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(jī)接口等領(lǐng)域具有極其可觀的應(yīng)用前景。實(shí)現(xiàn)低功耗、高機(jī)電耦合系數(shù)CMUTs的研發(fā)是解決上述應(yīng)用需求的關(guān)鍵,而這就需要對(duì)CMUTs機(jī)電耦合系數(shù)的變化規(guī)律及其對(duì)功耗的影響具有更深入的理解。針對(duì)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(jī)電耦合系數(shù)解析式,同時(shí)利用有限元仿真和對(duì)已有CMUTs芯片機(jī)電耦合系數(shù)的試驗(yàn)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證理論解析式的正確性;開展了機(jī)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(guān)系。結(jié)果表明圓形和方形薄膜CMUTs的機(jī)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(zhǔn)確分析不同偏置電壓下的機(jī)電耦合系數(shù)。在相同偏置電壓下,機(jī)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(jié)構(gòu)參數(shù)的CMUTs機(jī)電耦合系數(shù)相同。此外,從功耗與機(jī)電耦合系數(shù)的內(nèi)在關(guān)系研究中可知通過(guò)減小塌陷電壓或提高在低偏置電壓下的機(jī)電耦合系數(shù)則可實(shí)現(xiàn)低功耗和高機(jī)電耦合系數(shù)這兩種相互制約的性能參數(shù)... 

【文章來(lái)源】：機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2020,56(17)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：9 頁(yè)

【部分圖文】：

CMUTs結(jié)構(gòu)示意圖

岫猿頗Ｐ禿腿??邢?元模型的建模方法分別與文獻(xiàn)[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(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。此處，假設(shè)CMUTs薄膜為單層硅薄膜、低阻，同時(shí)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(jié)構(gòu)參數(shù)(μMKSV單位)參數(shù)數(shù)值半徑R/μm25邊長(zhǎng)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(duì)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(jì)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(jié)果對(duì)比

ɡ?求解機(jī)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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別采用多項(xiàng)式函數(shù)，有理數(shù)函數(shù)以及指數(shù)函數(shù)對(duì)電容離散值進(jìn)行擬合。圖3所示為采用三種函數(shù)對(duì)電容離散值擬合的結(jié)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(xiàng)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(duì)電容的有限元仿真結(jié)果進(jìn)行擬合，并求導(dǎo)以計(jì)算CMUTs在不同偏置電壓下的機(jī)電耦合系數(shù)。圖3采用不同函數(shù)對(duì)電容離散值的擬合結(jié)果對(duì)比圖4為圓形薄膜CMUTs機(jī)電耦合系數(shù)的對(duì)比，其中機(jī)電耦合系數(shù)的理論值由式(12)計(jì)算所得。圖4所示仿真和理論計(jì)算結(jié)果均表明機(jī)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(jī)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(gè)偏置電壓變化范圍內(nèi)，機(jī)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(jī)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(jié)果和理論分析值的對(duì)比。圖5中電容的理論分析值由式(21)計(jì)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(jī)電耦合系數(shù)的有限元仿真與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)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(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)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(jié)果與分析結(jié)果很好吻合。在接近于塌陷電壓的整個(gè)電壓變化范圍內(nèi)，仿真結(jié)果和有限元分析結(jié)果之間的最大相對(duì)誤差為1.6%。圖6所示為方形薄膜

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]微電容超聲傳感器的設(shè)計(jì)與測(cè)試[J]. 穆林楓,張文棟,何常德,張睿,宋金龍,薛晨陽(yáng).  儀表技術(shù)與傳感器. 2015(08)



本文編號(hào)：3562100