CN114441647B - 基于组合微元的聚焦宽频带电容式微机械换能器阵列 - Google Patents

基于组合微元的聚焦宽频带电容式微机械换能器阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于组合微元的聚焦宽频带电容式微机械换能器阵列，所述换能器的外侧部分阵列由宽度不同的环形微元构成，而中间部分的阵列由半径不同的圆形微元构成；两种微元的性能不同，环形微元构成的阵元具有较好的发射能力，圆形微元构成的阵元具有较好的接收能力，并且两种阵元的声轴重叠，这些特性使得换能器在近场区域的相控聚焦检测和远场区域的检测当中具有更好的检测分辨率和信噪比；所述换能器由于不同微元的频带叠加而具有了较宽的工作频带，进而保证发射的声脉冲信号在时域上具有更窄的特性；所述换能器具有不同的工作方式和激励策略，可以保证换能器在近场和远场区域等较大的距离范围内，都具有良好的检测信噪比和分辨率。

Description

基于组合微元的聚焦宽频带电容式微机械换能器阵列
技术领域
本发明涉及空气耦合超声检测应用的换能器领域，尤其涉及一种基于组合微元的聚焦宽频带电容式微机械换能器阵列。
背景技术
空气耦合超声检测(Air-Coupled Ultrasonic Testing，ACUT)是一种以空气作为耦合介质的非接触超声无损评价方法。这种非接触式超声无损检测技术，消除了液体耦合剂，直接在空气环境中进行超声检测，不仅降低了检测的复杂性和成本，而且还具有独特的优势：可以提高那些声阻抗与水的声阻抗数量级接近的聚合物基体和多孔材料内部和表面缺陷检测能力。还适用于对那些容易与水发生作用或者容易被水破坏的材料和结构的检测，像飞机结构中使用的蜂窝复合材料，木材材料，用于制造业的粉末金属、食品和医药产品等等。
然而，实现空耦非接触式超声检测面临着巨大的挑战。主要的挑战在于换能器和测试对象的空气和材料之间的声阻抗不匹配。这使得空气和材料的边界处的超声发生强烈地反射，以及超声在空气中的极高衰减，这些问题都限制了空气耦合超声检测技术的检测和应用能力，为了使空气耦合超声具有更好的无损检测性能，提高超声换能器的发射和接收性能变得极为重要。
电容式微机械超声换能器(Capacitive Micromachined UltrasoundTransducer,CMUT)是一种基于微机电系统(Microelectromechanical System,MEMS)的制造和设计技术的换能器，与压电超声换能器相比：其不需要匹配层，与空气具有更好的声阻抗匹配特性。同时由于MEMS制造技术加持，CMUT具有了易于制造各种形状的微元和各种形式的阵列，控制微元和阵列的几何参数可以灵活调整器件的发射和接收特性等优点，这使得它们非常适合于空气耦合检测。
由于空气对高频声波较强的衰减作用，大部分的空耦换能器工作频率在几百千赫兹左右，因此空耦CMUT同样也工作在这个范围。在这个频率范围下，单个CMUT微元产生较大的声压就需要较大的位移，这就要求换能器具备较深的真空腔。单个CMUT微元要想具有较好的接收能力，这就要求换能器具备较浅的真空腔。虽然可以制造不同的真空腔来解决以上问题，但是却会增加工艺的复杂程度和制造成本。除此之外，目前的空气耦合CMUT的带宽仍然不理想，表现形式就是换能器的振膜在被电脉冲信号激励完成后并不会立即停止，而是继续欠阻尼震荡下去，这种现象限制了传统的空气耦合换能器对于近场区域目标的轴向分辨率和检测精度。
发明内容
本发明针对现有的空气耦合CMUT器件的发射性能和接收性能不能很好的满足空气耦合超声检测的需求，工作带宽较窄，分辨率差，信噪比低等问题，提出了一种基于组合微元的聚焦宽频带电容式微机械换能器阵列，本发明与现有的常规空气耦合CMUT相比，具有动态聚焦，高信噪比，高接收灵敏度与高发射强度的特性，更宽以及可变的工作频带，适应更多空气耦合应用，以及较好的轴向与横向分辨率等优点，详见下文描述：
一种基于组合微元的聚焦宽频带电容式微机械换能器阵列，超声换能器分别由圆形微元和环形微元组成，其中环形微元构成了换能器的外侧部分，圆形微元构成了超声换能器的中间部分。外侧部分和中间部分的阵元全部同心分布，外侧部分的阵列为X个宽度不同的环形微元构成。中间部分的阵列为Y种半径不同的圆形微元按照层层相套的排列方式构成，其中X，Y都是大于等于4的整数。外侧部分的环形微元与中间部分的圆形微元相比具有更强的发射能力，而中间部分的圆形微元比外侧部分的环形微元具有更优的接收能力，换能器的外侧部分的微元总面积等于所述换能器的中间部分的微元总面积。
所述超声换能器的中间部分阵元是由圆形微元按照具有层层相套特点的多边形排列形式，扇形排列形式或圆环排列形式等中心对称的形式所构成。
所述超声换能器阵列的外侧部分和中间部分的各个阵元的频带彼此相交，叠加后形成一个更宽的总频带。且外侧部分和中间部分的两个总频带近似相同。
所述的超声换能器的圆形微元和环形微元是采用相同的工艺同步制造完成，两种微元的电极厚度，振膜厚度，真空腔深度，绝缘层厚度等纵向尺寸完全相同，而电极半径，电极形状，振膜半径等横向尺寸则不同。
所述超声换能器，通过计算选取一个优化后的腔深参数，使得相同频带下的环形微元比圆形微元拥有更好的发射能力，而圆形微元比环形微元拥有更好的接收能力。
所述超声换能器的外侧部分的环形微元的上电极形状为有缺口的环状，该缺口用于保证所述换能器各个同心分布阵元的金属上电极的导线在不发生相交的条件下与换能器上的接线端子相连。
所述超声换能器的所有阵元的下电极并联后通过一个接线端子与外部电路的接地端相连。所述超声换能器的各个阵元上电极通过各自的接线端子分别与外部的多通道驱动接收电路的激励端相连。
所述换能器通过计算脉冲激励信号和接收电信号的时间差，通过飞行时间法精确地测量与被测物体之间的距离，反馈调节换能器的各个阵元激励之间的延迟时间，保证聚焦点始终落在需要被检测的区域内。
所述换能器阵列的工作模式为：
工作模式一：检测的物体或缺陷距离处于换能器的近场区域时，环形阵元在该区域上声聚焦，圆形微元组成的阵元接收焦点处的反射信号；
工作模式二：检测的物体或目标处于换能器的远场区域时，所述环形微元和圆形微元同时同相位激励并发射超声波，所有阵元接收回波信号；
工作模式三：被检测的物体或缺陷特征用到不同频率的声波检测时，换能器先后发射多个频率的声脉冲信号并接收，同时对同一位置的特征进行不同深度层次和不同分辨率的检测。
所述换能器具有两个主要的驱动策略。
驱动策略一：近场区域相控聚焦激励策略，外侧部分的阵元采用相同幅值的直流偏置和不同幅值的脉冲激励。中间部分的阵元施加不同大小的直流偏置。该策略使得所述换能器外侧部分用于超声发射，中间部分用于回波接收。
驱动策略二：远场区域的同相激励策略，各个阵元采用相同的直流偏置和幅值不同的交流脉冲激励信号实现所有阵列的共同发射。然后所有阵列共同接收回波信号。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明通过宽频带的设计，可以降低发射声脉冲或者接收电信号的拖尾时间，降低声脉冲信号的在时域上的宽度，提高检测的轴向分辨率，而且相控聚焦的特点可以进一步提高对被检测位置的横向分辨率；因此换能器可以在检测的同时，精确地测量与被测物体之间的距离，进而动态的调整换能器的聚焦点，保证聚焦点始终落在需要被检测的区域里；
2、换能器阵列在不增加额外工艺步骤的条件下，制造出发射性能好和接收性能好的微元，在成本不变的条件下增加了器件的性能；外侧部分的环形阵元具有较大发射能力，而中间部分的圆形微元具有较好接收性能，而且外侧部分的环形阵元于中间部分的圆形阵元同心分布使得两个部分的声场的声轴重叠，可以进一步保证换能器的发射和接收的效果。通过控制外侧部分的阵元和中间部分的阵元作为发射或者接收的工作方式，例如：外侧部分的阵元相控聚焦发射，中间部分的阵元接收，可以在换能器近场区域进行检测。如果外侧部分和中间部分的所有阵元同时同相位激励时，可以对远场的目标进行检测。这可以使得器件在对不同距离上的物体进行高信噪比和高分辨率的检测；由于器件具有宽频带和聚焦的特点，换能器可以动态调整工作频率和聚焦点位置，从而实现对同一检测区域的特征进行不同深度和分辨率的检测；
3、换能器由于在空气中具有良好带宽的同时也具有良好发射能力与接收能力，所以其用途并不局限于空气耦合无损检测领域，也可应用于空气耦合中的速度测量，流速测量，距离测量，压力测量，气体浓度测量等应用领域。
附图说明
图1为一种基于组合微元的聚焦宽频带电容式微机械换能器阵列示意图；
图2为外侧部分的环形微元示意图；
图3为中间部分的圆形微元示意图；
图4为相同谐振频率的圆形微元与环形微元在大气压下的静态变形图；
图5为相同面积的圆形和环形微元的发射能力对比图；
图6为相同频率的圆形和环形微元的接收能力对比图；
图7为单频阵元频带和多个单频阵元叠加后的总频带的对比图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
A：外侧部分； B：中间部分；
1：中间部分的圆形微元； 2：外侧部分的环形微元；
3：外部激励连线端子； 4：外部公共接地连线端子；
5：金属上电极； 6：振膜；
7：真空腔； 8：绝缘层；
9：导电衬底下电极。
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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于组合微元的聚焦宽频带电容式微机械换能器阵列，该超声换能器阵列分别由圆形微元1和环形微元2组成，其中环形微元2构成了换能器的外侧部分A，圆形微元1构成了超声换能器的中间部分B。外侧部分A和中间部分B的阵元全部同心分布，外侧部分A的阵列由四个宽度不同的环形微元所构成。中间部分B的阵列由四种半径不同的圆形微元层层相套的排列构成，外侧部分A的环形微元的发射能力大于中间部分B的圆形微元的发射能力，而中间部分B的圆形微元比外侧部分A的环形微元具有更优的接收能力，换能器的外侧部分A的微元总面积等于中间部分B的微元总面积。
本实施例中，如图1所示，超声换能器的中间部分是由圆形微元所排列而成的层层相套的六边形阵列形式，这些六边形阵列形式也由其他多边形阵列，扇形阵列或圆环阵列等中心对称的阵列形式所取代。
本实施例中的外侧部分A和中间部分B的各个阵元的频带彼此相交，叠加后形成一个更宽的总频带。如图7所示，其内容是，四个阵元频率叠加形成一个较宽的频带。在设计的过程中应注意外侧部分A和中间部分B的两个总频带近似相同，这种方式可以使得外侧部分A发射的不同频带的超声回波信号成分能够被中间部分B有效接收而不会产生损失。
本实施例中，如图2，3所示，换能器的圆形微元1和环形微元2是由相同的工艺同步完成，两种微元的金属上电极5的厚度，振膜6的厚度，真空腔7的深度，绝缘层8的厚度，和导电衬底下电极9的厚度等纵向尺寸完全相同，而金属上电极5的半径，形状，振膜6的半径等横向尺寸不同。这样在不需要额外掩模版和工艺的条件下产生灵敏度差异较大的换能器微元。
其中，换能器针对那些表面不规则或起伏较大的物体检测时可以动态聚焦，换能器通过计算脉冲激励信号和接收电信号的时间差，通过飞行时间法精确地测量与被测物体之间的距离，反馈调节换能器的聚焦点位置，保证聚焦点始终落在需要被检测的区域里。
本实施例中，超声换能器，如图4所示，在标准的大气压下，相同谐振频率的环形微元比圆形微元有更小的静态变形，这样在腔深相同的情况下，环形微元比圆形微元有更大的振动范围。通过计算选取一个优化后的真空腔8的深度参数，可以使得相同频带下的环形微元2比圆形微元1拥有更好的发射能力，而与此同时圆形微元1比环形微元2拥有更好的接收能力。
如图5所示，其表示的内容为：共振频率接近且面积相等的圆形微元1和环形微元2，最大发射功率与振膜动态位移的比值随频率的变化关系。结果显示，在振膜的动态位移相等的条件下，环形微元2比圆形微元1能够辐射出更多的能量。
如图6所示，其表示的内容为：共振频率接近的圆形微元1和环形微元2，在相同的直流电压和声压激励下，单位面积的圆形微元1与环形微元2相比，能够将声压激励转化为更大的电流信号，进而有更佳的接收性能。
本实施例中，超声换能器的所有阵元的导电衬底下电极9并联后通过一个外部公共接地连线端子4与外部电路的接地端相连。超声换能器的各个阵元金属上电极5通过各自的外部激励连线端子3分别与外部的多通道的驱动和接收电路的脉冲发射端相连。
本实施例中，如图1所示，超声换能器的外侧部分A的环形微元2的金属上电极5的形状为有缺口的环状，该缺口主要保证换能器的中间部分B的阵元的金属上电极5与外侧部分A的阵元在不发生干涉的条件下通过金属导线并与外部激励接线端子3相连。
本实施例中，换能器通过计算脉冲激励信号和接收电信号的时间差，通过飞行时间法精确地测量与被测物体之间的距离，反馈调节换能器的各个阵元激励之间的延迟时间，保证聚焦点始终落在需要被检测的区域里。
其中，飞行时间法为本领域公知的技术，本发明实施例对此不做赘述。
本实施例中，超声换能器阵列可以工作在不同的模式。
工作模式一：如果检测的物体或缺陷距离处于换能器的近场区域时外侧部分A的环形微元2可以在近场区域声聚焦，中间部分B的圆形微元1接收焦点处的反射信号，由于接收阵元和发射阵元之间的分离，并且发射阵元的发射能力好，接收阵元的接收灵敏度高，使得这种模式可以提高近场区域的检测信噪比和分辨率。
例如：在无损检测应用中，换能器能够在近场区域进行相控聚焦，聚焦后的声场焦点的横向距离很小，可以提高对检测区域的横向分辨率。而不同频带的阵元的共同工作，使得焦点出的声脉冲信号在时域上具有更窄的特性，进而提高检测区域的纵向分辨率。同时发射阵元和接收阵元的分离，使得声信号的接收不受发射的影响，进而有更好的信噪比。
工作模式二：如果检测的物体或者目标处于远场区域时，超声换能器的外侧部分A和中间部分B的阵元采用同时同相位的激励方式并发射超声波，然后外侧部分A和中间部分B的阵元同时接收，这种模式最大程度的提高了检测的距离。
例如：在测距应用中，为了提高对远场区域的目标探测，就需要换能器有较好的发射能力。因此工作模式二可以保证换能器能够发射出最大的声压且具有较好的接收能力，进而保证器件能够具有较大的探测距离。
工作模式三：如果检测的物体或缺陷特征需要不同频率的声波时，换能器可以同时发射多种频率的声脉冲信号并接收，这种模式可以对同一位置的特征进行不同深度层次和不同辨率的检测。
例如：对于工作模式三，在无损检测应用中，频率较高的声脉冲信号有较好的分辨率，但是穿透能力较弱，可以对那些处于物体浅层的微小缺陷进行检测：频率较低的声脉冲信号有较好的穿透能力，但是分辨力较差，可以对那些处于物体深层的较大缺陷进行检测。
可以根据不同的应用背景灵活的切换不同的换能器驱动策略。
驱动策略一：对换能器近场区域内的目标检测时的相控聚焦激励策略，外侧部分A的阵元采用相同幅值的直流偏置和不同幅值的交流激励。中间部分B的阵元施加不同大小的直流偏置。该策略使得换能器外侧部分A用于超声发射，中间部分B用于回波接收。所以阵元发射后的余振不会影响到回波信号的接收，同时由于声聚焦和宽频带，使得器件能够对近距离的物体进行高轴向以及横向分辨率和高信噪比的检测。
例如：换能器区域为距离换能器表面为a*a/λ的区域，a为换能器半径，λ为空气中的超声波长，超过这个区域时为远场区域，相控聚焦的区域在近场区域。
例如：在驱动策略一中，换能器的外侧部分A的各个环形微元施加相同的直流激励后，由于不同频率的微元间具有灵敏度差异，因此对频率低的换能器采用幅值较小的交流激励，对于频率高的环形微元采用幅值较大的交流微元，保证外侧部分A的发射功率最大化。由于圆形微元与环形微元的谐振频率都会因为直流偏置而变化且变化程度不一致，对于中间部分B的圆形微元的总频带，为了使得其与外侧部分A的各个微元叠加的总带宽重叠，保证中间部分B对外侧部分A发射后的回波产生最佳的接收效果，因此需要调整中间部分B的各个圆形微元的偏置电压大小。
驱动策略二：对远场区域的目标检测时的所有阵元共同激励策略，各个阵元采用相同的直流偏置和不同幅值的交流激励信号进行工作。由于所有阵元同时激励后同时接收，所述换能器的发射能量最强，而换能器的宽频带特性使得发射声波的脉冲宽度较小。可以实现对远场区域的物体进行精度较高的测距和测速等应用。
例如：换能器的所有阵元施加相同的电压，换能器不同频带的微元的激励电压不同。在驱动策略二中，对于频率较高的微元采用幅值较大的交流激励，对于频率低的微元采用幅值较小的交流激励，保证各个微元能够发射出自身的最大声功率。
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 (6)

1.一种基于组合微元的聚焦宽频带电容式微机械换能器阵列，其特征在于，所述换能器阵列由圆形微元和环形微元组成，所述环形微元为外侧部分，所述圆形微元为中间部分，外侧部分和中间部分的阵元全部同心分布；
外侧部分的阵列为X个宽度不同的环形微元构成，一个环形微元即为一个阵元，中间部分的阵列为Y种半径不同的圆形微元按层层相套的排列方式构成，一组半径相同的圆形微元即为一个阵元；
环形微元的总面积等于圆形微元的总面积，所述换能器的所有阵元的下电极并联后通过一接线端子与外部电路的接地端相连，所述换能器的各个阵元上电极通过各自的接线端子分别与外部的多通道驱动接收电路的激励端相连；
所述换能器通过计算脉冲激励信号和接收电信号的时间差，测量与被测物体之间的距离，反馈调节换能器的各个阵元激励之间的延迟时间，保证聚焦点始终落在被检测的区域内。
2.根据权利要求1所述的一种基于组合微元的聚焦宽频带电容式微机械换能器阵列，其特征在于，所述换能器阵列的工作模式为：
工作模式一：检测的物体或缺陷距离处于换能器的近场区域时，环形阵元在该区域上声聚焦，圆形微元组成的阵元接收焦点处的反射信号；
工作模式二：检测的物体或目标处于换能器的远场区域时，所述环形微元和圆形微元同时同相位激励并发射超声波，所有阵元接收回波信号；
工作模式三：被检测的物体或缺陷特征需要用到不同频率的声波检测时，换能器先后发射多个频率的声脉冲信号并接收，同时对同一位置的特征进行不同深度层次和不同分辨率的检测。
3.根据权利要求1所述的一种基于组合微元的聚焦宽频带电容式微机械换能器阵列，其特征在于，所述换能器包括以下驱动策略：
近场区域相控聚焦激励策略：所述环形微元采用相同幅值的直流偏置和不同幅值的脉冲激励，所述圆形微元组成的阵元施加不同大小的直流偏置，所述换能器外侧部分用于超声发射，中间部分用于回波接收；
远场区域的同相激励策略：各个阵元采用相同的直流偏置和幅值不同的交流脉冲激励信号实现所有阵列的共同发射，所有阵元共同接收回波信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于组合微元的聚焦宽频带电容式微机械换能器阵列，其特征在于，所述圆形微元按照多边形排列形式，扇形排列形式或圆环排列形式。
5.根据权利要求1所述的一种基于组合微元的聚焦宽频带电容式微机械换能器阵列，其特征在于，所述圆形微元和环形微元采用相同的工艺同步制造完成，两种微元的电极厚度，振膜厚度，真空腔深度，绝缘层厚度相同。
6.根据权利要求1所述的一种基于组合微元的聚焦宽频带电容式微机械换能器阵列，其特征在于，所述环形微元的上电极形状为有缺口的环状，该缺口用于保证各个同心分布阵元的金属上电极的导线在不发生相交的条件下与换能器上的接线端子相连。
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