基于A1N薄膜的压电超声换能器二维阵列的研究

发布时间：2020-07-24 07:47

【摘要】：超声换能器作为声电转换工程中的关键元件,在工业、国防和医疗等领域有着广泛的应用,其材料和结构一直为学术界研究的热点。具有高灵敏度和空间分辨率的高频PMUT在医疗诊断和治疗领域有着广阔的前景。AlN材料作为一种环保无铅的压电材料,因其可以与CMOS工艺相兼容的特点和高频段稳定性好的优点,逐渐被用于PMUT中。但AlN压电薄膜相对较低的压电常数限制了AlN基PMUT的发展和应用,因此需要通过结构和阵列的优化设计满足性能要求。本文主要研究了以AlN薄膜作为压电层的圆形双叠片弯曲振动PMUT的结构尺寸对其性能的影响,并对其结构尺寸进行优化;研究了AlN换能器阵的指向性,并对其进行了优化,最后得到了性能良好的8×8换能器阵。研究了AlN基PMUT器件的发射性能。通过对换能器工作原理和振动模式进行分析,对换能器模型进行了合理简化。建立理论模型,探究了影响换能器性能的主要因素。建立有限元模型,针对换能器半径、上电极半径、压电层厚度和振动层厚度等尺寸参数,对换能器进行有限元仿真。通过仿真,发现换能器谐振频率与各层厚度成正比,与换能器半径的平方成反比;上电极半径为换能器半径的65%左右时,换能器谐振振幅最大;振动层Si和压电层AlN的厚度比为0.6左右时,换能器谐振振幅最大;压电振子半径越大,换能器谐振振幅越大。根据仿真结果确定了换能器结构尺寸,并对其进行了性能仿真并与原模型进行了对比,空气中谐振振幅从0.1μm提升到0.34μm,空气中有效机电耦合系数为27.16%,水中有效机电耦合系数为11.93%,水中动态等效电阻为1kΩ左右,最大发射电压响应为146.22dB。研究了单阵元和多阵元换能器阵的指向性。通过理论分析,推导出换能器单阵元指向性函数,发现影响换能器单阵元指向性的因素有换能器半径和工作频率,并综合考虑了指向性、声衰减和稳定性等因素对单阵元进行优化。通过多阵元换能器阵进一步来改善指向性,通过对比几种基本阵型,最后选择方阵进行优化。根据多阵元方阵指向性函数,发现影响换能器阵指向性的因素有阵元间距和阵元数量,并针对阵元间距和阵元数量对换能器阵指向性参数进行优化。根据优化结果、面积和填充效率等因素,综合考虑,确定了换能器阵的最终结构尺寸。最后对优化后的换能器阵声压分布进行了可视化仿真,发现优化后换能器阵具有较为理想的声压分布,具有良好的远场声场分布,辐射波束宽度为86μm左右,方向性明显。指向性良好,主瓣尖锐,主瓣的-3dB波束宽度(?)_(-3dB)为9°左右,旁瓣级为0.228左右。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB552
【图文】：

超声换能器,种类,电容式

[15-17]。图1.1 种类丰富的超声换能器目前，对于 MUT 来说，根据工作机制主要分为压电式（PiezoelectricMicro-machined Ultrasonic Transducer, PMUT）和电容式（Capacitive Micro-machinedUltrasonic Transducers, CMUT）。PMUT 和 CMUT 在研究制作和应用范围上表现各有千秋，优势互补，共同发展[13]。1.1.1 电容式超声换能器CMUT 发展时间较早，从上世纪 90 年代开始，国际上已经开始出现相关文献报道。CMUT 结构简单，技术成熟，制造上基本使用传统的半导体工艺就能实现。CMUT属于静电换能器，其结构主要由两个电极板构成，如图 1.2 所示。其换能机制并不依赖于压电效应

示意图,压电效应,原理,示意图

压电效应原理示意图

示意图,纵向,简化模型,几何模型

这样的处理，不仅不会影响仿真的精确度，而且能够大幅度的缩减仿真时间，提高仿真效率。图3.4 简化模型纵向半截面示意图(a)纵向半截面几何模型(b)纵向半截面有限元模型其次，根据不同结构层的材料，建立不同材料的材料模型，输入各种材料参数。输入材料参数时，在 ANSYS 中，由于对称分析中需要以 y 轴为对称轴，而大部分压电材料参数矩阵的极化方向一般都是 z 轴向的，所以需要对压电材料参数矩阵进行坐标变换，将极化方向为 z 轴的参数矩阵变化为极化方向为 y 轴的参数矩阵，具体方法参见文献[66]。AlN 材料的相对介电常数矩阵为9.21 0 00 9.21 00 0 10.26S (3-15)AlN 材料的

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