电容式微机械超声传感器(CMUT)声场特性分析

为研究CMUT指向性,将CMUT微元看成圆形活塞式换能器,根据指向性函数的理论,计算出CMUT微元的指向性公式,依据Bridge乘积原理,推导出了一种计算CMUT阵元、CMUT一维线阵和CMUT面阵指向性公式,并利用MATLAB软件对CMUT微元、阵元、线阵和面阵指向性进行了仿真分析,得出CMUT类型对指向性、主瓣宽度和旁瓣的影响,证实了多维模型的优势,为CMUT结构优化设计提供了基础。基于CMUT微元声场理论分析基础,根据瑞利-索末菲积分公式推导出CMUT阵元、CMUT阵列的辐射声场分布函数,并仿真验证了其聚焦和指向性性能。

电容式微加工超声传感器(cMUT)的有限元仿真

介绍了电容式微加工超声传感器(cMUT)的基本结构和工作原理.同时使用有限元方法对cMUT的运行情况进行模拟.提出了两个ANSYS模型来阐述cMUT的塌陷电压与谐振频率.一个3D模型用来阐述制造过程中的残余应力对cMUT谐振频率的影响.另外一个3D模型阐述不同的运行环境对cMUT的谐振频率的影响.

电容式微超声传感器的电极参数优化设计

建立了电容式微超声传感器(cMUT)的有限元模型,通过对模型进行静电-结构耦合仿真分析,研究了金属电极的结构参数包括电极面积、电极厚度、电极材料以及电极相对与薄膜的位置等参数的变化对传感器性能的影响。分析了电极参数与传感器吸合电压,静态电容,机电转换比以及机电耦合系数的关系,最后得到了优化的电极结构参数,即金属电极面积为传感器振动薄膜面积的一半时,传感器具有较低的吸合电压和较大带宽值及机电耦合系数。

电容式微机械超声传感器设计与仿真

建立电容式微机械超声传感器(CMUT)微元三维有限元模型,经过分析CMUT微元不同结构对CMUT性能的影响,得到CMUT结构参数。设定工作频率范围1~2 MHz,工作电压Vdc<100V,首先,利用有限元模型进行模态分析研究薄膜参数与一阶频率的关系,以此确定薄膜参数;然后,在阐述相关理论和静态分析的基础上,仿真、分析空腔对CMUT性能的影响,进而确定空腔高度;最后,通过静电-机械耦合分析和计算机电耦合系数优化电极参数。对所设计的CMUT结构进行仿真验证,工作频率为1.65 MHz,塌陷电压为68 V,满足应用要求。

电容式微加工超声传感器结构参数对性能的影响分析

介绍了电容式微加工超声传感器(cMUT)的工作原理,通过理论计算和有限元仿真分析,讨论了cMUT中薄膜厚度、薄膜半径、薄膜残余应力和空腔厚度的变化对传感器的塌陷电压和谐振频率的影响,为传感器的设计和制作提供了依据。

电容式微机械超声传感器的工艺综述

电容式微机械超声传感器（CMUT）自出现以来,因其频谱宽、分辨率高、声阻抗匹配好等优势,在超声成像领域大有取代传统压电式传感器的趋势。围绕CMUT最主要的两种制造工艺方法,重点简述了表面微加工技术和晶圆键合技术的基本方法、工艺材料、薄膜形成等相关概念,并介绍了基于这两种方法加工制造CMUT的基本流程。从表面微加工方法中薄膜的沉积材料和结构以及晶圆键合方法中键合方式和键合温度等方面进行论述,总结介绍了CMUT加工工艺的研究现状。在此基础上对CMUT加工工艺的未来进行展望,提出应从工艺温度、薄膜材料、晶圆粗糙度和粘滞现象等4个主要方面进行重点研究,从而使CMUT早日实现推广应用。

采用牺牲层技术的电容式微机械超声传感器的仿真与分析

电容式超声传感器有可能取代压电式超声传感器,在超声成像领域受到极大的关注。目前,对采用牺牲层释放技术加工而成的电容式微机械超声传感器(CMUT)的分析,均较少将释放工艺对其结构参数的影响进行详细的分析,故拟将牺牲层释放工艺对CMUT参数的影响进行分析。采用大型工程有限元分析软件ANSYS进行有限元分析的方法,分析释放方法对CMUT性能的影响。采用激光测振仪对超声传感器的共振频率为2.5 MHz的结构进行初步测试,实验结果和仿真结果的误差为3.9%。由仿真分析可知,CMUT振动膜的长宽比对4种CMUT的分析误差变动较大,一般情况下,当振动薄膜的长宽比大于4时,CMUT的振动频率变化不大,且4种模型的相对误差变化趋于平缓。此外,CMUT薄膜的厚度越薄,百分比差异越小。由此得知,牺牲层释放工艺对CMUT的性能有较大的影响,CMUT中支撑振动薄膜的侧墙和牺牲层的释放孔及释放通道对模型仿真有较大的影响。对采用牺牲层技术制造的CMUT,在设计和构建CMUT结构时,应考虑牺牲层释放工艺对CMUT性能的影响。实验结果和仿真结果具有很好的一致性,验证所提模型的有效性。

基于C-SOI工艺的一维MEMS电容式超声传感器阵列

提出了一种新的基于C-SOI工艺制备的电容式微加工超声传感器(CMUT)的方法。通过对加工过程中一些关键工艺步骤进行测试,发现所加工的微传感器尺寸与设计尺寸基本一致,且刻蚀的空腔高度均匀,键合效果良好,证明了工艺流程的可行性。此外,通过对所加工的传感器阵列进行测试发现,各阵元谐振频率和静态电容具有良好的一致性,说明以C-SOI工艺加工的CMUT器件满足设计要求,且适宜加工大阵列,这种加工技术使得加工成像阵列成为可能。

仿生电容式超声传感器的有限元仿真

针对超声在水中与空气中声阻抗特性不同,水中存在有效出射声压过小的问题,提出了一种仿生学电容式超声传感器模型,模仿海豚的额隆结构达到声阻抗匹配。通过comsol multiphysics 4. 3b对设计模型进行了有限元仿真。结果表明,本设计能够很好达到声阻抗匹配,有仿额隆结构时的最大输出声压是没有该结构时的4. 96×1013倍。

基于流固耦合模型的微超声传感器仿真分析

建立了基于流体固体耦合单元的电容式微超声传感器(cMUT)的有限元模型,通过对模型进行声场仿真分析,研究传感器阵列在不同介质中工作时的声场特性,如,谐振频率,发射声压等;分析了传感器振动膜半径、空腔厚度以及传感器单元间距的变化对其发射声压幅值和带宽的影响。仿真分析的结果表明:增大传感器的发射声压带宽,可以通过增大振动膜半径、减小空腔厚度或者减小传感器阵列中单元的距离来实现。

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。

基于CMUT环形阵列的反射超声成像方法

电容式微机械超声换能器(CMUT)具有频带宽、制造成本低、易与电路集成等优点,在医学成像领域具有广阔的应用前景。CMUT高密度阵元、低制造成本的特点使其拥有制备超声环形阵列独特的优势。基于CMUT环形阵列提出了反射式超声成像算法,采用k-Wave工具箱搭建模型进行仿真实验,验证了算法的可行性。搭建了基于32阵元CMUT环形阵列的超声成像验证平台,通过旋转实现稀疏阵元的反射式超声成像。图像重建结果表明,该反射成像算法可实现目标体重建,目标体直径测试值为6.14 cm,与目标体直径实际值6.00 cm相比,成像误差为2.33%,验证了CMUT环形阵列在超声成像中应用的可行性。该研究为进一步研制基于高密度CMUT换能器的超声成像系统提供了参考。

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。

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。

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16×4阵元CMUT面阵的三维超声反射成像

为实现非接触式三维超声反射成像,搭建了基于16×4阵元电容式微机械超声换能器(CMUT)面阵的反射成像系统。利用面阵上单个阵元发射、所有阵元接收的方式对硅油中的铝块进行了三维成像测试。采用B模式及二次谐波两种成像算法分别对来自铝块的反射信号进行处理,获取被测物的三维图像及对应的二维切片。基于16×4阵元CMUT面阵的反射成像系统能够确定铝块的位置,实验B模式图像和二次谐波图像中铝块与换能器的距离重建偏差分别为3.63%及1.47%。该系统可实现对被测物的三维反射成像,且三维反射图像中被测铝块的表面清晰可见,重建偏差小,信噪比高。

基于相控阵与合成孔径聚焦方法的CMUT阵列虚拟声源成像技术

对电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列成像中的相控阵(PA)和合成孔径聚焦技术(SAFT)的综合方法进行研究,使用CMUT子阵列形成虚拟声源,并利用虚拟声源的辐射能量进行超声成像。通过对比不同孔径的超声波声束发散程度,得到CMUT阵列最佳子孔径阵元数量为9,CMUT阵列实验通过将子孔径阵元数量从1到15依次增加,观察水中两个不同深度的钉子成像清晰度来验证最佳子孔径阵元数量。与传统全矩阵捕捉(FMC)成像技术相比,多阵元SAFT合成的虚拟声源辐射能力更强,所以有更好的探测深度,同时由于利用子阵列进行超声数据采集,因此减少了CMUT超声成像系统的硬件采集通道数。