电容式微超声换能器等效电路模型与优化设计

摘要

随着微机电系统的发展，微超声换能器在医学超声成像、工业无损检测、航空航天等领域具有广泛的应用前景。微超声换能器主要包括电容式微超声换能器(CMUT)与压电式微超声换能器(PMUT)，相比之下，CMUT具有频带宽、与空气、液体的阻抗匹配性好的优点，具有重要的研究价值。
　　本文以电容式微超声换能器超声成像为应用目标，开展了电容式微超声换能器阵元与阵列的研究工作，主要进行了非线性等效电路模型的建立、SPICE电路的仿真、阵元的优化、阵列的设计与加工等方面的工作。具体研究内容如下:
　　(1)根据电-力-声类比原理，建立了单膜等效电路模型，分析了大气压力对塌陷电压的影响，建立了方形排布的多膜CMUT阵元非线性等效电路模型，对2×2、3×3与4×4三种方形排布的阵元进行优化设计，得到了不同规模阵元振膜的最佳间距。
　　(2)在非线性等效电路模型中构造了辐射阻抗的等效RLC电路，以便进行SPICE仿真。利用SPICE对单膜等效电路进行了直流分析、交流分析与瞬态分析，得到了器件的塌陷电压、共振频率，探讨了弹簧软化系数对共振频率的影响。
　　(3)利用瑞丽-里兹法计算得到了椭圆形振膜单元的共振频率，利用求解振动方程得到了圆形振膜单元的共振频率，比较了两种求解共振频率的方法，并且使用有限元方法进行了验证。设计了椭圆形振膜阵列与圆形振膜阵列，通过FieldⅡ仿真，比较了两种阵列阵元声场的指向性，对阵元间距、阵列规模、成像半径进行了分析与优化，随后得到了阵列的二维成像仿真图。
　　(4)参考当前的工艺水平，设计了电容式微超声换能器表面硅工艺加工流程，通过L-edit软件设计了加工版图，完成了器件加工。针对加工后的管芯，设计了PCB，方便阵列的存放与测试。
　　(5)利用阻抗分析仪与显微激光多普勒测振仪，对电容式微超声传感器进行了初步测试，得到了器件的阻抗、振膜位移的频率响应曲线，分析了器件的共振频率与寄生电容，并且对声学收发系统电路进行了设计仿真，对超声发射性能进行了初步测试。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究内容与文章组织结构

第二章 电容式微超声换能器等效电路模型

2．1 有限元方法与等效电路模型

2．2 理论基础

2．3 非线性等效电路模型

2．3．1 单膜等效电路模型

2．3．2 大气压力对塌陷电压的影响分析

2．3．3 多膜CMUT等效电路模型

2．4 SPICE电路仿真

2．4．1 辐射阻抗等效RLC电路

2．4．2 等效电路模型仿真

2．5 多膜CMUT阵元的优化

2．6 本章小结

第三章 阵列的仿真与优化

3．1 单膜共振频率的计算

3．1．1 圆形振膜

3．1．2 椭圆形振膜

3．1．3 里兹法求解椭圆形振膜共振频率算法的验证

3．1．4 圆形振膜与椭圆形振膜共振频率的计算

3．2 阵元的设计

3．2．1 椭圆膜x方向与y方向声场差异

3．2．2 椭圆膜阵元与圆膜阵元的声场比较

3．3 阵列的参数分析与设计

3．3．1 阵元间距

3．3．2 成像半径

3．3．3 阵列规模

3．3．4 阵元的大小分析

3．4 阵列的二维成像

3．5 本章小结

第四章 CMUT的加工制造

4．1 CMUT的主要加工工艺

4．1．1 表面硅工艺

4．1．2 体硅工艺

4．2 CMUT阵列加工

4．2．1 加工流程的选择与制定

4．2．2 CMUT版图设计

4．2．3 共聚焦3D轮廓仪检测

4．3 本章小结

第五章 实验测试

5．1 阻抗分析仪实验测试

5．1．1 阻抗频响曲线

5．1．2 寄生电容与寄生电阻的测量

5．2 显微激光多普勒测振系统实验测试

5．2．1 显微激光多普勒测振系统实验原理

5．2．2 直流偏压对CMUT振膜位移的影响

5．2．3 测量阵元不同位置振膜位移频响曲线

5．2．4 塌陷膜的振动测试

5．3 声学测试

5．3．1 发射测试

5．3．2 脉冲发射模块测试

5．3．3 接收电路仿真

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢