CMUT及其陣列工作機理與應用基礎研究.pdf

1、超聲成像技術廣泛應用于醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農業(yè)等眾多領域，而超聲傳感器是實現超聲成像的關鍵部件之一。基于MEMS技術的電容式微機械超聲傳感器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer，CMUT)具有傳統壓電超聲傳感器所不具備的顯著優(yōu)勢，有望替代傳統壓電超聲傳感器成為市場的主流產品。針對電容式微機械超聲傳感器開展相關理論與應用基礎研究，具有十分重要的研究價值和現實意義。本文的主要內容如下:

2、
　　首先，在加工制造之前對CMUT進行特性分析可以為優(yōu)化設計參數提供依據。在詳細闡述CMUT工作原理和相關理論的基礎上，研究了CMUT的建模理論。建立了CMUT微元的小信號等效電路模型和有限元模型，利用有限元模型進行了靜態(tài)分析、模態(tài)分析和諧響應分析。為了能夠快速、有效地對CMUT微元和CMUT進行特性分析，推導并建立了一種狀態(tài)方程-SIMULINK模型，并對CMUT微元和CMUT進行了發(fā)射與接收特性分析，為后續(xù)實際應用和測試提供

3、了重要的理論依據和參考。
　　其次，CMUT與CMUT陣列的指向性是其在遠場的重要特性之一。通過詳細分析設計參數對其指向性的影響，結合CMUT和CMUT陣列的特點，提出了合理選擇CMUT陣列設計參數的準則。針對所設計的CMUT及其陣列，推導出了三種不同的CMUT指向性函數和四種不同的CMUT陣列指向性函數，并進行了對比分析。針對指向性圖中出現的旁瓣現象，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量。在論述相關聲場理論的基礎上，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的聲場分析方法，并針對CMUT和CMUT陣列的特點，研究了相應的聲場分析方法。通過計算輻射聲場，分析了CMUT陣列的聚焦與偏轉性能，研究了陣列孔徑尺寸對聚焦距離的影響，并分析了CMUT陣列設計參數對其空間脈沖回波響應的影響。
　　然后，不同的成像方法具有不同的性能和特點，實際應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上，通過計算相應的有效孔徑和合成波束，對其進行了對比分析，并基于CMUT線陣，驗證分析了三種成像方法的成像效果。對于陣元數目較多的CMUT面陣，設計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的復雜性，并提高成像的實時性。
　　最后，通過對CMUT線陣進行全面的測試與分析，進一步驗證了所設計CMUT及其陣列的性能，為今后設計超聲成像系統提供了重要的