CMUT薄膜的仿真与形变分析

作     者：索旭东 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙振东;姚智伟

授予年度：2013年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 

主      题：电容式微机械超声传感器 有限元分析 仿真 形变 

摘      要：电容式微机械超声波传感器(CMUT)是一种基于微机电系统(MEMS)技术的超声传感器，传感器薄膜通过发生振动产生超声波，或者感应外界超声波产生振动，因此，CMUT的核心工作可简化为薄膜的运动。本文通过有限元软件ANSYS12.0的Solid186元件分别对，薄膜在受到静电力作用发生振动从而产生超声波，和感应超声波声压作用从而产生振动，两种情况下的三维薄膜结构进行了建模和仿真，同时，为了提高求解和分析的效率，通过Shell181元件建立了两种载荷作用下的二维薄膜模型，通过对相同条件下二维和三维薄膜受载荷形变的对比分析，发现通过软件求解的二维和三维薄膜结构的形变非常接近，所以，在精度要求不高的情况下可以使用二维结构代替三维结构来提高求解效率。 CMUT的电容决定了传感器带宽的下限值，当电容增大时，传感器的带宽减小;本文通过有限元法得到正方形和圆形薄膜受载荷后的形变，分别将跟薄膜在一起发生形变的上电极和跟基座在一起的下电极近似为有限多个平行板电容器，通过平板电容的求解公式计算出形变后整个CMTU的电容。本文从理论层面通过三步求解受载荷薄膜的形变，首先通过有限元法求得薄膜的中心形变，然后通过拟合法求得形变薄膜的形变曲率函数，最后通过两项相乘得到薄膜最终的形变函数，另外，本文提出了多种方法和表达式求解曲率函数，最终通过形变函数的数值积分求解出电容值。经过和已有模型以及有限元求解的电容值对比和分析，发现本文得到的形变模型比已有模型的尺寸适应范围更广，对有效范围内大部分尺寸下求解的电容值更精确，相对误差在1%左右;但由于拟合精度和拟合公式的原因，新的形变函数仍然有部分尺寸处为奇点导致较大误差，因此算法仍然有改进空间。