[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

说明书

本发明公开了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，步骤如下：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；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；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。该方法提出了ANSYS有限元模型及三类薄膜模型，同时使用有限元方法对电容式微加工超声传感器(CMUT)的运行情况进行模拟，分析了CMUT不同薄膜结构对其性能的影响。

技术领域

本发明涉及微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,简称MEMS)技术领域，具体涉及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。

背景技术

超声波为近代新兴的研究与应用领域，当声波频率高于20kHz时称为超声波。超声波具有方向性好、穿透能力强和信息携带量大等特征，在超声波医学扫描、无损检测和工业等领域应用广泛。在超声波实际应用中，超声传感器正是用于机械能与电能相互转换的核心器件。目前应用最广泛的超声传感器是压电式超声传感器。

随着微机电系统(MEMS)和纳米技术的快速兴起，一种新型的超声传感器正在得到越来越多的研究和应用。

大部分超声波传感器都是基于测量声波在介质中的传播时间，为了完成检测效果，超声波传感器必须具备发射和接收超声波的功能。发射模式下，发射元件将高频电振动转换为机械振动产生超声波信号，接收模式下，接收元件将超声波的振动转换为电信号被检测。

根据不同的工作原理，传感器可分为电阻式传感器、电感式传感器、压电式传感器和电容式传感器等。

压电式超声传感器是通过压电元件受力后产生的压电效应完成超声波的发射和接收。其作为传统的超声传感器类型，应用范围广。

随着社会需求的发展，压电式超声传感器的缺点渐渐显露，比如压电材料声阻抗太大等。而电容式超声传感器相比具有很多优势，比如阻抗与气体和液体的阻抗接近、具有更高宽带、工作频率范围更大等。这也使得它渐渐成为了传统压电式超声传感器之后的另一种选择。

基于以上分析，传感器向小型化和集成化发展成为一个必然趋势，电容式微加工超声传感器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,简称CMUT)就是这种发展中的一种产物。CMUT具有很多明显的优势：CMUT具有更高的带宽；拥有更大的工作频率范围；CMUT阵列可与电子电路集成在芯片上等等。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供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，对CMUT的运行情况进行模拟，分析了CMUT不同薄膜结构对其性能的影响。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

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，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；