电容式微超声换能器等效电路模型与优化设计

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1、电容式微超声换能器等效电路模型与优化设计EquivalentCircuitModelingandOptimizationofCapacitiveMicromachinedUltrasonicTransducer学科专业：仪器科学与技术研究生：石建超指导教师：张慧副教授天津大学精密仪器与光电子工程学院2015年12月摘要随着微机电系统的发展，微超声换能器在医学超声成像、工业无损检测、航空航天等领域具有广泛的应用前景。微超声换能器主要包括电容式微超声换能器（CMUT）与压电式微超声换能器（PMUT），相比之下，CMUT具有频带宽、与空气、液体的阻抗匹配性好

2、的优点，具有重要的研究价值。本文以电容式微超声换能器超声成像为应用目标，开展了电容式微超声换能器阵元与阵列的研究工作，主要进行了非线性等效电路模型的建立、SPICE电路的仿真、阵元的优化、阵列的设计与加工等方面的工作。具体研究内容如下：（1）根据电-力-声类比原理，建立了单膜等效电路模型，分析了大气压力对塌陷电压的影响，建立了方形排布的多膜CMUT阵元非线性等效电路模型，对2×2、3×3与4×4三种方形排布的阵元进行优化设计，得到了不同规模阵元振膜的最佳间距。（2）在非线性等效电路模型中构造了辐射阻抗的等效RLC电路，以便进行SPICE仿真。利用SPI

3、CE对单膜等效电路进行了直流分析、交流分析与瞬态分析，得到了器件的塌陷电压、共振频率，探讨了弹簧软化系数对共振频率的影响。（3）利用瑞丽-里兹法计算得到了椭圆形振膜单元的共振频率，利用求解振动方程得到了圆形振膜单元的共振频率，比较了两种求解共振频率的方法，并且使用有限元方法进行了验证。设计了椭圆形振膜阵列与圆形振膜阵列，通过FieldII仿真，比较了两种阵列阵元声场的指向性，对阵元间距、阵列规模、成像半径进行了分析与优化，随后得到了阵列的二维成像仿真图。（4）参考当前的工艺水平，设计了电容式微超声换能器表面硅工艺加工流程，通过L-edit软件设计了加工

4、版图，完成了器件加工。针对加工后的管芯，设计了PCB，方便阵列的存放与测试。（5）利用阻抗分析仪与显微激光多普勒测振仪，对电容式微超声传感器进行了初步测试，得到了器件的阻抗、振膜位移的频率响应曲线，分析了器件的共振频率与寄生电容，并且对声学收发系统电路进行了设计仿真，对超声发射性能进行了初步测试。关键词：微机电系统电容式微超声换能器等效电路瑞丽-里兹法ABSTRACTWiththedevelopmentofmicroelectromechanicalsystem(MEMS),micromachinedultrasonictransducerhaswid

5、eapplicationinthefieldsofmedicalultrasoundimaging,nondestructivetestingandaeronauticsandastronautics.ComparedwithPMUT,CMUTpossessesadvantagessuchashavingwidebandwidth,simplefabrication,impedancematchingbetweenthetransducermembraneandtheairorthefluidofinterest.Therefore,thestudyo

6、fCMUThasimportantscientificvalue.Fortheapplicationinultrasoundimaging,CMUTelementandarrayarestudieddeeplyinthedissertation,whichcoverstheaspectincludingnonlinearequivalentcircuitmodel,simulationandoptimizationofCMUTarrayandcharacteristictesting.Themajorresearchworksofthispaperca

7、nbesummarizedasfollows:(1)AnonlinearcircuitmodelforsinglecapacitivemicromachinedultrasonictransducersisproposedincoupledElectro-Mechano-Acousticdomains.Theinfluenceofatmosphericpressureoncollapsevoltageisanalyzed.ThenonlinearcircuitmodelisusedforCMUTcellsinelementtodesignthreety

8、pesofelementswhosecellsarearrangedin2×2,3×3and4