电容式微机械超声传感器电荷效应的研究

作     者：李聚才 

作者单位：河南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张培玉

授予年度：2020年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：电荷效应 电容式微机械超声传感器 介电充电 传导机制 微机电系统 

摘      要：微机械超声传感器的应用十分广泛,尤其在医学成像和工业无损探伤等领域。至今,压电式微机械超声传感器的应用一直占据着统治地位。在过去的二十余年中,电容式微机械超声传感器(CMUT)的研究越来越深入。由于CMUT有许多优势,具有广阔的应用前景而大有后来居上的趋势。然而,尽管CMUT在超声成像方面有许多优点,但其在应用中存在电荷效应问题。电荷效应会影响CMUT的长期可靠性和使用寿命,直接阻碍CMUT的商业化。该问题不解决,CMUT无法走入实用。CMUT的电荷效应实质是介电充电问题。本文对电荷效应研究的历史和发展及其对CMUT性能的具体影响进行了综述和分析,在对电介质层电荷运输的几种机制和特性及CMUT的介电充电的传导机制进行分析的基础上,建立了介电充电的非接触充电与接触充电模型。通过分析介电充电的传导机制,找出介电充电的影响因素和规律,包括分析了影响介电充电的几个影响因素:振动膜厚度、绝缘层厚度、腔隙高度、振动膜与绝缘层材料和环境温度。通过对介质充电机理的研究,结合各参数及介电充电问题影响因素的取值大小,利用MATLAB进行了参数赋值分析。通过分析以上六个影响因素及CMUT振动膜与绝缘层材料对电流密度的影响,对充电大小进行了对比分析和讨论。结果表明:在CMUT中,二氧化硅材料与氮化硅材料相比,充电效应的影响要小很多。且振动膜选取1μm至2μm,绝缘层选0.15μm,半径选20μm,工作环境保持在300K能在一定程度上减少电荷效应。另外,基于上述建模分析,提出了减小介电充电的方法和措施,如减小绝缘层覆盖面积、降低绝缘层表面粗糙度等。为了减小表面粗糙度,设计了双晶圆键合CMUT,实验表明:充电导致的电压偏移在2±1V范围内,电荷效应大大减少,CMUT运行良好。此外,本文对CMUT的发射模式和接收模式原理进行了分析。在此基础上,又对CMUT的塌陷与非塌陷工作方式进行了对比。然后建立了平板电容模型与等效电路模型,对CMUT的位移、塌陷电压及机电转化效率进行了分析探讨。最后,应用本文分析的结论对CMUT的微加工工艺进行了改进设计,对比了传统CMUT的牺牲层释放法和晶圆键合在工艺控制、成品率、均匀性和微加工工艺的优劣。设计了减少绝缘层面积和提高振动薄膜和基底光洁度的工艺方法。该改进工艺潜在地减小寄生电容,大大减小了电荷效应的影响。