基于MEMS压电超声波换能器的无线能量传输研究

摘要

随着微机电技术(MEMS)和IC加工技术的发展和成熟，MEMS设备在军事、智能家居、植入式医疗设备等领域的应用受到越来越多的研究人员的关注。例如在植入式医疗设备中，由于设备的工作环境比较特殊，更换电池会带来高昂的费用，同时可能对患者造成伤害，另外某些情况下更换电池不能实现，从而会影响设备的正常工作。本论文采用以氮化铝(AlN)作为压电材料的MEMS压电超声换能器(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer，pMUT)作为接收器来实现机械能（超声波）与电能的转换，由于超声波可以在绝大部分介质中传播，可以通过外部施加超声波源来激励组织内部的pMUT，从而实现为植入式设备的无线供能。
　　本论文主要包括六部分，各章内容如下:
　　第一章介绍了课题的研究背景，MEMS技术的发展以及采用MEMS技术的优势，以及将振动式机械能转化为电能的三种不同的转换方式及每种方式的工作原理，然后分类介绍了国内外无线能量传输的研究现状，最后介绍了本课题研究设计到的关于超声波的一些基本理论知识，并提出了本课题的主要研究内容及研究方法。
　　第二章介绍了pMUT的基本工作原理，各种压电材料的性能对比，以及本论文所采用的压电材料及其动能转换成电能的基本实现方式。介绍了用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对超声波发射器发射声波的过程进行的仿真、主要包括声压的分布、声压强度、以及应力分布等。然后在前面分析的基础上设计了两种类型的无线能量传输单元分别为方形pMUT和圆形pMUT，同时对方形器件和圆形器件进行了有限元仿真得到了方形器件和圆形器件的一阶到六阶的振动模态和器件的应力分布情况以及谐振频率和阻抗等仿真参数。
　　第三章以方形器件的加工过程为例详细介绍了方形器件的加工工艺和加工流程，加工完成之后得到了结构完整、满足设计要求、可用于测试的单个pMUT器件和阵列型pMUT器件。
　　第四章介绍了pMUT测试实验平台的搭建，并对单个方形pMUT器件和单个圆形pMUT器件进行了一系列实验，并对单个方形pMUT器件和单个圆形pMUT器件的性能进行了简单的对比。然后对实验数据进行分析得出了pMUT的固有频率、阻抗值;分别在空气中、去离子水中，猪肉组织中对器件的输出电压和输出功率进行了测试，同时把实验数据与前面所得到的仿真数据进行了比较。
　　第五章对阵列型的pMUT进行了实验测试，得到了空气中、去离子水中，猪肉组织中的输出电压等性能表征参数。
　　第六章对本论文所做的主要工作进行了全面的总结，并对本论文中遇到的一些问题和不足之处进行了简要分析，同时展望了未来课题可以进一步研究的方向。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 MEMS技术及其应用

1．3 国内外无线能量传输研究现状

1．4 无线能量传输转换方式

1．4．1 电磁式无线能量转换

1．4．2 静电式无线能量转换

1．4．3 压电式无线能量转换

1．5 超声波技术的发展及应用

1．6 本论文研究意义及主要内容

第2章 压电超声波能量采集器的理论与设计

2．1 压电超声波能量采集器的理论基础

2．1．1 压电效应基本理论

2．1．2 压电方程

2．2 压电材料

2．2．1 压电材料参数

2．2．2 常见压电薄膜

2．3 压电式无限能量传输等效力学模型

2．4 压电式能量采集器的电学模型

2．5 超声波发射器向空间辐射声波过程仿真分析

2．6 单个器件的设计与仿真

2．6．1 单个方形器件的仿真

2．6．2 单个圆形器件的仿真

2．7 本章小结

第3章 器件加工工艺介绍

3．1 单个MEMS器件的加工

3．2 具体实物器件及具体参数对比

3．3 阵列型器件的加工

3．4 阵列型器件实物图

3．5 本章小结

第4章 单个pMUT器件的测试与比较

4．1 基本测试原理

4．2 测试平台搭建

4．3 空气中实验测试

4．4 去离子水中的测试

4．5 猪肉组织中的测试

4．6 本章小结

第5章 阵列型pMUTs器件的测试

5．1 阵列型器件的结构

5．2 阵列型器件的等效电路

5．3 阵列型器件的性能测试

5．4 单个器件与阵列型在空气和去离子水中的测试

5．5 阵列型器件在组织中的测试

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果