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Nonlinearity analysis of piezoelectric micromachined ultrasonic transducers based on couple stress theory 被引量:4
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作者 Xin Kang Fu-Jun Yang Xiao-Yuan He 《Acta Mechanica Sinica》 SCIE EI CAS CSCD 2012年第1期104-111,共8页
This paper studies the static deformation behavior of a piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (PMUT) actuated by a strong external electric field. The transducer membrane consists of a piezoelectric laye... This paper studies the static deformation behavior of a piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (PMUT) actuated by a strong external electric field. The transducer membrane consists of a piezoelectric layer, a passive layer and two electrode layers. The nonlinearities of the piezoelectric layer caused by electrostriction under a strong electric field are analyzed. Because the thickness of the transducer membrane is on the microscale, the size dependence of the deformation behavior is evaluated using the couple stress theory. The results show that the optimal ratio of the top electrode diameter and the membrane diameter is around 0.674. It is also found that this optimal value does not depend on any other parameters if the thicknesses of the two electrodes are negligible compared with those of the piezo- electric and passive layers. In addition, the nonlinearities of the piezoelectric layer will become stronger along with the increase of the electric field, which means that softening of the membrane stiffness occurs when a strong external electric field is applied. Meanwhile, the optimal thickness ratio for the passive layer and the piezoelectric layer is not equal to 1.0 which is usually adopted by previous researchers. Because there exists size dependence of membrane deforma-tion, the optimal value of this thickness ratio needs to be greater than 1.0 on the microscale. 展开更多
关键词 piezoelectric micromachined ultrasonic trans- ducer pmut Couple stress theory Static deformation - Nonlinearity analysis
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压电AlN MEMS的新进展(续)
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作者 赵正平 《微纳电子技术》 CAS 2024年第5期1-31,共31页
Si基微电子机械系统(MEMS)经过三十余年的发展已进入智能微系统的发展阶段,已成为当今MEMS技术创新发展的主流。当今半导体材料技术的科研已进入超宽禁带半导体的探索开发阶段,超宽禁带半导体AlN不但在功率电子学有较好的前景,而且AlN... Si基微电子机械系统(MEMS)经过三十余年的发展已进入智能微系统的发展阶段,已成为当今MEMS技术创新发展的主流。当今半导体材料技术的科研已进入超宽禁带半导体的探索开发阶段,超宽禁带半导体AlN不但在功率电子学有较好的前景,而且AlN薄膜具有较好的压电性能,与CMOS工艺相兼容,压电AlN MEMS首先在手机应用的射频谐振器、滤波器方面取得突破,实现量产,近年来压电AlN MEMS已成为MEMS技术创新发展的热点。介绍了压电AlN MEMS在掺杂薄膜材料制备、新器件结构设计、新工艺、可靠性和应用创新等方面的最新进展,包含掺钪AlN薄膜研制、AlN薄膜多层结构、AlScN薄膜性能、AlN薄膜制备;体声波(BAW)谐振器与固体安装谐振器(SMR)、薄膜体声波谐振器(FBAR)和薄膜压电MEMS、轮廓模式谐振器(即兰姆波谐振器)、混合谐振器、AlN压电微机械超声换能器(PMUT)等结构创新;有利于CMOS集成,批量高可靠,压电AlN薄膜的晶圆量产,AlScN器件工艺优化;AlN MEMS热疲劳和抗辐照;谐振器与滤波器、能量收集器、物质和生物传感与检测、指纹传感器、图像器和麦克风、通信、微镜传感、柔性传感等方面研究成果。分析和评价了压电AlN MEMS关键技术进步和发展态势。 展开更多
关键词 微电子机械系统(MEMS) ALN 掺钪AlN薄膜 薄膜体声波谐振器(FBAR) 轮廓模式谐振器 压电微机械超声换能器(pmut)
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压电AlN MEMS的新进展
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作者 赵正平 《微纳电子技术》 CAS 2024年第4期1-25,共25页
Si基微电子机械系统(MEMS)经过三十余年的发展已进入智能微系统的发展阶段,已成为当今MEMS技术创新发展的主流。当今半导体材料技术的科研已进入超宽禁带半导体的探索开发阶段,超宽禁带半导体AlN不但在功率电子学有较好的前景,而且AlN... Si基微电子机械系统(MEMS)经过三十余年的发展已进入智能微系统的发展阶段,已成为当今MEMS技术创新发展的主流。当今半导体材料技术的科研已进入超宽禁带半导体的探索开发阶段,超宽禁带半导体AlN不但在功率电子学有较好的前景,而且AlN薄膜具有较好的压电性能,与CMOS工艺相兼容,压电AlN MEMS首先在手机应用的射频谐振器、滤波器方面取得突破,实现量产,近年来压电AlN MEMS已成为MEMS技术创新发展的热点。介绍了压电AlN MEMS在掺杂薄膜材料制备、新器件结构设计、新工艺、可靠性和应用创新等方面的最新进展,包含掺钪AlN薄膜研制、AlN薄膜多层结构、AlScN薄膜性能、AlN薄膜制备;体声波(BAW)谐振器与固体安装谐振器(SMR)、薄膜体声波谐振器(FBAR)和薄膜压电MEMS、轮廓模式谐振器(即兰姆波谐振器)、混合谐振器、AlN压电微机械超声换能器(PMUT)等结构创新;有利于CMOS集成,批量高可靠,压电AlN薄膜的晶圆量产,AlScN器件工艺优化;AlN MEMS热疲劳和抗辐照;谐振器与滤波器、能量收集器、物质和生物传感与检测、指纹传感器、图像器和麦克风、通信、微镜传感、柔性传感等方面研究成果。分析和评价了压电AlN MEMS关键技术进步和发展态势。 展开更多
关键词 微电子机械系统(MEMS) ALN 掺钪AlN薄膜 薄膜体声波谐振器(FBAR) 轮廓模式谐振器 压电微机械超声换能器(pmut)
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基于压电微机械超声换能器的扫描式手势识别传感器
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作者 张士钦 胡益民 +2 位作者 苗斌 王光华 李加东 《微纳电子技术》 CAS 北大核心 2023年第11期1808-1816,共9页
超声手势识别是实现非接触交互的重要方式之一。基于压电微机械超声换能器(PMUT)的手势识别传感器具有功耗低、体积小、不受环境光影响等优点,当前主要是基于PMUT阵列的方式实现,提出了一种基于单振元PMUT的扫描式手势识别传感器。该传... 超声手势识别是实现非接触交互的重要方式之一。基于压电微机械超声换能器(PMUT)的手势识别传感器具有功耗低、体积小、不受环境光影响等优点,当前主要是基于PMUT阵列的方式实现,提出了一种基于单振元PMUT的扫描式手势识别传感器。该传感器由PMUT及电磁驱动单元组成,设计并制备了1.6 mm×1.6 mm的单振元PMUT,振膜半径为500μm,谐振频率为108 kHz,完成了PMUT与电磁驱动单元集成,电磁驱动单元驱动PMUT实现手势扫描,利用多层感知机(MLP)模型完成了手势识别测试。实验结果表明:该扫描式手势识别传感器可实现检测距离为150~600 mm、角度为180°范围内的6种手势识别,平均识别准确率最高为85.66%。 展开更多
关键词 压电微机械超声换能器(pmut) 手势识别传感器 电磁驱动 超声扫描 多层感知机(MLP)
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基于压电微机械超声换能器的液体密度测量传感器
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作者 周红宇 张玉超 +1 位作者 苗斌 李加东 《压电与声光》 CAS 北大核心 2023年第3期374-378,共5页
液体产品的密度检测是审核产品品质的重要手段之一。针对当前传统密度检测装置体积大、功耗高、不易在线检测的问题,该文设计并制作了一种基于压电微机械超声换能器(PMUT)的液体密度测量传感器。该传感器由两个PMUT(半径为500μm,空气... 液体产品的密度检测是审核产品品质的重要手段之一。针对当前传统密度检测装置体积大、功耗高、不易在线检测的问题,该文设计并制作了一种基于压电微机械超声换能器(PMUT)的液体密度测量传感器。该传感器由两个PMUT(半径为500μm,空气中谐振频率为136 kHz)组成,分别作为发射端与接收端。实验测试结果表明,该传感器的谐振频率与液体密度成线性关系,在776~1150 kg/m^(3)密度范围内具有良好的响应,其灵敏度为17 Hz/kg/m^(3)。 展开更多
关键词 密度检测 压电微机械超声换能器 薄膜振动
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基于PZT薄膜的高频压电式微机械超声换能器的仿真与制备
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作者 刘亚琦 陈明珠 +8 位作者 张巧珍 赵祥永 王巨杉 唐艳学 王飞飞 王书豪 汪尧进 苗斌 李加东 《上海师范大学学报(自然科学版)》 2023年第5期597-608,共12页
压电式微机械超声换能器(PMUT)是当前生物医学超声成像领域的研究热点.锆钛酸铅(PbZrO_(3)-PbTiO_(3),PZT)压电薄膜是近年来微机械超声换能器使用的核心压电材料.基于PZT压电薄膜,使用有限元软件COMSOL Multiphysics创建了三维有限元仿... 压电式微机械超声换能器(PMUT)是当前生物医学超声成像领域的研究热点.锆钛酸铅(PbZrO_(3)-PbTiO_(3),PZT)压电薄膜是近年来微机械超声换能器使用的核心压电材料.基于PZT压电薄膜,使用有限元软件COMSOL Multiphysics创建了三维有限元仿真模型,并在(0,1)模态下研究了压电薄膜结构的几何参数,其谐振频率达到222.12 MHz,有效机电耦合系数(keff)为5.13%.采用光刻和刻蚀方法制备了PZT压电薄膜的PMUT单元原型器件.该器件的空腔结构完整,谐振频率在(0,1)模态下为25.87 MHz,仿真与测试结果相似,振动模态较纯,振动位移性能较好.研究结果表明:采用PZT压电薄膜的PMUT在高分辨率、高频医学超声成像中具有较好的应用前景. 展开更多
关键词 压电式微机械超声换能器(pmut) 高频 锆钛酸铅(PbZrO_(3)-PbTiO_(3) PZT)薄膜 器件制备
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声压增强型压电微机械超声换能器
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作者 张玉超 王光华 +3 位作者 周红宇 张士钦 苗斌 李加东 《压电与声光》 CAS 北大核心 2023年第4期619-623,共5页
压电微机械超声波换能器(PMUT)在医疗成像、测距、无损检测和流量感应等领域有着广阔的应用前景。针对传统结构PMUT输出声压较低的问题,该文提出了一种集成亥姆霍兹谐振腔的声压增强型PMUT。构建了声压增强型PMUT的等效电路模型,模拟并... 压电微机械超声波换能器(PMUT)在医疗成像、测距、无损检测和流量感应等领域有着广阔的应用前景。针对传统结构PMUT输出声压较低的问题,该文提出了一种集成亥姆霍兹谐振腔的声压增强型PMUT。构建了声压增强型PMUT的等效电路模型,模拟并对比分析了声压增强型PMUT和传统PMUT的轴上声压。结果表明在70 kHz谐振频率下,声压增强型PMUT沿z轴的输出声压比传统的PMUT沿z轴的输出声压高约42%。测距结果表明,集成了亥姆霍兹谐振腔的PMUT最远测距能力达到2.62 m,比传统结构的PMUT提升了27%。这种结构为PMUT在提升测距能力和拓宽应用场景方面提供了一种新思路。 展开更多
关键词 压电微机械超声波换能器(pmut) 输出声压 亥姆霍兹谐振腔 等效电路 测距
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MEMS压电超声换能器二维阵列的制备方法 被引量:3
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作者 富迪 陈豪 +2 位作者 杨轶 任天令 刘理天 《微纳电子技术》 CAS 北大核心 2011年第8期523-527,共5页
针对超声换能器阵列中阵元密度难以提升和工艺重复性差等问题,提出了一种基于硅-硅键合技术的MEMS压电超声换能器二维阵列的制备方法,并采用该方法制备了阵元间距小至150μm的密排二维换能器阵列。阵列中每个声学单元均为由上电极、压... 针对超声换能器阵列中阵元密度难以提升和工艺重复性差等问题,提出了一种基于硅-硅键合技术的MEMS压电超声换能器二维阵列的制备方法,并采用该方法制备了阵元间距小至150μm的密排二维换能器阵列。阵列中每个声学单元均为由上电极、压电材料(PZT)层、下电极和支撑层组成的多层膜结构,并通过其弯曲振动模式实现超声波的发射和接收。制备样品的测试结果表明,采用该方法制作MEMS压电超声换能器阵列,具有阵元间距小、工艺流程可靠、成品率高、一致性好、工作频率(2.45MHz)与设计值(2.5MHz)的吻合度高等优点,适用于医学成像等高频超声成像系统。 展开更多
关键词 硅-硅键合 微机电压电超声换能器(pmut) PZT膜 高频换能器阵列 医学超声成像
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Air-coupled PMUTs array with residual stresses:experimental tests in the linear and non-linear dynamic regime
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作者 Gianluca Massimino Borka Lazarova +1 位作者 Fabio Quaglia Alberto Corigliano 《International Journal of Smart and Nano Materials》 SCIE EI 2020年第4期387-399,共13页
The mechanical characterization of a 4×4 air-coupled array of Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers(PMUTs)is pre-sented.The experimental campaign consists of three set of experi-mental tests,namely:t... The mechanical characterization of a 4×4 air-coupled array of Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers(PMUTs)is pre-sented.The experimental campaign consists of three set of experi-mental tests,namely:topography measurements,small signal dynamic measurements,and vibrometry in the non-linear dynamic regime.The behavior of three different kinds of PMUT are reported.They differ according to the thermo-electrical treatment that has been applied to the piezoelectric material.The presence of the fabrication induced residual stresses is investigated and the treat-ment effect is evaluated in terms of the initial deflected configura-tion.The results reported in this paper represent an experimental mechanical investigation useful for the design of PMUT structures with advanced functionalities in the linear and non-linear regime. 展开更多
关键词 acoustic-structure interaction ARRAY experimental characterization non-linear dynamics piezoelectric micromachined ultrasonic transducers(pmuts) ULTRASOUND
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Monolithic ultrasound fingerprint sensor 被引量:2
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作者 Xiaoyue Jiang Yipeng Lu +5 位作者 Hao-Yen Tang Julius M.Tsai Eldwin J.Ng Michael J.Daneman Bernhard E.Boser David A.Horsley 《Microsystems & Nanoengineering》 EI CSCD 2017年第1期37-44,共8页
This paper presents a 591×438-DPI ultrasonic fingerprint sensor.The sensor is based on a piezoelectric micromachined ultrasonic transducer(PMUT)array that is bonded at wafer-level to complementary metal oxide sem... This paper presents a 591×438-DPI ultrasonic fingerprint sensor.The sensor is based on a piezoelectric micromachined ultrasonic transducer(PMUT)array that is bonded at wafer-level to complementary metal oxide semiconductor(CMOS)signal processing electronics to produce a pulse-echo ultrasonic imager on a chip.To meet the 500-DPI standard for consumer fingerprint sensors,the PMUT pitch was reduced by approximately a factor of two relative to an earlier design.We conducted a systematic design study of the individual PMUT and array to achieve this scaling while maintaining a high fill-factor.The resulting 110×56-PMUT array,composed of 30×43-μm^(2) rectangular PMUTs,achieved a 51.7% fill-factor,three times greater than that of the previous design.Together with the custom CMOS ASIC,the sensor achieves 2 mV kPa^(−1) sensitivity,15 kPa pressure output,75μm lateral resolution,and 150μm axial resolution in a 4.6 mm×3.2 mm image.To the best of our knowledge,we have demonstrated the first MEMS ultrasonic fingerprint sensor capable of imaging epidermis and sub-surface layer fingerprints. 展开更多
关键词 piezoelectric micromachined ultrasonic transducer(pmut) fingerprint sensors ULTRASOUND
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