一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器及其制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术结构简单，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。

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器及其制备方法
本专利技术涉及超声换能器
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用的技术方案为：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。所有上电极通过连线与同一焊盘连接在一起。所述薄膜层材料为硅。此外，本专利技术还提供了一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器的制备方法，包括以下步骤：S1、选用带有氧化层的硅衬底材料，图形化氧化层形成空腔图形，将氧化层作为薄膜支撑层；S2、将步骤S1得到的结构与SOI晶圆硅片键合；S3、去除SOI晶圆硅片的衬底层和氧化硅埋氧层，剩下器件层作为薄膜层；S4、在硅衬底下方和薄膜层上方分别制作下电极和图形化的上电极。所述步骤S3还包括以下步骤，对薄膜层进行图形化刻蚀，使得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。进一步地，本专利技术还提供了一种开关柜局部放电检测装置，包括检测主机和多个所述的一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器，所述超声换能器设置在开关柜外壳的各个表面外，形成超声波检测阵点，所述检测主机通过超声换能器接收到的超声波信号和从局部放电点发出的电信号之间的时差来确定故障发生的位置。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术提供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，利用多频段复合式空气耦合超声换能器来检测超声信号，将不同带宽的传感器集成到一起，分别在其每一个响应带宽范围内，通过在其-6dB处的叠加可以实现30k-400k带宽的响应，从而实现对于超声信号的接收与检测，并可以应用于开关柜的局部放电检测中，完全将故障信号固定组合超声换能器的带宽范围内，提高了检测准确率。而且，本专利技术采用微电容超声换能器阵列作为超声传感器，替代传统的压电超声波换能器，并通过微电子机械系统（Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS）技术中的微加工工艺制造完成。与传统压电换能器相比，本专利技术利用MEMS技术制作微机械电容超声换能器，具有高密度阵元集成制造、硅材料与人体介质阻抗匹配好、高灵敏度、宽频带和高机电转换效率等优势。与传统的PZT传感器相比，本专利技术具有以下优点：1、随着MEMS技术的成熟，本专利技术能够采用IC工艺进行批量的生产，而且能够将各种数字电路集成进去，而这些PZT是无法实现的。2、本专利技术采用的微加工工艺，它更容易去制造传感器阵列，这就使得我们将微机电电容超声换能器来应用到开关柜局部放电信号检测中就更加容易。3、微机电电容超声换能器的上极板一般是一层比较薄的弹性膜，如Si3N4、SiO2、poly-Si加金属电极，因此不需要加额外的匹配层，也就不需要考虑层与层之间的匹配问题。附图说明图1为本专利技术实施例一提供的一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器的结构示意图；图2为本专利技术实施例一中上电极的示意图；图3为本专利技术实施例二提供的一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器的结构示意图；图4为本专利技术实施例二中上电极的示意图；图5为本专利技术实施例三中提供的一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器的制备流程示意图；图6为本专利技术实施例四中提供的一种开关柜局部放电信号测量装置的示意图。图中：1为下电极层，2为衬底层，3为薄膜支撑层，4为薄膜层，5为空腔，6为上电极，7为焊盘，8为凹槽，9为开关柜外壳，10为复合式空耦超声换能器，12为局部放电源。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器，其特征在于，包括由下向上依次设置的下电极层（1）、衬底层（2）、薄膜支撑层（3）和薄膜层（4），所述薄膜支撑层（3）上表面设置有多个空腔组，每个空腔组包括多个空腔（5），不同空腔组的空腔（5）半径不同，同一组的空腔半径相同，所述薄膜层（4）上表面与所述空腔（5）对应位置分别设置有上电极（6）。/n

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器，其特征在于，包括由下向上依次设置的下电极层（1）、衬底层（2）、薄膜支撑层（3）和薄膜层（4），所述薄膜支撑层（3）上表面设置有多个空腔组，每个空腔组包括多个空腔（5），不同空腔组的空腔（5）半径不同，同一组的空腔半径相同，所述薄膜层（4）上表面与所述空腔（5）对应位置分别设置有上电极（6）。


2.根据权利要求1所述的一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器，其特征在于，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。


3.根据权利要求1所述的一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器，其特征在于，所述薄膜层（4）上方与所述空腔（5）对应的位置刻蚀有凹槽，使得所述薄膜层（4）中，半径较大的空腔对应位置处的薄膜层（4）厚度大于半径较小的空腔对应位置的薄膜层（4）厚度。


4.根据权利要求3所述的一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器，其特征在于，所有上电极通过连线与同一焊盘连接在一起。


5.根据权利要求1所述的一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能...

【专利技术属性】
技术研发人员：文虎，吴敏，吴涛，吴子君，秦继朔，张福生，何常德，张文栋，薛晨阳，张斌珍，任勇峰，王红亮，王子渊，孟亚楠，
申请(专利权)人：国网山西省电力公司朔州供电公司，
类型：发明
国别省市：山西;14