双晶直探头由两个单晶直探头组合而成，其中一个探头利用逆电效应反射超声波，另一个利用压电效应接受反射波。两晶片之间用一片吸声性强、绝缘性能好的薄片隔离，使两种工作状态互不干扰。两晶片下方设置了一块有机玻璃制成的延迟薄片，它能使入射波和反射波均能延迟一段时间到达被测物和晶体表面，防止接近工作盲区，提高测量分辨率。一般来说，双晶直探头比单晶直探头检测准确度要高，后续处理电路要比单晶直探头简单。