基于压电微机械超声换能器的扫描式手势识别传感器

超声手势识别是实现非接触交互的重要方式之一。基于压电微机械超声换能器(PMUT)的手势识别传感器具有功耗低、体积小、不受环境光影响等优点,当前主要是基于PMUT阵列的方式实现,提出了一种基于单振元PMUT的扫描式手势识别传感器。该传感器由PMUT及电磁驱动单元组成,设计并制备了1.6 mm×1.6 mm的单振元PMUT,振膜半径为500μm,谐振频率为108 kHz,完成了PMUT与电磁驱动单元集成,电磁驱动单元驱动PMUT实现手势扫描,利用多层感知机(MLP)模型完成了手势识别测试。实验结果表明:该扫描式手势识别传感器可实现检测距离为150~600 mm、角度为180°范围内的6种手势识别,平均识别准确率最高为85.66%。

声压增强型压电微机械超声换能器

压电微机械超声波换能器(PMUT)在医疗成像、测距、无损检测和流量感应等领域有着广阔的应用前景。针对传统结构PMUT输出声压较低的问题,该文提出了一种集成亥姆霍兹谐振腔的声压增强型PMUT。构建了声压增强型PMUT的等效电路模型,模拟并对比分析了声压增强型PMUT和传统PMUT的轴上声压。结果表明在70 kHz谐振频率下,声压增强型PMUT沿z轴的输出声压比传统的PMUT沿z轴的输出声压高约42%。测距结果表明,集成了亥姆霍兹谐振腔的PMUT最远测距能力达到2.62 m,比传统结构的PMUT提升了27%。这种结构为PMUT在提升测距能力和拓宽应用场景方面提供了一种新思路。

基于最小电压法的超声换能器谐振频率自动跟踪

首先分析了最大电流法跟踪超声换能器谐振频率的原理及应用范围。研究了基于由串联电感和并联电容匹配电路下,不同频率时换能器两端电压电流的变化规律。研究表明在串联电感和并联电容匹配电路下发生谐振时,换能器两端的电压最小而电流并非最大。由此形成了采用最小电压法跟踪谐振频率的自动跟踪策略,并给出了该方法的具体实施步骤。论文研究结果为换能器谐振频率的自动跟踪方法提供了新的选择。

电容式微机械超声换能器的发射性能研究

电容式微机械超声换能器相较于传统的压电式超声换能器具有宽频带、高密度阵元集成制造、微型化等优势,在医学成像、无损检测,水下成像等应用中具有广泛的应用前景。本文利用硅微加工技术制备了一种微型电容式超声换能器,并对换能器发射性能进行测试并对结果进行分析。测试结果表明:该换能器具备发射超声波的能力,其发射的超声波在硅油液体中的声压衰减符合指数型衰减规律;中心工作频率约为4 MHz, 3 dB相对带宽约为87.5%;在中心频率工作时,换能器输出的声压幅度与交流驱动电压信号呈良好的线性关系,线性度为2.06%。

电容式微超声换能器等效电路模型与阵元优化

针对电容式微超声换能器(CMUT)建立了非线性等效电路模型.以声源表面运动方程为理论基础,将CMUT的声学、力学参数等效成电学元器件,分别建立CMUT单振膜与多振膜阵元的等效电路模型,分析多振膜阵元中振膜间的声场干扰,计算了振膜的辐射阻抗;并且在模型中构造了辐射阻抗等效RLC电路.利用SPICE软件对CMUT的等效电路模型进行仿真分析,得出了CMUT振膜的振动位移幅值频域响应;通过多普勒测振系统测量多膜CMUT阵元中不同位置振膜的频率响应,验证了所建立模型的正确性.利用该非线性等效电路模型,对2×2、3×3与4×4这3种方形排布的CMUT阵元进行优化设计,得到了3种规模阵元振膜的最佳间距分别为230,?m、160,?m与130,?m.

MEMS压电超声换能器二维阵列的制备方法

针对超声换能器阵列中阵元密度难以提升和工艺重复性差等问题,提出了一种基于硅-硅键合技术的MEMS压电超声换能器二维阵列的制备方法,并采用该方法制备了阵元间距小至150μm的密排二维换能器阵列。阵列中每个声学单元均为由上电极、压电材料(PZT)层、下电极和支撑层组成的多层膜结构,并通过其弯曲振动模式实现超声波的发射和接收。制备样品的测试结果表明,采用该方法制作MEMS压电超声换能器阵列,具有阵元间距小、工艺流程可靠、成品率高、一致性好、工作频率(2.45MHz)与设计值(2.5MHz)的吻合度高等优点,适用于医学成像等高频超声成像系统。

电容式微超声波换能器的设计与电容值测试

该文通过对电容式微超声波换能器电容值测试分析了传感器的电容性能。该文设计的电容式微超声波换能器是由电容阵列组成的,主要是利用电容的改变来实现能量的转换。它是基于硅硅键合技术的微机电系统的电容式超声传感器,由其制作的传感器误差小、工艺流程简单且能进行量产。利用E4990A阻抗分析仪测试传感器电容值在工作电压下随频率的变化,得出频率为400 k Hz时电容值为617.67 p F。并且利用该仪器对传感器进行C-V测试分析而得出其电容的实际值与理论值的误差仅为1.6%。所得结果为对传感器进行理论计算提供了重要支撑,并且为后续转换电路的设计提供了数据支撑。

基于硅硅键合的电容式微超声波换能器设计与测试

通过测试电容值的变化来分析电容式微超声波换能器(CMUT)的发射性能。介绍了CMUT的工艺过程,关键工艺为硅硅键合。利用硅硅键合工艺制作的CMUT误差小、工艺流程简单且能进行量产。利用E4990A阻抗分析仪测试CMUT电容值得到CMUT初始电容值为680 p F,阵列内电容值一致性良好,误差为0. 62 p F,并对所设计的CMUT进行带宽测试,得出其在-6 d B时归一化带宽为200%,远远优于现有的传感器。

基于ScAlN薄膜的高频PMUT阵列的设计与制造

高频压电微机械超声换能器(PMUT)应用于各种场景,如指纹识别、无损检测、医疗成像。在当前非侵入式血管成像应用中,存在换能器使用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)及局限于1-D PMUT阵列的问题。设计并制作了一种基于ScAlN材料压电薄膜的2D-PMUT阵列。为了进一步得到阵列最佳的输出性能,降低栅瓣影响,设计了间距为波长的1/2(300μm)的并联六边形阵列,增大了填充因子,降低了阻抗,提高了输出电流。采用SOI晶片作为PMUT的基本结构,设计了微机电系统(MEMS)工艺流程,并完成了晶片制作。通过扫描电子显微镜和聚焦离子束切割确定PMUT的形貌和结构尺寸,并且测得在水中的谐振频率为2.36 MHz。仿真与测试结果表明,测试误差为9.2%,位移灵敏度较好,有望满足非侵入式血管成像应用需求。

压电AlN MEMS的新进展

Si基微电子机械系统(MEMS)经过三十余年的发展已进入智能微系统的发展阶段,已成为当今MEMS技术创新发展的主流。当今半导体材料技术的科研已进入超宽禁带半导体的探索开发阶段,超宽禁带半导体AlN不但在功率电子学有较好的前景,而且AlN薄膜具有较好的压电性能,与CMOS工艺相兼容,压电AlN MEMS首先在手机应用的射频谐振器、滤波器方面取得突破,实现量产,近年来压电AlN MEMS已成为MEMS技术创新发展的热点。介绍了压电AlN MEMS在掺杂薄膜材料制备、新器件结构设计、新工艺、可靠性和应用创新等方面的最新进展,包含掺钪AlN薄膜研制、AlN薄膜多层结构、AlScN薄膜性能、AlN薄膜制备;体声波(BAW)谐振器与固体安装谐振器(SMR)、薄膜体声波谐振器(FBAR)和薄膜压电MEMS、轮廓模式谐振器(即兰姆波谐振器)、混合谐振器、AlN压电微机械超声换能器(PMUT)等结构创新;有利于CMOS集成,批量高可靠,压电AlN薄膜的晶圆量产,AlScN器件工艺优化;AlN MEMS热疲劳和抗辐照;谐振器与滤波器、能量收集器、物质和生物传感与检测、指纹传感器、图像器和麦克风、通信、微镜传感、柔性传感等方面研究成果。分析和评价了压电AlN MEMS关键技术进步和发展态势。

压电AlN MEMS的新进展(续)

Si基微电子机械系统(MEMS)经过三十余年的发展已进入智能微系统的发展阶段,已成为当今MEMS技术创新发展的主流。当今半导体材料技术的科研已进入超宽禁带半导体的探索开发阶段,超宽禁带半导体AlN不但在功率电子学有较好的前景,而且AlN薄膜具有较好的压电性能,与CMOS工艺相兼容,压电AlN MEMS首先在手机应用的射频谐振器、滤波器方面取得突破,实现量产,近年来压电AlN MEMS已成为MEMS技术创新发展的热点。介绍了压电AlN MEMS在掺杂薄膜材料制备、新器件结构设计、新工艺、可靠性和应用创新等方面的最新进展,包含掺钪AlN薄膜研制、AlN薄膜多层结构、AlScN薄膜性能、AlN薄膜制备;体声波(BAW)谐振器与固体安装谐振器(SMR)、薄膜体声波谐振器(FBAR)和薄膜压电MEMS、轮廓模式谐振器(即兰姆波谐振器)、混合谐振器、AlN压电微机械超声换能器(PMUT)等结构创新;有利于CMOS集成,批量高可靠,压电AlN薄膜的晶圆量产,AlScN器件工艺优化;AlN MEMS热疲劳和抗辐照;谐振器与滤波器、能量收集器、物质和生物传感与检测、指纹传感器、图像器和麦克风、通信、微镜传感、柔性传感等方面研究成果。分析和评价了压电AlN MEMS关键技术进步和发展态势。

灏志不渝谱大音 老骥伏枥续新篇——贺汪承灏院士八十五华诞

2023年1月10日是汪承灏先生八十五华诞,特撰写此文对汪先生生日表示热烈祝贺。汪先生是我国著名的物理学家、中国科学院院士。六十余年来,汪先生刻苦勤奋,忘我工作,学风严谨,勇于创新,从不迷信书本、迷信权威,在功率超声、晶体声学理论、声表面波器件与系统、压电换能器和压电振动系统、超声无损检测、声学微机电系统等方面开展深入研究,取得了多项重大成果,为我国超声学和物理声学的发展做出了突出贡献,共发表论文200余篇,先后获得国家级科技奖4项。

高频医用超声换能器的研究现状及发展趋势

超声换能器(也称超声探头)是医疗超声设备的关键部件之一,其特性的好坏直接影响甚至会限制到整个设备的性能。随着压电材料和微机电系统(简称MEMS)技术的不断发展,尺寸小、质量轻、频带宽、高分辨率、高频率、高灵敏度将是医用超声换能器未来主要的发展方向。综述目前国内外高频医用超声换能器的应用发展状况,重点探讨了其国内外发展的现状差异和主要问题,并根据高频医用超声换能器的现状对其未来的发展趋势进行展望。