AlN压电薄膜超声膜厚测量传感器关键技术研究

发布时间：2017-10-11 15:20

  本文关键词：AlN压电薄膜超声膜厚测量传感器关键技术研究

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【摘要】：在工业生产中,大部分机械零部件都是依靠润滑油来降低相对运动表面的摩擦和磨损,合理的油膜厚度是决定机械设备正常工作的一个关键因素。因此,实时检测关键部件的油膜厚度,可以在机械零件失效前发出预警,从而保障机器正常运行。相较于其他的油膜厚度测量方法,超声波测量法对介质的透明度和电隔离性质没有限制,且超声波具有穿透力强、频率高等特点,因此具有更为广泛的应用前景。本文对三层介质结构的超声测厚系统的关键技术进行了研究,包括了AlN压电薄膜传感器的制备、超声波发射和接收硬件电路的理论研究及设计制作。(1)基于声波传播理论,研究了在两层介质中,声波的传播特性及其反射系数;在两层介质传播的基础之上,研究了三层介质结构中,针对不同油膜厚度的测量模型:谐振模型和弹簧模型,即通过润滑油膜的特性阻抗和谐振频率来测量其厚度。(2)通过对氮化铝薄膜制备方法的比较,选择采用反应磁控溅射法在不锈钢上制备具有C轴取向的氮化铝压电薄膜。对氮化铝压电薄膜的制备过程进行设计,并探究了影响薄膜取向性的因素,如:溅射功率、氮气流量比、中间层等。通过原子力显微镜(AFM)来表征薄膜表面形貌,X射线衍射仪(XRD)来表征薄膜的生长取向,最终分别在不锈钢和Si基底表面成功制备出(002)取向的AlN薄膜。(3)设计并制作了中心频率为2.5MHz的基于STC12C5412AD的超声波发射和接收电路,超声波发射电路包括脉冲发生电路、放大电路、场效应管驱动电路和超声波激励电路;接收电路包括限幅电路和放大电路。理论探讨了高频超声激励电路,可以利用三极管的雪崩效应设计三极管MARX雪崩电路来激励高频的超声换能器。
【关键词】：超声反射系数 AlN陶瓷膜 反应磁控溅射 油膜厚度 测量电路
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB553;TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 注释表13-14
• 第一章 绪论14-20
• 1.1 研究背景及意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-19
• 1.2.1 电学测量法15-16
• 1.2.2 光学测量法16-18
• 1.2.3 超声波测量法18-19
• 1.3 本文的主要研究目标及内容19-20
• 第二章 超声波油膜厚度测量理论20-31
• 2.1 超声波的声学理论20-23
• 2.1.1 声波的分类20-21
• 2.1.2 声压21
• 2.1.3 声速21-22
• 2.1.4 声阻抗22-23
• 2.1.5 声衰减23
• 2.2 垂直入射的声波在分界面处的传播23-24
• 2.3 声波在三层介质结构中的反射系数24-30
• 2.3.1 谐振模型26-28
• 2.3.2 弹簧模型28-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 制备AlN薄膜的方法研究31-39
• 3.1 反应磁控溅射原理31-33
• 3.1.1 直流磁控溅射法的原理31-32
• 3.1.2 直流磁控溅射法的优缺点32
• 3.1.3 射频磁控溅射的特点32-33
• 3.2 AlN薄膜的生长33-35
• 3.2.1 临界核的形成34
• 3.2.2 岛的长大34
• 3.2.3 连续膜的形成34-35
• 3.3 AlN薄膜的表征35-38
• 3.3.1 AlN薄膜结构的表征35-37
• 3.3.2 AlN压电薄膜厚度的测量37-38
• 3.3.3 AlN薄膜成分的分析38
• 3.4 本章小结38-39
• 第四章 (002)择优取向的氮化铝薄膜的制备39-62
• 4.1 氮化铝的晶体结构39-40
• 4.2 氮化铝薄膜的制备方法40-41
• 4.3 制备技术路线41-42
• 4.4 溅射装置42
• 4.5 氮化铝薄膜的制备过程42-45
• 4.6 工艺参数对氮化铝薄膜取向性的影响45-59
• 4.6.1 溅射功率对氮化铝薄膜取向性的影响45-49
• 4.6.2 氮气流量比对氮化铝薄膜取向性的影响49-51
• 4.6.3 缓冲层材料对氮化铝薄膜取向性的影响51-59
• 4.7 电极的制备59-60
• 4.8 本章小结60-62
• 第五章 超声测量油膜厚度的电路设计62-73
• 5.1 超声波发射电路62-70
• 5.1.1 脉冲发生电路62-66
• 5.1.2 放大电路66-68
• 5.1.3 场效应管驱动电路68
• 5.1.4 超声波激发电路68-70
• 5.2 超声波接收电路70-71
• 5.2.1 超声回波限幅电路70-71
• 5.2.2 超声回波放大电路71
• 5.3 高频超声激励电路71-72
• 5.4 本章小结72-73
• 第六章 总结与展望73-75
• 6.1 总结73-74
• 6.2 展望74-75
• 参考文献75-79
• 致谢79-80
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 苏公雨,刘文利;用来激励高频超声换能器的电激励源[J];应用声学;1996年04期

2 金长善,李小舟;超声波油膜厚度测量法研究[J];计量学报;1988年03期

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本文编号：1013262