空气耦合式电容微超声换能器研究

摘要

空气耦合式超声检测技术不需要水浸或耦合剂，具有非接触和完全无损的特点，能够实现快速在线扫查，且适用范围广，在无损检测等领域具有很大优势，而空气耦合式超声换能器是实现力电声多场耦合与能量转换的关键部件。基于MEMS工艺的空气耦合式电容微超声换能器（CMUT）具有阻抗匹配性好、灵敏度高、带宽较宽、体积小、易实现阵列化和易与相关电路集成等优势，因此具有重要的研究价值。
　　本文以空气耦合式超声检测为应用目标，开展了空气耦合式CMUT研究，主要包括不同振膜形貌的CMUT频率特性研究、有限元仿真分析、阵列声场仿真及优化设计、加工与性能测试等。具体研究内容如下：
　　（1）设计了不同振膜形貌的CMUT，根据振动方程建立了圆形振膜和方形振膜CMUT的频率模型，推导出了多层方膜CMUT的谐振频率模型，建立了基于里兹法的椭圆形振膜CMUT的频率模型。
　　（2）根据空气耦合式CMUT结构及应用环境特点，建立了有限元仿真分析模型，对本文频率模型进行了验证，并分析了电极对CMUT频率特性的影响。仿真分析了振膜上的孔和直流偏置电压对CMUT频率特性的影响，得到了带孔CMUT的吸合电压和弹簧软化效应曲线。带孔振膜CMUT可通过调整振膜上孔的参数实现频率灵活设计。
　　（3）分析了不同振膜形貌的CMUT的指向性；利用FieldⅡ软件对CMUT一维线性阵列和二维平面阵列进行了声场分析和阵列设计，得到了一般阵列优化方法和一种稀疏阵列设计优化方法。设计了缺陷检测仿真实验，对圆形振膜CMUT阵列和椭圆形振膜CMUT阵列进行了对比分析。
　　（4）根据本文设计的CMUT结构特点，设计了表面微加工工艺流程对换能器进行加工制作。对各种振膜形貌的CMUT器件进行了力学、电学和声学性能测试分析，得到不同振膜形貌CMUT的残余应力、阻抗、频率特性、振膜位移及部分声学特性。实验结果验证了本文设计的合理性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2空气耦合式超声换能器发展与研究现状

1.3研究内容与文章组织结构

第2章 空气耦合式CMUT性能分析

2.1 CMUT结构与工作原理

2.1不同振膜形貌的CMUT频率模型

2.2电极对CMUT谐振频率的影响

2.3带孔振膜CMUT频率特性分析

2.4直流偏置电压对CMUT谐振频率的影响分析

2.5本章小结

第3章 空气耦合式CMUT阵列设计

3.1阵元优化设计与建模

3.2 CMUT阵列优化分析

3.3一维线性阵列声场仿真及成像分析

3.4本章小结

第4章 空气耦合式CMUT加工与性能测试

4.1 CMUT的加工制造

4.2静态形貌测试分析

4.3残余应力测试分析

4.4阻抗测试与校准

4.5谐振特性测试分析

4.6 CMUT阵元一致性分析

4.7声学性能测试分析

4.8本章小结

第5章 总结与展望

5.1全文总结

5.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢