电容式微机械超声传感器的建模与分析

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本文首先对电容式微机械超声传感器(CMUT)的发展进程及研究现状进行了综述，另外对 CMUT的设计方法进行了研究，结合等效电路对传感器电学端和机械端的相关参数进行公式推导和理论分析。在采用牺牲层释放加工方法的基础上，分别构建了两类CMUT薄膜结构：圆形薄膜CMUT模型和矩形薄膜CMUT模型。通过对两种结构模型各项尺寸参数的研究，分析了结构变化对性能的影响，得到满足要求的结构模型。我们主要基于影响CMUT性能的两个参数：崩溃电压和共振频率进行分析。
　　通过对圆形薄膜CMUT模型的分析得出了简化模型尺寸参数，包括CMUT模型的薄膜半径、厚度、空腔间隙等参数的变化对结构共振频率以及崩溃电压的影响，分析结果然后初步实现优化模型的创建，为下一步的深入研究提供基础。在分析采用牺牲层释放法的基础上，分别构建了四种采用矩形振动薄膜的CMUT模型，并对四种模型进行了对比分析，得出了实际模型对分析结果的影响，包括 CMUT的薄膜的长、宽、长宽比、厚度等结构参数的变化对结构共振频率及崩溃电压的影响。通过使用有限元仿真软件ANSYS对结构进行静力学分析，模态分析，力电耦合场分析，得到了薄膜的共振频率、薄膜结构尺寸设计参数、崩溃电压等一系列有价值的数据，为以后超声传感器的结构设计以及加工测试提供了理论依据。
　　另外，对 CMUT的频带宽度进行了研究。利用上述圆形薄膜结构分析得到的优化模型分析 CMUT的机电转换比，薄膜的机械阻抗，薄膜电容值，薄膜的共振频率以及电路输入电阻的讨论，分析传感器带宽及带宽增益随频率的变化规律。同时，对影响传感器增益的参数进行了初步的分析。
　　最后，对以后通过对潜在的频带更宽、可以获得更好的图像解析度混合式CMUT，即结合不同尺寸的CMUT形成混合传感器单元的相关工作进行了展望。

著录项

作者
郭庆;
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作者单位

河南大学;

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授予单位河南大学;
学科电路与系统
授予学位硕士
导师姓名张培玉;
年度 2017
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类特种结构材料;
关键词
模态分析; 耦合场分析; 共振频率; 崩溃电压; 有限元仿真; 超声传感器; 薄膜结构;

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