電容式微機(jī)械超聲傳感器的建模與分析.pdf

1、本文首先對電容式微機(jī)械超聲傳感器(CMUT)的發(fā)展進(jìn)程及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，另外對 CMUT的設(shè)計方法進(jìn)行了研究，結(jié)合等效電路對傳感器電學(xué)端和機(jī)械端的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行公式推導(dǎo)和理論分析。在采用犧牲層釋放加工方法的基礎(chǔ)上，分別構(gòu)建了兩類CMUT薄膜結(jié)構(gòu)：圓形薄膜CMUT模型和矩形薄膜CMUT模型。通過對兩種結(jié)構(gòu)模型各項尺寸參數(shù)的研究，分析了結(jié)構(gòu)變化對性能的影響，得到滿足要求的結(jié)構(gòu)模型。我們主要基于影響CMUT性能的兩個參數(shù)：崩潰電壓和共振頻率

2、進(jìn)行分析。
　　通過對圓形薄膜CMUT模型的分析得出了簡化模型尺寸參數(shù)，包括CMUT模型的薄膜半徑、厚度、空腔間隙等參數(shù)的變化對結(jié)構(gòu)共振頻率以及崩潰電壓的影響，分析結(jié)果然后初步實現(xiàn)優(yōu)化模型的創(chuàng)建，為下一步的深入研究提供基礎(chǔ)。在分析采用犧牲層釋放法的基礎(chǔ)上，分別構(gòu)建了四種采用矩形振動薄膜的CMUT模型，并對四種模型進(jìn)行了對比分析，得出了實際模型對分析結(jié)果的影響，包括 CMUT的薄膜的長、寬、長寬比、厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對結(jié)構(gòu)共振頻率

3、及崩潰電壓的影響。通過使用有限元仿真軟件ANSYS對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，模態(tài)分析，力電耦合場分析，得到了薄膜的共振頻率、薄膜結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計參數(shù)、崩潰電壓等一系列有價值的數(shù)據(jù)，為以后超聲傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及加工測試提供了理論依據(jù)。
　　另外，對 CMUT的頻帶寬度進(jìn)行了研究。利用上述圓形薄膜結(jié)構(gòu)分析得到的優(yōu)化模型分析 CMUT的機(jī)電轉(zhuǎn)換比，薄膜的機(jī)械阻抗，薄膜電容值，薄膜的共振頻率以及電路輸入電阻的討論，分析傳感器帶寬及帶寬增益隨頻率