【摘 要】
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电容式微机械超声换能器（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,CMUT）是由真空腔隙电容结构经由一定规则排布而成的,利用顶部的硅基薄膜可以实现机械能和电能的转换。由于其相较于传统压电式换能器具有宽频带、高度集成化、微型化等优势,在医学成像、工业无损检测、水下成像等应用中具有广泛的应用前景。随着医学检测技术的更迭发展,三维超声成像系统发展突飞猛
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电容式微机械超声换能器（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,CMUT）是由真空腔隙电容结构经由一定规则排布而成的,利用顶部的硅基薄膜可以实现机械能和电能的转换。由于其相较于传统压电式换能器具有宽频带、高度集成化、微型化等优势,在医学成像、工业无损检测、水下成像等应用中具有广泛的应用前景。随着医学检测技术的更迭发展,三维超声成像系统发展突飞猛进,实现高分辨率三维成像的关键部件是二维换能器阵列,与二维超声成像相比,实时三维成像可以更全面的反应生物组织立体结构,对于较为复杂的三维结构,能够更为清晰的显示。因此CMUT阵列的研究与开发具有很大价值。本文主要对CMUT进行了理论解析、建模分析、结构设计、有限元模拟、优化设计、工艺制备、传感器性能测试和水下初步成像实验等方面的研究,主要研究内容如下:（1）根据CMUT结构,构建简化的模型,然后对CMUT的工作原理及机电耦合进行分析,结果中显示了薄膜振动频率与薄膜半径和厚度的关系、薄膜位移与薄膜半径和厚度的关系以及施加偏置电压薄膜塌陷与空腔高度的关系,根据仿真结果确定CMUT单元的尺寸,建立完整的CMUT设计理论体系,为后续测试及优化提供了重要的理论支撑。（2）在COMSOL中对CMUT单元的振动模态进行模拟解析,对静态特征进行模拟,并通过对模拟结果进行解析,与实际理论成果进行比较。并利用MATLAB程序,通过面阵指向性函数获得了与阵元参数有关的单阵元三维指向性,以及与阵元数量、阵元距离和阵元尺寸等有关的二维阵列三维指向性图像,,从而确定二维阵列参数。（3）传感器设计应用的是硅晶圆键合工艺,根据所设计传感器结构设计了二维面阵的生产流程,并按照标准工艺流程设计掩模版,同时实现了对CMUT超声换能器的加工、封装与性能检测。（4）采用硅通孔的方式实现CMUT阵列的金属互联,并在带有通孔的CMUT阵列实现倒装焊封装。
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