面向水下成像应用的微电容超声波换能器线阵设计及测试

摘要

超声成像技术在医学诊断、无损检测、超声显微镜和水下探测等多个领域内具有广泛的应用前景。超声波换能器是超声成像设备的核心部件，传统的压电式超声波换能器由于种种限制已不能满足现代超声检测的需求，而新型的电容式超声波换能器（CMUT）以其灵敏度高、频带宽、与介质阻抗匹配及适合制造集成阵列等优势已逐渐成为各国的研究热点，被认为是下一代超声传感器的发展方向。本文在研究了超声成像理论的基础上，结合现有的加工技术，设计了适用于水下超声成像的一维16元CMUT线阵，并针对线阵的设计、加工、封装及性能测试等开展了较为详细的研究。
　　本研究主要内容包括：⑴对超声成像换能器阵列辐射声场及指向性问题进行了研究；分析了一维线阵声束的聚焦、偏转，并对影响超声成像图像质量的空间分辨率和伪像问题进行了简单的研究分析。⑵根据ANSYS有限元仿真确定了敏感单元的结构尺寸以及工作电压、塌陷电压、静态电容、变化电容和输出电流等性能参数；在敏感单元的设计基础上，研究了阵元间距、阵元宽度及阵元数目对一维线阵指向性的影响，并确定了一维线阵的结构参数。⑶结合现有的加工工艺水平及实验室前期的加工经验，优化了基于硅-硅键合的加工工艺路线并完成了一维CMUT线阵的加工；针对换能器线阵面向水下应用的需求，设计了防水性能和透声性能良好的封装外壳。⑷对线阵的表面形貌进行了简单测试，测试发现器件的实际尺寸与设计尺寸基本相符，验证了加工流程的准确性和可行性；对超声波换能器发射和接收超声波的性能进行了测试，并研究了直流偏置电压和交流激励电压对换能器发射性能的影响；最后利用一维CMUT线阵进行了初步的成像实验，得到了水下目标图像，实现了水下成像的应用初探。

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1．绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

2．超声波换能器阵列的成像理论基础

2.1超声波声场的基本物理量

2.2超声波换能器的声场理论

2.3 阵列的成像原理

2.4 超声成像系统的性能指标

2.5 本章总结

3．微电容超声波换能器线阵的设计与仿真

3.1 一维CMUT线阵结构

3.2 CMUT敏感单元的设计

3.3 CMUT一维线阵的设计

3.4 本章总结

4．微电容超声波换能器的制备与封装

4.1加工流程和版图设计

4.2 封装

4.3 本章总结

5．微电容超声波换能器线阵的测试

5.1 形貌测试

5.2线阵的一致性测试

5.3发射/接收性能测试

5.4 相控阵发射聚焦测试

5.5 阵列成像的初步实验

5.6 本章总结

6．总结与展望

6.1 研究工作总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士期间主要研究工作及所取得的研究成果

致谢