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Development of an Integrated CMUTs-Based Resonant Biosensor for Label-Free Detection of DNA with Improved Selectivity by Ethylene-Glycol Alkanethiols
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作者 Zhikang Li Yihe Zhao +7 位作者 Gian Luca Barbruni Jie Li Zixuan Li Jiawei Yuan Ping Yang Libo Zhao Zhuangde Jiang Sandro Carrara 《Engineering》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第10期231-241,共11页
Gravimetric resonant-inspired biosensors have attracted increasing attention in industrial and point-ofcare applications,enabling label-free detection of biomarkers such as DNA and antibodies.Capacitive micromachined ... Gravimetric resonant-inspired biosensors have attracted increasing attention in industrial and point-ofcare applications,enabling label-free detection of biomarkers such as DNA and antibodies.Capacitive micromachined ultrasonic transducers(CMUTs)are promising tools for developing miniaturized highperformance biosensing complementary metal–oxide–silicon(CMOS)platforms.However,their operability is limited by inefficient functionalization,aggregation,crosstalk in the buffer,and the requirement for an external high-voltage(HV)power supply.In this study,we aimed to propose a CMUTs-based resonant biosensor integrated with a CMOS front–end interface coupled with ethylene–glycol alkanethiols to detect single-stranded DNA oligonucleotides with large specificity.The topography of the functionalized surface was characterized by energy-dispersive X-ray microanalysis.Improved selectivity for onchip hybridization was demonstrated by comparing complementary and non-complementary singlestranded DNA oligonucleotides using fluorescence imaging technology.The sensor array was further characterized using a five-element lumped equivalent model.The 4 mm^(2) application-specific integrated circuit chip was designed and developed through 0.18 lm HV bipolar-CMOS-double diffused metal–oxide–silicon(DMOS)technology(BCD)to generate on-chip 20 V HV boosting and to track feedback frequency under a standard 1.8 V supply,with a total power consumption of 3.8 mW in a continuous mode.The measured results indicated a detection sensitivity of 7.943×10^(-3) lmol·L^(-1)·Hz^(-1) over a concentration range of 1 to 100 lmol·L^(-1).In conclusion,the label-free biosensing of DNA under dry conditions was successfully demonstrated using a microfabricated CMUT array with a 2 MHz frequency on CMOS electronics with an internal HV supplier.Moreover,ethylene–glycol alkanethiols successfully deposited self-assembled monolayers on aluminum electrodes,which has never been attempted thus far on CMUTs,to enhance the selectivity of bio-functionalization.The findings of this study indicate the possibility of full-on-chip DNA biosensing with CMUTs. 展开更多
关键词 Capacitive micromachined ultrasonic transducers(cmuts) DNA detection Self-assembled monolayer(SAM) Ethylene-glycol alkanethiols Application-specific integrated circuit(ASIC)
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基于聚合物薄膜的CMUT阵列的声场特性仿真分析
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作者 高铁成 闫梦圆 孙晓东 《天津工业大学学报》 北大核心 2025年第5期66-71,共6页
为满足超声检测技术对超声换能器聚焦特性的要求,设计了一种基于聚合物薄膜SU-8的CMUT阵列。根据阵列换能器的声场理论确定影响聚焦效果的参数,利用COMSOL Multiphysics仿真软件进行建模仿真分析,探究了空气和水介质中一维CMUT线阵不同... 为满足超声检测技术对超声换能器聚焦特性的要求,设计了一种基于聚合物薄膜SU-8的CMUT阵列。根据阵列换能器的声场理论确定影响聚焦效果的参数,利用COMSOL Multiphysics仿真软件进行建模仿真分析,探究了空气和水介质中一维CMUT线阵不同阵元数目和阵元间距时的声场聚焦性。结果表明:CMUT阵列为16阵元、阵元间距为0.5时,阵列换能器的声场聚焦效果最好,声场聚焦区域声压最大值在空气介质中达到7.23×10^(-5)Pa,水介质中达到0.17 Pa。 展开更多
关键词 聚合物薄膜 CMUT阵列 有限元仿真 声场聚焦
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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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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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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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面向CMUT的驱动电路设计和激励信号优化
6
作者 孙帅文 何常德 +4 位作者 吴帅琦 张文栋 张国军 杨玉华 王任鑫 《微纳电子技术》 2025年第4期82-89,共8页
电容式微机械超声换能器(CMUT)具有微型化、易与电子产品集成、与人体组织阻抗匹配良好、机电转换效率高、灵敏度高、频带宽和成本低等优点。CMUT在医学成像、无损检测和流速测量等领域展现出极大应用潜力。针对CMUT,设计了一套高压脉... 电容式微机械超声换能器(CMUT)具有微型化、易与电子产品集成、与人体组织阻抗匹配良好、机电转换效率高、灵敏度高、频带宽和成本低等优点。CMUT在医学成像、无损检测和流速测量等领域展现出极大应用潜力。针对CMUT,设计了一套高压脉冲激励系统,可以用于激励CMUT发送超声波。使用该系统对CMUT进行不同发射波形的测试对比。实验结果显示:在正极性偏置电压下,对上电极施加峰峰值相同的负极性脉冲方波、双极性脉冲方波和正极性脉冲方波时,负极性脉冲方波发射声压最大,双极性脉冲方波次之,正极性脉冲方波发射声压最低。在负极性偏置电压下,对上电极施加峰峰值相同的负极性脉冲方波、双极性脉冲方波和正极性脉冲方波时,正极性脉冲方波发射声压最大,双极性脉冲方波次之,负极性脉冲方波发射声压最低。 展开更多
关键词 电容式微机械超声换能器(CMUT) 驱动电路 激励信号 电压极性 发射声压
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基于PXIe的CMUT多通道超声收发板卡设计与实现
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作者 吴帅琦 何常德 +3 位作者 孙帅文 卢小星 张国军 张文栋 《电子技术应用》 2025年第2期102-107,共6页
为实现基于电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列探头的多通道脉冲发射、数据采集、存储、传输与分析,设计了一款基于PXIe总线的32通道的超声收发一体板卡。该板卡采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)作为主控制器,具备发射和接收两种工作模式... 为实现基于电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列探头的多通道脉冲发射、数据采集、存储、传输与分析,设计了一款基于PXIe总线的32通道的超声收发一体板卡。该板卡采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)作为主控制器,具备发射和接收两种工作模式,通过T/R开关切换,在发射模式下,驱动CMUT阵列探头发射超声波信号,在采集模式下,接收CMUT的模拟回波信号,并由ADC转换成14位的数字信号,编帧打包经DDR3缓存,通过PXIe接口传输至PC。对系统硬件电路和FPGA逻辑设计作了阐述,并通过驱动CMUT线阵,对亚力克板进行测试。测试结果表明,该板卡的设计满足CMUT阵列探头的使用需求,而且该系统可拓展更多通道。该板卡为精细化的超声影像检测、无损检测提供了硬件支持。 展开更多
关键词 FPGA PXIe CMUT 多通道 数据采集 超声成像系统
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二维CMUT阵列成像系统的低冗余设计:一种新的阵列配置模式
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作者 张甜 宋金沙 +3 位作者 乔冰琴 高丹 王智豪 邵星灵 《微纳电子技术》 2025年第4期140-151,共12页
在基于微机电系统(MEMS)的超声换能器研究中,经典相控阵(CPA)配置模式硬件系统复杂,经典合成孔径(CSA)配置模式成像效果较差。为了避免这些问题,研究了低冗余的二维电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列配置模式。提出了三种新的阵列配置模... 在基于微机电系统(MEMS)的超声换能器研究中,经典相控阵(CPA)配置模式硬件系统复杂,经典合成孔径(CSA)配置模式成像效果较差。为了避免这些问题,研究了低冗余的二维电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列配置模式。提出了三种新的阵列配置模式,即“+”字型发射全阵列接收(PF)、“X”型发射全阵列接收(XF)和边界型发射全阵列接收(BF)。首先,计算这五种阵列配置模式的有效孔径。从对比结果可以看出,XF的有效孔径最接近CPA的理想有效孔径。然后,对五种阵列配置模式的合成波束进行对比。阵列定量结果表明,XF的主瓣宽度和第一旁瓣高度分别为9.24°(-10 dB)和-21.33 dB,CPA的主瓣宽度和第一旁瓣高度分别为8.02°(-10 dB)和-26.29 dB。此外,为了验证研究结果,进行点目标仿真成像。在PF、XF和BF三种阵列配置模式中,XF以最少的发射阵元数量实现了与CPA几乎相同的成像效果。可以得出,XF阵列配置模式可以降低硬件系统的复杂性,同时保证成像质量。该研究成果为CMUT阵列三维实时成像提供了理论依据。 展开更多
关键词 二维阵列 电容式微机械超声换能器(CMUT) 有效孔径 合成波束 超声成像
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面向CMUT环形阵列的超声成像系统设计
9
作者 吴帅琦 何常德 +3 位作者 孙帅文 柴翰驰 罗梦珂 张文栋 《微纳电子技术》 2025年第6期27-34,共8页
电容式微机械超声换能器(CMUT)具有频带宽、成本低、易于与电路集成等优点,在超声环形阵列的构建中展现出独特优势,在医学成像领域有广泛的应用潜力。基于自主研制的一种CMUT环形阵列结构,设计并搭建了多通道超声成像系统。该系统设计... 电容式微机械超声换能器(CMUT)具有频带宽、成本低、易于与电路集成等优点,在超声环形阵列的构建中展现出独特优势,在医学成像领域有广泛的应用潜力。基于自主研制的一种CMUT环形阵列结构,设计并搭建了多通道超声成像系统。该系统设计了以现场可编程门阵列(FPGA)为主控的32通道超声收发板卡,采用PXIe高性能模块化设计,通过N张板卡实现32×N个通道的脉冲发射与超声回波采集,且支持最低几百kHz至最高65 MHz的采样率,适配不同CMUT的中心频率。通过对亚克力圆柱体进行成像测试,表明系统具有良好的性能。该系统具有可扩展的模块化硬件结构与高度灵活的参数配置方案,为基于CMUT的多通道医学超声成像系统的实际应用提供了技术支撑。 展开更多
关键词 电容式微机械超声换能器(CMUT) 现场可编程门阵列(FPGA) 环形阵列 系统设计 超声成像
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基于CMUT环形阵列的反射超声成像方法 被引量:2
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作者 秦祚敏 薛铮 +4 位作者 刘书睿 张国军 杨玉华 张文栋 何常德 《微纳电子技术》 CAS 2024年第1期137-143,共7页
电容式微机械超声换能器(CMUT)具有频带宽、制造成本低、易与电路集成等优点,在医学成像领域具有广阔的应用前景。CMUT高密度阵元、低制造成本的特点使其拥有制备超声环形阵列独特的优势。基于CMUT环形阵列提出了反射式超声成像算法,采... 电容式微机械超声换能器(CMUT)具有频带宽、制造成本低、易与电路集成等优点,在医学成像领域具有广阔的应用前景。CMUT高密度阵元、低制造成本的特点使其拥有制备超声环形阵列独特的优势。基于CMUT环形阵列提出了反射式超声成像算法,采用k-Wave工具箱搭建模型进行仿真实验,验证了算法的可行性。搭建了基于32阵元CMUT环形阵列的超声成像验证平台,通过旋转实现稀疏阵元的反射式超声成像。图像重建结果表明,该反射成像算法可实现目标体重建,目标体直径测试值为6.14 cm,与目标体直径实际值6.00 cm相比,成像误差为2.33%,验证了CMUT环形阵列在超声成像中应用的可行性。该研究为进一步研制基于高密度CMUT换能器的超声成像系统提供了参考。 展开更多
关键词 电容式微机械超声换能器(CMUT) 环形阵列 反射 超声成像 医学成像
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一种基于正面对准的CMUT制备工艺
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作者 刘书睿 秦祚敏 +5 位作者 王靖文 曾祥铖 赵晨雅 王智豪 王任鑫 杨玉华 《微纳电子技术》 CAS 2024年第9期168-176,共9页
基于晶圆键合的电容式微机械超声换能器(CMUT)制备工艺凭借其对膜厚控制度高、制备过程简单且良品率高等优势,是当前CMUT的主要制备工艺之一。分析了上电极位置准确性对CMUT发射声压的影响,结合薄膜透光率和光刻机正面对准精度高的特点... 基于晶圆键合的电容式微机械超声换能器(CMUT)制备工艺凭借其对膜厚控制度高、制备过程简单且良品率高等优势,是当前CMUT的主要制备工艺之一。分析了上电极位置准确性对CMUT发射声压的影响,结合薄膜透光率和光刻机正面对准精度高的特点,提出了一种基于正面对准的CMUT制备工艺并完成了CMUT阵列的制备。制备过程中通过两种开窗工艺获得正面对准标记,通过正面对准的方式实现上电极金属图形化,提高了上电极金属制备的可重复性和准确性。挑选制备好的CMUT阵列进行了一致性测试,经测试其接收灵敏度在-207.30~-208.01 dB以内,表明基于此工艺制备的CMUT阵列具有很好的一致性,为后续大规模批量制备用于无损检测和超声医疗成像的CMUT器件奠定了基础。 展开更多
关键词 电容式微机械超声换能器(CMUT) 晶圆键合 正面对准 一致性 金属图形化
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基于相控阵与合成孔径聚焦方法的CMUT阵列虚拟声源成像技术
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作者 张甜 宋金沙 +3 位作者 乔冰琴 邵星灵 武洋 王智豪 《微纳电子技术》 CAS 2024年第4期147-155,共9页
对电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列成像中的相控阵(PA)和合成孔径聚焦技术(SAFT)的综合方法进行研究,使用CMUT子阵列形成虚拟声源,并利用虚拟声源的辐射能量进行超声成像。通过对比不同孔径的超声波声束发散程度,得到CMUT阵列最佳子... 对电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列成像中的相控阵(PA)和合成孔径聚焦技术(SAFT)的综合方法进行研究,使用CMUT子阵列形成虚拟声源,并利用虚拟声源的辐射能量进行超声成像。通过对比不同孔径的超声波声束发散程度,得到CMUT阵列最佳子孔径阵元数量为9,CMUT阵列实验通过将子孔径阵元数量从1到15依次增加,观察水中两个不同深度的钉子成像清晰度来验证最佳子孔径阵元数量。与传统全矩阵捕捉(FMC)成像技术相比,多阵元SAFT合成的虚拟声源辐射能力更强,所以有更好的探测深度,同时由于利用子阵列进行超声数据采集,因此减少了CMUT超声成像系统的硬件采集通道数。 展开更多
关键词 电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列 合成孔径 相控阵(PA) 虚拟声源 超声成像
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Design and characterization of a multi-ring nested CMUT array for hydrophone
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作者 Licheng Jia Rihui Xue Fansheng Meng 《Journal of Semiconductors》 EI CAS CSCD 2024年第11期58-62,共5页
This paper presents the design,fabrication,packaging,and characterization of a high-performance CMUT array.The array,which features rectangular cells fabricated using a sacrificial release process,achieves a receiving... This paper presents the design,fabrication,packaging,and characterization of a high-performance CMUT array.The array,which features rectangular cells fabricated using a sacrificial release process,achieves a receiving sensitivity of-231.44 d B(re:1 V/μPa)with a 40 d B gain.Notably,the CMUT array exhibits a minimal sensitivity variation of just 0.87 d B across a temperature range of 0 to 60°C.Furthermore,the output voltage non-linearity at 1 k Hz is approximately 0.44%.These test results demonstrate that the reception performance of the 67-element CMUT array is superior to that of commercial transducers.The high performance and compact design of this CMUT array underscore its significant commercial potential for hydrophone applications. 展开更多
关键词 cmut array mirco-electro-mechanical systems(mems) receiving sensitivity non-linearity
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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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电容式微超声传感器的电极参数优化设计 被引量:6
15
作者 张慧 宋光德 +2 位作者 靳世久 官志坚 刘娟 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2010年第7期935-938,共4页
建立了电容式微超声传感器(cMUT)的有限元模型,通过对模型进行静电-结构耦合仿真分析,研究了金属电极的结构参数包括电极面积、电极厚度、电极材料以及电极相对与薄膜的位置等参数的变化对传感器性能的影响。分析了电极参数与传感器吸... 建立了电容式微超声传感器(cMUT)的有限元模型,通过对模型进行静电-结构耦合仿真分析,研究了金属电极的结构参数包括电极面积、电极厚度、电极材料以及电极相对与薄膜的位置等参数的变化对传感器性能的影响。分析了电极参数与传感器吸合电压,静态电容,机电转换比以及机电耦合系数的关系,最后得到了优化的电极结构参数,即金属电极面积为传感器振动薄膜面积的一半时,传感器具有较低的吸合电压和较大带宽值及机电耦合系数。 展开更多
关键词 电容式微超声传感器(cMUT) 吸合电压 静态电容 机电耦合系数
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电容式微机械超声传感器设计与仿真 被引量:7
16
作者 王朝杰 王红亮 +2 位作者 段培盛 陈一波 胡晓峰 《压电与声光》 CAS CSCD 北大核心 2017年第2期284-288,共5页
建立电容式微机械超声传感器(CMUT)微元三维有限元模型,经过分析CMUT微元不同结构对CMUT性能的影响,得到CMUT结构参数。设定工作频率范围1~2 MHz,工作电压Vdc<100V,首先,利用有限元模型进行模态分析研究薄膜参数与一阶频率的关系,以... 建立电容式微机械超声传感器(CMUT)微元三维有限元模型,经过分析CMUT微元不同结构对CMUT性能的影响,得到CMUT结构参数。设定工作频率范围1~2 MHz,工作电压Vdc<100V,首先,利用有限元模型进行模态分析研究薄膜参数与一阶频率的关系,以此确定薄膜参数;然后,在阐述相关理论和静态分析的基础上,仿真、分析空腔对CMUT性能的影响,进而确定空腔高度;最后,通过静电-机械耦合分析和计算机电耦合系数优化电极参数。对所设计的CMUT结构进行仿真验证,工作频率为1.65 MHz,塌陷电压为68 V,满足应用要求。 展开更多
关键词 电容式微机械超声传感器(CMUT) COMSOL MULTIPHYSICS 塌陷电压 机电耦合系数
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电容式微加工超声传感器结构参数对性能的影响分析 被引量:6
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作者 张慧 宋光德 +1 位作者 官志坚 靳世久 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2008年第6期951-953,共3页
介绍了电容式微加工超声传感器(cMUT)的工作原理,通过理论计算和有限元仿真分析,讨论了cMUT中薄膜厚度、薄膜半径、薄膜残余应力和空腔厚度的变化对传感器的塌陷电压和谐振频率的影响,为传感器的设计和制作提供了依据。
关键词 电容式微加工超声传感器(cMUT) 塌陷电压 谐振频率
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电容式微机械超声传感器(CMUT)声场特性分析 被引量:4
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作者 王朝杰 王红亮 +2 位作者 段培盛 陈一波 胡晓峰 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2016年第12期1-4,共4页
为研究CMUT指向性,将CMUT微元看成圆形活塞式换能器,根据指向性函数的理论,计算出CMUT微元的指向性公式,依据Bridge乘积原理,推导出了一种计算CMUT阵元、CMUT一维线阵和CMUT面阵指向性公式,并利用MATLAB软件对CMUT微元、阵元、线阵和面... 为研究CMUT指向性,将CMUT微元看成圆形活塞式换能器,根据指向性函数的理论,计算出CMUT微元的指向性公式,依据Bridge乘积原理,推导出了一种计算CMUT阵元、CMUT一维线阵和CMUT面阵指向性公式,并利用MATLAB软件对CMUT微元、阵元、线阵和面阵指向性进行了仿真分析,得出CMUT类型对指向性、主瓣宽度和旁瓣的影响,证实了多维模型的优势,为CMUT结构优化设计提供了基础。基于CMUT微元声场理论分析基础,根据瑞利-索末菲积分公式推导出CMUT阵元、CMUT阵列的辐射声场分布函数,并仿真验证了其聚焦和指向性性能。 展开更多
关键词 电容式微机械超声传感器(CMUT) 声场 指向性 MATLAB 仿真
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电容式微机械超声换能器封装设计 被引量:2
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作者 王朝杰 王红亮 +2 位作者 段培盛 陈一波 胡晓峰 《压电与声光》 CSCD 北大核心 2017年第4期624-628,共5页
针对电容式微机械超声换能器(CMUT)封装材料阻抗匹配失衡,应力大及声波能量损失大等问题,设计了一种在水下10m透声性能好、弯曲形变小的聚氯乙烯封装结构。依据透声理论和材料属性,计算封装结构参数。利用COMSOL Multiphysics 5.0建立... 针对电容式微机械超声换能器(CMUT)封装材料阻抗匹配失衡,应力大及声波能量损失大等问题,设计了一种在水下10m透声性能好、弯曲形变小的聚氯乙烯封装结构。依据透声理论和材料属性,计算封装结构参数。利用COMSOL Multiphysics 5.0建立封装结构三维有限元模型,通过模态分析和静态分析分别得到封装结构的固有属性和水下机械性能。封装结构的一阶共振频率为792.47Hz,不会对CMUT 400kHz的工作频段产生干扰。利用压力平衡装置保护水下系统安全性,水下10m最大形变为1.12mm,最大应力为14.4 MPa,未超过聚氯乙烯的弯曲强度。实际测试声压与理论值最大误差为4.8%,物距测量误差为1mm,设计的CMUT封装结构满足设计要求。 展开更多
关键词 电容式微机械超声换能器(CMUT) 透声系数 封装结构 有限元分析
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电容式微机械超声换能器的设计与仿真 被引量:4
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作者 高铁成 远桂民 王昊 《天津工业大学学报》 CAS 北大核心 2021年第4期84-88,共5页
为满足超声传感器非接触、非浸入、完全无损及易于集成等要求,提出了一种电容式微机械超声换能器(CMUT)的简单质量-弹簧理论计算模型,结合薄板振动理论,设计了传感器特征参数、谐振频率和塌陷电压等参数,并对其进行仿真验证。结果表明:... 为满足超声传感器非接触、非浸入、完全无损及易于集成等要求,提出了一种电容式微机械超声换能器(CMUT)的简单质量-弹簧理论计算模型,结合薄板振动理论,设计了传感器特征参数、谐振频率和塌陷电压等参数,并对其进行仿真验证。结果表明:由该模型得到的理论计算结果和软件仿真结果,经对比其误差在4%之内,能很好满足设计要求,并验证了简单质量-弹簧模型的可行性;在标准大气压和外加塌陷电压作用下,薄板挠度约为空腔高度减去薄板挠度(只在大气作用下的薄板挠度)时的1/3;设计的一阶谐振频率为530 kHz的低频传感器可用于空耦超声检测。 展开更多
关键词 电容式微机械超声换能器(CMUT) COMSOL有限元仿真 质量-弹簧模型 空耦传感器
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