基于硅晶圓鍵合的MEMS電容超聲傳感器研究.pdf

1、基于MEMS電容式超聲傳感器相比于目前市場(chǎng)上廣泛使用的壓電陶瓷類換能器的諸多技術(shù)優(yōu)越性，為滿足超聲成像的應(yīng)用需求,本文對(duì)基于硅晶片鍵合的微電容超聲傳感器進(jìn)行研究。通過(guò)建立理論模型，進(jìn)行了傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)分析；設(shè)計(jì)微傳感器結(jié)構(gòu)，采用有限元方法校驗(yàn)；結(jié)合加工條件，進(jìn)行了實(shí)際傳感器的制作；對(duì)制造的傳感器實(shí)物進(jìn)行了性能測(cè)試。圍繞上述四項(xiàng)內(nèi)容，本文開(kāi)展了多方面的研究工作，具體內(nèi)容及結(jié)論包括以下幾點(diǎn)：
　?。?）對(duì)目前國(guó)內(nèi)外電容式微傳感器的研究

2、和發(fā)展進(jìn)行調(diào)研。在對(duì)超聲傳感器的工作原理、性能指標(biāo)、分類進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析目前市場(chǎng)上現(xiàn)有超聲傳感器的技術(shù)缺陷。結(jié)合MEMS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提出基于硅晶片鍵合的MEMS電容振動(dòng)薄膜結(jié)構(gòu)超聲傳感器作為本文的研究對(duì)象。
　?。?）建立了MEMS電容式微加工超聲傳感器的理論建模，包括集總機(jī)電模型和等效電路模型。從解析角度，分析了傳感器的工作原理、頻率特性、塌陷電壓輸出聲壓、機(jī)電耦合系數(shù)性能指標(biāo)。
　?。?）研究了微電容傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)

3、對(duì)性能的影響。得出微傳感器振動(dòng)厚度、半徑、應(yīng)力、振動(dòng)腔高等對(duì)于器件機(jī)械阻抗、工作頻率、工作電壓、機(jī)電傳輸比、接收靈敏度、輸出聲壓等的影響規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計(jì)了微傳感器敏感結(jié)構(gòu)。
　?。?）優(yōu)化設(shè)計(jì)了MEMS電容超聲傳感器陣列。在對(duì)波束掃查方式、波束形成及聚焦偏轉(zhuǎn)控制的分析基礎(chǔ)上，闡明了傳感陣列的成像原理并引入其性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)對(duì)陣列參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，提出陣列的總體設(shè)計(jì)四則目標(biāo)和具體實(shí)現(xiàn)方法，確定了整體陣列參數(shù)。
　?。?）通過(guò)有

4、限元FEM仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)傳感器的性能。通過(guò)靜力特性仿真，驗(yàn)證了傳感器的強(qiáng)度和可靠性；模態(tài)分析，確定了傳感器的工作頻率和振型；電結(jié)構(gòu)耦合分析，得到了傳感器的工作電壓；研究了微傳感器的靈敏度特性；諧響應(yīng)分析，得到了傳感器的頻率響應(yīng)。
　?。?）設(shè)計(jì)了傳感器的工藝流程及傳感器加工版圖，加工制造了傳感器實(shí)物。首先，根據(jù)微傳感器基于的晶片鍵合加工工藝，給出了加工中使用的硅片及SOI晶片材料參數(shù)，并說(shuō)明選材原因及好處；其次，結(jié)合加工單位優(yōu)勢(shì)

5、，設(shè)計(jì)了本文微傳感器的實(shí)際加工流程；然后，根據(jù)加工流程及微傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了涵蓋單元微傳感器及陣列傳感器的結(jié)構(gòu)版圖；完成MEMS電容超聲傳感器的流片制造，制作出微傳感器實(shí)物；最后，針對(duì)微傳感單元微傳感器及陣列傳感器，設(shè)計(jì)制作了適合的封裝。
　?。?）對(duì)加工的傳感器性能進(jìn)行測(cè)試表征。采用掃描電子顯微鏡SEM、光學(xué)輪廓儀Veeco、LEXT激光顯微鏡、Polytec激光多普勒多功能測(cè)試儀、阻抗分析儀Aglient4284等對(duì)傳感器