電容式微機(jī)械超聲換能器(CMUT)設(shè)計(jì)及其封裝技術(shù)研究.pdf

1、基于表面微加工工藝制作的電容式微機(jī)械超聲換能器具有結(jié)構(gòu)簡單、自身噪聲低、高機(jī)電耦合系數(shù)、高分辨率、高靈敏度、寬頻帶、與介質(zhì)阻抗匹配性好等優(yōu)勢，從被提出以后就得到廣大科研人員的關(guān)注，其在海底資源勘探、水下地形地貌探測以及醫(yī)療成像等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，因此對CMUT展開理論分析和基礎(chǔ)應(yīng)用研究，有著極其重要的科研價(jià)值。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)根據(jù)不同分析內(nèi)容，建立了3種CMUT模型。在振動(dòng)模型中，計(jì)算圓形振動(dòng)薄膜的振動(dòng)位移方程

2、;通過平行板電容模型研究了CMUT的塌陷電壓、機(jī)電耦合系數(shù)、接收靈敏度、發(fā)射聲壓等參數(shù);在等效電路模型中，詳細(xì)分析了有效電容、機(jī)械阻抗等參數(shù)。
　　(2)應(yīng)用COMSOL Multiphysics建立了CMUT微元有限元模型。根據(jù)特征頻率分析，確定了CMUT微元薄膜半徑、薄膜厚度參數(shù);通過機(jī)電耦合分析研究電極厚度、電極半徑與塌陷電壓的關(guān)系，確定電極結(jié)構(gòu)參數(shù);在靜態(tài)分析中，研究薄膜在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的位移和應(yīng)力變化情況，得出CMUT空腔

3、高度。CMUT參數(shù)確定后，通過模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析去驗(yàn)證所設(shè)計(jì)CMUT結(jié)構(gòu)參數(shù)的正確性，并根據(jù)瞬態(tài)分析研究CMUT在交直流信號(hào)激勵(lì)下的振動(dòng)位移和速度。
　　(3)指向性是CMUT在遠(yuǎn)場的重要特性之一，推導(dǎo)出CMUT微元、CMUT陣元和CMUT陣列指向性函數(shù)，并詳細(xì)分析CMUT結(jié)構(gòu)參數(shù)對CMUT陣列指向性的影響，隨之確定CMUT陣元中的微元個(gè)數(shù)、CMUT陣元間距。根據(jù)聲場理論，推導(dǎo)CMUT微元、CMUT陣元和CMUT陣列的聲場聲壓分

4、布公式。
　　(4)在平行板電容模型，靜電力在CMUT的工作中發(fā)揮著不可替代的作用，由于靜電力具有非線性，使得CMUT在發(fā)射過程中存在非線性特性。為了消除、抑制CMUT的非線性，采用去除直流偏置電壓，以消除諧波分量;采用改變激勵(lì)信號(hào)類型，根據(jù)功率譜抑制效果，選用雙極性脈沖;依據(jù)倍角公式，采用線性和非線性補(bǔ)償方法，消除二次諧波分量。
　　(5)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，本文研究CMUT芯片的封裝方法并設(shè)計(jì)封裝結(jié)構(gòu)，并根據(jù)聲學(xué)理論，詳細(xì)