[發明專利]基于組合微元的聚焦寬頻帶電容式微機械換能器陣列

有效

• 申請號: 202210086457.3
• 申請日: 2022-01-25
• 公開（公告）號: CN114441647B
• 公開（公告）日: 2023-06-27
• 發明（設計）人: 張慧;馬永帥;王茁晨;曾周末
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N29/34
• 分類號: G01N29/34;G01N29/28;G01S15/10;G01S7/539;G01D5/48;B81B7/04;B81B7/02;B06B1/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李林娟

本發明公開了一種基于組合微元的聚焦寬頻帶電容式微機械換能器陣列，所述換能器的外側部分陣列由寬度不同的環形微元構成，而中間部分的陣列由半徑不同的圓形微元構成；兩種微元的性能不同，環形微元構成的陣元具有較好的發射能力，圓形微元構成的陣元具有較好的接收能力，并且兩種陣元的聲軸重疊，這些特性使得換能器在近場區域的相控聚焦檢測和遠場區域的檢測當中具有更好的檢測分辨率和信噪比；所述換能器由于不同微元的頻帶疊加而具有了較寬的工作頻帶，進而保證發射的聲脈沖信號在時域上具有更窄的特性；所述換能器具有不同的工作方式和激勵策略，可以保證換能器在近場和遠場區域等較大的距離范圍內，都具有良好的檢測信噪比和分辨率。

技術領域

本發明涉及空氣耦合超聲檢測應用的換能器領域，尤其涉及一種基于組合微元的聚焦寬頻帶電容式微機械換能器陣列。

背景技術

空氣耦合超聲檢測(Air-Coupled?Ultrasonic?Testing，ACUT)是一種以空氣作為耦合介質的非接觸超聲無損評價方法。這種非接觸式超聲無損檢測技術，消除了液體耦合劑，直接在空氣環境中進行超聲檢測，不僅降低了檢測的復雜性和成本，而且還具有獨特的優勢：可以提高那些聲阻抗與水的聲阻抗數量級接近的聚合物基體和多孔材料內部和表面缺陷檢測能力。還適用于對那些容易與水發生作用或者容易被水破壞的材料和結構的檢測，像飛機結構中使用的蜂窩復合材料，木材材料，用于制造業的粉末金屬、食品和醫藥產品等等。

然而，實現空耦非接觸式超聲檢測面臨著巨大的挑戰。主要的挑戰在于換能器和測試對象的空氣和材料之間的聲阻抗不匹配。這使得空氣和材料的邊界處的超聲發生強烈地反射，以及超聲在空氣中的極高衰減，這些問題都限制了空氣耦合超聲檢測技術的檢測和應用能力，為了使空氣耦合超聲具有更好的無損檢測性能，提高超聲換能器的發射和接收性能變得極為重要。

電容式微機械超聲換能器(Capacitive?Micromachined?UltrasoundTransducer,CMUT)是一種基于微機電系統(Microelectromechanical?System,MEMS)的制造和設計技術的換能器，與壓電超聲換能器相比：其不需要匹配層，與空氣具有更好的聲阻抗匹配特性。同時由于MEMS制造技術加持，CMUT具有了易于制造各種形狀的微元和各種形式的陣列，控制微元和陣列的幾何參數可以靈活調整器件的發射和接收特性等優點，這使得它們非常適合于空氣耦合檢測。

由于空氣對高頻聲波較強的衰減作用，大部分的空耦換能器工作頻率在幾百千赫茲左右，因此空耦CMUT同樣也工作在這個范圍。在這個頻率范圍下，單個CMUT微元產生較大的聲壓就需要較大的位移，這就要求換能器具備較深的真空腔。單個CMUT微元要想具有較好的接收能力，這就要求換能器具備較淺的真空腔。雖然可以制造不同的真空腔來解決以上問題，但是卻會增加工藝的復雜程度和制造成本。除此之外，目前的空氣耦合CMUT的帶寬仍然不理想，表現形式就是換能器的振膜在被電脈沖信號激勵完成后并不會立即停止，而是繼續欠阻尼震蕩下去，這種現象限制了傳統的空氣耦合換能器對于近場區域目標的軸向分辨率和檢測精度。

發明內容

本發明針對現有的空氣耦合CMUT器件的發射性能和接收性能不能很好的滿足空氣耦合超聲檢測的需求，工作帶寬較窄，分辨率差，信噪比低等問題，提出了一種基于組合微元的聚焦寬頻帶電容式微機械換能器陣列，本發明與現有的常規空氣耦合CMUT相比，具有動態聚焦，高信噪比，高接收靈敏度與高發射強度的特性，更寬以及可變的工作頻帶，適應更多空氣耦合應用，以及較好的軸向與橫向分辨率等優點，詳見下文描述：