超聲波具有能量集束性好、穿透力強(qiáng)、無(wú)放射性等特點(diǎn),常被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲成像,工業(yè)無(wú)損檢測(cè)、水下聲吶探測(cè)等。超聲傳感器作為發(fā)射與接收超聲波的載體,是超聲系統(tǒng)的核心。基于多傳感陣元的二維超聲陣列具有采集速度快、應(yīng)用范圍廣泛等特點(diǎn)。傳統(tǒng)壓電式陣列的結(jié)構(gòu)多為傳感單元的簡(jiǎn)單堆疊,在陣列尺寸和靈敏度方面有很多限制。本文提出了基于石墨烯薄膜的電容式二維超聲傳感陣列,利用石墨烯優(yōu)異的振動(dòng)特性,提高陣列接收超聲波的靈敏度。主要工作包括以下幾個(gè)方面:（1）傳感單元物理場(chǎng)耦合與陣列設(shè)計(jì)方案選擇:通過(guò)三種傳感單元模型,分析了超聲傳感單元的物理場(chǎng)耦合關(guān)系。對(duì)比了三種維度的陣列優(yōu)缺點(diǎn),選擇二維陣列作為本文的設(shè)計(jì)主體。確定了陣元分布方式,以及陣列設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求,并對(duì)陣列設(shè)計(jì)的流程進(jìn)行了規(guī)劃。（2）電容式超聲傳感單元仿真分析:本文構(gòu)建了超聲傳感單元的接收與發(fā)射模型,利用有限元仿真分析了電容式與壓電式超聲傳感單元的發(fā)射效率�；诔晜鞲袉卧慕邮漳Ｊ�,對(duì)比分析了氮化硅和石墨烯薄膜的振動(dòng)特性和輸出靈敏度,確定了石墨烯作為聲傳感單元振動(dòng)膜的可行性和優(yōu)越性。（3）石墨烯二維超聲傳感陣列設(shè)計(jì)與制作:通過(guò)有限元仿真結(jié)果,確定了陣元... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

定電荷型電容式聲傳感器結(jié)構(gòu)

10后會(huì)引起振膜偏離原平衡位置，改變振膜與下極板的間距，引起電容值的變化。由于駐極體膜上電荷量Q保持不變，根據(jù)電容的基本原理Q=VC，在電容值變化的情況下，上下極板間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)的變化，即：QQdVCεSΔΔ==Δ(2-2)其中，ΔV為聲傳感器在外界聲源作用下產(chǎn)生的電信號(hào)，Δd為由聲源產(chǎn)生的聲壓引起振動(dòng)膜的偏移量。定電荷型聲傳感器的振膜為能長(zhǎng)久保持電極化狀態(tài)的電介質(zhì)。這種電介質(zhì)一般為聚丙烯等高分子聚合物。隨著傳感器的使用，駐極體膜的電荷會(huì)有一定程度的損耗，影響聲傳感器靈敏度和精度。與定電荷型聲傳感器相對(duì)應(yīng)的是定電壓型聲傳感器。定電壓型聲傳感器有接收聲波和發(fā)射聲波兩種工作模式，其基本結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。(a)定電壓型接收模式(b)定電壓型發(fā)射模式圖2-2定電壓型電容式聲傳感器結(jié)構(gòu)定電壓型電容式聲傳感器在結(jié)構(gòu)上與定電荷型電容式聲傳感器的最大區(qū)別在于，定電壓型傳感器需要外置的直流偏置電壓維持上下電極間的電位恒定。其中處于接收模式下的聲傳感器只需要直流偏置電壓，而處于發(fā)射狀態(tài)下的聲傳感器向外輻射聲波時(shí)還需要一定頻率交流電壓的激勵(lì)。電容式傳感器工作在接收模式下的結(jié)構(gòu)如圖2-2(a)所示。聲波在空氣的傳播作用下到達(dá)上電極，并引起上電極的偏移。由于聲傳感器工作在恒壓模式下，上電極的偏移產(chǎn)生可測(cè)電流信號(hào)，輸出電流由式(2-3)給出：002dQd(CV)d(A/x)1dxiVVAdtdtdtxdtε====ε(2-3)其中，i為聲壓引起的電流值的變化，V為上下極板間的直流偏置電壓，x為聲壓引起的上下極板間距的變化。由于微小的電流值不易被測(cè)量，因此定電壓型電容式聲傳感器的后端放大電路包括一個(gè)阻值較大的電阻。利用電阻將電流的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓�，再�?jīng)過(guò)放大電路將電信號(hào)進(jìn)行放大后進(jìn)行處理。

11聲傳感器處于發(fā)射模式時(shí)的結(jié)構(gòu)如圖2-2(b)所示。直流偏置電壓用于維持上下電極間的電位恒定，此時(shí)如果在上下電極間施加一定頻率的交流電壓激勵(lì)，振動(dòng)膜會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)并向外輻射超聲波。電容式聲傳感器的發(fā)射模式對(duì)傳感器本身的結(jié)構(gòu)尺寸要求較高，一般為由硅基板和氮化硅膜組成的CMUT[32]。相較于定電荷型聲傳感器在振動(dòng)膜材料的限制，定電壓型聲傳感器在振膜的選取上有很大的自由度。振膜是聲傳感器的核心部件，它受外界聲壓的變化產(chǎn)生偏移，引起上下電極間距的變化，從而完成聲電轉(zhuǎn)換。在固定聲壓作用下，振動(dòng)膜的偏移量決定了電容值的變化大校因此，振膜的選取將在很大程度上影響聲傳感器的靈敏度和其他參數(shù)。分析振膜的振動(dòng)模型，以及振膜參數(shù)對(duì)振動(dòng)的影響有很重要的意義。2.2電容式聲傳感單元分析模型對(duì)比2.2.1平板電容模型電容式超聲傳感器的基本結(jié)構(gòu)包括可振動(dòng)彈性膜、固定基底和絕緣支撐。如圖2-3所示是電容式超聲傳感器的一階集總模型。傳感器的下電極板為固定電極，上電極為傳感器的振動(dòng)薄膜，其質(zhì)量為m，等效彈性系數(shù)為k，上下極間的初始間距為d0。在外界聲壓的作用下，上極板會(huì)偏離原平衡位置，改變上下極板之間的間距，引起電容值的改變。圖2-3電容式傳感器一階集總模型當(dāng)在上下電極之間施加直流電壓V時(shí)，上下電極間的電場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生靜電力，由Fe表示，其大小與直流電壓的大小和極板間的距離有關(guān)，其值為：20202()eAVFdxε=(2-4)其中A為振動(dòng)膜的面積，0ε是真空介電常數(shù)，x為薄膜在聲壓作用下移動(dòng)的距

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
[1]電容式微機(jī)械超聲換能器建模與仿真技術(shù)研究[D]. 呂云飛.中北大學(xué) 2018
[2]空氣耦合式電容微超聲換能器研究[D]. 趙曉楠.天津大學(xué) 2017
[3]基于PZT壓電薄膜的水聲傳感器設(shè)計(jì)及其定向算法研究[D]. 馮明揚(yáng).西安電子科技大學(xué) 2015
[4]電容式超聲傳感器的設(shè)計(jì)[D]. 許鵬.華中科技大學(xué) 2012



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