压电-静电混合驱动新型MEMS超声换能器机理与制备技术研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51805423
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    27.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0512.微纳机械系统
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

In view of the drawbacks of contradiction in transmitting and receiving performances, high operating voltage, susceptible to parasitic capacitance for the applications of capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) in cutting-edge areas such as point of care ultrasound diagnostic and ultrasound gesture recognition, this project proposes a novel piezo-electrostatically hybrid-actuated MEMS ultrasonic transducer using AlN as the post material instead of the silicon dioxide in traditional CMUT. This novel MEMS transducer takes the advantages of the electrostriction of the piezoelectric post to adjust the height of the vacuum cavity to solve the contradiction in transmitting and receiving performances; utilizes the idea that the piezoelectric post can vibrate to produce effect energy conversion under voltage or incident sound wave to eliminate the parasitic capacitance of the post area between CMUT cells and reduce the needed operating voltage. The project will the investigate the multi-physics coupling theories of the two-stage vibration system composed of the piezoelectric post and membrane under piezo-electrostatically hybrid-actuation, and reveal the variation regulations of the main performances such as pull-in voltage, electromechanical coupling coefficient, transmitting acoustic pressure, and transmitting and receiving sensitivities; study the cross-talk mechanism between cells of CMUT array under the compound sound field produced by the two-stage vibration system, and establish the cell and array structure optimization design theories; investigate the effects of process parameters on the AlN-Si wafer-bonding, and develop the AlN-Si wafer-bonding based fabrication technology; finally to establish the theory and technology foundation for the design and fabrication of the novel MEMS transducer.
针对电容微超声换能器(CMUT)在即时超声诊断、超声姿态识别等前沿技术领域应用中存在的发射和接收性能相互制约、工作电压高、受寄生电容影响大的共性问题,项目采用氮化铝替代CMUT中二氧化硅等传统支柱材料,提出基于压电-静电混合驱动的新型MEMS超声换能器:利用压电支柱的电致伸缩特性来调节空腔高度以解决收发性能的相互制约问题,并基于压电支柱在电压或声场激励下可发生振动产生有效能量转化的思想来消除单元间支柱区域寄生电容,降低所需工作电压。拟探索混合驱动条件下由压电支柱和薄膜构成的二级振动系统的多场耦合机理,揭示塌陷电压、机电耦合系数、发射声压以及收发灵敏度等性能的变化规律;研究二级振动系统所产生的复合声场条件下单元间声场相互影响机理,建立单元及阵列结构优化设计理论;研究工艺参数对氮化铝-硅键合强度的影响规律,开发基于氮化铝-硅键合的制备技术等;为该类新型超声换能器的设计与制备提供理论与技术基础。

结项摘要

电容式微加工超声换能器(CMUTs)在超声成像与治疗、工业无损检测、超声生物特征识别、超声姿态识别以及非接触控制等领域具有重要工程应用价值。然而,现有CMUTs却存在工作电压大、发射和接收性能难以同时提高、基础设计理论研究不足等问题,限制其广泛应用。本项目:1)提出基于经典层合薄板理论、伽辽金法、局部泰勒级数展开以及能量等效法的机电耦合建模方法,建立了单层和多层圆形与方形薄膜CMUTs在不同材料参数(各项异性和同性)、残余应力、流体静压力等条件下的机电耦合模型,获得了CMUTs塌陷电压、机电耦合系数、薄膜变形以及谐振频率等主要性能参数理论计算公式,为CMUTs在不同薄膜形状、结构特征、残余应力、压力及静电力等复合外力作用下的高精度设计与优化提供了理论依据;2)引入寄生电容影响,探索了CMUTs机械参数与电参数之间的等效关系,建立了典型CMUTs结构高精度分析等效电路模型,为CMUTs驱动与信号检测电路的设计与优化提供了理论基础;3)提出基于压电-静电混合驱动的高机电耦合系数、收发一体化电容式MEMS超声换能器以及基于T型空腔凹槽的低功耗、收发一体化CMUTs,建立了其仿真分析模型,研究了相关结构参数对其工作电压、薄膜变形、机电耦合系数、收发性能的影响规律,验证了设计可行性及优化设计方法;4)设计了T型空腔CMUTs制备工艺及流程,开展了关键参数实验研究及工艺优化,完成了T型空腔CMUTs结构的首次工艺流片,确定了最优化工艺流程及工艺参数;5)利用已有CMUTs芯片开展了典型应用研究,包括设计并制备了超声发射与接收电路,实验验证了其可行性,开展了基于CMUTs的流体气泡检测实验研究,实现气泡的非侵入式检测,拓展了CMUTs应用领域。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(2)
专利数量(5)
Gelatin Methacryloyl-Based Tactile Sensors for Medical Wearables
用于医疗可穿戴设备的明胶甲基丙烯酰基触觉传感器
  • DOI:
    10.1002/adfm.202003601
  • 发表时间:
    2020-09-06
  • 期刊:
    ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS
  • 影响因子:
    19
  • 作者:
    Li, Zhikang;Zhang, Shiming;Khademhosseini, Ali
  • 通讯作者:
    Khademhosseini, Ali
CMUTs机电耦合系数解析式及其对功耗的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    机械工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李支康;赵立波;李杰;赵一鹤;徐廷中;罗国希;郭帅帅;刘子晨;蒋庄德
  • 通讯作者:
    蒋庄德
An analytical equivalent circuit model for optimization design of a broadband piezoelectric micromachined ultrasonic transducer with an annular diaphragm
环形隔膜宽带压电微机械超声换能器优化设计的解析等效电路模型
  • DOI:
    10.1109/tuffc.2019.2928147
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Tingzhong Xu;Libo Zhao;Zhuangde Jiang;Shuaishuai Guo;Zhikang Li;Guoxi Luo;Lin Sun;Liangchi Zhang
  • 通讯作者:
    Liangchi Zhang
Coupling Effects of Crosstalk and Parasitic Loss on Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers
电容式微机械超声换能器上串扰和寄生损耗的耦合效应
  • DOI:
    10.1109/jsen.2022.3140649
  • 发表时间:
    2022-02
  • 期刊:
    IEEE SENSORS JOURNAL
  • 影响因子:
    4.3
  • 作者:
    Yihe Zhao;Zhikang Li;Jie Li;Libo Zhao;Zichen Liu;Dejiang Lu;Zixuan Li;Jiawei Yuan;Ping Yang;Zhuangde Jiang;S;ro Carrara
  • 通讯作者:
    ro Carrara
A CMUT-based gas density sensor with high sensitivity
基于CMUT的高灵敏度气体密度传感器
  • DOI:
    10.1088/1361-6439/ab3bfa
  • 发表时间:
    2019-08
  • 期刊:
    Journal of Micromechanics and Microengineering
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    Zhao Libo;Li Jie;Li Zhikang;Zhao Yihe;Luo Guoxi;Xu Tingzhong;Guo Shuaishuai;Liu Zichen;Wang Jiuhong;Jiang Zhuangde
  • 通讯作者:
    Jiang Zhuangde

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李支康的其他基金

“刚-柔”融合柔性电容式MEMS超声换能器耦合机理与制备技术研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
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    54 万元
  • 项目类别:
    面上项目
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    52275570
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    2022
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  • 项目类别:
    面上项目

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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