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一种基于MATLAB的CMUT阵列设计与成像仿真方法 被引量:7
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作者 张慧 何常德 +3 位作者 苗静 李玉平 张文栋 薛晨阳 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2014年第4期490-494,共5页
为了分析阵列设计参数与成像效果的关系,提高微电容超声传感器(CMUT)阵列设计的可靠性,提出了一种仿真CMUT阵列水下成像方法。设计了一种CMUT结构,振膜厚3μm,振动单元边长1.16 mm,ANSYS仿真得出中心频率为464 kHz。讨论了阵列参数与声... 为了分析阵列设计参数与成像效果的关系,提高微电容超声传感器(CMUT)阵列设计的可靠性,提出了一种仿真CMUT阵列水下成像方法。设计了一种CMUT结构,振膜厚3μm,振动单元边长1.16 mm,ANSYS仿真得出中心频率为464 kHz。讨论了阵列参数与声束指向性关系,以空间脉冲响应理论为基础提出了一种可显示CMUT阵列成像效果图的仿真设计方法。通过MATLAB对该方法的仿真,模拟了不同结构的CMUT线阵在不同激励形式下的水下成像。仿真结果表明,64阵元且阵元中心距0.5λ的CMUT线阵在单脉冲激励下成像效果最好。该仿真方法的实验结果与理论一致,且相比单纯理论分析该方法结论更直观,考虑成像影响因素更全面。 展开更多
关键词 电容式微加工超声传感器(CMUT) 阵列设计 空间脉冲响应理论 水下成像仿真
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CMUTs机电耦合系数解析式及其对功耗的影响
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作者 李支康 赵立波 +6 位作者 李杰 赵一鹤 徐廷中 罗国希 郭帅帅 刘子晨 蒋庄德 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第17期173-181,共9页
电容式微加工超声换能器(CMUTs)在便携式超声成像与治疗、家庭超声诊断系统、基于超声波的非接触式人机接口等领域具有极其可观的应用前景。实现低功耗、高机电耦合系数CMUTs的研发是解决上述应用需求的关键,而这就需要对CMUTs机电耦合... 电容式微加工超声换能器(CMUTs)在便携式超声成像与治疗、家庭超声诊断系统、基于超声波的非接触式人机接口等领域具有极其可观的应用前景。实现低功耗、高机电耦合系数CMUTs的研发是解决上述应用需求的关键,而这就需要对CMUTs机电耦合系数的变化规律及其对功耗的影响具有更深入的理解。针对圆形和方形薄膜CMUTs,利用基于固定电容和自由电容比值的原理建立了圆形和方形薄膜CMUTs的机电耦合系数解析式,同时利用有限元仿真和对已有CMUTs芯片机电耦合系数的试验测试来验证理论解析式的正确性;开展了机电耦合系数的参数化研究;建立了CMUTs功耗与偏置电压之间的函数关系。结果表明圆形和方形薄膜CMUTs的机电耦合系数解析式能在低于塌陷电压96%的偏置电压范围内准确分析不同偏置电压下的机电耦合系数。在相同偏置电压下,机电耦合系数随着空腔高度增加而降低,但随着薄膜半径增大而增加;在相同偏置电压/塌陷电压比下,具有不同结构参数的CMUTs机电耦合系数相同。此外,从功耗与机电耦合系数的内在关系研究中可知通过减小塌陷电压或提高在低偏置电压下的机电耦合系数则可实现低功耗和高机电耦合系数这两种相互制约的性能参数的协调设计。 展开更多
关键词 cmuts 机电耦合系数 解析式 功耗
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基于共晶键合技术的CMUTs结构设计与试验测试
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作者 李支康 赵立波 +7 位作者 赵一鹤 李杰 郭帅帅 罗国希 徐廷中 刘子晨 李雪娇 蒋庄德 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第13期67-76,共10页
电容式微加工超声换能器(Capacitive micromachined ultrasonic transducers,CMUTs)在超声成像与治疗、3D超声姿态识别等领域具有广泛应用需求。将CMUTs与ICs进行集成是减小寄生电容、提高信噪比的重要途径,然而目前基于熔融键合的CMUT... 电容式微加工超声换能器(Capacitive micromachined ultrasonic transducers,CMUTs)在超声成像与治疗、3D超声姿态识别等领域具有广泛应用需求。将CMUTs与ICs进行集成是减小寄生电容、提高信噪比的重要途径,然而目前基于熔融键合的CMUTs制备技术需要高温条件(>1000℃),无法实现与ICs的集成制备。开发基于共晶键合的CMUTs制备工艺是解决上述问题的有效途径。针对该低温工艺,设计了圆形和正六边形空腔CMUTs单元及相应的阵列结构,利用有限元仿真和理论公式分析了CMUTs结构的塌陷电压、谐振频率以及其薄膜在热应力、大气压力条件下的变形。分析结果表明CMUTs塌陷电压及谐振频率在预期范围内,其薄膜在热应力、大气压力作用下不会发生塌陷。对所制备的CMUTs芯片的形貌、结构尺寸、电容以及阻抗频率特性开展试验研究。结果表明芯片形貌、结构参数、电容以及阻抗频率特性与设计预期一致,芯片能正常工作;测试结果验证了CMUTs结构设计与制备工艺的可行性。这些研究对进一步实现CMUTs与ICs的集成设计与制备提供了基础。 展开更多
关键词 cmuts 有限元仿真 结构设计 共晶键合 试验测试 阻抗频率特性
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层合薄膜电容式微加工超声换能器(CMUTs)谐振频率分析
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作者 李支康 赵立波 +6 位作者 李杰 赵一鹤 徐廷中 罗国希 李雪娇 郭帅帅 蒋庄德 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第24期11-20,共10页
电容式微加工超声换能器(Capacitive micromachined ultrasonic transducers, CMUTs)在3D超声成像、水下超声等领域具有重要应用价值。谐振频率决定着超声成像的分辨率,是CMUTs结构设计的重要参数之一。针对具有多层圆形薄膜的CMUTs结构... 电容式微加工超声换能器(Capacitive micromachined ultrasonic transducers, CMUTs)在3D超声成像、水下超声等领域具有重要应用价值。谐振频率决定着超声成像的分辨率,是CMUTs结构设计的重要参数之一。针对具有多层圆形薄膜的CMUTs结构,提出其薄膜结构和材料参数以及有效电极距离的等效方法,建立在直流偏置电压和交流电压共同作用下多层圆形薄膜的振动方程,并分别采用伽辽金法和能量等效法进行求解,获得多层薄膜CMUTs在偏置电压作用下的两类谐振频率解析式。基于有限元模型,利用数值解来验证谐振频率解析式的正确性,并开展参数化研究。结果显示,基于能量等效法的谐振频率解析式比基于伽辽金法的谐振频率解析式具有更高分析精度,适用于薄膜直径/厚度比在20~100范围内、空腔高度/薄膜厚度比不大于1的多层薄膜CMUTs的谐振频率分析;在从0V到接近于塌陷电压的几乎整个偏置电压变化内,解析解与有限元仿真结果的相对误差小于5%。此外,利用所加工的具有三层薄膜的CMUTs芯片对谐振频率解析式进行试验验证,结果显示在不同偏置电压下谐振频率的试验测试值与理论分析值基本一致。因此,所提谐振频率的理论分析方法可广泛应用于多层薄膜CMUTs结构的设计与优化。 展开更多
关键词 cmuts 多层薄膜 振动方程 能量等效法 谐振频率 解析式
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Simulation Study of CMUT for Pressure Sensing Applications
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作者 Yan Zhou Jie Liu +1 位作者 Xin Lu Quanfang Chen 《Journal of Harbin Institute of Technology(New Series)》 CAS 2023年第3期22-31,共10页
Capacitive micromechanical ultrasonic transducers(CMUTs)have been widely studied because they can be used as substitutes for piezoelectric ultrasonic transducers in imaging applications.However,it is unclear whether a... Capacitive micromechanical ultrasonic transducers(CMUTs)have been widely studied because they can be used as substitutes for piezoelectric ultrasonic transducers in imaging applications.However,it is unclear whether and how CMUTs can be developed for sensors incorporating other functions.For instance,researchers have proposed the use of CMUTs for pressure sensing,but fundamental and practical application issues remain unsolved.This study explored ways in which a pressure sensor can be properly developed based on a CMUT prototype using a simulation approach.A three-dimensional finite element model of CMUTs was designed using the COMSOL Multiphysics software by combining the working principle of CMUTs with pressure sensing characteristics in which the resonance frequency of the CMUT cell shifts accordingly when it is subjected to an external pressure.Simultaneously,when subjected to pressure,the CMUT membrane deforms,thus the pressure can be reflected by the change in the capacitance. 展开更多
关键词 capacitive micromechanical ultrasonic transducers(cmuts) pressure sensor collapsing voltage resonance frequency CAPACITANCE finite element multi-physics simulation
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