微气隙结构静电超声传感器的理论模型

微气隙结构(微米到纳米级)静电(或电容)超声传感器在气载超声发生和检测领域占据着愈来愈显著的位置,它们广泛应用于机器人、自动测距、无损检测、生物扫描、声成像和声显微等领域。这种传感器通常用微加工技术制作,与微电子电路整合在一起构成微机电系统(MEMS),近10年取得很大进展。因此,搞清它的传感机制,建立可靠的先验理论模型,实现优化设计已成为当前研究的前沿和热点。近年先后提出了“亥姆赫兹(或质量弹簧)振子模型”、“张力板模型”。本文在前阶段工作的基础上,提出一个新的“空气弹簧支撑的板模型”。在这个模型中,一个静电传感器被看作空气弹簧支撑的板,换言之,它的膜片被看作是置于气垫上的一个薄板,并进一步应用它对v形槽背板传感器的行为进行建模,获得了准确的预测结果。

微加工静电超声传感器的动力学机制及其建模

通过对微加工静电超声传感器的动力学机制的深入研究发展了一个空气弹簧支撑的张力板模型 (tensile plate on air spring,简称为TDK模型 ) .该模型全面计及了气隙空气弹簧的刚度 ,膜片的弯曲刚度和平面张力这三个机械刚度及一个静电负刚度的影响 .根据这个模型通过适当选用传感器的几何结构 ,尺寸和材料 ,便可获得所需要的基频和带宽 ,从而为微加工超声传感器的研究和优化设计提供了一个可靠的理论基础 .