组合式宽频带电容微超声阵列传感器研究

In Structural health monitoring field base on acoustic emission and ultrasonic guided wave methods, compact transducer array has many advantages than sparse transducer array, such as having small footprint and being much easier mounted on the detected area with complex structure. This project proposes a combined wideband capacitive micro-machined ultrasonic transducer array. On one hand, the distance between two elements of the array can meet the requirement of data sampling and signal processing. The array also has good characteristic consistency and smaller size comparing with conventional separated piezoelectric transducer array. On the other hand, the new transducer array has wideband frequency response through combining several transducers with different bandwidth, and the combined transducer array have both high sensitivity and broadband which make the array capable of receiving more information about damage presence and severity. The research mainly includes: the sensitive mechanisms, models, the manufacturing process, the packaging technology and the characterization. The final purpose of this project is to establish the theory and technology foundation about the combined wideband capacitive micro-machined ultrasonic transducer array for structural health monitoring system.

目前在基于超声导波和声发射方法的结构健康监测领域，采用密集型阵列的方式布置超声传感器，不仅能够减少大面积结构监测时布线的复杂度，而且小尺寸阵列更适合布置在结构复杂的区域。本项目提出研制一种组合式宽频带电容微超声阵列传感器，一方面能够改善传统的压电式传感器在构成密集型阵列时尺寸受限、一致性较低的问题，更好地满足数据采样和信号处理算法对阵列设计的要求。另一方面将不同频带响应范围的传感结构组合成一个传感单元，构成组合式宽频带传感器，既保持了单一传感器本身的高灵敏度，又通过空间组合方式拓展了检测频带，能够同时获取频带丰富的损伤声信号，提高结构损伤的定位识别精度。主要研究内容：电容微超声传感器的固体耦合传感机制、组合式宽频带超声阵列传感器理论模型、组合式阵列设计与激励方式优化、传感器微加工和封装工艺及测试实验。组合式宽频带电容微超声阵列传感器的研究，将为其在结构健康监测领域的应用奠定理论和技术基础。

目前在基于超声导波或声发射方法的结构健康检测和监测领域，采用小尺寸、密集型阵列超声传感器，不仅能够减少大面积检测时传感器布线的复杂度，而且小尺寸阵列更适合布置在局部结构复杂的区域实现检测。本项目提出研制一种新型的基于微机械加工工艺的电容式超声阵列传感器，一方面能够改善传统的压电式传感器在构成密集型阵列时尺寸受限、一致性较低的问题；另一方面该阵列传感器同时具有高灵敏度和宽频带特性，能够提高损伤检测的精度。.主要研究内容有：（1）分别建立了新型CMUT传感器的解析理论模型、SIMULINK模型和有限元数值仿真模型。基于所研究的传感器模型，能够根据传感器单元及其阵列的结构参数求解出器件基本性能，为阵列传感器的高效优化设计提供了有力工具；（2）基于上述模型，研究电容式微超声传感器结构参数与灵敏度、空气阻尼、带宽等性能的关系，得到具有高灵敏度的传感单元结构，并形成了传感器阵列的优化设计方案，以及最佳组合激励方式；（3）分别制订了基于SOI的硅-硅键合工艺和基于SOI的硅-玻璃键合工艺的传感器加工工艺流程，并完成了两类传感器阵列芯片的流片制作；（4）设计完成了电容微超声传感器的激励与接收放大电路，实现了传感器发射和接收性能的测试；通过与商用压电传感器对比实验，评估了所研制的新型CMUT阵列的性能，达到了设计预期。（5）通过自行搭建的基于CMUT传感器阵列的损伤检测实验系统，验证了用新型传感器阵列进行结构损伤检测的可行性；并且基于所研制的新型传感器实现了应用拓展，在空间物体扫描成像以及气体传感方面进行了有意义的探索。