电容式微加工超声换能器阵列设计与测试

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1、电容式微加工超声换能器阵列设计与测试DesignandTestofCapacitiveMicromachinedUltrasonicTransducerArray学科专业：仪器科学与技术作者姓名：郑冠儒指导教师：张慧副教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十二月摘要电容式微加工超声换能器（CMUT）作为一种新型的硅微声学器件，在缺陷检测、医学成像、人机交互等领域有着广泛研究前景。相比于传统的压电超声换能器，CMUT的振动膜结构使得其机电耦合效率更高，更易于在空气等工作介质中使用，同时，CMUT的阵元尺寸较小，易于加工成大规模的阵列。因此对空气耦合CMUT阵列的研究具有

2、较大价值。本文设计并制作了一种空气耦合式CMUT阵列。根据阵列的测试要求，设计了CMUT阵列的测试系统，使用该系统完成了CMUT阵列的声学测试。具体研究内容如下：（1）根据板壳理论，推导了CMUT的单膜谐振频率；根据CMUT材料的特性参数，计算了空气耦合CMUT敏感单元的尺寸；使用FieldII声场仿真工具包，对不同参数下的CMUT阵列的声场指向性进行了仿真；对比仿真结果，确定了CMUT阵列的参数；根据相控阵的声束形成理论，计算了所设计的CMUT阵列在不同条件下的延时法则。（2）分析了CMUT阵列的测试要求，介绍了测试系统的总体结构；从硬件和软件两方面介绍了测试系统的各组成部

3、分和功能，其中硬件部分主要包括多路脉冲驱动单元、多通道放大采集单元、NCG200-D25型空耦探头、直流电压源等；针对每一部分的硬件电路，介绍了电路的结构和参数选型，测试了电路的有效性。（3）介绍了CMUT测试系统中的软件部分的结构和功能，软件部分主要包括延时算法程序设计和数据采集程序设计；使用FPGA来实现延时算法，介绍了FPGA程序的模块框图；使用ISim仿真程序测试了所设计的延时算法程序；介绍了数据采集程序的算法，使用LabVIEW编写了数据采集卡的采集程序。（4）介绍了CMUT阵列的加工工艺，使用L-edit软件设计了CMUT阵列的掩膜版图；根据测试要求，设计了CMU

4、T阵列的PCB转接板，并采用bonding工艺将CMUT裸片绑定在了PCB板上；测试了CMUT阵列的表面形貌和谐振频率，结果显示CMUT阵列表面完好，无破损情况。（5）设计声学实验测试了CMUT阵列的发射强度和接收灵敏度；针对自发自收的工作模式，设计了CMUT拖尾信号的消除办法；设计声学实验测试了CMUT阵列的指向性。实验结果表明：所设计的CMUT阵列满足设计要求，实验结果同仿真结果一致。关键词：电容式微加工超声换能器，微机电系统，相控阵，测试系统IIIABSTRACTCapacitiveMicromachinedUltrasonicTransducer(CMUT),asan

5、ewMEMSacousticdevice,hasawiderangeofresearchprospectsindefectdetection,medicalimaging,human-computerinteractionandotherfields.ComparedtothetraditionalPiezoelectricUltrasonicTransducer,themembranestructureoftheCMUTmakesitmoreefficientwhenitisworkingintheair.ThesizeoftheCMUTarrayissmallanditi

6、seasytobeprocessedintoalargescalearray.Therefore,theresearchontheair-coupledCMUTarrayisofgreatvalue.Inthispaper,anair-coupledCMUTarraywasdesignedandfabricated.And,asystemoftheCMUTarraywasdesignedaccordingtothetestrequirementsofthearray.TheacousticexperimentsoftheCMUTarraywerecompletedbyusin

7、gthissystem.Specificresearchcontentsareasfollows:(1)AccordingtotheTheoryofPlateandShell,singlefilmresonantfrequencyoftheCMUTwasdeducedandthesizeoftheCMUTsensitiveunitwascalculated.TheacousticfielddirectivityoftheCMUTarraywassimulatedbyusingFieldIIacousti