基于压电式微机械超声换能器阵列的无线能量传输设计  

Design of Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer Array for Wireless Power Transfer

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作  者:荣智聪 宁远 张孟伦 RONG Zhicong;NING Yuan;ZHANG Menglun(State Key Laboratory of Precision Measuring Technology&Instruments,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

机构地区:[1]天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072

出  处:《传感技术学报》2023年第10期1515-1521,共7页Chinese Journal of Sensors and Actuators

基  金:国家自然科学基金项目(62001322)。

摘  要:利用氮化铝薄膜压电微机械换能器(PMUT)的生物兼容和CMOS电路兼容特性,提出了一种基于上述换能器阵列的声学无线能量传输方法。为了得到最佳的输出性能,对PMUT的结构进行了优化设计,采用派瑞林封装保护PMUT的空腔和表面结构,分析了PMUT在不同介质中的电学和频率性能,采用高密度并联阵列降低器件阻抗、提高了总输出电流,对PMUT及其应用电路进行了设计与仿真。PMUT在压电薄膜层与钼底电极厚度比在2∶3至1∶2,顶电极与空腔半径比为0.7时获得最大输出性能,当空腔半径控制在35μm至43μm时,PMUT在水中的谐振频率约为2 MHz。本研究为设计高灵敏度、小型化、无毒无铅的无线能量传输系统提供了一种高集成度、高生物兼容的解决方案。Based on the biocompatibility and CMOS compatibility of aluminum nitride piezoelectric micromachined ultrasonic transducer(PMUT)array,a solution for acoustic wireless energy transfer is proposed.In order to obtain the best output performance,the structure of the PMUT is optimized,and the cavity and surface structure of the PMUT are protected by Parylene sealing.The electrical perform ance and resonant frequency of the PMUT are analyzed,a highdensity parallel array is used to reduce the impedance,the total output current is improved,and its application circuit is designed and simulated.The PMUT achieves the maximum output performance when the ratio of the piezoelectric film layer to the molybdenum bottom electrode is from 2∶3 to 1∶2,and the ratio of the top electrode to the cavity radius is 0.7.When the cavity radius is set from 35 to 43μm,the resonant frequency of the PMUT in water is about 2 MHz.This study demonstrates the feasibility of a high integrated and biocompatible wireless energy transfer systems using highsensitivity and mini aturized MEMS transducer arrays.

关 键 词:微机械系统 压电式微机械换能器 无线能量传输 氮化铝 

分 类 号:TH89[机械工程—仪器科学与技术]

 

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