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原文传递柔性电容式微加工超声波换能器(CMUT)汽车雷达研究

论文题名：	柔性电容式微加工超声波换能器(CMUT)汽车雷达研究
关键词：	汽车超声波雷达;电容式微机械超声换能器;低频化设计;工艺流程
摘要：	在汽车超声波雷达的研究，大多数使用的都是压电式超声测距模块，较少提及电容式微机械超声换能器（CapacitiveMicromachinedUltrasonicTransducer,CMUT）。CMUT具有高带宽、低功耗、低噪音、更容易制造的特点。因此，根据理论指导以及有限元仿真分析，本文提出一种基于金属箔夹聚合物层压贴合的大面积真空密封CMUT阵列，进行低频化设计适配于汽车雷达，使用适合大面积柔性材料的工艺流程，制作出柔性CMUT样品。测试波德图、发射与接收超声波，共振频率达到3.85kHz，打破CMUT最低频记录。本文研究的主要内容如下：　　（1）由CMUT薄膜振动模型，得到圆形振动薄膜位移及共振频率的计算公式，可知，振动薄膜的位移与振动薄膜的半径正相关，与挠度负相关；共振频率与振膜厚度、振膜材料弹性模量正相关，与电容等效面积、材料密度、材料泊松比负相关；根据平行板电容器模型，得到CMUT塌陷电压和机电耦合系数的计算公式，可知，塌陷电压与平行板电容器的间隙距离正相关，与电容等效面积负相关；机电耦合系数与平行板电容器的间隙距离负相关；在等效电路模型中，得到CMUT机械阻抗计算公式，可知，机械阻抗与振动薄膜表面所受载荷正相关，与振动速度负相关。因此应设计薄膜厚度小、材料密度高、直径大、杨氏模量低、空腔内低压等特点的模型来满足低频振动的要求。　　（2）使用仿真软件COMSOLMultiphysics?建立适配于40kHz汽车超声波雷达的CMUT有限元模型，对其进行仿真分析，得到薄铜箔模型共振频率为40kHz，塌陷电压为74V，-3db带宽为1.8%，工作频率随直流偏置电压的增大而减小；且在尺寸相同，加载直流偏压相同的情况下，振膜为铜的模型工作频率可以更低，振幅更大。-3db带宽略优于硅膜的模型。　　（3）将薄铜箔膜和厚铝箔基板真空密封层压，夹入感光胶作为空腔层，电气石粉末掺杂PVA作为绝缘和电荷存储层，和水性丙烯酸热熔胶作为层压粘合层，使用金属材料分别作为振膜和基底层，感光胶层作为空腔层，热熔胶层作为粘合层，有机聚合物层作为绝缘和电荷存储层来制作柔性CMUT样品，有机聚合物不易碎裂，适合室外使用，降低成本，较易实现低频超声，且实现柔性设计；使用金属箔可省去上、下电极的制作。整体仅需两个半小时就可完成。较易实现大面积阵列且材料低廉，可以大幅降低成本。为了解器件性能，绘制了波德图，找到其在3.85kHz和100kHz处的谐振频率，并在5cm和10cm距离处测试了超声波的发射和接收脉冲。它证明所提出的大面积柔性CMUT阵列被成功地制造，并实现部分目标性能；虽然具有低于预期的谐振频率，但达到了CMUT设备中报告的最低记录。　　本文所提出的柔性CMUT结构设计与工艺流程，为后续CMUT柔性化和低频化设计以及CMUT大批量生产提供理论指导与实践应用基础。
作者：	李英拓
专业：	汽车电子工程
导师：	金积德;郑庆祥
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022