隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）技術與物聯網的迅猛發(fā)展,微加工超聲換能器在各類超聲器件中脫穎而出,在國民經濟、社會發(fā)展與國防安全領域發(fā)揮著越來越重大的作用。由于壓電式微加工超聲換能器（pMUT）克服了傳統(tǒng)大尺寸壓電陶瓷超聲換能器和電容式微加工超聲換能器（cMUT）的諸多缺陷而成為極具發(fā)展?jié)摿εc應用前景的一種新型超聲換能器,具有結構設計靈活、制作工藝簡單、無需偏置電壓、靈敏度高、可靠性好、聲阻抗易匹配、尺寸小、易于陣列與集成等優(yōu)點。目前國內外研究機構主要致力于pMUT器件的機電耦合系數、靈敏度、工作頻率、帶寬等性能參數的提升,但是工作頻帶單一、頻率帶寬小使得基于pMUT的超聲成像系統(tǒng)始終無法兼顧大探測范圍和高成像分辨率。此外,由于pMUT很難兼得高機電耦合系數與高品質因數Q,這使得pMUT的研究幾乎都集中在超聲換能方面,尚未有深入研究pMUT的傳感特性及其應用。因此,本論文在國家重點研發(fā)計劃和中國留學基金委的資助下,對pMUT的多頻帶、寬頻帶超聲換能特性與多參數傳感特性及其應用展開了深入的研究。論文的創(chuàng)新工作和主要研究內容如下:1)基于Kirchhoff薄板理論和壓電本構方程推導出矩形pMUT... 

【文章頁數】：150 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 研究背景
        1.1.1 研究目的及意義
        1.1.2 超聲換能器的主流形式及傳統(tǒng)技術局限
    1.2 PMUT的頻率特性研究現狀
        1.2.1 單模態(tài)pMUT
        1.2.2 多模態(tài)pMUT
        1.2.3 寬頻帶pMUT
        1.2.4 高Q值 pMUT
    1.3 PMUT的換能與傳感應用研究現狀
        1.3.1 pMUT的換能特性應用
        1.3.2 pMUT的傳感特性應用
    1.4 存在的問題及主要研究內容
2 壓電式微加工超聲換能器設計理論及工藝方法
    2.1 引言
    2.2 PMUT器件設計
        2.2.1 結構設計
        2.2.2 性能參數
    2.3 PMUT理論分析模型建立
        2.3.1 Kirchhoff薄板理論
        2.3.2 pMUT機電等效理論模型
        2.3.3 有限元仿真分析模型
    2.4 PMUT加工工藝
        2.4.1 壓電材料選擇
        2.4.2 壓電薄膜沉積與刻蝕
        2.4.3 器件制備
        2.4.4 電場極化
    2.5 本章小結
3 壓電-靜電復合式多頻超聲換能器的設計及仿真
    3.1 引言
    3.2 壓電-靜電復合式多頻超聲換能器設計
        3.2.1 結構設計
        3.2.2 工作原理
    3.3 理論數值分析
        3.3.1 薄板運動微分方程
        3.3.2 振動模態(tài)頻率計算
        3.3.3 力電耦合靜態(tài)分析
        3.3.4 機電等效電路
    3.4 有限元仿真分析與計算
        3.4.1 撓度波形
        3.4.2 頻率響應
        3.4.3 靜態(tài)位移
        3.4.4 聲場分布
    3.5 本章小結
4 壓電式多頻超聲換能器的設計及測試
    4.1 引言
    4.2 壓電式多頻超聲換能器設計
        4.2.1 結構設計
        4.2.2 器件制作與表征
    4.3 壓電式多頻超聲換能器理論分析
        4.3.1 多頻帶工作機理
        4.3.2 有限元仿真分析
    4.4 壓電式多頻超聲換能器性能測試
        4.4.1 空氣中位移靈敏度測試
        4.4.2 空氣中電學特性測試
        4.4.3 水下超聲發(fā)射測試
    4.5 本章小結
5 超聲換能器陣列設計及其自驅動傳感應用
    5.1 引言
    5.2 濕度及CO2敏感薄膜制備與表征
        5.2.1 濕度敏感薄膜選擇與制備
        5.2.2 CO2 敏感薄膜選擇與制備
        5.2.3 濕度與CO2敏感薄膜表征
    5.3 基于超聲換能器陣列的溫、濕度傳感器
        5.3.1 溫濕度傳感器結構設計
        5.3.2 pMUT濕度傳感器工作機理
        5.3.3 濕度傳感測試
        5.3.4 溫度傳感測試
    5.4 摩擦納米發(fā)電機自驅動技術及CO2傳感器
        5.4.1 摩擦納米發(fā)電機設計
        5.4.2 振動能量收集測試
        5.4.3 基于摩擦納米發(fā)電機的CO2傳感器設計及其測試
    5.5 基于超聲換能器陣列的自驅動多參數復合傳感系統(tǒng)
    5.6 本章小結
6 總結與展望
    6.1 主要工作總結
    6.2 未來工作展望
參考文獻
附錄
    A.攻讀博士學位期間發(fā)表的論文目錄
    B.攻讀博士學位期間申請的相關專利
    C.攻讀博士學位期間參與的相關課題
    D.學位論文數據集
致謝


【參考文獻】：
期刊論文
[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壓電超聲換能器的結構設計及性能表征[J]. 張晉弘,馬劍強,李保慶,馮艷,褚家如.  壓電與聲光. 2010(04)

博士論文
[1]高強度聚焦超聲換能器優(yōu)化及生物組織傳熱研究[D]. 李成海.南京大學 2018
[2]非平膜電容式微型超聲波傳感器研究[D]. 張慧.天津大學 2010



本文編號：3679846