一种用于扫描成像的双频率超声换能器

技术领域

本发明属于压电微机械技术领域，一种用于扫描成像的双频率超声换能器。

背景技术

超声换能器具有较高的发射强度和接收灵敏度，可以用于大规模阵列的应用，如线性阵列、环绕阵列、二维矩阵阵列等，在无损检测和医学成像系统中有着广泛的应用。压电微机械换能器是一种可利用压电材料的逆压电效应将电能转换为声能，或利用压电效应将声能转换为电能的换能器，分别对应其发射和接收状态，通过外接电路和信号处理算法处理反射信号，即可完成超声波扫描成像的功能。在实际场景中，常使用换能器阵列以提高反射信号强度，获得更高的信噪比和图像分辨率。

传统的压电微机械换能器阵列，其基本结构如图1所示。单个换能器单元的各结构层如图2所示。当各结构层的厚度一定时，换能器的谐振频率仅和换能器的直径d有关。对于换能器单元圆心距d

此外，换能器阵列还存在换能器单元之间的共振干扰问题，以及换能器单元圆心距过大造成的换能器阵列面积浪费等问题。因此，压电微机械换能器阵列的设计始终需要在反射信号质量、成像分辨率、接近角盲区、共振干扰抑制等诸多相互制约的因素中进行平衡取舍。

发明内容

本发明的目的在于：

为解决现有技术中的压电微机械换能器存在共振干扰的问题，提出一种用于扫描成像的双频率超声换能器。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于扫描成像的双频率超声换能器，包括基片，所述基片上安装有多个换能器单元，所述换能器单元由多个大换能器和多个小换能器组成，所述大换能器的直径d

压电微机械换能器的谐振频率主要由结构层厚度和换能器直径决定，由于结构层厚度通常由制造所用的晶圆参数决定，因此在换能器的设计端，其谐振频率仅由换能器直径d决定。换能器单元圆心距d

其中，d

对于被测物体材料确定的情况下，声波在该材料中的声速c是确定的。波长λ和换能器单元的谐振频率f之间的关系遵循以下公式：c＝λf；

因此可知，当波长λ和谐振频率f任一值确定后，另一个即可计算得到。因此，可将换能器直径d和换能器单元圆心距d

进一步地，所述换能器单元包括由上至下依次连接的第一金属层、功能层、第二金属层、结构层、第一基底层和第二基底层，所述第一基底层和第二基底层内部设置有换能器空腔。

进一步地，所述大换能器呈均匀阵列形分布，所述小换能器安装于两个相邻的大换能器圆心连线的中点上和两个大换能器的对角线中点上。

进一步地，所述基片上安装有8×8＝64个呈均匀阵列形分布的大换能器，大换能器之间安装有161个小换能器。

进一步地，所述大换能器呈交错阵列形分布，相邻两列大换能器的相对位置距离相差λ/4。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明提出了一种在一个基片上实现两种不同谐振频率的压电微机械换能器阵列，两种频率的换能器性能上互不干扰，功能上相互补充，大换能器在最大扫描角工作，最大程度保证了扫描范围，同时减小了换能器之间的共振干扰，小换能器有效提高了反射信号强度，减小了接近角盲区，提高了成像分辨率。

2、本发明的所有换能器单元的尺寸和位置都严格由公式计算参数化设置，保证了换能器的使用效果。

3、本发明设置了均匀排布和错位排布两种的压电微机械换能器阵列，可根据实际需要选择阵列结构，使用灵活，使发射信号各处的声压分布更加均匀。

附图说明

图1为现有技术中的压电超声换能器结构图；

图2为本发明的压电超声换能器侧剖图；

图3为本发明的大换能器均匀阵列形分布的示意图；

图4为图3中分布方式的大换能器在基片上的安装结构图；

图5为图3中分布方式的大换能器声压大小分布示意图；

图6为本发明的大换能器交错阵列形分布在基片上的安装结构图；

图7为图6中分布方式的换能器单元声压大小分布示意图。

图中标记：1-基片，2-大换能器，3-小换能器，4-声压弱区，101-第一金属层，102-功能层，103-第二金属层，104-结构层，105-第一基底层，106-第二基底层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种用于扫描成像的双频率超声换能器，包括基片1，基片1上安装有多个换能器单元，换能器单元由多个大换能器2和多个小换能器3组成，大换能器2的直径d1＝λ/4，小换能器3的直径d2＝λ/8，其中λ为换能器单元谐振频率下的波长，小换能器3围绕大换能器2周围呈均匀阵列形分布，相邻两大换能器2的圆心距为λ/2，相邻两小换能器3的圆心距为λ/4。

换能器单元包括由上至下依次连接的第一金属层101、功能层102、第二金属层103、结构层104、第一基底层105和第二基底层106，第一基底层105和第二基底层106内部设置有换能器空腔。

实施例1

作为一种优选的实施方式，如图4所示，大换能器2呈均匀阵列形分布，小换能器3安装于两个相邻的大换能器2圆心连线的中点上和两个大换能器2的对角线中点上，基片1上安装有8×8＝64个呈均匀阵列形分布的大换能器2，大换能器2之间安装有161个小换能器3。

本实施例中，大换能器2之间的圆心距ds较大，此时大换能器2之间干扰显著减小，但反射信号强度不足，接近角盲区较大。由于换能器单元圆心距ds严格按照ds＝λ/2设计，造成了整个换能器阵列的使用面积严重浪费，如图5所示，存在较大的声压弱区4，故而在大换能器2单元的圆心距中点处，设计一个小换能器3，其换能器直径d2，谐振频率为f2。其中，d2＝λ/8。此外，在大换能器2的对角线上，也设置一个小换能器3，如图3所示。

如图4所示。由8x8＝64个大换能器2和8x7+15x7＝161个小换能器3构成该换能器面阵。压电微机械换能器阵列由大换能器2在最大扫描角工作，最大程度保证了扫描范围，同时减小了换能器之间的共振干扰。而小换能器3在不影响大换能器2阵列的情况下，充分利用了阵列的空白空间进行排布，有效提高了反射信号强度，减小了接近角盲区，提高了成像分辨率。该实施方案有效解决了目前压电微机械换能器阵列的问题。

实施例2

作为一种优选的实施方式，如图6所示，大换能器2呈交错阵列形分布，相邻两列大换能器2的相对位置距离相差λ/4。相邻两列的大换能器2数量分别8个和7个。

由于大换能器2对器件的功能起决定性作用，小换能器3是补充和优化作用。针对大换能器2的排布，整体声压的分布不够均匀，基于此，图6在图4的基础上，进行了错位排布的设计，将相邻的两列大换能器2的位置错开λ/4，错开的空位由小换能器3补充。这样的错位设计，使得在大换能器2的布局下，各处的声压分布更加均匀，如图7所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。