集成超声传感阵列的设计与测试

【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。