电容式微超声传感器的电极参数优化设计.pdf

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1、第23卷第7期传感技术学报Vo1．23No．7CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSJuly20102010年7月OptimizationDesignoftheElectrodeParametersinCapacitiveMicromachinedUltrasonicTransducerZHANGHui，SONGGuangde，jINShijiu，GUANZhijian，LIUJuan(State研laboratoryofprecisionmeasuringtechnologyandinstrurwents，TianjinUniversity，Ti

2、anjin300072，China)Abstract：ThemetalelectrodeparametersaffecttheperformanceofacMUTcellsuchascollapsevoltage，staticca-pacitance，bandwidth，transformationratioandelectromechanicalcouplingcoefficient，theparametersincludinge·lectrodesize，electrodethickness，electrodematerial，andthepositionoftheelect

3、roderelativetothemembraneofacMUT．Thispaperpresentstheanalysisresultsoftheseeffectsbya2Dfiniteelementmodel，andtheoptimalpa—rametersofelectrodewithinacMUTarefound，thatis，thecMUThasalowercollapsevoltage，alargerbandwidthandelectromechanicalcouplingcoeficientwhentheelectrodesizeishalfofthemembrane

4、size．ThedesignandfabricationofcMUTcouldbemorefeasibleaccordingtotheworkofthispaper．Keywords：capacitivemicromachinedultrasonictransducer(cMUT)；collapsevoltage；staticcapacitance；elec-tromechanicalcouplingcoeficientEEACC：2575；7820电容式微超声传感器的电极参数优化设计张慧，宋光德，靳世久，官志坚，刘娟(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072)

5、摘要：建立了电容式微超声传感器(cMUT)的有限元模型，通过对模型进行静电一结构耦合仿真分析，研究了金属电极的结构参数包括电极面积、电极厚度、电极材料以及电极相对与薄膜的位置等参数的变化对传感器性能的影响。分析了电极参数与传感器吸合电压，静态电容，机电转换比以及机电耦合系数的关系，最后得到了优化的电极结构参数，即金属电极面积为传感器振动薄膜面积的一半时，传感器具有较低的吸合电压和较大带宽值及机电耦合系数。关键词：电容式微超声传感器(cMUT)；吸合电压；静态电容；机电耦合系数中图分类号：TP212．1文献标识码：A文章编号：1004—1699(2010)07—0935—04由于传

6、统的压电式超声传感器存在着压电材料要参数进行合理优化，以提高传感器的设计与制作的与工作介质阻抗失配、探测距离短、工作温度范围小效率和正确性j。本文建立了cMUT的二维有限等诸多缺点，使其发展和应用受到了很大制约。近元模型，通过仿真分析，研究了金属电极的面积、厚年来，基于MEMS制作工艺的电容式微超声传感器度、材料、位置等结构参数对传感器的吸合电压、带宽(cMUT)逐渐成为研究热点，cMUT的超声发射源是以及机电耦合系数等性能的影响，得到了优化的电极一层很薄的薄膜，可实现与工作介质的声阻抗匹配，结构参数，为传感器的设计和制作提供了依据。克服了压电传感器阻抗失配的缺陷；利用MEMS微

7、1cMUT的基本结构和工作原理加工技术制作的cMUT尺寸小、自身噪声低、工作温度范围宽，可以将前级驱动电路、前置放大器、信号一个传感器是由许多个相同的cMUT单元按一处理电路等整合到同一硅片上，可广泛应用于超声定间距排列成一维或二维阵列组成的。一个cMUT无损检测及医学成像等众多领域¨J。单元是由振动薄膜、硅基底、绝缘层、金属上电极及由于目前cMUT器件制作周期长而且成本昂贵，边缘支撑组成，其结构如图1所示。硅基底为重掺所以在设计传感器时要尽量对影响其性能的一些主杂硅晶片，用作下