基于X-LiNbO_(3)/SiO_(2)/Si低温漂、大机电耦合SH-SAW谐振器的设计

铌酸锂(LN)单晶薄膜具有较高的机电耦合系数(k_(eff)^(2)>30%),其水平剪切(SH)声学模式常被应用于开发具有大机电耦合系数的薄膜声学谐振器和超宽带滤波器。但LN的频率温度系数较大(TCF>-50×10^(-6)/℃),这不仅会降低滤波器的可用有效带宽,同时也会限制器件的功率处理能力。采用3D周期有限元模型对基于X切LN/SiO2/Si结构SH声表面波(SH-SAW)谐振器进行了优化研究。研究结果表明,当SH-SAW传播角ψ=-10°~-20°、LN和SiO2膜厚分别为hLN=0.1λ和hSiO_(2)=0.2λ(λ为叉指换能器周期)、铝电极金属化率η=0.4、电极相对厚度hAl/λ=5%~10%时,SH-SAW谐振器的k_(eff)^(2)约为30%,且其TCF<-20×10^(-6)/℃,有望用于开发新一代的低温漂、超宽带5G SAW滤波器。

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。

FBAR有效机电耦合系数的影响因素分析

针对有效机电耦合系数(k2eff)的两种影响因素-薄膜体声波谐振器(FBAR)的电极/压电层厚度比与压电层薄膜的c轴取向,分别建立了厚度比可变与c轴取向可变的三层复合结构的FBAR三维仿真模型。以一个谐振频率为2.185GHz的FBAR谐振器作为分析案例,通过仿真得出,设计得到的膜层厚度比为0.206时,虽然FBAR的k2eff略有下降,但此时Mo电极厚为0.247μm,AlN压电层厚为1.119 7μm,使得FBAR电学性能较好,工艺制备复杂度及时间降低。另外,c轴倾斜角度为3°时,会使FBAR的k2eff下降,同时FBAR阻抗特性曲线产生较强的寄生谐振,这会引起FBAR横向能量泄露,恶化FBAR滤波器的带内插损。因此,在制备AlN薄膜时应该严格把握各项工艺参数。此外,通过适当放宽FBAR谐振器谐振频率增量能使k2eff具有一定冗余量来弥补工艺制备引起的k2eff下降。

螺栓对压电换能器有效机电耦合系数的影响

基于压电换能器的机电等效电路图,推导了其共振、反共振频率方程,用数值计算的方法得到了螺栓的几何尺寸及材料对换能器有效机电耦合系数的影响。研究结果表明,换能器的总长度保持不变,螺栓长度增加时,有效机电耦合系数随之增大;螺栓加粗时,有效机电耦合系数随之减小。换能器的前后盖板均为45#钢,与钛、铜相比,45#钢作为螺栓材料时,换能器的有效机电耦合系数最低;当钛或铜作为螺栓材料、螺栓直径一定且螺栓长度较短时,换能器的有效机电耦合系数,前者小于后者;而螺栓长度较长时,换能器的有效机电耦合系数,前者大于后者,且随着螺栓长度的增加,有效机电耦合系数不断增大。

中空型超声电机定子的有效机电耦合系数分析

为了提高中空型超声电机的输出效率,对电机定子的有效机电耦合系数进行了研究分析。首先,利用等效电路法分析了电机定子的压电阻抗特性,确定了有效机电耦合系数的计算方法;其次,通过ANSYS软件对电机定子的压电阻抗特性进行了有限元仿真,分析了定子的振动模态、金属弹性体和压电陶瓷的结构尺寸对有效机电耦合系数的影响;然后,根据仿真结果设计制作了4个不同的定子,并利用阻抗分析仪对4个定子进行了测试,实测值与仿真值进行对比,相对误差均小于10%,获得的阻抗特性曲线和仿真结果相吻合;最后,将4个定子装配成样机,并搭建了电机性能测试平台进行实验测试,4个样机均获得了较好的输出性能。实验结果表明,提高定子的有效机电耦合系数能获得较低的功耗,进而提高电机的输出效率,具有较高的工程应用价值。

压电双晶片动态机电耦合特性分析

基于压电双晶片本构方程 ,采用机电耦合系数的一种新的、更为合理的定义方法 ,分析了动态情况下悬臂梁式双晶片执行器或换能器的机电耦合特性 ,仿真分析了机电耦合特性与器件材料、几何尺寸以及信号频率之间的关系。结果表明 ,机电耦合系数随双晶片几何尺寸及信号频率起伏变化 ,起伏幅度随信号频率的增大而减小 ,随双晶片长度厚度比的增大而减小。

双不确定参数作用下双稳态能量采集系统的随机响应分析

非线性多稳态能量采集系统模型复杂、结构参数较多,由于测量、加工、装配过程中不可避免的存在误差,这些结构参数都存在一定的不确定性.而关键参数的微小变化都可能对系统输出电压产生显著影响,特别当多不确定参数同时存在时,可能会对系统能量采集性能产生更加复杂的影响.因此,研究多不确定参数作用下非线性能量采集系统的随机行为十分必要.本文针对具有双不确定参数的双稳态能量采集系统,首先,利用Routh-Hurwitz定理分析了确定性双稳态系统平衡点的稳定性及其静态分岔特性;继而,借助正交多项式逼近法,将具有两个相互独立的不确定机电耦合系数的随机双稳态系统转化为等价确定性扩阶系统,使系统的随机响应问题转换为等价系统的响应问题;之后,从全局和局部两个角度出发,通过等价系统与确定性系统吸引子、吸引域、相轨、均方电压以及能量转化率的对比,揭示了不确定参数对系统动力学行为和发电性能的影响.结果表明,在一些敏感的参数区间内,两机电耦合系数的不确定性均会导致系统运动状态发生变化,且不确定参数强度越大,系统会越早通过倍周期分岔级联进入混沌状态;此外,在两机电耦合系数的不确定性作用下,系统均方电压均会出现一定程度的降低;且与电方程中机电耦合系数相比,机械方程中机电耦合系数对系统的影响更显著,当两不确定参数共同作用时,系统的能量采集性能变化更显著.

压电分流阻尼系统的抑振效能的研究

基于正压电效应的压电分流阻尼技术,具有简单,低功耗,轻便,易控制等优点,已广泛应用在结构被动控制中。在航空航天领域的应用中,考虑到加工和操作上的工艺限制,如附加质量、附加刚度、结构空间和成本等,提出了压电分流阻尼系统能量转化效能的概念。该文首先从理论上分析了系统有效机电耦合系数对压电分流阻尼抑振效能的影响,然后利用不同面积的压电元件进行薄板结构的振动控制,得到了不同目标结构的最佳抑振效果,计算出压电分流阻尼系统抑振效能与压电元件单位面积间的关系。结果表明,随着压电元件面积的增大,压电分流阻尼系统的振动抑制效果增加,而能量转化效率降低。因此,在实际应用中要权衡考虑系统能量转化效率和抑振效果以及附加质量等因素。

基于氮化铝薄膜的二维模态谐振器双模结构设计与仿真

基于氮化铝(aluminum nitride,AlN)压电薄膜的二维模态谐振器(two-dimensional-mode resonators,2DMR)由于其较高的有效机电耦合系数k^(2)_(eff)及其与集成电路工艺兼容等优势,引起了业内广泛的关注。然而,传统的2DMR只研究单谐振模态,难以满足多模无线通信系统的需求。针对该问题,提出一种应用于5G new radio(5GNR)频段为2.6~3.4 GHz的二维模态(2DM)双模谐振器,通过合理设计电极宽度和电极周期,使得2个模态的品质因数Q和k^(2)_(eff)相当,实现了S1模态和高阶S1模态的有效激励。通过有限元方法研究分析了压电材料厚度及梳齿电极结构对2DMR双模谐振频率和k^(2)_(eff)的影响,S1模态谐振频率主要受压电材料厚度影响,高阶S1模态谐振频率在受压电材料厚度影响的同时还易受金属电极宽度影响。基于Al N压电薄膜中d_(33)和d_(31)压电系数的共同作用,所设计的2DMR中2个模态的k^(2)_(eff)分别达到3.1%和3.6%。随后,基于S1模态和高阶S1模态谐振处无杂散和高机电耦合性能,设计了含有50Ω阻抗匹配网络的双频带通滤波器,通过增加阶数提高器件的带外抑制。滤波器的2个传输频带相邻,无带内波纹且陡峭滚降,中心频率分别位于2.852和3.082 GHz,插入损耗分别为2.0和1.9 dB,分数带宽分别为29和39 MHz。研究结果说明了这种2DMR双模结构设计在射频前端极具应用潜力。

压电陶瓷圆环与金属圆环复合振动系统的径向振动

对由压电陶瓷圆环与金属圆环组成的复合振动系统的径向振动特性进行了研究。首先分析了压电陶瓷圆环和金属圆环的径向振动,推出了其各自的机电等效电路。在此基础上,得出了压电陶瓷圆环与金属圆环复合振动系统的机电等效电路及其共振频率方程。探讨了系统的共振及反共振频率、有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的关系。研究表明,当复合振动系统的壁厚比增大时,其共振及反共振频率升高。对于换能器的第一阶径向振动,其有效机电耦合系数随壁厚比的增大而单调减小;对于换能器的第二阶径向振动,其有效机电耦合系数随壁厚比的增大会出现一个极大值,而且,在一定的壁厚比范围内,换能器第二阶径向振动的有效机电耦合系数大于第一阶径向振动的有效机电耦合系数,这一规律与传统的有关压电换能器的分析理论及结果是有所不同的。

锥形剖面径向复合超声换能器的机电等效电路

研究了一种锥形剖面径向复合超声换能器。该换能器由一个等截面内金属圆环、一个轴向极化的压电陶瓷圆环和一个锥形剖面外金属圆环沿径向复合而成,且换能器的径向尺寸远大于高度。锥形剖面外金属圆环满足关系式h=h0r,h0为厚度变化常数。基于平面应力径向振动理论,推导了换能器的机电等效电路,得到了共振频率方程和反共振频率方程,进而研究了换能器的振动特性。并将理论计算的第1阶、第2阶径向共振频率和反共振频率与数值仿真结果相比较,二者结果一致。研究表明:锥形剖面换能器第1阶、第2阶径向共振频率、反共振频率、有效机电耦合系数不仅与换能器各部分的材料、径向几何尺寸有关,还与h0有关。h0越大,第1阶径向共振频率、反共振频率越大,有效机电耦合系数先增大后减小。与等截面相比,锥形剖面换能器沿径向向外辐射声波,辐射面积更大,辐射声功率更高,指向性更好。

圆盘式压电双晶片发电性能和耦合电路的仿真分析与研究

以有限元分析法为理论基础并搭配ANSYS软件,建立圆盘式压电双晶片振子的模型,研究压电振子半径、压电层厚度和支撑层厚度对其发电能力的影响。并在此基础上探讨压电-电路的导纳阻抗及输出功率特性。着重研究压电双晶片在串联和并联两种连接方式之间的差异。研究结果表明,在保证可靠度和固有频率的前提下,应尽量增加压电振子半径,减小振子的基板厚度,以获得最大的输出电压。串联方式的输出电压大,内部阻抗高,适用于后续负载阻抗较高的能量采集系统;并联方式的内部阻抗较串联式低,适用于后续负载阻抗适中的能量采集系统。而当在两种电路连接方式下的外部电阻达到最佳电阻值时,两者最佳输出功率相同。

夹心式径向复合压电超声换能器

对夹心式径向复合压电换能器径向振动特性进行了研究。该换能器由弹性内芯、预应力金属管及柱面压电陶瓷晶堆径向复合而成.利用机电类比法,得到了换能器的径向振动等效电路及频率方程。探讨了换能器第1、2阶径向共振频率及有效机电耦合系数与其几何尺寸的关系。研究表明,换能器第1阶径向共振频率随其内芯内径及预应力管壁厚度增大而降低;第2阶共振频率随内芯内径增大存在极小值,但随预应力管壁厚度增大单调下降。此外,采用第2阶径向共振模式能获得较高的有效机电耦合系数,并且压电陶瓷处于位移节线时,换能器有效机电耦合系数达极大值。对换能器共振频率的测试与有限元仿真表明。理论与实验及仿真结果符合较好。

径向复合圆柱压电超声换能器

提出一种三元径向复合圆柱压电超声换能器,并对其径向振动特性进行了研究。基于弹性力学理论及机电类比原理,导出了柱坐标系中分割处理径向极化压电陶瓷管准厚度模振动及薄壁短圆管径向振动的机电等效电路;利用径向力和振速连续的边界条件,得出了径向复合圆柱压电换能器系统的径向振动机电等效电路及其共振频率方程。探讨了换能器径向共振频率及有效机电耦合系数随其几何尺寸的变化关系。研究表明,换能器的径向共振频率及有效机电耦合系数随其内芯半径和预应力管壁厚度增大而降低。研制了一些径向复合圆柱压电换能器,并对其径向共振频率进行了测试。结果表明,理论与实验结果基本一致。

高性能AlN薄膜体声波谐振器的研究

报道了一种空气隙型S波段薄膜体声波谐振器,该谐振器采用一维Mason模型进行仿真,电极材料选用Mo,压电薄膜材料选用AlN,通过对AlN薄膜制备条件的优化,得到了半高宽为3.32°的AlN压电薄膜,并用于研制薄膜体声波谐振器。测试结果表明,其串联谐振频率和并联谐振频率分别为2 185 MHz和2 217 MHz,有效机电耦合系数(kt2)为3.56%,在串联谐振频率和并联谐振频率处的品质因数(Q)值分别为1 571.89和586.62,kt2Q达到了55.96。根据实测结果提取了MBVD模型的参数,并将实测结果与MBVD拟合结果进行了对比,两者吻合得很好。

乐甫波传播特性研究

以部分波理论为基础建立了乐甫波的理论模型,并引入表面有效介电常数方法对乐甫波进行仿真分析。仿真得到的表面有效介电常数、传播模态、频散特性、机电耦合系数等曲线表明了乐甫波的传播特性。当薄膜厚度d和声波波长λ的比值d/λ相对较小时,乐甫波只有一种基本模态;随着d/λ的增大,高阶模态越来越多,且各高阶模态都有一个d/λ的最低截止值;乐甫波所有模态的传播速度均随着d/λ的增大而减小,且都在压电基片的表面波速度和薄膜介质的体切变波速度之间;乐甫波所有模态的机电耦合系数都是先随d/λ的增大而增大,达到某个最大值后,再随着d/λ的增大而减小并最终趋近于零。

声波测井压电振子的有限元分析

压电振子是新一代方位声波测井仪器中相控圆弧阵声波辐射器的重要组成部分。利用有限元法对构成圆弧阵的压电振子进行了设计分析,结果显示了压电振子存在多阶弯曲振动模态,且长度方向一阶弯曲振动能够满足方位声波测井的工作频率要求。针对长度方向一阶弯曲振动模式,数值模拟了几何尺寸对压电振子性能参数的影响。压电振子的谐振频率随着陶瓷片长度、基片或陶瓷片厚度的减小而降低;压电振子的辐射声功率随着陶瓷片长度或压电振子宽度的增加、基片或陶瓷片厚度的减小而增大;合理地选取长度和厚度可使压电振子具有较高的机电耦合系数。数值模拟结果可以对圆弧阵结构优化设计起到良好的指导作用。

1mm压电陶瓷管式微型超声马达研究

利用微型PZT压电陶瓷管研制微型超声马达．微型压电陶瓷管外径1mm,内径0．6mm, 管长5mm．微型马达工作在压电陶瓷管的第一阶弯曲振动模式下,其谐振频率约为58．5 kHz．在一定的驱动电压范围内,马达的转速与电压成线性关系,当驱动电压峰峰值为90 V时,转速达 3500 r／min．启动力矩为7．8 μNm．利用压电陶瓷管研制的微型马达与相似尺寸的其他类型的微型超声马达相比,具有更大的力矩和更高的转速．

1.8GHz AlN薄膜体声波谐振器的研制

提出了基于AlN压电薄膜多层结构的1.8 GHz射频薄膜体声波谐振器(FBAR),并进行了研究。采用修正后的MBVD等效电路模型对器件的谐振特性进行了分析和模拟。给出了采用半导体加工工艺制备器件的工艺流程,并实际制做谐振器样品,样品的测试结果:器件的串联谐振频率fs和并联谐振频率fp分别为1.781和1.794 GHz,相应的有效机电耦合系数为1.8%;串联谐振频率处和并联谐振频率处的Q值分别为308和246。该谐振器样品实际尺寸为0.45 mm×0.21 mm×0.5 mm,可以用来制备高性能的滤波器、双工器和低相噪射频振荡器等。

一种新型Cymbal换能器的研究

提出并研究了一种新型的Cymbal换能器。与传统的Cymbal换能器相比,该换能器中的压电陶瓷圆盘由一个金属圆环和压电陶瓷圆盘的径向组合体所代替。论文首先探讨了压电陶瓷圆盘和金属圆环组合体的径向振动,用解析方法得出了其径向振动的机电等效电路。在此基础上,得出了新型Cymbal换能器的机电等效电路,并得出了其共振及反共振频率方程。其次,利用数值计算方法,对这种新型的Cymbal换能器的共振频率和振动性能进行了研究。分析了Cymbal换能器的几何尺寸对其共振频率及有效机电耦合系数等参数的影响,探讨了其输入导纳的频率特性。所得结论为此类Cymbal换能器的优化设计及工程应用奠定一定的理论基础。本文提出的新型Cymbal换能器具有较大的几何尺寸、较高的机械强度以及功率容量等优点,可望在较大功率的水声及超声辐射器中获得较为广泛的应用。