CN100504375C - 可挠式基板的微型超声波换能器 - Google Patents

Abstract

一种可挠式基板的微型超声波换能器，其中包括：一基板，是由可挠性材料制成，设有上表面及下表面，该上、下表面之间设有下电极，另在该基板上表面的两侧设有支架，以形成支撑结构；及一震荡膜，设有上表面及下表面，该上、下表面之间设有上电极，且与所述下电极连接于一电源上；该震荡膜下表面设于支架上；藉上述组合，能在不增加成本的条件下，达成降低制造步骤，增加震荡膜变形能力的多重目标，并有利于感测灵敏度与效能提高。

Description

可挠式基板的微型超声波换能器

技术领域

本发明涉及一种超声波换能器，特别是一种可挠式基板的微型超声波换能器。

背景技术

习知超声波感测是藉由换能器将能量转换成机械能，使探头向待测物表面发射一弹性波，弹性波于物体中传递，当遇到不连续接口时会产生回波，再由探头接收回波讯号，并加以判别获得结果。

超声波感测系统是目前广为使用的检测设备之一，其核心组件是由相关超声波传感器组成。对超声波传感器而言，“微型化”是目前全球积极发展重点趋势，原因在于其具有高响应、高分辨率与应用广泛的优点，习知的超声波传感器多属于耦合形式，大多都需要“耦合介质”传递能量，如以液体、固体作为传递媒介，介质的特性对于传感器影响甚巨，严重者将会造成能量衰减。如改以空气作为传递路径，必须搭配背胶层与匹配层做整体设计，此时局部环境空气的特性，将会因环境影响因素造成感测结果的差异。在进行曲面传能时，依据snell’slaw可推论，入射源的音束与检测源的音束会有极大差异，降低了有效检测面积，而阻抗亦会因为检测路径越长所产生变量越大，造成能量随距离而衰减(如图5所示)。再者如入射音束a为偏斜入射时(如图6～7所示)，会因阻抗产生反射角θ1，而此时透射的能量继续穿透检测物，形成检测阻抗差距甚大影响检测结果，造成判读错误，严重者穿透入射的角度将会无法判定，于检测端错位无法接收讯号。因此，在高分辨率与高稳定性的前提下，发展以空气为耦合介质的高效能换能器是迫切必要的，同时该换能器设计亦必须能克服前述曲面传递不良问题。

习知超声波在能量传递过程中，需搭配固态或液态介质做阻抗匹配检测，如此一来介质材料特性，如温度、压力、密度、粒子移动速度将会影响整个检测结果，亦局限了应用领域。现有超声波换能器亦有改以空气作为介质，虽使得应用领域更为广泛，但容易因局部检测阻抗差异，造成能量衰竭更快，频率响应与频宽更低、指向性差等负面效果，使得能量传递与检测性能不良，同时若应用于弯曲表面检测，由于位置与几何限制，使得能量无法导入所需要位置，并造成接口阻抗匹配增加与检测困难。

现有的微型超声波皆以微机电制造作为技术核心，希望藉由大量生产以降低成本，而其制造最大特色是以硅作为基材，通过一连串制造步骤在硅基材上完成繁杂制作过程，由于硅基材属于高脆性材料，无法配合检测物做变形，极可能产生微型换能器组件能量与讯号衰竭问题，而无法达到预期换能效率。如图8所示，US6，328，697B1阵列式微超声波传感器90，其利用多层表面制造技术，以硅作为基材91，搭配表面低温制造技术，以Si3N4作为支撑柱92，再以浮离法(lift-offmethod)蒸镀氮化硅，完成后去除不必要的部分，得到所需薄膜93的支撑柱92。而下电极部分藉由硅基材91本身的导电性，上电极金属94的制造步骤以蒸镀铝材完成，保护层以氮化硅制作。然而此架构的特色在于采用硅为基材91及支撑柱92为一硬质材料，无法产生挠性变形作用，如被测物为曲面或不规则形状，则超声波传感器90，虽然增加制造整合与匹配性，但相对亦增加组件衰减系数，降低组件分辨率与特性，若能改以可挠性基板制作，则上述问题将可迎刃而解。

有鉴于习用微型超声波换能器的缺失，本创作人乃秉着多年产品设计开发的实务经验，经由无数次的实际设计、实验，致有本发明的产生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的上述不足，提供一种可以降低制造步骤及降低阻抗与匹配层影响的可挠式基板的微型超声波换能器。

实现本发明的可挠式基板的微型超声波换能器的技术方案如下：

一种可挠式基板的微型超声波换能器，是由多个微型超声波换能器单元所组成，该微型超声波换能器单元包括：

一基板，是由可挠性材料制成，设有上表面及下表面，该上、下表面之间设有下电极，另在该基板上表面的两侧设有支架，以形成支撑结构；及

一震荡膜，设有上表面及下表面，该上、下表面之间设有上电极，且与所述下电极连接于一电源上；该震荡膜下表面设于支架上；

藉上述组合，能在不增加成本的条件下，达成降低制造步骤，增加震荡膜变形能力的多重目标，并有利于感测灵敏度与效能提高。

根据本发明的可挠式基板的微型超声波换能器的一实施例，所述基板的上表面与支架共同形成一凹槽。

根据本发明的可挠式基板的微型超声波换能器的一实施例，基板的一部分是由导电材料制成，以取代下电极。

根据本发明的可挠式基板的微型超声波换能器的一实施例，上电极与下电极的材料为金、银、铜、镍或铝中的一种材料。

根据本发明的可挠式基板的微型超声波换能器的一实施例，基板、支架及震荡膜由高分子材料制成。

根据本发明的可挠式基板的微型超声波换能器的一实施例，支架与基板的材料不同，支架为一非挠性材料。

本发明的优点在于：

本发明可挠式基板的微型超声波换能器，其构造上为一设有金属电极的可挠性的基板，于基板的两侧设有支架，以形成可挠性的支撑结构；于该支架上方设置一具有金属电极的震荡膜。以利用支架提供较大的绝缘层厚度，并降低因制造所需的绝缘层步骤；于二金属电极之间则相对具有较大驱动能量，以利整体震荡膜结构被驱动或变形至传能状态；整体降低阻抗与匹配层的影响，有利于感测灵敏度与效能提高。

以下仅藉由具体实施例，并佐以附图作详细的说明，使能对于本发明的各项功能、特点，有更进一步的了解与认识。

附图说明

图1是本发明微型超声波换能器的剖面构造示意图。

图2是本发明微型超声波换能器的立体图。

图3是本发明检测曲面的阻抗匹配示意图。

图4是本发明曲面检测法向量音束的示意图。

图5是习知超声波传感器反射讯号示意图。

图6是习知超声波传感器检测曲面的阻抗匹配示意图。

图7是习知超声波传感器曲面检测法向量音束的示意图。

图8是习知微型超声波传感器的剖面构造示意图。

具体实施方式

如图1～2所示，其中微型超声波换能器单元1包含有一基板10、一震荡膜20、多个第一电极31与第二电极32，微型超声波换能器由多个微型超声波换能器单元1所组成，其中：一基板10，是由可挠性材料制成，其上、下设有第一表面11及第二表面12；该第一表面11上端形成一凹槽13，并于二侧设有支架14可为一挠性材料所作成，亦可使用非挠性材料，上述基板10，支架14及震荡膜20材料为Silicone(硅胶)Si3N4(氮化硅)Polysilicon(多晶硅)、kapton、Ni(镍)Telflon(铁氟龙)，树脂、塑料、聚脂类、polyimide、photoResist(光阻)或高分子材料等，其中支架14与基板10亦可成一体相同材料，亦属本发明申请专利范围内。支架14上端处设有一表面15形成支撑结构；及一震荡膜20，具震荡膜第一表面21及震荡膜第二表面22，其中震荡膜第二表面22设于支架14的表面15上，该微型超声波换能器单元1可随着基板10构件做延伸设置，亦即微型超声波换能器单元1随着基板10的面积增大而增加数量；及多个第一电极31与第二电极32，可使用金、银、铜、镍或铝等为材料，其中第一电极31设于基板10的第一表面11及第二表面12之间；该第一电极31中每一该导电构件是分别对应的置入该基板10之中，如基板10使用导电的材料时，可省略第一电极31，亦在本专利范围内。该第二电极32置于震荡膜20的第一表面21及第二表面22间，与第一电极31电性连结于电源。当然，第一电极31可设于基板10的第一表面11或第二表面12。第二电极32可设于震荡膜20的第一表面21或第二表面22。

上述的构件，该凹槽13于相对应电极31、32位置具有较大高度，以提供较大的绝缘层厚度，且利于增加该处结构震荡膜20的振幅，并降低因硅基制造所需的绝缘层步骤；于电极之间则相对具有较大驱动能量，以利整体震荡膜20结构被驱动，使其由电能转换成机械能，而产生震荡变形。

如图2所示，换能器结构除了提供必要的支撑外，依设计不同成等间距分布，并于半径方向控制其震荡膜20特性，以利于不同材质换能；在支撑本体方面采用软质基板10，及软质基板10上设有无数个微型超声波换能器单元1，当电能增加使得机械能增加，使得微型超声波换能器的震荡机械能愈大。

如图3～4所示，本发明可挠性基板10可以增加发射源与反射接收点，藉由空气耦合作能量传递以平衡阻抗，获得高响应、高指向性、高/低频切换容易等特性，易于匹配不同检测对象，提高超声波能量转换与检测速度，可实时检测与成像；同时，必要时对检测频率作适当切换，将可获得不同控制音束形状与聚焦距离，进而应用于其它新兴领域发展。

本发明所提出的可挠式基板的微型超声波传感器，可以引用习知的高深宽比微机电制造技术(如DRIE、LIGA-like等技术，但不限于前述种类)制作出包含微阵列可挠性支撑与换能器主结构体，续以各式布线衔接至外侧；或以体型蚀刻或牺牲层相关技术将介于电极之间的多余材料蚀去；或以面型沉积技术在基材上下面分别堆叠出所需结构，并完成驱动电极制作。前述列举仅为可能的技术手段，但不限于前述项目。

综合以上所述，本发明可挠式基板的微型超声波换能器能在不增加成本的条件下，达成降低制造步骤，提高震荡膜变形与增加驱动/感测电极间有效感应面积等多重目标，降低阻抗与匹配层的影响，有利于感测灵敏度与效能提高。

Claims (6)

1、一种可挠式基板的微型超声波换能器，是由多个微型超声波换能器单元所组成，其特征是：该微型超声波换能器单元包括：

一基板，是由可挠性材料制成，设有上表面及下表面，该上、下表面之间设有下电极，另在该基板上表面的两侧设有支架，以形成支撑结构；及

一震荡膜，设有上表面及下表面，该上、下表面之间设有上电极，且与所述下电极连接于一电源上；该震荡膜下表面设于支架上；

藉上述组合，能在不增加成本的条件下，达成降低制造步骤，增加震荡膜变形能力的多重目标，并有利于感测灵敏度与效能提高。

2、根据权利要求1所述的可挠式基板的微型超声波换能器，其特征是：基板的上表面与支架共同形成一凹槽。

3、根据权利要求1所述的可挠式基板的微型超声波换能器，其特征是：基板的一部分是由导电材料制成，以取代下电极。

4、根据权利要求1所述的可挠式基板的微型超声波换能器，其特征是：上电极与下电极的材料为金、银、铜、镍或铝中的一种材料。

5、根据权利要求1所述的可挠式基板的微型超声波换能器，其特征是：基板、支架及震荡膜由高分子材料制成。

6、根据权利要求1所述的可挠式基板的微型超声波换能器，其特征是：支架与基板的材料不同，支架为一非挠性材料。

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