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氮化铝薄膜MEMS压电超声换能器设计及应用

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摘要

1 绪论

1.1 MEMS技术简介

1.2 MEMS超声换能器及其应用

1.3 PMUT研究现状与发展前景

1.4研究内容及论文结构安排

2 PMUT设计与加工

2.1压电材料选择

2.2 PMUT设计

2.2.1 结构尺寸设计

2.2.2 电极尺寸设计

2.3 PMUT加工

2.4 PMUT器件特性测量

2.4.1 机械特性

2.4.2 电学特性

2.5本章小结

3 PMUT用于超声Doppler测量

3.1基于包络线的超声Doppler方法

3.2包络线超声Doppler方法验证

3.3本章小结

4 PMUT用于超声测距测量

4.1 PMUT测距

4.1.1 PMUT单元测距

4.1.2 PMUT阵列测距

4.2基于相位延迟的衰减振荡抑制

4.2.1相位延迟法

4.2.2相位延迟理论的验证

4.2.3抑制效果实验

4.3本章小结

5 PMUT逻辑执行器件

5.1 MEMS逻辑运算器件简介

5.2基于谐振模态调制的逻辑运算

5.3 PMUT逻辑执行器实现

5.4本章小结

6 总结与展望

6.1总结

6.2未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间获得的科研成果

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摘要

本文主要进行了基于AlN(氮化铝)薄膜MEMS压电超声换能器(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer,PMUT)的设计和应用。微机械超声换能器正处于高速发展的阶段,在智能电子,人机交互等领域展现出巨大的应用潜力。课题主要目的在于建立起基于AlN薄膜PMUT的设计,加工,测试,应用能力。在对PMUT进行压电材料选择,尺寸设计,器件加工和机电特性测试的基础上,进一步实现了以下三个方面的应用。 首先,本文将所设计的PMUT用于超声多普勒测量。针对传统超声多普勒测量方法存在的带宽小和采样率高等问题,提出基于包络线的超声多普测测量方法,能大幅降低采样率,且综合了脉冲-回波法的优势。该方法提取回波脉冲的包络信号,进行参数提取,测试结果与理论模型推导具有很好的一致性。基于该方法,利用电激励的响应模型,可以将PMUT用作传感器来测量外界质量或压力造成频率变化。利用声激励的响应模型,可以用超声波的Doppler效应来进行动作速度的测量。 然后,本文将PMUT用于超声测距。飞行时间(ToF)测距是超声换能器的一项基本应用,在进行了单元PMUT测距实验后,针对声压过小的问题,设计加工了更大发射功率的减薄PMUT阵列。该阵列PMUT阵列最大测量距离约为50 cm,最大量程处的测量误差约为3 mm,功耗小于200μW。针对MEMS技术加工的超声换能器存在Q值较高,振动衰减时间久的问题,提出基于相位延迟的振荡抑制方法。先从理论上验证了该方法的可行性,再通过空气中以及水下的测试对理论分析进行了验证,测量的实验结果与理论计算相吻合。最后,分析了采用振荡抑制后,PMUT有效声发射时间的提升以及缩减的振荡衰减时间。 最后,本文提出将PMUT器件作为薄膜谐振器,进行机械逻辑门运算。传统的机械开关主要为射频动作式开关以及光耦谐振式开关。薄膜谐振器具有光学开关以及声学传感器运用的光明前景,且开关速度随着器件的微型化迅速提升,为高速谐振式机械开关提供了实现可能。基于模态调制的思想,设计了一个花瓣型的多谐振频率PMUT,能够实现NOT、OR、XOR、XNOR四个2位逻辑门运算。该具有机械运算能力的PMUT设计不仅可使用电压作为输出,还可以用振动位移作为输出,具有应用于声通讯以及数字谐振式传感器的潜力。

著录项

  • 作者

    刘鑫鑫;

  • 作者单位

    浙江大学;

  • 授予单位 浙江大学;
  • 学科 机械电子工程
  • 授予学位 硕士
  • 导师姓名 谢金;
  • 年度 2019
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类 TQ1;TM9;
  • 关键词

    氮化铝薄膜; MEMS; 压电超声换能器;

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