许 宽,张荣敏,张丽丽,周莎莎

齐鲁工业大学(山东省科学院) 机械与汽车工程学院,济南 250353

近年来,微型生物传感器发展迅速,随着超声技术的不断成熟以及MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems)技术的进步,超声波微型生物传感器已深入到医疗、国防、电子与汽车等各行业部门[1]。在超声医疗成像以及超声检测领域中,超声微生化传感器已经广泛用于诊断各类癌症早期症状的工作中。在超声系统中,实现声电转换的装置即为超声换能器,是超声系统的重要部件之一,其性能参数将影响整个超声传感器的性能[2]。新型MEMS超声换能器(MEMS Ultrasonic Transducer)外形尺寸小,易于集成,且通常具有较高的灵敏度,使用范围广,引起大量学者的关注[3-4]。其中,相比其它微型换能器,压电微超声换能器(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer,PMUT)具有极高的集成度,更易于实现各类换能器阵列的制造,成为微型超声传感器研究的热点[4]。

PMUT的核心构件是由压电材料制备的多层压电阵元。包含压电层,弹性支撑层,以及压电层上下表面的电极层。其力学特性决定了超声微型生物传感器的各项性能指标。基于PMUT结构的多层压电板的理论研究工作将为超声传感器的设计、制造提供理论支撑。

PMUT多层板结构中包含压电层,因此需要考虑压电材料特有的压电效应对PMUT的力学性能产生影响。对于微尺度下压电结构的力学性能,已有部分学者做了相关的研究,比如Mohammadimeh[5]根据修正的偶应力理论分析了纳米复合单层压电板的动力学特性。Kang[6]同样根据该理论分析了压电多层圆形微板的弯曲特性。……