aln压电薄膜超声膜厚测量传感器关键技术研究

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1、中图分类号：TH11TB551论文编号：102870516-S156学科分类号：080203硕士学位论文AlN压电薄膜超声膜厚测量传感器关键技术研究研究生姓名章何菁学科、专业机械设计及理论研究方向现代润滑理论指导教师马希直副教授南京航空航天大学研究生院机电学院二О一六年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMechanicalandElectricalEngineeringTheResearchonthekeytechnologyofAluminumNitride

2、PiezoelectricThinFilmUltrasonicOilFilmMeasurementTransducerAThesisinMechanicaldesignandtheorybyHejingZhangAdvisedbyXizhiMaSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringJanuary,2016承诺书本人声明所呈交的硕±学位论文是本人在导师指导下进行的研巧工作及取得的研究成果。除了文中特别加标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己

3、经发表或撰写过的研巧成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航夭大学可Ｗ将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检秦，可臥采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名；寺省５日期：如乂进南京航空航天大学硕士学位论文摘要在工业生产中，大部分机械零部件都是依靠润滑油来降低相对运动表面的摩擦和磨损，合理的油膜厚度是决定机械设备正常工作的一个关键因素。因此，实时检测关键部件的油膜厚度，可以在机械零件失效前发出预警，从而保障机器正常运

4、行。相较于其他的油膜厚度测量方法，超声波测量法对介质的透明度和电隔离性质没有限制，且超声波具有穿透力强、频率高等特点，因此具有更为广泛的应用前景。本文对三层介质结构的超声测厚系统的关键技术进行了研究，包括了AlN压电薄膜传感器的制备、超声波发射和接收硬件电路的理论研究及设计制作。(1)基于声波传播理论，研究了在两层介质中，声波的传播特性及其反射系数；在两层介质传播的基础之上，研究了三层介质结构中，针对不同油膜厚度的测量模型：谐振模型和弹簧模型，即通过润滑油膜的特性阻抗和谐振频率来测量其厚度。(2)通过对氮化铝薄膜制备方法的比较，选择采用反应磁控溅射法在不锈钢上制备具有C

5、轴取向的氮化铝压电薄膜。对氮化铝压电薄膜的制备过程进行设计，并探究了影响薄膜取向性的因素，如：溅射功率、氮气流量比、中间层等。通过原子力显微镜（AFM）来表征薄膜表面形貌，X射线衍射仪（XRD）来表征薄膜的生长取向，最终分别在不锈钢和Si基底表面成功制备出（002）取向的AlN薄膜。(3)设计并制作了中心频率为2.5MHz的基于STC12C5412AD的超声波发射和接收电路，超声波发射电路包括脉冲发生电路、放大电路、场效应管驱动电路和超声波激励电路；接收电路包括限幅电路和放大电路。理论探讨了高频超声激励电路，可以利用三极管的雪崩效应设计三极管MARX雪崩电路来激励高频的

6、超声换能器。关键词：超声反射系数；AlN陶瓷膜；反应磁控溅射；油膜厚度；测量电路本文得到了国家自然科学基金(基金号No.51475229)的资助IAlN压电薄膜超声膜厚测量传感器关键技术研究ABSTRACTIntheindustry,mechanicalpartsmostlyrelyonlubricantoiltoreducefrictionandwearonthesurfaceoftherelativemovement.Thereasonableoilfilmthicknessisthekeytodeterminethatmechanicalequipmentcanw

7、orknormally.Therefore,itcanwarntoensurenormaloperationbeforethemechanicalunitisdamagedifconstantlytestingtheoilthicknessbetweenimportantcomponents.Comparedwithothermeasurements,therearenolimitationsoftransparencyandelectricalisolationforultrasonicmeasurementmethod,soithas