[发明专利]一种电容式微机械超声传感器特性分析方法

说明书

一种电容式微机械超声传感器特性分析方法，目的是对不同发射信号情况下位移、加速度、声压特性和接收特性进行有效分析；本发明先建立处于发射状态时CMUT微元状态方程‑SIMULINK模型和处于接收状态时CMUT微元状态方程‑SIMULINK模型；处于发射状态时CMUT微元状态方程‑SIMULINK模型包括线性模块和非线性模块两部分；处于接收状态时CMUT微元态方程‑SIMULINK模型包括线性模块、非线性模块和电流输出模块三部分；非线性模块通过确定驱动电压V、上下电极之间的初始距离g₀和位移等参数计算出静电力F_e；线性模块通过确定静电力F_e、等效质量M、等效弹性系数K和等效阻力系数R等参数建立集中参数系统，计算出振动位移和速度，并把位移作为反馈量输出给非线性模块，从而将振动速度与辐射阻相乘计算出辐射声压。

技术领域

本发明涉及一种电容式微机械超声传感器特性分析方法。

背景技术

超声波成像技术已在医用超声诊断、医用超声治疗、无损检测、超声显微镜和海洋地貌探测等多个领域内得到了广泛的应用，而超声传感器是实现超声成像的关键部件之一。电容式微机械超声传感器(CMUT)是一种基于静电能量转换机理的新型超声换能器，其与压电超声传感器相比，具有多方面的优势：(1)具有较低的声阻抗，不需要复杂的阻抗匹配层，易于空气、水、人体组织等介质的阻抗匹配。(2)具有更宽的带宽。(3)阵列设计灵活，并具有良好的一致性、可重复性和较高的精密性。(4)易于前端电路集成，可以减小体积，实现微型化。(5)具有良好的耐高温性能。(6)易于批量生产，可以降低成本。CMUT的性能直接影响着超声成像质量，而CMUT微元的性能又直接影响着CMUT的性能。为了能够获得良好的性能，需要从电学、机械学和声学等多方面对CMUT微元进行特性分析，综合考虑各种因素，以获得相对优化的设计参数。目前对CMUT微元进行特性分析的方法有很多，常采用的分析模型包括等效电路模型、有限元分析模型、有限差分模型，但这些方法均存在一些不足：(1)对于等效电路模型，目前只对小信号的分析方法比较成熟；(2)有限元分析模型通常利用像ANSYS等专业的有限元分析软件，对于包含许多微元的CMUT，采用有限元分析模型时计算过程十分耗时；(3)有限差分模型利用薄盘理论和边界元方法降低了分析时间，不过，目前的有限差分模型不能分析CMUT微元的非线性特性，也无法针对大信号进行分析，只能对小信号线性模型进行分析。

发明内容

本发明的目的是克服上述已有技术的不足，提供一种可快速、有效地分析CMUT微元及CMUT在特定环境中的塌陷现象、对不同发射信号情况下位移、加速度、声压特性和接收特性进行有效分析的电容式微机械超声传感器特性分析方法。

先建立处于发射状态时CMUT微元状态方程-SIMULINK模型和处于接收状态时CMUT微元状态方程-SIMULINK模型；处于发射状态时CMUT微元状态方程-SIMULINK模型主要由线性模块和非线性模块两部分构成；处于接收状态 时CMUT微元态方程-SIMULINK模型包括线性模块、非线性模块和电流输出模块三部分；非线性模块通过确定驱动电压V、真空介电常数ε₀、电极有效面积A、上下电极之间的初始距离g₀和位移等参数来计算出静电力F_e：

其中，C为在驱动电压V的作用下所产生的电容，g为变化后的位移，w为变化了的位移；

所述的线性模块通过确定静电力F_e、等效质量M、等效弹性系数K和等效阻力系数R等参数建立集中参数系统计算出振动位移和速度，并把位移作为反馈量输出给非线性模块，从而将振动速度与辐射阻相乘就可以计算出辐射声压：

其中，R_r为辐射阻，为薄膜振动速度。