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。     

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。     

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。     

微电容超声换能器的前端专用集成电路设计

针对微电容超声换能器(CMUT)微弱电流信号检测的要求,设计了一种用于CMUT的前端专用集成电路——运算放大器(OPA)电路。运算放大器电路采用两级放大结构,第一级采用全差分折叠-共源共栅结构,输出级采用AB类控制的轨到轨输出级,在运算放大器电路反相输入端和输出端通过一个反馈电阻实现CMUT电流信号到电压信号的转换。采用GlobalFoundries 0.18μm的标准CMOS工艺进行了仿真设计和流片,芯片尺寸为226μm×75μm。仿真结果表明,运算放大器的开环增益为62 dB,单位增益带宽为30 MHz,在3 MHz处的输入参考噪声电压为2.9μV/Hz^1/2,电路采用±3.3 V供电,静态功耗为11 mW。测试结果表明仿真与实测结果相符,该运算放大器电路能够实现CMUT微弱电流信号检测功能。     

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。     

新型电容式微机械超声波换能器(CMUT)

超声波换能器在工业、医疗和国防等领域具有巨大的应用市场,针对传统压电晶体超声波换能器一致性低、难以加工二维阵列等问题,提出了一种基于MEMS技术的新型CMUT敏感单元结构。与传统的CMUT敏感单元将上电极加工在振动薄膜顶部不同,新型CMUT敏感单元的上电极加工在振动薄膜的底部,通过减小电容器上下极板之间的距离提高CMUT的发射性能和接收性能。利用Comsol Multiphysics对CMUT敏感单元进行了模态和瞬态仿真分析,仿真结果表明,上电极位置的变化没有导致换能器工作带宽的变化,新型结构单个CMUT敏感单元的接收灵敏度为0.17fA/Pa,振动薄膜中心处的发射声压为0.43Pa,分别为相同条件下传统结构的3.76倍和8.46倍。     

用于气体传感的电容式微机械超声阵列设计

电容式微机械超声阵列(CMUT)是微机电系统(MEMS)气体传感器的常用结构之一。为了在尽可能降低功耗的前提下,提高气体传感器的灵敏度,对电容式微机械超声阵列尺寸进行优化。首先基于一阶集总电机械振动模型进行理论分析,发现其灵敏度与塌陷电压成正相关,并主要受振膜厚度、电极间距和电极半径影响,以此为依据设计符合要求的参数。然后使用COMSOL多物理场仿真软件,综合结构特点、空气阻尼、外接电路、弹性软化等因素的影响,提出一种更接近实际的有限元模型。将理论分析结果代入,对尺寸参数进行进一步优化,得到塌陷电压11.3 V,灵敏度-3.253×1017 Hz/kg,共振频率4.858 MHz,品质因数121.45的电容式微机械超声阵列。     

相控阵线阵换能器的三维成像方法研究

随着现代工业的发展,由于传统的二维超声成像检测反映的缺陷空间信息过于片面,已经不满足实际的检测需求。因此,超声三维成像检测技术应运而生。超声三维成像技术包括丰富的缺陷空间信息,对工件的无损评价有实质性的帮助。该研究借助可视化工具包（VTK）绘制平台,采用编码器触发的一维线阵换能器对工件进行全覆盖式扫查,将每个截面的相控阵线阵换能器扫查所得的A扫波形信号进行横向排列处理,绘制出各个截面的B扫图像。提出了最临近插值绘制法,将各个截面的B扫图像进行堆叠,重构工件的三维图像。通过对试块的三维成像结果表明,该成像方法能准确地反映缺陷的空间信息。     

基于Si-SOI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(Si-SOI)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(C-...     

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。     

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。     

低噪声、低功耗微电容读出ASIC设计

针对差分电容式微电子机械系统(MEMS)加速度计,设计了一种低噪声、低功耗微电容读出专用集成电路(ASIC)。电路采用开关电容结构,使用相关双采样(CDS)技术降低电容-电压(C-V)转化电路的低频噪声和偏移电压。通过优化MEMS表头噪声匹配、互补金属氧化物半导体(CMOS)开关和低噪声运算放大器来降低频带内的混叠热噪声。采用电源开关模块和门控时钟技术来降低电路功耗,同时集成自检测电路和温度传感器。采用混合CMOS工艺进行流片加工,测试结果表明,优化后ASIC的电容分辨率为槡1.203 aF/Hz,系统分辨率为0.168 mg(量程2 g),芯片功耗约为2 mW。同时,该ASIC还具有很好的上电特性和稳定性。     

基于行列寻址的压电超声换能器柔性曲面阵的研制

锆钛酸铅(PZT)压电超声换能器材料由于其优异的压电性能而在微电子机械系统(MEMS)领域受到了广泛的关注。订制了边长4 cm的PZT压电陶瓷片,将压电陶瓷片与柔性印刷电路板(PCB)键合,将压电陶瓷片划成2.45 mm×2.45 mm的阵元,在沟槽内填充环氧树脂胶。将键合后的压电陶瓷片粘在曲面模具上,溅射金属形成上电极,制成14×14阵元的曲面阵,其曲率半径为10 cm。此曲面阵采用行列寻址(RCA)的方式可以在水中测到发射和接收信号,并且可以对体模进行脉冲回波成像,在超声成像领域有广阔的发展前景。制备的曲面阵可为研制直径20 cm的柱面阵提供参考。     

皮肤囊肿成像用高频超声换能器及扫描方法

高频超声成像具有几十微米级的纵向分辨率,适用于皮肤等人体组织的微结构成像。该文针对皮肤囊肿等凸形的人体组织内部微结构,提出了一种适用于凸形组织的非接触式弧形超声扫描成像方法,设计并制备了一款41.5 MHz的高频超声换能器。首先采用脉冲回波法对其性能进行系统表征,然后设计了凸形旋转扫描成像装置,并对凸形皮肤囊肿模型进行扫描、滤波、补偿等信号采集和处理,最终实现了高频超声成像。结果表明,此方法所用换能器纵向分辨率为50μm,能够对皮肤囊肿模型内部精细结构进行成像,这将促进相关临床医学和超声成像技术的发展。     

基于微机械圆盘谐振器的振荡器

基于微机械谐振器的硅振荡器是微波通信系统中的关键器件。制作了工作于径向体声学振动模态的微机械谐振器,通过分析微机械谐振器的电参数,并以此谐振器为基础进行振荡器的设计。针对圆盘形微机械谐振器工作过程中阻抗较大的问题,通过多级放大来补偿信号经过谐振器时引起的衰减和相位变化。振荡器包括两部分放大电路,基本振荡回路的多级放大保证振荡器正常起振,输出多级放大保证振荡器的输出达到一定的功率。所设计的振荡器阻抗44kΩ,振荡频率143.33MHz,为大阻抗条件下振荡器的设计提供一定的参考。