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　　實驗名稱：基于壓電微(wei)機超聲(sheng)換能器的(de)超聲(sheng)測距(ju)測量

　　研究方向：醫療成像、倒車雷達

　　實驗目的：基(ji)于壓電微機超聲(sheng)換能器(qi)的(de)超聲(sheng)測(ce)距測(ce)量實驗研究，探究更高頻段400kHz下的(de)PMUT近距離(li)測(ce)量，期望達到更高的(de)分辨率和(he)更小(xiao)的(de)誤(wu)差。

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

　　實驗過程：

　　PUMT激(ji)勵(li)波(bo)(bo)(bo)形有很多種，我(wo)們測試了不同的(de)(de)(de)波(bo)(bo)(bo)形（三角波(bo)(bo)(bo)主要用于掃描電(dian)路），其電(dian)壓(ya)的(de)(de)(de)峰峰值(zhi)均為10V，脈(mo)(mo)沖個數取(qu)100個（充分達到振(zhen)(zhen)幅(fu)飽和），如圖二所示，全(quan)波(bo)(bo)(bo)方(fang)波(bo)(bo)(bo)具(ju)有最大(da)(da)(da)的(de)(de)(de)激(ji)勵(li)振(zhen)(zhen)幅(fu)，而全(quan)波(bo)(bo)(bo)正弦波(bo)(bo)(bo)所能(neng)(neng)產生的(de)(de)(de)振(zhen)(zhen)幅(fu)最小，這(zhe)是因為同等電(dian)壓(ya)幅(fu)值(zhi)下，矩形波(bo)(bo)(bo)具(ju)有最大(da)(da)(da)的(de)(de)(de)均方(fang)根(gen)電(dian)壓(ya)，所以(yi)具(ju)有更大(da)(da)(da)的(de)(de)(de)驅動能(neng)(neng)力。而且從(cong)圖中可以(yi)看(kan)出，不同波(bo)(bo)(bo)形對PMUT振(zhen)(zhen)動的(de)(de)(de)上升和下降(jiang)階段(duan)陡峭程度并沒有較大(da)(da)(da)影(ying)響(xiang)，只是影(ying)響(xiang)其穩態振(zhen)(zhen)動的(de)(de)(de)幅(fu)值(zhi)。因此(ci)我(wo)們選用全(quan)波(bo)(bo)(bo)方(fang)波(bo)(bo)(bo)作為PMUT的(de)(de)(de)激(ji)勵(li)信號。該(gai)測距實(shi)驗采(cai)用兩片PUMA分別做發射換(huan)能(neng)(neng)器(qi)和接(jie)(jie)收(shou)換(huan)能(neng)(neng)器(qi)。通過信號發生器(qi)給功率(lv)放(fang)大(da)(da)(da)器(qi)激(ji)勵(li)50個脈(mo)(mo)沖，測量間隔為100ms，功率(lv)放(fang)大(da)(da)(da)器(qi)驅動一片PMUA發出超聲波(bo)(bo)(bo)，超聲波(bo)(bo)(bo)經(jing)過反(fan)射到達接(jie)(jie)收(shou)PMUT，接(jie)(jie)收(shou)到的(de)(de)(de)信號輸入(ru)示波(bo)(bo)(bo)器(qi)進行觀察。

　　圖一超聲波測距實物圖

　　圖(tu)二不(bu)同波形激勵下的瞬態響應

　　實驗(yan)裝置由信號發生器(qi)、ATA-1372寬帶(dai)(dai)放大(da)器(qi)、示(shi)波(bo)器(qi)和PMUT試件(jian)組(zu)成(cheng)(cheng)，本(ben)實驗(yan)中PMUT試件(jian)主(zhu)要由氮化(hua)鋁(AIN)組(zu)成(cheng)(cheng)，其(qi)結構層(ceng)厚度為10um，壓(ya)電(dian)層(ceng)厚度為0.5um，電(dian)極厚度為1um，考慮AIN沉積帶(dai)(dai)來的(de)殘余應力，其(qi)半(ban)徑為300um，測量頻段控(kong)制(zhi)在400kHz左右，將波(bo)長控(kong)制(zhi)在1mm以內用于高精度近距離(li)超聲測量。

　　圖三為(wei)PMUT設計的3D視(shi)圖與側面結(jie)構，整體(ti)為(wei)圓形(xing)振膜(mo)，圓周固支邊界且關(guan)于中(zhong)(zhong)軸(zhou)(zhou)線旋轉對稱(cheng)。中(zhong)(zhong)性(xing)軸(zhou)(zhou)是(shi)當PMUT彎曲振動時，應力(li)為(wei)０處的分(fen)界線,且中(zhong)(zhong)性(xing)軸(zhou)(zhou)只彎曲不伸長。PMUT分(fen)為(wei)３層(ceng)堆疊結(jie)構,底(di)部(bu)灰色(se)(se)區域為(wei)結(jie)構層(ceng)，中(zhong)(zhong)間(jian)綠色(se)(se)區域為(wei)壓電層(ceng)，頂(ding)部(bu)黃(huang)色(se)(se)區域為(wei)電極層(ceng)。厚度用(yong)t表(biao)示，半徑用(yong)r表(biao)示，距中(zhong)(zhong)軸(zhou)(zhou)線距離用(yong)z表(biao)示。

　　圖三(san)PMUT的3D結構與(yu)橫截面示意圖

　　實驗結果：

　　將所(suo)設計(ji)的(de)PMUT進行上述測(ce)試，結果如圖四所(suo)示。通(tong)過(guo)測(ce)試發(fa)現，PMUT在(zai)2cm范圍(wei)內能(neng)檢(jian)測(ce)到微弱(ruo)的(de)放大(da)后的(de)回(hui)波(bo)信(xin)號，在(zai)大(da)于2cm的(de)時候無法檢(jian)測(ce)到明顯回(hui)波(bo)，這是由(you)于PMUT發(fa)射(she)聲壓(ya)(ya)過(guo)低(di)導(dao)致(zhi)。該PMUT由(you)于結構層(ceng)(ceng)比較厚(10um)，而壓(ya)(ya)電層(ceng)(ceng)比較薄(0.5um)，所(suo)以發(fa)射(she)的(de)能(neng)力較弱(ruo)。我(wo)們通(tong)過(guo)加(jia)工結構層(ceng)(ceng)更(geng)薄，壓(ya)(ya)電層(ceng)(ceng)更(geng)厚的(de)PMUT陣列，迖到更(geng)大(da)的(de)發(fa)射(she)聲壓(ya)(ya)和測(ce)量范圍(wei)。

　　圖四(si)單元PMUT測距脈沖回波(bo)信號(hao)

　　功率放大器推薦：ATA-1372A

圖(tu)：ATA-1372A寬帶(dai)放(fang)大器指標參數

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