CN112517361B - 一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明涉及超声换能器技术领域，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。
背景技术
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。
发明内容
本发明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，本发明采用的技术方案为：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，本发明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，本发明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。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明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，本发明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- Mechanical System, MEMS）技术中的微加工工艺制造完成。与传统压电换能器相比，本发明利用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，本发明具有以下优点：
1、随着 MEMS 技术的成熟，本发明能够采用 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、本发明采用的微加工工艺，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为本发明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为本发明实施例一中上电极的示意图；
图3为本发明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为本发明实施例二中上电极的示意图；
图5为本发明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为本发明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
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1~2所示，本发明实施例一提供了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。
如图2所示，本实施例中，包括2个空腔组，每个空腔组包括6个空腔，同一空腔组内的空腔上方对应的上电极分别通过连线与焊盘7连接在一起，不同空腔组内的空腔上方对应的上电极连接的焊盘不同，使得不同空腔组对应的上电极施加的电压可以不同。
本实施例的结构的好处在于不同结构的CMUT结构需要的供电方式以及连接方式可以单独设计，空腔半径大的需要将上电极面积做大，施加的直流偏置也比较大，因此，本实施例分开控制不同的换能器，其上表面的电极结构如图2所示。同样尺寸的上电极连接到一起通过焊盘将电气特性引出，即可实现对不同频段传感器的分别控制，空腔尺寸比较大的施加较小的偏置电压来达到接收的应力需求。该结构的特点是在MEMS制作工艺中比较简单，所有规格空腔的振膜厚度一致，只需在键合完成之后上电极的制作工程中做图形化处理，将同一规格的电极连接在一起分别做pad点做引线键合施加不同的偏置电压，来实现相应结构的正常工作。
具体地，本实施例中，所述衬底层和薄膜层4材料均为硅，薄膜支撑层的材料为二氧化硅，下电极和上电极的材料为铝。
实施例二
如图3和图4所示，本发明实施例二提供了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。
如图3所示，与实施例一不同的是，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。此外，如图4所示，本实施例中，所有上电极通过焊盘连接在一起。本实施例通过改变了薄膜厚度，使不同空强组对应的上电极的偏置电压一致，上电极统一与同一个焊盘连接。本实施例的超声换能器只有两个电极，分为上电极，下电极，分别来控制两个不同的频率器件来达到检测较大带宽的目的。
具体地，本实施例中，所述衬底层和薄膜层4材料均为硅，薄膜支撑层的材料为二氧化硅。
通过刻蚀半径小的空腔对应的振动薄膜，使得小空腔对应电极的驱动电压和大空腔的驱动电压一致，从而达到上电极电压一致，所有上电极电压一致，通过一个焊盘点即可施加激励，在MEMS结构上对半减少了引线键合数量，使得结构稳定性增加，结构更加简单。
实施例三
如图5所示，本发明实施例三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3；
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3；
S4、在硅衬底下方和薄膜层3上方分别制作下电极和图形化的上电极。
具体地，所述步骤S3还包括以下步骤，对薄膜层3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4厚度大于半径较小的空腔对应位置的薄膜层4厚度，
进一步地，本实施例中，所述步骤S4中，还可以在薄膜层3上方设置电气隔离层后制备上电极，电气隔离层的材料可以为二氧化硅。
实施例四
如图6所示，本发明实施例四提供了一种开关柜局部放电检测装置，包括多个所述的一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器和检测主机，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。
本实施例中，检测主机采用球面定位法判定故障发生位置，超声波探头点为球面中心，即在变压器外壳的每一面周围布置超声波探头，形成超声波检测阵点。超声波探头测量并计算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。
综上所述，本发明提供了一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器，通过设置多个半径的空腔，来改变器件的固有频率，生成不同频率的传感器，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，从而在实际生活中对于超声信号的接收与检测，特别是开关柜的局部放电，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，对于高压设备的局部放电类型做出较为准确的判断同时也提高了稳定性，相比多设备，其结构简单，检测效果更好，提高了传感器频率传感范围以及灵敏度，易于集成，大大提高了其应用范围。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
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）；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，所有上电极通过连线与同一焊盘连接在一起。
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，不同空腔组上方的薄膜层（4）的厚度一致，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）材料为硅。
4.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的制备方法，其特征在于，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（3）；
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（4）；
S4、在硅衬底下方和薄膜层（4）上方分别制作下电极和图形化的上电极。
5.根据权利要求4所述的一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器的制备方法，其特征在于，所述步骤S3还包括以下步骤，对薄膜层（4）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（4）厚度大于半径较小的空腔对应位置的薄膜层（4）厚度。
6.一种开关柜局部放电检测装置，其特征在于，包括检测主机和多个如权利要求1所述的一种高灵敏多频段复合式空耦超声换能器，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。
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