An Analytical Equivalent Circuit Model for Optimization Design of a Broadband Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer With an Annular Diaphragm

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作者
Tingzhong Xu,Libo Zhao,Zhuangde Jiang,Shuaishuai Guo,Zhikang Li,Guoxi Luo,Lin Sun,Liangchi Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:66 (11): 1760-1776 被引量:29
标识
DOI:10.1109/tuffc.2019.2928147
摘要

This paper presents an equivalent circuit model, a systematic design, and optimization method for developing a broadband annular diaphragm piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (A-PMUT). By utilizing array analysis methods, an annular diaphragm is regarded as an array consisting of equally spaced sector diaphragms influencing each other by crosstalk effect. The model successfully explains the phenomenon of multi-resonance peaks in the frequency response curve, sharing the same vibration mode. The study finds that the analytical predictions of the model are in good agreement with the simulation and experimental results. Meanwhile, based on the phenomenon of multi-resonance peaks, a systematic design method is proposed to extend the bandwidth of the A-PMUT. In this method, the radiation impedance of the A-PMUT is separated into crosstalk-free and crosstalk contributed parts. This method enables the determination of the optimal structure counting for the influences on the frequency response of A-PMUTs for broadband applications. The model here can also be further generalized to be a guideline for the design and optimization of broadband PMUTs.
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