基于IDTs电极分层布局结构的瑞利波器件特性研究

现代科技的发展对高频声表面波(SAW)器件的需求不断增加,对其工作频率也提出了更高的要求。为了提高SAW器件的频率,该文构建了一种IDTs电极分层布局的器件模型,即IDTs/AlN/IDTs/R-sapphire结构,并采用有限元法分析其声学性能,包括导纳、相速度、机电耦合系数等。结果表明,IDTs/AlN/IDTs/R-sapphire结构可激发出瑞利波,且当AlN压电薄膜厚度h_(AlN)=0.4λ(λ为器件周期),水平中心距P_(b)=4μm时,其工作频率为692 MHz,传统的IDTs/AlN/R-sapphire结构器件提高了近1倍(356 MHz),而此时机电耦合系数K^(2)为0.3%,比传统结构高。另外,通过优化IDTs电极的结构参数可进一步改善、调制瑞利波器件的性能。当IDTs的上层铜电极和下层铝电极厚度之比Δh=1.2,P_(b)=4μm,h_(AlN)/λ=0.5时,瑞利波器件的谐振频率为657.9 MHz,K^(2)=1.27%;当P b=6μm时,瑞利波的工作频率为461 MHz,机电耦合系数达到最大(K^(2)_(max)=1.34%),较传统IDTs单层布局结构瑞利波器件分别提升了30%和300%。结果表明,IDTs电极分层布局结构不仅可有效地提高SAW器件的工作频率和机电耦合系数,也可以降低高频SAW器件的制备难度。

四激励二维正交复合夹心式压电超声换能器的设计

提出了一种四激励二维正交复合夹心式压电超声换能器,换能器由四组纵向极化压电陶瓷晶堆、一个中心耦合金属块和四个外部金属圆锥组成。基于二维耦合振动机理和机电类比原理,建立了换能器的等效电路模型并推导了其谐振频率方程。利用有限元软件仿真分析了四激励正交复合换能器的频响特性和振动特性,并与其单独一个方向振子的振动特性进行了对比。加工了反相和同相模态的换能器,利用阻抗分析仪和激光测振仪测试了其频率响应和二维四向纵振动输出特性,并进行了大功率二维四向超声乳化实验测试。理论、仿真和实验结果表明:换能器具有反相和同相两个纵向正交共振模态,在这两种共振模态下均可实现二维四向纵振动输出,且换能器两个正交方向振子的纵向振动具有相互耦合加强的作用;等效电路法和有限元法所得换能器的共振频率和有效机电耦合系数与实验测试结果吻合,通过与单激励正交复合夹心式压电超声换能器的有效机电耦合系数对比,发现该换能器具有更高的有效机电耦合系数。

基于MEMS机构装配的微夹持器研究

微夹持器作为末端执行装置,直接决定了微装配的效率。MEMS机构中包含许多微小的活动部件和功能元件,为实现这些微小器件的稳定夹取和自动装配,设计了一种采用压电陶瓷驱动、基于柔性铰链的二级放大微夹持器结构。对该微夹持器的节点应力、刚度及最大张合量等进行了分析计算,并对微夹持器进行了试制。实验与分析结果表明,该夹持器最大张合量是245μm,放大倍数约为12.3倍,满足MEMS机构的装配要求。在此基础上,重点对张合量与夹持力进行了系统测试,通过对测试数据的非线性回归,推导出99.99%可靠度的驱动电压计算公式,实现了微夹持的精确控制。

超声波轴承用挤压式压电换能器的共振频率

设计了一种超声悬浮轴承用新型径向挤压式压电换能器,用于验证超声波轴承径向共振频率理论计算的正确性。基于弹性理论、压电方程和机电类比原理,建立压电换能器机电等效电路图,理论推导出了压电换能器径向振动的共振频率方程;然后,应用Matlab软件计算出了压电换能器的共振频率。采用有限元软件对已知结构尺寸的换能器进行模态分析,计算出压电换能器所需振型及该振型下的共振频率,数值仿真分析了换能器结构尺寸对换能器共振频率和径向振幅的影响。最后,设计了一台样机,从理论、仿真及实验三方面对其共振频率进行验证。实验结果显示:换能器径向振动共振频率的理论值与实验结果相对误差为5.89%,仿真值与实验结果误差为3.53%。实验结果证明了理论计算方法的正确性,为压电挤压换能器的设计提供了理论依据。

基于MEMS的红外动态图像生成技术

提出了一种基于MEMS技术的红外动态图像生成技术。利用热传导方程，建立了可见光，红外图像转换膜的理论模型；介绍了可见光／红外图像转换膜制作的工艺流程，制作了一张像元数为512×512、像元尺寸为35μm的可见光／红外图像转换膜。并利用转换膜构造了红外动态图像生成装置，通过实验对红外动态图像生成装置的性能进行了研究。利用MEMS技术制作的可见光／红外图像转换膜可以工作在红外3～5μm和8—12μm两个波段。根据实验测得红外图像生成装置的空间分辨率为14lp／mm，在3—5μm波段，所生成红外图像的温度范围为250—440K，在8～12μm波段，所生成红外图像的温度范围为250—400K。

压电晶体型电液开关阀

根据压电晶体的逆压电效应，设计了粘接式多层压电晶体电－机械转换器及其驱动电路．在此基础上设计了压电晶体型电液开关阀，进行了压电晶体型电液开关阀的开启特性实验．

A3夹心式压电超声扭转换能器的研制

本文对夹心式压电超声扭转振动换能器进行了理论及实验研究，得出了对称型扭转振动夹心换能器的共振频率设计方程，给出了频率方程式中一些主要的物理量的具体表达式。在此基础上，实际设计并制作了一个夹心扭转振动换能器。

电容式微机械超声换能器技术概述

电容式微机械超声换能器(CMUT)已成为一种重要的新型换能器,在医学成像领域的应用潜力得到了广泛关注。对CMUT超声换能器技术进行深入研究,对于提高我国超声医疗设备及其关键核心部件的竞争力有着重要意义。首先介绍了CMUT超声换能器制造工艺技术的发展过程和现状,其次总结了其在各种医学应用中的基本情况,包括器件的结构、尺寸和性能,最后分析了目前CMUT换能器技术存在的问题,并指出了CMUT换能器技术的未来发展趋势。

基于夹心式压电超声换能器设计的数值解法

由于在超声换能器的结构设计中,前、后盖板长度的取值直接关系到换能器的性能,而对前盖板长度求解得到一个复杂的隐函数,一般对此函数的求解采用图解法,求解精度相对较低。应用牛顿迭代法对前盖板的隐函数进行求解,相比图解法得到了较精确的前盖板长度,从而计算出振速比取最大值时的延展系数。运用Matlab软件编程,计算得到最佳结果,设计出换能器的具体尺寸。

螺栓对压电换能器性能参数的影响

考虑到螺栓的影响,把螺栓等效为四端网络计入换能器的机电等效电路,推导了位移节面位于金属块中时压电换能器的频率方程,探究了压电换能器的共振频率、反共振频率和有效机电耦合系数等性能参数随螺栓的几何尺寸和位置的变化规律.结果表明,适当变化螺栓的长度、位置和直径,可以使换能器的有效机电耦合系数增大,从而优化换能器的性能.

一种新型的径向振动高频压电陶瓷复合超声换能器

本文研究了一种新型的径向振动压电陶瓷高频复合超声换能器.该换能器由一个压电陶瓷圆环和一个嵌于其内部的金属圆盘复合而成.首先对压电陶瓷圆环及金属圆盘的径向振动进行了简单分析,推出了其机电等效电路和共振频率方程,分析了压电陶瓷圆环的几何尺寸对其共振及反共振频率的影响.在此基础上,分析了由压电陶瓷圆环和金属圆盘组成的复合换能器的径向振动,得出了其复合机电等效电路和共振频率方程.研究分析表明,对于具有相同外半径的压电陶瓷圆盘和压电陶瓷圆环,压电陶瓷圆盘的径向振动共振频率高于压电陶瓷圆环的径向共振频率,并且,压电陶瓷圆环的内半径越大,其径向共振频率越低.当在压电陶瓷圆环内部嵌入一金属圆盘而组成一径向复合超声换能器时,其径向共振频率高于压电陶瓷圆盘的径向共振频率,从而达到了提高换能器共振频率的目的.研制了一些径向复合高频超声换能器,并对其共振频率进行了测试,测试数据证明了理论结果的正确性.

径向扭转复合型超声换能器等效电路研究

对径向扭转复合型超声换能器进行了研究.从波动方程出发,不考虑径向扭转振动耦合,推导了换能器中径向振动及扭转振动模式的各自机电等效电路.在此基础上,得出了换能器空载时共振频率方程及其共振频率的表达式,并用有限元方法对此换能器进行了计算机仿真实验.结果表明:等效电路计算的换能器径向及扭转共振频率的理论计算值与计算机仿真值一致.

夹心式压电陶瓷功率超声换能器的优化设计

对夹心式压电陶瓷功率超声换能器的优化设计进行了探讨。分析了一种压电陶瓷中间带有厚电极的夹心式换能器的频率特性及其机电转换性能,得出了金属厚电极的几何尺寸对换能器振动性能的影响。探讨了换能器中压电陶瓷片的位置和几何尺寸对换能器的共振频率、反共振频率和有效机电耦合系数的影响,并得出了一些有利于夹心式换能器优化设计的结论。

大功率径向振动压电超声换能器

对一种大功率径向复合圆管压电超声换能器的径向振动特性进行了研究.依据机电类比原理,推出了换能器的径向振动等效电路及共振频率方程;探讨了换能器的第1、第2阶共振频率和有效机电耦合系数与压电陶瓷元件位置的关系;实验测量了换能器的径向共振频率.结果表明,换能器径向共振频率的理论值与实测值符合较好.

双激励源压电陶瓷超声换能器的共振频率特性分析

本文对具有两组压电陶瓷激励元件的夹心式功率超声压电换能器进行了理论及实验研究.当换能器中的两组压电陶瓷元件分别被激励时,换能器可以产生两组不同的共振及反共振频率.利用换能器的梅森等效电路,得出了其频率方程.探讨了换能器的共振频率及反共振频率与其几何尺寸及电学边界条件的依赖关系.研究表明,换能器的共振频率不仅与其几何形状和尺寸有关,而且与电学边界条件有关.在同样的几何尺寸下,电端开路时的共振及反共振频率大于电端短路时的共振及反共振频率.在两种电学边界条件下,换能器的共振及反共振频率与几何尺寸之间的依赖关系是相似的,即当换能器圆锥前盖板的半径比增大时,换能器的共振及反共振频率总是降低的.

电容式微机械超声传感器的工艺综述

电容式微机械超声传感器（CMUT）自出现以来,因其频谱宽、分辨率高、声阻抗匹配好等优势,在超声成像领域大有取代传统压电式传感器的趋势。围绕CMUT最主要的两种制造工艺方法,重点简述了表面微加工技术和晶圆键合技术的基本方法、工艺材料、薄膜形成等相关概念,并介绍了基于这两种方法加工制造CMUT的基本流程。从表面微加工方法中薄膜的沉积材料和结构以及晶圆键合方法中键合方式和键合温度等方面进行论述,总结介绍了CMUT加工工艺的研究现状。在此基础上对CMUT加工工艺的未来进行展望,提出应从工艺温度、薄膜材料、晶圆粗糙度和粘滞现象等4个主要方面进行重点研究,从而使CMUT早日实现推广应用。

宽波段动态红外场景生成技术

针对红外成像制导半实物仿真系统对宽波段、大阵列规模的动态红外场景生成技术的需求,提出了基于微机电系统工艺制作的红外图像转换芯片的动态红外场景生成技术。采用微电机系统(MEMS)工艺实验制备了像元尺寸35μm×35μm、阵列规模大于1 024×1 024、直径为7.62 cm的柔性自悬浮式转换芯片,并研究了转换芯片的时间特性和光谱特性。实验结果表明:转换芯片光谱为黑体谱,覆盖3~5μm和8~12μm。转换芯片的时间常数随衬底厚度和制冷温度的降低而变小,帧频为100 Hz。该技术具有波段范围宽、阵列规模大的优势,可以将其作为红外场景模拟器应用于半实物仿真系统中。

超磁致伸缩换能器的建模方法

超磁致伸缩换能器工作时同时受机械力场和电磁场的双重作用,特性必然受机械结构参数和电源特性的双重影响,为寻找最佳的机械结构参数和电源特性参数,必须建模研究。讨论超磁致伸缩换能器的建模方法,为换能器的设计、研究提供借鉴。

螺栓位置与换能器有效机电耦合系数的关系

研究了螺栓在换能器中部或后部(后置)位置时,对有效机电耦合系数的影响。将螺栓等效为T型四端网络,利用换能器的机电等效电路,全面分析了其对应的有效机电耦合系数与螺栓长度之间的变化关系。结果表明,螺栓处于中部时,换能器的机电耦合系数与螺栓长度呈正相关趋势;螺栓位于后端时,换能器的机电耦合系数与螺栓长度先呈正相关变化,随后呈负相关变化;相比于螺栓位于中部,后置螺栓长度的变化对有效机电耦合系数的波动比较大,但有机电耦合效率的系数数值均比中部位置螺栓的值小。这说明螺栓置于中部时机电耦合性能更好。

超磁致伸缩换能器的建模方法

超磁致伸缩换能器工作的同时受到机械力场和电磁场的双重作用,特性必然受机械结构参数和电源特性的双重影响,为寻找最佳的机械结构参数和电源特性参数,必须建模研究。本文讨论了超磁致伸缩换能器的建模方法,为换能器的设计、研究提供借鉴。