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声表面波(SAW)气体传感器以其独特的微纳声学传感结构和力-声-电多物理场耦合传感机制,表现出高灵敏度、快速响应、宽量程及微型轻质等特点,逐渐成为广受人们关注的新兴气体传感技术之一。该文从 SAW传播及传感理论出发,详细介绍敏感膜式与非敏感膜式SAW气体传感效应及机制、传感器件设计与制备、传感信号采集与处理等相关研究进展,探讨了SAW气体传感器在新能源、航空航天、国防、工业控制及智能制造等众多领域的潜在应用,最后对其发展趋势进行了展望。

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声表面波谐振器型传感器作为一种新型的无源无线传感器,在诸多场合具有应用潜力,但依赖待测对象对谐振器本身的直接作用。为拓展应用范围,将电抗敏感元件作为阻抗匹配网络的元件之一,设计了基于低失配网络的阻抗负载谐振器型传感器,并对其敏感原理及低失配网络的实现本质进行分析。在此基础上提出预偏置器件方案,不仅将谐振器自身谐振频率移至阻抗测量范围中间,而且使频率敏感范围提升了一倍。实际制作低失配网络测试电路板并验证其理论的正确性,最后分析了实测结果与理论存在偏差的原因,并提出了理论模型的改进方向。

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工业火车的无人驾驶、行车调度智能化是传统制造业转型升级的关键环节,但目前缺乏对抗高温、粉尘、金属环绕等恶劣环境及低维护成本的精准对位技术。声表面波射频识别技术具有无线无源、耐高温及抗恶劣环境的特点。提出了基于双天线时延差分的绝对位置测量方法,与单天线测距定位相比,抵消了环境温度的影响, 提高了精度和可靠性。针对雷达发射的线性调频查询信号,研究了基于分数阶傅里叶变换处理回波信号提取时延。仿真和实验结果表明,与传统匹配滤波方法相比,该方法降低了时延测量误差,精度可达0.35 ns。搭建模拟平台进行动态对位实验,位置测量精度可达6.2 cm,在更靠近对位点的区间内可达3.48 cm。精准对位系统在某钢铁厂已得到了初步应用。

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目前国内外对声表面波(SAW)传感器阅读系统的研究主要集中于传感器的性能指标,对阅读器无线传输系统的研究相对较少。阅读器的性能因受到隔离度、时序控制等因素影响,导致其性能无法完全发挥,这严重制约了系统的远距离读取能力。因此,通过对影响SAW无线传输系统性能的相关因素进行深入研究,同时对SAW 特有的指数衰减式回波信号与系统噪声进行分析与处理,进一步提高了回波信号的信噪比,实现了一种具有高接收灵敏度、高集成化的SAW阅读器系统。实验结果表明,该SAW阅读器系统的有线接收灵敏度可达到-110 dBm,且能在2 m距离内实现解调精度为±0.5 ℃的无线探测,表明其具备远距离、高精度读取能力。

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声表面波(SAW)矢量磁场传感器因对空间磁场方向具有高度指向性而展现出良好的应用前景。然而单通路传感器存在的响应随机性和可靠性较低等问题,限制了其在精确磁场测量中的应用。针对高灵敏空间矢量磁场的检测需求,提出了一种高灵敏的SAW矢量磁场传感器及二维双通路正交式结构设计方法。该传感器采用平面半导体工艺在ST-90°X石英基底上沉积金属铝叉指换能器,形成延迟线结构,并利用磁控溅射技术在声传播路径上沉积各向异性的钴铁硼(CoFeB)磁敏薄膜。实验结果表明,所设计的200 MHz SAW磁场传感器在SAW传播方向与外加磁场垂直时,其相位响应灵敏度为55.214 (°)/Oe,且在不同方向磁场下差异明显,展现出良好的重复性与稳定性。二维双通路正交式结构保持了单通路元件的高灵敏度特性,为实现高精度二维全平面磁场检测提供了新的思路与方案。

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扭矩测量是衡量动力系统输出功率是否满足运行指标的重要手段,是动力设备运行状态和故障预警的关键信息来源。声表面波(SAW)传感器无源无线的特点有利于旋转工况下的转轴扭矩测量,避免了有源扭矩传感器在扭矩测量中能量和信号难以传输的问题。为实现高精度的声表面波扭矩传感,从压电基底材料选择、高品质因数(Q)值谐振器设计以及高精度SAW传感器回波信号频率解调算法三方面考虑,设计了一种高精度声表面波扭矩传感器。对所设计的声表面波扭矩传感器进行测试,结果表明,扭矩传感器的加载非线性误差为0.183%, 卸载非线性误差为0.160%,加载重复性为0.260%,卸载重复性为0.103%,迟滞为0.299%,实现了一种高精度的无源扭矩传感。

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为了应对低温环境下的温度测试需求,设计了一种具有双电极叉指换能器(IDT)的128°YX-LiNbO3 延迟线型声表面波(SAW)温度传感器。利用COMSOL软件搭建了温度传感器模型,确定了传感器的最佳模型参数,并在-196~100 ℃对传感器进行仿真测试。结果表明,采用双电极叉指结构的传感器的机电耦合系数达到 5.35%,同时传感器的谐振频率与温度呈现出良好的线性关系,温度灵敏度为26.2 kHz/℃,频率温度系数达到-83.4×10^-6/℃,证明了LiNbO₃ 在低温环境下的可靠性。

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为了确保5G时代不同物联网设备之间中频波段频谱隔离,设计了一款基于瑞利波模式的高矩形度、 低损耗梯形声表面波(SAW)滤波器。该滤波器采用Al电极,压电材料为128°YX-LiNbO3 。为实现低损耗的设计要求,通过有限元法仿真分析了电极厚度、占空比、孔径和反射栅对谐振器性能的影响。同时,为了抑制通带内杂散,采用了一种非标准短路栅结构。为改善普通拓扑结构滤波器通带两侧的波纹问题,设计了一种新型镜像拓扑结构,通过减小滤波器的电容比(C_0p /C_0s )达到实现高矩形度的设计目标。最终设计出一款中心频率315.03 MHz,-3 dB带宽11.62 MHz,最小插入损耗0.758 dB,带外抑制35.931 dB,矩形系数1.30的六阶梯形SAW滤波器。

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基于声表面波(SAW)的微粒操控技术因具有结构简单、生物相容、非侵入、可扩展和多功能等特性而成为操纵微/纳米颗粒/细胞群的重要工具。基于此类生物医疗领域的需求设计了一种由四组均匀叉指换能器组成的SAW微粒操控器件,通过建立三维有限元模型对声表面波器件进行仿真分析并得到了多种不同的声压场图案,再使用COMSOL软件的粒子追踪模块进行仿真,验证了粒子在各种声压场下都可以排列成对应图案。该设计方法有望在组织工程、体外细胞研究、创建3D仿生组织结构等方面得到应用。

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(0°,138.5°,26.5°)硅酸镓镧(LGS)基底存在的自然单向性导致声能叠加不完全,出现了能量泄露。分析了表面负载不同厚度的Pt薄层时,(0°,138.5°,26.5°)LGS衬底的声学特性变化,结果表明,Pt薄层的归一化厚度在2%~3%时,LGS基底慢度曲线对称性显著改善。采用有限元法,结合三维周期性模型频响曲线验证了理论计算结果的有效性,并进一步分析了归一化厚度为2.5%~2.9%的Pt/LGS频响结果。结果表明,h/λ=2.7%和 2.8%时第二谐振峰完全消失,基底自然单向性被完全抑制。为抑制(0°,138.5°,26.5°)LGS基底自然单向性提供了最佳Pt电极厚度,能有效抑制双谐振峰的出现,减少能量泄露,为高性能谐振器设计提供了理论基础。

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低速、大力矩是超声电机的重要特性之一,电机外径尺寸对该特性有正相关影响。为增强超声电机的低速大力矩特性而不增大电机外径,提出了基于电机定子特征参数的多目标优化方法。该方法以自研的TRUM 70HA样机为研究对象,以定子齿面法向振幅与切向速度的数值比(简称幅速比)为低速大力矩特性表征参数,利用ANSYS优化设计平台AWE对其定子进行参数化建模,实现了对定子特征参数的多目标优化。制作了优化后的第二代样机TRUM-70HB,并搭建了电机机械特性测试平台。测试结果显示,优化后的70HB最大转速从65 r/ min降低到50 r/min,降幅为23.1%;最大堵转力矩从1.2 N·m增大到2.4 N·m,增幅为100%。该研究成果有助于节省电机的应用空间。

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为降低锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷的烧结温度,以Li₂CO3-Bi₂O₃ 作为复合烧结助剂,采用固相反应法制备了PZT基压电陶瓷粉,系统地研究了烧结助剂Li₂CO3-Bi₂O₃ 的掺杂量及烧结温度对PZT压电陶瓷相结构、 微观形貌及电学性能的影响。在Li₂CO3-Bi₂O₃掺杂量(质量分数)为1.3%时,PZT压电陶瓷的烧结温度可由 1 250 ℃降低至900~950 ℃,具有较宽的烧结温度范围,同时陶瓷表现出优异的电学性能。烧结温度为900 ℃时, 陶瓷的压电应变常数d33 达到最大值538 pC/N;烧结温度为950 ℃时,陶瓷的压电电压常数g33 达到最大值 43.27 mVm/N。同时实现了陶瓷-电极低温共烧,共烧后的陶瓷片d33 可达530 pC/N。

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针对压电换能器中压电晶片的低温应用需求,研究了频率分别为4 MHz、2.5 MHz的PZT-5陶瓷、1-3 复合材料和PMN-PT弛豫单晶3种不同的压电材料在50~300 K下的机电性能。实验结果表明,PZT陶瓷、 PMN-PT单晶的谐振频率Fs 、机电耦合系数Kt 在低温下具有良好的温度稳定性,变化率小于10%,1-3复合材料的Fs 向高频方向偏移了17.0%,其Kt 下降了24.4%。随着温度的降低,所有压电材料的介电性能都呈下降趋势,机械品质因数表现出不同的变化规律。低温下,压电材料表现出可逆性畴壁电荷的“冻结”,为低温压电换能器的研制以及压电材料的选择提供了参考。

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针对现有针式水听器频率响应带宽窄且不平坦等问题,采用石墨烯与钨粉/环氧树脂混合基体材料作为水听器的背衬材料。通过KLM模型研究新型背衬材料各项声学参数对水听器性能的影响,结果表明,新型背衬材料较大的厚度和声衰减系数及适中的背衬声阻抗能拓宽水听器的带宽,有利于形成平坦的频率响应。基于此研究结果,采用性能最优的新型背衬材料制备针式水听器,其实测带宽为10.2 MHz,与仿真值具有一致性。与空气背衬和铜棒背衬的针式水听器相比,其带宽分别拓宽了410%和75%,且带宽内的频率响应更平坦。

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针对柔性传感器的传统制备方法存在的工艺复杂、输出性能不稳定等问题,采用气溶胶喷射打印技术制备了基于Ag NPs材料的柔性电极层,配置了PVDF材料的气溶胶墨水并成功打印了传感器。通过探索导电银线的打印速度与线宽的关系,优化了柔性电极的导电性能。试验结果表明,传感器极化前产生微弱信号,对压力、 应变和温度的响应灵敏度分别为1.29 mV/N、1.38 mV/%、0.12 mV/℃。极化后的传感器具有良好的输出响应, 同在10 N压力下的输出幅值为145 mV,增幅接近6倍,压力及应变灵敏度分别为13.11 mV/N、4.13 mV/%,具有较大提升,且在1 000次循环下性能依旧稳定。将传感器固定在灵巧手手指上并进行屈伸和按压实验,证明该柔性多模态触觉传感器在灵巧手电子皮肤等多领域中具有潜在价值和广阔的应用前景。

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针对原子力显微镜的扫描范围和扫描速度受限于柔性机构的工作行程和固有频率,而柔性机构在设计时难以兼顾大工作行程和高固有频率的问题,基于桥式放大机构设计了一款纳米定位平台,并对其构型和主要参数进行优化。首先研究了柔性臂数量和厚度对桥式机构固有频率及放大比的影响,建立了新型双桥式柔性放大机构构型;然后基于矩阵位移法实现了纳米定位平台离散化,构建纳米定位平台整体刚度矩阵及系统的力学模型; 最后针对纳米定位平台的频响和行程对柔性放大机构的主要参数进行优化分析与仿真分析。仿真结果表明,优化后的压电驱动纳米定位平台的一阶固有频率为4.4 kHz,工作行程超过30 μm×30 μm。

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以提高粘滑式压电驱动器的输出性能和重复定位精度为目的,提出了一种以数字信号处理器(DSP) 和现场可编程门阵列(FPGA)为核心的粘滑式压电驱动器的控制器。对FPGA与DSP硬件与软件进行设计:FP GA实现直接数字合成(DDS)技术产生驱动信号,搭配后续的高电压动态放大电路,可使压电陶瓷快速充、放电,从而实现粘滑运动;DSP接收输入及反馈信号并对其进行计算与判别,从而控制信号发生器产生频率不同、电压不同的驱动信号。反馈模块选择合适的光栅编码器后形成完整的闭环控制系统。搭建实验平台进行性能测试,当驱动频率为2.5 kHz、驱动电压幅值在120 V、负载为4 g时,最大速度为9.782 mm/s,重复定位精度为0.1 μm。

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为提升压电俘能器的能量转换效率,将压电堆栈耦合到力放大框架结构中,构建了具有力放大功能的压电俘能器。对该力放大框架进行了力学分析及其力放大系数的理论建模,并对框架结构参数进行了Sobol’s敏感性分析及遗传算法优化。基于最优结构的力放大框架,建立了压电俘能器的集总参数理论模型,对该压电俘能器在非谐振激励下及多模态谐振激励下的俘能性能进行了对比分析。结果表明,该压电俘能器在第三阶和第四阶固有频率激励下的开路输出电压峰值和最大输出功率分别为55.07 V、124.19 V和1.63 W、14.97 W,分别是 10 Hz非谐振低频激励下的开路输出电压峰值和最大输出功率的12.9倍、29.1倍和2 999.77倍、27 550倍。相较于非谐振激励模式,该压电俘能器在谐振激励频率下工作时的输出电压与输出功率有显著提升。对压电俘能器附加质量块可有效降低其谐振频率并提高输出电压,实现压电俘能器的低频扩展应用。

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针对单一形压电能量采集器在宽频带振动环境中能量采集效率低以及复合能量采集器占用空间大的问题,设计了一种空间复用双谐振压电-摩擦复合式的振动能量采集器。该能量采集器为双悬臂梁结构,上部悬臂梁使用压电材料发电,下部悬臂梁表面粘贴聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜,振动过程中上部悬臂梁与PDMS产生摩擦发电,实现了压电和摩擦两种方式复合发电,有效利用空间并拓宽了采集带宽。利用COMSOL软件对不同频率的应力与位移进行分析,验证结构可行性,并对电学输出特性进行仿真。制备该采集器进行试验,结果表明,激励频率为7 Hz时,其摩擦电压输出最大达1.40 V;激励频率为63 Hz时,压电和摩擦电压输出最大分别达7.70 V 和11.81 V,验证了理论及仿真的正确性。

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针对传统空气静压主轴无法调节气浮间隙以应对不同运转状态或外载作用的问题,设计了一种空气静压主轴气浮间隙调节机构,采用压电微位移放大机构促动实现气浮间隙的主动调节。通过理论推导与仿真对设计的压电微位移放大机构及整体气浮间隙调节机构进行研究分析,并研制了样机进行实验。实验结果表明,在驱动电压为120 V时,所设计的压电微位移放大机构输出位移达518.739 μm,气浮间隙调节机构相应输出位移可达 189 μm,响应时间约为0.38 s。

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针对小体积、低损耗、高阻带抑制的中频极窄带滤波器的应用需求,采用AT切厚度振动基频工作模式的压电石英晶体谐振器和差接桥型电路,研制出10.7 MHz工作频率、3 dB带宽0.8 kHz、带内波动小于0.5 dB、 插入损耗小于4 dB、阻带抑制大于70 dB的晶体滤波器,满足项目要求,为后续极窄带晶体滤波器设计提供了思路。

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以多模谐振器为基础,设计了一种新型陷波可重构超宽带滤波器。基于传输线理论和奇偶模理论设计多模谐振器结构,利用HFSS与ADS联合仿真确定滤波器的尺寸参数,通过在滤波器枝节上加载变容二极管来实现滤波器陷波的可重构。设计得到的超宽带滤波器中心频率为3.35 GHz,3 dB相对带宽为68.7%,且陷波频率独立可调节。仿真结果表明通带内陷波频率可调范围为3.2~4 GHz,相对可调范围为33%,通带内插入损耗在 0.5 dB以内。对该滤波器进行加工并实际测量,得到的陷波可调范围为3.3~4.02 GHz,与仿真结果基本吻合。 实验结果表明,该可重构超宽带滤波器的结构简单,尺寸较小,陷波可调范围宽,能有效地抑制系统内的干扰信号。

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提出了一款基于磁电偶极子的滤波天线,在不引入额外滤波电路且保持低剖面的条件下使天线具有良好的带外抑制性能。天线的滤波特性由通带外的3个辐射零点引入,其中高频处一个辐射零点为磁电偶极子的本征辐射零点,低频处的辐射零点和高频处的另一个辐射零点由两端延长的叉形馈电结构获得。利用超表面结构的同相反射特点,使所提出的滤波天线剖面高度降低至0.035λ0 。仿真和实测结果均表明,所提出的滤波天线在通带内有较高的可实现增益,在阻带有良好的带外抑制性能。

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超宽带梳状谱信号作为一种新型雷达干扰信号,其信号质量影响着电子对抗的性能。针对传统数字梳状谱信号发生器工作频率低、数据运算占用资源大、信号产生慢的问题,提出了一种高速全数字超宽带梳状谱信号产生方法。该方法通过计算机将仿真数据存入大容量存储芯片,采用查表法实现对梳状谱信号的灵活配置,同时采用JESD204B高速接口进行数据传输,传输速率可达12 Gbps,在第一奈奎斯特区域下梳谱信号工作频率高达 C波段。新方法节省了FPGA运算资源,信号产生更快,工作效率更高。最后搭建验证平台验证了新方法的有效性。

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针对2.7 μm声光Q开关的镀膜要求,介绍了2.7 μm增透膜的膜系设计、镀制工艺和性能测试情况。 2.7 μm增透膜选择铌酸锂晶体作为基体材料,氧化铪作为高折射率膜料,氟化镱作为低折射率膜料,采用4层窄带高透过率薄膜设计,制备出的样品透过率为98.6%,测试光波长为2.7 μm。样品经过48 h高低温实验、24 h丙酮无水乙醇等常用溶剂浸泡后,其性能依旧稳定。

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针对深紫外光刻机物镜工作一段时间后存在的低阶像差问题,提出了一种大口径、小变形量、高精度的透射式变形镜结构。通过有限元对变形镜的校正性能进行仿真,确定了致动器数目、玻璃厚度、内外环的宽度。 仿真结果表明,重构Z3-Z9项Zernike像差,归一化残余误差小于0.2%,整体满足193 nm DUV光刻机物镜像差的校正。研究了重力场及热吸收对透镜像差的影响,两者均为离焦像差最大但数值较小,可被变形镜校正。

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针对超短薄膜腔不易制造的问题,提出了一种利用液体形成超短薄膜腔的基于法布里-珀罗干涉仪 (FPI)的超薄膜光纤温度传感器。通过优化材料结构、膜厚和腔长之间的关系,建立法布里-珀罗(FP)腔长极短的结构模型,研制小型化、增敏和高精度的光纤温度传感器,并进行实验验证。结果表明,该传感器的温度灵敏度为 342.05 pm/℃,在40~120 ℃温度范围内的线性度为0.997,具有结构紧凑、制作简单、成本低等优点和良好的温度响应特性,在复杂环境中的温度检测和制作FP超短薄膜方面具有潜在的应用价值。

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电源和功放是水下通信系统最重要的组成部分,设计了一种升压电源和功放电路,与传统的水声通信系统发射机相比,其输出电压更高、频率范围更广且体积更小。首先对经典Boost电路进行改进,设计了基于 STM32的数控电源,再进行二次升压,实现了负载10 kΩ输出100 V和负载100 Ω输出70 V的供电能力。将两块二次升压模块串联可输出电压±70 V,该电压为功放模块供电。功放模块最高工作频率为1.1 MHz,最大输出功率为40 W。最终电路实物尺寸为120 mm×120 mm×150 mm。通过水声通信实验,接收端成功解调出基带信号, 验证了所制作高压电源和功放模块合理可行。

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压电超声换能器在不同的工作频率下具有不同的输入阻抗，当驱动信号源输出阻抗与换能器输入阻抗失配时会产生能量损耗，导致无法满足换能器的功率要求，从而使其光谱衍射效率降低，影响光谱成像质量。为此对换能器阻抗频率特性的深入研究，设计了一种新型宽带阻抗匹配网络。通过ADS仿真及匹配电路的测试，最终在115～180 MHz超声波频率内可使换能器的光谱衍射效率最高达70％。

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基于COMSOL Multiphysics对超声波电机压电振子谐振特性进行了理论分析，建立了超声波电机压电振子的实体模型，仿真计算出了压电振子的谐振频率，确定超声波电动机的最佳工作频段，提出了电机与驱动电路匹配方法。试验结果表明：当对压电振子施加幅值为100 V的激励电压后，软件分析和数学计算基本一致，可见仿真分析方法的可行性，为研究超声波电机谐振特性提供了一种简便的计算方法。

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医学超声成像的图像质量很大程度取决于超声换能器的特性。在换能器研制过程中，一项重要的任务是确定合适的匹配层材料及参数。为了满足高频超声换能器研制的需要，该文从理论及实验两方面研究了RTV615硅橡胶掺杂不同比例的氧化铝粉末后，所形成的复合材料的高频(20 MHz)声学特性参数，包括声速、声阻抗、声衰减系数等。结果表明，RTV615硅橡胶中掺杂氧化铝的体积分数为7.93%时，所形成的复合材料在20 MHz频率条件下声阻抗值提高52.94%，达到1.56×106 Pa·s/m，具有最佳的声阻抗匹配特性。因此，通过优化掺杂比例可有效改进硅橡胶材料的高频声学性能。

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压电微机械超声换能器(PMUT)在医疗阵列成像、手势识别、内窥成像、指纹识别等领域有着重要的应用,而灵敏度等性能是影响其成像质量的主要因素。该文对基于PMN-PT圆形压电复合振动膜的压电微机械超声换能器等效电路模型进行分析,并通过有限元法研究了压电层PMN-PT厚度对PMUT的发射电压响应、接收灵敏度的影响。仿真结果表明,当压电层厚度为4.5 μm(厚度为基底厚度的90%)时,换能器的发射电压响应级最大,达到191.6 dB,接收灵敏度级随厚度的增加基本呈线性上升趋势;当压电层厚度为5.1 μm(厚度为基底厚度的102%)时,回路增益(损耗)最大,达到-64.50 dB。

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针对未来移动通信对射频前端器件提出的多频率、高集成新要求,开展了兼具声表面波(SAW)谐振器和薄膜体声波谐振器(FBAR)技术特点的新型横向激励兰姆波谐振器研究。该文介绍了基于c 轴择优取向氮化铝(AlN)压电薄膜的C波段横向激励薄膜体声波谐振器(XBAR)的结构设计、参数优化和制备方法,并进行了工艺验证。通过剥离和刻蚀等步骤制备了谐振频率4.464 GHz、品质因数3 039、品质因数与频率之积(f ×Q )达到1.56×1013 GHz、面积小于0.12 mm2 的低杂波XBAR谐振器,并仿真分析了其用于射频滤波器的可行性。该研究为进一步研制多频率、高集成的小型化XBAR滤波器组件提供了有效的设计技术和工艺技术支撑。

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铌酸锂(LN)单晶薄膜具有较高的机电耦合系数(k² eff＞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h_SiO2 =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h_Al/λ=5%~10%时,SH-SAW 谐振器的 k² eff 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。

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采用磁控溅射、光刻、腐蚀、电子束蒸发等工艺，在AlN薄膜表面设计和制备了兰姆波(Lamb)型谐振器。研究了Lamb谐振器频率特性与频率 温度特性，并与传统的瑞利波(Rayleigh)型谐振器进行对比。测试结果表明，Rayleigh谐振器的谐振频率为305.15 MHz，温度灵敏度为10.74 kHz/℃；而Lamb谐振器有7个谐振频率，分别为294.630 MHz，398.125 MHz，435.625 MHz，482 MHz，531.625 MHz，570 MHz和613.625 MHz，其温度灵敏度分别为10.63 kHz/℃，13.46 kHz/℃，16.09 kHz/℃，17.51 kHz/℃，18.95 kHz/℃，20.76 kHz/℃和21.86 kHz/℃。结果表明，兰姆波型谐振器高阶模式的温度灵敏度最高，达到21.86 kHz/℃。

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介绍了一种6信道声光调制器。通过在换能器上制备电极阵列,设计独立的阻抗匹配电路和电输入端口,将6个声光互作用单元集成在一起,实现了对6束激光的并行、独立调制。经测试,该6信道声光调制器工作波长为355 nm,工作频率为220 MHz,单信道衍射效率＞75%,全局串扰＜0.5%。

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薄膜体声波滤波器(FBAR)作为一种无源、体积小和耐功率高的器件,被广泛应用于射频信号处理中。晶圆级气密封装作为小型化封装的代表,在各种高可靠性应用场景中占据重要地位。金-金键合和金-锡键合被广泛应用于薄膜体声波滤波器的气密性晶圆级封装中,但金-锡键合在工艺上更易实现。该文针对金-锡键合在气密性晶圆级封装中的应用进行了研究,在保证键合强度的情况下制作了3 GHz滤波器样品,其性能测试一致性良好,可靠性达到要求。

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随着移动通信技术的快速发展,薄膜体声波滤波器逐渐向高频和大带宽方向发展。该文研究了POI(LiNbO3/SiO2/Si)基片上背腔刻蚀型横向激励薄膜体声波谐振器制作工艺,通过研究POI基IDT光刻、背腔硅刻蚀等工艺,确定了IDT层曝光量和背腔刻蚀等关键工艺参数。研制出的背腔刻蚀型横向激励薄膜体声波谐振器,其谐振频率为4 565 MHz,反谐振频率为5 035 MHz,机电耦合系数为20.86%。此制备工艺对研究高频、大带宽薄膜体声波滤波器具有重要的参考意义。

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为了减小窄带滤波器的插入损耗,在梯形拓扑的基础上引入并联电容,提出了一种并联电容型梯形拓扑。利用并联电容大幅度改变反谐振点频率的特点,以牺牲较小插入损耗的代价来缩小带宽。通过谐振器设计与进化算法寻优,成功研制出一款基于SiO₂/Cu/127°YX-LiNbO₃ 结构的低插损窄带温补型声表面波(TCSAW)滤波器。实验结果表明,滤波器的中心频率为1 514 MHz,相对带宽为0.46%,带内插入损耗仅1.45 dB,过渡带20 MHz带外抑制滚降到24 dB,远带带外抑制大于30 dB,WiFi频段抑制高达48 dB,频率温度系数TCF 为-20×10^-6/℃,器件尺寸为1.1 mm×0.9 mm。

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该文采用波导法分析了横向耦合极窄带声表面波滤波器速度变化模式,并用多物理场COMSOL软件对横向耦合声表面波滤波器的中心耦合条结构和耦合距离的变化建模进行计算,并分析频响特性。采用石英晶体作为底衬,设计了频率为898.144 MHz,插入损耗约为6 dB的极窄带声表面波滤波器并进行验证。结果表明,中心耦合条开腔结构的声表面波滤波器的相对带宽达到7.2‰,与不开腔结构5.2‰相对带宽相比,提升了2‰。这说明横向耦合声表面波滤波器的中心耦合条结构变化,能改变极窄带声表面波滤波器的相对带宽。

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利用有限元方法分析了基于IDT/ZnO/AlN/Diamond不同结构混合SAW/BAW 器件的声学特性,包括层状薄膜结构、ZnO 薄膜刻蚀结构和填充结构。结果表明,当h_ZnO/λ=0.3、h_AlN/λ=0.5,且Z_nO 被完全刻蚀(d/h_ZnO=1)时,刻蚀结构混合SAW/BAW(准西沙瓦波)的机电耦合系数(K2)取得最大值6.54%,比层状结构(d/h_ZnO=0)提升了近一倍。刻蚀结构中,SiO₂ 和Diamond填充物的引入不仅提高了准西沙瓦波的K²,而且改善了其压力传感特性。当d/h_ZnO =1时,SiO₂ 和Diamond填充结构准西沙瓦波的压力频移分别为81.2 kHz/MPa和207.4 kHz/MPa,比刻蚀结构分别提高了58.7%和300%;同时,Diamond填充物的引入使准西沙瓦波的频率压力系数(PCF)达到最大值297×10^-6/MPa,比d/h_ZnO=0时提高了约30%。由此可知,通过引入不同的填充物可以开发不同的功能传感器,在压力、温度和气敏等传感领域将具有极大的应用前景。

Abstract:

随着石英谐振器向小型化、高频化发展,其尺寸越来越小,因此,低成本的谐振器精准制造工艺尤为重要。该文对石英晶片进行腐蚀实验以确定精准制造矩形谐振器的最佳工艺条件,研究了温度对金属保护层完整性的影响,以及腐蚀时间对石英表面粗糙度的影响。腐蚀速率稳定且适中,有利于谐振器的精准制造。设计了石英谐振器工艺流程,得到质量较好的超薄矩形AT 切高频石英谐振器。分析其尺寸误差产生的原因,并总结了一套精度较好的湿法腐蚀工艺,有望采用低成本手段使矩形谐振器的厚度小于10 μm。

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采用传统固相法制备了Pb(Zr₁-_xTi_x )O₃ 陶瓷,通过调节锆钛摩尔比将其定位于四方区域以改善温度

稳定性,并通过优化烧结温度改善电学性能。实验结果表明,当x=0.52时,体系处于四方区域,此时陶瓷的温度

稳定性有所提升,在室温~300 ℃时,d₃₃ 变化率为±14.7%。在1 250 ℃下烧结的Pb(Zr_0.48Ti_0.52)O₃ 陶瓷具有最

佳的电学性能:压电常数d₃₃=183 pC/N,居里温度T_C=402 ℃,相对介电常数ε_r=1 209。

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该文设计了一款具有单陷波特性的高隔离超宽带(UWB)四单元多输入多输出(MIMO)天线。天线的尺寸为65 mm×65 mm×0.8 mm。4个槽天线单元水平正交放置,采用易加工集成的共面波导(CPW)馈电,引入缺陷地及十字隔离枝节去耦。通过在天线辐射贴片上刻蚀一个U 形槽,在4.35~6.08 GHz处产生陷波,能阻止WLAN(5.15~5.825 GHz)的通信干扰。经实测,该天线的工作频段为2.46~10.6 GHz,隔离度＜-20 dB,在4.35~6.08 GHz产生覆盖WLAN 的阻带,包络相关系数＜0.02,分集增益＞9.998,实测性能良好。该天线能够广泛应用于UWB-MIMO 通信系统。

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中国电科芯片研究院生产的JGD提拉单晶炉是一种上称重自动直径控制激光单晶炉,它实现了提拉法晶体全自动智能生长控制。利用JGD提拉单晶炉控制软件建立提拉法晶体数学模型,晶体生长全程以数学模型为标准,以晶体质量为控制量进行实时闭环反馈控制。该软件建立的晶体数学模型有四段式晶体数学模型和任意多段晶体数学模型两种形式。在设计放肩段时,四段式晶体数学模型充分体现了晶体籽晶段与放肩段、等径段三位一体平滑过渡的理念;而任意多段晶体数学模型在曲线设计上更加灵活多样,晶体数学模型设计更便捷。JGD提拉单晶炉控制软件晶体数学模型被广泛用于多种晶体生长过程,如InSb、YAG 等晶体。晶体外形控制良好、品质优良。

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以同时提升多模态采集和增加带宽为研究方向,结合多模态扩频理论,建立了一套多模态宽频且能多方向工作的压电振动能量采集系统。该系统包含能量采集器和电源管理电路两个模块。其中,采集器包括4种谐振频率,组成了较宽的工作频带,保证了该采集器在低频振动工作环境下高效率地收集振动能量;电源管理电路将采集到的交流电转换为稳定的直流电,再对电容或电池等储能元件充电以供微电子器件使用。经过模态和谐响应分析后,搭建了实验平台并对采集系统进行实验测试。实验结果表明,在加速度6 m/s2 简谐力激励下,工作频带为16.1~27.8 Hz,输出电压最高可达35.75 V,阻抗匹配后最优阻值为200 kΩ,此时输出功率为115.85 μW。

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该文应用压电陶瓷器件激发频率1 MHz的兰姆波在非压电基板上进行了微流体温度分布的研究。经理论分析表明,兰姆波向流体中辐射纵波以及兰姆波在介质中传播时的粘性摩擦损失产生了声热效应。采用红外摄像机观察液滴从兰姆波激发直至达到稳态时的热分布变化,发现液滴在兰姆波入射一侧的温度高于其他区域且高温区域有向顶部扩散的趋势。观察不同液体黏度液滴的声热现象,发现油滴的温度扩散更均匀,动力学行为更弱。采用有限元分析声流和声热效应,发现液滴在顶部区域声流速最大,在声流作用下,液滴的高温区域扩散至顶部。

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