【摘要】：超聲換能器作為聲電轉(zhuǎn)換工程中的關(guān)鍵元件,在工業(yè)、國(guó)防和醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,其材料和結(jié)構(gòu)一直為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。具有高靈敏度和空間分辨率的高頻PMUT在醫(yī)療診斷和治療領(lǐng)域有著廣闊的前景。AlN材料作為一種環(huán)保無(wú)鉛的壓電材料,因其可以與CMOS工藝相兼容的特點(diǎn)和高頻段穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn),逐漸被用于PMUT中。但AlN壓電薄膜相對(duì)較低的壓電常數(shù)限制了AlN基PMUT的發(fā)展和應(yīng)用,因此需要通過(guò)結(jié)構(gòu)和陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足性能要求。本文主要研究了以AlN薄膜作為壓電層的圓形雙疊片彎曲振動(dòng)PMUT的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)其性能的影響,并對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化;研究了AlN換能器陣的指向性,并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化,最后得到了性能良好的8×8換能器陣。研究了AlN基PMUT器件的發(fā)射性能。通過(guò)對(duì)換能器工作原理和振動(dòng)模式進(jìn)行分析,對(duì)換能器模型進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化。建立理論模型,探究了影響換能器性能的主要因素。建立有限元模型,針對(duì)換能器半徑、上電極半徑、壓電層厚度和振動(dòng)層厚度等尺寸參數(shù),對(duì)換能器進(jìn)行有限元仿真。通過(guò)仿真,發(fā)現(xiàn)換能器諧振頻率與各層厚度成正比,與換能器半徑的平方成反比;上電極半徑為換能器半徑的65%左右時(shí),換能器諧振振幅最大;振動(dòng)層Si和壓電層AlN的厚度比為0.6左右時(shí),換能器諧振振幅最大;壓電振子半徑越大,換能器諧振振幅越大。根據(jù)仿真結(jié)果確定了換能器結(jié)構(gòu)尺寸,并對(duì)其進(jìn)行了性能仿真并與原模型進(jìn)行了對(duì)比,空氣中諧振振幅從0.1μm提升到0.34μm,空氣中有效機(jī)電耦合系數(shù)為27.16%,水中有效機(jī)電耦合系數(shù)為11.93%,水中動(dòng)態(tài)等效電阻為1kΩ左右,最大發(fā)射電壓響應(yīng)為146.22dB。研究了單陣元和多陣元換能器陣的指向性。通過(guò)理論分析,推導(dǎo)出換能器單陣元指向性函數(shù),發(fā)現(xiàn)影響換能器單陣元指向性的因素有換能器半徑和工作頻率,并綜合考慮了指向性、聲衰減和穩(wěn)定性等因素對(duì)單陣元進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)多陣元換能器陣進(jìn)一步來(lái)改善指向性,通過(guò)對(duì)比幾種基本陣型,最后選擇方陣進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)多陣元方陣指向性函數(shù),發(fā)現(xiàn)影響換能器陣指向性的因素有陣元間距和陣元數(shù)量,并針對(duì)陣元間距和陣元數(shù)量對(duì)換能器陣指向性參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果、面積和填充效率等因素,綜合考慮,確定了換能器陣的最終結(jié)構(gòu)尺寸。最后對(duì)優(yōu)化后的換能器陣聲壓分布進(jìn)行了可視化仿真,發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后換能器陣具有較為理想的聲壓分布,具有良好的遠(yuǎn)場(chǎng)聲場(chǎng)分布,輻射波束寬度為86μm左右,方向性明顯。指向性良好,主瓣尖銳,主瓣的-3dB波束寬度(?)_(-3dB)為9°左右,旁瓣級(jí)為0.228左右。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB552
【圖文】：

[15-17]。圖1.1 種類豐富的超聲換能器目前，對(duì)于 MUT 來(lái)說(shuō)，根據(jù)工作機(jī)制主要分為壓電式（PiezoelectricMicro-machined Ultrasonic Transducer, PMUT）和電容式（Capacitive Micro-machinedUltrasonic Transducers, CMUT）。PMUT 和 CMUT 在研究制作和應(yīng)用范圍上表現(xiàn)各有千秋，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同發(fā)展[13]。1.1.1 電容式超聲換能器CMUT 發(fā)展時(shí)間較早，從上世紀(jì) 90 年代開(kāi)始，國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。CMUT 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，制造上基本使用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝就能實(shí)現(xiàn)。CMUT屬于靜電換能器，其結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)電極板構(gòu)成，如圖 1.2 所示。其換能機(jī)制并不依賴于壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)原理示意圖

這樣的處理，不僅不會(huì)影響仿真的精確度，而且能夠大幅度的縮減仿真時(shí)間，提高仿真效率。圖3.4 簡(jiǎn)化模型縱向半截面示意圖(a)縱向半截面幾何模型(b)縱向半截面有限元模型其次，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)層的材料，建立不同材料的材料模型，輸入各種材料參數(shù)。輸入材料參數(shù)時(shí)，在 ANSYS 中，由于對(duì)稱分析中需要以 y 軸為對(duì)稱軸，而大部分壓電材料參數(shù)矩陣的極化方向一般都是 z 軸向的，所以需要對(duì)壓電材料參數(shù)矩陣進(jìn)行坐標(biāo)變換，將極化方向?yàn)?z 軸的參數(shù)矩陣變化為極化方向?yàn)?y 軸的參數(shù)矩陣，具體方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[66]。AlN 材料的相對(duì)介電常數(shù)矩陣為9.21 0 00 9.21 00 0 10.26S (3-15)AlN 材料的

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本文編號(hào)：2768535