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ZnO超声换能器的研究郝震宏乔东海汪承灏引言声学报35120101数:.,.近年来,随着硅微加工技术的进步,硅微声学器件已经成为微机电系统最重要的应用之It-a]及换能器阵列是一种重要的声学器件,具有体积小、重量轻、功耗低和易于批量生产的优点,可广泛应用于超声成像、超声检测以及超声定位,特别在医学超声成像等领域。硅微超声换能器及换能器阵列采用半导体工艺制作,易于制作阵元小而密集、阵元数量大且阵元性能一致性好的换能器阵列,特别适用于三维超声成像的多阵元二维换能器阵列。摘要对所研制的硅微压电超声换能器的振动特性进行了研究分析。对硅微压电超声换能的振动膜薄板的厚度相对于薄板的尺度叱而言较薄的情况,理论分析与实验结果均表明残余应力对换能器的谐振频率影响较大:不考虑残余应力的理论分析得出的换能器谐振频率与器件的实验测量的结果相差较大,,⑸涞缪瓜煊υ嘉/.stronglyTheomittedWith痝1#PamV)at琋Jan2010(-2016kHz
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‰孚一斗志б桓】”,=(x2)+(2+)s()+(y2+),1能器多采用硅】、氮化硅】或有机薄膜⋯等D=Eh3[1e(12)EPhw(xY)=w(xY)sin(wt+)声学报年硅微超声换能器分为电容式硅微超声换能器和压电式硅微超声换能器两种结构。电容式硅微超声换能器是由振动膜、基底以及振动膜与基底间的气隙形成的微小电容结构。目前研究较多的是电容式硅微超声换能器】,其优点是接收灵敏度高,带宽较宽;缺点是微气隙制作难度高,换能器内阻大,发射效率较低,而且需要高直流电压的偏置电路。压电式硅微超声换能器是将压电薄膜制作在由一定材料制成的支撑层上构成的振动膜结构。其优点是内阻相对较小且电容较大,发射效率高,制作方法简单,不需要微气隙以及直流偏置电路;缺点是目前的接收灵敏度相对较低。硅微压电超声换材料作为振动膜的支撑层;压电层多采用】和压电薄膜,换能器的工作频率最高可达对于硅微压电超声换能器,它的振动一般是受两种力控制,一种是材料的弹性力,一种是技术制备过程形成的残余应力,通常为张应力。在低频时,即硅微压电换能器作传声器时,它是受张12J13j频率的硅微压电超声换能器进行理论分析,研究这两种力对硅微压电超声换能器的谐振频率及振动膜振幅分布的影响。并研制了一种制作在硅基底上,ZnOAuznOAusi3N4(图进行实验验证。之后还对此硅微压电超声换能器的等效电路参数进行测定和作了简单接收和发射实验。忽略残余应力的薄板理论分析与计算硅微压电超声换能器的振动膜为方形。振动膜可认为是四边固定的方形薄板。对于单层矩形薄板,在忽略其内应力时其自由振动方程为:WuD分别为薄板的杨氏模量、密度、厚度和泊松比。对于W=0OwOz=OwOy=0边界条件的简谐解为【