基于Si-SOI鍵合的微電容超聲波換能器設(shè)計.pdf

1、微電容超聲波換能器(CMUT)具有高靈敏度、寬頻帶、高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率、硅材料與介質(zhì)阻抗匹配好、易于加工尺寸多樣的微型器件、適合制造大陣列、批量化生產(chǎn)等優(yōu)勢,在工業(yè)控制、環(huán)保設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、航空航天及水下探測等領(lǐng)域有迫切的需求和廣泛的應(yīng)用前景,因此對CMUT的研究具有極其重要的科研價值和實用意義。
　　本文基于平板電容原理,結(jié)合Si-SOI低溫鍵合技術(shù),設(shè)計了一種引線交錯式的CMUT結(jié)構(gòu),期望能減小器件的寄生電容,降低電容檢測難度,從

2、而提高換能器的靈敏度。本論文針對器件原理和設(shè)計方法、器件加工的關(guān)鍵技術(shù)等開展了較為詳細(xì)的研究,為器件的設(shè)計及加工提供技術(shù)積累和實驗支持。本論文具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)對CMUT進(jìn)行了理論分析。在機(jī)械域,根據(jù)振動理論,分析了在均布載荷及靜電力作用下薄膜振動行為;從力-電耦合的角度,建立器件的平行板電容模型,得到了CMUT結(jié)構(gòu)的塌陷電壓、最大發(fā)射聲壓、接收靈敏度;采用機(jī)電類比的方法,建立了等效電路模型,得到薄膜機(jī)械阻抗、靜態(tài)電容

3、、轉(zhuǎn)換系數(shù)等參數(shù)表達(dá)式,建立了完善的CMUT理論體系。
　　(2)通過MATLAB仿真,得到關(guān)鍵性能參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系,確定了結(jié)構(gòu)尺寸;利用ANSYS對所設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行了單一場的機(jī)械域仿真和多場耦合的靜電-機(jī)械耦合仿真,得到了器件塌陷電壓、工作模式下的諧振頻率、所施加的交流電壓最大值;通過MATLAB/SIMULINK仿真了所設(shè)計結(jié)構(gòu)的發(fā)射/接收性能,驗證了結(jié)構(gòu)的合理性。
　　(3)結(jié)合當(dāng)前工藝水平,設(shè)計了基于Si-SO