应用于空气耦合超声无损检测的电容式微超声换能器设计

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1、应用于空气耦合超声无损检测的电容式微超声换能器设计DesignofCapacitiveMicromachinedUltrasonicTransducerforAir-coupledUltrasonicNondestructiveTesting工程领域：仪器仪表工程作者姓名：李志指导教师：张慧副教授企业导师：无天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十二月摘要空气耦合超声检测是超声波无损检测中的一种重要方式，其具有非接触、非侵入、扫查速度快、无需耦合剂等特点。空气耦合超声换能器是提高空气耦合超声检测能力，实现多场耦合与能量转换的关键部件。随着微机电系统的

2、发展，一种新型电容式微超声换能器(CMUT)凭借其诸多优点得到了广泛的研究，其具有易于制造阵列并进行批量生产、易于与电路集成、灵敏度高、机电转换效率高等特点，适用于空气耦合超声波检测。本文以空气耦合超声检测为应用目标，设计了一种由16个阵元构成的空气耦合CMUT阵列，采用SOI(silicononinsulator)晶圆键合工艺加工制作，并通过建模仿真和实验测试研究器件性能，具体研究内容如下：(1)根据圆板振动方程建立了CMUT谐振频率理论计算模型；分析CMUT敏感单元各个结构参数对其性能的影响，设计CMUT各组成部分的结构参数；分析CMUT阵列的声场指

3、向性，确定了CMUT阵列的阵元个数和阵元间距；最终设计了一种由圆形振膜构成的16阵元线性CMUT阵列。(2)根据空气耦合CMUT结构和应用环境，建立了有限元仿真分析模型，对CMUT进行静态分析、谐振频率分析和机械静电耦合分析，研究器件性能；基于CMUT平行板电容模型，通过MATLAB/SIMULINK构建CMUT发射和接收仿真模型，分析不同直流偏置电压和交流激励电压下CMUT最大发射声压和接收灵敏度，选择实验测试时的最佳激励条件。(3)根据空气耦合CMUT的结构特点，设计了一种SOI晶圆键合加工工艺；绘制掩膜版图，完成空气耦合CMUT的加工制作与封装；对

4、加工后的空气耦合CMUT阵列进行了力学、电学和声学性能测试分析，包括静态形貌测试、阻抗分析测试、谐振特性测试、阵元一致性检验和声学性能测试。最终实验结果表明CMUT的发射和接收性能良好，并且能够成功激发和接收金属板中A0模态的Lamb波。关键词：电容式微超声换能器(CMUT)，空气耦合，超声无损检测，阵列设计，SOI晶圆键合工艺IABSTRACTAir-coupledultrasonictestingisanimportantmethodinultrasonicnondestructivetestingandhasthecharacteristicsof

5、non-contact,non-invasive,fastscanningandnocouplingagent.Air-coupledultrasonictransduceristhekeycomponenttoimprovetheair-coupledultrasonicnondestructivedetectioncapabilityandachievemulti-fieldcouplingandenergyconversion.Withthedevelopmentofmicroelectro-mechanicalsystem(MEMS),anewt

6、ypeofcapacitivemicro-ultrasonictransducer(CMUT)hasbeenwidelystudiedduetoitsadvantages.Ithastheadvantagesofeasyfabricationofarray,batchproduction,easyintegrationwithcircuit,highsensitivity,highelectromechanicalconversionefficiency.Anditissuitableforair-coupledultrasonicnondestruct

7、iveapplications.Inthispaper,aCMUTarrayof16elementswasdesignedfortheair-coupledultrasonicnondestructivetesting.ItwasfabricatedbySOI(silicononinsulator)waferbondingprocessandwasstudiedbymodelingandexperimentation.Thespecificresearchcontentsareasfollows:(1)Theresonantfrequencytheore

8、ticalmodelofCMUTwasestablishedaccordingt