一种应用于胎压监测的自供电系统研究

设计与制作了一种用于胎压监测的自供电系统,主要利用压电-光电复合能量收集装置及相匹配的能量管理与存储电路采集轮胎转动的机械能和自然界光能。实验测试表明:光电能量收集器在弱光环境下输出功率最低327μW,压电能量收集器在正常车速情况下平均输出功率为452μW,而复合能量输出平均功率达到1.32 mW。同时对胎压监测系统进行功耗分析,从能量收支平衡的角度验证监测系统10 s钟工作一次的可行性,利用轮胎转动的机械能与太阳能复合互补供电的胎压监测系统可长期自我维持,无需额外电池或备用电源,具有一定的应用参考价值。

可穿戴生理信息监测的自供电系统研究

设计与制作了一种应用于可穿戴生理信息监测的自供电系统,利用压电-光电复合能量收集装置采集人体运动时足底的机械能和室内光能。复合能量收集装置以运动鞋为载体,设计了多种结构压电能量收集器固定在鞋底,光电能量收集器粘接在鞋面,收集到的能量存储在超级电容中,同时设计了一套能够定时、按需供电的能量管理控制电路,控制生理信息监测系统每隔20 min上电一次,并且测量结束即刻断电。经测试,光电能量收集装置在室内从早上7点至晚上7点的平均输出功率达到590μW,压电能量收集装置在1.2 m/s的匀速步行状态驱动下的平均输出功率达540μW以上,复合能量输出功率能够稳定在1.124 mW以上,即20 min产电1.349 J。对系统各单元进行数据采集测试以及功耗测试,得出系统一个工作周期耗能1.04 J。从能量收支平衡来看,利用运动机械能与光能复合供电的生理信息采集系统可实现自我维持定时工作,具有一定的应用参考价值。

基于柔性铰链结构的大口径压电快摆镜

为了解决压电作动器驱动的快速反射镜因压电作动器伸长量较小,导致快速反射镜偏转角过小的问题,该文提出了一款新型快速反射镜设计方案。采用三级杠杆式柔性铰链放大机构实现压电作动器位移的放大,采用柔性轴承作为快摆镜的运动关节实现快摆镜的大角度定轴偏转。通过理论推导和有限元仿真对快摆镜的最大偏转角度、等效应力、谐振频率以及振型进行分析。实验结果表明,所设计的快摆镜可以实现大于2 mrad的镜面偏转,满足大范围、高精度的光束定位要求。

一种高可靠连体式介质滤波器设计

根据椭圆函数响应,采用相对介电常数为37的高品质因数微波介质材料,该文设计了一种低损耗、连体式四级介质滤波器。通过1-4谐振器之间使用级联四元组(CQ)电容加载耦合,经优化后滤波器中心频率为1268 MHz,工作带宽为25 MHz,插入损耗≤2.5 dB,回波损耗≥18 dB,近端带外抑制≥40 dB。根据仿真模型结构参数,优化成型和金属化工艺,制备得到的样品,通过可靠性环境试验表明,该滤波器的性能测试结果与仿真结果吻合良好。

压电陶瓷作动器的卡尔曼滤波输出反馈预测控制

为了抑制压电陶瓷的迟滞、非线性特性对压电微定位平台精度的影响,建立反映压电陶瓷作动器频率依赖迟滞非线性特性的Hammerstein模型:利用非对称Bouc-Wen模型来表示静态迟滞非线性和利用动态线性模型表征信号频率的影响。针对迟滞补偿器不能完全的进行补偿,并且存在噪音干扰实验设备,采用基于卡尔曼滤波的预测控制,提高压电微定位平台的控制精度。预测控制用来减小逆补偿误差以及建模误差等模型不确定性的影响,卡尔曼滤波用来获得系统的状态估计值。实验结果显示,该控制器在正弦波信号下的相对跟踪误差小于0.68%,三角波信号下相对跟踪误差小于0.70%。在迟滞补偿的基础上,采用卡尔曼滤波的预测控制,该方法可以有效地完成对微定位平台的高精度跟踪。

聚丙烯腈基多层异质柔性复合薄膜制备及其压电特性

为了解决压电纳米发电机的柔性和压电输出特性不能协同提高的难题,采用旋涂法制备纯聚丙烯腈(PAN)压电薄膜和PAN/氧化石墨烯(rGO)复合压电薄膜,通过堆叠热压法制备PAN-PAN/rGO-PAN和PAN/rGO-PANPAN/rGO两种典型的三明治异质压电纳米发电机。系统研究了rGO掺杂质量分数对PAN/rGO复合压电薄膜和两种典型异质复合薄膜的压电输出性能的影响。研究结果表明,三层异质PAN-PAN/rGO-PAN型和PAN/rGO-PANPAN/rGO型复合薄膜压电纳米发电机输出最大的电压分别达到4.61 V和5.80 V,比三层同质PAN-PAN-PAN复合压电纳米发电机输出电压分别提高34.0%和68.6%。当负载电阻为10 MΩ时,PAN/rGO_(0.4)-PAN-PAN/rGO_(0.4)复合薄膜压电纳米发电机的输出功率最大值为2.02μW。经过4500次循环测试表明,本文制备的三层异质复合薄膜输出性能稳定。该纳米发电机有望作为自供能微型压力传感器在柔性可穿戴电子设备和电子皮肤中广泛应用。

倾斜异长组合型压电能量采集器设计与仿真

振动是自然界中普遍存在的现象,而压电材料可以将外界振动的机械能转化为电能,为微型机电系统、无线传感网络和嵌入式系统等提供能量,从而使得器件降低对电池能源供应的依赖。为了拓宽压电能量采集器的工作频带并提升其能量采集效率,该文设计了一种倾斜异长组合型压电能量采集器,通过理论分析得出该能量采集器的固有频率以及压电能量采集器的各组模态振型,通过有限元分析证明了理论推导的正确性,验证了在该设计中压电悬臂梁组数对压电能量采集器的影响规律。结果表明,倾斜异长组合型压电能量采集器可以实现多模态下的振动能量采集,提升能量采集效率。

磁力耦合阵列式压电俘能器振动特性研究

振动能量收集技术有望解决无线传感节点自供电的难题。通过引入非线性磁力,本文设计了一种磁力耦合阵列式压电俘能器(MA-PEH)。基于磁偶极子法建立非线性磁力模型,利用有限元方法获取组合梁的恢复力模型,根据牛顿第二定律及基尔霍夫定律建立系统的动力学模型。仿真分析了激励幅值、激励频率对动力学响应的影响规律,并进行实验验证。研究结果表明:在非线性磁力作用下,系统在谐振频率附近出现混沌和阱间周期运动,这将有利于拓宽俘能器的工作频带;随着激励频率改变,各组合梁始终保持相同的运动状态,当系统处于阱间周期运动状态时,只存在一种类型的组合梁处于高能输出状态。当激励频率分别处于两个组合梁的谐振频率附近时,增大激励幅值,将导致一种类型的组合梁输出被提升,而另一种类型的组合梁输出被抑制。

微波陶瓷介质滤波器成型烧结工艺可靠性研究

该文从微波陶瓷材料NP37本身出发,压制标准件,通过对密度、电性能测试及内部切片形态观测验证不同成型压力、烧结设备(气氛炉和隧道炉)、烧结温度工艺下对坯体制作性能及可靠性的影响。研究表明,在成型压力2000 kg、隧道炉1160℃烧结工艺下,坯体性能及可靠性测试结果最佳。将其用于介质滤波器的坯体制作、介质滤波器坯体的切片、扫描电镜(SEM)测试、热震试验及温度冲击试验,结果验证了此成型烧结工艺可靠性较高。结果表明,通过验证标准件成型烧结工艺指导介质滤波器生产的方法能有效地提高产品可靠性。

基于压电能量收集技术的自供电系统设计

为了降低对传统电池的依赖,同时收集和利用汽车发动机的振动能量,设计了一种二自由度压电能量收集器和基于压电能量收集技术的自供电系统。系统主要由压电能量收集器、电源管理模块和加速度传感器组成。对压电能量收集器进行了建模、仿真和测试,得到了压电能量收集器的谐振频率和输出电压,测试结果表明该压电能量收集器前两阶谐振频率分别为105.5和124.6 Hz,并且在95~128 Hz频率范围内输出电压均在2.7 V以上,频率带宽为33 Hz。测试系统的整体功能,测试结果表明电源管理模块LTC3588-1输出3.34 V的直流电压,加速度传感器ADXL335能够正常工作。实验验证了压电能量收集技术在汽车电子领域中的潜力和可行性,为汽车电子设备提供可持续的自供电解决方案。

氢离子注入钽酸锂的翘曲变化及颗粒研究

声表面波(SAW)滤波器急需使用高质量的钽酸锂压电单晶复合薄膜衬底材料来提升性能。离子注入后,晶圆翘曲增大,颗粒增加,键合工艺易产生不规则条纹和键合空洞等缺陷,严重阻碍高质量钽酸锂压电单晶复合薄膜材料的制备。通过X线衍射(XRD)、聚焦离子束透射电镜(FIB-TEM)及颗粒测试仪等设备对注入内部应力、损伤和颗粒变化进行分析表征,解释了翘曲增大和颗粒增多的原因,并提出了相应的解决方法,最后成功制备了翘曲低、颗粒少的注入晶圆。通过键合工艺进一步验证,获得了无条纹和空洞等缺陷的高质量键合晶圆,为钽酸锂压电单晶复合薄膜的高效制备奠定了基础。

磁耦合式可调频压电振动俘能器

为提高压电振动俘能器的环境适应性,提出一种磁耦合式可调频压电振动俘能器,利用激励器上主动磁铁和组合换能器上被动磁铁间的耦合作用及横摆簧片实现压电振子的单向限幅激励。通过对俘能器及磁对的建模和仿真分析,获得了俘能器结构参数对俘能器输出性能的影响,在此基础上制作俘能器样机并进行实验研究,获得了俘能器纵摆质量m_(1)、横摆质量m_(2)、横向距离Lx、纵向距离Ly、竖向距离Lz及负载电阻对俘能器输出性能的影响规律。结果表明:存在两阶谐振频率f_(1)和f_(2)使输出电压出现峰值U_(n1)和U_(n2),调节m_(1),m_(2),Lx,Ly及Lz会影响f_(1),f_(2),U_(n1)及U_(n2);其他条件一定时,存在最佳负载电阻2 200 kΩ使输出功率达到0.122 mW。通过选择合适的结构参数能够提升俘能器的有效频带和输出电压,对增强压电振动俘能器的可靠性和频率适应性具有一定的参考价值。

用于压电单晶薄膜晶圆制备的键合面清洗技术研究

高性能薄膜声表面波滤波器对压电单晶薄膜晶圆键合面的洁净度提出了严苛的要求。目前采用的常规清洗技术对因离子注入后而残留的大量颗粒等污染物的去除效率低,导致键合晶圆存在较多气泡或者空洞,因此提出了一种采用硫酸与过氧化氢混合溶液(SPM)清洗和新型复合清洗液刷洗清洗技术的两步清洗法。采用此工艺后,晶圆表面的颗粒数由离子注入后的148000降到23,有效去除了晶圆键合面沾污、颗粒等污染物,显著提高了键合晶圆的质量。该清洗技术已成功应用于压电单晶薄膜晶圆LTOI材料的制备。

电磁寄生参数对SAW滤波器性能的影响

设计了B41频段的声表面波(SAW)滤波器,利用三维电磁场仿真工具HFSS建立表面贴装器件(SMD)封装和芯片级(CSP)封装模型,对比两种封装的声-电磁联合仿真结果得出,在滤波器电路拓扑结构中,当2条不同并联支路连接在一起时,由于SMD封装键合引线的电磁寄生参数影响,滤波器在高频处的带外抑制会出现“上翘”。建立不同键合线数量、直径及长度的SMD封装模型,并仿真计算S参数。对比仿真结果可知,随着键合线直径的增大和长度的减小,其等效电感逐渐变小,即键合线的电磁寄生参数逐渐减小,对SAW滤波器性能的影响逐渐减弱,高频处的带外抑制性能得到优化。结果表明,CSP封装植球倒扣的电磁寄生参数更小,声-电磁联合仿真的结果更优,与实测结果吻合较好。

箭头型阻流体无阀压电泵的设计与试验

针对三棱柱阻流体无阀压电泵输出流量小的问题,基于箭头结构流阻小的特点设计了一种箭头型阻流体无阀压电泵,介绍了该泵的结构及工作原理。利用有限元软件模拟仿真了箭头型阻流体无阀压电泵的泵腔速度流线图,并将该泵与三棱柱阻流体无阀压电泵的阻力特性进行了对比分析。结果表明,箭头型阻流体无阀压电泵能单向运输流体,且其效率较三棱柱阻流体无阀压电泵提升了19.51%。利用3D打印机制作了2种泵的样机,进行了流量和压差试验。试验结果表明,在300 V的驱动电压下,箭头型阻流体无阀压电泵的最大流量和压差分别为17.40 g/min和470 Pa,较三棱柱阻流体无阀压电泵分别提升了22.71%和37.03%。

基于SAW滤波器的电磁寄生提取

针对封装管壳和版图电磁寄生参数导致射频声表面波(SAW)滤波器通带变窄及驻波增大等问题,提出一种能快速提取封装管壳和版图中电磁寄生效应的方法,精准模拟了封装和版图对滤波器性能的影响。首先利用有限元法(FEM)电磁仿真软件提取封装管壳的电磁寄生参数,再使用电路仿真软件将所设计出的滤波器结合所提取的封装寄生参数和滤波器版图直接进行联合仿真,此方法不需将版图在FEM软件中再次进行电磁仿真,可提高时间利用率。此方法在中心频率为1 268 MHz、通带插入损耗小于1 dB、带内驻波小于1.6、带内波动为0.5 dB、带宽为24 MHz(相对带宽为1.8%)的SAW滤波器上进行了验证,结果表明仿真结果与实测值吻合度较高。该设计中所用的SAW谐振器均经过去嵌操作,能更精准地模拟实测滤波器的结果。

面内传播方向对SAW滤波器性能的影响研究

为了满足窄带声表面波滤波器对品质因数Q值和带外抑制日益增长的需求,提出了一种窄带滤波器设计方法。在基于新型POI结构谐振器的基础上,通过旋转谐振器达到改变波传播角度的目的,并利用二维全模型得到准确的实验数据,与原结构谐振器分别代入滤波器设计中进行比较。实验结果表明,该方法在一定程度上能够有效地增加带外抑制,对过渡带抑制能力有2~4 dB的提升,且具有设计简便,占用空间小等优点。

基于COM-MBVD混合模型的多模态声学响应研究与仿真

耦合模(COM)模型广泛应用于声表面波(SAW)滤波器设计中,传统的单模COM模型不能拟合到远端的高阶水平剪切波、西沙瓦波等杂散模态。从单模COM模型出发,结合类似于MBVD等效电路的谐振支路,实现COM-MBVD模型拟合多模态声学响应。并基于此模型搭建8阶梯形结构电路进行优化仿真。最终设计出中心频率为1 590 MHz,通带插入损耗小于1.6 dB,带内波动为1 dB,带宽为80 MHz(相对带宽为5%)的声表面波(SAW)滤波器。实际测试数据与仿真数据相符,验证了该设计方法的可行性。

SAW滤波器功率容量研究

为了提高声表面波(SAW)滤波器的使用寿命和设计效率,有必要研究谐振单元对滤波器功率耐受力的影响。首先通过FEM有限元软件搭建由Al电极、42°Y-X LiTaO_(3)压电材料薄膜和SiO_(2)/Poly-Si/Si衬底构成的谐振器模型,并分析IDT、声孔径、半周期对其阻抗的影响。同时,提出了一种谐振器功率测试方法,该方法可以计算出谐振器的各个频点下加载功率随输入功率的变化。为了验证功率测试方法的可靠性,对采用3030C封装的B41(2515~2675 MHz)滤波器进行功率测试,结果显示在输入功率为23 dBm时,滤波器被烧毁,与仿真数据一致。最后结合电容公式和仿真数据证实了谐振器的面积变化会改变滤波器的电容比,进而影响滤波器的散热,因此可以通过改变SAW滤波器各支路串并联结构以及各谐振器叉指对数、孔径、半周期,来提高滤波器功率耐受性。

倾斜结构对LiTaO_(3)-POI多层结构的SAW谐振器性能的影响

旨在探究倾斜结构在LiTaO_(3)-POI多层结构上对SAW谐振器横向模态杂散的影响。通过有限元方法(FEM),构建两种单端口谐振器模型,半周期P为0.98μm和1.42μm,孔径均为40P。然后对一系列倾斜角度(0°,2.5°,5°,7.5°,10°,12.5°,15°,17.5°,20°)进行了仿真分析,并完成版图绘制和流片测试。研究结果表明,实测数据与仿真结果之间具有高度一致性。在相同的半周期条件下,随着倾斜角度的增加,SAW谐振器对横向模态杂散抑制能力在一定范围内先增强后减弱。机电耦合系数随之逐渐减小,阻抗比的变化规律是先增大后降低,特别是在倾斜角度为2.5°和5°时,阻抗比达到最大值。这些规律揭示了倾斜结构对LiTaO_(3)-POI多层结构SAW谐振器横向模态杂散具有显著的抑制作用,为SAW滤波器的设计和制造提供了重要的理论依据和实践指导。研究结果表明,适当的倾斜角度能够有效优化SAW谐振器的性能,对于高性能射频滤波器的研制具有重要意义。