實驗名稱：基(ji)于壓電(dian)微機超聲換能器的超聲測距測量

　　研究方向：醫療成像、倒車雷達

　　實驗目的：基于(yu)壓電微機(ji)超(chao)聲換能器的(de)(de)超(chao)聲測(ce)距測(ce)量(liang)(liang)實驗研究，探究更高頻段400kHz下的(de)(de)PMUT近距離測(ce)量(liang)(liang)，期望達到更高的(de)(de)分辨(bian)率(lv)和更小的(de)(de)誤差。

　　測試設備：信號發(fa)生器，ATA-1372A寬帶放大器，示波(bo)器，PMUT試件等。

　　實驗過程：

　　PUMT激(ji)勵(li)波(bo)(bo)(bo)(bo)形(xing)(xing)有(you)(you)很多種，我們(men)測(ce)試了不同的(de)(de)波(bo)(bo)(bo)(bo)形(xing)(xing)（三角(jiao)波(bo)(bo)(bo)(bo)主(zhu)要用(yong)(yong)于掃描電路），其電壓的(de)(de)峰(feng)(feng)峰(feng)(feng)值(zhi)均為(wei)10V，脈(mo)(mo)沖個數取100個（充分(fen)達到(dao)振幅飽和(he)），如(ru)圖二(er)所(suo)(suo)示，全波(bo)(bo)(bo)(bo)方(fang)波(bo)(bo)(bo)(bo)具有(you)(you)最大(da)的(de)(de)激(ji)勵(li)振幅，而(er)(er)全波(bo)(bo)(bo)(bo)正弦波(bo)(bo)(bo)(bo)所(suo)(suo)能(neng)產(chan)生的(de)(de)振幅最小，這是(shi)因(yin)為(wei)同等電壓幅值(zhi)下(xia)，矩形(xing)(xing)波(bo)(bo)(bo)(bo)具有(you)(you)最大(da)的(de)(de)均方(fang)根(gen)電壓，所(suo)(suo)以具有(you)(you)更大(da)的(de)(de)驅(qu)動能(neng)力。而(er)(er)且從圖中可以看(kan)出(chu)，不同波(bo)(bo)(bo)(bo)形(xing)(xing)對PMUT振動的(de)(de)上升和(he)下(xia)降階段陡峭程(cheng)度并沒有(you)(you)較大(da)影響，只是(shi)影響其穩態振動的(de)(de)幅值(zhi)。因(yin)此我們(men)選用(yong)(yong)全波(bo)(bo)(bo)(bo)方(fang)波(bo)(bo)(bo)(bo)作為(wei)PMUT的(de)(de)激(ji)勵(li)信(xin)(xin)號。該測(ce)距(ju)實驗采(cai)用(yong)(yong)兩片(pian)PUMA分(fen)別(bie)做發射(she)換能(neng)器和(he)接(jie)收換能(neng)器。通(tong)過(guo)信(xin)(xin)號發生器給(gei)功率(lv)放(fang)大(da)器激(ji)勵(li)50個脈(mo)(mo)沖，測(ce)量(liang)間隔為(wei)100ms，功率(lv)放(fang)大(da)器驅(qu)動一(yi)片(pian)PMUA發出(chu)超聲(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)，超聲(sheng)波(bo)(bo)(bo)(bo)經(jing)過(guo)反射(she)到(dao)達接(jie)收PMUT，接(jie)收到(dao)的(de)(de)信(xin)(xin)號輸(shu)入示波(bo)(bo)(bo)(bo)器進(jin)行觀察。

　　圖一超聲波測距(ju)實物圖

　　圖二(er)不同波形激勵下的瞬態響(xiang)應

　　實(shi)驗(yan)裝置由信號發生(sheng)器、ATA-1372寬帶放大器、示波(bo)(bo)器和PMUT試件(jian)組成，本實(shi)驗(yan)中PMUT試件(jian)主要由氮化鋁(AIN)組成，其結(jie)構(gou)層厚度(du)為(wei)10um，壓電層厚度(du)為(wei)0.5um，電極(ji)厚度(du)為(wei)1um，考慮AIN沉積(ji)帶來的(de)殘余應力，其半(ban)徑為(wei)300um，測量頻段控制在400kHz左右，將波(bo)(bo)長控制在1mm以內用(yong)于高精度(du)近距離超聲測量。

　　圖三為(wei)PMUT設計的(de)3D視(shi)圖與(yu)側面結(jie)構(gou)(gou)，整體為(wei)圓形振膜，圓周(zhou)固支邊界且(qie)關于中軸線旋轉(zhuan)對稱。中性(xing)(xing)軸是當PMUT彎曲振動時，應力為(wei)０處的(de)分(fen)界線,且(qie)中性(xing)(xing)軸只彎曲不伸(shen)長(chang)。PMUT分(fen)為(wei)３層堆疊結(jie)構(gou)(gou),底(di)部(bu)灰(hui)色(se)區域為(wei)結(jie)構(gou)(gou)層，中間綠色(se)區域為(wei)壓電層，頂(ding)部(bu)黃色(se)區域為(wei)電極層。厚度(du)用t表(biao)示，半徑用r表(biao)示，距(ju)中軸線距(ju)離(li)用z表(biao)示。

　　圖三(san)PMUT的3D結構與橫截面(mian)示意圖

　　實驗結果：

　　將所設計的(de)PMUT進行上(shang)述測試，結(jie)果如圖四(si)所示(shi)。通過(guo)測試發(fa)(fa)現(xian)，PMUT在2cm范(fan)圍內能檢(jian)測到微弱(ruo)的(de)放大后的(de)回(hui)波信號，在大于2cm的(de)時候(hou)無法(fa)檢(jian)測到明顯(xian)回(hui)波，這是由于PMUT發(fa)(fa)射聲壓(ya)(ya)過(guo)低(di)導(dao)致。該PMUT由于結(jie)構層比較厚(10um)，而壓(ya)(ya)電(dian)層比較薄(bo)(0.5um)，所以發(fa)(fa)射的(de)能力較弱(ruo)。我們通過(guo)加工結(jie)構層更薄(bo)，壓(ya)(ya)電(dian)層更厚的(de)PMUT陣列，迖到更大的(de)發(fa)(fa)射聲壓(ya)(ya)和測量范(fan)圍。

　　圖四單元PMUT測(ce)距脈(mo)沖回波信(xin)號

　　功率放(fang)大(da)器推(tui)薦：ATA-1372A

圖：ATA-1372A寬帶放大器指標參數

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