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超声换能器作为声电转换工程中的关键元件,在工业、国防和医疗等领域有着广泛的应用,其材料和结构一直为学术界研究的热点。具有高灵敏度和空间分辨率的高频PMUT在医疗诊断和治疗领域有着广阔的前景。AlN材料作为一种环保无铅的压电材料,因其可以与CMOS工艺相兼容的特点和高频段稳定性好的优点,逐渐被用于PMUT中。但AlN压电薄膜相对较低的压电常数限制了AlN基PMUT的发展和应用,因此需要通过结构和阵列的优化设计满足性能要求。本文主要研究了以AlN薄膜作为压电层的圆形双叠片弯曲振动PMUT的结构尺寸对其性能的影响,并对其结构尺寸进行优化;研究了AlN换能器阵的指向性,并对其进行了优化,最后得到了性能良好的8×8换能器阵。研究了AlN基PMUT器件的发射性能。通过对换能器工作原理和振动模式进行分析,对换能器模型进行了合理简化。建立理论模型,探究了影响换能器性能的主要因素。建立有限元模型,针对换能器半径、上电极半径、压电层厚度和振动层厚度等尺寸参数,对换能器进行有限元仿真。通过仿真,发现换能器谐振频率与各层厚度成正比,与换能器半径的平方成反比;上电极半径为换能器半径的65%左右时,换能器谐振振幅最大;振动层Si和压电层AlN的厚度比为0.6左右时,换能器谐振振幅最大;压电振子半径越大,换能器谐振振幅越大。根据仿真结果确定了换能器结构尺寸,并对其进行了性能仿真并与原模型进行了对比,空气中谐振振幅从0.1μm提升到0.34μm,空气中有效机电耦合系数为27.16%,水中有效机电耦合系数为11.93%,水中动态等效电阻为1kΩ左右,最大发射电压响应为146.22dB。研究了单阵元和多阵元换能器阵的指向性。通过理论分析,推导出换能器单阵元指向性函数,发现影响换能器单阵元指向性的因素有换能器半径和工作频率,并综合考虑了指向性、声衰减和稳定性等因素对单阵元进行优化。通过多阵元换能器阵进一步来改善指向性,通过对比几种基本阵型,最后选择方阵进行优化。根据多阵元方阵指向性函数,发现影响换能器阵指向性的因素有阵元间距和阵元数量,并针对阵元间距和阵元数量对换能器阵指向性参数进行优化。根据优化结果、面积和填充效率等因素,综合考虑,确定了换能器阵的最终结构尺寸。最后对优化后的换能器阵声压分布进行了可视化仿真,发现优化后换能器阵具有较为理想的声压分布,具有良好的远场声场分布,辐射波束宽度为86μm左右,方向性明显。指向性良好,主瓣尖锐,主瓣的-3dB波束宽度（?）-3dB为9°左右,旁瓣级为0.228左右。