超聲成像技術(shù)作為一項(xiàng)高尖技術(shù),在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、國防等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用,而超聲波換能器是超聲成像系統(tǒng)中的核心器件,其性能好壞直接影響超聲成像的效果。以MEMS工藝為基礎(chǔ)制造的電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUT）具有頻帶寬、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高、靈敏度高、易與IC工藝兼容、易與工作媒介阻抗匹配等特點(diǎn),在工業(yè)無損檢測(cè)、醫(yī)學(xué)超聲診斷和治療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。CMUT建模與仿真是優(yōu)化CMUT結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ),也是實(shí)現(xiàn)其加工與制作的前提,因此本文針對(duì)CMUT進(jìn)行建模與仿真技術(shù)研究具有十分重要的科研價(jià)值。本文所研究的主要內(nèi)容如下:（1）研究了CMUT的相關(guān)理論模型,并對(duì)其做了推導(dǎo)分析,得到了CMUT的振動(dòng)位移、固有頻率、塌陷電壓、機(jī)械阻抗和帶寬等特性參數(shù);并簡要地介紹了CMUT的聲輻射阻抗,為后續(xù)等效電路的建立奠定了基礎(chǔ)。（2）通過利用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics構(gòu)建了CMUT微元的有限元模型,并對(duì)其進(jìn)行了靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析及瞬態(tài)分析,由此得到CMUT的塌陷電壓、特征頻率等重要參數(shù)。（3）建立了CMUT微元的等效電路模型,包括大信號(hào)等效電路模型和小信號(hào)等效電路模... 

【文章來源】：中北大學(xué)山西省

【文章頁數(shù)】：81 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

斯坦福大學(xué)16×16的電容微機(jī)械超聲換能器(CMUT)陣列的IC倒裝芯片

圖 1.2 斯坦福大學(xué)研制的可用于心臟內(nèi)超聲心動(dòng)檢測(cè)的 CMUT 導(dǎo)2013 年，Amin Nikoozadeh 等設(shè)計(jì)并制作了一種由 512 個(gè)單元組容微機(jī)械超聲換能器(CMUT)陣列[17]，并使用石英扇形板將 CMUT 陣成電路集成，如圖 1-3 所示。該陣列分布在四個(gè)同心圓環(huán)上，每個(gè)個(gè)單元。該裝置的內(nèi)徑和外徑分別為 5.0mm 和 10.1mm。利用設(shè)計(jì)的成功地取得了尼龍線體模和金屬彈簧體模實(shí)時(shí)體成像。圖 1.3（a）所同心圓環(huán)組成的512陣元四環(huán)CMUT陣列，圖1.（3b）所示的是封裝以環(huán)形陣。

圖 1.2 斯坦福大學(xué)研制的可用于心臟內(nèi)超聲心動(dòng)檢測(cè)的 CMUT 導(dǎo)管2013 年，Amin Nikoozadeh 等設(shè)計(jì)并制作了一種由 512 個(gè)單元組成的環(huán)形電容微機(jī)械超聲換能器(CMUT)陣列[17]，并使用石英扇形板將 CMUT 陣列和前端集成電路集成，如圖 1-3 所示。該陣列分布在四個(gè)同心圓環(huán)上，每個(gè)同心環(huán)有 128個(gè)單元。該裝置的內(nèi)徑和外徑分別為 5.0mm 和 10.1mm。利用設(shè)計(jì)的環(huán)形陣列已成功地取得了尼龍線體模和金屬彈簧體模實(shí)時(shí)體成像。圖 1.3（a）所示是由四個(gè)同心圓環(huán)組成的512陣元四環(huán)CMUT陣列，圖1.（3b）所示的是封裝以后的CMUT環(huán)形陣。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]空氣耦合電容式微超聲換能器線陣設(shè)計(jì)與測(cè)試[J]. 張慧,鄭冠儒,李志,曾周末.  傳感技術(shù)學(xué)報(bào). 2018(05)
[2]醫(yī)學(xué)超聲合成孔徑成像技術(shù)淺析[J]. 張志宏.  信息系統(tǒng)工程. 2017(06)
[3]電容式微機(jī)械超聲換能器的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)[J]. 趙蕾,張文棟,何常德,張國軍,焦新泉.  電測(cè)與儀表. 2017(07)
[4]空氣耦合式電容微超聲換能器的設(shè)計(jì)與分析[J]. 張慧,趙曉楠,張?chǎng)?曾周末.  儀器儀表學(xué)報(bào). 2016(10)
[5]醫(yī)學(xué)超聲關(guān)鍵技術(shù)研究和進(jìn)展(三) 超聲微泡分子成像與治療以及聲孔效應(yīng)[J]. 錢建庭,沈圓圓,余皓,汪天富,陳思平.  生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)進(jìn)展. 2013(03)
[6]低噪聲電容式超聲傳感器的結(jié)構(gòu)與電路設(shè)計(jì)[J]. 彭本賢,俞挺,于峰崎.  集成技術(shù). 2012(03)
[7]超聲成像技術(shù)的新進(jìn)展[J]. 朱弋,楊舒波,潘文榮.  醫(yī)療裝備. 2007(06)
[8]超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展概況[J]. 王琴,王九良,朱維華,夏昌浩.  科技信息(學(xué)術(shù)研究). 2006(09)
[9]電容式微加工超聲傳感器（cMUT）的有限元仿真[J]. 宋光德,官志堅(jiān),栗大超.  傳感技術(shù)學(xué)報(bào). 2006(05)
[10]超聲無損檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 羅雄彪,陳鐵群.  無損檢測(cè). 2005(03)

博士論文
[1]非平膜電容式微型超聲波傳感器研究[D]. 張慧.天津大學(xué) 2010

碩士論文
[1]電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUT）設(shè)計(jì)及其封裝技術(shù)研究[D]. 王朝杰.中北大學(xué) 2017
[2]基于Si-SOI鍵合的微電容超聲波換能器設(shè)計(jì)[D]. 于佳琪.中北大學(xué) 2014
[3]CMUT薄膜的仿真與形變分析[D]. 索旭東.華南理工大學(xué) 2013
[4]基于硅晶圓鍵合的MEMS電容超聲傳感器研究[D]. 苗靜.中北大學(xué) 2013
[5]電容式超聲傳感器的設(shè)計(jì)[D]. 許鵬.華中科技大學(xué) 2012



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