一种基于MEMS的新型pMUT结构设计与仿真开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究背景、目的及意义

微机电系统技术是近几十年发展起来的集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，甚至接口电路、通信电源于一体的微米纳米级尺寸的机电一体化技术^[1]，广泛应用于高新技术产业。现今多将mems技术应用于超声传感器的制作，微机械超声换能器根据超声波产生机理不同可分为压电式（pmut）和电容式（cmut），pmut不需要施加高偏置电压，降低了电路复杂性，不会因静电效应引起电学信号的非线性失真，提高了信噪比，保证了系统的稳定性；不需要较大的电容间隙，降低了制备的复杂性，可以减小换能器的整体尺寸；电阻抗小，驱动电压低，易与前端电路匹配，具有较高的可靠性，此，pmut的应用相对来说更为广泛。基于微机电系统(mems)技术制备的压电超声换能器(pmut),相比传统的超声换能器,其具有可阵列化和频率高等优点,且在实现高精度及与ic工艺集成上有明显优势^[2],从而可进一步提高其使用性能。

频率在20khz以上的机械波称为超声波，其传输方向性强，能够传递波动和能量，可在液体，气体，固体中传播，并且相对于红外光不易受周围环境影响，可以利用超声波的反射原理进行距离、速度、厚度等物理量的测量，因此，超声传感器具有较大的应用前景，可用于超声测距、指纹识别以及医疗超声诊断。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容

压电材料是一类具有压电效应的材料，可以实现应力与电荷之间的转换。正压电效应是指压电材料在机械应力作用下产生电荷，逆压电效应是指压电材料在受到电场作用时产生应力的物理效应。超声换能器作发射和接收时分别利用的是压电材料的逆压电和正压电效应。

对于压电超声换能器的材料选择，如今使用的压电材料有pzt，zno，aln，pzt作为最常用的压电材料，压电系数大，但损耗也大，难以制成微米级的薄膜，常用于大功率压电换能器；氮化铝具有电绝缘性和优异的导热性，对于需散热的应用而言，它是理想之选。此外，由于其热膨胀系数接近硅，且具有优异的等离子体抗性，可被用于制造半导体加工设备部件。aln压电系数相对较小，但介电系数也很小，并且可以与coms电路集成，虽然pzt的压电系数大，但是介电常数也大，在带来优异的传输性能的同时也会带来很大的介电损耗，而aln在各方面均衡的特性使其更广泛地应用于压电超声换能器的制造.

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 刘鑫鑫. 氮化铝薄膜mems压电超声换能器设计及应用[d]. 杭州：浙江大学，2019.

[2] 张晋弘, 马剑强, 李保庆et al. mems压电超声换能器的结构设计及性能表征[j]. 压电与声光, 2010,32(4):604-607.

[3] 陈玉. 传感器技术在无人驾驶汽车中的应用研究[j]. 电子测试,2017(21).