基于pMUT的多频换能与新型复合参数传感机理及其应用研究

发布时间：2022-09-17 19:54

　　随着微机电系统（MEMS）技术与物联网的迅猛发展,微加工超声换能器在各类超声器件中脱颖而出,在国民经济、社会发展与国防安全领域发挥着越来越重大的作用。由于压电式微加工超声换能器（pMUT）克服了传统大尺寸压电陶瓷超声换能器和电容式微加工超声换能器（cMUT）的诸多缺陷而成为极具发展潜力与应用前景的一种新型超声换能器,具有结构设计灵活、制作工艺简单、无需偏置电压、灵敏度高、可靠性好、声阻抗易匹配、尺寸小、易于阵列与集成等优点。目前国内外研究机构主要致力于pMUT器件的机电耦合系数、灵敏度、工作频率、带宽等性能参数的提升,但是工作频带单一、频率带宽小使得基于pMUT的超声成像系统始终无法兼顾大探测范围和高成像分辨率。此外,由于pMUT很难兼得高机电耦合系数与高品质因数Q,这使得pMUT的研究几乎都集中在超声换能方面,尚未有深入研究pMUT的传感特性及其应用。因此,本论文在国家重点研发计划和中国留学基金委的资助下,对pMUT的多频带、宽频带超声换能特性与多参数传感特性及其应用展开了深入的研究。论文的创新工作和主要研究内容如下:1)基于Kirchhoff薄板理论和压电本构方程推导出矩形pMUT... 

【文章页数】：150 页

【学位级别】：博士

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摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景
        1.1.1 研究目的及意义
        1.1.2 超声换能器的主流形式及传统技术局限
    1.2 PMUT的频率特性研究现状
        1.2.1 单模态pMUT
        1.2.2 多模态pMUT
        1.2.3 宽频带pMUT
        1.2.4 高Q值 pMUT
    1.3 PMUT的换能与传感应用研究现状
        1.3.1 pMUT的换能特性应用
        1.3.2 pMUT的传感特性应用
    1.4 存在的问题及主要研究内容
2 压电式微加工超声换能器设计理论及工艺方法
    2.1 引言
    2.2 PMUT器件设计
        2.2.1 结构设计
        2.2.2 性能参数
    2.3 PMUT理论分析模型建立
        2.3.1 Kirchhoff薄板理论
        2.3.2 pMUT机电等效理论模型
        2.3.3 有限元仿真分析模型
    2.4 PMUT加工工艺
        2.4.1 压电材料选择
        2.4.2 压电薄膜沉积与刻蚀
        2.4.3 器件制备
        2.4.4 电场极化
    2.5 本章小结
3 压电-静电复合式多频超声换能器的设计及仿真
    3.1 引言
    3.2 压电-静电复合式多频超声换能器设计
        3.2.1 结构设计
        3.2.2 工作原理
    3.3 理论数值分析
        3.3.1 薄板运动微分方程
        3.3.2 振动模态频率计算
        3.3.3 力电耦合静态分析
        3.3.4 机电等效电路
    3.4 有限元仿真分析与计算
        3.4.1 挠度波形
        3.4.2 频率响应
        3.4.3 静态位移
        3.4.4 声场分布
    3.5 本章小结
4 压电式多频超声换能器的设计及测试
    4.1 引言
    4.2 压电式多频超声换能器设计
        4.2.1 结构设计
        4.2.2 器件制作与表征
    4.3 压电式多频超声换能器理论分析
        4.3.1 多频带工作机理
        4.3.2 有限元仿真分析
    4.4 压电式多频超声换能器性能测试
        4.4.1 空气中位移灵敏度测试
        4.4.2 空气中电学特性测试
        4.4.3 水下超声发射测试
    4.5 本章小结
5 超声换能器阵列设计及其自驱动传感应用
    5.1 引言
    5.2 湿度及CO2敏感薄膜制备与表征
        5.2.1 湿度敏感薄膜选择与制备
        5.2.2 CO2 敏感薄膜选择与制备
        5.2.3 湿度与CO2敏感薄膜表征
    5.3 基于超声换能器阵列的温、湿度传感器
        5.3.1 温湿度传感器结构设计
        5.3.2 pMUT湿度传感器工作机理
        5.3.3 湿度传感测试
        5.3.4 温度传感测试
    5.4 摩擦纳米发电机自驱动技术及CO2传感器
        5.4.1 摩擦纳米发电机设计
        5.4.2 振动能量收集测试
        5.4.3 基于摩擦纳米发电机的CO2传感器设计及其测试
    5.5 基于超声换能器阵列的自驱动多参数复合传感系统
    5.6 本章小结
6 总结与展望
    6.1 主要工作总结
    6.2 未来工作展望
参考文献
附录
    A.攻读博士学位期间发表的论文目录
    B.攻读博士学位期间申请的相关专利
    C.攻读博士学位期间参与的相关课题
    D.学位论文数据集
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]Gas sensors for CO2 detection based on RGO–PEI films at room temperature[J]. Yong Zhou,Yadong Jiang,Guangzhong Xie,Mei Wu,Huiling Tai.  Chinese Science Bulletin. 2014(17)
[2]MEMS压电超声换能器的结构设计及性能表征[J]. 张晋弘,马剑强,李保庆,冯艳,褚家如.  压电与声光. 2010(04)

博士论文
[1]高强度聚焦超声换能器优化及生物组织传热研究[D]. 李成海.南京大学 2018
[2]非平膜电容式微型超声波传感器研究[D]. 张慧.天津大学 2010



本文编号：3679846