CN108704827B - 空气耦合式的电容式微加工超声换能器、制备方法及用途 - Google Patents

Abstract

一种空气耦合的电容式微加工超声换能器、制备方法及用途，包括：换能器阵列中包括16个阵元，每个阵元由多个敏感单元组成，其中单个敏感元件的结构由上到下依次由：上电极1、振膜2、空腔3、以及基底5组成，基底作为下电极使用。所设计的换能器工作频率为100kHz‑2MHz。换能器阵列基于SOI键合工艺制作，振动薄膜材料是单晶硅，上电极为金或铝，绝缘层4为二氧化硅或氮化硅，通过刻蚀低阻硅基底形成沟槽来分隔换能器的阵元，从而构成多阵元的阵列。空耦式超声换能器以空气耦合的方式激发金属板或复合材料板中的超声波，用于板内部缺陷的无损检测。换能器与相控阵系统配合，对各阵元的脉冲驱动信号进行延时控制，实现声束的相控偏转、聚焦等调整，增大检测自由度。

Description

空气耦合式的电容式微加工超声换能器、制备方法及用途

技术领域

本发明涉及超声换能器领域，尤其涉及一种空气耦合式的电容式微加工超声换能器、制备方法及用途。

背景技术

近年来，超声检测技术在无损检测领域获得了广泛的应用，发展比较成熟的检测法主要利用液浸法或使用耦合剂的接触法来减少超声在空气中的能量损失，但这限制了其适用范围和检测速度，而非接触式超声波无损检测技术具有非接触、无需水浸或耦合剂的特点，很好地弥补了这方面不足，适宜应用于复合材料检测、材料特性评价、食品工业等诸多领域。

基于空气耦合超声换能器的非接触检测方法能够用于金属、聚合物或复合材料的检测，并且能够实现大型结构件的快速现场检测、高温环境检测。但这种非接触式检测方法的困难主要在于空气与固体材料的声阻抗失配，在流固界面传播时超声波会发生很大的衰减，为了进行高质量信号处理和成像，换能器需要很高的发射效率及接收灵敏度，这样才能得到较高的信噪比。传统的压电超声换能器通过在换能器外表面增加阻抗匹配层以提高超声波发射效率和接收灵敏度，采用匹配层的方法在提高转换效率的同时也带来了匹配层材料不易获得、频带宽度较窄的问题。

利用微加工工艺制作的电容式超声换能器(Capacitive MicromachinedUltrasonic Transducer—CMUT)，由于其是依靠薄膜振动来辐射或者接收超声波，声阻抗较低，和空气介质的声阻抗匹配，克服了传统压电换能器的缺陷。此外，CMUT还具有频带宽、易于制作高密度阵列等优点，同时也易于和相关处理电路集成，减少检测信号噪声，提高信噪比。因此，基于电容式微加工超声换能器实现的空气耦合式无损检测，能够提高系统的发射效率和接收灵敏度。

将空气耦合式超声探头应用于板材内部无损检测时，一般都是通过单个的一发一收探头的移动进行扫描从而检测整个板材，因此检测速度较慢。此外，以检测板材中的Lamb为例，上述的检测系统中为了激发特定模态的Lamb波，空耦换能器需要与被测板保持一定的角度，随着被测板材厚度的变化或者被测板材材料的不同，检测系统中要有机械装置来调整空耦超声换能器的倾斜位置。

为此，本发明以基于空气耦合式的板材内缺陷无损超声检测为应用目标，设计基于微加工技术的新型空气耦合式电容超声换能器阵列，以提高空气耦合超声检测系统的超声发射效率和接收灵敏度，提高接收信号的信噪比。同时将电容式微超声换能器阵列与相控阵控制系统配合，实现声波入射角度的可调整，省去调整换能器角度的机械装置，增大检测自由度。另外，与多个单探头构成的多通道系统相比，微加工工艺所制作的换能器阵列中各单元性能具有很高的一致性。

发明内容

本发明提供了一种空气耦合式的电容式微加工超声换能器、制备方法及用途，本发明提高了机电耦合效率，增大了检测自由度，更好地适应了检测构件的厚度、材料以及现场环境的变化，详见下文描述：

一种空气耦合式的电容式微加工超声换能器，所述超声换能器包括：

换能器由16个阵元构成线性阵列，每个阵元包含多个串联在一起的敏感元件，每个敏感元件的结构由上到下依次由：上电极、振膜、空腔、以及基底组成，所述基底作为下电极使用，各个阵元间距小于一个声波波长。

所述换能器工作时，在空气介质中发射和接收超声波信号，工作频率范围是100kHz-2MHz。所述振膜与所述基底之间夹有空腔，构成一个电容器，在上电极和下电极之间加载一个直流电压，使得电容中形成一个静电场，所述振膜在电场力的作用下发生形变，从而在振膜中形成一个预紧力，所述振膜处在一个稳定的平衡状态。

进一步地，当电容式超声换能器作为超声发射器使用时，振膜的两端外加一个脉冲激励，振膜的平衡状态被打破，振膜作自由阻尼振动，向外界发射超声波。

进一步地，当电容式超声换能器作为超声接收器使用时，超声波使振膜发生振动，上电极和下电极之间的电容发生变化，通过检测这种变化实现超声波的检测。

其中，所述薄膜为单晶硅薄膜，所述单晶硅薄膜用作超声波发射与接受时的振动薄膜。

其中，所述上电极的材料选用金、铝。

具体实现时，所述基底为掺杂的低阻硅材料，空腔为真空或少量气体，绝缘层为二氧化硅或氮化硅等，通过刻蚀低阻硅基底形成沟槽来分隔换能器的阵元，从而构成多阵元的阵列。

另一实施例，一种空耦式超声换能器的制备方法，所述制备方法采用的SOI晶圆键合工艺，包括以下步骤：

(A)准备硅基底，硅基底采用的是掺杂的低阻硅，从而可以与顶电极组成平行极板电容；

(B)采用反应离子刻蚀或湿法刻蚀，在需要的位置处刻蚀出目标深度的空腔；

(C)在刻蚀完毕的硅基底上通过热氧化镀上一层绝缘层，避免上下电极之间的接触，绝缘层的材料采用二氧化硅；

(D)将硅基底与SOI硅片键合；

(E)去除SOI硅片的衬底和BOX层，留下一层单晶硅薄膜，以此作为CMUT敏感单元的振膜；

(F)在顶层蚀刻出沟槽，分离顶层的阵元；

(G)在顶层沉积金电极。

另一实施例，一种空耦式超声换能器的用途，所述空耦式超声换能器以空气耦合的方式激发金属板或复合材料板中的超声波，如纵波、横波、表面波以及板波等，用于板内部缺陷无损检测。

另一实施例，一种空耦式超声换能器的用途，所述换能器与相控阵系统配合，相控阵系统对各阵元的脉冲驱动信号进行延时控制，可用于相控偏转、相控聚焦、以及相控偏转加聚焦，作为可变声束角度的空气耦合探头实现调整超声波入射角度以探索适当超声波类型的激发条件，以及调整被检测介质中超声波的折射角度。

此外，依据超声波的多普勒效应，空耦式电容微加工超声换能器还可实现非接触的运动识别；通过检测超声回波信号还可进行空间三维成像，指纹与手势识别，更加多元地实现人机交互。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、相对于传统空气耦合压电式超声换能器来说，本发明所述的CMUT敏感单元的结构使得换能器的机电耦合效率更高，声阻抗较低，更易于与空气等工作介质相匹配，提高发射和接收灵敏度；

2、本发明所提供的空气耦合式电容微超声换能器阵列的每个阵元由多个敏感单元串联组成，此种结构进一步提高了换能器阵列的发射能力；各阵元的间距小于一个声波波长，此种设计能够保证在允许的偏转角度内CMUT辐射声场不会出现栅瓣，从而获得较好的声场特性；此外，采用MEMS工艺制作空耦式CMUT换能器，不仅使得各阵元性能具有较高的一致性，还使得换能器器件易于和相关的处理电路集成，降低由于走线或分立元件而造成的噪声。

3、本发明所提供的基于CMUT阵列的相控阵系统，通过脉冲驱动电路、直交流耦合电路等能够对各敏感单元的脉冲驱动信号进行延时控制，实现空气耦合超声换能器阵列声束的相控偏转、聚焦等功能。

4、将本发明所提供的空气耦合式CMUT换能器阵列用于激发金属或者复合材料板中的超声波，从而实现非接触式的缺陷检测；同时，基于该阵列及相控阵系统，可以灵活的实现声束偏转和聚焦，增大了检测自由度，更好地适应检测构件的厚度、材料以及现场环境的变化。

5、空气耦合式的电容式微加工换能器在非接触的条件下能实现各类超声检测，如三维成像，运动识别，测距及测速等，真正意义地使超声检测技术达到快速高效，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为电容式微加工超声换能器工作原理图；

图2为电容式微加工超声换能器结构示意图；

图3为换能器制备的工艺流程图；

图4为多路脉冲驱动单元框图；

图5为超声相控阵实现声束偏转的示意图；

图6为超声相控阵实现声束聚焦的示意图；

图7为电容式微加工超声传感器激发板内超声波进行缺陷检测示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：振膜部分； 2：基底部分；

3：上电极； 4：薄膜；

5：空腔； 6：绝缘层；

7：衬底； 8：BOX层；

9：沟槽；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明实施例的目的在于提供一种应用于空气耦合的超声无损检测电容式微超声换能器，换能器由16个阵元构成，每个阵元由多个敏感元件组成，参见图2(A)。

每个敏感元件的结构由上到下依次由：上电极3、振膜1、空腔5、以及基底2组成(其中，基底2也作为下电极使用)，参见图2(B)。

振膜1与基底2之间夹有空腔5，构成一个电容器，预先在上电极3和下电极2之间加载一个直流电压，使得电容中形成一个静电场，振膜1在电场力的作用下发生形变，从而在振膜1中形成一个预紧力，振膜1处在一个稳定的平衡状态。

当电容式超声换能器作为超声发射器使用时，振膜1的两端外加一个脉冲激励，振膜1的平衡状态被打破，振膜1作自由阻尼振动，向外界发射超声波。当电容式超声换能器作为超声接收器使用时，超声波使振膜1发生振动，上电极3和下电极2之间的电容发生变化，通过检测这种变化实现超声波的检测。

本发明实施例通过上述的设计，得到工作频率为100kHz-2MHz的换能器阵列。

实施例2

下面结合图1对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

本发明实施例的整体结构由振膜1和基底2两部分构成。振膜1由上电极3和薄膜4两部分组成。

具体实现时，薄膜4可以为单晶硅薄膜。也可以根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。

其中，上电极3的材料可以选用金、铝等。本发明实施例选用单晶硅薄膜用作振膜1与超声波接收敏感元件的组成部分。

基底2由空腔5、绝缘层6共同构成。绝缘层6的材料为二氧化硅，空腔5由掺杂的低阻硅刻蚀形成，具体实现时，可以为真空腔。基底2直接作为下电极，基底2可以为硅基底。

本发明实施例对上述器件的具体结构、材料的选择不做限制，根据实际应用中的需要进行设定。

实施例3

参见图2(B)，本发明实施例提供了一种空耦式超声换能器的制备方法，该制备方法是与实施例1和2中的空耦式超声换能器相对应，该制备方法包括：

本发明实施例所采用的SOI晶圆键合技术是一种体硅工艺。该技术克服了采用牺牲层的缺陷，通过对硅基底材料的深刻蚀来加工较大的单元尺寸，加工可靠性高。SOI晶圆键合工艺的工艺流程如下：

(A)准备硅基底2，硅基底2采用的是掺杂的低阻硅，从而可以与顶电极组成平行极板电容；

(B)采用反应离子刻蚀(RIE)或湿法刻蚀，在需要的位置处刻蚀出目标深度的空腔5，空腔5的深度为5μm；

(C)在刻蚀完毕的硅基底2上通过热氧化镀上一层绝缘层6，避免上下电极(2和3)之间的接触，绝缘层6的材料采用二氧化硅，厚度为2.2μm；

(D)将硅基底2与SOI硅片键合；

(E)去除SOI硅片的衬底7和BOX层8，留下一层单晶硅薄膜4，以此作为CMUT敏感单元的振膜，所述单晶硅薄膜4的厚度为10μm；

(F)在顶层蚀刻出沟槽9，分离顶层的阵元；

(G)在顶层沉积金电极3，金电极10的厚度为0.2μm。

实施例4

通过该换能器以空气耦合的方式激发金属板或复合材料板中的超声波，可用于进行板内部缺陷的检测。

如图7所示，在相控阵系统的控制下，电容式微加工超声换能器发射任意角度的声束，激发板中超声波，当超声波遇到板内缺陷时，其特征物理量会发生变化，在板另一端的超声换能器接收经板内并传播出板外的超声波，经放大电路最后将采集到的信号进行分析，即可检测到板中缺陷。

以超声波中的Lamb波为例，应用Lamb波检测复合材料板内部缺陷时，首先要确定板中Lamb波的模态，空气中的低频超声一般对应低阶的A₀模式或S₀模式。由Snell定律，利用一维线性相控阵的波束偏转模式，对于以某一中心频率入射的波形来说，其入射角度满足条件sinθ＝ca/cp，其中ca为空气中的声速，cp为沿板传播的某一模态频率Lamb波的相速度。

对于各向异性板，通过计算不同入射方向下声波的反射系数和透射系数随频厚积的分布，得到能量损失最小的声波入射角度，再由Snell定律，可以求得此时板内激发的Lamb波模态相速度，得到复合材料板的Lamb波频散曲线。

通过分析接收到的Lamb波信号的幅值、相位等变化情况，得到被检测板材中的缺陷信息。

综上所述，将空气耦合式的电容式微加工超声换能器应用于非接触式板内缺陷检测，可以广泛地应用多种类型的声波信号，能检测直接接触法难以检测的高温或低温材料、狭窄区域或形状复杂的检测体等，应用范围和领域较为广泛。

实施例5

通过该空气耦合式电容微加工超声换能器阵列与其相控阵系统配合，能够对各敏感单元的脉冲驱动信号进行延时控制，实现声束的相控偏转、相控聚焦、以及相控偏转加聚焦。

如图4所示，相控阵系统包括FPGA、多路脉冲驱动电路、直交流耦合电路。多路脉冲驱动单元和交直流耦合电路为换能器阵列(由多个换能器组成)提供激励信号，按照延时法则来实现多通道的延时控制。

其中，相控阵系统的声束形成共有三种方式，分别是：相控偏转、相控聚焦、以及相控偏转加聚焦。声束的形成是通过给CMUT阵列各个通道上的信号不同的延时来实现的，每个通道的延时时间被称为延时法则。

一、相控偏转

图5为相控偏转原理示意图。设相控阵延时法则的目标偏转角为θ，相邻的两个阵元之间的间距为d，那么相邻阵元的声程差可以计算得：

Δs＝dsinθ

相邻两个阵元的延时时间差为：

其中，c为空气中的声速。

第n个阵元相对于第1个阵元延时时间差为：

其中，n＝1，2，......，N，N为CMUT线阵阵元的总数。

根据上述公式计算即可得到所设计的CMUT阵列的偏转条件下的延时法则。

二、相控聚焦

图6为相控聚焦原理图。相控聚焦下首先需要确定聚焦焦点，继而计算阵元到聚焦点的声程，确定此声程下的延时法则。设P点为相控阵的焦点，各个阵元发射的声波的波峰在P点线性叠加使P点的声压最强。

设焦点到CMUT阵列中心点的距离为L，第n个阵元到CMUT阵列中心点的距离为d_n。

第n个阵元相对于焦距的声程差为：

因此第n个阵元的的延时时间差为：

当N为偶数时，

d_n＝|(n-0.5N)-0.5|d

当N为奇数时，

d_n＝|n-(N+1)/2|d

根据上述公式计算即可得到所设计的CMUT阵列在所需焦点处在聚焦条件的延时法则。

综上所述，本发明实施例通过上述的设计，可以实现各阵元声束的有序叠加，在不移动或者转动空耦探头的情况下实现较大区域的检测，增大了检测自由度，极大提高了检测灵活度和自由度，更好地适应了检测构件的厚度、材料以及现场环境的变化。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种空气耦合式的电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述超声换能器包括：

换能器由16个阵元构成线性阵列，每个阵元包含多个串联在一起的敏感单元，各个阵元间距小于一个声波波长；

其中，换能器中每个敏感元件的结构由上到下依次由：上电极、振膜、空腔、以及基底组成，所述基底作为下电极使用；

其中，换能器在空气介质中发射和接收超声波信号，工作频率为100kHz-2MHz；

所述超声换能器还包括：薄膜，所述薄膜为单晶硅薄膜，所述单晶硅薄膜用作超声波发射与接收时的振动薄膜；所述上电极的材料选用金、铝；

所述基底为掺杂的低阻硅材料，空腔为真空或少量气体，所述超声换能器还包括：绝缘层，所述绝缘层为二氧化硅或氮化硅，通过刻蚀低阻硅基底形成沟槽来分隔换能器的阵元，从而构成多阵元的阵列。

2.一种空耦式超声换能器的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备权利要求1中所述的空耦式超声换能器，所述制备方法采用SOI晶圆键合工艺，包括以下步骤：

(A)准备硅基底，硅基底采用的是掺杂的低阻硅，从而与顶电极组成平行极板电容；

(B)采用反应离子刻蚀或湿法刻蚀，在需要的位置处刻蚀出目标深度的空腔；

(C)在刻蚀完毕的硅基底上通过热氧化镀上一层绝缘层，避免上下电极之间的接触，绝缘层的材料采用二氧化硅；

(D)将硅基底与SOI硅片直接键合；

(E)去除SOI硅片的衬底和BOX层，留下一层单晶硅薄膜，以此作为CMUT敏感单元的振膜；

(F)在顶层蚀刻出沟槽，分离顶层的阵元；

(G)在顶层沉积金电极。

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