电容式微加工超声传感器（CMUT）仿真与制造流程

摘要

在超声领域，压电超声传感器是应用较为广泛的一种声电转换元件。但由于传统的压电传感器存在着空气与普通的压电材料之间声阻抗失配(空气的声阻抗约为0.0004MRayl、而压电材料的声阻抗为10～20MRayl)因此压电超声传感器在空气中的发送与接受效率相当低。随着MEMS技术的发展，一种全新的超声传感器已经出现，它就是电容式微加工超声传感器(CMLUT)。由于其采用了表面微加工等微加工工艺，很好地克服了压电传感器的许多缺点，其本身体积小、成本低、可以与前端和后端处理电路整合到一块芯片上，因此能有效的降低电路的寄生电容，提高信噪比，大有取代压电传感器之势。 本文首先提出CMUT的等效电路模型，然后对CMUT的薄膜振动情况以及加直流偏压以后的受力情况进行分析，推导出等效电路模型中各项参数的计算公式。接下来介绍与验证进行CMUT仿真的两种方法：一种是采用MATLAB与PSPICE结合的方法，利用MATLAB计算由推导公式得到等效电路的各项参数然后通过PSPICE建立电路模型进行电路仿真；另一种是采用有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)的方法分别建立CMUT的二维轴对称模型和三维声场模型然后仿真。然后设计所需制造的CMUT结构尺寸，并进行仿真。然后结合国内的实际加工能力设计实际的CMVT制造流程与加工所需的掩模板，并对制造版图进行整体布局。最后设计CMUT的封装使其能具有防尘、与外围电路连接方便的特点，并介绍了CMUT基于仪器的基本参数测试方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景与目的

1.1.1研究背景

1.1.2研究目的

1.2研究现状

1.3研究流程

第二章CMUT的原理与公式推导

2.1 CMUT的基本结构与工作原理

2.2 CMUT的等效电路

2.3公式的推导

2.3.1 CMUT的力电分析

2.3.2振动膜的振动公式推导

2.4 CMUT的工作方式

第三章CMUT的仿真与结构设计

3.1 CMUT结构尺寸的影响

3.1.1薄膜厚度的影响

3.1.2薄膜半径的影响

3.1.3残余应力的影响

3.1.4其它参数的影响

3.2使用MATLAB与PSPICE联合仿真

3.2.1等效电路各项参数的计算

3.2.2电波在传输线中的传播

3.2.3声波在介质中的传播

3.2.4声传播的等效电路

3.2.5 PSPICE模型

3.3使用ANSYS进行仿真

3.3.1有限元简介

3.3.2耦合场分析介绍

3.3.3 CMUT的二维模型

3.3.4 CMUT的三维模型

3.4.结构尺寸设计

第四章CMUT的制造流程与光刻掩模设计

4.1 MEMS加工技术介绍

4.1.1精密及超精密加工技术

4.1.2硅基MEMS技术

4.1.3 LIGA技术

4.1.4其它加工技术

4.2两种典型的CMUT制造流程

4.2.1采用体硅技术加工

4.2.2采用表面微加工技术加工

4.3本文的CMUT制造流程

4.3.1制造工艺流程与掩模

4.3.2掩模对准设计

4.3.3版图整体布局

第五章CMUT的封装与测试系统研究

5.1 MEMS封装技术

5.2封装盖的设计

5.3防尘的考虑

5.4基座、封装盖的制造流程及最终封装

5.5 CMUT的基本参数测试方法

5.5.1电性能测试

5.5.2脉冲回波测试

第六章全文总结与工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢