本發(fā)明涉及一種cmut最佳偏置電壓確定方法及相關(guān)裝置，屬于電容式微機(jī)械超聲換能器領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、電容式微機(jī)械超聲換能器（cmut）是一種利用薄膜振動來實現(xiàn)電信號與聲信號相互轉(zhuǎn)化的超聲傳感器，它具有尺寸小、帶寬大、功耗低、集成度高等優(yōu)點，在超聲成像領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有的研究表明，高偏置電壓對于提高cmut的接收性能是有利的，但過高的偏置電壓將會導(dǎo)致強(qiáng)非線性和低可靠性等問題，且偏置電壓需小于cmut的塌陷電壓。對于大部分cmut而言，施加偏置電壓的大小不明確，只能依據(jù)其結(jié)構(gòu)按照經(jīng)驗值施加，目前還沒有形成理論對此進(jìn)行系統(tǒng)性地分析。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種cmut最佳偏置電壓確定方法及相關(guān)裝置，解決了背景技術(shù)中披露的問題。

2、根據(jù)本公開的一個方面，提供一種cmut最佳偏置電壓確定方法，包括：

3、遍歷[0,vpull-in]范圍內(nèi)的偏置電壓，利用能量轉(zhuǎn)換原理，獲取施加各偏置電壓的cmut的接收電流；其中，vpull-in為施加偏置電壓的cmut的塌陷電壓；

4、根據(jù)偏置電壓與接收電流，構(gòu)建偏置電壓與接收電流的關(guān)系，將關(guān)系中最大接收電流對應(yīng)的偏置電壓作為cmut的最佳偏置電壓。

5、在本公開的一些實施例中，獲取施加偏置電壓的cmut的接收電流，包括：

6、確定施加偏置電壓的cmut的機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)；

7、確定施加激勵信號的cmut在發(fā)射模式下的發(fā)射電功率；其中，激勵信號為以偏置電壓為基線的交流信號；

8、根據(jù)機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)和發(fā)射電功率，確定cmut在發(fā)射模式下的發(fā)射聲功率；

9、根據(jù)發(fā)射聲功率和聲波信號在介質(zhì)中的衰減因子，確定cmut在接收模式下的接收聲功率；

10、根據(jù)機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)和接收聲功率，確定cmut在接收模式下的接收電功率；

11、根據(jù)接收電功率，確定cmut的接收電流。

12、在本公開的一些實施例中，機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)的公式為：

13、；

14、式中，為機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)，為cmut施加偏置電壓后產(chǎn)生的平均位移， d0為cmut上電極與下電極之間有效深度的初始值；

15、若偏置電壓被施加到cmut的振動薄膜上，

16、；

17、式中， g為cmut空腔深度的初始值， ε i為cmut絕緣層的相對介電常數(shù)， t i為cmut絕緣層的厚度。

18、在本公開的一些實施例中，交流信號電壓與偏置電壓之和為激勵信號電壓，交流信號電壓的幅值與偏置電壓之和為激勵信號電壓的幅值，激勵信號電壓幅值不超過cmut的塌陷電壓；

19、發(fā)射電功率為根據(jù)交流信號電壓和cmut阻抗獲得的最大發(fā)射電功率。

20、在本公開的一些實施例中，發(fā)射聲功率為機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)和發(fā)射電功率的乘積；接收聲功率為發(fā)射聲功率和衰減因子的乘積；接收電功率為機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)和接收聲功率的乘積。

21、根據(jù)本公開的另一個方面，提供一種cmut最佳偏置電壓確定裝置，包括：

22、遍歷獲取模塊，遍歷[0,vpull-in]范圍內(nèi)的偏置電壓，利用能量轉(zhuǎn)換原理，獲取施加各偏置電壓的cmut的接收電流；其中，vpull-in為施加偏置電壓的cmut的塌陷電壓；

23、最佳確定模塊，根據(jù)偏置電壓與接收電流，構(gòu)建偏置電壓與接收電流的關(guān)系，將關(guān)系中最大接收電流對應(yīng)的偏置電壓作為cmut的最佳偏置電壓。

24、在本公開的一些實施例中，遍歷獲取模塊中，獲取施加偏置電壓的cmut的接收電流，包括：

25、確定施加偏置電壓的cmut的機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)；

26、確定施加激勵信號的cmut在發(fā)射模式下的發(fā)射電功率；其中，激勵信號為以偏置電壓為基線的交流信號；

27、根據(jù)機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)和發(fā)射電功率，確定cmut在發(fā)射模式下的發(fā)射聲功率；

28、根據(jù)發(fā)射聲功率和聲波信號在介質(zhì)中的衰減因子，確定cmut在接收模式下的接收聲功率；

29、根據(jù)機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)和接收聲功率，確定cmut在接收模式下的接收電功率；

30、根據(jù)接收電功率，確定cmut的接收電流。

31、根據(jù)本公開的另一個方面，提供一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)存儲一個或多個程序，一個或多個程序包括指令，指令當(dāng)由計算設(shè)備執(zhí)行時，使得計算設(shè)備執(zhí)行cmut最佳偏置電壓確定方法。

32、根據(jù)本公開的另一個方面，提供一種計算機(jī)設(shè)備，包括一個或多個處理器、以及一個或多個存儲器，一個或多個程序存儲在一個或多個存儲器中并被配置為由一個或多個處理器執(zhí)行，一個或多個程序包括用于執(zhí)行cmut最佳偏置電壓確定方法的指令。

33、本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：本發(fā)明利用能量轉(zhuǎn)換原理獲取偏置電壓與接收電流的關(guān)系，根據(jù)最大接收電流確定最佳偏置電壓，解決了cmut領(lǐng)域只能憑借經(jīng)驗值施加偏置電壓的難題，實現(xiàn)了在cmut結(jié)構(gòu)施加最佳偏置電壓的定量化研究。

技術(shù)特征：

1.一種cmut最佳偏置電壓確定方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的cmut最佳偏置電壓確定方法，其特征在于，獲取施加偏置電壓的cmut的接收電流，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的cmut最佳偏置電壓確定方法，其特征在于，機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)的公式為：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的cmut最佳偏置電壓確定方法，其特征在于，交流信號電壓與偏置電壓之和為激勵信號電壓，交流信號電壓的幅值與偏置電壓之和為激勵信號電壓的幅值，激勵信號電壓幅值不超過cmut的塌陷電壓；

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的cmut最佳偏置電壓確定方法，其特征在于，發(fā)射聲功率為機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)和發(fā)射電功率的乘積；接收聲功率為發(fā)射聲功率和衰減因子的乘積；接收電功率為機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)和接收聲功率的乘積。

6.一種cmut最佳偏置電壓確定裝置，其特征在于，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的cmut最佳偏置電壓確定裝置，其特征在于，遍歷獲取模塊中，獲取施加偏置電壓的cmut的接收電流，包括：

8.一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其特征在于，所述計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)存儲一個或多個程序，一個或多個程序包括指令，指令當(dāng)由計算設(shè)備執(zhí)行時，使得計算設(shè)備執(zhí)行權(quán)利要求1~5任一所述的方法。

9.一種計算機(jī)設(shè)備，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種CMUT最佳偏置電壓確定方法及相關(guān)裝置，本發(fā)明利用能量轉(zhuǎn)換原理獲取偏置電壓與接收電流的關(guān)系，根據(jù)最大接收電流確定最佳偏置電壓，并設(shè)計了一種CMUT最佳偏置電壓確定裝置以實現(xiàn)所述方法，解決了CMUT領(lǐng)域只能憑借經(jīng)驗值施加偏置電壓的難題，實現(xiàn)了在CMUT結(jié)構(gòu)施加最佳偏置電壓的定量化研究。

技術(shù)研發(fā)人員：曹彬雷,宋金龍,鳳瑞
受保護(hù)的技術(shù)使用者：安徽北方微電子研究院集團(tuán)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17