超声波具有能量集束性好、穿透力强、无放射性等特点,常被应用于医学超声成像,工业无损检测、水下声呐探测等。超声传感器作为发射与接收超声波的载体,是超声系统的核心。基于多传感阵元的二维超声阵列具有采集速度快、应用范围广泛等特点。传统压电式阵列的结构多为传感单元的简单堆叠,在阵列尺寸和灵敏度方面有很多限制。本文提出了基于石墨烯薄膜的电容式二维超声传感阵列,利用石墨烯优异的振动特性,提高阵列接收超声波的灵敏度。主要工作包括以下几个方面:(1)传感单元物理场耦合与阵列设计方案选择:通过三种传感单元模型,分析了超声传感单元的物理场耦合关系。对比了三种维度的阵列优缺点,选择二维阵列作为本文的设计主体。确定了阵元分布方式,以及阵列设计的目标要求,并对阵列设计的流程进行了规划。(2)电容式超声传感单元仿真分析:本文构建了超声传感单元的接收与发射模型,利用有限元仿真分析了电容式与压电式超声传感单元的发射效率。基于超声传感单元的接收模式,对比分析了氮化硅和石墨烯薄膜的振动特性和输出灵敏度,确定了石墨烯作为声传感单元振动膜的可行性和优越性。(3)石墨烯二维超声传感阵列设计与制作:通过有限元仿真结果,确定了阵元的参数,进一步设计了二维阵列的结构,由16×16的声传感单元阵列组成。分别设计了上极板、下极板,信号布线层的结构,并对石墨烯薄膜转移到上极板的过程进行了说明。对比了石墨烯二维阵列与实验室已有的压电式阵列的尺寸,面积仅为压电式传感阵列的11.4%,提高了阵列集成度。(4)石墨烯超声阵列接收特性测试:搭建了阵列接收特性测试系统,利用压电式发射探头测试了阵列对35k~45kHz超声波的动态响应。测试了压电式阵列在其工作频率范围内的灵敏度,并选择40kHz作为两阵列的对比频率点。在超声激励频率为40kHz时,测得石墨烯阵列的灵敏度为-60.7dB,比压电式大10dB左右。对石墨烯阵列单通道与双通道下接收超声波的特性进行了测试,对阵元输出的波形进行了分类,缺陷率为10.9%,双通道接收特性测试结果表明,阵列在接收时具有良好的一致性。