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(duì)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(duì) CMUT的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，結(jié)合等效電路對(duì)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(lèi)CMUT薄膜結(jié)構(gòu)：圓形薄膜CMUT模型和矩形薄膜CMUT模型。通過(guò)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)模型各項(xiàng)尺寸參數(shù)的研究，分析了結(jié)構(gòu)變化對(duì)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(gè)參數(shù)：崩潰電壓和共振頻率

2、進(jìn)行分析。
　　通過(guò)對(duì)圓形薄膜CMUT模型的分析得出了簡(jiǎn)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(duì)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(shí)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(dòng)薄膜的CMUT模型，并對(duì)四種模型進(jìn)行了對(duì)比分析，得出了實(shí)際模型對(duì)分析結(jié)果的影響，包括 CMUT的薄膜的長(zhǎng)、寬、長(zhǎng)寬比、厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)結(jié)構(gòu)共振頻率

3、及崩潰電壓的影響。通過(guò)使用有限元仿真軟件ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，模態(tài)分析，力電耦合場(chǎng)分析，得到了薄膜的共振頻率、薄膜結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)、崩潰電壓等一系列有價(jià)值的數(shù)據(jù)，為以后超聲傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及加工測(cè)試提供了理論依據(jù)。
　　另外，對(duì) 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