基于行列尋址的PMUT柔性曲面陣列設(shè)計(jì)

微機(jī)械超聲換能器（MUT）是利用MEMS技術(shù)制備的一種新型超聲換能器。其中，壓電式微機(jī)械超聲換能器（PMUT）被廣泛應(yīng)用于超聲成像系統(tǒng)。單個(gè)PMUT通常不能滿足實(shí)際應(yīng)用中的多方面要求，而PMUT陣列則可以。因此，設(shè)計(jì)更精良的PMUT陣列是提高超聲成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素。此外，由于從三維圖像中可以獲取更詳細(xì)的信息，近年來，研究人員越來越重視對(duì)三維超聲成像系統(tǒng)的開發(fā)，而二維PMUT面陣是能夠?qū)崿F(xiàn)三維超聲成像的重要器件，因此，國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)都對(duì)二維PMUT面陣展開了研究。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中北大學(xué)的研究人員研制了基于行列尋址（RCA）的14 × 14二維PMUT曲面陣列，其能夠以行列尋址的方式發(fā)射和接收超聲信號(hào)，并且能夠?qū)w模進(jìn)行成像，在超聲成像領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果以“基于行列尋址的壓電超聲換能器柔性曲面陣的研制”為題發(fā)表在《微納電子技術(shù)》期刊上。

PMUT結(jié)構(gòu)

如圖1a所示，構(gòu)成單個(gè)PMUT陣元的基本組件包括外殼、壓電材料、背襯材料、匹配層、電極和導(dǎo)線等。PMUT陣列則由多個(gè)單陣元組成（圖1b）。

圖1 PMUT單陣元及陣列結(jié)構(gòu)圖

PMUT曲面陣列制備

研究人員首先將尺寸為4 cm × 4 cm的鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷片與柔性印刷電路板（PCB）鍵合，隨后使用劃片機(jī)將鍵合后的壓電陶瓷片劃成2.45 mm × 2.45 mm的陣元，劃片溝槽寬度（2個(gè)陣元間的間距）約為350 μm。接著，研究人員在溝槽內(nèi)填充環(huán)氧樹脂膠，之后將陣元粘在曲面模具上，并在陣元上濺射金屬形成上電極，從而制備出二維PMUT曲面陣列，其曲率半徑為10 cm。最后，研究人員將該P(yáng)MUT曲面陣列采用行列尋址的方式進(jìn)行接線，相比于傳統(tǒng)全連接的方式，其接線數(shù)目顯著減少，從而極大地降低了接線難度及成本。

圖2 PMUT曲面陣列制備流程圖

PMUT曲面陣列性能測(cè)試

將焊線封裝后的PMUT曲面陣列放入水中進(jìn)行超聲信號(hào)的發(fā)射和接收性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，其能夠以行列尋址的方式發(fā)射和接收超聲信號(hào)，并且能夠在穿透體模的情況下進(jìn)行超聲信號(hào)的發(fā)射和接收。此外，將該P(yáng)MUT曲面陣列連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行反射成像測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，其能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖回波成像。因此，這項(xiàng)研究制備的PMUT曲面陣列在超聲成像領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，并且可以為后續(xù)研制直徑為20 cm的柱面陣列提供參考。

審核編輯：劉清