電容式微超聲換能器等效電路模型與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、電容式微超聲換能器等效電路模型與優(yōu)化設(shè)計(jì)EquivalentCircuitModelingandOptimizationofCapacitiveMicromachined一‘r’n1Ultrasomc1ranstlUcer學(xué)科專業(yè)：儀器科學(xué)與技術(shù)研究生：石建超指導(dǎo)教師：張慧副教授天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院2015年12月摘要隨著微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，微超聲換能器在醫(yī)學(xué)超聲成像、工業(yè)無(wú)損檢測(cè)、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。微超聲換能

2、器主要包括電容式微超聲換能器(CMUT)與壓電式微超聲換能器(PMUT)，相比之下，CMUT具有頻帶寬、與空氣、液體的阻抗匹配性好的優(yōu)點(diǎn)，具有重要的研究?jī)r(jià)值。本文以電容式微超聲換能器超聲成像為應(yīng)用目標(biāo)，開展了電容式微超聲換能器陣元與陣列的研究工作，主要進(jìn)行了非線性等效電路模型的建立、SPICE電路的仿真、陣元的優(yōu)化、陣列的設(shè)計(jì)與加工等方面的工作。具體研究?jī)?nèi)容如下：(1)根據(jù)電一力聲類比原理，建立了單膜等效電路模型，分析了大氣壓力對(duì)塌陷電

3、壓的影響，建立了方形排布的多膜CMUT陣元非線性等效電路模型，對(duì)22、33與44三種方形排布的陣元進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了不同規(guī)模陣元振膜的最佳間距。(2)在非線性等效電路模型中構(gòu)造了輻射阻抗的等效RLC電路，以便進(jìn)行SPICE仿真。利用SPICE對(duì)單膜等效電路進(jìn)行了直流分析、交流分析與瞬態(tài)分析，得到了器件的塌陷電壓、共振頻率，探討了彈簧軟化系數(shù)對(duì)共振頻率的影響。(3)利用瑞麗里茲法計(jì)算得到了橢圓形振膜單元的共振頻率，利用求解振動(dòng)方程得到了

4、圓形振膜單元的共振頻率，比較了兩種求解共振頻率的方法，并且使用有限元方法進(jìn)行了驗(yàn)證。設(shè)計(jì)了橢圓形振膜陣列與圓形振膜陣列，通過(guò)FieldII仿真，比較了兩種陣列陣元聲場(chǎng)的指向性，對(duì)陣元間距、陣列規(guī)模、成像半徑進(jìn)行了分析與優(yōu)化，隨后得到了陣列的二維成像仿真圖。(4)參考當(dāng)前的工藝水平，設(shè)計(jì)了電容式微超聲換能器表面硅工藝加工流程，通過(guò)Ledit軟件設(shè)計(jì)了加工版圖，完成了器件加工。針對(duì)加工后的管芯，設(shè)計(jì)了PCB，方便陣列的存放與測(cè)試。(5)利用