[发明专利]空气耦合式的电容式微加工超声换能器、制备方法及用途

说明书

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。

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。