宽带功率放大器在超声换能器研究中的应用

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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