Experiment and simulation validated analytical equivalent circuit model for piezoelectric micromachined ultrasonic transducers

PMUT公司 声学 超声波传感器 压电 材料科学 等效电路 电阻抗 电容式微机械超声换能器 传感器 振动 声阻抗 测距 电子工程 电压 工程类 电气工程 物理 电信
作者
Katherine Smyth,Sang‐Gook Kim
出处
期刊:IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:62 (4): 744-765 被引量:99
标识
DOI:10.1109/tuffc.2014.006725
摘要

An analytical Mason equivalent circuit is derived for a circular, clamped plate piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (pMUT) design in 31 mode, considering an arbitrary electrode configuration at any axisymmetric vibration mode. The explicit definition of lumped parameters based entirely on geometry, material properties, and defined constants enables straightforward and wide-ranging model implementation for future pMUT design and optimization. Beyond pMUTs, the acoustic impedance model is developed for universal application to any clamped, circular plate system, and operating regimes including relevant simplifications are identified via the wave number-radius product ka. For the single-electrode fundamental vibration mode case, sol-gel Pb(Zr0.52)Ti0.48O3 (PZT) pMUT cells are microfabricated with varying electrode size to confirm the derived circuit model with electrical impedance measurements. For the first time, experimental and finite element simulation results are successfully applied to validate extensive electrical, mechanical, and acoustic analytical modeling of a pMUT cell for wide-ranging applications including medical ultrasound, nondestructive testing, and range finding.
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