基于Si-SOI键合的微电容超声波换能器设计

摘要

微电容超声波换能器(CMUT)具有高灵敏度、宽频带、高机电转换效率、硅材料与介质阻抗匹配好、易于加工尺寸多样的微型器件、适合制造大阵列、批量化生产等优势,在工业控制、环保设备、医疗设备、航空航天及水下探测等领域有迫切的需求和广泛的应用前景,因此对CMUT的研究具有极其重要的科研价值和实用意义。
　　本文基于平板电容原理,结合Si-SOI低温键合技术,设计了一种引线交错式的CMUT结构,期望能减小器件的寄生电容,降低电容检测难度,从而提高换能器的灵敏度。本论文针对器件原理和设计方法、器件加工的关键技术等开展了较为详细的研究,为器件的设计及加工提供技术积累和实验支持。本论文具体研究内容如下:
　　(1)对CMUT进行了理论分析。在机械域,根据振动理论,分析了在均布载荷及静电力作用下薄膜振动行为;从力-电耦合的角度,建立器件的平行板电容模型,得到了CMUT结构的塌陷电压、最大发射声压、接收灵敏度;采用机电类比的方法,建立了等效电路模型,得到薄膜机械阻抗、静态电容、转换系数等参数表达式,建立了完善的CMUT理论体系。
　　(2)通过MATLAB仿真,得到关键性能参数与结构尺寸之间的关系,确定了结构尺寸;利用ANSYS对所设计结构进行了单一场的机械域仿真和多场耦合的静电-机械耦合仿真,得到了器件塌陷电压、工作模式下的谐振频率、所施加的交流电压最大值;通过MATLAB/SIMULINK仿真了所设计结构的发射/接收性能,验证了结构的合理性。
　　(3)结合当前工艺水平,设计了基于Si-SOI低温键合技术的CMUT的工艺流程和加工版图,完成了加工。对其关键工艺、关键步骤进行了仿真和实验研究,包括热氧、离子注入、Si-SOI低温键合、SOI衬底硅的腐蚀等。得到了简单、合理的CMUT加工新方法。
　　(4)利用激光显微镜、拉曼光谱仪、微系统分析仪、阻抗分析仪,对换能器进行初步测试,包括形貌测试、残余应力测试、谐振频率测试、发射性能测试、电容及谐振频率的一致性测试,验证了换能器的性能。

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1．绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状及发展动态

1.3 本文主要研究内容

2．微电容超声波换能器的理论分析

2.1 结构及原理

2.2 薄板振动理论及谐振频率

2.3 CMUT平行板电容模型

2.4 CMUT等效电路模型

2.5 本章小结

3．微电容超声波换能器的设计与仿真

3.1 结构尺寸的设定

3.2 有限元仿真

3.3 MATLAB/SIMULINK 接收发射性能仿真

3.4 本章小结

4．微电容超声波换能器的加工

4.1 器件的加工流程和版图设计

4.2 关键工艺研究

4.3 本章小结

5．微电容超声波换能器的初步测试

5.1 芯片形貌测试

5.2 残余应力测试

5.3 谐振频率及发射性能测试

5.4 阵元一致性测试

5.5 本章总结

6．总结与展望

6.1 研究工作总结

6.2 论文创新点

6.3 工作展望

参考文献

攻读硕士期间主要研究工作及所取得的研究成果

致谢