电容式微机械超声传感器(CMUT)声场特性分析 被引量：4

1

作者 王朝杰 王红亮 +2 位作者 段培盛 陈一波 胡晓峰 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2016年第12期1-4,共4页

为研究CMUT指向性,将CMUT微元看成圆形活塞式换能器,根据指向性函数的理论,计算出CMUT微元的指向性公式,依据Bridge乘积原理,推导出了一种计算CMUT阵元、CMUT一维线阵和CMUT面阵指向性公式,并利用MATLAB软件对CMUT微元、阵元、线阵和面... 为研究CMUT指向性,将CMUT微元看成圆形活塞式换能器,根据指向性函数的理论,计算出CMUT微元的指向性公式,依据Bridge乘积原理,推导出了一种计算CMUT阵元、CMUT一维线阵和CMUT面阵指向性公式,并利用MATLAB软件对CMUT微元、阵元、线阵和面阵指向性进行了仿真分析,得出CMUT类型对指向性、主瓣宽度和旁瓣的影响,证实了多维模型的优势,为CMUT结构优化设计提供了基础。基于CMUT微元声场理论分析基础,根据瑞利-索末菲积分公式推导出CMUT阵元、CMUT阵列的辐射声场分布函数,并仿真验证了其聚焦和指向性性能。 展开更多

关键词 电容式微机械超声传感器(cmut) 声场 指向性 MATLAB 仿真

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电容式微加工超声传感器(cMUT)的有限元仿真 被引量：9

2

作者 宋光德 官志坚 栗大超 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2006年第05B期2290-2292,2296,共4页

介绍了电容式微加工超声传感器(cMUT)的基本结构和工作原理.同时使用有限元方法对cMUT的运行情况进行模拟.提出了两个ANSYS模型来阐述cMUT的塌陷电压与谐振频率.一个3D模型用来阐述制造过程中的残余应力对cMUT谐振频率的影响.另外一个3... 介绍了电容式微加工超声传感器(cMUT)的基本结构和工作原理.同时使用有限元方法对cMUT的运行情况进行模拟.提出了两个ANSYS模型来阐述cMUT的塌陷电压与谐振频率.一个3D模型用来阐述制造过程中的残余应力对cMUT谐振频率的影响.另外一个3D模型阐述不同的运行环境对cMUT的谐振频率的影响. 展开更多

关键词 电容式微加工超声传感器 塌陷电压 谐振频率 有限元模型

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电容式微超声传感器的电极参数优化设计 被引量：6

3

作者 张慧 宋光德 +2 位作者 靳世久 官志坚 刘娟 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2010年第7期935-938,共4页

建立了电容式微超声传感器(cMUT)的有限元模型,通过对模型进行静电-结构耦合仿真分析,研究了金属电极的结构参数包括电极面积、电极厚度、电极材料以及电极相对与薄膜的位置等参数的变化对传感器性能的影响。分析了电极参数与传感器吸... 建立了电容式微超声传感器(cMUT)的有限元模型,通过对模型进行静电-结构耦合仿真分析,研究了金属电极的结构参数包括电极面积、电极厚度、电极材料以及电极相对与薄膜的位置等参数的变化对传感器性能的影响。分析了电极参数与传感器吸合电压,静态电容,机电转换比以及机电耦合系数的关系,最后得到了优化的电极结构参数,即金属电极面积为传感器振动薄膜面积的一半时,传感器具有较低的吸合电压和较大带宽值及机电耦合系数。 展开更多

关键词 电容式微超声传感器(cmut) 吸合电压 静态电容 机电耦合系数

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电容式微机械超声传感器设计与仿真 被引量：7

4

作者 王朝杰 王红亮 +2 位作者 段培盛 陈一波 胡晓峰 《压电与声光》 CAS CSCD 北大核心 2017年第2期284-288,共5页

建立电容式微机械超声传感器(CMUT)微元三维有限元模型,经过分析CMUT微元不同结构对CMUT性能的影响,得到CMUT结构参数。设定工作频率范围1~2 MHz,工作电压Vdc<100V,首先,利用有限元模型进行模态分析研究薄膜参数与一阶频率的关系,以... 建立电容式微机械超声传感器(CMUT)微元三维有限元模型,经过分析CMUT微元不同结构对CMUT性能的影响,得到CMUT结构参数。设定工作频率范围1~2 MHz,工作电压Vdc<100V,首先,利用有限元模型进行模态分析研究薄膜参数与一阶频率的关系,以此确定薄膜参数;然后,在阐述相关理论和静态分析的基础上,仿真、分析空腔对CMUT性能的影响,进而确定空腔高度;最后,通过静电-机械耦合分析和计算机电耦合系数优化电极参数。对所设计的CMUT结构进行仿真验证,工作频率为1.65 MHz,塌陷电压为68 V,满足应用要求。 展开更多

关键词 电容式微机械超声传感器(cmut) COMSOL MULTIPHYSICS 塌陷电压 机电耦合系数

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电容式微加工超声传感器结构参数对性能的影响分析 被引量：6

5

作者 张慧 宋光德 +1 位作者 官志坚 靳世久 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2008年第6期951-953,共3页

介绍了电容式微加工超声传感器(cMUT)的工作原理,通过理论计算和有限元仿真分析,讨论了cMUT中薄膜厚度、薄膜半径、薄膜残余应力和空腔厚度的变化对传感器的塌陷电压和谐振频率的影响,为传感器的设计和制作提供了依据。

关键词 电容式微加工超声传感器(cmut) 塌陷电压 谐振频率

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电容式微机械超声传感器的工艺综述 被引量：9

6

作者 刘杰 陈全芳 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第8期98-109,共12页

电容式微机械超声传感器（CMUT）自出现以来,因其频谱宽、分辨率高、声阻抗匹配好等优势,在超声成像领域大有取代传统压电式传感器的趋势。围绕CMUT最主要的两种制造工艺方法,重点简述了表面微加工技术和晶圆键合技术的基本方法、工艺... 电容式微机械超声传感器（CMUT）自出现以来,因其频谱宽、分辨率高、声阻抗匹配好等优势,在超声成像领域大有取代传统压电式传感器的趋势。围绕CMUT最主要的两种制造工艺方法,重点简述了表面微加工技术和晶圆键合技术的基本方法、工艺材料、薄膜形成等相关概念,并介绍了基于这两种方法加工制造CMUT的基本流程。从表面微加工方法中薄膜的沉积材料和结构以及晶圆键合方法中键合方式和键合温度等方面进行论述,总结介绍了CMUT加工工艺的研究现状。在此基础上对CMUT加工工艺的未来进行展望,提出应从工艺温度、薄膜材料、晶圆粗糙度和粘滞现象等4个主要方面进行重点研究,从而使CMUT早日实现推广应用。 展开更多

关键词 电容式微机械超声传感器 微机电系统 表面微加工 晶圆键合

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采用牺牲层技术的电容式微机械超声传感器的仿真与分析 被引量：2

7

作者 郭庆 李妍 +1 位作者 高尚 张培玉 《中国生物医学工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2018年第6期705-713,共9页

电容式超声传感器有可能取代压电式超声传感器,在超声成像领域受到极大的关注。目前,对采用牺牲层释放技术加工而成的电容式微机械超声传感器(CMUT)的分析,均较少将释放工艺对其结构参数的影响进行详细的分析,故拟将牺牲层释放工艺对CMU... 电容式超声传感器有可能取代压电式超声传感器,在超声成像领域受到极大的关注。目前,对采用牺牲层释放技术加工而成的电容式微机械超声传感器(CMUT)的分析,均较少将释放工艺对其结构参数的影响进行详细的分析,故拟将牺牲层释放工艺对CMUT参数的影响进行分析。采用大型工程有限元分析软件ANSYS进行有限元分析的方法,分析释放方法对CMUT性能的影响。采用激光测振仪对超声传感器的共振频率为2.5 MHz的结构进行初步测试,实验结果和仿真结果的误差为3.9%。由仿真分析可知,CMUT振动膜的长宽比对4种CMUT的分析误差变动较大,一般情况下,当振动薄膜的长宽比大于4时,CMUT的振动频率变化不大,且4种模型的相对误差变化趋于平缓。此外,CMUT薄膜的厚度越薄,百分比差异越小。由此得知,牺牲层释放工艺对CMUT的性能有较大的影响,CMUT中支撑振动薄膜的侧墙和牺牲层的释放孔及释放通道对模型仿真有较大的影响。对采用牺牲层技术制造的CMUT,在设计和构建CMUT结构时,应考虑牺牲层释放工艺对CMUT性能的影响。实验结果和仿真结果具有很好的一致性,验证所提模型的有效性。 展开更多

关键词 电容式微机械超声传感器 共振频率 有限元仿真 生物MEMS

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基于C-SOI工艺的一维MEMS电容式超声传感器阵列 被引量：7

8

作者 李玉平 何常德 +3 位作者 张娟婷 张慧 宋金龙 薛晨阳 《传感器与微系统》 CSCD 2015年第3期94-96,102,共4页

提出了一种新的基于C-SOI工艺制备的电容式微加工超声传感器(CMUT)的方法。通过对加工过程中一些关键工艺步骤进行测试,发现所加工的微传感器尺寸与设计尺寸基本一致,且刻蚀的空腔高度均匀,键合效果良好,证明了工艺流程的可行性。此外,... 提出了一种新的基于C-SOI工艺制备的电容式微加工超声传感器(CMUT)的方法。通过对加工过程中一些关键工艺步骤进行测试,发现所加工的微传感器尺寸与设计尺寸基本一致,且刻蚀的空腔高度均匀,键合效果良好,证明了工艺流程的可行性。此外,通过对所加工的传感器阵列进行测试发现,各阵元谐振频率和静态电容具有良好的一致性,说明以C-SOI工艺加工的CMUT器件满足设计要求,且适宜加工大阵列,这种加工技术使得加工成像阵列成为可能。 展开更多

关键词 电容式微加工超声传感器 C-SOI工艺 ANSYS 成像阵列 一致性

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仿生电容式超声传感器的有限元仿真 被引量：2

9

作者 张宇 文丰 吴瑞华 《兵器装备工程学报》 CAS 北大核心 2019年第5期157-159,199,共4页

针对超声在水中与空气中声阻抗特性不同,水中存在有效出射声压过小的问题,提出了一种仿生学电容式超声传感器模型,模仿海豚的额隆结构达到声阻抗匹配。通过comsol multiphysics 4. 3b对设计模型进行了有限元仿真。结果表明,本设计能够... 针对超声在水中与空气中声阻抗特性不同,水中存在有效出射声压过小的问题,提出了一种仿生学电容式超声传感器模型,模仿海豚的额隆结构达到声阻抗匹配。通过comsol multiphysics 4. 3b对设计模型进行了有限元仿真。结果表明,本设计能够很好达到声阻抗匹配,有仿额隆结构时的最大输出声压是没有该结构时的4. 96×1013倍。 展开更多

关键词 声阻抗 电容式微加工超声传感器 仿生学 额隆切片 有限元仿真

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基于流固耦合模型的微超声传感器仿真分析 被引量：2

10

作者 张慧 宋光德 +2 位作者 靳世久 官志坚 刘娟 《传感器与微系统》 CSCD 北大核心 2010年第12期45-47,共3页

建立了基于流体固体耦合单元的电容式微超声传感器(cMUT)的有限元模型,通过对模型进行声场仿真分析,研究传感器阵列在不同介质中工作时的声场特性,如,谐振频率,发射声压等;分析了传感器振动膜半径、空腔厚度以及传感器单元间距的变化对... 建立了基于流体固体耦合单元的电容式微超声传感器(cMUT)的有限元模型,通过对模型进行声场仿真分析,研究传感器阵列在不同介质中工作时的声场特性,如,谐振频率,发射声压等;分析了传感器振动膜半径、空腔厚度以及传感器单元间距的变化对其发射声压幅值和带宽的影响。仿真分析的结果表明:增大传感器的发射声压带宽,可以通过增大振动膜半径、减小空腔厚度或者减小传感器阵列中单元的距离来实现。 展开更多

关键词 电容式微超声传感器 流体固体耦合 声压

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电容式微机械超声换能器封装设计 被引量：2

11

作者 王朝杰 王红亮 +2 位作者 段培盛 陈一波 胡晓峰 《压电与声光》 CSCD 北大核心 2017年第4期624-628,共5页

针对电容式微机械超声换能器(CMUT)封装材料阻抗匹配失衡,应力大及声波能量损失大等问题,设计了一种在水下10m透声性能好、弯曲形变小的聚氯乙烯封装结构。依据透声理论和材料属性,计算封装结构参数。利用COMSOL Multiphysics 5.0建立... 针对电容式微机械超声换能器(CMUT)封装材料阻抗匹配失衡,应力大及声波能量损失大等问题,设计了一种在水下10m透声性能好、弯曲形变小的聚氯乙烯封装结构。依据透声理论和材料属性,计算封装结构参数。利用COMSOL Multiphysics 5.0建立封装结构三维有限元模型,通过模态分析和静态分析分别得到封装结构的固有属性和水下机械性能。封装结构的一阶共振频率为792.47Hz,不会对CMUT 400kHz的工作频段产生干扰。利用压力平衡装置保护水下系统安全性,水下10m最大形变为1.12mm,最大应力为14.4 MPa,未超过聚氯乙烯的弯曲强度。实际测试声压与理论值最大误差为4.8%,物距测量误差为1mm,设计的CMUT封装结构满足设计要求。 展开更多

关键词 电容式微机械超声换能器(cmut) 透声系数 封装结构 有限元分析

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电容式微机械超声换能器的设计与仿真 被引量：4

12

作者 高铁成 远桂民 王昊 《天津工业大学学报》 CAS 北大核心 2021年第4期84-88,共5页

为满足超声传感器非接触、非浸入、完全无损及易于集成等要求,提出了一种电容式微机械超声换能器(CMUT)的简单质量-弹簧理论计算模型,结合薄板振动理论,设计了传感器特征参数、谐振频率和塌陷电压等参数,并对其进行仿真验证。结果表明:... 为满足超声传感器非接触、非浸入、完全无损及易于集成等要求,提出了一种电容式微机械超声换能器(CMUT)的简单质量-弹簧理论计算模型,结合薄板振动理论,设计了传感器特征参数、谐振频率和塌陷电压等参数,并对其进行仿真验证。结果表明:由该模型得到的理论计算结果和软件仿真结果,经对比其误差在4%之内,能很好满足设计要求,并验证了简单质量-弹簧模型的可行性;在标准大气压和外加塌陷电压作用下,薄板挠度约为空腔高度减去薄板挠度(只在大气作用下的薄板挠度)时的1/3;设计的一阶谐振频率为530 kHz的低频传感器可用于空耦超声检测。 展开更多

关键词 电容式微机械超声换能器(cmut) COMSOL有限元仿真 质量-弹簧模型 空耦传感器

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一种基于MATLAB的CMUT阵列设计与成像仿真方法 被引量：7

13

作者 张慧 何常德 +3 位作者 苗静 李玉平 张文栋 薛晨阳 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2014年第4期490-494,共5页

为了分析阵列设计参数与成像效果的关系,提高微电容超声传感器(CMUT)阵列设计的可靠性,提出了一种仿真CMUT阵列水下成像方法。设计了一种CMUT结构,振膜厚3μm,振动单元边长1.16 mm,ANSYS仿真得出中心频率为464 kHz。讨论了阵列参数与声... 为了分析阵列设计参数与成像效果的关系,提高微电容超声传感器(CMUT)阵列设计的可靠性,提出了一种仿真CMUT阵列水下成像方法。设计了一种CMUT结构,振膜厚3μm,振动单元边长1.16 mm,ANSYS仿真得出中心频率为464 kHz。讨论了阵列参数与声束指向性关系,以空间脉冲响应理论为基础提出了一种可显示CMUT阵列成像效果图的仿真设计方法。通过MATLAB对该方法的仿真,模拟了不同结构的CMUT线阵在不同激励形式下的水下成像。仿真结果表明,64阵元且阵元中心距0.5λ的CMUT线阵在单脉冲激励下成像效果最好。该仿真方法的实验结果与理论一致,且相比单纯理论分析该方法结论更直观,考虑成像影响因素更全面。 展开更多

关键词 电容式微加工超声传感器(cmut) 阵列设计 空间脉冲响应理论 水下成像仿真

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基于叠加法消除CMUT测量拖尾的研究 被引量：3

14

作者 郑冠儒 张慧 +1 位作者 李志 曾周末 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2019年第2期219-225,共7页

介绍了一种针对空气耦合电容式微加工超声传感器(CMUT)近场盲区的消除方法。从CMUT传感器本身的工作原理出发,通过计算CMUT传感器的集中等效参数建立了CMUT的弹簧-质量-阻尼等效模型,根据此模型分析了CMUT传感器拖尾信号产生的原因、激... 介绍了一种针对空气耦合电容式微加工超声传感器(CMUT)近场盲区的消除方法。从CMUT传感器本身的工作原理出发,通过计算CMUT传感器的集中等效参数建立了CMUT的弹簧-质量-阻尼等效模型,根据此模型分析了CMUT传感器拖尾信号产生的原因、激励脉冲宽度与拖尾信号的长度和能量的关系等;设计了反相叠加激励信号,证明了叠加法对消除CMUT拖尾信号的有效性;设计了由FPGA、信号驱动电路、信号提取电路、信号采集卡构成的测试系统;实验测试显示,该方法可以有效地改善CMUT传感器的盲区范围。 展开更多

关键词 电容式微加工超声传感器(cmut) 测量拖尾 盲区 弹簧-质量-阻尼模型

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基于Si-SOI键合工艺的CMUT二维面阵研制 被引量：2

15

作者 王月 何常德 张文栋 《压电与声光》 CAS 北大核心 2021年第4期528-532,共5页

该文设计、制作并测试了一种用于实时三维超声成像的电容式微机械超声换能器(CMUT)二维面阵。根据二维面阵指向性分析,设计了中心频率1 MHz、阵元间距0.7λ(λ为波长)的16×16阵元CMUT二维面阵,并利用硅-绝缘体上硅(Si-SOI)键合工... 该文设计、制作并测试了一种用于实时三维超声成像的电容式微机械超声换能器(CMUT)二维面阵。根据二维面阵指向性分析,设计了中心频率1 MHz、阵元间距0.7λ(λ为波长)的16×16阵元CMUT二维面阵,并利用硅-绝缘体上硅(Si-SOI)键合工艺完成了CMUT二维面阵的加工。通过对CMUT二维面阵进行电容-电压(C-V)测试,发现静态电容测试值与设计值基本一致,测量了CMUT二维面阵中64个阵元的电容,测量的平均电容为26.3 pF,其标准差为4.27 pF,验证了所制造的器件具有良好的均匀性。在水中测试了CMUT二维面阵的超声发射和接收功能,得到测试距离与实际距离偏差不到1%,实验表明,不同距离下CMUT的发射和接收能力良好。 展开更多

关键词 电容式微机械超声换能器(cmut) 二维面阵 硅-绝缘体上硅(Si-SOI)键合 电容-电压(C-V)测试 收发特性

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CMUT非线性机理及抑制方法 被引量：1

16

作者 吕云飞 王红亮 王朝杰 《压电与声光》 CAS CSCD 北大核心 2018年第2期265-268,275,共5页

在平行板电容模型中,静电力在电容式微机械超声换能器(CMUT)的工作中发挥着不可替代的作用,由于静电力具有非线性,使得CMUT在发射过程中存在非线性特性。为消除、抑制CMUT的非线性,应用的方法有:去除直流偏置电压,此方法虽然可消除CMUT... 在平行板电容模型中,静电力在电容式微机械超声换能器(CMUT)的工作中发挥着不可替代的作用,由于静电力具有非线性,使得CMUT在发射过程中存在非线性特性。为消除、抑制CMUT的非线性,应用的方法有:去除直流偏置电压,此方法虽然可消除CMUT非线性,但会严重影响发射声压、灵敏度和机电耦合系数等性能;根据功率谱抑制效果,改变激励源信号类型抑制非线性,仿真结果显示余弦信号、阶跃脉冲信号和双极性方波信号对CMUT非线性的抑制分别为-6dB、-10dB、-19dB;依据倍角公式,采用线性和非线性补偿方法抑制非线性,仿真结果显示,对CMUT非线性的抑制分别为-87dB、-78dB。经过仿真分析得出,采用线性和非线性补偿法来抑制CMUT非线性,效果明显,优于前两种方法。 展开更多

关键词 电容式微机械超声换能器(cmut) 静电力 非线性 二次谐波 激励信号补偿

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面向CMUT声发射特性的驱动电路优化设计 被引量：2

17

作者 李一凡 张国军 +3 位作者 何常德 王子渊 高鹏飞 孟亚楠 《应用声学》 CSCD 北大核心 2022年第1期168-172,共5页

根据电容式微机械超声换能器(CMUT)的工作原理,设计了用于驱动CMUT发射超声波的电路。通过适当的串行匹配,消除了脉冲激励信号的过冲现象。在此基础上进一步探究了脉冲激励参数对CMUT声发射特性影响。结果表明,随着激励脉冲个数的增加,C... 根据电容式微机械超声换能器(CMUT)的工作原理,设计了用于驱动CMUT发射超声波的电路。通过适当的串行匹配,消除了脉冲激励信号的过冲现象。在此基础上进一步探究了脉冲激励参数对CMUT声发射特性影响。结果表明,随着激励脉冲个数的增加,CMUT输出超声信号的有效带宽逐渐变窄,二次谐波逐渐增强;随着激励脉冲占空比的增加,CMUT的输出声压先增大后减小,二次谐波先减小后增大。该文研究结果为CMUT的测试与应用奠定了基础。 展开更多

关键词 电容式微机械超声传感器 驱动电路 串行匹配 声发射特性

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一种凸纹薄膜CMUT阵列的设计与实现

18

作者 余远昱 王久江 +1 位作者 刘鑫 张双 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第12期1863-1870,共8页

为提升电容式微机械超声换能器(CMUT)的输出声压,提出一种新型凸纹薄膜CMUT阵列设计与实现方法。首先结合解析法与有限元分析法设计器件;然后结合牺牲层释放工艺与电镀方法在CMUT电极上制备尺寸为3μm×2μm的镍凸纹圆环;最后对凸... 为提升电容式微机械超声换能器(CMUT)的输出声压,提出一种新型凸纹薄膜CMUT阵列设计与实现方法。首先结合解析法与有限元分析法设计器件;然后结合牺牲层释放工艺与电镀方法在CMUT电极上制备尺寸为3μm×2μm的镍凸纹圆环;最后对凸纹薄膜CMUT阵列进行光学、电学与声学特性测量。声学测量结果表明在塌陷模式下78%的工作点范围内,凸纹薄膜CMUT的输出声压均比常规的平膜CMUT高。当直流偏置电压为160 V时,凸纹薄膜CMUT的输出声压提升21.2%,3-dB相对带宽为54%。本研究成果为新型CMUT的设计与实现提供了有益的指导。 展开更多

关键词 电容式微机械超声换能器 凸纹薄膜cmut 输出声压 牺牲层释放工艺 塌陷模式cmut

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