多振膜結(jié)構(gòu)電容式微超聲傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、超聲技術(shù)是聲學(xué)發(fā)展中最活躍的技術(shù)領(lǐng)域之一，在國防、生物、醫(yī)學(xué)及航空航天等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，而超聲傳感器是實(shí)現(xiàn)力電聲多場耦合與能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。隨著集成電路制造技術(shù)與微加工技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲傳感器的制造與加工技術(shù)也在不斷進(jìn)步?；贛EMS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(diǎn)，在無損檢測(cè)、超聲驅(qū)動(dòng)、醫(yī)學(xué)成像、超聲理療、細(xì)胞控制等高精尖領(lǐng)域具有潛在的優(yōu)勢(shì)，受到國內(nèi)外研究工作者的關(guān)

2、注。
　　本文以CMUT超聲成像系統(tǒng)為應(yīng)用對(duì)象，開展了多振膜結(jié)構(gòu)CMUT關(guān)鍵技術(shù)研究，主要包括形變特性、頻率特性、聲場特性、加工與性能測(cè)試等。
　?。?）針對(duì)帶有真空密閉腔體的全電極覆蓋圓膜CMUT，建立了機(jī)械場均勻載荷撓度模型及機(jī)電耦合非線性載荷吸附模型。該模型不但可量化電極結(jié)構(gòu)參數(shù)、密閉腔體內(nèi)真空度與CMUT撓度、吸附特性之間的關(guān)系，而且與開放空間內(nèi)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(yù)測(cè)。<

3、br>　?。?）針對(duì)CMUT多層振膜結(jié)構(gòu)，建立了靜態(tài)撓度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)真實(shí)器件殘余應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)償。該模型將多層結(jié)構(gòu)對(duì)CMUT特性的影響進(jìn)行直觀表述，與仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(zhǔn)確度。
　?。?）為提高CMUT的面積效率，增強(qiáng)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(jié)構(gòu)。建立了橢圓形CMUT陣元的頻率模型，與相同可動(dòng)面積下的常規(guī)形

4、貌CMUT陣元的特性對(duì)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。
　　（4）為適應(yīng)待測(cè)環(huán)境內(nèi)較大的壓強(qiáng)變化，設(shè)計(jì)了帶孔振膜CMUT結(jié)構(gòu)。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(qiáng)耐受范圍擴(kuò)大。同時(shí)，帶孔振膜CMUT可通過參數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)CMUT工作頻率的靈活設(shè)計(jì)。
　?。?）建立了不同振膜結(jié)構(gòu)CMUT的聲場模型，研究了指向

5、性函數(shù)的特性，詳細(xì)分析了陣列設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)聲場指向性的影響。針對(duì)指向性圖中出現(xiàn)的旁瓣現(xiàn)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。
　　（6）針對(duì)CMUT振膜特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了工藝設(shè)計(jì)與關(guān)鍵工藝討論，對(duì)器件進(jìn)行加工制作與后續(xù)處理。進(jìn)行了CMUT形貌測(cè)試與殘余應(yīng)力測(cè)試，同時(shí)，搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行了CMUT力學(xué)、電學(xué)和聲學(xué)性能測(cè)試，得到不同振膜形貌CMUT的撓度、頻率及部分聲學(xué)特性，并進(jìn)行了CMU