[发明专利]电容式微加工超声传感器三类薄膜模型的有限元分析方法

权利要求书

1.一种电容式微加工超声传感器三类薄膜模型的有限元分析方法，电容式微加工超声传感器包括顶部电极、振动薄膜、边缘支撑体、空腔、绝缘层、掺杂的硅基座，其中，振动薄膜是电容式传感器核心部件，边缘支撑体用于支撑薄膜和顶部电极，形成空腔；绝缘层对传感器起保护作用，防止上下极板相接触时损坏传感器；掺杂的硅基座具有良好导电性能作为底部电极，其特征在于，所述的有限元分析方法包括以下步骤：

S1、对模型进行有限元前处理，首先选择满足条件的单元，用来模拟实际问题中的结构，然后定义实常数和材料常数，建立振动薄膜的三维有限元模型，并对模型进行网格划分；

S2、进行模型的分析计算，确定模型的分析类型，给模型施加边界条件，给结构施加静电力载荷，并对模型进行求解；

S3、对模型进行有限元后处理，对模型的分析计算完成以后，需要显示求解的结果，并对结果进行观察及分析。

2.根据权利要求1所述的电容式微加工超声传感器三类薄膜模型的有限元分析方法，其特征在于，所述的步骤S1、对模型进行有限元前处理包括：

S11、选择满足条件的单元，用来模拟实际问题中的结构，根据分析，确定需要分析的模型是三维模型，而且薄膜材料是非线性的，选用SOLID186单元来模拟振动薄膜，选用机电转换器单元TRANS126来模拟空腔，边缘支撑体的作用是用于固定薄膜和顶部电极的边界，此作用在有限元模型中通过设置约束条件来实现，省去边缘支撑体和底部基座的模拟；

S12、定义实常数和材料常数，其中，实常数包括振动薄膜的几何尺寸、施加在两电极间直流偏置电压以及空腔厚度，振动薄膜的材料采用氮化硅；

S13、建立振动薄膜的三维有限元模型，省略边缘支撑体和底部基座并利用振动薄膜的对称性，建立三维模型，通过添加对称的约束条件来分析整个传感器；

S14、根据计算精度和运算时间需求对模型进行网格划分。

3.根据权利要求1所述的电容式微加工超声传感器三类薄膜模型的有限元分析方法，其特征在于，所述的步骤S2、进行模型的分析计算包括：

S21、确定模型的分析类型，其中分析对象是三类薄膜受到静电压力后的形变分布，即求解各个模型在外部载荷作用下的位移情况，此分析属于结构静力分析，以及研究计算模型结构振动特性，即求解结构固有频率和振型，此分析属于模态分析；

S22、给模型施加边界条件，在模型中选择所有边缘上的面作为需要施加固定约束的面；

S23、给结构施加静电力载荷，分析模型在载荷作用下的响应；

S24、对模型进行静力分析。薄膜和空腔厚度都不变，均取直流偏压50V，分别对三类薄膜模型进行有限元分析，并作出薄膜总体形变分布图和薄膜沿X轴方向到中心距离的形变分布曲线；

S25、对模型进行模态分析，用有限元方法对CMUT进行模态分析，分析其自身的固有振动频率和相应的模态振型，制作其对应的前六阶固有振动频率表。

4.根据权利要求1所述的电容式微加工超声传感器三类薄膜模型的有限元分析方法，其特征在于，所述的步骤S3、对模型进行有限元后处理包括：

S31、求解静力荷载对薄膜形变分布的影响，结合各类薄膜总体形变分布图和薄膜沿X轴方向到中心距离的形变分布曲线；

S32、求解各类薄膜的模态分析，结合各类薄膜对应的前六阶固有振动频率表。

5.根据权利要求1所述的电容式微加工超声传感器三类薄膜模型的有限元分析方法，其特征在于，所述的对模型进行网格划分的方式包括自由网格划分和映射网格划分。