用于表征超聲換能器和微型壓電超聲傳感器的技術

發布時間：2020-12-16

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1. 關于超聲換能器（pMUT）

診斷醫學超聲成像正變得越來越普遍，因為與其他診斷掃描技術相比，它相對便宜，便攜式，緊湊且無創。然而，高級成像趨勢的商業實現將需要具有成本效益的小型化元件的大規模陣列，這對于當前的體壓電體而言是混亂，困難且昂貴的。在大批量生產中，微型傳感器是陣列兼容的低成本替代品。基于高力輸出的品質因數，開發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）設計。基于已開發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的度量標準和分析模型來量化電聲性能，從而為將來的pMUT和更普遍的超聲換能器設計構建一個框架。將來，開發的模型將用于優化傳感器元件和陣列，以將其合并到實際的成像系統中。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
       使用微系統技術生產的超聲換能器有望用于醫療超聲應用。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）之間進行區分。
       與常規元件相比，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，同時向環境介質的能量傳輸也得到了改善。微制造還可以使用半導體技術以可承受的價格批量生產cMUT。半導體開關電路可以直接集成在同一芯片上，以便簡單地創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。然后，您可以使用基于顯微鏡的激光振動計（例如微型系統分析儀）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用微型系統分析儀表征了獨特的cMUT，并根據結果使用瑞利積分法確定了轉移介質中的空間壓力場。隨后通過讀立的水聽器測量確認了結果。