33、基于有限元方法的MEMS超声换能器3D六边形膜结构研究

基于有限元方法的MEMS超声换能器3D六边形膜结构研究

1. 引言

微机电系统（MEMS）或纳米机电系统（NEMS）在当今的纳米电子系统中非常有用，其包含电气和机械组件，尺寸从微米到纳米不等。MEMS/NEMS技术具有许多重要优势，应用广泛：
- 成本效益高 ：通过微加工技术制造，成本效益高，维护成本低，还能制造大量的器件阵列。
- 应用领域多 ：主要应用于传感器和执行器，在工业、汽车和医疗等领域都有应用，同时能创造创新的机械和电子系统，调节智能并触发机械响应。

超声波是指频率高于人类听力范围20kHz的声音，超声换能器可在发射时将电能转换为超声波，接收时将超声波转换为电能。超声换能器主要有以下几种类型：
- 连续波反射型
- 连续波透射型
- 脉冲回波超声技术型

20世纪90年代，斯坦福大学首次制造出基于MEMS的超声换能器，其由悬浮膜组成，通过膜的振动来发射和接收超声波。超声换能器主要包括电容式微加工超声换能器（CMUT）、压电换能器和磁致伸缩型换能器。

尽管压电技术占据主导地位，但CMUT作为一种有竞争力的技术正在被发掘。CMUT基于静电原理工作，具有诸多优点：
- 阻抗匹配良好
- 带宽优越
- 能产生高频阵列
- 可与电子设备集成
- 大规模生产成本低
- 压力灵敏度高
- 能对压力变化做出快速反应
- 能承受大振动
- 温度灵敏度低

CMUT本质上是一个平行板电容器，一个电极施加电压，另一个接地。在发射时，极板的位移