实验名称:基于压电微机超声换能器的超声测距测量
研究方向:医疗成像、倒车雷达
实验目的:基于压电微机超声换能器的超声测距测量实验研究,探究更高频段400kHz下的PMUT近距离测量,期望达到更高的分辨率和更小的误差。
测试设备:信号发生器,ATA-1372A宽带放大器,示波器,PMUT试件等。
实验过程:
PUMT激励波形有很多种,我们测试了不同的波形(三角波主要用于扫描电路),其电压的峰峰值均为10V,脉冲个数取100个(充分达到振幅饱和),如图二所示,全波方波具有最大的激励振幅,而全波正弦波所能产生的振幅最小,这是因为同等电压幅值下,矩形波具有最大的均方根电压,所以具有更大的驱动能力。而且从图中可以看出,不同波形对PMUT振动的上升和下降阶段陡峭程度并没有较大影响,只是影响其稳态振动的幅值。因此我们选用全波方波作为PMUT的激励信号。该测距实验采用两片PUMA分别做发射换能器和接收换能器。通过信号发生器给功率放大器激励50个脉冲,测量间隔为100ms,功率放大器驱动一片PMUA发出超声波,超声波经过反射到达接收PMUT,接收到的信号输入示波器进行观察。
图一超声波测距实物图
图二不同波形激励下的瞬态响应
实验装置由信号发生器、ATA-1372宽带放大器、示波器和PMUT试件组成,本实验中PMUT试件主要由氮化铝(AIN)组成,其结构层厚度为10um,压电层厚度为0.5um,电极厚度为1um,考虑AIN沉积带来的残余应力,其半径为300um,测量频段控制在400kHz左右,将波长控制在1mm以内用于高精度近距离超声测量。
图三为PMUT设计的3D视图与侧面结构,整体为圆形振膜,圆周固支边界且关于中轴线旋转对称。中性轴是当PMUT弯曲振动时,应力为0处的分界线,且中性轴只弯曲不伸长。PMUT分为3层堆叠结构,底部灰色区域为结构层,中间绿色区域为压电层,顶部黄色区域为电极层。厚度用t表示,半径用r表示,距中轴线距离用z表示。
图三PMUT的3D结构与横截面示意图
实验结果:
将所设计的PMUT进行上述测试,结果如图四所示。通过测试发现,PMUT在2cm范围内能检测到微弱的放大后的回波信号,在大于2cm的时候无法检测到明显回波,这是由于PMUT发射声压过低导致。该PMUT由于结构层比较厚(10um),而压电层比较薄(0.5um),所以发射的能力较弱。我们通过加工结构层更薄,压电层更厚的PMUT阵列,迖到更大的发射声压和测量范围。
图四单元PMUT测距脉冲回波信号
功率放大器推荐:ATA-1372A
图:ATA-1372A宽带放大器指标参数
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