集成超声传感器阵列的设计与测试

摘要

超声成像已经在医学上、无损检测、海底地形勘探、水下沉船打捞等领域有较为广泛的应用。但是传统的超声成像系统体积大、成本高，使用起来极其不方便，限制了它的应用范围。现在提高成像系统的集成度、降低成本、提高性能、缩小体积、提高成像的速度是超声成像系统未来的研究方向。本文基于超声成像应用背景，研究了压阻式超声传感器阵列设计与集成制造技术并测试了其性能。
　　首先设计了MEMS压阻式超声传感器单元的结构，用有限元分析法分析超声传感器单元的结构的灵敏度、共振频率等参数，并通过对比不同尺寸结构的灵敏度来实现传感器单元的优化设计。优化设计了150K、75K、68K和34K的微传感梁结构，分别设计了对应频率的悬臂梁结构，通过理论仿真表明，该结构与悬臂梁相比灵敏度平均提高了8.9db。针对该该传感器设计了信号放大电路，实现信号的放大与滤波。
　　然后介绍了脉冲回波超声成像原理以及相关的处理技术，分析了阵列的指向性。根据基于阵列的超声成像理论设计了超声传感器阵列的间距、阵元数以及分辨角等参数，分析了分辨角与参考方向的关系。
　　初步探索压阻式超声传感器的集成制造，为研究体积小、成本低、清晰度高的成像系统提供依据。设计了裸芯片的封装结构，实现了与电路板的链接，并且对裸芯片起保护作用。设计了基于空气中和水中应用环境的器件封装，仿真了透声窗对成像的影响，仿真并分析了基于水下封装壳的声学特性。
　　最后对传感器的电阻、单元的灵敏度、共振频率的一致性进行了测试，结果表明阵列的各个参数较为一致，又测试了超声传感器单元和阵列的指向性。利用阵列采集信号，通过数字波束形成技术对多个目标同时定向，对基于阵列成像作了初步探索，取得了一定的进展。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 集成超声传感器阵列的应用前景

1.4 本文研究主要内容

第2章 压阻式超声传感器阵元的设计

2.1压阻式超声传感器的敏感原理

2.2结构设计

2.3仿真优化

2.4传感器信号的放大

2.5 本章小结

第3章 基于阵列成像原理及集成阵列的设计

3.1 集成阵列的成像原理

3.2 阵列参数的设计

3.3本章小结

第4章 集成接收阵列的加工与封装

4.1 压阻式集成接收阵列的加工

4.2传感器阵列裸芯片的封装设计

4.3阵列的防护封装壳设计

4.4 本章小结

第5章 集成接收阵列的性能测试

5.1集成接收阵列性能的一致性测试

5.2接收基阵的指向性的测试

5.3集成阵列多目标分辨的测试

5.4本章小结

结束语

参考文献

致谢