压电微机械超声换能器及其阵列性能提升方法研究

发布时间：2023-05-20 01:24

　　压电微机械超声换能器(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer,简称PMUT)是基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,简称MEMS)技术制造而成的超声换能器。相比传统超声换能器,其具有频率高、阻抗匹配优良、容易形成阵列等优点,因此被广泛应用于超声成像领域,如动作捕捉、指纹传感等方面。用于超声成像的PMUT及其阵列,其成像清晰度与其发射性能和接收性能直接相关。而现有的研究中,PMUT的成像清晰度仍有待提高。因此,本文针对提高PMUT及其阵列的发射性能和接收性能展开研究,根据薄板振动理论详细推导了PMUT张力或刚度主导下不同模态的本征频率。并进行了基于锆钛酸铅(PZT)压电薄膜的PMUT单元的仿真和制造,验证了换能器的四种模态。为进一步提高PMUT的发射性能和接收性能,采用Sc掺杂的AlN薄膜作为PMUT的压电材料,从AlN薄膜Sc掺杂浓度、薄膜厚度、顶部电极半径方面对PMUT单元的发射灵敏度和接收灵敏度进行了优化。接着,从输出功率、轴向声强、声指向性方面对PMUT单元的动态发射性能进行了分...

【文章页数】：77 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 微机械超声换能器(MUT)
        1.1.1 CMUT
        1.1.2 PMUT
    1.2 用于超声成像的PMUT基本原理
        1.2.1 超声脉冲回波法
        1.2.2 超声扫描方式
    1.3 用于超声成像的PMUT及其阵列研究现状
        1.3.1 压电材料选择
        1.3.2 结构及驱动方式优化
        1.3.3 用于超声成像的PMUT存在的问题
    1.4 超声换能器发射性能与模态
    1.5 本文的主要研究内容
第二章 PMUT谐振模态分析与验证
    2.1 薄板振动理论
    2.2 基于PZT薄膜的PMUT仿真及验证
        2.2.1 基于PZT薄膜的PMUT模型
        2.2.2 基于PZT薄膜的PMUT工艺流程
        2.2.3 实验结果
    2.3 本章小结
第三章 PMUT单元建模及分析
    3.1 总体设计及优化参数选择
        3.1.1 PMUT模型建立
        3.1.2 优化参数选择
    3.2 PMUT单元优化
        3.2.1 薄膜Sc掺杂浓度选择
        3.2.2 Sc掺杂AlN薄膜厚度优化
        3.2.3 顶部电极尺寸优化
    3.3 PMUT频域发射性能分析
        3.3.1 总输出功率
        3.3.2 声强指向性指数
        3.3.3 轴向声强
        3.3.4 旁瓣指数
    3.4 同频下两种模态驱动的PMUT发射性能对比
    3.5 本章小结
第四章 PMUT阵列建模及优化
    4.1 换能器单元的局限性
    4.2 阵列指向性分析
        4.2.1 相控阵指向性函数
        4.2.2 单元数目
        4.2.3 单元间距
    4.3 阵列声场分析
        4.3.1 轴向声压
        4.3.2 阵列指向性
        4.3.3 阵列夹持方式影响
    4.4 基于ScAlN薄膜的PMUT初步制造及ScAlN薄膜性能表征
        4.4.1 基于ScAlN薄膜的PMUT工艺流程
        4.4.2 ScAlN薄膜性能表征
    4.5 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文



本文编号：3820268