集成超声传感阵列的设计与测试

论文摘要

超声成像已经在医学上、无损检测、海底地形勘探、水下沉船打捞等领域有较为广泛的应用。但是传统的超声成像系统体积大、成本高，使用起来极其不方便，限制了它的应用范围。现在提高成像系统的集成度、降低成本、提高性能、缩小体积、提高成像的速度是超声成像系统未来的研究方向。本文基于超声成像应用背景，研究了压阻式超声传感器阵列设计与集成制造技术并测试了其性能。首先设计了MEMS压阻式超声传感器单元的结构，用有限元分析法分析超声传感器单元的结构的灵敏度、共振频率等参数，并通过对比不同尺寸结构的灵敏度来实现传感器单元的优化设计。优化设计了150K、75K、68K和34K的微传感梁结构，分别设计了对应频率的悬臂梁结构，通过理论仿真表明，该结构与悬臂梁相比灵敏度平均提高了8.9db。针对该该传感器设计了信号放大电路，实现信号的放大与滤波。然后介绍了脉冲回波超声成像原理以及相关的处理技术，分析了阵列的指向性。根据基于阵列的超声成像理论设计了超声传感器阵列的间距、阵元数以及分辨角等参数，分析了分辨角与参考方向的关系。初步探索压阻式超声传感器的集成制造，为研究体积小、成本低、清晰度高的成像系统提供依据。设计了裸芯片的封装结构，实现了与电路板的链接，并且对裸芯片起保护作用。设计了基于空气中和水中应用环境的器件封装，仿真了透声窗对成像的影响，仿真并分析了基于水下封装壳的声学特性。最后对传感器的电阻、单元的灵敏度、共振频率的一致性进行了测试，结果表明阵列的各个参数较为一致，又测试了超声传感器单元和阵列的指向性。利用阵列采集信号，通过数字波束形成技术对多个目标同时定向，对基于阵列成像作了初步探索，取得了一定的进展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 集成超声传感器阵列的应用前景
• 1.4 本文研究主要内容
• 第2章 压阻式超声传感器阵元的设计
• 2.1 压阻式超声传感器的敏感原理
• 2.2 结构设计
• 2.2.1 微传感梁结构的设计
• 2.2.2 不同结构的灵敏度对比
• 2.3 仿真优化
• 2.3.1 静力分析与灵敏度计算
• 2.3.2 微传感梁结构的模态分析
• 2.3.3 谐响应分析
• 2.3.4 与悬臂梁压阻声传感结构对比
• 2.3.5 结构的优化
• 2.4 传感器信号的放大
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于阵列成像原理及集成阵列的设计
• 3.1 集成阵列的成像原理
• 3.1.1 基于阵列的聚焦成像技术
• 3.1.2 阵列的指向性
• 3.2 阵列参数的设计
• 3.2.1 阵元间距分析
• 3.2.2 集成阵列设计原则与方法
• 3.2.3 集成阵列各个参数的设计
• 3.3 本章小结
• 第4章 集成接收阵列的加工与封装
• 4.1 压阻式集成接收阵列的加工
• 4.2 传感器阵列裸芯片的封装设计
• 4.3 阵列的防护封装壳设计
• 4.3.1 空气中封装的设计
• 4.3.2 水中的封装
• 4.4 本章小结
• 第5章 集成接收阵列的性能测试
• 5.1 集成接收阵列性能的一致性测试
• 5.1.1 传感器性能一致性的统计理论
• 5.1.2 压阻阻值的一致性测试
• 5.1.3 共振频率的一致性测试
• 5.1.4 灵敏度的一致性测试
• 5.2 接收基阵的指向性的测试
• 5.2.1 单元的指向性测试
• 5.2.2 阵列的指向性测试实验
• 5.3 集成阵列多目标分辨的测试
• 5.3.1 脉冲信号发生系统
• 5.3.2 多目标分辨测试
• 5.4 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果
• 致谢