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用于表征超声换能器和微型压电超声传感器的技术

发布时间: 2020-12-16

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1. 关于超声换能器(pMUT)

       诊断医学超声成像正变得越来越普遍,因为与其他诊断扫描技术相比,它相对便宜,便携式,紧凑且无创。然而,高级成像趋势的商业实现将需要具有成本效益的小型化元件的大规模阵列,这对于当前的体压电体而言是混乱,困难且昂贵的。在大批量生产中,微型传感器是阵列兼容的低成本替代品。基于高力输出的品质因数,开发了一种用于高声压输出的基于振动板的压电微机械超声换能器(pMUT)设计。基于已开发的基于解析和有限元的模型,31种模式,钛酸锆钛酸铅(PZT)pMUT使用常见的微制造技术和PZT溶胶-凝胶沉积工艺制造。预制器件的挠度,声学灵敏度和电阻抗被广范表征,以提供有用的换能性能指标列表,并将其与分析模型和仿真进行比较。当前的工作重点是通过适当的度量标准和分析模型来量化电声性能,从而为将来的pMUT和更普遍的超声换能器设计构建一个框架。将来,开发的模型将用于优化传感器元件和阵列,以将其合并到实际的成像系统中。声学灵敏度和电阻抗被广范表征,以提供一系列有用的传导性能指标,并将其与分析模型和仿真进行比较。

微型压电超声传感器

图1  微型压电超声传感器

2. 如何表征
       使用微系统技术生产的超声换能器有望用于医疗超声应用。在这里,您实际上是在所谓的pMUT和cMUT(分别是压电微机械超声换能器和电容微机械超声换能器)之间进行区分。
       与常规元件相比,cMUT具有独特的性能。由于膜片的弯曲模式偏斜形状,换能器的机械阻抗降低了,同时向环境介质的能量传输也得到了改善。微制造还可以使用半导体技术以可承受的价格批量生产cMUT。半导体开关电路可以直接集成在同一芯片上,以便简单地创建甚至大尺寸的一维或更复杂的2D阵列配置。
       通常使用不同方法的组合来表征新的超声换能器。有限元仿真可以预测换能器的性能,同时还要考虑周围的介质。然后,您可以使用基于显微镜的激光振动计(例如微型系统分析仪)测量新的换能器原型,从而直接确定声换能器表面的机械频率响应。这样做时,您将逐渐体会到用于可靠且准确地测量瞬态过程的宽频带宽和实时功能。
3. 应用实例
       实时表征超声换能器。
       比利时的IMEC用微型系统分析仪表征了独特的cMUT,并根据结果使用瑞利积分法确定了转移介质中的空间压力场。随后通过读立的水听器测量确认了结果。
cMUT测量-单个cMUT单元的RMS位移

图2  单个cMUT单元的RMS位移

单个cMUT单元的RMS位移.jpeg

图3  测量结果

单个cMUT单元的RMS位移2

图4  单个测量结果

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