滿(mǎn)足多頻率需求的寬頻帶超聲換能器復(fù)合機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及具有能量轉(zhuǎn)換的微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種滿(mǎn)足多頻率需求的寬頻帶超聲換能器復(fù)合機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)包括超聲成像、X-CT斷層成像、放射性同位素掃描成像和核磁共振等。其中，超聲成像技術(shù)具有實(shí)時(shí)性好、無(wú)電離輻射等性能，在診斷應(yīng)用功率范圍內(nèi)對(duì)人體無(wú)損害，可重復(fù)使用且成本低、攜帶方便而得到廣泛應(yīng)用。尤其對(duì)生物軟組織鑒別能力強(qiáng)，在對(duì)軟組織疾患診斷上具有優(yōu)勢(shì)，諸如能顯示剖面圖、獲得血流信息、異常器官、心臟和血流等的實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)成像。而作為超聲成像和超聲治療系統(tǒng)核心部件的超聲傳感器廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷和治療，以及工程應(yīng)用領(lǐng)域中的無(wú)損檢測(cè)等。
[0003]目前，壓電式超聲換能器的應(yīng)用占主導(dǎo)地位。相對(duì)于壓電式超聲換能器，電容式微機(jī)械超聲換能器(CMUT)因其易成批生產(chǎn)，成本低，頻域?qū)?、?yīng)用時(shí)無(wú)需匹配層而受到關(guān)注，被認(rèn)為是取代壓電式超聲換能器的產(chǎn)品。當(dāng)今，現(xiàn)有的CMUT單個(gè)的單元結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)只是單個(gè)某一頻率頻帶的特征頻率響應(yīng)。(如果該CMUT單元結(jié)構(gòu)或其陣列結(jié)構(gòu)用于發(fā)射和接收，則兩種操作模式就會(huì)相互干擾。)以往的超聲傳感器局限于單一功能，或用于醫(yī)學(xué)成像，或用于醫(yī)學(xué)治療等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種滿(mǎn)足多頻率需求的寬頻帶超聲換能器復(fù)合機(jī)構(gòu)，能夠提供寬范圍的頻寬和滿(mǎn)足不同頻率的需要，提高超聲成像的清晰度。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種滿(mǎn)足多頻率需求的寬頻帶超聲換能器復(fù)合機(jī)構(gòu)，包括由下到上依次設(shè)置的底部的第一電極層、絕緣層、低頻、高頻腔體層、絕緣彈性振動(dòng)膜層和第二電極層，第一電極層采用第一電極片，第一電極片的上表面與絕緣層的下表面連接，低頻、高頻腔體層包括低頻絕緣支撐板和框體結(jié)構(gòu)的高頻絕緣支撐體，低頻絕緣支撐板的下表面連接絕緣層的上表面，低頻絕緣支撐板的上表面連接絕緣彈性振動(dòng)膜層的下表面，低頻絕緣支撐板上設(shè)有一排上下通透的通槽，每個(gè)通槽與絕緣層和絕緣彈性振動(dòng)膜層構(gòu)成一個(gè)低頻真空腔，每個(gè)低頻真空腔內(nèi)設(shè)有一個(gè)高頻絕緣支撐體，高頻絕緣支撐體的上表面與絕緣彈性振動(dòng)膜層下表面貼合，且高頻絕緣支撐體的下表面與絕緣層上表面不接觸，第二電極層包括多個(gè)第二電極片，每個(gè)第二電極片的下表面與絕緣彈性振動(dòng)膜層的上表面連接，且每個(gè)低頻真空腔上方對(duì)應(yīng)設(shè)置一個(gè)第二電極片；初始狀態(tài)下，當(dāng)?shù)谝浑姌O片和第二電極片之間未加電壓時(shí)，通槽、絕緣彈性振動(dòng)膜和絕緣層構(gòu)成低頻真空腔；當(dāng)?shù)谝浑姌O片和第二電極片間施加的交流電壓不超過(guò)低頻真空腔的塌陷電壓時(shí)，絕緣彈性振動(dòng)膜層做上下往復(fù)振動(dòng)動(dòng)作，且高頻絕緣支撐體下表面與絕緣層上表面不接觸；當(dāng)?shù)谝浑姌O片和第二電極片間施加的交流電壓超過(guò)低頻真空腔的塌陷電壓時(shí)，絕緣彈性振動(dòng)膜層做上下往復(fù)振動(dòng)動(dòng)作，且高頻絕緣支撐體下表面與絕緣層上表面接觸，高頻絕緣支撐體內(nèi)的空間、絕緣層和絕緣彈性振動(dòng)膜形成高頻真空腔。
[0006]所述的絕緣彈性振動(dòng)膜層采用一整個(gè)絕緣彈性振動(dòng)膜或者采用多個(gè)小絕緣彈性振動(dòng)片，每個(gè)小絕緣彈性振動(dòng)片對(duì)應(yīng)設(shè)于每個(gè)通槽的上方并密封連接。
[0007]所述的通槽的深度大于高頻絕緣支撐體的高度。
[0008]本發(fā)明通過(guò)由下到上依次設(shè)置的底部的第一電極層、絕緣層、低頻、高頻腔體層、絕緣彈性振動(dòng)膜層和第二電極層構(gòu)成一個(gè)整體的復(fù)合機(jī)構(gòu)，在復(fù)合機(jī)構(gòu)中又通過(guò)低頻絕緣支撐板上設(shè)有的一排通槽與絕緣層和絕緣彈性振動(dòng)膜層構(gòu)成一個(gè)低頻真空腔，通過(guò)每個(gè)低頻真空腔及上方的第二電極片、下方的第一電極片構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的單元結(jié)構(gòu)，獨(dú)立的單元結(jié)構(gòu)可以自由控制；通過(guò)控制獨(dú)立的單元結(jié)構(gòu)，使得獨(dú)立的單元結(jié)構(gòu)可以工作在高頻狀態(tài)，也可以工作在低頻狀態(tài)，并且能夠分時(shí)控制，提供寬范圍的頻寬和滿(mǎn)足不同頻率需要，從而應(yīng)用于多頻需求的場(chǎng)合。
[0009]本發(fā)明的有益效果有:
1、在醫(yī)學(xué)實(shí)踐中，根據(jù)需要變換高頻或低頻部分起作用，分別應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷或醫(yī)學(xué)治療，而不需要分別應(yīng)用兩套獨(dú)立設(shè)備或系統(tǒng)來(lái)分別滿(mǎn)足診斷和治療。
[0010]2、同時(shí)，該復(fù)合機(jī)構(gòu)通過(guò)陣列的排列，組成混合單元，增加復(fù)合機(jī)構(gòu)的頻寬，能有效的提尚超聲成像的清晰度。
[0011]3、本發(fā)明可應(yīng)用于超聲檢測(cè)，如超聲導(dǎo)航、測(cè)距、定位和工業(yè)超聲無(wú)損檢測(cè)(NDE)。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意剖視圖；
圖2為本發(fā)明的絕緣彈性振動(dòng)膜層采用一整個(gè)絕緣彈性振動(dòng)膜的低頻狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意剖視圖；
圖3為本發(fā)明的絕緣彈性振動(dòng)膜層采用多個(gè)小絕緣彈性振動(dòng)片的低頻狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意剖視圖；
圖4為本發(fā)明的絕緣彈性振動(dòng)膜層采用一整個(gè)絕緣彈性振動(dòng)膜的高頻結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意剖視圖；
圖5為本發(fā)明的復(fù)合機(jī)構(gòu)中的單元結(jié)構(gòu)混合列陣的結(jié)構(gòu)示意剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]如圖1和圖2所示，本發(fā)明包括由下到上依次設(shè)置的底部的第一電極層、絕緣層5、低頻、高頻腔體層、絕緣彈性振動(dòng)膜層和第二電極層，第一電極層采用第一電極片6，第一電極片6的上表面與絕緣層5的下表面連接，低頻、高頻腔體層包括低頻絕緣支撐板2和框體結(jié)構(gòu)的高頻絕緣支撐體3，低頻絕緣支撐板2的下表面連接絕緣層5的上表面，低頻絕緣支撐板2的上表面連接絕緣彈性振動(dòng)膜層的下表面，低頻絕緣支撐板2上設(shè)有一排上下通透的通槽，每個(gè)通槽與絕緣層5和絕緣彈性振動(dòng)膜層構(gòu)成一個(gè)低頻真空腔4-1，每個(gè)低頻真空腔4-1內(nèi)設(shè)有一個(gè)高頻絕緣支撐體3 ;每個(gè)低頻真空腔4-1結(jié)構(gòu)就是一個(gè)獨(dú)立的單元結(jié)構(gòu)。通槽的深度大于高頻絕緣支撐體3的高度1.5倍，高頻絕緣支撐體3的上表面與絕緣彈性振動(dòng)膜層下表面貼合，且高頻絕緣支撐體3的下表面與絕緣層5上表面不接觸，第二電極層包括多個(gè)第二電極片7，每個(gè)第二電極片7的下表面與絕緣彈性振動(dòng)膜層的上表面連接，且每個(gè)低頻真空腔4-1上方對(duì)應(yīng)設(shè)置一個(gè)第二電極片7 ;初始狀態(tài)下，當(dāng)?shù)谝浑姌O片6和第二電極片7之間未加電壓時(shí)，通槽、絕緣彈性振動(dòng)膜I和絕緣層5構(gòu)成低頻真空腔4-1 ;當(dāng)?shù)谝浑姌O片6和第二電極片7間施加的交流電壓不超過(guò)低頻真空腔4-1的塌陷電壓時(shí)，絕緣彈性振動(dòng)膜層做上下往復(fù)振動(dòng)動(dòng)作，且高頻絕緣支撐體3下表面與絕緣層5上表面不接觸；當(dāng)?shù)谝浑姌O片6和第二電極片7間施加的交流電壓超過(guò)低頻真空腔4-1的塌陷電壓時(shí)，絕緣彈性振動(dòng)膜層做上下往復(fù)振動(dòng)動(dòng)作，且高頻絕緣支撐體3下表面與絕緣層5上表面接觸，高頻絕緣支撐體3內(nèi)的空間、絕緣層5和絕緣彈性振動(dòng)膜I形成高頻真空腔4-2。
[0014]所述的絕緣彈性振動(dòng)膜層采用一整個(gè)絕緣彈性振動(dòng)膜I或者采用多個(gè)小絕緣彈性振動(dòng)片，每個(gè)小絕緣彈性振動(dòng)片對(duì)應(yīng)設(shè)于每個(gè)通槽的上方并密封連接。
[0015]下面結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的工作原理:
如圖1所示，第一電極片6和第二電極片7之間由低頻真空腔4-1分離，從而在兩個(gè)電極間存在有電容。在第一電極片6和第二電極片7之間施加電壓，由靜電原理可知，絕緣彈性振動(dòng)膜I會(huì)隨著施加電壓的變化向第一電極片6接近或遠(yuǎn)離，從而發(fā)射聲波信號(hào)。另外，當(dāng)外界有超聲波作用于絕緣彈性振動(dòng)膜I時(shí)，絕緣彈性振動(dòng)膜I也會(huì)由于聲壓的作用，而向第一電極片6接近或遠(yuǎn)離，從而使得兩個(gè)電極間的電容發(fā)生變化，再通過(guò)拾取電路，檢測(cè)聲波信號(hào)，分析聲波特性。其中的拾取電路為本領(lǐng)域現(xiàn)有成熟技術(shù)，其工作原理不再贅述。
[0016]當(dāng)復(fù)合機(jī)