基于石墨烯的二维超声传感阵列设计与实验研究
发布时间：2021-07-16 18:12
超声波具有能量集束性好、穿透力强、无放射性等特点,常被应用于医学超声成像,工业无损检测、水下声呐探测等。超声传感器作为发射与接收超声波的载体,是超声系统的核心。基于多传感阵元的二维超声阵列具有采集速度快、应用范围广泛等特点。传统压电式阵列的结构多为传感单元的简单堆叠,在阵列尺寸和灵敏度方面有很多限制。本文提出了基于石墨烯薄膜的电容式二维超声传感阵列,利用石墨烯优异的振动特性,提高阵列接收超声波的灵敏度。主要工作包括以下几个方面:（1）传感单元物理场耦合与阵列设计方案选择:通过三种传感单元模型,分析了超声传感单元的物理场耦合关系。对比了三种维度的阵列优缺点,选择二维阵列作为本文的设计主体。确定了阵元分布方式,以及阵列设计的目标要求,并对阵列设计的流程进行了规划。（2）电容式超声传感单元仿真分析:本文构建了超声传感单元的接收与发射模型,利用有限元仿真分析了电容式与压电式超声传感单元的发射效率。基于超声传感单元的接收模式,对比分析了氮化硅和石墨烯薄膜的振动特性和输出灵敏度,确定了石墨烯作为声传感单元振动膜的可行性和优越性。（3）石墨烯二维超声传感阵列设计与制作:通过有限元仿真结果,确定了阵元...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
定电荷型电容式声传感器结构
10后会引起振膜偏离原平衡位置，改变振膜与下极板的间距，引起电容值的变化。由于驻极体膜上电荷量Q保持不变，根据电容的基本原理Q=VC，在电容值变化的情况下，上下极板间会产生电势的变化，即：QQdVCεSΔΔ==Δ(2-2)其中，ΔV为声传感器在外界声源作用下产生的电信号，Δd为由声源产生的声压引起振动膜的偏移量。定电荷型声传感器的振膜为能长久保持电极化状态的电介质。这种电介质一般为聚丙烯等高分子聚合物。随着传感器的使用，驻极体膜的电荷会有一定程度的损耗，影响声传感器灵敏度和精度。与定电荷型声传感器相对应的是定电压型声传感器。定电压型声传感器有接收声波和发射声波两种工作模式，其基本结构如图2-2所示。(a)定电压型接收模式(b)定电压型发射模式图2-2定电压型电容式声传感器结构定电压型电容式声传感器在结构上与定电荷型电容式声传感器的最大区别在于，定电压型传感器需要外置的直流偏置电压维持上下电极间的电位恒定。其中处于接收模式下的声传感器只需要直流偏置电压，而处于发射状态下的声传感器向外辐射声波时还需要一定频率交流电压的激励。电容式传感器工作在接收模式下的结构如图2-2(a)所示。声波在空气的传播作用下到达上电极，并引起上电极的偏移。由于声传感器工作在恒压模式下，上电极的偏移产生可测电流信号，输出电流由式(2-3)给出：002dQd(CV)d(A/x)1dxiVVAdtdtdtxdtε====ε(2-3)其中，i为声压引起的电流值的变化，V为上下极板间的直流偏置电压，x为声压引起的上下极板间距的变化。由于微小的电流值不易被测量，因此定电压型电容式声传感器的后端放大电路包括一个阻值较大的电阻。利用电阻将电流的变化转变为电压的变化，再经过放大电路将电信号进行放大后进行处理。
11声传感器处于发射模式时的结构如图2-2(b)所示。直流偏置电压用于维持上下电极间的电位恒定，此时如果在上下电极间施加一定频率的交流电压激励，振动膜会产生振动并向外辐射超声波。电容式声传感器的发射模式对传感器本身的结构尺寸要求较高，一般为由硅基板和氮化硅膜组成的CMUT[32]。相较于定电荷型声传感器在振动膜材料的限制，定电压型声传感器在振膜的选取上有很大的自由度。振膜是声传感器的核心部件，它受外界声压的变化产生偏移，引起上下电极间距的变化，从而完成声电转换。在固定声压作用下，振动膜的偏移量决定了电容值的变化大校因此，振膜的选取将在很大程度上影响声传感器的灵敏度和其他参数。分析振膜的振动模型，以及振膜参数对振动的影响有很重要的意义。2.2电容式声传感单元分析模型对比2.2.1平板电容模型电容式超声传感器的基本结构包括可振动弹性膜、固定基底和绝缘支撑。如图2-3所示是电容式超声传感器的一阶集总模型。传感器的下电极板为固定电极，上电极为传感器的振动薄膜，其质量为m，等效弹性系数为k，上下极间的初始间距为d0。在外界声压的作用下，上极板会偏离原平衡位置，改变上下极板之间的间距，引起电容值的改变。图2-3电容式传感器一阶集总模型当在上下电极之间施加直流电压V时，上下电极间的电场中会产生静电力，由Fe表示，其大小与直流电压的大小和极板间的距离有关，其值为：20202()eAVFdxε=(2-4)其中A为振动膜的面积，0ε是真空介电常数，x为薄膜在声压作用下移动的距
【参考文献】：
期刊论文
[1]电容式微超声换能器等效电路模型与阵元优化[J]. 张慧,石建超,张雯,曾周末,綦磊. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2016(11)
[2]基于数字式MEMS传感器的声阵列成像系统设计[J]. 陈林松,曹跃云,郭文勇,张磊,刘树勇. 应用声学. 2015(05)
[3]基于声传感器阵列的机器人语音定向技术研究[J]. 汪明,陈建辉,王广龙,高凤岐. 传感器与微系统. 2013(09)
[4]石墨烯及其复合材料的制备及性能研究进展[J]. 赵远,黄伟九. 重庆理工大学学报(自然科学). 2011(07)
[5]电容式微加工超声传感器（cMUT）的有限元仿真[J]. 宋光德,官志坚,栗大超. 传感技术学报. 2006(05)
博士论文
[1]化学气相沉积法制备石墨烯及其电化学传感应用研究[D]. 袁亚文.山东大学 2018
[2]多振膜结构电容式微超声传感器关键技术研究[D]. 张雯.天津大学 2016
硕士论文
[1]电容式微机械超声换能器建模与仿真技术研究[D]. 吕云飞.中北大学 2018
[2]空气耦合式电容微超声换能器研究[D]. 赵晓楠.天津大学 2017
[3]基于PZT压电薄膜的水声传感器设计及其定向算法研究[D]. 冯明扬.西安电子科技大学 2015
[4]电容式超声传感器的设计[D]. 许鹏.华中科技大学 2012
本文编号：3287508
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
定电荷型电容式声传感器结构
10后会引起振膜偏离原平衡位置，改变振膜与下极板的间距，引起电容值的变化。由于驻极体膜上电荷量Q保持不变，根据电容的基本原理Q=VC，在电容值变化的情况下，上下极板间会产生电势的变化，即：QQdVCεSΔΔ==Δ(2-2)其中，ΔV为声传感器在外界声源作用下产生的电信号，Δd为由声源产生的声压引起振动膜的偏移量。定电荷型声传感器的振膜为能长久保持电极化状态的电介质。这种电介质一般为聚丙烯等高分子聚合物。随着传感器的使用，驻极体膜的电荷会有一定程度的损耗，影响声传感器灵敏度和精度。与定电荷型声传感器相对应的是定电压型声传感器。定电压型声传感器有接收声波和发射声波两种工作模式，其基本结构如图2-2所示。(a)定电压型接收模式(b)定电压型发射模式图2-2定电压型电容式声传感器结构定电压型电容式声传感器在结构上与定电荷型电容式声传感器的最大区别在于，定电压型传感器需要外置的直流偏置电压维持上下电极间的电位恒定。其中处于接收模式下的声传感器只需要直流偏置电压，而处于发射状态下的声传感器向外辐射声波时还需要一定频率交流电压的激励。电容式传感器工作在接收模式下的结构如图2-2(a)所示。声波在空气的传播作用下到达上电极，并引起上电极的偏移。由于声传感器工作在恒压模式下，上电极的偏移产生可测电流信号，输出电流由式(2-3)给出：002dQd(CV)d(A/x)1dxiVVAdtdtdtxdtε====ε(2-3)其中，i为声压引起的电流值的变化，V为上下极板间的直流偏置电压，x为声压引起的上下极板间距的变化。由于微小的电流值不易被测量，因此定电压型电容式声传感器的后端放大电路包括一个阻值较大的电阻。利用电阻将电流的变化转变为电压的变化，再经过放大电路将电信号进行放大后进行处理。
11声传感器处于发射模式时的结构如图2-2(b)所示。直流偏置电压用于维持上下电极间的电位恒定，此时如果在上下电极间施加一定频率的交流电压激励，振动膜会产生振动并向外辐射超声波。电容式声传感器的发射模式对传感器本身的结构尺寸要求较高，一般为由硅基板和氮化硅膜组成的CMUT[32]。相较于定电荷型声传感器在振动膜材料的限制，定电压型声传感器在振膜的选取上有很大的自由度。振膜是声传感器的核心部件，它受外界声压的变化产生偏移，引起上下电极间距的变化，从而完成声电转换。在固定声压作用下，振动膜的偏移量决定了电容值的变化大校因此，振膜的选取将在很大程度上影响声传感器的灵敏度和其他参数。分析振膜的振动模型，以及振膜参数对振动的影响有很重要的意义。2.2电容式声传感单元分析模型对比2.2.1平板电容模型电容式超声传感器的基本结构包括可振动弹性膜、固定基底和绝缘支撑。如图2-3所示是电容式超声传感器的一阶集总模型。传感器的下电极板为固定电极，上电极为传感器的振动薄膜，其质量为m，等效弹性系数为k，上下极间的初始间距为d0。在外界声压的作用下，上极板会偏离原平衡位置，改变上下极板之间的间距，引起电容值的改变。图2-3电容式传感器一阶集总模型当在上下电极之间施加直流电压V时，上下电极间的电场中会产生静电力，由Fe表示，其大小与直流电压的大小和极板间的距离有关，其值为：20202()eAVFdxε=(2-4)其中A为振动膜的面积，0ε是真空介电常数，x为薄膜在声压作用下移动的距
【参考文献】：
期刊论文
[1]电容式微超声换能器等效电路模型与阵元优化[J]. 张慧,石建超,张雯,曾周末,綦磊. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2016(11)
[2]基于数字式MEMS传感器的声阵列成像系统设计[J]. 陈林松,曹跃云,郭文勇,张磊,刘树勇. 应用声学. 2015(05)
[3]基于声传感器阵列的机器人语音定向技术研究[J]. 汪明,陈建辉,王广龙,高凤岐. 传感器与微系统. 2013(09)
[4]石墨烯及其复合材料的制备及性能研究进展[J]. 赵远,黄伟九. 重庆理工大学学报(自然科学). 2011(07)
[5]电容式微加工超声传感器（cMUT）的有限元仿真[J]. 宋光德,官志坚,栗大超. 传感技术学报. 2006(05)
博士论文
[1]化学气相沉积法制备石墨烯及其电化学传感应用研究[D]. 袁亚文.山东大学 2018
[2]多振膜结构电容式微超声传感器关键技术研究[D]. 张雯.天津大学 2016
硕士论文
[1]电容式微机械超声换能器建模与仿真技术研究[D]. 吕云飞.中北大学 2018
[2]空气耦合式电容微超声换能器研究[D]. 赵晓楠.天津大学 2017
[3]基于PZT压电薄膜的水声传感器设计及其定向算法研究[D]. 冯明扬.西安电子科技大学 2015
[4]电容式超声传感器的设计[D]. 许鹏.华中科技大学 2012
本文编号：3287508
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