电容式微机械超声换能器建模与仿真技术研究
发布时间：2021-07-17 10:07
超声成像技术作为一项高尖技术,在工业、医学、国防等众多领域都有着广泛的应用,而超声波换能器是超声成像系统中的核心器件,其性能好坏直接影响超声成像的效果。以MEMS工艺为基础制造的电容式微机械超声换能器（CMUT）具有频带宽、机电转换效率高、灵敏度高、易与IC工艺兼容、易与工作媒介阻抗匹配等特点,在工业无损检测、医学超声诊断和治疗等领域具有广阔的应用前景。CMUT建模与仿真是优化CMUT结构参数的基础,也是实现其加工与制作的前提,因此本文针对CMUT进行建模与仿真技术研究具有十分重要的科研价值。本文所研究的主要内容如下:（1）研究了CMUT的相关理论模型,并对其做了推导分析,得到了CMUT的振动位移、固有频率、塌陷电压、机械阻抗和带宽等特性参数;并简要地介绍了CMUT的声辐射阻抗,为后续等效电路的建立奠定了基础。（2）通过利用有限元分析软件COMSOL Multiphysics构建了CMUT微元的有限元模型,并对其进行了静态分析、模态分析、谐响应分析及瞬态分析,由此得到CMUT的塌陷电压、特征频率等重要参数。（3）建立了CMUT微元的等效电路模型,包括大信号等效电路模型和小信号等效电路模...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
斯坦福大学16×16的电容微机械超声换能器(CMUT)阵列的IC倒装芯片
图 1.2 斯坦福大学研制的可用于心脏内超声心动检测的 CMUT 导2013 年，Amin Nikoozadeh 等设计并制作了一种由 512 个单元组容微机械超声换能器(CMUT)阵列[17]，并使用石英扇形板将 CMUT 阵成电路集成，如图 1-3 所示。该阵列分布在四个同心圆环上，每个个单元。该装置的内径和外径分别为 5.0mm 和 10.1mm。利用设计的成功地取得了尼龙线体模和金属弹簧体模实时体成像。图 1.3（a）所同心圆环组成的512阵元四环CMUT阵列，图1.（3b）所示的是封装以环形阵。
图 1.2 斯坦福大学研制的可用于心脏内超声心动检测的 CMUT 导管2013 年，Amin Nikoozadeh 等设计并制作了一种由 512 个单元组成的环形电容微机械超声换能器(CMUT)阵列[17]，并使用石英扇形板将 CMUT 阵列和前端集成电路集成，如图 1-3 所示。该阵列分布在四个同心圆环上，每个同心环有 128个单元。该装置的内径和外径分别为 5.0mm 和 10.1mm。利用设计的环形阵列已成功地取得了尼龙线体模和金属弹簧体模实时体成像。图 1.3（a）所示是由四个同心圆环组成的512阵元四环CMUT阵列，图1.（3b）所示的是封装以后的CMUT环形阵。
【参考文献】：
期刊论文
[1]空气耦合电容式微超声换能器线阵设计与测试[J]. 张慧,郑冠儒,李志,曾周末. 传感技术学报. 2018(05)
[2]医学超声合成孔径成像技术浅析[J]. 张志宏. 信息系统工程. 2017(06)
[3]电容式微机械超声换能器的信号调理电路设计[J]. 赵蕾,张文栋,何常德,张国军,焦新泉. 电测与仪表. 2017(07)
[4]空气耦合式电容微超声换能器的设计与分析[J]. 张慧,赵晓楠,张雯,曾周末. 仪器仪表学报. 2016(10)
[5]医学超声关键技术研究和进展(三) 超声微泡分子成像与治疗以及声孔效应[J]. 钱建庭,沈圆圆,余皓,汪天富,陈思平. 生物医学工程学进展. 2013(03)
[6]低噪声电容式超声传感器的结构与电路设计[J]. 彭本贤,俞挺,于峰崎. 集成技术. 2012(03)
[7]超声成像技术的新进展[J]. 朱弋,杨舒波,潘文荣. 医疗装备. 2007(06)
[8]超声检测技术应用及其发展概况[J]. 王琴,王九良,朱维华,夏昌浩. 科技信息(学术研究). 2006(09)
[9]电容式微加工超声传感器（cMUT）的有限元仿真[J]. 宋光德,官志坚,栗大超. 传感技术学报. 2006(05)
[10]超声无损检测的发展趋势[J]. 罗雄彪,陈铁群. 无损检测. 2005(03)
博士论文
[1]非平膜电容式微型超声波传感器研究[D]. 张慧.天津大学 2010
硕士论文
[1]电容式微机械超声换能器（CMUT）设计及其封装技术研究[D]. 王朝杰.中北大学 2017
[2]基于Si-SOI键合的微电容超声波换能器设计[D]. 于佳琪.中北大学 2014
[3]CMUT薄膜的仿真与形变分析[D]. 索旭东.华南理工大学 2013
[4]基于硅晶圆键合的MEMS电容超声传感器研究[D]. 苗静.中北大学 2013
[5]电容式超声传感器的设计[D]. 许鹏.华中科技大学 2012
本文编号：3287964
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
斯坦福大学16×16的电容微机械超声换能器(CMUT)阵列的IC倒装芯片
图 1.2 斯坦福大学研制的可用于心脏内超声心动检测的 CMUT 导2013 年，Amin Nikoozadeh 等设计并制作了一种由 512 个单元组容微机械超声换能器(CMUT)阵列[17]，并使用石英扇形板将 CMUT 阵成电路集成，如图 1-3 所示。该阵列分布在四个同心圆环上，每个个单元。该装置的内径和外径分别为 5.0mm 和 10.1mm。利用设计的成功地取得了尼龙线体模和金属弹簧体模实时体成像。图 1.3（a）所同心圆环组成的512阵元四环CMUT阵列，图1.（3b）所示的是封装以环形阵。
图 1.2 斯坦福大学研制的可用于心脏内超声心动检测的 CMUT 导管2013 年，Amin Nikoozadeh 等设计并制作了一种由 512 个单元组成的环形电容微机械超声换能器(CMUT)阵列[17]，并使用石英扇形板将 CMUT 阵列和前端集成电路集成，如图 1-3 所示。该阵列分布在四个同心圆环上，每个同心环有 128个单元。该装置的内径和外径分别为 5.0mm 和 10.1mm。利用设计的环形阵列已成功地取得了尼龙线体模和金属弹簧体模实时体成像。图 1.3（a）所示是由四个同心圆环组成的512阵元四环CMUT阵列，图1.（3b）所示的是封装以后的CMUT环形阵。
【参考文献】：
期刊论文
[1]空气耦合电容式微超声换能器线阵设计与测试[J]. 张慧,郑冠儒,李志,曾周末. 传感技术学报. 2018(05)
[2]医学超声合成孔径成像技术浅析[J]. 张志宏. 信息系统工程. 2017(06)
[3]电容式微机械超声换能器的信号调理电路设计[J]. 赵蕾,张文栋,何常德,张国军,焦新泉. 电测与仪表. 2017(07)
[4]空气耦合式电容微超声换能器的设计与分析[J]. 张慧,赵晓楠,张雯,曾周末. 仪器仪表学报. 2016(10)
[5]医学超声关键技术研究和进展(三) 超声微泡分子成像与治疗以及声孔效应[J]. 钱建庭,沈圆圆,余皓,汪天富,陈思平. 生物医学工程学进展. 2013(03)
[6]低噪声电容式超声传感器的结构与电路设计[J]. 彭本贤,俞挺,于峰崎. 集成技术. 2012(03)
[7]超声成像技术的新进展[J]. 朱弋,杨舒波,潘文荣. 医疗装备. 2007(06)
[8]超声检测技术应用及其发展概况[J]. 王琴,王九良,朱维华,夏昌浩. 科技信息(学术研究). 2006(09)
[9]电容式微加工超声传感器（cMUT）的有限元仿真[J]. 宋光德,官志坚,栗大超. 传感技术学报. 2006(05)
[10]超声无损检测的发展趋势[J]. 罗雄彪,陈铁群. 无损检测. 2005(03)
博士论文
[1]非平膜电容式微型超声波传感器研究[D]. 张慧.天津大学 2010
硕士论文
[1]电容式微机械超声换能器（CMUT）设计及其封装技术研究[D]. 王朝杰.中北大学 2017
[2]基于Si-SOI键合的微电容超声波换能器设计[D]. 于佳琪.中北大学 2014
[3]CMUT薄膜的仿真与形变分析[D]. 索旭东.华南理工大学 2013
[4]基于硅晶圆键合的MEMS电容超声传感器研究[D]. 苗静.中北大学 2013
[5]电容式超声传感器的设计[D]. 许鹏.华中科技大学 2012
本文编号：3287964
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