基于硅晶圆键合工艺的MEMS电容式超声传感器设计

针对目前电容超声传感器多采用表面工艺制备,存在振膜应力大、厚度均匀性控制差且表面需要沉积分立电极而造成传感器灵敏度低、归一化位移小、频率易偏差的缺点,提出基于硅晶圆键合工艺的MEMS电容超声传感器。采用应力小、厚度均匀的SOI顶层硅作为敏感单元的一体化全振微传感薄膜,无需沉积分立电极,易于加工且频率偏差小。通过下电极的区域化定义及巧妙互联,避免了非活跃区的寄生电容。通过ANSYS及MATLAB对所设计的5种工作频率在124 kHz～484 kHz之间、满足水下成像需求的传感器结构进行性能分析,表明传感器的电容变化量为650.62 fF/Pa～10.827 fF/Pa,满足现有条件的信号检测,输出电压灵敏度可达1.700 mV/Pa。与同频率指标的传统基于牺牲工艺而制备的金属-氮化膜堆栈结构对比表明,本结构频率可预测性高,偏差仅为0.0535%;振膜变形更均匀,归一化位移提高0.0432%以上;灵敏度平均提高11.9249 dB。

MEMS电容式超声传感器设计

在传统的电容式超声传感器(CMUT)制造过程中,用低压化学气相淀积技术形成的氮化硅薄膜残余应力大且机械性能难以预知。为此,设计了一种基于阳极键合技术的CMUT,传感器薄膜和空腔分别定义在均匀性好、残余应力低的SOI片和玻璃片上。建立了一个简化的分析模型对该结构进行机械性能分析,采用有限元分析软件ANSYS仿真验证该所建立的分析模型并预估传感器的性能。利用ANSYS静电-结构耦合仿真给出了塌陷电压。介绍了敏感单元的工艺流程。所设计的传感器频率为1.48 MHz,灵敏度为0.24fF/Pa,塌陷电压为70V,量程为48kPa。

基于FPGA的超声相控阵发射系统设计

为了实现水下超声成像系统中超声信号的相控阵发射,提出并设计了一种基于FPGA的超声相控阵发射系统。分析了相控聚焦的发射原理,利用FPGA丰富的I/O引脚和内部逻辑资源实现了八通道超声相控阵激励信号的发射,并设计了信号调理电路对激励信号进行D/A转换及放大,以有效驱动压电换能器。通过实验测试表明,该系统可以实现超声信号的相控聚焦发射,相控延时精度达到2.5 ns,发射信号稳定,系统集成度高,可以应用于水下超声成像的实现。

电容式MEMS超声传感器设计与分析

目前电容式MEMS超声传感器(CMUS)多为收发一体结构,但二种工作模式对传感器结构要求存在很大差异,设计时为了兼顾收发性能往往不能使传感器性能达到最优;此外,传统的电容式MEMS超声传感器还存在寄生电容大的缺点。针对以上问题,基于收发分离的思想,设计了一种专用作超声接收的MEMS电容式传感器,结构上采用上下电极引线互错,单元间电极联线交错的方式来减小寄生电容。通过理论分析和ANSYS仿真得到所设计传感器的最佳工作电压为586V,灵敏度为174.2fF/Pa,满足现有超声接收传感器的应用要求。

MEMS压阻超声传感器的设计与优化

提出了一种新的压阻式超声传感器结构,该结构由主振梁和微传感梁组成,在声压的作用下,主振梁振动从而带动微传感梁的振动。通过有限元软件Ansys仿真分析该结构的灵敏度,并与悬臂梁结构压阻式声传感器相比,结果表明灵敏度有了一定的提高。为了实现结构的优化,仿真了结构的尺寸与共振频率的关系,对相同共振频率的结构进行了静力分析,计算并对比了不同尺寸结构的灵敏度,从而得到灵敏度最高的结构,实现了结构的优化。

线性调频脉冲发声系统的设计

介绍了线性调频脉冲压缩原理及一种基于脉冲压缩技术的线性调频信号发声系统,该系统包括电路系统,计算机控制程序和发射装置。电路系统使用信号发生器件、单片机及模拟开关来产生周期性线性调频信号。计算机控制程序采用微软基础类库(MFC)窗口程序,通过串口控制单片机。使用压电声音发射器发声,并做了线性调频声音发射、接收实验,对接收的信号进行了脉冲压缩。

高集成度水声相控阵发射系统设计

针对水声成像系统体积小、电源电压低的特点,设计了一种基于相控阵技术的高集成度水声发射电路。通过运用FPGA产生脉冲激励信号并设计相控延时,实现了16通道激励脉冲信号的相控发射。设计了发射信号运算放大和功率放大电路,有效提高了发射信号的幅值和功率。实验结果表明,该系统可以产生高频高压的激励脉冲信号,实现最小2 ns的相控延时,实际测试时能够得到较强的回波信号,为水声成像系统的研究提供了硬件基础。

微电容超声传感器的设计与测试

针对现有微电容超声传感器(CMUT)寄生电容大的问题,采用绝缘技术将振动薄膜与上电极金属完全隔离的方法,避免了掺杂效应的发生,从而减小了寄生电容。文中以电容变化率为主线,分别对微传感器和跨阻检测电路的电容变化率进行了计算和仿真,建立了传感器与电路检测的通道,并通过水下测试系统的搭建,对其进行实验验证。测试结果表明,实际输出电压的值为0.8 V,与理论计算值0.61 V相近,从而验证了CMUT的可用性及其测试系统的可行性。