CMUT及其陣列工作機(jī)理與應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、超聲成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域，而超聲傳感器是實(shí)現(xiàn)超聲成像的關(guān)鍵部件之一?；贛EMS技術(shù)的電容式微機(jī)械超聲傳感器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer，CMUT)具有傳統(tǒng)壓電超聲傳感器所不具備的顯著優(yōu)勢，有望替代傳統(tǒng)壓電超聲傳感器成為市場的主流產(chǎn)品。針對電容式微機(jī)械超聲傳感器開展相關(guān)理論與應(yīng)用基礎(chǔ)研究，具有十分重要的研究價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文的主要內(nèi)容如下:

2、
　　首先，在加工制造之前對CMUT進(jìn)行特性分析可以為優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)提供依據(jù)。在詳細(xì)闡述CMUT工作原理和相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，研究了CMUT的建模理論。建立了CMUT微元的小信號(hào)等效電路模型和有限元模型，利用有限元模型進(jìn)行了靜態(tài)分析、模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。為了能夠快速、有效地對CMUT微元和CMUT進(jìn)行特性分析，推導(dǎo)并建立了一種狀態(tài)方程-SIMULINK模型，并對CMUT微元和CMUT進(jìn)行了發(fā)射與接收特性分析，為后續(xù)實(shí)際應(yīng)用和測試提供

3、了重要的理論依據(jù)和參考。
　　其次，CMUT與CMUT陣列的指向性是其在遠(yuǎn)場的重要特性之一。通過詳細(xì)分析設(shè)計(jì)參數(shù)對其指向性的影響，結(jié)合CMUT和CMUT陣列的特點(diǎn)，提出了合理選擇CMUT陣列設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)則。針對所設(shè)計(jì)的CMUT及其陣列，推導(dǎo)出了三種不同的CMUT指向性函數(shù)和四種不同的CMUT陣列指向性函數(shù)，并進(jìn)行了對比分析。針對指向性圖中出現(xiàn)的旁瓣現(xiàn)象，研究了多種旁瓣抑制方法，有效地降低了旁瓣輻值。
　　再次，超聲傳感器的聲

4、場分布特性直接影響著其成像質(zhì)量。在論述相關(guān)聲場理論的基礎(chǔ)上，研究了基于瑞利-索末菲積分公式、角譜方法和空間沖激響應(yīng)的聲場分析方法，并針對CMUT和CMUT陣列的特點(diǎn)，研究了相應(yīng)的聲場分析方法。通過計(jì)算輻射聲場，分析了CMUT陣列的聚焦與偏轉(zhuǎn)性能，研究了陣列孔徑尺寸對聚焦距離的影響，并分析了CMUT陣列設(shè)計(jì)參數(shù)對其空間脈沖回波響應(yīng)的影響。
　　然后，不同的成像方法具有不同的性能和特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮多種因素選擇合適的方法。在

5、論述相控陣成像、合成孔徑聚焦成像和相控子陣成像三種不同成像方法工作原理的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算相應(yīng)的有效孔徑和合成波束，對其進(jìn)行了對比分析，并基于CMUT線陣，驗(yàn)證分析了三種成像方法的成像效果。對于陣元數(shù)目較多的CMUT面陣，設(shè)計(jì)了幾種特殊的相控子陣成像方案，可以有效地降低成像系統(tǒng)的復(fù)雜性，并提高成像的實(shí)時(shí)性。
　　最后，通過對CMUT線陣進(jìn)行全面的測試與分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)CMUT及其陣列的性能，為今后設(shè)計(jì)超聲成像系統(tǒng)提供了重要的