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用于表征超聲換能器和微型壓電超聲傳感器的技術(shù)

發(fā)布時間：2020-12-16

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1. 關(guān)于超聲換能器（pMUT）

診斷醫(yī)學超聲成像正變得越來越普遍，因為與其他診斷掃描技術(shù)相比，它相對便宜，便攜式，緊湊且無創(chuàng)。然而，高級成像趨勢的商業(yè)實現(xiàn)將需要具有成本效益的小型化元件的大規(guī)模陣列，這對于當前的體壓電體而言是混亂，困難且昂貴的。在大批量生產(chǎn)中，微型傳感器是陣列兼容的低成本替代品?；诟吡敵龅钠焚|(zhì)因數(shù)，開發(fā)了一種用于高聲壓輸出的基于振動板的壓電微機械超聲換能器（pMUT）設(shè)計?；谝验_發(fā)的基于解析和有限元的模型，31種模式，鈦酸鋯鈦酸鉛（PZT）pMUT使用常見的微制造技術(shù)和PZT溶膠-凝膠沉積工藝制造。預制器件的撓度，聲學靈敏度和電阻抗被廣范表征，以提供有用的換能性能指標列表，并將其與分析模型和仿真進行比較。當前的工作重點是通過適當?shù)亩攘繕藴屎头治瞿Ｐ蛠砹炕娐曅阅?，從而為將來的pMUT和更普遍的超聲換能器設(shè)計構(gòu)建一個框架。將來，開發(fā)的模型將用于優(yōu)化傳感器元件和陣列，以將其合并到實際的成像系統(tǒng)中。聲學靈敏度和電阻抗被廣范表征，以提供一系列有用的傳導性能指標，并將其與分析模型和仿真進行比較。

微型壓電超聲傳感器

圖1 微型壓電超聲傳感器

2. 如何表征
       使用微系統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的超聲換能器有望用于醫(yī)療超聲應用。在這里，您實際上是在所謂的pMUT和cMUT（分別是壓電微機械超聲換能器和電容微機械超聲換能器）之間進行區(qū)分。
       與常規(guī)元件相比，cMUT具有獨特的性能。由于膜片的彎曲模式偏斜形狀，換能器的機械阻抗降低了，同時向環(huán)境介質(zhì)的能量傳輸也得到了改善。微制造還可以使用半導體技術(shù)以可承受的價格批量生產(chǎn)cMUT。半導體開關(guān)電路可以直接集成在同一芯片上，以便簡單地創(chuàng)建甚至大尺寸的一維或更復雜的2D陣列配置。
       通常使用不同方法的組合來表征新的超聲換能器。有限元仿真可以預測換能器的性能，同時還要考慮周圍的介質(zhì)。然后，您可以使用基于顯微鏡的激光振動計（例如微型系統(tǒng)分析儀）測量新的換能器原型，從而直接確定聲換能器表面的機械頻率響應。這樣做時，您將逐漸體會到用于可靠且準確地測量瞬態(tài)過程的寬頻帶寬和實時功能。
3. 應用實例
       實時表征超聲換能器。
      比利時的IMEC用微型系統(tǒng)分析儀表征了獨特的cMUT，并根據(jù)結(jié)果使用瑞利積分法確定了轉(zhuǎn)移介質(zhì)中的空間壓力場。隨后通過讀立的水聽器測量確認了結(jié)果。