薄膜体声波超声换能器的设计与研究

作     者：柏沁园 

作者单位：中国计量大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韦一;袁晓霖

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070206[理学-声学] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：声光器件 薄膜体声波 超声换能器 有限元 磁致伸缩 

摘      要：随着光通信技术的发展,声光器件往高频率、集成化的方向发展已经是必然的趋势,而构成声光器件的主要结构之一的薄膜体声波超声换能器,已经逐渐成为了国内外高校和研究所的研究热点。与传统超声换能器相比,薄膜体声波超声换能器具有更高的超声波频率、损耗小、体积小、易集成等优点,被广泛的应用于光电通讯、传感器、医学检测等多个领域。本论文将一维等效电路模型和有限元(FEM)模型相结合,优化和完善了薄膜体声波超声换能器的仿真设计流程。从全面的理论分析,到薄膜体声波超声换能器的工作频率计算和各膜层厚度参数设计优化,再到结构优化和性能提升,为制备高性能的薄膜体声波超声换能器提供参数指导。本论文还提出了一种磁控电极薄膜体声波超声换能器,通过改变超声换能器的工作频率,来提升声光器件的灵活性。在压电效应和声光效应理论的基础上,先计算出符合声光效应条件的薄膜体声波超声换能器工作频率,再结合薄膜体声波超声换能器的等效电路模型,利用Matlab对有效机电耦合系数进行分析,设计出合理的膜层厚度参数,然后利用Comsol软件构建有限元仿真模型,仿真分析薄膜体声波超声换能器的基本性能,并对膜层厚度进行优化。同时,分析设计出合理的仿真频率步长和模型网格划分来提高仿真的准确性和求解速度。通过有限元仿真分析了电极结构对薄膜体声波超声换能器性能的影响。适当的电极面积可以削弱超声换能器中的寄生振动模式,提高换能器性能。在上电极上添加凸起凹陷复合结构,能够达到约束声波能量和抑制寄生模式的效果,从而提高薄膜体声波超声换能器性能。根据优化的结构参数构建超声换能器三维模型,仿真获得其有效机电耦合系数6)1)1))、Qs、Qp分别为7.63%、741、612,相比于近些年的几款超声换能器,具有较高的有效机电耦合系数和声能利用率。本文还提出了一种基于磁致伸缩效应的磁控电极薄膜体声波超声换能器,利用磁场来控制磁性电极的厚度,从而改变薄膜体声波超声换能器的工作频率,并通过有限元仿真进行验证,它还可以作为磁场传感器,其灵敏度约为160(*(*8)))。本论文的研究内容为薄膜体声波超声换能器的制备和声光器件的研发提供了参数指导,大大提高了器件设计和制备的效率。