發(fā)布時間：2018-07-10 12:07

  本文選題：MEMS + CMUT��； 參考：《中北大學(xué)》2014年碩士論文

【摘要】：微電容超聲波換能器（CMUT）具有高靈敏度、寬頻帶、高機電轉(zhuǎn)換效率、硅材料與介質(zhì)阻抗匹配好、易于加工尺寸多樣的微型器件、適合制造大陣列、批量化生產(chǎn)等優(yōu)勢，在工業(yè)控制、環(huán)保設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、航空航天及水下探測等領(lǐng)域有迫切的需求和廣泛的應(yīng)用前景，因此對CMUT的研究具有極其重要的科研價值和實用意義。 本文基于平板電容原理，結(jié)合Si-SOI低溫鍵合技術(shù)，，設(shè)計了一種引線交錯式的CMUT結(jié)構(gòu)，期望能減小器件的寄生電容，降低電容檢測難度，從而提高換能器的靈敏度。本論文針對器件原理和設(shè)計方法、器件加工的關(guān)鍵技術(shù)等開展了較為詳細(xì)的研究，為器件的設(shè)計及加工提供技術(shù)積累和實驗支持。本論文具體研究內(nèi)容如下： （1）對CMUT進行了理論分析。在機械域，根據(jù)振動理論，分析了在均布載荷及靜電力作用下薄膜振動行為；從力-電耦合的角度，建立器件的平行板電容模型，得到了CMUT結(jié)構(gòu)的塌陷電壓、最大發(fā)射聲壓、接收靈敏度；采用機電類比的方法，建立了等效電路模型，得到薄膜機械阻抗、靜態(tài)電容、轉(zhuǎn)換系數(shù)等參數(shù)表達式，建立了完善的CMUT理論體系。 （2）通過MATLAB仿真，得到關(guān)鍵性能參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系，確定了結(jié)構(gòu)尺寸；利用ANSYS對所設(shè)計結(jié)構(gòu)進行了單一場的機械域仿真和多場耦合的靜電-機械耦合仿真，得到了器件塌陷電壓、工作模式下的諧振頻率、所施加的交流電壓最大值；通過MATLAB/SIMULINK仿真了所設(shè)計結(jié)構(gòu)的發(fā)射/接收性能，驗證了結(jié)構(gòu)的合理性。 （3）結(jié)合當(dāng)前工藝水平，設(shè)計了基于Si-SOI低溫鍵合技術(shù)的CMUT的工藝流程和加工版圖，完成了加工。對其關(guān)鍵工藝、關(guān)鍵步驟進行了仿真和實驗研究,包括熱氧、離子注入、Si-SOI低溫鍵合、SOI襯底硅的腐蝕等。得到了簡單、合理的CMUT加工新方法。 （4）利用激光顯微鏡、拉曼光譜儀、微系統(tǒng)分析儀、阻抗分析儀，對換能器進行初步測試，包括形貌測試、殘余應(yīng)力測試、諧振頻率測試、發(fā)射性能測試、電容及諧振頻率的一致性測試，驗證了換能器的性能。
[Abstract]:Micro capacitive ultrasonic transducer (CMUT) has the advantages of high sensitivity, wide frequency band, high electromechanical conversion efficiency, good matching between silicon material and dielectric impedance, easy processing of micro devices of various sizes, suitable for manufacturing large arrays and mass production, etc. In the fields of industrial control, environmental protection equipment, medical equipment, aerospace and underwater detection and other fields, there is an urgent need and wide application prospects, so the research of CMUT has extremely important scientific research value and practical significance. Based on the principle of plate capacitance and the Si-SOI low temperature bonding technology, this paper designs a kind of CMUT structure with lead interleaving, which is expected to reduce the parasitic capacitance of the device, reduce the difficulty of capacitance detection, and improve the sensitivity of the transducer. In this paper, the principle and design method of the device, the key technology of device processing and so on are studied in detail, which provides the technical accumulation and experimental support for the design and fabrication of the device. The main contents of this thesis are as follows: (1) theoretical analysis of CMUT. In the mechanical domain, according to the vibration theory, the film vibration behavior under uniform load and electrostatic force is analyzed, the parallel plate capacitance model of the device is established from the angle of mechanical-electric coupling, the collapse voltage of CMUT structure and the maximum emission sound pressure are obtained. Receiving sensitivity, using electromechanical analogy method, the equivalent circuit model is established, and the expressions of membrane mechanical impedance, static capacitance and conversion coefficient are obtained, and a perfect CMUT theoretical system is established. (2) Simulation by MATLAB, The relationship between the key performance parameters and the structure size is obtained and the structure size is determined. The single-field mechanical simulation and the electrostatic-mechanical coupling simulation of the designed structure are carried out with ANSYS, and the device collapse voltage is obtained. The resonant frequency in the working mode, the maximum AC voltage applied, the emulation of the transmission / reception performance of the designed structure by MATLAB / Simulink, and the rationality of the structure are verified. (3) combining with the current process level, The process and layout of CMUT based on Si-SOI low temperature bonding technology are designed. The key processes and key steps are simulated and experimentally studied, including thermal oxygen, silicon corrosion of Si-SOI substrate bonded by ion implantation at low temperature, and so on. A simple and reasonable new method of CMUT processing is obtained. (4) the preliminary measurement of the transducer, including morphology test, residual stress test, using laser microscope, Raman spectrometer, microsystem analyzer, impedance analyzer, etc. Resonance frequency test, emission performance test, capacitance and resonant frequency consistency test, verify the performance of the transducer.
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TB552

【參考文獻】

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本文編號：2113346