适用于20-80MHz高频超声相控阵的MEMS压电换能器及高能效模数转换器研究

High-frequency phase-arrayed ultrasonic imaging system is suitable for high-resolution imaging for ophthalmology/otorhinolaryngology, skin, dental, intra-cardiovascular and brain diagnosis. Ultrasonic transducer and analog-to-digital converter (ADC) are two key modules of the phase-arrayed ultrasonic imaging systems. The transducer features electrical-mechanical energy transformation, while ADC quantizes analog signal into digital for image reconstruction. This project is focused to investigate the new structures and implementation of MEMS-based ultrasonic transducers (MUT) and energy-efficient ADC, aiming at next-generation of high-frequency ultrasonic phase-array systems. The research involves physical modeling of MUTs in terms of bandwidth, sensitivity and electrical-acoustic impedance in high-frequency, based on the acoustic wave theory in cyclic structure of the phased arrays. Combining both traditional piezoelectric device and PMUT, several new MUT structures are explored and the MEMS process are designed for a fabrication of high-frequency MUT array in a range of 20-80MHz. As for the energy-efficient ADC, a mixed architecture of SAR-assistant CTDSM (Continuous-time-Delta-Sigma-Modulator) is investigated to achieve high energy efficiency with co-optimization in wide-band, high-resolution and low power consumption. This structure is challenged in utilizing the both advantages of SAR in low power and CTDSM in high resolution with minimized side-effects. This robust and energy-efficient architecture is expected to break through the power-wall in multi-channel integration of ADCs in high-frequency ultrasonic phased array systems.

高频超声相控阵适用于眼耳鼻喉、血管内、皮肤、骨骼、牙齿、脑部等的高分辨率成像。超声换能器和模数转换器是实现高频超声相控阵的核心技术，分别实现机-电信号转换和模-数信号转换。本项目拟协同研究新型微机械超声换能器（MUT）和高能效转换器（ADC）设计，为未来换能器与收发控制电路的全集成，实现便携式实时高频超声相控阵成像系统奠定理论和实验基础。本项目将依据声传播理论和MEMS工艺，通过压电阵列结构建模及仿真，优化带宽、灵敏度、高频电声阻抗匹配等参数，探索融合传统压电阵列换能器和压电MUT的新结构，实现20-80MHz的MUT阵列。同时，拟结合连续时间Delta-Sigma调制器（CTDSM）的宽带高精度，逐次比较型（SAR）结构的低功耗鲁棒性两方面优点，提出SAR辅助CTDSM的混合结构，实现适合20-80MHz超声应用的高能效ADC，以期突破高频超声相控阵在多通道集成ADC时遇到的功耗瓶颈。

本项目以高分辨率成像为主要目的，研制新型 20-80MHz 压电微机械超声阵列换能器和新结构的高频带通高能效模数转换器。为将来开发超声系统集成电路及兼容超声换能器的超声精细成像设备奠定理论和实验基础。. 换能器方面，项目首次基于灵敏度相对带宽积（SBW）作为换能器的性能评价指标，提出了多种创新的pMUT结构并申请中国专利，成功设计了20 MHz、30 MHz、40 MHz的高性能pMUT阵列。其中，20 MHz pMUT阵列分别采用氮化铝和锆钛酸铅压电薄膜工艺，成功制备并实现了高接收灵敏度与高发射灵敏度的pMUT芯片。所述换能器阵列实测具有良好的电阻抗和振动模态响应，可与模拟前端集成电路异质封装，实现微型化高频超声相控阵成像系统。 针对高频pMUT阵列的测试，项目成功搭建了高灵敏度、宽带的激光测振仪，信号采样速率为500 MS/s，激光调制频率为80 MHz且可向上拓展。设备具有高鲁棒性和良好的拓展能力，为换能器测试提供了可靠平台。. 模数转换器方面，项目成功研发了16通道集成的50 MS/s 14 bit模数转换器（ADC），满足20-80MHz超声换能器阵列的多通道信号采集需求，并完成了样片测试验证工作。所研制模数转换器基于0.18 μm CMOS工艺，采用流水线-逐次比较结构，并具有高能效和紧凑的面积。 针对低功耗高能效ADC的设计目标，项目成功研发了200 MS/s 11 bit ADC。所研ADC基于65 nm CMOS工艺，采用无直流功耗的级间放大器结构，突破了高频超声相控阵系统多通道集成ADC的功耗瓶颈。基于此设计，项目提出了记忆效应与增益误差的校正方法，实现了芯片200 MS/s 11 bit的量化速度与精度，达到了国内领先的能效和性能水平。. 基于上述研究，本项目共发表高质量期刊和学术会议论文23篇，包括超声领域顶级国际会议（IEEE IUS）3篇，换能器领域2区期刊（Sensors）1篇，集成电路领域一线会议（IEEE ESSCIRC）1篇，以及集成电路领域2区期刊（TCAS-II）、3区期刊（Microelectronics Journal）1篇等。截止现在，论文的总引用次数24，总影响因子19.68。此外，项目申请中国发明专利7项，授权1项；培养研究生16名，其中有3名博士生及5名硕士生毕业，大幅超出预期目标。