實驗名稱：基于壓電微機超聲換能器的超聲測距測量

　　研究方向：醫(yī)療成像、倒車雷達

　　實驗?zāi)康模?/strong>基于壓電微機超聲換能器的超聲測距測量實驗研究，探究更高頻段400kHz下的PMUT近距離測量，期望達到更高的分辨率和更小的誤差。

　　測試設(shè)備：信號發(fā)生器，ATA-1372A寬帶放大器，示波器，PMUT試件等。

　　實驗過程：

　　PUMT激勵波形有很多種，我們測試了不同的波形（三角波主要用于掃描電路），其電壓的峰峰值均為10V，脈沖個數(shù)取100個（充分達到振幅飽和），如圖二所示，全波方波具有最大的激勵振幅，而全波正弦波所能產(chǎn)生的振幅最小，這是因為同等電壓幅值下，矩形波具有最大的均方根電壓，所以具有更大的驅(qū)動能力。而且從圖中可以看出，不同波形對PMUT振動的上升和下降階段陡峭程度并沒有較大影響，只是影響其穩(wěn)態(tài)振動的幅值。因此我們選用全波方波作為PMUT的激勵信號。該測距實驗采用兩片PUMA分別做發(fā)射換能器和接收換能器。通過信號發(fā)生器給功率放大器激勵50個脈沖，測量間隔為100ms，功率放大器驅(qū)動一片PMUA發(fā)出超聲波，超聲波經(jīng)過反射到達接收PMUT，接收到的信號輸入示波器進行觀察。

　　圖一超聲波測距實物圖

　　圖二不同波形激勵下的瞬態(tài)響應(yīng)

　　實驗裝置由信號發(fā)生器、ATA-1372寬帶放大器、示波器和PMUT試件組成，本實驗中PMUT試件主要由氮化鋁(AIN)組成，其結(jié)構(gòu)層厚度為10um，壓電層厚度為0.5um，電極厚度為1um，考慮AIN沉積帶來的殘余應(yīng)力，其半徑為300um，測量頻段控制在400kHz左右，將波長控制在1mm以內(nèi)用于高精度近距離超聲測量。

　　圖三為PMUT設(shè)計的3D視圖與側(cè)面結(jié)構(gòu)，整體為圓形振膜，圓周固支邊界且關(guān)于中軸線旋轉(zhuǎn)對稱。中性軸是當PMUT彎曲振動時，應(yīng)力為０處的分界線,且中性軸只彎曲不伸長。PMUT分為３層堆疊結(jié)構(gòu),底部灰色區(qū)域為結(jié)構(gòu)層，中間綠色區(qū)域為壓電層，頂部黃色區(qū)域為電極層。厚度用t表示，半徑用r表示，距中軸線距離用z表示。

　　圖三PMUT的3D結(jié)構(gòu)與橫截面示意圖

　　實驗結(jié)果：

　　將所設(shè)計的PMUT進行上述測試，結(jié)果如圖四所示。通過測試發(fā)現(xiàn)，PMUT在2cm范圍內(nèi)能檢測到微弱的放大后的回波信號，在大于2cm的時候無法檢測到明顯回波，這是由于PMUT發(fā)射聲壓過低導(dǎo)致。該PMUT由于結(jié)構(gòu)層比較厚(10um)，而壓電層比較薄(0.5um)，所以發(fā)射的能力較弱。我們通過加工結(jié)構(gòu)層更薄，壓電層更厚的PMUT陣列，迖到更大的發(fā)射聲壓和測量范圍。

　　圖四單元PMUT測距脈沖回波信號

　　功率放大器推薦：ATA-1372A

圖：ATA-1372A寬帶放大器指標參數(shù)

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