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

摘要

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(silicon on insulator)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。

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