基于Si-SOI键合的微电容超声波换能器设计

【摘要】微电容超声波换能器（CMUT）具有高灵敏度、宽频带、高机电转换效率、硅材料与介质阻抗匹配好、易于加工尺寸多样的微型器件、适合制造大阵列、批量化生产等优势，在工业控制、环保设备、医疗设备、航空航天及水下探测等领域有迫切的需求和广泛的应用前景，因此对CMUT的研究具有极其重要的科研价值和实用意义。本文基于平板电容原理，结合Si-SOI低温键合技术，设计了一种引线交错式的CMUT结构，期望能减小器件的寄生电容，降低电容检测难度，从而提高换能器的灵敏度。本论文针对器件原理和设计方法、器件加工的关键技术等开展了较为详细的研究，为器件的设计及加工提供技术积累和实验支持。本论文具体研究内容如下：（1）对CMUT进行了理论分析。在机械域，根据振动理论，分析了在均布载荷及静电力作用下薄膜振动行为；从力-电耦合的角度，建立器件的平行板电容模型，得到了CMUT结构的塌陷电压、最大发射声压、接收灵敏度；采用机电类比的方法，建立了等效电路模型，得到薄膜机械阻抗、静态电容、转换系数等参数表达式，建立了完善的CMUT理论体系。（2）通过MATLAB仿真，得到关键性能参数与结构尺寸之间的关系，确定了结构尺寸；利用ANSYS对所设计结构进行了单一场的机械域仿真和多场耦合的静电-机械耦合仿真，得到了器件塌陷电压、工作模式下的谐振频率、所施加的交流电压最大值；通过MATLAB/SIMULINK仿真了所设计结构的发射/接收性能，验证了结构的合理性。（3）结合当前工艺水平，设计了基于Si-SOI低温键合技术的CMUT的工艺流程和加工版图，完成了加工。对其关键工艺、关键步骤进行了仿真和实验研究,包括热氧、离子注入、Si-SOI低温键合、SOI衬底硅的腐蚀等。得到了简单、合理的CMUT加工新方法。（4）利用激光显微镜、拉曼光谱仪、微系统分析仪、阻抗分析仪，对换能器进行初步测试，包括形貌测试、残余应力测试、谐振频率测试、发射性能测试、电容及谐振频率的一致性测试，验证了换能器的性能。
【作者】于佳琪；
【导师】张文栋；
【作者基本信息】中北大学，仪器仪表工程，2014，硕士
【关键词】MEMS；CMUT；ANSYS；Si-SOI低温键合；

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