基于硅晶圓鍵合的MEMS電容超聲傳感器研究.pdf

1、基于MEMS電容式超聲傳感器相比于目前市場上廣泛使用的壓電陶瓷類換能器的諸多技術優(yōu)越性，為滿足超聲成像的應用需求,本文對基于硅晶片鍵合的微電容超聲傳感器進行研究。通過建立理論模型，進行了傳感器結構參數(shù)分析；設計微傳感器結構，采用有限元方法校驗；結合加工條件，進行了實際傳感器的制作；對制造的傳感器實物進行了性能測試。圍繞上述四項內容，本文開展了多方面的研究工作，具體內容及結論包括以下幾點：
　　（1）對目前國內外電容式微傳感器的研究

2、和發(fā)展進行調研。在對超聲傳感器的工作原理、性能指標、分類進行調研的基礎上，分析目前市場上現(xiàn)有超聲傳感器的技術缺陷。結合MEMS技術的優(yōu)點，提出基于硅晶片鍵合的MEMS電容振動薄膜結構超聲傳感器作為本文的研究對象。
　?。?）建立了MEMS電容式微加工超聲傳感器的理論建模，包括集總機電模型和等效電路模型。從解析角度，分析了傳感器的工作原理、頻率特性、塌陷電壓輸出聲壓、機電耦合系數(shù)性能指標。
　　（3）研究了微電容傳感器結構參數(shù)

3、對性能的影響。得出微傳感器振動厚度、半徑、應力、振動腔高等對于器件機械阻抗、工作頻率、工作電壓、機電傳輸比、接收靈敏度、輸出聲壓等的影響規(guī)律，優(yōu)化設計了微傳感器敏感結構。
　?。?）優(yōu)化設計了MEMS電容超聲傳感器陣列。在對波束掃查方式、波束形成及聚焦偏轉控制的分析基礎上，闡明了傳感陣列的成像原理并引入其性能評價指標。通過對陣列參數(shù)進行仿真優(yōu)化，提出陣列的總體設計四則目標和具體實現(xiàn)方法，確定了整體陣列參數(shù)。
　?。?）通過有

4、限元FEM仿真，驗證了設計傳感器的性能。通過靜力特性仿真，驗證了傳感器的強度和可靠性；模態(tài)分析，確定了傳感器的工作頻率和振型；電結構耦合分析，得到了傳感器的工作電壓；研究了微傳感器的靈敏度特性；諧響應分析，得到了傳感器的頻率響應。
　?。?）設計了傳感器的工藝流程及傳感器加工版圖，加工制造了傳感器實物。首先，根據(jù)微傳感器基于的晶片鍵合加工工藝，給出了加工中使用的硅片及SOI晶片材料參數(shù)，并說明選材原因及好處；其次，結合加工單位優(yōu)勢

5、，設計了本文微傳感器的實際加工流程；然后，根據(jù)加工流程及微傳感器結構特點，設計了涵蓋單元微傳感器及陣列傳感器的結構版圖；完成MEMS電容超聲傳感器的流片制造，制作出微傳感器實物；最后，針對微傳感單元微傳感器及陣列傳感器，設計制作了適合的封裝。
　　（7）對加工的傳感器性能進行測試表征。采用掃描電子顯微鏡SEM、光學輪廓儀Veeco、LEXT激光顯微鏡、Polytec激光多普勒多功能測試儀、阻抗分析儀Aglient4284等對傳感器