37、角环形金属化MEMS超声换能器崩溃电压的分析建模与有限元模拟

角环形金属化MEMS超声换能器崩溃电压的分析建模与有限元模拟

一、引言

电容式微机械超声换能器（CMUT）属于微机电系统（MEMS），它能将一种形式的能量转换为另一种形式。基于硅材料的微加工工艺具备小型化能力，使得CMUT可在超声频率下工作。

CMUT 设备通常由一层薄的氮化硅膜组成，该膜通过二氧化硅绝缘支撑物悬挂在导电硅衬底上方。膜与衬底之间的间隙，在浸没应用中会进行真空密封，若以空气为耦合介质则可不密封，间隙最小可达 500 Å。完全金属化的 CMUT 的横截面示意图如下：

CMUT 本质上是一个平行板电容器，导电硅晶圆构成电容器的一个极板，膜通常由绝缘材料（最常见的是氮化硅）制成，并涂有金属电极。此外，上电极区域也可选择性地涂覆绝缘体，如低温二氧化硅（LTO），以实现与相邻介质的电隔离。

CMUT 常作为声学发射器和接收器使用。在发射过程中，通过施加交变电位，利用静电引力使膜振动。由于静电力具有单极性（持续吸引），膜的振动频率是施加频率的两倍。当施加的交流电压频率等于膜的固有频率时，膜会以更大的振幅振动。由支柱支撑的膜是 CMUT 的振动部件，制造过程中产生的残余应力会影响换能器的特性，如共振频率、崩溃电压和间隙距离。因此，准确估计和管理超薄 CMUT 膜中的应力至关重要。

二、机电模型

2.1 模型假设

我们假设电容器极板是完全平整的理想金属触点，膜的恢复力是位移的线性函数，且 CMUT 在真空中工作。通过集总机电模型来描述