】
1.一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器，其特征在于，包括由下向上依次設置的下電極層（1）、襯底層（2）、薄膜支撐層（3）和薄膜層（4），所述薄膜支撐層（3）上表面設置有多個空腔組，每個空腔組包括多個空腔（5），不同空腔組的空腔（5）半徑不同，同一組的空腔半徑相同，所述薄膜層（4）上表面與所述空腔（5）對應位置分別設置有上電極（6）。


2.根據權利要求1所述的一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器，其特征在于，同一空腔組內的空腔上方對應的上電極通過連線與焊盤連接在一起，不同空腔組上方對應的上電極與不同的焊盤連接，施加的電壓不同。


3.根據權利要求1所述的一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器，其特征在于，所述薄膜層（4）上方與所述空腔（5）對應的位置刻蝕有凹槽，使得所述薄膜層（4）中，半徑較大的空腔對應位置處的薄膜層（4）厚度大于半徑較小的空腔對應位置的薄膜層（4）厚度。


4.根據權利要求3所述的一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能器，其特征在于，所有上電極通過連線與同一焊盤連接在一起。


5.根據權利要求1所述的一種高靈敏多頻段復合式空耦超聲換能...

【專利技術屬性】
技術研發人員：文虎，吳敏，吳濤，吳子君，秦繼朔，張福生，何常德，張文棟，薛晨陽，張斌珍，任勇峰，王紅亮，王子淵，孟亞楠，
申請(專利權)人：國網山西省電力公司朔州供電公司，
類型：發明
國別省市：山西;14