AlN薄膜压电微机械超声换能器的设计与优化 被引量：1

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作者 娄利飞 赵建新 +2 位作者 梁雅楠 赵明阳 安再芳 《西安电子科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第3期8-13,22,共7页

由于现有的超声换能器多以锆钛酸铅(Pb(Zr 1-xTi x)O 3)和氧化锌(ZnO)材料为压电薄膜,而锆钛酸铅(PZT)含铅,氧化锌存在污染互补金属氧化物半导体制造的问题,对此设计了以氮化铝材料作为压电层的圆形双叠片弯曲振动压电超声微机械换能器... 由于现有的超声换能器多以锆钛酸铅(Pb(Zr 1-xTi x)O 3)和氧化锌(ZnO)材料为压电薄膜,而锆钛酸铅(PZT)含铅,氧化锌存在污染互补金属氧化物半导体制造的问题,对此设计了以氮化铝材料作为压电层的圆形双叠片弯曲振动压电超声微机械换能器。对换能器工作原理进行了分析,建立了有限元模型,针对换能器的尺寸参数进行了有限元仿真。研究发现,换能器谐振频率与各层厚度成正比,与换能器半径的平方成反比;当上电极半径为换能器半径的65%左右时,换能器的谐振振幅最大;当振动层硅和压电层氮化铝的厚度比为0.6左右时,其谐振振幅也最大。对优化后的换能器进行仿真,并与原模型进行了对比。结果表明,空气中的工作频率为9.21 MHz,机电耦合系数在空气中从21.44%提高至27.16%,在水中从3.55%提高至11.93%。这些结论为医疗成像探头的研究提供了基础数据。 展开更多

关键词 压电微机械超声换能器 氮化铝 有限元分析 性能优化

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基于压电微机械超声换能器的液体密度测量传感器

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作者 周红宇 张玉超 +1 位作者 苗斌 李加东 《压电与声光》 CAS 北大核心 2023年第3期374-378,共5页

液体产品的密度检测是审核产品品质的重要手段之一。针对当前传统密度检测装置体积大、功耗高、不易在线检测的问题,该文设计并制作了一种基于压电微机械超声换能器(PMUT)的液体密度测量传感器。该传感器由两个PMUT(半径为500μm,空气... 液体产品的密度检测是审核产品品质的重要手段之一。针对当前传统密度检测装置体积大、功耗高、不易在线检测的问题,该文设计并制作了一种基于压电微机械超声换能器(PMUT)的液体密度测量传感器。该传感器由两个PMUT(半径为500μm,空气中谐振频率为136 kHz)组成,分别作为发射端与接收端。实验测试结果表明,该传感器的谐振频率与液体密度成线性关系,在776~1150 kg/m^(3)密度范围内具有良好的响应,其灵敏度为17 Hz/kg/m^(3)。 展开更多

关键词 密度检测 压电微机械超声换能器 薄膜振动

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声压增强型压电微机械超声换能器 被引量：2

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作者 张玉超 王光华 +3 位作者 周红宇 张士钦 苗斌 李加东 《压电与声光》 CAS 北大核心 2023年第4期619-623,共5页

压电微机械超声波换能器(PMUT)在医疗成像、测距、无损检测和流量感应等领域有着广阔的应用前景。针对传统结构PMUT输出声压较低的问题,该文提出了一种集成亥姆霍兹谐振腔的声压增强型PMUT。构建了声压增强型PMUT的等效电路模型,模拟并... 压电微机械超声波换能器(PMUT)在医疗成像、测距、无损检测和流量感应等领域有着广阔的应用前景。针对传统结构PMUT输出声压较低的问题,该文提出了一种集成亥姆霍兹谐振腔的声压增强型PMUT。构建了声压增强型PMUT的等效电路模型,模拟并对比分析了声压增强型PMUT和传统PMUT的轴上声压。结果表明在70 kHz谐振频率下,声压增强型PMUT沿z轴的输出声压比传统的PMUT沿z轴的输出声压高约42%。测距结果表明,集成了亥姆霍兹谐振腔的PMUT最远测距能力达到2.62 m,比传统结构的PMUT提升了27%。这种结构为PMUT在提升测距能力和拓宽应用场景方面提供了一种新思路。 展开更多

关键词 压电微机械超声波换能器(PMUT) 输出声压 亥姆霍兹谐振腔 等效电路 测距

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基于压电式微机械超声换能器阵列的无线能量传输设计

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作者 荣智聪 宁远 张孟伦 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第10期1515-1521,共7页

利用氮化铝薄膜压电微机械换能器(PMUT)的生物兼容和CMOS电路兼容特性,提出了一种基于上述换能器阵列的声学无线能量传输方法。为了得到最佳的输出性能,对PMUT的结构进行了优化设计,采用派瑞林封装保护PMUT的空腔和表面结构,分析了PMUT... 利用氮化铝薄膜压电微机械换能器(PMUT)的生物兼容和CMOS电路兼容特性,提出了一种基于上述换能器阵列的声学无线能量传输方法。为了得到最佳的输出性能,对PMUT的结构进行了优化设计,采用派瑞林封装保护PMUT的空腔和表面结构,分析了PMUT在不同介质中的电学和频率性能,采用高密度并联阵列降低器件阻抗、提高了总输出电流,对PMUT及其应用电路进行了设计与仿真。PMUT在压电薄膜层与钼底电极厚度比在2∶3至1∶2,顶电极与空腔半径比为0.7时获得最大输出性能,当空腔半径控制在35μm至43μm时,PMUT在水中的谐振频率约为2 MHz。本研究为设计高灵敏度、小型化、无毒无铅的无线能量传输系统提供了一种高集成度、高生物兼容的解决方案。 展开更多

关键词 微机械系统 压电式微机械换能器 无线能量传输 氮化铝

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压电MEMS超声换能器研究进展 被引量：8

5

作者 栾桂冬 《应用声学》 CSCD 北大核心 2012年第3期161-170,共10页

MEMS(micro-electromechanical systems)超声换能器(MEMS ultrasonic transducer,简称MUT)是采用微电子和微机械加工技术制作的新型超声换能器。与传统超声换能器相比,MUT具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活... MEMS(micro-electromechanical systems)超声换能器(MEMS ultrasonic transducer,简称MUT)是采用微电子和微机械加工技术制作的新型超声换能器。与传统超声换能器相比,MUT具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高以及易于与电路集成和实现智能化等特点。是超声换能器的重要的研究方向之一。MUT的研究主要包括压电MUT(piezoelectric MUT,简称PMUT)和电容MUT(capacitiveMUT,简称CMUT)两个方面。本文概述了PMUT研究的发展进程和研究成果,展望了PMUT的研究和应用前景。 展开更多

关键词 微机械 压电 超声换能器

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电容MEMS超声换能器研究进展 被引量：16

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作者 栾桂冬 《应用声学》 CSCD 北大核心 2012年第4期241-248,共8页

MEMS(micro-electromechanical systems)超声换能器(MEMS ultrasonic transducer,简称MUT)是采用微电子和微机械加工技术制作的新型超声换能器。与传统超声换能器相比,MUT具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活... MEMS(micro-electromechanical systems)超声换能器(MEMS ultrasonic transducer,简称MUT)是采用微电子和微机械加工技术制作的新型超声换能器。与传统超声换能器相比,MUT具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高以及易于与电路集成和实现智能化等特点。是超声换能器的重要的研究方向之一。MUT的研究主要包括压电MUT(piezoelectric MUT,简称PMUT)和电容MUT(capacitiveMUT,简称CMUT)两个方面。本文概述了CMUT研究的发展进程和研究成果,展望了CMUT的研究和应用前景。 展开更多

关键词 微机械 电容 超声换能器

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PMUT集成Helmholtz谐振腔对测距性能产生的影响分析

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作者 刘浩杰 塔桂峰 +5 位作者 姚术涛 李加东 苗斌 商文玲 冯昌坤 陶金燕 《压电与声光》 北大核心 2025年第1期113-120,128,共9页

压电微机械超声换能器(PMUT)是超声测距领域的重要传感器件,增强PMUT的测距性能对促进工程化应用具有重要意义。基于Helmholtz谐振腔体的吸声和扩声特性,设计了吸收PMUT背部声波的腔体结构及正向扩声的喇叭口结构。实验结果表明,在2 m... 压电微机械超声换能器(PMUT)是超声测距领域的重要传感器件,增强PMUT的测距性能对促进工程化应用具有重要意义。基于Helmholtz谐振腔体的吸声和扩声特性,设计了吸收PMUT背部声波的腔体结构及正向扩声的喇叭口结构。实验结果表明,在2 m距离处,集成Helmholtz谐振腔体的PMUT在超声信号幅值上有显著提升,达到321.13 mV,相较于常规贴片薄膜下的腔体结构,信号幅度增加了90.5 mV,增幅为39.2%。此外,配备Helmholtz共振特性喇叭口的PMUT在同一距离上的信号幅值测量结果为540.72 mV,相较于未配置喇叭口的PMUT,信号幅值增加了162.41 mV,增幅达到42.9%。上述结果表明,将PMUT与Helmholtz谐振腔体的声学特性相结合,对于提升PMUT在超声测距领域的应用具有重要意义。 展开更多

关键词 压电微机械超声换能器(PMUT) Helmholtz谐振腔体 有限元仿真 超声测距

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超声波马达的发展──国内最新动态 被引量：15

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作者 陈在礼 褚祥诚 +1 位作者 陈维山 贺思源 《应用声学》 CSCD 北大核心 1999年第2期1-5,共5页

基于最新参考文献与ＩＮＴＥＲＮＥＴ网络查询，本文提出超声马达或压电驱动器在我国科技领域最新的研究成果及其未来走向。其中，能够引起研究人员兴趣的尖端性领域包括；超声马达的微型化；具有多个自由度的压电驱动器；具有新颖结构... 基于最新参考文献与ＩＮＴＥＲＮＥＴ网络查询，本文提出超声马达或压电驱动器在我国科技领域最新的研究成果及其未来走向。其中，能够引起研究人员兴趣的尖端性领域包括；超声马达的微型化；具有多个自由度的压电驱动器；具有新颖结构的压电驱动器；超声马达的振动实验测试；高分辨率的压电驱动器；超声马达的使用寿命；超声马达的动力学模型等。 展开更多

关键词 超声波马达 压电驱动器 微机械 动态

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硅微ZnO压电薄膜传声器的研制 被引量：5

9

作者 杨楚威 黄歆 +4 位作者 李俊红 解述 魏建辉 马军 汪承灏 《应用声学》 CSCD 北大核心 2003年第5期1-4,共4页

本文介绍了一种利用ZnO压电薄膜为换能器的硅微压电薄膜传声器的制备,并且对微机械加工工艺过程进行了较为详细的描述。本文对传声器的部分结构进行改进,与通常设计相比较大幅提高了传声器的性能,1000Hz基准频率的灵敏度达到-85dB(相对... 本文介绍了一种利用ZnO压电薄膜为换能器的硅微压电薄膜传声器的制备,并且对微机械加工工艺过程进行了较为详细的描述。本文对传声器的部分结构进行改进,与通常设计相比较大幅提高了传声器的性能,1000Hz基准频率的灵敏度达到-85dB(相对于1V/Pa),500Hz到10000Hz的频率响应的平坦度在±3dB范围内。 展开更多

关键词 硅微压电薄膜传声器 换能器 ZnO 微机械加工工艺 性能 频率 灵敏度 平坦度 微机电系统

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压电型微驱动器 被引量：6

10

作者 徐锡林 《上海交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 1997年第1期67-70,共4页

提出了一种新的微纳米传动机构及其传动比的设计计算方法，并为实验所验证．介绍了一种亚微米量级的闭环测控系统，工作稳定可靠，测控精度高，为微驱动器的研制成功打下了坚实基础，确保其性能技术指标达到了设计要求．

关键词 微机械 微驱动器 连杆机构 压电型 换能器

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基于ScAlN薄膜的高频PMUT阵列的设计与制造 被引量：2

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作者 塔桂峰 刘建河 +5 位作者 李加东 姚术涛 刘浩杰 苗斌 商文玲 陶金燕 《压电与声光》 CAS 北大核心 2024年第4期496-504,共9页

高频压电微机械超声换能器(PMUT)应用于各种场景,如指纹识别、无损检测、医疗成像。在当前非侵入式血管成像应用中,存在换能器使用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)及局限于1-D PMUT阵列的问题。设计并制作了一种基于ScAlN材料压电薄膜的2D-PMUT... 高频压电微机械超声换能器(PMUT)应用于各种场景,如指纹识别、无损检测、医疗成像。在当前非侵入式血管成像应用中,存在换能器使用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)及局限于1-D PMUT阵列的问题。设计并制作了一种基于ScAlN材料压电薄膜的2D-PMUT阵列。为了进一步得到阵列最佳的输出性能,降低栅瓣影响,设计了间距为波长的1/2(300μm)的并联六边形阵列,增大了填充因子,降低了阻抗,提高了输出电流。采用SOI晶片作为PMUT的基本结构,设计了微机电系统(MEMS)工艺流程,并完成了晶片制作。通过扫描电子显微镜和聚焦离子束切割确定PMUT的形貌和结构尺寸,并且测得在水中的谐振频率为2.36 MHz。仿真与测试结果表明,测试误差为9.2%,位移灵敏度较好,有望满足非侵入式血管成像应用需求。 展开更多

关键词 高频压电微机械超声换能器阵列(PMUT) ScAlN薄膜 有限元仿真 器件制备 非侵入式血管成像

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一种基于动态pMUT的距离与方向双向检测方法

12

作者 陶金燕 李加东 +6 位作者 戴晔 商文玲 王丹芮 冯昌坤 胡益民 姚术涛 塔桂峰 《压电与声光》 CAS 北大核心 2024年第5期722-728,共7页

超声波传感器是移动机器人广泛采用的空间感知手段。为了提高空间感知范围,现有移动机器人常采取多传感器组合的方式,导致感知系统体积大、功耗高、系统复杂。提出了一种基于动态压电微机械超声换能器(pMUT)的检测方法,实现了单颗器件... 超声波传感器是移动机器人广泛采用的空间感知手段。为了提高空间感知范围,现有移动机器人常采取多传感器组合的方式,导致感知系统体积大、功耗高、系统复杂。提出了一种基于动态压电微机械超声换能器(pMUT)的检测方法,实现了单颗器件的双向检测功能,使测量范围在小体积、低功耗情况下获得成倍的增加。该方法利用压电薄膜双向振动的特点得到超声波双向回波信号,从而获取两个方向的测量距离。测试表明,使用该方法后单向测量范围基本不变,能准确测量两个方向上障碍物的距离,并在动态情况下反映障碍物对应方向。该方法有助于简化感知系统,有望在微型机器避障等方面发挥重要作用。 展开更多

关键词 压电微机械超声换能器(pMUT) 双向检测 移动机器人 空间感知 测距

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基于MEMS声发射传感器的齿轮故障检测系统

13

作者 张继轩 豆涵杰 +5 位作者 刘涛 李志浩 杨晓 张明洋 毛宇宸 牟笑静 《压电与声光》 CAS 北大核心 2024年第5期638-643,共6页

声发射传感器广泛应用于装备实时健康检测,而传统使用的压电陶瓷换能器存在体积大、能耗高、难集成及成本高等问题,因此设计了基于ScAlN的六边形压电薄膜声发射传感器。该传感器的体积为Φ18 mm×6 mm,在40~500 kHz带宽内,其表面波... 声发射传感器广泛应用于装备实时健康检测,而传统使用的压电陶瓷换能器存在体积大、能耗高、难集成及成本高等问题,因此设计了基于ScAlN的六边形压电薄膜声发射传感器。该传感器的体积为Φ18 mm×6 mm,在40~500 kHz带宽内,其表面波和纵波灵敏度均高于60 dB[Ref.V/(m/s)]。通过匹配层设计和封装后,搭建了齿轮故障检测系统,能有效区分正常齿轮和断齿信号。测试结果表明,基于微机电系统(MEMS)的压电薄膜声发射传感器可同时兼顾高灵敏度和微型化,在齿轮故障诊断方面具有较高的可靠性和准确性。 展开更多

关键词 微机电系统(MEMS) 压电薄膜超声换能器 声发射 声阻抗匹配 齿轮故障检测

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AlN薄膜PMUT阵列指向性仿真分析与阵列优化 被引量：2

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作者 娄利飞 安再芳 +2 位作者 李艺宁 赵明阳 赵建新 《西安电子科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期32-38,共7页

由于氮化铝压电薄膜相对较低的压电常数限制了氮化铝基微机械超声换能器的发展和应用,因此针对该问题研究了氮化铝基微机械超声换能器阵列的指向性。首先依据瑞利原理计算了换能器阵的远场声压以及归一化指向性函数;进而仿真分析了阵元... 由于氮化铝压电薄膜相对较低的压电常数限制了氮化铝基微机械超声换能器的发展和应用,因此针对该问题研究了氮化铝基微机械超声换能器阵列的指向性。首先依据瑞利原理计算了换能器阵的远场声压以及归一化指向性函数;进而仿真分析了阵元半径、阵元间距、阵元数量以及工作频率等因素对阵列波束宽度、方向锐度角和旁瓣级的影响,并对换能器阵进行了优化;最后根据优化结果、面积和填充效率等因素进行综合考虑,确定了换能器阵的最终结构尺寸,并对其声压分布进行了可视化仿真。仿真结果表明,优化后换能器阵具有较为理想的声压分布,指向性良好,主瓣尖锐,主瓣的-3 dB波束宽度为9°左右,旁瓣级为0.228左右。 展开更多

关键词 压电微机械超声换能器阵列 氮化铝 性能优化 指向性

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