水下应用的电容式微机械超声换能器阵列设计

为提高用于水下成像的电容式微机械超声换能器的指向性,文中用ANSYS力电耦合分析法设计了工作频率为400 k Hz的收发一体传感器的结构参数并完成了实验验证。同时研究了阵列设计方法,分析了电容式微机械超声换能器阵列各参数对指向性的影响,完成了从微小敏感单元到阵列的设计,实现了阵列指向性的优化设计。该阵列为16阵元的线阵,阵元间距为1.925 mm,阵元宽度为1.82 mm。进行了水下指向性测试,实验表明该线阵的-3 dB主瓣宽度为5?,最大旁瓣级为-13.5 dB,对称性好。该设计是实现较远距离的探测,提高成像分辨率的前提。     

175kHz高频空气超声换能器研制及其特性测量

本文报道了一种用于复杂空气旋涡场参量测量的高频空气超声换能器．在用超声-激光方法研究流场时，它是关键的换能元件。该换能器工作频率为175kHz。由于采用了管状压电元件及特制的伞状反射器，该换能器具有优越的指向性（士2．5°）     

cMUT阵元的声学分析与环形扫描成像

电容式微机械超声换能器(cMUT)具有宽带宽、灵敏度高、机械阻抗低和与电子电路集成制造等优点.由于超声换能器声场设计的好坏决定了成像质量的优劣,为了明确阵元参数与辐射声场的关系,该文对不同的阵元参数进行了计算仿真.与压电陶瓷超声换能器的结构不同,cMUT阵元是由多个电容单元(cell)并联构成.因此分析了cell的半径...     

空气耦合电容式微超声换能器设计

建立了空气耦合电容式微超声换能器(CMUT)的理论方法,分析CMUT各个结构参数对其性能参数的影响。根据理论分析结果结合无损检测应用背景设计了一个由16个阵元构成的CMUT阵列,并采用SOI晶圆键合工艺制作。该阵列每个阵元包含16个圆形CMUT敏感单元,敏感单元的半径400μm,中心频率230 kHz。建立CMUT发射和接收瞬态仿真模型分别得到CMUT发射声压和接收灵敏度与激励电压的关系,并通过实验测试验证该仿真模型的准确性。最后通过实验对CMUT与商用压电空耦超声换能器的性能进行对比,实验结果表明CMUT的发射声压和接收灵敏度与商用换能器达到相同数量级,并且能够成功激发和接收铝合金板中A_0模态Lamb波。     

激光致声声呐换能器的设计

提出一种声呐发射换能器的设计思路.设计激光声产生系统,获取并测量激光声信号,求出激光声信号的功率谱、模糊函数、水中的距离分辨力、多普勒分辨常数.基于激光声的产生、传播、时域波形和频率特性提出声呐发射换能器的概念性设计思路.从理论上初步证明了该换能器具有良好的距离分辨力和指向性,可作为高分辨力声呐的声源.     

空心聚合物微珠/环氧树脂复合材料匹配层空耦式压电换能器

研制了一种厚度模空耦式压电换能器,使用综合考虑材料衰减系数和声阻抗的空耦式压电换能器电力声等效电路理论模型以指导匹配层结构设计和材料选择,选用新型的空心聚合物微珠/环氧树脂复合材料作为声匹配材料,优化设计电阻抗匹配及结构参数。该换能器中心频率为510 kHz,-6 dB频域相对带宽为25.4%,插入损耗为-27 dB。结果表明,使用新型低衰减系数的闭孔复合材料单匹配层设计的该换能器不仅保证了高灵敏度,同时简化了换能器结构,为空耦式压电换能器研制提供了新思路。      

向空气辐射的弯曲振动型超声换能器的研制

以“弯曲”振动阶梯盘作为辐射面的超声换能器具有高的效率和方向性.本文叙述了阶梯辐射盘的振动方式,理论及计算公式.设计了20kHz具有阶梯辐射盘的超声换能器,并对轴向声压进行了测试.该换能器结构简单,制作方便,在实际工作中有一定的应用价值.     

高频宽带嵌套式复合材料换能器

研制了一种嵌套式高频宽带复合材料换能器,利用1-3型压电复合材料Q值较低、频带较宽的特点,采用组合式的结构拓展换能器的工作带宽。通过切割框型压电陶瓷、灌注环氧树脂得到压电复合材料框型敏感元件,再将不同厚度的框型敏感元件沿轴向嵌套从而制成多层嵌套的压电复合材料敏感元件。建立1-3型压电复合材料中压电小柱的等效电路,根据等效电路计算出压电小柱的谐振频率,并与1-3型压电复合材料的谐振频率理论计算结果进行对比。通过ANSYS软件对敏感元件结构进行仿真,并根据仿真结果确定了敏感元件的最佳设计方案。最终制作出的换能器进行水下测试,该换能器的谐振频率为310 kHz,最大发送电压响应为188.5 dB,-3 d B带宽可达130 kHz,接收灵敏度最大可达-186.8 dB,-3 dB带宽可达90 kHz,谐振频率处-3 d B的指向性开角约为2.4°。该嵌套式敏感元件可实现换能器宽带发射与接收声波的目标。     

深水宽频带收发换能器

本文介绍了一种在深海多通道应答系统中用来检测声信号的收发两用宽带换能器的设计和制作.利用自由液浸环式换能器的液腔和陶瓷环耦合共振的原理,简化了换能器的结构和工艺.所制作的换 能器可在420m水深海域中工作,在8.5—14kHz宽频带范围内声源级达197dB,并有±1dB不均匀性的发射电压响应级和起伏±2dB以内的接收灵敏度响应级.该换能器系统安装在多通道定位系统中,在高速深水航行的实艇上得到实际应用.     

圆环状复合材料高频宽带水声换能器

研制了一种圆环状高频宽带水声换能器。利用压电复合材料Q值低从而频带宽的特点,采用双环轴向堆叠产生双模态耦合的结构方式拓宽换能器的带宽。通过理论分析与仿真计算,确定敏感元件几何尺寸。用切割-浇注-被覆电极等工艺制备出压电复合材料圆环;再将制备出的外径相同,壁厚不等的压电复合材料圆环轴向叠堆制成叠堆敏感元件,最后灌注防水透声层制成换能器。对制得的换能器进行水下性能测试,测得该换能器谐振频率为410 kHz,最大发射电压响应为150 dB,-3 dB带宽达60 kHz,水平指向性开角(-5 dB)为360°,-3 dB垂直指向性开角约20°。结果表明将复合材料圆环轴向堆叠可显著拓展换能器的带宽,且实现声波的水平全向发射。      

硅油介质中矩形电容式微机械超声换能器发射与接收声场特性研究*

与传统压电式超声换能器相比,基于微机电系统微加工技术制备的电容式微机械超声换能器(CMUT)具有频带宽、灵敏度高、一致性好、易于集成等优势,在医学超声成像中具有广阔的应用前景。该文针对研制的矩形CMUT器件,开展硅油介质中CMUT发射、接收声场特性的理论分析及实验验证研究。首先,针对CMUT阵元结构特征和工作原理,根据指向性函数理论和Bridge乘积原理,建立了矩形CMUT阵元指向性函数分析模型。此基础上,分析微元数目以及谐振频率对CMUT指向性的影响规律。最后,针对7 mm×7 mm二维矩形CMUT在硅油介质中的发射和接收特性进行了实验验证,测试表明发射指向性曲线与仿真理论曲线基本吻合;此外,CMUT接收与发射指向性的测试表明,收发指向性具有一致性,从而验证了声场的互易性。该文的研究对CMUT器件的封装设计以及基于CMUT阵列的乳腺超声CT成像系统的研制具有重要参考价值。     

Air-coupled MUMPs capacitive micromachined ultrasonic transducers with resonant cavities

This work reports performance improvements of air-coupled capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUTs) using resonant cavities. In order to perform this work, we have designed and manufactured a CMUT employing multi-user microelectromechanical systems (MEMS) processes (MUMPs). The transducer was designed using Helmholtz resonator principles. This was characterised by the dimensions of the cavity and several acoustic ports, which had the form of holes in the CMUT plate. The MUMPs process has the advantage of being low cost which allows the manufacture of economic prototypes. In this paper we show the effects of the resonant cavities and acoustic ports in CMUTs using laser Doppler vibrometry and acoustical measurements. We also use Finite Element (FE) simulations in order to support experimental measurements. The results show that it is possible to enhance the output pressure and bandwidth in air by tuning the resonance frequency of the plate (f_p) with that of the Helmholtz resonator (f_H). The experimental measurements show the plate resonance along with an additional resonance in the output pressure spectrum. This appears due to the effect of the new resonant cavities in the transducer. FE simulations show an increase of 11 dB in the output pressure with respect to that of a theoretical vacuum-sealed cavity MUMPs CMUT by properly tuning the transducer. The bandwidth has been also analyzed by calculating the mechanical Q factor of the tuned CMUT. This has been estimated as 4.5 compared with 7.75 for the vacuum-sealed cavity MUMPs CMUT.     

电容MEMS超声换能器研究进展

MEMS(micro-electromechanical systems)超声换能器(MEMS ultrasonic transducer,简称MUT)是采用微电子和微机械加工技术制作的新型超声换能器。与传统超声换能器相比,MUT具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高以及易于与电路集成和实现智能化等特点。是超声换能器的重要的研究方向之一。MUT的研究主要包括压电MUT(piezoelectric MUT,简称PMUT)和电容MUT(capacitiveMUT,简称CMUT)两个方面。本文概述了CMUT研究的发展进程和研究成果,展望了CMUT的研究和应用前景。     

宽光谱AOTF匹配网络对光谱衍射效率影响的研究

基于声光可调滤波器(acousto-optic tunable filter,AOTF)光谱成像分析仪在可见至红外光谱的多个谱区内广泛应用,对AOTF的光谱带宽及衍射效率提出了更高的要求。超声换能器作为AOTF的核心部件,其3 dB工作带宽决定AOTF的光谱衍射范围,故在同一声光介质上制作两片厚度不同的换能器来提高AOTF光谱带宽。由于超声换能器在不同频率下具有不同的输入阻抗,当驱动信号源输出阻抗与超声换能器输入阻抗失配时会产生能量损耗,导致无法把功率最大限度的传递给超声换能器,从而使AOTF光谱衍射效率降低,影响光谱成像清晰度。通过射频电路先进设计系统(ADS)仿真及实验测试,设计了一种新型宽带阻抗匹配网络,在60～200 MHz带宽范围内,阻抗匹配网络功率效率达到90％以上,光谱衍射效率最高达90％,提高了在420～1 150 nm波段内的光谱灵敏度。     

Properties study of LiNbO3 lateral field excited device working on thickness extension mode

This paper investigates the properties of thickness extension mode excited by lateral electric field on LiNbO3 by using the extended Christoffel-Bechmann method. It finds that the lateral field excitation coupling factor for amode (quasi-extensional mode) reaches its maximum value of 28% on X-cut LiNbO3. The characteristics of a lateral field excitation device made of X-cut LiNbO3 have been investigated and the lateral field excitation device is used for the design of a high frequency ultrasonic transducer. The time and frequency domain pulse/echo response of the LiNbO3 lateral field excitation ultrasonic transducer is analysed with the modified Krimholtz-Leedom-Matthae model and tested using traditional pulse/echo method. A LiNbO3 lateral field excitation ultrasonic transducer with the centre frequency of 33.44 MHz and the -6 dB bandwidth of 33.8% is acquired, which is in good agreement with the results of the Krimholtz-Leedom-Matthae model. Further analysis suggests that the LiNbO3 lateral field excitation device has great potential in the design of broadband high frequency ultrasonic transducers.     

A row–column addressed micromachined ultrasonic transducer array for surface scanning applications

Row–column addressed arrays for ultrasonic non-destructive testing (NDT) applications are analyzed and demonstrated in this paper. Simulation and experimental results of a row–column addressed 32 by 32 capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) array are presented. The CMUT array, which was designed for medical imaging applications, has a center frequency of 5.3 MHz. The CMUT array was used to perform C-scans on test objects with holes that have diameters of 1.0 mm and 0.5 mm. The array transducer has an aperture size of 4.8 mm by 4.8 mm, and it was used to scan an area of 4.0 mm by 4.0 mm. Compared to an N by N fully addressed 2-D array, a row–column addressed array of the same number of elements requires fewer (N instead of N²) pairs of interconnection and supporting electronic components such as pulsers and amplifiers. Even though the resulting field of view is limit by the aperture size, row–column addressed arrays and the row–column addressing scheme can be an alternative option of 2-D arrays for NDT applications.     

压电MEMS超声换能器研究进展

MEMS(micro-electromechanical systems)超声换能器(MEMS ultrasonic transducer,简称MUT)是采用微电子和微机械加工技术制作的新型超声换能器。与传统超声换能器相比,MUT具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高以及易于与电路集成和实现智能化等特点。是超声换能器的重要的研究方向之一。MUT的研究主要包括压电MUT(piezoelectric MUT,简称PMUT)和电容MUT(capacitiveMUT,简称CMUT)两个方面。本文概述了PMUT研究的发展进程和研究成果,展望了PMUT的研究和应用前景。     

面向电容式微机械超声换能器器件的32通道收发 电路设计与测试*

针对以电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列为探头的超声成像系统,设计了一种兼具现场可编程门阵列(FPGA)控制、脉冲驱动以及微弱电流信号检测功能的电路。利用FPGA产生64路控制信号,控制脉冲信号的频率、脉冲个数、占空比等参数;脉冲电路在FPGA以及直流电压的控制下,产生32路脉冲信号;接收电路通过跨阻放大结构实现32路电流信号检测;32通道收发电路利用脉冲产生芯片内自带的T/R开关进行高压隔离。通过搭建测试平台,对收发电路功能及一致性进行测试,并连接CMUT进行自发自收测试。测试结果表明,32通道收发电路具有良好的一致性,电路可以实现基于CMUT阵列的32通道超声信号的发射,检测回波信号,并对CMUT器件的带宽进行测试。电路具有功能完善,结构稳定的优点,为基于CMUT阵列的超声成像系统的应用提供了硬件支持。     

PZT厚膜及高频超声换能器的研究

近年来,基于PZT厚膜的超声换能器研究受到了广泛的重视。本文综述了PZT厚膜制备技术的发展情况,简要介绍了水下声纳和医用超声领域中PZT厚膜型高频超声换能器的应用研制进展。