[发明专利]一种电容式微机械超声传感器特性分析方法

摘要

一种电容式微机械超声传感器特性分析方法，目的是对不同发射信号情况下位移、加速度、声压特性和接收特性进行有效分析；本发明先建立处于发射状态时CMUT微元状态方程‑SIMULINK模型和处于接收状态时CMUT微元状态方程‑SIMULINK模型；处于发射状态时CMUT微元状态方程‑SIMULINK模型包括线性模块和非线性模块两部分；处于接收状态时CMUT微元态方程‑SIMULINK模型包括线性模块、非线性模块和电流输出模块三部分；非线性模块通过确定驱动电压V、上下电极之间的初始距离g₀和位移等参数计算出静电力F_e；线性模块通过确定静电力F_e、等效质量M、等效弹性系数K和等效阻力系数R等参数建立集中参数系统，计算出振动位移和速度，并把位移作为反馈量输出给非线性模块，从而将振动速度与辐射阻相乘计算出辐射声压。

主权项

1.一种电容式微机械超声传感器特性分析方法，其特征是先建立处于发射状态时CMUT微元状态方程‑SIMULINK模型和处于接收状态时CMUT微元状态方程‑SIMULINK模型，所述处于发射状态时CMUT微元状态方程‑SIMULINK模型中应用的状态方程为：其中，g0表示上下电极之间的初始距离，w1表示位移，A表示电极有效面积、ε0表示真空介电常数，V表示驱动电压，R表示等效阻力系数，K表示等效弹性系数，w2表示速度；处于发射状态时CMUT微元状态方程‑SIMULINK模型包括由线性模块和非线性模块；所述发射状态的非线性模块的输入为位移和驱动电压V，计算公式为：输出为静电力Fe，发射状态的驱动电压V为直流偏置电压与交流电压之和；所述发射状态的线性模块的输入包括发射状态的非线性模块输出的静电力Fe，等效质量M，等效弹性系数K和等效阻力系数R，所述线性模块的计算公式为发射状态的状态方程；所述线性模块的输出为位移w₁和速度w₂；所述发射状态的线性模块把位移作为反馈量输出给非线性模块，从而将振动速度与辐射阻相乘就计算出辐射声压：式中，R_r为辐射阻，为薄膜振动速度；所述处于接收状态时CMUT微元状态方程‑SIMULINK模型中应用的状态方程为：式中，Fu表示驱动外力；处于接收状态时CMUT微元态方程‑SIMULINK模型包括线性模块、非线性模块和电流输出模块三部分；所述接收状态的非线性模块的输入为位移w₁和驱动电压V，接收状态的驱动电压V为直流偏置电压V_DC，输出为静电力Fe，计算公式为：所述接收状态的线性模块的输入包括驱动外力F_u、非线性模块输出的静电力Fe，等效质量M，等效弹性系数K和等效阻力系数R，所述接收状态的线性模块的计算公式为接收状态的状态方程，所述接收状态的线性模块的输出为位移w₁和速度w₂；所述电流输出模块的输入为线性模块输出的位移w₁和速度w₂，输出为电流I(t)，计算公式为：