多振膜結構電容式微超聲傳感器關鍵技術研究.pdf

1、超聲技術是聲學發(fā)展中最活躍的技術領域之一，在國防、生物、醫(yī)學及航空航天等眾多領域得到了廣泛應用，而超聲傳感器是實現力電聲多場耦合與能量轉換的關鍵部件。隨著集成電路制造技術與微加工技術的不斷發(fā)展，超聲傳感器的制造與加工技術也在不斷進步。基于MEMS工藝的電容式微超聲傳感器（CMUT）具有聲阻抗低、體積小、靈敏度高、頻帶寬、易于集成等特點，在無損檢測、超聲驅動、醫(yī)學成像、超聲理療、細胞控制等高精尖領域具有潛在的優(yōu)勢，受到國內外研究工作者的關

2、注。
　　本文以CMUT超聲成像系統(tǒng)為應用對象，開展了多振膜結構CMUT關鍵技術研究，主要包括形變特性、頻率特性、聲場特性、加工與性能測試等。
　?。?）針對帶有真空密閉腔體的全電極覆蓋圓膜CMUT，建立了機械場均勻載荷撓度模型及機電耦合非線性載荷吸附模型。該模型不但可量化電極結構參數、密閉腔體內真空度與CMUT撓度、吸附特性之間的關系，而且與開放空間內的單層薄板CMUT模型相比，可為不同載荷條件下的CMUT提供精確預測。<

3、br>　?。?）針對CMUT多層振膜結構，建立了靜態(tài)撓度和動態(tài)響應頻率的數學模型，并對真實器件殘余應力進行補償。該模型將多層結構對CMUT特性的影響進行直觀表述，與仿真結果及實驗數據之間一致性良好，且與傳統(tǒng)單層薄板CMUT模型相比，顯著地提高了理論模型的準確度。
　?。?）為提高CMUT的面積效率，增強其作為成像系統(tǒng)元件的成像分辨率，本文提出了一種橢圓形振膜CMUT結構。建立了橢圓形CMUT陣元的頻率模型，與相同可動面積下的常規(guī)形

4、貌CMUT陣元的特性對比表明，橢圓形振膜CMUT具有較高的一階工作頻率，由其組成的陣列具有較小的主瓣寬度和旁瓣幅值。
　?。?）為適應待測環(huán)境內較大的壓強變化，設計了帶孔振膜CMUT結構。與傳統(tǒng)平膜CMUT相比，相同直流偏置電壓下帶孔振膜CMUT平均形變量減小，吸附電壓降低，工作壓強耐受范圍擴大。同時，帶孔振膜CMUT可通過參數調整，實現CMUT工作頻率的靈活設計。
　?。?）建立了不同振膜結構CMUT的聲場模型，研究了指向

5、性函數的特性，詳細分析了陣列設計參數對聲場指向性的影響。針對指向性圖中出現的旁瓣現象，研究了多種旁瓣抑制優(yōu)化算法，分別在一維線性陣列和二維平面陣列上有效地降低了旁瓣幅值。
　?。?）針對CMUT振膜特殊結構進行了工藝設計與關鍵工藝討論，對器件進行加工制作與后續(xù)處理。進行了CMUT形貌測試與殘余應力測試，同時，搭建實驗測試系統(tǒng)，進行了CMUT力學、電學和聲學性能測試，得到不同振膜形貌CMUT的撓度、頻率及部分聲學特性，并進行了CMU