專利名稱：雙模靜電超聲傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域的一種靜電超聲傳感器。靜電超聲傳感器也常稱為電容超聲傳感器。它可以是常規(guī)精密機械加工的，也可以是微加工的。
背景技術(shù)：
靜電超聲傳感器對于超聲檢測技術(shù)具有重要意義。靜電超聲傳感器是由各子傳感器以一定規(guī)律排列而形成的子傳感器陣列，每個子傳感器是由振動膜片和它下面的氣隙形成的腔體構(gòu)成。已有技術(shù)中，每一子傳感器的腔體不是獨立密閉空間，如常規(guī)機械加工制作的傳感器，其相鄰子傳感器在側(cè)壁的頂部互相連通。微加工傳感器的相鄰腔體雖已分隔開，不相連通，但是它的膜片上有開孔，或者將氣隙抽成真空。
所有這些結(jié)構(gòu)形式的超聲傳感器都只有一個可以利用的共振頻率，即基頻，傳感器就工作在這個共振頻率范圍，因而僅有一個工作模式。近十多年來發(fā)展的微加工的線陣和面陣硅超聲成像傳感器仍然是如此，工作在基頻，可稱為“單模工作模式”。近年來，又先后發(fā)展了在基頻發(fā)射聲波，二次諧波的能量成像的“諧波成像模式”，和在基頻的2/3處發(fā)射、4/3處接收的“準優(yōu)化模式”，但由于僅有一個有效的基頻，因而對于超聲成像來說，仍然受到帶寬和諧波能量不足的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提出一種具有兩個可以有效利用的主共振頻率的雙模靜電超聲傳感器。
本實用新型解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本實用新型由各子傳感器在同一平面上排列成子傳感器陣列。
本實用新型的結(jié)構(gòu)特點是所述子傳感器是以振動膜片、側(cè)壁和背板構(gòu)成密閉腔體，密閉腔體內(nèi)填充有氣體。
與已有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果體現(xiàn)在1、本實用新型通過將氣隙密封，并在其內(nèi)充填氣體，使得傳感器除具有振動膜片本身的固有振動頻率外，還因受到密封在下方腔體中的氣體的一個氣墊似作用(它相當一個空氣彈簧支撐)獲得一個更低的共振頻率，同時這兩個共振會有耦合。靜電超聲傳感器因此而具有了兩個工作模式，可以有效工作在兩個共振頻率，這樣，可以使氣隙空氣的氣墊式共振成為基頻發(fā)射聲波，膜片作板的一階彎曲共振成為次共振接收聲波來成像。這比現(xiàn)有的單模式傳感器在它僅有的一個工作頻率上又做發(fā)射器又作為接收器是重大改進。
2、本實用新型可以通過對氣隙-膜片的結(jié)構(gòu)和尺寸的設(shè)計，以及選用不同的填充氣體來調(diào)節(jié)這兩個共振峰的位置，使這兩個共振峰適當重疊，從而又能與膜片本身的共振產(chǎn)生耦合，形成更寬的帶寬，更大的動態(tài)范圍，和更大的功率輸出，極大的改進了傳感器的機電聲性能，以提高聲發(fā)射功率和聲接受靈敏度，從而為實現(xiàn)高清晰的實時平面和立體成像提供保證。
3、本實用新型對于超聲檢測技術(shù)，如機器人定位、測距、導(dǎo)航，液面位置和涂層厚度測量，電子封裝的無損檢測(NDE)，水聲和生物醫(yī)學(xué)超聲成像，具有特別重要的意義。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。


圖1是本實用新型靜電超聲傳感器的子傳感器排列結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.子傳感器。
圖2是本實用新型靜電超聲傳感器的子傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中2.振動膜片；3.側(cè)壁；4.背板；5.密閉腔體；6.金屬電極。該圖也選作“摘要附圖”。
具體實施方式
參見圖1，與已有技術(shù)中“單模工作模式”靜電超聲傳感器相同的是，本實施例同樣是由各子傳感器1在同一平面上排列成子傳感器陣列。子傳感器也可以進一步分組為線陣或面陣。
相鄰排的子傳感器可以錯開以致它們排列得更緊密，使得有效的振動膜片的總面積對于總的傳感器表面積之比可最大，從而提高超聲發(fā)射和接收的效率。
參見圖2，與已有技術(shù)不同的是，本實施例中，子傳感器是以振動模片2、側(cè)壁3和背板4構(gòu)成密閉腔體5，密閉腔體5內(nèi)填充有氣體，具體填充氣體為空氣或惰性氣體。
具體實施中，密閉腔體5可以是長方體、圓柱體、倒金字塔、六方體等形狀。氣隙的典型橫向尺寸是幾十到幾百微米，厚度在亞微米(即幾百納米)到幾百微米之間。振動膜片2可以選用氮化硅、聚合物等材料，典型厚度在亞微米到十幾微米之間，其外側(cè)鍍有金屬，用作電極6，厚度為幾十納米，可以用金、鋁或其它材料。側(cè)壁3可用氧化硅材料。背板4作為固定電極，可以用高摻雜的硅材料、其它半導(dǎo)體材料或金屬。
這樣，靜電超聲傳感器是由很多子傳感器組成，如同許多規(guī)整排列的微型鼓構(gòu)成的鼓陣，每個微型鼓都工作為一個子傳感器，所有這些子傳感器相互間電學(xué)并聯(lián)，或分組并聯(lián)構(gòu)成一維線陣或二維面陣，典型如0.5厘米×0.5厘米或1厘米×1厘米的面積的超聲成像傳感器。從電學(xué)上看每個子傳感器如同一個電容器，在作為活動電極的膜片和作為固定電極的背板之間施加有偏置電壓。這樣，基于靜電原理，當傳感器受到交變電壓激勵時就會發(fā)射聲波，反之，它受到聲壓作用，就會產(chǎn)生電信號輸出，就檢測出超聲。這種結(jié)構(gòu)和尺寸的傳感器可用作在幾萬赫茲到幾百兆赫茲頻率范圍的超聲發(fā)生器和超聲檢測器。
權(quán)利要求1.一種雙模靜電超聲傳感器，它是由各子傳感器在同一平面上排列成的子傳感器陣列，各子傳感器相互并聯(lián)，而每個子傳感器由作為活動電極板的振動膜片和固定電極板構(gòu)成一個電容器，其特征是子傳感器的振動模片、側(cè)壁和背板圍成一個密閉腔體，密閉腔體內(nèi)填充有氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙模靜電超聲傳感器，其特征是所述填充的氣體為空氣或惰性氣體。
專利摘要一種雙模靜電超聲傳感器，也稱為雙模電容超聲傳感器。它是由許多子傳感器在同一平面上排列構(gòu)成的陣列。子傳感器具有典型的膜片－氣隙結(jié)構(gòu)，其振動膜片作為活動電極板，背板作為固定電極板，構(gòu)成電容器。其特征是子傳感器的振動模片、側(cè)壁和背板圍成一個密閉腔體，密閉腔體內(nèi)填充有氣體。它可以是常規(guī)機械加工的，也可以是微加工的。本實用新型可以有效工作在兩個共振頻率，具有兩個工作模式。較之現(xiàn)有的單模式傳感器，雙模靜電超聲傳感器可形成更寬的帶寬，更大的動態(tài)范圍，更高的聲發(fā)射功率和聲接受靈敏度。這種傳感器可應(yīng)用于機器人定位、導(dǎo)航，液面位置和涂層厚度測量，無損檢測、水聲和生物醫(yī)學(xué)超聲成像。
文檔編號G01D5/48GK2802521SQ20042011515
公開日2006年8月2日 申請日期2004年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月5日
發(fā)明者葛立峰 申請人:葛立峰