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传感器与微系统 2021年第12期40卷 77-80页

作者：王子渊何常德任勇峰王红亮焦新泉张文栋中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室山西太原030051

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... 详细信息

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%。

关键词：电容式微机械超声换能器发射性能微机电系统发送电压响应级

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电容式微机械超声换能器振膜设计与声学辐射研究

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传感器与微系统 2022年第4期41卷 10-13页

作者：高鹏飞何常德张彦军张文栋张国军中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室山西太原030051

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... 详细信息

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。

关键词：电容式微机械超声换能器薄板振动声场指向性

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电容式微机械超声换能器的电流信号检测电路设计

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传感器与微系统 2022年第7期41卷 96-100页

作者：党荣何常德孟亚楠卢小星张国军张文栋中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室山西太原030051

针对在接收超声波信号时电容式微机械超声换能器(CMUT)输出的微弱电流信号检测需求,设计了一种高频微弱电流信号低噪声放大电路,该电路将CMUT换能器输出电流信号转换并放大为电压信号,并将该放大电路和CMUT换能器集成于同一印刷电路板(P... 详细信息

针对在接收超声波信号时电容式微机械超声换能器(CMUT)输出的微弱电流信号检测需求,设计了一种高频微弱电流信号低噪声放大电路,该电路将CMUT换能器输出电流信号转换并放大为电压信号,并将该放大电路和CMUT换能器集成于同一印刷电路板(PCB)基板上,减小了检测电路连接线对CMUT换能器输出性能的影响,提高了整体性能。首先对该低噪放大电路结构进行了交流小信号仿真,并进行了实验验证,然后对CMUT换能器的信噪比、线性度与带宽进行了测试。测试结果表明:集成后的CMUT换能器信噪比为50.62 dB,中心频率工作时的线性度为1.612%,6 dB相对带宽为101.98%。

关键词：电容式微机械超声换能器低噪放大电路频谱响应集成化信噪比宽频带

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电容式微机械超声换能器阵列的发射电路设计

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仪表技术与传感器 2019年第5期 30-33页

作者：梁伟健何常德杜以恒张文栋中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室

针对以电容式微机械超声换能器(CMUT)为探头的超声成像系统,设计了基于FPGA的前端发射电路。由FPGA控制高压脉冲芯片产生8路激励脉冲,并通过高压模拟开关芯片分组激励16阵元换能器;设计收发隔离电路限制高压脉冲进入接收部分。搭建测试... 详细信息

针对以电容式微机械超声换能器(CMUT)为探头的超声成像系统,设计了基于FPGA的前端发射电路。由FPGA控制高压脉冲芯片产生8路激励脉冲,并通过高压模拟开关芯片分组激励16阵元换能器;设计收发隔离电路限制高压脉冲进入接收部分。搭建测试平台对电路功能进行验证,测试了每一阵元对应的激励脉冲。测试结果表明,实现了脉冲的发射及阵元选通的目的,实现线性扫查;并且收发隔离电路将高压脉冲限制在2.08 V。该电路具有控制方便,灵活性高的优点,为CMUT阵列成像应用提供硬件支持。

关键词：电容式微机械超声换能器前端发射电路 FPGA 阵元选通隔离电路

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电容式微机械超声换能器环阵的制备与应用

电容式微机械超声换能器环阵的制备与应用

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作者：秦祚敏中北大学

学位级别：硕士

基于微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术的电容式微机械超声换能器(CMUT)具有宽频带、易于集成和微型化等优势,被认为是最有望代替压电超声换能器成为超声系统的核心器件的超声换能器。原理上,CMUT是按照一定的顺序... 详细信息

基于微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术的电容式微机械超声换能器(CMUT)具有宽频带、易于集成和微型化等优势,被认为是最有望代替压电超声换能器成为超声系统的核心器件的超声换能器。原理上,CMUT是按照一定的顺序,将不同材料形成的不同结构进行排列,组成的结构平板电容类似,通过薄膜的振动改变电容值,实现机械能和电能的相互转换。因其原理简单,自问世到现在,CMUT一直都受到广泛的关注。随着MEMS技术的飞速发展,CMUT在超声成像的应用逐渐增多,例如医学成像、工业无损检测、还有水下成像。随着超声成像系统的更迭发展,对换能器的要求也越来越高,实现高分辨率成像的关键部件是换能器阵列的高集成度。另外,环形阵列对物体的探测可以更加全面,因此对CMUT环形阵列进行深入的研究,并探索其应用很有必要。本文主要从CMUT的基本理论、仿真分析、器件制备、性能评估和成像应用等方面进行介绍,主要研究内容如下: (1)研究CMUT的工作原理,在理论上分析了CMUT的等效模型、振动理论,还推导了固有理论、静态电容的公式,为下一章的仿真分析提供理论指导。 (2)利用COMSOL搭建等比例模型。然后对CMUT的模态、静态、谐响应、以及机电耦合进行了分析,得出CMUT在真空下的的特征频率、大气压强下发生的位移和应力变化、电容变化、硅油环境下0.1Pa的频率响应曲线、导纳、频率响应因子以及薄膜位移随施加直流偏置的变化等一系列结果,在MATLAB环境下分析CMUT的指向性,为后续CMUT的制备奠定了理论基础。 (3)针对本文设计的传感器,提出主要工艺:晶圆键合。设计制备CMUT的工艺流程,并绘制工艺制备中用到的掩膜版。另外进行了CMUT的制备与封装,通过静态电容值选取性能相近的单阵元,设计并制备了32阵元CMUT环阵。后期搭建相应的测试平台,对CMUT单阵元的性能了评估。 (4)针对制备的CMUT环阵,提出了反射成像算法和透射成像算法,搭建超声成像实验平台,实现超声信号的采集、处理和成像,对算法和换能器在超声成像上的应用进行验证。通过理论仿真与系统测试,制备的CMUT阵元的中心频率在1.26MHz,-6d B带宽可覆盖到0.81MHz-2.17MHz,另外其相对带宽百分数为108%;CMUT的接收灵敏度在1.2MHz～1.5MHz最大,分别为-182.23d B@1.2MHz、-182.24d B@1.3MHz、-181.17d B@1.4MHz、-181.67d B@1.5MHz,表明制备的CMUT具有良好的声学性能。针对本文制备的CMUT环阵搭建超声成像实验平台,进行实验验证,不管是对于反射成像算法还有透射成像算法,都实现了对物体的轮廓与大小的探测。综上,通过本文制备的CMUT环阵具备宽频特性、良好的声学性能,应用于超声成像也是可行的。

关键词：电容式微机械超声换能器环形阵列有限元仿真晶圆键合超声成像

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电容式微机械超声换能器面阵器件设计与制备方法研究

电容式微机械超声换能器面阵器件设计与制备方法研究

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作者：王月中北大学

学位级别：硕士

随着超声医学检测技术的发展,实时三维超声成像技术成为医学超声成像的新趋势。由于二维超声成像技术只能够得到平面图像,无法显示生物组织的立体结构,不能实时确定生物组织的状态,而实时三维超声成像可以全面立体地反应生物组织的分布... 详细信息

随着超声医学检测技术的发展,实时三维超声成像技术成为医学超声成像的新趋势。由于二维超声成像技术只能够得到平面图像,无法显示生物组织的立体结构,不能实时确定生物组织的状态,而实时三维超声成像可以全面立体地反应生物组织的分布,有利于辨别复杂的生物组织,能够得到更多有价值的信息。二维面阵超声换能器是实时三维超声成像的核心部件,研制二维面阵换能器具有实用价值与意义。本文设计并制作了一种用于三维超声成像的电容式微机械超声换能器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,CMUT)二维面阵,利用有限元仿真软件COMSOL Mutiphysic建立了CMUT单元模型,得到了CMUT单元的关键参数,根据得到的CMUT单元参数结合声束指向性分析,设计了16×16阵元的CMUT二维面阵,并利用Si-SOI键合技术完成CMUT二维面阵的制作。同时,提出运用硅通孔(Through Silicon Vias,TSV)互连技术进行CMUT二维面阵内部上电极的引出,为后续CMUT二维面阵研究奠定基础。具体研究内容如下:(1)首先确定CMUT单元基本结构,对CMUT工作原理进行分析,然后对CMUT薄膜振动进行理论推导与分析,得到CMUT的共振频率与薄膜尺寸的关系、振动薄膜的变形与空腔高度的关系以及塌陷电压与空腔高度的关系,确定CMUT单元的结构尺寸与性能参数。(2)运用COMSOL有限元仿真软件对CMUT单元进行模态分析、静态分析和机电耦合分析,得到CMUT的仿真分析结果与理论计算结果基本吻合。并运用MATLAB软件根据面阵指向性函数绘制CMUT二维面阵指向性与阵元数目、阵元间距和阵元大小的关系,最终设计了中心频率1MHz的16×16阵元、阵元间距0.7λ的CMUT二维面阵。(3)设计了基于Si-SOI键合工艺制备CMUT二维面阵的掩膜版图和工艺流程,并完成了CMUT二维面阵工艺加工、封装和性能测试。首先,对CMUT单元进行C-V测试、振动测试和一致性测试,得到CMUT二维面阵平均电容为26.3pF,标准差为4.27pF;然后,对CMUT二维面阵进行发射性能测试和接收性能测试,验证了其具有良好的收发性能;最后,对CMUT进行带宽测试,测得其-6dB相对带宽为85.7%,具有宽频带的优点,可以满足高分辨率成像。(4)针对CMUT二维面阵内部上电极引线困难的问题,提出运用硅通孔(Through Silicon Vias,TSV)互连技术将CMUT二维面阵上电极引至器件背面,然后通过凸点倒装芯片键合技术封装到PCB上。本文设计了一种用于CMUT二维面阵的无电镀硅通孔金属互连制备方法,并完成了加工和测试,通过试验验证了该方法的可行性。

关键词：电容式微机械超声换能器 COMSOL 二维面阵设计制造工艺收发性能硅通孔

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电容式微机械超声换能器的宽频匹配封装设计研究

电容式微机械超声换能器的宽频匹配封装设计研究

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作者：高碧珍中北大学

学位级别：硕士

超声断层成像是一门新的超声成像技术,它极大地突破了传统超声成像的极限,为其在乳腺普查中的应用提供了一种新的有效的普查手段。超声换能器是实现超声成像的关键核心器件。电容式微机械超声换能器(Capacitive Micromachined Ultrasoni... 详细信息

超声断层成像是一门新的超声成像技术,它极大地突破了传统超声成像的极限,为其在乳腺普查中的应用提供了一种新的有效的普查手段。超声换能器是实现超声成像的关键核心器件。电容式微机械超声换能器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,CMUT)作为一种结构精简、高灵敏度、高分辨率的超声换能器,因其具有传统的压电换能器所不具备的优势,如频带宽、易于集成、微型化等,在无损检测和医疗成像等领域有着更为广泛的应用前景。伴随着乳腺超声CT成像系统对检测环境的高要求,电容式微机械超声换能器的水密封装成为了超声换能器设计研究中的重要环节。针对此问题,本论文基于课题组前期研制的CMUT阵元,对CMUT的阻抗特性、振动特性及声学特性进行分析,且探索了CMUT的宽频封装方案,并研究了此方案对CMUT各性能的影响。本文的主要研究内容概述如下:首先,基于CMUT的工作原理建立平行板电容模型分析CMUT薄膜在静态偏压下的特性,由公式推导CMUT的塌陷电压;采用分布参数系统模型对CMUT薄膜的振动特性进行分析,推导CMUT振动薄膜的振动位移、速度和固有频率公式;使用梅森等效电路分析CMUT的等效电路模型,公式推导分析机械阻抗和微元间互辐射阻抗;对CMUT的发射声压、接收灵敏度以及指向性进行公式推导。除此之外,基于超声波传播基本理论对超声波在不同介质中的传播进行分析,推导匹配层声阻抗的满足条件。其次,通过模型对复合材料的声学性能进行预测,使用有效介质理论(如相干势近似模型)进行分析。在确定复合材料基质与混合颗粒性能的基础上,将其参数用于相干势近似模型中,对复合材料的相速度和密度进行预测,探索其与混合颗粒体积分数的函数关系,确定合适的体积分数。应用COMSOL Multiphysics建立CMUT微元有限元模型,进行模态分析以及谐响应分析。在其基础上对覆盖复合材料的CMUT微元进行仿真,并分析了存在旋涂气隙时CMUT的声场特性,为后续实际测试提供了重要的依据和参考。然后,开展0-3复合材料的制备工艺与性能测试,根据二氧化钛粉末特性、PDMS的含量等因素的研究结果,实现对材料声阻抗的量值控制。制备不同PDMS/二氧化钛粉末配比以及不同厚度的复合材料,控制单一变量(厚度),分析二氧化钛颗粒浓度对复合材料声阻抗及声衰减的影响;控制单一变量(PDMS/二氧化钛粉末配比),分析厚度对复合材料声衰减的影响。此外,观察分析复合材料对频率的依赖性,研究表明该复合材料具有宽频匹配特性。之后,研究CMUT的封装方案并进行性能测试。搭建CMUT测试平台,在硅油介质中对CMUT裸芯片的阻抗特性、振动特性以及声学特性进行测试;对CMUT进行封装,为降低0-3复合材料的声衰减,提高声能高效传递,采用旋涂工艺对CMUT薄膜表面进行封装,以控制匹配层的厚度;除此之外,选择灌溉工艺对CMUT芯片进行水密封装,以达到电气绝缘的效果;在水介质中对封装的CMUT进行性能测试,分析了此封装方案对CMUT特性的影响。研究结果表明,本文中提出的基于PDMS和二氧化钛颗粒的0-3复合材料作为水下CMUT匹配层是稳定可行的,并且此方法具有声阻抗量值可调控以及声阻抗梯度范围较宽的特点。颗粒与基质配比对复合材料声阻抗有较大的影响,调节配比参数,制备的0-3复合材料能够满足水下CMUT宽频高效透射的技术要求。设计封装的CMUT部分性能参数优于CMUT裸芯片,但要达到更好的效果,需要进一步的研究与优化。

关键词：电容式微机械超声换能器声阻抗 0-3复合材料有限元分析封装

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电容式微机械超声换能器柔性柱面阵及其制备方法

电容式微机械超声换能器柔性柱面阵及其制备方法

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作者：王任鑫张文栋秦芸王智豪张国军杨玉华何常德崔建功张赛穆罕默德·伊尔马兹埃汉·博兹库尔特 030051 山西省太原市尖草坪区学院路3号

本发明公开了一种电容式微机械超声换能器柔性柱面阵，属于MEMS技术领域。该柱面阵由多个相同的曲面阵对接拼装而成，单个曲面阵主要由叠置的模具、柔性PCB板和CMUT晶圆组成，CMUT晶圆划割形成多条线阵，线阵之间填充PDMS，CMUT晶圆顶... 详细信息

标准号: CN114871083B

本发明公开了一种电容式微机械超声换能器柔性柱面阵，属于MEMS技术领域。该柱面阵由多个相同的曲面阵对接拼装而成，单个曲面阵主要由叠置的模具、柔性PCB板和CMUT晶圆组成，CMUT晶圆划割形成多条线阵，线阵之间填充PDMS，CMUT晶圆顶面设置有金属上电极、底面设置有金属下电极。本发明柔性柱面阵具有高密度、高一致性的优点，能够包围在乳腺四周进行筛查，可在孔径为20cm的CMUT柱面阵空间内实现对乳腺组织的检测，在超声成像领域将具有很好的成本和性能优势。

关键词：柱面晶圆线阵电容式微机械超声换能器金属上电极超声成像晶圆顶面乳腺组织性能优势下电极乳腺底面叠置划割拼装筛查填充模具包围金属检测

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电容式微机械超声换能器

电容式微机械超声换能器

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作者：郭康孙永旗谷新 100015 北京市朝阳区酒仙桥路10号

本发明提供一种电容式微机械超声换能器，包括：振膜层；与振膜层相对设置的绝缘层；位于振膜层与绝缘层之间的键合件，键合件为金属键合件或粘结胶层，键合件用以连接振膜层与绝缘层，并在振膜层与绝缘层之间形成若干密闭空腔。金属键... 详细信息

标准号: CN116833079A

本发明提供一种电容式微机械超声换能器，包括：振膜层；与振膜层相对设置的绝缘层；位于振膜层与绝缘层之间的键合件，键合件为金属键合件或粘结胶层，键合件用以连接振膜层与绝缘层，并在振膜层与绝缘层之间形成若干密闭空腔。金属键合件或粘结胶层的形成对键合膜层的表面粗糙度要求较低，这降低了键合件的形成难度，从而有利于降低电容式微机械超声换能器的制备成本；同时，金属键合件或粘结胶层的形成使得振膜层与绝缘层以化学键键合在一起，提高了两者的连接能力，从而提高了电容式微机械超声换能器的结构稳定性。

关键词：绝缘层振膜层电容式微机械超声换能器键合金属键合粘结胶层表面粗糙度要求化学键键合结构稳定性连接能力密闭空腔相对设置键合膜制备

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电容式微机械超声换能器（CMUT）多触摸和滑块检测

电容式微机械超声换能器（CMUT）多触摸和滑块检测

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作者： E·施托斯库 M·埃贝尔 M·桑达拉·潘迪安 K·伊利安 C·巴特里努德国诺伊比贝尔格

本公开涉及电容式微机械超声换能器(CMUT)多触摸和滑块检测。一种超声触摸传感器包括具有触摸表面的触摸结构、电容式超声换能器的像素阵列和传感器电路，触摸表面具有多个敏感区域。每个像素包括相应超声发射器和相应超声接收器，并且... 详细信息

标准号: CN118151795A

本公开涉及电容式微机械超声换能器(CMUT)多触摸和滑块检测。一种超声触摸传感器包括具有触摸表面的触摸结构、电容式超声换能器的像素阵列和传感器电路，触摸表面具有多个敏感区域。每个像素包括相应超声发射器和相应超声接收器，并且被配置为监测在相应第一敏感区域处和相应第二敏感区域处的触摸。此外，每个像素被配置为生成测量信号，该测量信号表示在相应第一敏感区域处由触摸界面反射的第一相应超声反射波，或者表示在相应第二敏感区域处由触摸界面反射的第二相应超声反射波。传感器电路被配置为确定相应像素的测量信号是对应于与相应像素相关联的相应第一敏感区域还是相应第二敏感区域。

关键词：敏感区域像素测量信号超声反射波传感器电路触摸表面触摸界面触摸反射配置电容式微机械超声换能器电容式超声换能器超声发射器超声接收器触摸传感器像素阵列超声滑块关联监测检测

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