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《中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)》 2020年
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高信噪比CMUT阵列的研发

刘嘉俊  
【摘要】:超声技术被广泛应用于生物医疗、军事防御、机器人触觉等众多领域中,而超声换能器是实现声电信号转换的关键部件,得到了快速发展。基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)工艺技术的CMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,电容式微机械超声换能器)相较传统压电超声换能器而言,具有频带宽,介质阻抗匹配性好,易于阵列化,与传统IC工艺兼容等优势,具有重要的科研价值和现实意义。国内关于CMUT的研究起步较晚,尚未形成较完备的技术积累。且由于MEMS工艺尚未形成标准化体系,工艺的可靠性不佳;各研究机构使用的设备参数迥异,参考借鉴价值有限,相关研究进展比较缓慢。为推进CMUT研发进程,本文提出一种CMOS-MEMS融合的工艺流程,具体研究内容如下:(1)建立了CMUT力学模型,并对其薄膜形变、吸合位移进行分析。为适应空气耦合的工作状态,需要降低CMUT的特征频率。为在有限面积内有效降低特征频率,提出一种三悬臂梁承托圆盘式的CMUT结构。为解决薄膜上下电极塌陷的问题,在此之间添加一个中央立柱,设计的立柱将会在后续工艺中被移除,重现CMUT原始的振膜结构。(2)建立了CMUT单元的有限元仿真模型。通过频率响应分析,确定三悬臂梁式承托圆形薄膜式CMUT的特征频率为200kHz。通过稳态分析,确定其吸合电压小于20V。通过固有模态和吸合电压仿真分析,发现一阶特征频率以及吸合位移与理论分析一致。此外,建立了适用于多人协同工作,提升仿真效率的实时调参APP,并通过了web端测试。(3)对CMUT及其阵列进行了声场仿真分析。通过换能器自收发超声回波分析,确定了圆形薄膜中央小孔的半径。对CMUT阵列进行了声束聚焦和偏转分析,并使用了幅度变迹函数抑制了声束旁瓣。针对图像信噪比的提升,基于ZYNQ-7010平台,设计了多路相控发射电路系统,其最小时延分辨率达到2.5ns。(4)对设计的CMUT进行了0.18um制程CMOS工艺的流片,并做了MEMS工艺后加工,加工完成的芯片通过wire-bonding连接到测试PCB板中。对CMUT进行了阻抗分析测试和形貌测试。根据测试结果分析了器件失效类型。
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