基于薄板理论的密排结构CMUT发射声场研究

由微机电系统(MEMS)工艺制作的电容式微机械超声换能器(CMUT),其具有宽频带,易与电子电路集成制作等优势,在医学成像领域具有广阔的应用前景。为了研究一种密排结构CMUT超声换能器的发射声场特征,该文提出了一种简单的物理域相互作用分析方法。基于薄板的振动理论,由CMUT单元的声学辐射原理及特性计算得到CMUT阵元辐射声场的解析解。通过振膜振动分布实验验证了采用薄板振动理论一阶振型方程的正确性。通过仿真和实验研究了CMUT发射单元在不同排布方式和条件下的声场分布、声轴声压和指向性,为CMUT的设计和性能分析提供了理论依据。     

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0.24 fF/Pa,塌陷电压为70 V,量程为48 kPa。     

用于环形阵列的基于晶圆键合制备的CMUT阵列

与传统的表面微加工相比,基于晶圆键合制备的电容式微机械超声换能器(CMUT)具有更高的良品率和可靠性。提出了一种基于晶圆键合的CMUT制备方法,设计并制备了可应用于环形阵列的CMUT阵列。利用有限元仿真分析软件COMSOL Multiphysics建立了CMUT微元模型并进行仿真分析,在此基础上制备CMUT。换能器性能测试结果表明,CMUT中心频率为5.2 MHz,封装后中心频率为3 MHz,-6 dB相对灵敏度分数带宽为150%。此外,通过声学测试对换能器的发射和接收性能进行评估,其发射声压响应为161.37 dB@3 MHz,接收灵敏度为-214.68 dB@3 MHz。最后,利用该CMUT进行目标体检测,验证了该CMUT水下工作的能力,为后续超声层析成像的CMUT高密度环形阵列研究奠定基础。     

CMUT非线性机理及抑制方法

在平行板电容模型中,静电力在电容式微机械超声换能器(CMUT)的工作中发挥着不可替代的作用,由于静电力具有非线性,使得CMUT在发射过程中存在非线性特性。为消除、抑制CMUT的非线性,应用的方法有:去除直流偏置电压,此方法虽然可消除CMUT非线性,但会严重影响发射声压、灵敏度和机电耦合系数等性能;根据功率谱抑制效果,改变激励源信号类型抑制非线性,仿真结果显示余弦信号、阶跃脉冲信号和双极性方波信号对CMUT非线性的抑制分别为-6dB、-10dB、-19dB;依据倍角公式,采用线性和非线性补偿方法抑制非线性,仿真结果显示,对CMUT非线性的抑制分别为-87dB、-78dB。经过仿真分析得出,采用线性和非线性补偿法来抑制CMUT非线性,效果明显,优于前两种方法。     

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。     

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。     

多谐振纵向振动声换能器研究

声换能器的工作频带越宽,其所能发射和获取的信息量就越大。将目前热点研究的纵向振动换能器结构形式和换能器新型有源材料稀土超磁致伸缩材料加以结合,提出一种多谐振稀土纵向振动声换能器,通过理论分析,并应用ANSYS有限元软件仿真计算,实现换能器的小尺寸化,达到大功率超宽带发射的工作性能。     

一种新型FBAR结构的设计

针对传统FBAR(Film Buck Acoustic Resonator)制备困难、成品率低的问题,提出一种新型FBAR结构(SU8-FBAR)。利用高分子聚合物材料SU8薄膜代替传统FBAR的支撑层和声波限制结构,增加了FBAR器件的机械强度,且易于制备,成品率较高。采用AlN作压电薄膜,分别以Mo、Pt、CNT、Al作为电极,利用Comsol Multiphysics仿真软件对SU8-FBAR的结构参数进行仿真优化。结果显示,当电极材料为CNT、上电极厚度为0.1μm、SU8薄膜厚度为5μm时,SU8-FBAR的综合性能最优:SU8-FBAR的品质因数(Q)值达到1210,几乎为传统FBAR Q值的3倍;机电耦合系数为0.063,高于传统FBAR的0.0425。该器件能检测到极小谐振频率的变化,可用于微生物传感领域。     

新型Al/Mo底电极的顶发射有机发光二极管性能研究

提出了一种新型底电极结构,使用铝钼双层薄膜作为顶发射有机发光二极管的底电极。同时分别从底电极结构、顶电极结构、空穴注入以及出射光谱等方面对器件性能进行分析和优化,最终得到的器件电流效率达到6Cd/A以上,比优化前的器件效率提高了5倍以上,加强了对TEOLED器件的性能影响因素的理解。同时也比Mo作为底电极时的器件性能实现了提高,展示了此电极结构在顶发射OLED中的应用潜力,为下一步在硅基OLED显示器件中的应用打下基础。     

用溅射法制作超声换能器

用溅射法制成的换能器,目前最常使用的是ZnO薄膜换能器。薄膜换能器的结构如图1所示。在要辐射超声波的声场介质的一个端面上,依次重迭装置着作为内电极的基体金属、ZnO压电膜以及表面电极。超声换能器的特性,由这三部分的声学性质以及     

基于SiSOI键合工艺的CMUT二维面阵研制

该文设计、制作并测试了一种用于实时三维超声成像的电容式微机械超声换能器(CMUT)二维面阵。根据二维面阵指向性分析,设计了中心频率1 MHz、阵元间距0.7λ(λ为波长)的16×16阵元CMUT二维面阵,并利用硅绝缘体上硅(SiSOI)键合工艺完成了CMUT二维面阵的加工。通过对CMUT二维面阵进行电容电压(CV)测试,发现静态电容测试值与设计值基本一致,测量了CMUT二维面阵中64个阵元的电容,测量的平均电容为26.3 pF,其标准差为4.27 pF,验证了所制造的器件具有良好的均匀性。在水中测试了CMUT二维面阵的超声发射和接收功能,得到测试距离与实际距离偏差不到1%,实验表明,不同距离下CMUT的发射和接收能力良好。     

有限元法分析1-3型压电复合材料换能器

1-3型压电复合材料圆柱型换能器由薄片状1-3型压电复合材料沿金属薄壁圆管周期排列粘贴而成。根据换能器实际结构和1-3型压电复合材料等效参数模型,利用有限元法在ANSYS中分别建立了两种仿真模型。为验证等效参数模型的可靠性,实验通过改变模型结构尺寸,使换能器内半径从20mm变化到50mm,每5mm作为一个数据点进行建模。仿真计算相同结构尺寸下两种模型的径向振动频率,比较显示两种模型仿真结果接近,平均相对误差仅2.3%。因此,可利用模型II代替模型I对1-3型压电复合材料圆柱型换能器进行仿真分析,从而简化建模和计算。在此基础上,利用模型II分别模拟了该种换能器在空气和水中径向振动频率附近的导纳、发射电压响应和接收电压灵敏度等性能。     

声表面波温度传感器的仿真与设计

利用有限元软件COMSOL对声表面波温度传感器进行仿真。声表面波温度传感器基底材料为YX-切石英单晶,并在石英上镀ZnO薄膜,叉指换能器和反射栅采用铝电极。通过仿真研究了叉指换能器的高度、金属化率变化对声表面波温度传感器性能的影响,并根据仿真结果设计和制作了一种镀ZnO薄膜的SAW温度传感器。测试结果表明,制作的传感器灵敏度较高(8.8kHz/℃),误差小,具备良好的温度-频率特性。     

声表面波温度传感器的仿真与设计

利用有限元软件COMSOL对声表面波温度传感器进行仿真。声表面波温度传感器基底材料为YX-切石英单晶,并在石英上镀ZnO薄膜,叉指换能器和反射栅采用铝电极。通过仿真研究了叉指换能器的高度、金属化率变化对声表面波温度传感器性能的影响,并根据仿真结果设计和制作了一种镀ZnO薄膜的SAW温度传感器。测试结果表明,制作的传感器灵敏度较高(8.8kHz/℃),误差小,具备良好的温度-频率特性。     

AlN压电薄膜换能器性能的仿真研究

在压电换能器的制作中,电极对其谐振和反谐振频率、机电耦合系数及品质因数等重要性能有着直接的影响。该文针对AlN压电薄膜复合结构,采用COMSOL Multiphysics有限元软件对电极-AlN-不锈钢结构的三维模型进行了压电-结构耦合分析。基于此模型,通过改变电极厚度、材料及压电层的介电和机械损耗等参数,来研究换能器的性能参数变化,研究结果对后续以不锈钢为基底的压电超声换能器的制作起到了一定的理论指导作用。     

不锈钢表面溅射氮化铝陶瓷膜工艺参数的研究

工业生产中需要测量机械零件的润滑油膜厚度,利用超声波检测可实现无损检测的目的。利用氮化铝(AlN)陶瓷膜制成的压电换能器对超声波发射和接收。利用射频磁控溅射技术,在不锈钢表面沉积AlN薄膜。利用X线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)等设备对AlN薄膜结构表征,并对结果进行了讨论。     

纳米裂缝位置可控的表面传导电子发射薄膜

提出一种新型结构的表面传导电子发射导电薄膜,该导电薄膜在中间位置向内有凹陷,基于电形成过程中焦耳热引起薄膜龟裂的原理,会在凹陷附近诱导纳米级裂缝形成,控制纳米裂缝形成位置。分析了此结构导电薄膜对裂缝产生位置的影响及2种不同电形成方法对裂缝形貌的影响,测试了电子发射性能,得到了发射电流特性曲线和发光图像。实验结果表明,这种新型导电薄膜能一定程度上控制纳米裂缝的形成位置,有利于改进表面传导电子发射的均匀性,在阳极高压2.0kV、阴极板电子发射单元施加的器件电压14V时,新型结构导电薄膜实现了均匀发光,发射电流最大为18μA。     

基于ANSYS的压电陶瓷晶片PZT仿真分析

电力支柱瓷绝缘子超声波检测对预防和检测绝缘子裂纹和断裂起到重要作用,换能器是超声波检测的基础元件,而换能器的核心部件是压电陶瓷晶片,其性能直接影响到检测结果。该文研究针对有限元法和传统解析法在压电陶瓷晶片特性分析中的不足,采用ANSYS有限元分析软件对压电陶瓷锆钛酸铝(PZT)晶片进行特性分析,基于ANSYS的电-结构耦合场模型,对超声波换能器的矩形压电晶片进行静态、模态、谐响应和瞬态分析。通过模态分析和谐响应分析可得到晶片的一阶纵向振动和二阶弯曲振动的固有频率、振型及频率位移响应及影响因素等信息,研究结果对提高超声辐射功率及超声换能器的性能有一定的理论指导和工程应用价值。     

基于环形相控阵的超声CT成像系统的设计

为了更好地实现乳腺癌的早期精确诊断,设计了一种基于聚焦环阵的新型超声CT成像系统。256个电容式微加工超声换能器(CMUT)环形分布于乳腺四周,采用64个换能器发射,对面64个换能器接收的方式进行,在COMSOL中依次进行256次仿真来实现环形扫描。根据超声相控阵原理进行发射聚焦后,采用滤波反投影算法进行图像重建。聚焦到乳腺外部时,重建偏差值小于0.05%,聚焦到4号肿瘤时,该区域重建偏差值仅为0.002%。实验结果表明,该系统可以用于乳腺癌的早期精确诊断,且能提高内部肿瘤的检测质量。     

基于锆钛酸铅的低电压驱动MEMS电场传感器研究

该文提出一种基于锆钛酸铅(PZT)的低电压驱动微机电系统(MEMS)电场传感器。该传感器基于电荷感应原理,其敏感单元由固定电极和可动电极构成。固定电极与可动电极均为感应电极,同时两者又是屏蔽电极。在PZT压电材料的驱动下,可动电极产生垂直于敏感芯片基底的振动并且与固定电极形成交互屏蔽,当存在待测电场时,分别在可动电极和固定电极上产生相位差为180°的感应电流信号。该文进行了传感器的设计和有限元仿真,提出敏感微结构的加工工艺流程,突破了基于PZT压电材料的可动电极MEMS工艺兼容制备技术,完成了敏感芯片制备,对传感器进行了性能测试。该传感器具有工作电压低的突出优点。实验测试表明,在0～50 kV/m电场强度范围内,采用1 V交流驱动电压,电场传感器的灵敏度为0.292 mV/(kV/m),线性度为2.89%。