pMUTs振动分析
发布日期:2019-07-11 17:54:02

微型压电超声换能器(pMUTs)正在被应用于血管内超声和心腔内超声领域,推动实时三维医学超声成像的发展。相对于传统的陶瓷换能器,pMUTs能够提供更高的操作频率,具有更小的体积。使用成熟的半导体加工工艺,作为MEMS系统的pMUTs的加工为高密度二维阵列的大批量生产提供一个更加经济的方法。这也对信号处理片内集成电路的交互接口具有建设性的指导,因此缓解了导管超声成像领域所面临的挑战。

 

pMUT结构和生产

pMUT的结构由一个柔性压电膜覆盖的腔体构成,这些膜根据施加的电学刺激产生机械变形。压电膜是使用旋转涂层工艺沉积到具有Ti/Pt电极层的SOI基底上的。压电膜和电极层是通过光刻的技术形成基元二维阵列的。在这些pMUTs器件上,腔体、压电膜和电极层被放置到一个特定的结构上从而产生预期的操作。

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图1 pMUTs层压材料截面示意图


为什么pMUT振动需要使用光学测试

金沙城娱乐中心网址目前对pMUT阵列运动的理解都是基于它们声学和电学相应的实验测量。板件振动相关的传统理论不足以描述pMUT结构和响应之间的关系。把pMUTs当作一个横向谐振器模型能够描述较小基元的振动,但是较大基元不能建模为横向谐振器或者平面谐振器。如图3所示,没有任航鹕吵怯槔种行耐坊个模型的单一高阶模型能够准确描述其高频响应。然而,观测到的与厚度有关的响应频率说明了平面谐振模型高阶响应的复杂性。pMUTs元件高频振动的光学测量可以验证小基元的基础模型响应和大基元复杂的高阶模型振动。


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振动测量结果

MSA-500微系统分析仪可以可视化单个的75微米和200微米的pMUT基元的振动。如图4,描述了75微米基元的振动响应。然而金沙城娱乐中心网址在比预期的更大区域上观测到了振动位移,说明了金沙城娱乐中心网址之前对于振动边界条件的推测是不正确的。如图5所示,75微米基元横轴和纵轴位移的测量表明pMUTs振动的维度比金沙城娱乐中心网址预期的大10%。这个增加的振动造成了pMUTs理论的和实测的响应频率的差别。200微米pMUT基元振动的可视化验证了金沙城娱乐中心网址关于较大基元高阶响应的复杂性,如图6所示,在小于2MHz的频率范围上观察到了预期的振动,但是在5.5MHz、5.7MHz和7.8MHz出现了额外的峰值,这些峰值刚好解释了之前测试中发现的复杂的声学输出。


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图5. 75微米pMUT基元轴方向位移的测量


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图6. 200微米pMUT基元高频处的振动


结论

pMUTs器件的振动呈现出复杂性和对测量条件要求高的特点,这包括高频(大于10MHz)和高分辨率(小于1微米)。这些要求都可以通过MSA-500激光测振仪实现。

 

借助MSA-500可以将这些pMUTs器件振动的表面可视化,这帮助金沙城娱乐中心网址揭示了它们振动特性的诸多信息。较大基元高阶模型的振动响应和不确定性边界条件的揭示增加了金沙城娱乐中心网址对于pMUTs器件振动的理解,这将帮助金沙城娱乐中心网址优化理论模型。进一步的实验可以帮助金沙城娱乐中心网址更好的认识pMUTs器件的振动特性,这将有利于金沙城娱乐中心网址进一步优化它们在医学超声换能器上的表现。


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