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超声技术是声学发展中最活跃的技术领域之一,在国防、生物、医学及航空航天等众多领域得到了广泛应用,而超声传感器是实现力电声多场耦合与能量转换的关键部件。随着集成电路制造技术与微加工技术的不断发展,超声传感器的制造与加工技术也在不断进步。基于MEMS工艺的电容式微超声传感器(CMUT)具有声阻抗低、体积小、灵敏度高、频带宽、易于集成等特点,在无损检测、超声驱动、医学成像、超声理疗、细胞控制等高精尖领域具有潜在的优势,受到国内外研究工作者的关注。本文以CMUT超声成像系统为应用对象,开展了多振膜结构CMUT关键技术研究,主要包括形变特性、频率特性、声场特性、加工与性能测试等。(1)针对带有真空密闭腔体的全电极覆盖圆膜CMUT,建立了机械场均匀载荷挠度模型及机电耦合非线性载荷吸附模型。该模型不但可量化电极结构参数、密闭腔体内真空度与CMUT挠度、吸附特性之间的关系,而且与开放空间内的单层薄板CMUT模型相比,可为不同载荷条件下的CMUT提供精确预测。(2)针对CMUT多层振膜结构,建立了静态挠度和动态响应频率的数学模型,并对真实器件残余应力进行补偿。该模型将多层结构对CMUT特性的影响进行直观表述,与仿真结果及实验数据之间一致性良好,且与传统单层薄板CMUT模型相比,显著地提高了理论模型的准确度。(3)为提高CMUT的面积效率,增强其作为成像系统元件的成像分辨率,本文提出了一种椭圆形振膜CMUT结构。建立了椭圆形CMUT阵元的频率模型,与相同可动面积下的常规形貌CMUT阵元的特性对比表明,椭圆形振膜CMUT具有较高的一阶工作频率,由其组成的阵列具有较小的主瓣宽度和旁瓣幅值。(4)为适应待测环境内较大的压强变化,设计了带孔振膜CMUT结构。与传统平膜CMUT相比,相同直流偏置电压下带孔振膜CMUT平均形变量减小,吸附电压降低,工作压强耐受范围扩大。同时,带孔振膜CMUT可通过参数调整,实现CMUT工作频率的灵活设计。(5)建立了不同振膜结构CMUT的声场模型,研究了指向性函数的特性,详细分析了阵列设计参数对声场指向性的影响。针对指向性图中出现的旁瓣现象,研究了多种旁瓣抑制优化算法,分别在一维线性阵列和二维平面阵列上有效地降低了旁瓣幅值。(6)针对CMUT振膜特殊结构进行了工艺设计与关键工艺讨论,对器件进行加工制作与后续处理。进行了CMUT形貌测试与残余应力测试,同时,搭建实验测试系统,进行了CMUT力学、电学和声学性能测试,得到不同振膜形貌CMUT的挠度、频率及部分声学特性,并进行了CMUT单元的一致性检验。实验结果验证了本文设计理论与设计思想的正确性。