电容式微超声传感器的电极参数优化设计.pdfVIP

第23卷 第7期 传 感 技 术 学 报 Vo1．23 No．7 2010年 7月 CHINESE JOURNALOFSENSORSANDACTUATORS July2010 OptimizationDesign oftheElectrodeParametersinCapacitive M icromachinedUltrasonicTransducer ZHANGHui ，SONGGuangde，jINShijiu，GUANZhijian，LIUJuan (State研 laboratoryofprecisionmeasuringtechnologyandinstrurwents，TianjinUniversity，Tianjin300072，China) Abstract：ThemetalelectrodeparametersaffecttheperformanceofacMUTcellsuchascollapsevoltage，staticca- pacitance，bandwidth，transformationratioandelectromechanicalcouplingcoefficient，theparametersincludinge· lectrodesize，electrodethickness，electrodematerial，andthepositionoftheelectroderelativetothemembraneof acMUT．Thispaperpresentstheanalysisresultsoftheseeffectsbya2D finiteelementmodel，andtheoptimalpa— rametersofelectrodewithinacMUTarefound，thatis，thecMUT hasalowercollapsevoltage，alargerbandwidth andelectromechanicalcouplingcoefficientwhen theelectrodesizeishalfofthemembranesize．Thedesign and fabricationofcMUTcouldbemorefeasibleaccordingtotheworkofthispaper． Keywords：capacitivemicromachinedultrasonictransducer(cMUT)；collapsevoltage；staticcapacitance；elec- tromechanicalcouplingcoefficient EEACC ：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) 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