電容式微加工超聲換能器（CMUTs）在便攜式超聲成像與治療、家庭超聲診斷系統(tǒng)、基于超聲波的非接觸式人機接口等領域具有極其可觀的應用前景。實現(xiàn)低功耗、高機電耦合系數(shù)CMUTs的研發(fā)是解決上述應用需求的關鍵,而這就需要對CMUTs機電耦合系數(shù)的變化規(guī)律及其對功耗的影響具有更深入的理解。針對圓形和方形薄膜CMUTs,利用基于固定電容和自由電容比值的原理建立了圓形和方形薄膜CMUTs的機電耦合系數(shù)解析式,同時利用有限元仿真和對已有CMUTs芯片機電耦合系數(shù)的試驗測試來驗證理論解析式的正確性;開展了機電耦合系數(shù)的參數(shù)化研究;建立了CMUTs功耗與偏置電壓之間的函數(shù)關系。結果表明圓形和方形薄膜CMUTs的機電耦合系數(shù)解析式能在低于塌陷電壓96%的偏置電壓范圍內(nèi)準確分析不同偏置電壓下的機電耦合系數(shù)。在相同偏置電壓下,機電耦合系數(shù)隨著空腔高度增加而降低,但隨著薄膜半徑增大而增加;在相同偏置電壓/塌陷電壓比下,具有不同結構參數(shù)的CMUTs機電耦合系數(shù)相同。此外,從功耗與機電耦合系數(shù)的內(nèi)在關系研究中可知通過減小塌陷電壓或提高在低偏置電壓下的機電耦合系數(shù)則可實現(xiàn)低功耗和高機電耦合系數(shù)這兩種相互制約的性能參數(shù)... 

【文章來源】：機械工程學報. 2020,56(17)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

CMUTs結構示意圖

岫猿頗Ｐ禿腿??邢?元模型的建模方法分別與文獻[11-12]相同。用于仿真分析的圓形薄膜和方形薄膜CMUTs的主要結構參數(shù)如表2所示。此處，假設CMUTs薄膜為單層硅薄膜、低阻，同時用做上電極，其材料參數(shù)如表3所示。表2圓形和方形薄膜CMUTs結構參數(shù)(μMKSV單位)參數(shù)數(shù)值半徑R/μm25邊長2a/μm60薄膜厚度h/μm1空腔高度d/μm0.6表3材料性能參數(shù)(μMKSV單位)參數(shù)SiSiO2Al真空彈性模量/103MPa16973.167.6—泊松比0.290.170.35—相對介電常數(shù)11.83.8—1圖2所示為圓形薄膜CMUTs在不同偏置電壓作用下電容的有限元仿真值與理論分析值比較。電容的理論分析值用式(7)計算。圖2中有限元仿真圖2圓形薄膜CMUTs在不同偏置電壓作用下電容的有限元仿真與理論分析結果對比

ɡ?求解機電耦合系數(shù)。以圓形薄膜CMUTs為例，從仿真數(shù)據(jù)中篩選10個數(shù)據(jù)點，分別采用多項式函數(shù)，有理數(shù)函數(shù)以及指數(shù)函數(shù)對電容離散值進行擬合。圖3所示為采用三種函數(shù)對電容離散值擬合的結果。從圖3中可以看出指數(shù)函數(shù)能更好擬合CMUTs電容隨偏置電壓的變化規(guī)律，與多項式函數(shù)和有理函數(shù)相比，其殘余誤差平方和最小，為8.4×1010。因此，采用指數(shù)函數(shù)對電容的有限元仿真結果進行擬合，并求導以計算CMUTs在不同偏置電壓下的機電耦合系數(shù)。圖3采用不同函數(shù)對電容離散值的擬合結果對比圖4為圓形薄膜CMUTs機電耦合系數(shù)的對比，其中機電耦合系數(shù)的理論值由式(12)計算所得。圖4所示仿真和理論計算結果均表明機電耦合系數(shù)隨著偏置電壓的增加而增大，但在低偏置電壓下機電耦合系數(shù)增加緩慢，在接近于塌陷電壓的電壓范圍迅速增大。在整個偏置電壓變化范圍內(nèi)，機電耦合系數(shù)的有限元仿真與理論分析值之間具有很好的一致性。這表明式(12)能很好地分析圓形薄膜CMUTs在不同偏置電壓下的機電耦合系數(shù)。圖5所示為方形薄膜CMUTs在不同偏置電壓作用下電容的有限元仿真結果和理論分析值的對比。圖5中電容的理論分析值由式(21)計算所得。方形薄膜CMUTs塌陷電壓為100V。從圖5中可圖4圓形薄膜CMUTs在不同偏置電壓下機電耦合系數(shù)的有限元仿真與理論計算結果對比圖5方形薄膜CMUTs在不同偏置電壓下電容的有限元仿真結果與理論計算結果的對比以看出，在偏置電壓從0V增加到96V的變化范圍內(nèi)，電容的仿真結果與分析結果很好吻合。在接近于塌陷電壓的整個電壓變化范圍內(nèi)，仿真結果和有限元分析結果之間的最大相對誤差為1.6%。圖6所示為方形薄膜

【參考文獻】：
期刊論文
[1]微電容超聲傳感器的設計與測試[J]. 穆林楓,張文棟,何常德,張睿,宋金龍,薛晨陽.  儀表技術與傳感器. 2015(08)



本文編號：3562100