采用牺牲层技术的电容式微机械超声传感器的仿真与分析

郭 庆 李 妍 高 尚 张培玉

(河南大学物理与电子学院，河南 开封 475000)

引言

超声被广泛应用于人类社会的许多领域，包括医学成像、无损检测和超声处理、工业清洗等。自从Curie兄弟在1 880年发现压电传感器中的压电效应以来[1]，压电换能器得到了很大的发展。从20世纪40年代开始，压电换能器就一直占据着主导地位[2-4]。然而，由于阻抗不匹配等原因，使得压电换能器在空气和液体中的应用受到很大的限制[5-6]，并且压电材料的微加工工艺也限制了电容式微超声传感器(CMUT)的工作频率范围[7-8]。

随着MEMS技术的发展,催生了电容式微超声传感器[9-10]。在超声成像领域，与占有统治地位的压电超声传感器相比，CMUT具有很多优点，展现出即将取代压电传感器之势。超声传感器是能把电能转换成声能或将声能转换为电能的装置，由于采用微加工技术，较好地克服了压电换能器的许多缺点[11]，并且使微小尺寸结构(包括CMUT单元)和结构中电容间隙即使在亚微米范围内，也很容易实现[12-13]。

为了更好地研究CMUT，许多研究人员建立了CMUT模型来模拟CMUT的特性[14-15]。以往大都研究单一的CMUT单元，大多数的分析模型是基于文献 [16-18] 提出的数学理论构建的。早期的数学仿真模型可用来描述由于偏置直流电压作用下膜的静态偏移[17]，该模型将CMUT近似为一个弹簧质量块的一阶系统。这一模型可以定性地说明CMUT一些特性，但是对于CMUT特性的定量分析还是显得过于简单。之后，文献[18-20]提出的模型更为接近实际CMUT结构。

CMUT建模是CMUT研究的重要组成部分。……