CN104907241A - 满足多频率需求的宽频带超声换能器复合机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种满足多频率需求的宽频带超声换能器复合机构，包括由下到上依次设置的底部的第一电极层、绝缘层、低频、高频腔体层、绝缘弹性振动膜层和第二电极层，并构成一个整体的复合机构，在复合机构中又通过低频绝缘支撑板上设有的一排通槽与绝缘层和绝缘弹性振动膜层构成一个低频真空腔，通过每个低频真空腔及上方的第二电极片、下方的第一电极片构成一个独立的单元结构，独立的单元结构可以自由控制；通过控制独立的单元结构，使得独立的单元结构可以工作在高频状态，也可以工作在低频状态，并且能够分时控制，提供宽范围的频宽和满足不同频率需要，从而应用于多频需求的场合。

Description

满足多频率需求的宽频带超声换能器复合机构

技术领域

本发明涉及具有能量转换的微机电系统技术领域，尤其涉及一种满足多频率需求的宽频带超声换能器复合机构。

背景技术

现代医学影像技术包括超声成像、X-CT断层成像、放射性同位素扫描成像和核磁共振等。其中，超声成像技术具有实时性好、无电离辐射等性能，在诊断应用功率范围内对人体无损害，可重复使用且成本低、携带方便而得到广泛应用。尤其对生物软组织鉴别能力强，在对软组织疾患诊断上具有优势，诸如能显示剖面图、获得血流信息、异常器官、心脏和血流等的实时的动态成像。而作为超声成像和超声治疗系统核心部件的超声传感器广泛应用于医学诊断和治疗，以及工程应用领域中的无损检测等。

目前，压电式超声换能器的应用占主导地位。相对于压电式超声换能器，电容式微机械超声换能器（CMUT）因其易成批生产，成本低，频域宽、应用时无需匹配层而受到关注，被认为是取代压电式超声换能器的产品。当今，现有的CMUT单个的单元结构的频率响应只是单个某一频率频带的特征频率响应。（如果该CMUT单元结构或其阵列结构用于发射和接收，则两种操作模式就会相互干扰。）以往的超声传感器局限于单一功能，或用于医学成像，或用于医学治疗等。

发明内容

 本发明的目的是提供一种满足多频率需求的宽频带超声换能器复合机构，能够提供宽范围的频宽和满足不同频率的需要，提高超声成像的清晰度。

 本发明采用的技术方案为：

一种满足多频率需求的宽频带超声换能器复合机构，包括由下到上依次设置的底部的第一电极层、绝缘层、低频、高频腔体层、绝缘弹性振动膜层和第二电极层，第一电极层采用第一电极片，第一电极片的上表面与绝缘层的下表面连接，低频、高频腔体层包括低频绝缘支撑板和框体结构的高频绝缘支撑体，低频绝缘支撑板的下表面连接绝缘层的上表面，低频绝缘支撑板的上表面连接绝缘弹性振动膜层的下表面，低频绝缘支撑板上设有一排上下通透的通槽，每个通槽与绝缘层和绝缘弹性振动膜层构成一个低频真空腔，每个低频真空腔内设有一个高频绝缘支撑体，高频绝缘支撑体的上表面与绝缘弹性振动膜层下表面贴合，且高频绝缘支撑体的下表面与绝缘层上表面不接触，第二电极层包括多个第二电极片，每个第二电极片的下表面与绝缘弹性振动膜层的上表面连接，且每个低频真空腔上方对应设置一个第二电极片；初始状态下，当第一电极片和第二电极片之间未加电压时，通槽、绝缘弹性振动膜和绝缘层构成低频真空腔；当第一电极片和第二电极片间施加的交流电压不超过低频真空腔的塌陷电压时，绝缘弹性振动膜层做上下往复振动动作，且高频绝缘支撑体下表面与绝缘层上表面不接触；当第一电极片和第二电极片间施加的交流电压超过低频真空腔的塌陷电压时，绝缘弹性振动膜层做上下往复振动动作，且高频绝缘支撑体下表面与绝缘层上表面接触，高频绝缘支撑体内的空间、绝缘层和绝缘弹性振动膜形成高频真空腔。

所述的绝缘弹性振动膜层采用一整个绝缘弹性振动膜或者采用多个小绝缘弹性振动片，每个小绝缘弹性振动片对应设于每个通槽的上方并密封连接。

所述的通槽的深度大于高频绝缘支撑体的高度。

本发明通过由下到上依次设置的底部的第一电极层、绝缘层、低频、高频腔体层、绝缘弹性振动膜层和第二电极层构成一个整体的复合机构，在复合机构中又通过低频绝缘支撑板上设有的一排通槽与绝缘层和绝缘弹性振动膜层构成一个低频真空腔，通过每个低频真空腔及上方的第二电极片、下方的第一电极片构成一个独立的单元结构，独立的单元结构可以自由控制；通过控制独立的单元结构，使得独立的单元结构可以工作在高频状态，也可以工作在低频状态，并且能够分时控制，提供宽范围的频宽和满足不同频率需要，从而应用于多频需求的场合。

本发明的有益效果有：

1、在医学实践中，根据需要变换高频或低频部分起作用，分别应用于医学诊断或医学治疗，而不需要分别应用两套独立设备或系统来分别满足诊断和治疗。

2、同时，该复合机构通过阵列的排列，组成混合单元，增加复合机构的频宽，能有效的提高超声成像的清晰度。

3、本发明可应用于超声检测，如超声导航、测距、定位和工业超声无损检测（NDE）。

附图说明

图1为本发明的结构示意剖视图；

图2为本发明的绝缘弹性振动膜层采用一整个绝缘弹性振动膜的低频状态下的结构示意剖视图；

图3为本发明的绝缘弹性振动膜层采用多个小绝缘弹性振动片的低频状态下的结构示意剖视图；

图4为本发明的绝缘弹性振动膜层采用一整个绝缘弹性振动膜的高频结构状态下的结构示意剖视图；

图5为本发明的复合机构中的单元结构混合列阵的结构示意剖视图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明包括由下到上依次设置的底部的第一电极层、绝缘层5、低频、高频腔体层、绝缘弹性振动膜层和第二电极层，第一电极层采用第一电极片6，第一电极片6的上表面与绝缘层5的下表面连接，低频、高频腔体层包括低频绝缘支撑板2和框体结构的高频绝缘支撑体3，低频绝缘支撑板2的下表面连接绝缘层5的上表面，低频绝缘支撑板2的上表面连接绝缘弹性振动膜层的下表面，低频绝缘支撑板2上设有一排上下通透的通槽，每个通槽与绝缘层5和绝缘弹性振动膜层构成一个低频真空腔4-1，每个低频真空腔4-1内设有一个高频绝缘支撑体3；每个低频真空腔4-1结构就是一个独立的单元结构。通槽的深度大于高频绝缘支撑体3的高度1.5倍，高频绝缘支撑体3的上表面与绝缘弹性振动膜层下表面贴合，且高频绝缘支撑体3的下表面与绝缘层5上表面不接触，第二电极层包括多个第二电极片7，每个第二电极片7的下表面与绝缘弹性振动膜层的上表面连接，且每个低频真空腔4-1上方对应设置一个第二电极片7；初始状态下，当第一电极片6和第二电极片7之间未加电压时，通槽、绝缘弹性振动膜1和绝缘层5构成低频真空腔4-1；当第一电极片6和第二电极片7间施加的交流电压不超过低频真空腔4-1的塌陷电压时，绝缘弹性振动膜层做上下往复振动动作，且高频绝缘支撑体3下表面与绝缘层5上表面不接触；当第一电极片6和第二电极片7间施加的交流电压超过低频真空腔4-1的塌陷电压时，绝缘弹性振动膜层做上下往复振动动作，且高频绝缘支撑体3下表面与绝缘层5上表面接触，高频绝缘支撑体3内的空间、绝缘层5和绝缘弹性振动膜1形成高频真空腔4-2。

所述的绝缘弹性振动膜层采用一整个绝缘弹性振动膜1或者采用多个小绝缘弹性振动片，每个小绝缘弹性振动片对应设于每个通槽的上方并密封连接。

下面结合附图，详细说明本发明的工作原理：

如图1所示，第一电极片6和第二电极片7之间由低频真空腔4-1分离，从而在两个电极间存在有电容。在第一电极片6和第二电极片7之间施加电压，由静电原理可知，绝缘弹性振动膜1会随着施加电压的变化向第一电极片6接近或远离，从而发射声波信号。另外，当外界有超声波作用于绝缘弹性振动膜1时，绝缘弹性振动膜1也会由于声压的作用，而向第一电极片6接近或远离，从而使得两个电极间的电容发生变化，再通过拾取电路，检测声波信号，分析声波特性。其中的拾取电路为本领域现有成熟技术，其工作原理不再赘述。

当复合机构处于低频结构状态时，为本发明的第一种应用形式，可以满足低频需求的应用场合。

复合机构中的每个低频真空腔4-1及上方的第二电极片7、下方的第一电极片6构成一个独立的单元结构，当第一电极片6和每个第二电极片7间施加的交流电压不超过每个低频真空腔4-1的塌陷电压时，会使整个复合机构中的每一个单元结构均处于应用低频结构状态，从而整个复合机构应用于低频使用。当绝缘弹性振动膜层采用一整个绝缘弹性振动膜1结构，如图2所示的剖视图。或者，绝缘弹性振动膜层采用多个小绝缘弹性振动片，每个小绝缘弹性振动片对应设于每个通槽的上方并密封连接，如图3所示的剖视图。第一电极片6和第二电极片7之间由低频真空腔4-1分离，从而在第一电极片6和第二电极片7间存在电容。在第一电极片6和第二电极片7施加不超过低频真空腔4-1的塌陷的交流电压时，由静电原理可知，绝缘弹性振动膜1会随着施加电压的变化向第一电极片6接近或远离，绝缘弹性振动膜层做上下往复振动动作，所以通槽与绝缘层5和绝缘弹性振动膜层构成一个低频真空腔4-1，同时，由于振动而能够发射声波信号。另外，当外界有超声波作用于绝缘弹性振动膜1时，绝缘弹性振动膜1也会由于声压的作用而向第一电极片6接近或远离，会使第一电极片6和第二电极片7间的电容发生变化，通过拾取电路，检测声波信号，分析声波特性。

当复合机构处于高频结构状态时，为本发明的第二种应用形式，可以满足高频需求的应用场合。

当第一电极片6和每个第二电极片7间施加的交流电压超过每个低频真空腔4-1的塌陷电压时，会使整个复合机构中的每一个单元结构均处于应用高频结构状态，从而整个复合机构应用于高频使用。如图4所示为绝缘弹性振动膜层采用一整个绝缘弹性振动膜1结构的高频结构状态下的剖视图，绝缘弹性振动膜层采用多个小绝缘弹性振动片不在作图。在第一电极片6和第二电极片7施加超过低频真空腔4-1的塌陷的交流电压时，由静电原理可知，绝缘弹性振动膜1会随着施加电压的变化向第一电极片6接近或远离，绝缘弹性振动膜层做上下往复振动动作，且高频绝缘支撑体3下表面与绝缘层5上表面接触，而高频绝缘支撑体3内的空间、绝缘层5和绝缘弹性振动膜1构成高频真空腔4-2，同时，由于振动而能够发射声波信号。另外，当外界有超声波作用于绝缘弹性振动膜1时，绝缘弹性振动膜1也会由于声压的作用而向第一电极片6接近或远离，会使第一电极片6和第二电极片7间的电容发生变化，通过拾取电路，检测声波信号，分析声波特性。

当复合机构处于低频、高频混合结构状态时，为本发明的第三种应用形式，可以满足高频需求的应用场合。

由于复合机构中的每一个单元结构都是独立的，可以分别独立支配的，所以，每一个单元结构均可以独立地工作在高频状态或者低频状态。当然，需要根据实际的需要，对复合机构进行阵列式的排列组合，组合的形式多种多样，例如，如图5所示，将第一个单元结构中的第一电极片6和第二电极片7间施加的交流电压不超过低频真空腔4-1的塌陷电压，使得第一个单元结构工作在低频状态，第一个单元结构后面依次连接的三个单元结构（即第二单元结构、第三单元结构和第四单元结构）均施加超过低频真空腔4-1的塌陷电压，使得后面的三个单元结构工作在高频状态，则第一个单元结构与第二单元结构、第三单元结构、第四单元结构组合了一个新的第一阵列单元，后面的单元依次同样组合为如第一阵列单元的新的阵列单元，例如，使得第五单元结构工作在低频状态，第六单元结构、第七单元结构和第八单元结构工作在高频状态，则第五单元结构与第六单元结构、第七单元结构、第八单元组合了一个新的第二阵列单元，后续以此类推。同理，复合机构的不同组合，如复合单元间高、低频结构的平行排列或交叉排列，会形成不同的混合的新的阵列单元，将可以构成无数组不同类型的阵列组合形式，既可以满足不同的频率，又增大了频率响应的带宽，同时又极大地减小有害的栅瓣和旁瓣，可以达到不同的性能要求，满足不同的应用场合。

同时，由于复合机构中的每一个单元结构都是独立的，可以分别独立支配的，复合机构中的单一的单元结构可以应用于高频应用状态，也可以应用于低频应用状态。无论是高频还是低频，其频率值可以相同，也可以不相同。通过分别控制复合机构的单个单元结构的电压，使其按一定规则排列，并且通过分时控制，分时输出多个频率满足多频应用场合。该模式下，单个单元结构各自独立输出或接收不同频率的信号，从而满足多频的应用场合。既可以应用于超声成像诊断，也可以应用于超声治疗或同时应用于诊断和治疗，可以满足多种频率需求的应用场合。

Claims (3)

1.一种满足多频率需求的宽频带超声换能器复合机构，其特征在于：包括由下到上依次设置的底部的第一电极层、绝缘层、低频、高频腔体层、绝缘弹性振动膜层和第二电极层，第一电极层采用第一电极片，第一电极片的上表面与绝缘层的下表面连接，低频、高频腔体层包括低频绝缘支撑板和框体结构的高频绝缘支撑体，低频绝缘支撑板的下表面连接绝缘层的上表面，低频绝缘支撑板的上表面连接绝缘弹性振动膜层的下表面，低频绝缘支撑板上设有一排上下通透的通槽，每个通槽与绝缘层和绝缘弹性振动膜层构成一个低频真空腔，每个低频真空腔内设有一个高频绝缘支撑体，高频绝缘支撑体的上表面与绝缘弹性振动膜层下表面贴合，且高频绝缘支撑体的下表面与绝缘层上表面不接触，第二电极层包括多个第二电极片，每个第二电极片的下表面与绝缘弹性振动膜层的上表面连接，且每个低频真空腔上方对应设置一个第二电极片；初始状态下，当第一电极片和第二电极片之间未加电压时，通槽、绝缘弹性振动膜和绝缘层构成低频真空腔；当第一电极片和第二电极片间施加的交流电压不超过低频真空腔的塌陷电压时，绝缘弹性振动膜层做上下往复振动动作，且高频绝缘支撑体下表面与绝缘层上表面不接触；当第一电极片和第二电极片间施加的交流电压超过低频真空腔的塌陷电压时，绝缘弹性振动膜层做上下往复振动动作，且高频绝缘支撑体下表面与绝缘层上表面接触，高频绝缘支撑体内的空间、绝缘层和绝缘弹性振动膜形成高频真空腔。

2.根据权利要求1所述的满足多频率需求的宽频带超声换能器复合机构，其特征在于：所述的所述的绝缘弹性振动膜层采用一整个绝缘弹性振动膜或者采用多个小绝缘弹性振动片，每个小绝缘弹性振动片对应设于每个通槽的上方并密封连接。

3.根据权利要求2所述的满足多频率需求的宽频带超声换能器复合机构，其特征在于：所述的通槽的深度大于高频绝缘支撑体的高度。