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：醫療成像、倒車雷達

實驗目的：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。

測試設備：信號發生器，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，只是影響其穩態振動的幅值。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分別做發射換能器和接收換能器。通過信號發生器給功率放大器激勵50個脈沖，測量間隔為100ms，功率放大器驅動一片PMUA發出超聲波，超聲波經過反射到達接收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響應

實驗裝置由信號發生器、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，其結構層厚度為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以內用于高精度近距離超聲測量。

圖三為PMUT設計的3D視圖與側面結構，整體為圓形振膜，圓周固支邊界且關于中軸線旋轉對稱。中性軸是當PMUT彎曲振動時，應力為０處的分界線,且中性軸只彎曲不伸長。PMUT分為３層堆疊結構,底部灰色區域為結構層，中間綠色區域為壓電層，頂部黃色區域為電極層。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結構與橫截面示意圖

實驗結果：

將所設計的PMUT進行上述測試，結果如圖四所示。通過測試發現，PMUT在2cm范圍內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發射聲壓過低導致。該PMUT由于結構層比較厚(10um)，而壓電層比較薄(0.5um)，所以發射的能力較弱。我們通過加工結構層更薄，壓電層更厚的PMUT陣列，迖到更大的發射聲壓和測量范圍。

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

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