硅油介质中矩形电容式微机械超声换能器发射与接收声场特性研究

与传统压电式超声换能器相比,基于微机电系统微加工技术制备的电容式微机械超声换能器(CMUT)具有频带宽、灵敏度高、一致性好、易于集成等优势,在医学超声成像中具有广阔的应用前景。该文针对研制的矩形CMUT器件,开展硅油介质中CMUT发射、接收声场特性的理论分析及实验验证研究。首先,针对CMUT阵元结构特征和工作原理,根据指向性函数理论和Bridge乘积原理,建立了矩形CMUT阵元指向性函数分析模型。此基础上,分析微元数目以及谐振频率对CMUT指向性的影响规律。最后,针对7 mm×7 mm二维矩形CMUT在硅油介质中的发射和接收特性进行了实验验证,测试表明发射指向性曲线与仿真理论曲线基本吻合;此外,CMUT接收与发射指向性的测试表明,收发指向性具有一致性,从而验证了声场的互易性。该文的研究对CMUT器件的封装设计以及基于CMUT阵列的乳腺超声CT成像系统的研制具有重要参考价值。

基于压电式微机械超声换能器阵列的无线能量传输设计

利用氮化铝薄膜压电微机械换能器(PMUT)的生物兼容和CMOS电路兼容特性,提出了一种基于上述换能器阵列的声学无线能量传输方法。为了得到最佳的输出性能,对PMUT的结构进行了优化设计,采用派瑞林封装保护PMUT的空腔和表面结构,分析了PMUT在不同介质中的电学和频率性能,采用高密度并联阵列降低器件阻抗、提高了总输出电流,对PMUT及其应用电路进行了设计与仿真。PMUT在压电薄膜层与钼底电极厚度比在2∶3至1∶2,顶电极与空腔半径比为0.7时获得最大输出性能,当空腔半径控制在35μm至43μm时,PMUT在水中的谐振频率约为2 MHz。本研究为设计高灵敏度、小型化、无毒无铅的无线能量传输系统提供了一种高集成度、高生物兼容的解决方案。

电容式微机械超声换能器的水下收发性能

为满足水下超声探测的应用需求,设计了一种采用硅基集成电路制造工艺制备的电容式微机械超声换能器(CMUT)。首先介绍了CMUT的工作原理及其结构参数,然后完成了CMUT的水密封装,最后对封装后CMUT的电容-电压(C-V)特性、发送电压响应级、接收灵敏度与回波信号进行测试。测试结果表明,封装后的CMUT具有良好的C-V特性,电容变化量最大可达313.7 pF,其发送电压响应级最大值为163.83 dB@2 MHz,接收灵敏度最大值为-228.27 dB@1 MHz,因此其在水下环境具备良好的发射超声波与接收超声波的能力。该研究结果为高密度CMUT阵列的设计和封装及水下超声探测提供了理论和应用依据。

基于MEMS的电容式微机械超声换能器曲面阵列的设计与制备

基于先进的微电子机械系统(MEMS)关键技术,研制了一种使用倒装焊技术将电容式微机械超声换能器(CMUT)与柔性印刷电路板(PCB)键合在一起的16×16阵元曲面阵列。为了研发高密度和高一致性的CMUT柱面阵列,设计了CMUT曲面阵列的工艺流程,并进行了制作,制备的CMUT中心频率为3 MHz。然后,对CMUT阵元进行了测试,测试结果表明,电容变化量基本为40~50 pF,且CMUT阵元的收发性能良好。将制作好的CMUT与柔性PCB进行键合,并对其进行划片,再采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)填充沟槽,最后粘在曲面模具上溅射金属上电极,制得CMUT曲面阵列。该阵列可在特定方向上弯曲,且曲面阵列的CMUT阵元一致性良好。下一步研究将使曲面阵能够以行列寻址的方式进行发射接收,减少阵元电极的接线数目。

电容式微机械超声换能器的声学封装方法

针对水下超声检测的迫切应用需求,提出了一种电容式微机械超声换能器(CMUT)水密封装方法,选用聚氨酯(PU)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)完成了CMUT封装。对封装后的CMUT主要性能参数进行测试和对比得出,PU和PDMS封装后的CMUT中心工作频率分别约为1.75和2.05 MHz,3 dB相对带宽比分别达到了97.14%和92.68%,展示出优异的宽频带特性。PU封装的CMUT最大发射电压响应和接收灵敏度较PDMS封装的CMUT分别高出0.14和1.21 dB,且其输出声压能力在1~20 cm范围内高于PDMS封装的CMUT。该研究结果验证了两种材料封装的CMUT都能够满足水下超声检测应用要求,为CMUT水密封装方法优化提供了理论和实验依据。

基于PZT薄膜的高频压电式微机械超声换能器的仿真与制备

压电式微机械超声换能器(PMUT)是当前生物医学超声成像领域的研究热点.锆钛酸铅(PbZrO_(3)-PbTiO_(3),PZT)压电薄膜是近年来微机械超声换能器使用的核心压电材料.基于PZT压电薄膜,使用有限元软件COMSOL Multiphysics创建了三维有限元仿真模型,并在(0,1)模态下研究了压电薄膜结构的几何参数,其谐振频率达到222.12 MHz,有效机电耦合系数(keff)为5.13%.采用光刻和刻蚀方法制备了PZT压电薄膜的PMUT单元原型器件.该器件的空腔结构完整,谐振频率在(0,1)模态下为25.87 MHz,仿真与测试结果相似,振动模态较纯,振动位移性能较好.研究结果表明:采用PZT压电薄膜的PMUT在高分辨率、高频医学超声成像中具有较好的应用前景.

面向CMUT换能器的驱动电路设计与优化

电容式微机械超声换能器(CMUT)具有良好的电声特性、体积小、容易制作阵列等优势,在医学和船舶领域具有广泛的应用前景。论文针对自主研制的一种密排结构CMUT超声换能器的驱动需求,设计了基于FPGA和以MAX14808芯片为核心的驱动电路。用该电路产生方波脉冲,在单端时钟、差分时钟、透明模式下进行了相差角、延迟时间、CMUT收发测试,比较了优缺点。测试结果表明,驱动电路的输出与INP1/INN1输入之间的相差角一致、单端和差分时钟模式下输出与INP1/INN1输入之间的延迟时间差距较小。收发测试时,接收信号随着距离的增加呈指数型衰减,随着输入电压的增加基本呈线性增加且有较小弧度,单端时钟模式的稳定性最好。驱动电路的时钟模式设计,能够重新同步主控芯片的所有数据输入,以减少与FPGA输出信号相关的相位噪声。论文为水下和医疗的超声成像系统提供了硬件支持,为CMUT测试研究提供方法。

电容式微机械超声换能器的信号调理电路设计

针对电容式微机械超声换能器(cMUT)的工作原理和检测要求,分析了换能器微弱回波信号的处理方法,设计了性能良好的信号调理电路,有效的解决了在实际应用中换能器模式转换和微弱信号调理的关键问题和首要难题。通过对电路系统的测试,实验结果表明该电路具有良好的线性和稳定性,且其带宽为1.53×108Hz,灵敏度为0.161 mV/pF,分辨率为1 nA;其不仅实现了换能器收发一体及微弱信号调理的功能,而且还为换能器水下超声成像系统的建立奠定了基础。

电容式微机械超声换能器技术概述

电容式微机械超声换能器(CMUT)已成为一种重要的新型换能器,在医学成像领域的应用潜力得到了广泛关注。对CMUT超声换能器技术进行深入研究,对于提高我国超声医疗设备及其关键核心部件的竞争力有着重要意义。首先介绍了CMUT超声换能器制造工艺技术的发展过程和现状,其次总结了其在各种医学应用中的基本情况,包括器件的结构、尺寸和性能,最后分析了目前CMUT换能器技术存在的问题,并指出了CMUT换能器技术的未来发展趋势。

电容式微机械超声换能器振膜设计与声学辐射研究

电容式微机械超声换能器(CMUT)声学辐射与振膜的振动紧密关联,因此开展振膜振动与声学辐射的定量关系研究是器件设计的重要依据。先运用薄板振动理论分析了圆形振膜振动的谐振频率与振动模态;再运用瑞利-索末菲衍射公式对CMUT的振动模态进行声学辐射建模;最终得到在基频振动时CMUT圆形振膜的材料、半径、厚度与辐射声场、指向性的关系。与经典的活塞近似理论计算声学辐射相比,采用本文提出的振动模态方法提高了计算CMUT声学辐射的准确性。计算结果表明:在基频振动时CMUT辐射指向性更弱,且具有更低的旁瓣。

电容式微机械超声换能器封装设计

针对电容式微机械超声换能器(CMUT)封装材料阻抗匹配失衡,应力大及声波能量损失大等问题,设计了一种在水下10m透声性能好、弯曲形变小的聚氯乙烯封装结构。依据透声理论和材料属性,计算封装结构参数。利用COMSOL Multiphysics 5.0建立封装结构三维有限元模型,通过模态分析和静态分析分别得到封装结构的固有属性和水下机械性能。封装结构的一阶共振频率为792.47Hz,不会对CMUT 400kHz的工作频段产生干扰。利用压力平衡装置保护水下系统安全性,水下10m最大形变为1.12mm,最大应力为14.4 MPa,未超过聚氯乙烯的弯曲强度。实际测试声压与理论值最大误差为4.8%,物距测量误差为1mm,设计的CMUT封装结构满足设计要求。

电容式微机械超声换能器的收发一体电路实现

电容式微机械超声换能器收发一体电路研究的难点为换能器模式的转换和高频微弱信号的检测。文中利用限幅原理设计了收发隔离电路,实现了换能器发射与接收模式的分离,并设计了基于跨阻放大的检测电路,实现了对高频微弱信号的提取,克服了以上难点。通过水下测试系统的搭建,对其进行实验验证,结果表明收发一体电路的检测精度可达到25 p F/s,同时该电路还具有良好的线性度和稳定性。

电容式微机械超声换能器的设计与仿真

为满足超声传感器非接触、非浸入、完全无损及易于集成等要求,提出了一种电容式微机械超声换能器(CMUT)的简单质量-弹簧理论计算模型,结合薄板振动理论,设计了传感器特征参数、谐振频率和塌陷电压等参数,并对其进行仿真验证。结果表明:由该模型得到的理论计算结果和软件仿真结果,经对比其误差在4%之内,能很好满足设计要求,并验证了简单质量-弹簧模型的可行性;在标准大气压和外加塌陷电压作用下,薄板挠度约为空腔高度减去薄板挠度(只在大气作用下的薄板挠度)时的1/3;设计的一阶谐振频率为530 kHz的低频传感器可用于空耦超声检测。

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%。

面向水下应用的电容式微机械超声换能器

电容式微机械超声换能器具有宽频带和易于制造二维阵列等优势,已经成为一种重要的新型超声换能器。该文针对图像声呐系统对新型超声换能器的迫切需求,提出了一种电容式微机械超声换能器结构和参数,并利用硅微加工技术制备出了该换能器,最后对其主要性能参数进行了测试和分析。测试结果表明该换能器具有发射和接收超声波的功能,中心工作频率为1.965 MHz,6 dB相对带宽达到109.4%,在1 MHz、2 MHz和3 MHz频率时的接收灵敏度分别为􀀀218.29 dB、􀀀219.39 dB和􀀀218.11 dB。该文研制的电容式微机械超声换能器显示出了优秀的宽频带特性,且工作频率和接收灵敏度性能均基本满足了高频图像声呐系统的需求。

一种六边形结构的电容式微机械超声换能器性能分析

为满足超声技术领域对宽频带超声换能器的迫切应用需求,研究了一种新型的六边形结构电容式微机械超声换能器(CMUT)。介绍了CMUT的结构参数与工作原理,采用晶圆键合工艺完成了CMUT的制备,对CMUT的电容-电压特性、电导特性、电纳特性、相位特性、阻抗特性与接收灵敏度进行了测试。测试结果表明,该六边形CMUT具备发射与接收超声波的能力,谐振频率随直流偏置电压增大而减小,接收灵敏度可达-225.97 dB(频率1 MHz),且在频率1~10 MHz内一致性较高,变化量为-2.84 dB,显示出其宽频带特性。该研究可为后续二维六边形结构CMUT阵列的优化设计和性能分析提供有力依据。

电容式微机械超声换能器线阵的设计及超声成像

随着微电子机械系统(MEMS)技术的发展,电容式微机械超声换能器(CMUT)以其良好的特性在超声成像领域获得越来越多的关注,为了验证不同结构的CMUT线阵对超声成像分辨率的影响,提出一种CMUT成像方法。首先设计了一种CMUT结构,中心频率为3 MHz,以全聚焦成像理论为基础,通过MATLAB仿真,构建了CMUT模型和散射点,模拟了CMUT线阵在水下的全聚焦成像,仿真结果表明了128阵元且中心间距为0.5λ的CMUT结构成像效果最好,并搭建CMUT水下测试系统,测试了设计的CMUT的发射性能、接收性能和成像效果,C-V特性曲线显示,直流偏置电压为0 V,CMUT静态电容为732 pF。薄膜振动形态均匀圆润,最大振动位移可达到543.57 pm,最大振动速度可达6.683 mm/s,发射波形和接收波形不失真,实现了二维水下超声成像,证明了水下目标体的存在,完全可以满足成像要求,且仿真结果与理论一致,为后续的CMUT阵列成像系统提供了参考依据。

电容式微机械超声换能器的驱动电路设计

电容式微机械加工超声换能器(cMUT)具有频带宽、灵敏度高等优点,而设计高压高频的驱动电路则是实现其优异性能的前提。针对现有驱动电路体积过大等问题,在对换能器简化模型做有限元分析求得其工作电压基础上,提出了用FPGA控制8片脉冲发射专用芯片HV7350直接驱动换能器64阵元的方案。并对其中一个通道进行了验证,产生的30VPP、400 k Hz脉冲使换能器能够在0.5 m距离下接收到4.4VPP的一次回波信号。本驱动电路具有高度集成,操作简单,幅值可调,频率可控的特点,为cMUT的应用提供了可行的参考。

水下应用的电容式微机械超声换能器阵列设计

为提高用于水下成像的电容式微机械超声换能器的指向性,文中用ANSYS力电耦合分析法设计了工作频率为400 k Hz的收发一体传感器的结构参数并完成了实验验证。同时研究了阵列设计方法,分析了电容式微机械超声换能器阵列各参数对指向性的影响,完成了从微小敏感单元到阵列的设计,实现了阵列指向性的优化设计。该阵列为16阵元的线阵,阵元间距为1.925 mm,阵元宽度为1.82 mm。进行了水下指向性测试,实验表明该线阵的-3 dB主瓣宽度为5?,最大旁瓣级为-13.5 dB,对称性好。该设计是实现较远距离的探测,提高成像分辨率的前提。

面向电容式微机械超声换能器器件的32通道收发电路设计与测试

针对以电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列为探头的超声成像系统,设计了一种兼具现场可编程门阵列(FPGA)控制、脉冲驱动以及微弱电流信号检测功能的电路。利用FPGA产生64路控制信号,控制脉冲信号的频率、脉冲个数、占空比等参数;脉冲电路在FPGA以及直流电压的控制下,产生32路脉冲信号;接收电路通过跨阻放大结构实现32路电流信号检测;32通道收发电路利用脉冲产生芯片内自带的T/R开关进行高压隔离。通过搭建测试平台,对收发电路功能及一致性进行测试,并连接CMUT进行自发自收测试。测试结果表明,32通道收发电路具有良好的一致性,电路可以实现基于CMUT阵列的32通道超声信号的发射,检测回波信号,并对CMUT器件的带宽进行测试。电路具有功能完善,结构稳定的优点,为基于CMUT阵列的超声成像系统的应用提供了硬件支持。