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【6h】

基于硅晶圆键合的MEMS电容超声传感器研究

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目录

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1.绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究工作

2. MEMS电容式超声传感器的理论建模及特性参数

2.1 MEMS电容式超声传感器的敏感原理

2.2 MEMS电容式超声传感器的频率特性分析

2.3微传感器薄膜振动特性分析

2.4 MEMS电容超声传感器的工作电压

2.5 MEMS电容超声传感器的等效电路

2.6 MEMS电容超声传感器的其他特性参数

2.7本章小结

3.MEMS电容超声传感器结构参数对特性参数的影响

3.1振动薄膜的半径和厚度

3.2振动腔高度

3.3振膜应力

3.4结构尺寸变化对微传感器性能参数的影响

3.5 MEMS电容超声传感器的设计准则及参数确定

3.6本章小节

4.MEMS电容式超声传感阵列的设计分析

4.1 微电容超声传感阵列的成像原理

4.2 指向性能表征指标

4.3 阵列设计总体目标及参数优化

4.4本章小结

5.MEMS电容超声传感器的FEM有限元仿真校验

5.1静力分析

5.2预应力模态分析

5.3电结构耦合分析

5.4 灵敏度分析计算

5.5谐响应分析

5.6 本章小节

6.MEMS电容超声传感器的工艺流片制造与封装

6.1 工艺材料

6.2 工艺流程

6.3 加工流片版图

6.4 传感器阵元和阵列封装的设计与制造

6.5本章小节

7.MEMS电容超声传感器的测试

7.1 光学形貌测试

7.2 静态电容测试

7.3 4284偏压电CV特性测试

7.4 多普勒振动测试

7.5 本章小结

8.总结与展望

8.1 工作总结

8.2 论文创新点

8.3 工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢

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摘要

基于MEMS电容式超声传感器相比于目前市场上广泛使用的压电陶瓷类换能器的诸多技术优越性,为满足超声成像的应用需求,本文对基于硅晶片键合的微电容超声传感器进行研究。通过建立理论模型,进行了传感器结构参数分析;设计微传感器结构,采用有限元方法校验;结合加工条件,进行了实际传感器的制作;对制造的传感器实物进行了性能测试。围绕上述四项内容,本文开展了多方面的研究工作,具体内容及结论包括以下几点:
  (1)对目前国内外电容式微传感器的研究和发展进行调研。在对超声传感器的工作原理、性能指标、分类进行调研的基础上,分析目前市场上现有超声传感器的技术缺陷。结合MEMS技术的优点,提出基于硅晶片键合的MEMS电容振动薄膜结构超声传感器作为本文的研究对象。
  (2)建立了MEMS电容式微加工超声传感器的理论建模,包括集总机电模型和等效电路模型。从解析角度,分析了传感器的工作原理、频率特性、塌陷电压输出声压、机电耦合系数性能指标。
  (3)研究了微电容传感器结构参数对性能的影响。得出微传感器振动厚度、半径、应力、振动腔高等对于器件机械阻抗、工作频率、工作电压、机电传输比、接收灵敏度、输出声压等的影响规律,优化设计了微传感器敏感结构。
  (4)优化设计了MEMS电容超声传感器阵列。在对波束扫查方式、波束形成及聚焦偏转控制的分析基础上,阐明了传感阵列的成像原理并引入其性能评价指标。通过对阵列参数进行仿真优化,提出阵列的总体设计四则目标和具体实现方法,确定了整体阵列参数。
  (5)通过有限元FEM仿真,验证了设计传感器的性能。通过静力特性仿真,验证了传感器的强度和可靠性;模态分析,确定了传感器的工作频率和振型;电结构耦合分析,得到了传感器的工作电压;研究了微传感器的灵敏度特性;谐响应分析,得到了传感器的频率响应。
  (6)设计了传感器的工艺流程及传感器加工版图,加工制造了传感器实物。首先,根据微传感器基于的晶片键合加工工艺,给出了加工中使用的硅片及SOI晶片材料参数,并说明选材原因及好处;其次,结合加工单位优势,设计了本文微传感器的实际加工流程;然后,根据加工流程及微传感器结构特点,设计了涵盖单元微传感器及阵列传感器的结构版图;完成MEMS电容超声传感器的流片制造,制作出微传感器实物;最后,针对微传感单元微传感器及阵列传感器,设计制作了适合的封装。
  (7)对加工的传感器性能进行测试表征。采用扫描电子显微镜SEM、光学轮廓仪Veeco、LEXT激光显微镜、Polytec激光多普勒多功能测试仪、阻抗分析仪Aglient4284等对传感器的结构形貌、电学性能、机械振动特性进行了测试表征,验证了传感器的性能。

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