浮栅式超声换能器二维面阵的理论与关键技术研究

Current PZT transducer dominant world market. However it meets with the low resolution and difficulty in forming array for real-time ultrasonic video image applications. Capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) can solve the problem. There are one or two labs in the world which have developed the CMUT transducer prototype. However there are still a lot of theory and technology remain unsolved..To solve the problem in CMUT parasitic capacitance, we propose a novel floating gate CMUT structure and theoretical model. It can solve the parasitic problem. Meanwhile, it can also resolve the low SNR, low acoustic pressure, and connectivity problems. On the other hand, CMUT has dielectric charge capture effect. We theoretically propose a technique to precisely control the charge over feedback mechanism. .The proposed CMUT structure has been initially proved in our lab. The project mainly study on theory and modeling of floating gate CMUT transducer, the design methodology, the precise controlling, and the integration of CMUT array and circuit. Finally the results will be verified in our CMUT array chip. They will provide theoretical foundation and technology support for CMUT real time 3-D video imaging.

超声探头直接影响医学超声影像的质量和检查速度，一直是核心技术。占市场主导地位的压电式超声成像，在实时呈现动态影像方面遇到了瓶颈，电容式微加工超声换能器（CMUT）能够解决这一难题。虽然世界上已有1-2家实验室研究出CMUT实时三维成像探头原型，但是尚有很多理论和技术问题有待解决。高频应用中，CMUT电容非常小，然而寄生电容很大，形成物理上的瓶颈。我们在理论和结构上另辟蹊径，率先提出浮栅式超声收发器件结构，既解决寄生电容问题，又同时解决工艺集成互连的关键科学技术难题。另外CMUT中存在介质电荷效应，即较强的电场诱发电荷被绝缘层俘获，导致工作点漂移。我们在理论上通过建模分析，提出了电荷精确反馈控制理论和方法。浮栅式超声收发器件结构的可行性已经在我们的实验室里得到了实验验证，通过深入研究，我们将形成一套新的浮栅式CMUT理论和技术，为实现真正三维实时成像奠定科学理论基础和提供关键技术支撑。

超声成像已经成为医学诊断必不可少的方法，由于超声探头直接影响医学 影像的质量与检查效果，超声探头技术一直是超声成像领域的核心技术。已经存在的医学超声探头有压电单晶材料、压电复合材料、微加工电容式超声换能器（CMUT）结构、多压电层结构。目前压电式超声探头占市场的主导地位，它的缺点是图像处理时间长，无法即时呈现动态影像，导致医疗检查时间长。..针对目前超声探头所存在的问题，我们引入了浮栅式超声探头的新结构，并开展了如下的研究工作：浮栅式超声二维面阵理论与建模的研究，浮栅式超声阵元电荷精确反馈控制方法及工作点稳定性的研究，浮栅式超声二维阵列发射声压增强机理与接收高信噪比机理的研究，浮栅式超声换能器疲劳特性分析理论的研究。最后，我们在硅片上设计了浮栅式超声二维面阵，对我们所完成的研究内容进行了实验验证，实验表明达到了预期的结果。..本项目所产生的重要结果如下：探索了高电压、高电场导致的绝缘介质俘获电荷现象，以及致使工作点漂移和造成系统不稳定的问题，给出了电荷俘获的原因，并提出了解决问题的方法。我们在设计和加工中解决了CMUT电容寄生问题、发射声压有限的问题、接收信号的信噪比降低问题、换能器疲劳问题。我们提出了浮栅式超声换能器二维面阵结构的理论、机理、建模，形成一套全新的浮栅式 CMUT理论和技术，成果体现在发表论文和申请发明专利上（请见成果部分的论文和专利）。另外通过反复尝试加工和测试，我们最后设计加工了一款浮栅式CMUT，指标如下：阵元数16×16，不需要加超声操作偏置电压，中心频率5MHz， 接收灵敏度为2.2mV/kPa，输出声压为6kPa/V，二维阵元加工良率为91%。最后通过项目我们发表该领域SCI/EI高质量论文14篇，申请发明专利14项，培养该领域的硕博研究生17名。完成了本项目的全部预计研究目标。..超声探头直接影响医学超声影像的质量和检查速度，一直是核心问题和关键技术。通过本项目，我们形成了浮栅式超声换能器的理论和技术，为实现超声三维实时成像提供了理论和技术支撑。