CMUTs机电耦合系数解析式及其对功耗的影响

发布时间：2022-01-01 09:34

　　电容式微加工超声换能器（CMUTs）在便携式超声成像与治疗、家庭超声诊断系统、基于超声波的非接触式人机接口等领域具有极其可观的应用前景。实现低功耗、高机电耦合系数CMUTs的研发是解决上述应用需求的关键,而这就需要对CMUTs机电耦合系数的变化规律及其对功耗的影响具有更深入的理解。针对圆形和方形薄膜CMUTs,利用基于固定电容和自由电容比值的原理建立了圆形和方形薄膜CMUTs的机电耦合系数解析式,同时利用有限元仿真和对已有CMUTs芯片机电耦合系数的试验测试来验证理论解析式的正确性;开展了机电耦合系数的参数化研究;建立了CMUTs功耗与偏置电压之间的函数关系。结果表明圆形和方形薄膜CMUTs的机电耦合系数解析式能在低于塌陷电压96%的偏置电压范围内准确分析不同偏置电压下的机电耦合系数。在相同偏置电压下,机电耦合系数随着空腔高度增加而降低,但随着薄膜半径增大而增加;在相同偏置电压/塌陷电压比下,具有不同结构参数的CMUTs机电耦合系数相同。此外,从功耗与机电耦合系数的内在关系研究中可知通过减小塌陷电压或提高在低偏置电压下的机电耦合系数则可实现低功耗和高机电耦合系数这两种相互制约的性能参数... 

【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(17)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

CMUTs结构示意图

岫猿颇Ｐ秃腿??邢?元模型的建模方法分别与文献[11-12]相同。用于仿真分析的圆形薄膜和方形薄膜CMUTs的主要结构参数如表2所示。此处，假设CMUTs薄膜为单层硅薄膜、低阻，同时用做上电极，其材料参数如表3所示。表2圆形和方形薄膜CMUTs结构参数(μMKSV单位)参数数值半径R/μm25边长2a/μm60薄膜厚度h/μm1空腔高度d/μm0.6表3材料性能参数(μMKSV单位)参数SiSiO2Al真空弹性模量/103MPa16973.167.6—泊松比0.290.170.35—相对介电常数11.83.8—1图2所示为圆形薄膜CMUTs在不同偏置电压作用下电容的有限元仿真值与理论分析值比较。电容的理论分析值用式(7)计算。图2中有限元仿真图2圆形薄膜CMUTs在不同偏置电压作用下电容的有限元仿真与理论分析结果对比

ɡ?求解机电耦合系数。以圆形薄膜CMUTs为例，从仿真数据中筛选10个数据点，分别采用多项式函数，有理数函数以及指数函数对电容离散值进行拟合。图3所示为采用三种函数对电容离散值拟合的结果。从图3中可以看出指数函数能更好拟合CMUTs电容随偏置电压的变化规律，与多项式函数和有理函数相比，其残余误差平方和最小，为8.4×1010。因此，采用指数函数对电容的有限元仿真结果进行拟合，并求导以计算CMUTs在不同偏置电压下的机电耦合系数。图3采用不同函数对电容离散值的拟合结果对比图4为圆形薄膜CMUTs机电耦合系数的对比，其中机电耦合系数的理论值由式(12)计算所得。图4所示仿真和理论计算结果均表明机电耦合系数随着偏置电压的增加而增大，但在低偏置电压下机电耦合系数增加缓慢，在接近于塌陷电压的电压范围迅速增大。在整个偏置电压变化范围内，机电耦合系数的有限元仿真与理论分析值之间具有很好的一致性。这表明式(12)能很好地分析圆形薄膜CMUTs在不同偏置电压下的机电耦合系数。图5所示为方形薄膜CMUTs在不同偏置电压作用下电容的有限元仿真结果和理论分析值的对比。图5中电容的理论分析值由式(21)计算所得。方形薄膜CMUTs塌陷电压为100V。从图5中可图4圆形薄膜CMUTs在不同偏置电压下机电耦合系数的有限元仿真与理论计算结果对比图5方形薄膜CMUTs在不同偏置电压下电容的有限元仿真结果与理论计算结果的对比以看出，在偏置电压从0V增加到96V的变化范围内，电容的仿真结果与分析结果很好吻合。在接近于塌陷电压的整个电压变化范围内，仿真结果和有限元分析结果之间的最大相对误差为1.6%。图6所示为方形薄膜

【参考文献】：
期刊论文
[1]微电容超声传感器的设计与测试[J]. 穆林枫,张文栋,何常德,张睿,宋金龙,薛晨阳.  仪表技术与传感器. 2015(08)



本文编号：3562100