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2024,46(5):617-633, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.00
Abstract:
深入探讨了微电子机械系统(MEMS)在被动声学领域的应用,特别关注了压电效应、常用压电材料和传感结构设计三方面。阐述了压电效应的基本概念,介绍了石英、PZT(锆钛酸铅)和ZnO(氧化锌)等主要的压电材料,这些材料因其出色的压电特性而被广泛用于MEMS技术。同时详细分析了悬臂梁、薄膜等传感结构,这些结构能够高效地将声波能量转换为电信号。特别介绍了MEMS麦克风、MEMS水听器和MEMS声发射传感器3 种具有代表性的MEMS声学器件,并详细说明其工作原理及其在不同领域的应用。最后对MEMS声学器件在消费电子、工业检测、环境监测、军事及医疗等领域的应用进行总结,并对其未来发展趋势进行了展望。
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2024,46(5):634-637, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.002
Abstract:
管道入侵破坏会造成环境严重污染以及财产的重大损失,基于声学技术的管道破坏定位技术已成为发展趋势。提出了一种基于PMUT的MEMS声传感器,通过氧化铝-环氧树脂填充的方式实现了声阻抗匹配与高可靠性封装。将两个微机电系统(MEMS)声传感器安装在管道入侵定位检测系统中,并敲击管道模拟入侵场景, 然后采集管道中传播的声信号并对其进行分析。结果表明,声信号在管道中的传播速度为2 449 m/s,基于声信号的管道入侵定位检测方法的定位相对误差小于2%,证明了MEMS声传感器用于管道入侵定位监测的可行性。
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2024,46(5):638-643, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.003
Abstract:
声发射传感器广泛应用于装备实时健康检测,而传统使用的压电陶瓷换能器存在体积大、能耗高、难集成及成本高等问题,因此设计了基于ScAlN的六边形压电薄膜声发射传感器。该传感器的体积为18 mm× 6 mm,在40~500 kHz带宽内,其表面波和纵波灵敏度均高于60 dB[Ref.V/(m/s)]。通过匹配层设计和封装后, 搭建了齿轮故障检测系统,能有效区分正常齿轮和断齿信号。测试结果表明,基于微机电系统(MEMS)的压电薄膜声发射传感器可同时兼顾高灵敏度和微型化,在齿轮故障诊断方面具有较高的可靠性和准确性。
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2024,46(5):644-650, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.004
Abstract:
随着物联网(IoT)的发展,无线自供电传感是实现感知机体状态和飞行环境的重要技术手段。机体振动具有分布范围广,激励频率高和频域宽等特点,单一压电能量收集器难以有效俘获能量。针对上述问题,研制了一套基于阵列型压电能量收集器的自供电传感系统。该系统由阵列型压电能量收集器、电源管理电路、传感节点、 低功耗蓝牙及微控制器组成。压电能量收集器采用压电厚膜方案,在谐振频率693 Hz,2 g下最高平均输出功率密度为4 mW·cm-3·g-2。电源管理电路采用改进的整流器设计和欠压锁定电路(UVLO)实现高效能量传输与能量释放,充电速度是普通整流器的1.3倍,最大输出功率达到1.32 mW,结合微处理器进行时序控制可达到动态平衡,实现了固定间隔时间持续的数据读取和发送。
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2024,46(5):651-654, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.005
Abstract:
提出了一种宽带温度补偿型声表面波滤波器的设计方法。通过研究铌酸锂衬底不同欧拉角、不同电极材料和厚度对声表面波谐振器频率响应和杂散抑制的影响,确定了宽带温度补偿型声表面波滤波器的最佳切向和电极结构。所制备的宽带声表面波滤波器的温度系数优于-18.9×10-6/℃,-3 dB相对带宽为7.84%,插入损耗为0.93 dB,展现出良好的带外抑制。
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张智欣，陈长娥，韩茜茜，史向龙，魏家贵，苏波，范佰杰，林树超
2024,46(5):655-659, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.006
Abstract:
针对射频前端对双工器小型化的使用需求,采用拓扑结构设计、匹配设计、版图设计和封装设计等设计方法,研制出一款小型化高性能薄膜体声波(FBAR)双工器,其接收端频率为1 805~1 880 MHz,发射端频率为 1 710~1 785 MHz,通带内整体插入损耗≤3.0 dB,通道频段的相互抑制≥50 dB,隔离度≥50 dB,尺寸为2.0 mm ×1.6 mm×0.9 mm。该双工器具有小体积、低插损、高阻带、高隔离等特性,符合应用系统对双工器的使用需求。
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2024,46(5):660-663, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.007
Abstract:
提出一种采用折叠阶跃阻抗谐振器结构的双频微带带通滤波器。利用新型平行电耦合方式实现了滤波器的小型化,引入零度馈电结构产生传输零点以改善带外抑制性能。实验结果表明,该滤波器结构紧凑,损耗低,带外抑制性能好,且通带的中心频率分别为 2.4 GHz 和 5.2 GHz,带内性能良好,最小插损分别为0.72 dB和 0.69 dB。
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2024,46(5):664-669, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.008
Abstract:
传统的大功率腔体、LC滤波器体积较大,不符合在通信设备环境中器件小型化、轻量化的应用需求, 因此设计了一款小体积、大功率介质滤波器。该滤波器采用具有高品质因数(Qf )值、高介电常数的微波陶瓷材料, 在保持滤波器低损耗的前提下缩小其体积。采用三维场路联合仿真并结合参数提取的方法,缩短了设计周期。对功率容量进行分析,通过结构的改进提升了最大场强处介质抗击穿强度,提高了承受高功率脉冲的能力。对所设计的样品进行测试,测试结果表明,在S波段相对带宽14.5%内,带内插损小于0.7 dB,在近端频率点2 690 MHz 处,抑制大于22 dB;在频率3 600~4 200 MHz内,抑制大于32 dB,可通过超10 W的功率信号。该介质滤波器尺寸为23 mm×10 mm×10 mm,能够应用于大功率通信系统环境中。
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2024,46(5):670-674, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.009
Abstract:
引用CST三维电磁仿真软件提出了一种三阶介质滤波器的设计方法。通过源与第二谐振器或负载与第三谐振器构成级联三节(CT)交叉耦合结构产生传输零点的方式,满足更高频率端的高抑制要求。第二谐振器与第三谐振器开路端电极相连,形成三阶滤波器结构实现了低损耗性能。4个谐振器短路端被缩短,从而扩大了电极可调试区域以简化滤波器的调试复杂度。一体式介质滤波器采用介电常数为45.9的陶瓷材料制作样品并进行测试。测试结果表明,所设计的介质滤波器1 dB带宽为117 MHz,通带频率范围2 084~2 104 MHz的插入损耗(IL)小于1.2 dB,通带驻波比小于1.28,高端频率2.2 GHz处的衰减为34.35 dB,低端频率1.6 GHz处的抑制为31.04 dB,滤波器外形尺寸为10.41 mm×3.7 mm×4.57 mm。测试结果与仿真结果吻合度高。
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2024,46(5):675-679, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.010
Abstract:
滤波器作为信号传输过程中的关键器件,具有筛选、过滤传输信号的作用。提出了一种适用于窄带滤波器的新型谐振器结构,通过堆叠c轴取向相反的异质压电薄膜,削弱机电耦合效应,从而降低谐振器的有效带宽。首先阐述了新型窄带谐振器结构的工作原理,再对传统Mason电路模型进行修正,采用分段式四端口传输线及双变压器模型进行建模,使其适用于所提出的谐振器结构,同时将电路仿真与有限元仿真的结果进行对比,以验证电路模型的准确性。采用常见的阶梯型拓扑构造了窄带滤波器的原理电路,通过仿真得到滤波器的传输特性曲线,论证了窄带滤波的可行性。
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李世国，褚梦群，胡丞稷，郑泽渔，杜雪松，董加和，陆川，李桦林，陈彦光，汪红兵，马晋毅，肖强
2024,46(5):680-684, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.011
Abstract:
采用42°YX-LiTaO3 基底的声表面波(SAW)滤波器、多工器易产生横向能量泄露效应,这种效应的产生会增大SAW器件的插损、缩减有效带宽、降低矩形度等。为了抑制声表面波的横向能量泄露,提出了一种假指加宽结构,并通过有限元仿真验证了该结构的有效性。将该结构应用于Band 40和Band 41 SAW滤波器设计中, 实验结果表明,该结构在不增加任何工艺复杂度的情况下能有效抑制SAW器件的横向能量泄露,从而减小SAW 器件的通带插损、增加有效带宽、提高矩形度等。该结构能够拓展应用于其他频段的SAW器件。
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2024,46(5):685-689, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.012
Abstract:
介绍了一种高频率稳定度模拟温度补偿晶体振荡器。采用温度传感器,一阶、三阶、四阶、五阶电压函数发生器,加法器等单元电路产生温度补偿电压VC ,再将VC 电压输入至压控振荡器中的变容二极管,对AT切型石英晶体频率进行温度补偿。相比于传统的直接型模拟温度补偿方案,该方案所设计的产品具有更小的体积,解决了间接型数字温度补偿方案频率突变的问题。采用0.18 μm工艺加工芯片,芯片面积仅1.5 mm×1.2 mm。实测结果表明,在-40~85 ℃内补偿精度在±0.28×10-6内,1 kHz相位噪声低于-143 dBc/Hz。
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2024,46(5):690-694, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.013
Abstract:
为了适应机载射频前端小型化的需求,设计了一种基于SiP(System in Package)技术的K频段四通道天线接口单元。该单元采用二次超外差变频构架,主要由两个硅基封装的变频双通道集成SiP模块以及高低本振集成锁相环SiP模块组成。硅基变频SiP模块采用PoP(Package on Package)方式实现不同功能电路封装的上下堆叠,保证了良好的电磁兼容和输出杂散抑制。堆叠好的硅基封装通过BGA植入陶瓷封装中,实现了高可靠的气密性。基于SiP技术的四通道天线接口单元体积仅为58.2 mm×40.3 mm×11.0 mm,在保持优良电性能指标前提下,相比于传统方式设计,四通道天线接口单元在体积和质量上均大幅缩减86%以上,在机载、弹载等对设备轻小型化要求较高的平台上具有广阔的应用前景。
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2024,46(5):695-699, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.014
Abstract:
针对陶瓷封装声表面波(SAW)滤波器焊盘除金问题,提出了载板搪锡工艺的解决方案。通过制作外扩焊盘的搪锡载板进行滤波器批量贴装,在加热台上进行回流以溶解焊盘镀金层,取下上锡器件后用真空吸锡枪吸去焊盘表面焊锡,即可达到除金目的。详细介绍了搪锡载板的焊盘设计,利用红外测温仪对操作过程进行监控, 对除金后的器件进行焊盘表面、焊点界面分析以及环境试验验证。试验表明,焊盘表面镀金层被完全去除,除金后的器件具有较高的可靠性。
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2024,46(5):700-703, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.015
Abstract:
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148 000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。
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2024,46(5):704-709, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.016
Abstract:
采用固相法制备MgNb2O6 (MNO)掺杂(Ba0.79Sr0.21 )TiO3 ((Ba,Sr)TiO3 )基电容器陶瓷。采用XRD、 SEM等研究了MgNb2O6 掺杂对(Ba,Sr)TiO3 基电容器陶瓷的物相、显微结构及介电性能影响。结果表明,随着 MNO掺杂量的增加,(Ba,Sr)TiO3 基电容器陶瓷的介电常数逐渐减小,陶瓷的介电损耗先增大后减小再增大,陶瓷的电阻率先减小后增大再减小,陶瓷的耐压强度先减小后增大再减小。当MNO掺杂量(质量分数)为2.0%时, 陶瓷的介电常数达到最大值(为1 670),陶瓷的介电损耗有最小值(为0.005 6)。当MNO掺杂量(质量分数)为 8%时,陶瓷的电阻率有最大值(为65.23×1010 Ω·cm),耐压强度的最大值为7.7 kV/mm(DC)。当掺杂MNO量 (质量分数)为10%时,陶瓷的电容温度变化率为+0.18%,-28.29%。MNO掺杂(Ba,Sr)TiO3 基电容器陶瓷是钙钛矿结构。掺杂MNO能够降低陶瓷的电容温度变化率。
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2024,46(5):710-715, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.017
Abstract:
采用常规陶瓷工艺制备了K0.5Na0.5NbO3-xLiNbO3(KNN-xLN)基无铅压电陶瓷。采用介电温度谱结合XRD系统研究了铌酸锂(LN)掺杂对KNN陶瓷相结构与压电性能温度稳定性的影响规律与机制。结果表明,LN在KNN陶瓷中的固溶度范围内(约小于10%(摩尔分数)),LN掺杂具有同时提升KNN陶瓷的TC 与降低陶瓷TO-T 的效应。当LN的掺杂量(摩尔分数)为6%时,可使陶瓷的TO-T 下移至室温,此时陶瓷为正交相与四方相两相共存,陶瓷的压电性能得到极大增强。TC 的提升增强了陶瓷的压电性能温度稳定性,当LN的掺杂量(摩尔分数)x~8%,TC 增加至479 ℃,此组分陶瓷的压电性能经470 ℃热处理后仍保持在室温时的71%,表现出良好的温度稳定性。当LN超过固溶度后,部分LN倾向于与K元素生成第二相,未反应的LN因其强热释电效应导致陶瓷的d33 呈现出随热处理温度升高而增强的伪增强趋势。
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2024,46(5):716-721, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.018
Abstract:
3-2型陶瓷-空气复合材料是在1-3型压电复合材料的结构基础上改进而来。3-2型压电材料由PZT 5A和空气复合而成。首先使用ANSYS有限元仿真软件的模态分析研究了3-2型压电复合材料做厚度伸缩振动。 其次通过谐响应分析了敏感元件在正弦信号激励下的稳态响应,讨论了压电材料陶瓷体积分数对其振动特性的影响,研究了不同体积分数压电陶瓷材料在厚度振动谐振频率下的振动位移。最后通过实验制备了3-2型压电材料的实物样品,使用激光测振仪测量压电振子的振动状况,并对仿真数据进行验证。结果表明,在正弦信号激励下, 3-2型复合材料的振动模态为厚度伸缩振动,振动位移最大值为3.840 nm(单位电压下),陶瓷体积占比的变化不会对振动位移产生太大影响。
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陶金燕，李加东，戴晔，商文玲，王丹芮，冯昌坤，胡益民，姚术涛，塔桂峰
2024,46(5):722-728, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.019
Abstract:
超声波传感器是移动机器人广泛采用的空间感知手段。为了提高空间感知范围,现有移动机器人常采取多传感器组合的方式,导致感知系统体积大、功耗高、系统复杂。提出了一种基于动态压电微机械超声换能器 (pMUT)的检测方法,实现了单颗器件的双向检测功能,使测量范围在小体积、低功耗情况下获得成倍的增加。该方法利用压电薄膜双向振动的特点得到超声波双向回波信号,从而获取两个方向的测量距离。测试表明,使用该方法后单向测量范围基本不变,能准确测量两个方向上障碍物的距离,并在动态情况下反映障碍物对应方向。该方法有助于简化感知系统,有望在微型机器避障等方面发挥重要作用。
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2024,46(5):729-740, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.020
Abstract:
为了满足微电机的多向运动需求,研究了一种可双向运动的压电驱动器,并对其性能进行了设计和分析。该驱动器可以驱动直线型和圆筒型两种动子,适用于多种工作环境。首先阐述了压电驱动器的基本结构和原理,建立了驱动器模型,然后用有限元方法分析了压电驱动器的变形模式。经实验验证,压电驱动器的最佳工作频率为2.27 kHz,最佳驱动电压幅值为150 V。在该激励信号下,直线型压电驱动器的最大速度达到249 mm/s,最大负载能力为20 N。该压电驱动器能够实现双向运动和稳定输出。
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2024,46(5):741-746, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.021
Abstract:
设计了一种基于压电双晶梁的L型压电驱动器,基于模块化设计思想将L型压电驱动器应用于压电移动机器人的研制。压电移动机器人由4个周向分布的L型压电驱动器和连接平台组成,结构简单紧凑,可实现2 自由度平面内大范围高精运动。对压电移动机器人进行加工和装配,并搭建测试平台对压电移动机器人的运动输出特性进行实验研究。测试结果表明,压电移动机器人具有兼顾高精度、快速度、高稳定性和强承载能力的良好综合性能,其运动分辨率为1 μm,最大运动速度可达46 mm/s,承载能力可达75 g,在微纳操作、晶圆缺陷检测和超精密加工领域具有广阔的应用前景。
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2024,46(5):747-754, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.022
Abstract:
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。基于压电效应本构方程,对单独压电堆栈进行了理论建模、有限元仿真与分析。基于欧拉-伯努利梁原理,建立了框架结构的力放大系数理论模型,采用Sobol’s敏感性分析方法确定了敏感力放大系数的框架几何参数,应用遗传算法结合有限元建模对力放大框架进行了结构优化。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并进行了数值分析。结果表明,在非谐振激励下该压电俘能器的输出电压有效值和输出功率最大值分别为3.022 V和543.375 μW,分别是单独压电堆栈输出电压有效值和输出功率最大值的7.74倍和 58.5倍。相比于单独压电堆栈,该压电俘能器能显著提升非谐振激励下的输出电压和输出功率。
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2024,46(5):755-761, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.023
Abstract:
研究了一种具有翻转层的新型铌酸锂梁,其翻转层与常规层的压电系数具有相反的符号,在厚度方向上施加电场可激发铌酸锂梁做弯曲振动。将位移和电势表达为梁的厚度和宽度方向的幂级数形式,推导了该种铌酸锂梁弯曲运动的一维方程。利用此一维方程分析了波沿梁长度方向传播的色散关系,以验证其精确程度。结果表明,所推导的一维方程在小波数范围内的色散曲线与三维精确解结果吻合良好;再用所得一维方程分析了梁式压电俘能器的输出功率密度和输出效率,将所得结果与由二维理论、三维理论所得结果进行对比。结果表明,一维方程所得结果与三维方程的结果接近,说明其在压电器件领域极具应用潜力。
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2024,46(5):762-770, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.024
Abstract:
受工作环境、服役时间等因素影响,预应力钢绞线将发生锈蚀,导致混凝土锈胀开裂,严重威胁着结构的耐久性。为了解构件的锈蚀开裂情况,提出了一种基于压电波动法监测预应力混凝土锈胀开裂的有限元模拟方法。运用Abaqus构建了基于压电波动法的预应力混凝土锈胀开裂细观模型,该模型由砂浆、骨料、构造钢筋、预应力钢绞线及压电陶瓷等组成。分析了压电-锈蚀PC构件机电耦合过程,实现了基于压电应力波法监测钢绞线锈蚀膨胀引发混凝土裂缝发生及发展的整个过程。研究结果表明,从锈蚀开始到轻微锈蚀阶段,压电电压信号峰值升高13.4%,首波接收时间缩短1.2%;从轻微锈蚀阶段到加速锈蚀阶段,直至理论锈蚀率阶段,受锈蚀裂缝影响,压电电压信号峰值降低,首波接收时间延长,电压变化分别减少6.6%和48.6%,首波接收时间分别增加6.0%和 29.8%。通过验证试验和模型在各阶段峰值电压的对比,其差值小于0.32 mV,验证了压电波动法监测预应力混凝土锈胀有限元模型的可靠性。
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2024,46(5):771-775, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.025
Abstract:
磷化镓晶体具有高声光优值、高声速和低声衰减系数,是制作声光调制器的优良材料之一。对磷化镓晶体的关键声光参数进行了测试评估,并基于磷化镓晶体研制了光脉冲上升时间为6.6 ns的高速光纤声光调制器,移频频率为1.5 GHz的高频空间声光调制器,以及3 dB移频带宽125 MHz的大带宽光纤声光调制器。
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2024,46(5):776-786, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.026
Abstract:
针对增材制造检测领域中激光超声检测技术定量识别金属增材制件表面裂纹时,激光超声信号具有多模态混叠严重、波形复杂和信噪比低等问题,提出了一种经验小波变换分解激光超声信号,并使用表面波的缺陷回波波峰与波谷差值技术进行金属增材制件表面裂纹定量识别。分析激光超声信号的时频特性,利用经验小波变换自适应分解并提取激光超声信号中的表面波模态。对原始信号和经验小波变换提取的表面波信号在有无裂纹反射回波的时间范围内波峰与波谷差值变化进行分析,绘制原始信号和表面波信号的扫查位置———波峰与波谷差值图。经对比发现,后者能更好地确定裂纹长度的起始和结束位置,其裂纹检测结果的绝对误差不超过0.4 mm, 相对误差不超过6.00%。此方法在激光超声信号的缺陷特征提取与定量识别方面有效可行,为复杂增材制造环境中对金属增材制件表面裂纹进行非接触检测提供了有力工具。
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2024,46(5):787-793, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.027
Abstract:
光纤传感器在电池安全监测领域的应用日益增多。针对储能电池内部气压变化微小难以测量的问题,基于光纤法布里-珀罗(Fabry-Pérot, FP)腔体端面镀膜的结构模型,研讨了膜厚、有效半径和腔长之间的关系, 深入探究了三者之间的相互制约及理论基础,设计了一种小型化、高灵敏度和高精度的光纤微压传感器。制备了气压灵敏度-239.836 nm/MPa、线性度0.998的微压传感器,其在100 kPa压强范围内表现出良好的线性和稳定性。该传感器结构紧凑、制作简单且成本低,具备较高的灵敏度和优异的压强响应特性。
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2024,46(5):794-800, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.028
Abstract:
为了准确测量液位,研制了一种耦合光纤布喇格光栅和弹性膜片的液位传感器。该传感器由两个光纤光栅(FBG_1和FBG_2)、弹性膜片、弹性橡胶密封垫片、空心管(导气管)和光纤光栅固定装置组成。光纤光栅固定装置材料为聚甲基丙烯酸甲酯。FBG_1和FBG_2固定在弹性膜片表面。FBG_1用于监测液位高度和温度。将 FBG_2封装在不锈钢毛细管中进行温度检测,消除液相温度变化对液位测量的负面影响。为了提高传感器检测液位的线性度,实验研究了弹性膜片厚度对液位测量结果的影响,并在此基础上研究了液位变化率和外部振动对液位测量精度的影响。结果表明,当弹性膜片厚度为2 mm时,传感器检测液位的线性范围为0~380 cm,灵敏度为 (19.65±6.3) pm/cm。该传感器可在0~100 cm/min液位变化速率和0~5.27 mm/s外部振动强度范围内准确监测液位,最大检测误差为7.2%。
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2024,46(5):801-812, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.029
Abstract:
针对预应力混凝土结构预应力筋受力状态的监测难题,提出了凹槽预压封装准分布式FBG技术,解决了FBG存活率低和监测量程不够的技术难题。通过循环张拉试验和预应力RPC梁加载试验,探究了准分布式 FBG钢绞线的传感性能及其对混凝土结构应力状态的监测效果。结果表明,FBG存活率为100%,应变灵敏度为 0.001 18~0.001 20 nm/με,应变传递率β≥0.98,线性度≤2.096%,回差≤1.043%,重复性≤3.615%,总不确定度≤3.881%。准分布式FBG钢绞线可准确识别RPC梁的损伤过程,45%fptk 、65%fptk 、75%fptk (fptk 为钢绞线极限强度)预应力RPC梁的开裂荷载分别为100 kN、130 kN、140 kN,纵筋屈服荷载分别为260 kN、280 kN、300 kN。RPC梁挠度和钢绞线应变为抛物线型分布,最大挠度分别为27.691 mm、20.153 mm、14.602 mm,最大应变分别为4 163.025 με、3 715.126 με、1 658.487 με。准分布式FBG为预应力结构的整体监测提供了思路。
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2024,46(5):813-821, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.030
Abstract:
超声传感器阵列寻址接收方法不同于传统的超声阵列接收机制,它可以灵活地选择阵列中接收阵元数量及分布范围,在简化电路规模的同时,可以实现阵列的变孔径接收。提出了一种基于PZT的8+8(64阵元)规模寻址激励超声阵列接收策略,设计了基于微处理器和PMOS电子开关控制的寻址接收电路,实际测试并分析了寻址接收模式下超声阵列的电气特性。采用单阵元、整行阵元、整列阵元及全部阵元接收孔径4种寻址接收模式, 测试了铝和钢材试块底面回波信号,得到不同接收模式下回波信噪比的变化规律及特性。
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2024,46(5):822-826, DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.05.031
Abstract:
提出了两端自由状态下指数形变幅杆弯曲振动谐振频率计算的一种近似方法。将指数形变幅杆等效为圆柱形杆,分别采用Euler-Bernoulli理论和Timoshenko理论获得弯曲振动的频率方程,再利用python编程计算两种理论下弯曲振动的前3阶谐振频率,并与有限元仿真值作对比。结果表明,在两端半径相差较小的情况下,基于Timoshenko理论的近似方法适用于指数形变幅杆弯曲振动谐振频率的计算。
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2016,38(4):633-638, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2016.04.028
Abstract:
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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2012,34(6):864-867, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2012.06.015
Abstract:
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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2016,38(3):450-453, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2016.03.026
Abstract:
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1.56×106 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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吴高米，马晋毅，李尚志，司美菊，唐小龙，蒋世义，江洪敏，张祖伟
2024,46(3):285-289, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.03.001
Abstract:
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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2022,44(3):403-406, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2022.03.014
Abstract:
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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温福军，王园园，钱莉荣，王荔田，李翠平，熊阳，田亚会，李红浪
2024,46(3):290-295, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.03.002
Abstract:
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hSiO2 =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 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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2016,38(3):401-404, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2016.03.013
Abstract:
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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2024,46(3):339-342, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.03.011
Abstract:
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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2024,46(3):306-309, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.03.005
Abstract:
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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2024,46(3):343-346, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.03.012
Abstract:
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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2024,46(3):296-299, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.03.003
Abstract:
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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2024,46(3):300-305, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.03.004
Abstract:
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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王吉芳，郑露，陈平静，潘虹芝，杜雪松，董加和，陆川，陈正林，吴浩东，马晋毅
2024,46(3):310-314, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.03.006
Abstract:
针对不同温度场情况下任意复杂膜系结构和电路拓扑结构的声表面波(SAW)滤波器的温度敏感性精确计算问题,首先将温度场以热应力、热应变的方式耦合声/电本征方程并考虑封装模型的电磁因素,再结合分层级联算法和全波仿真技术,计算任意复杂膜系结构和电路拓扑结构的SAW 滤波器的温度敏感性,实现不同温度作用下SAW 滤波器频率响应曲线、频率温度系数(TCF)值、损耗、带宽及带外抑制等性能的综合分析。通过41°Y-XLiNbO3/SiO2/Si_poly/Si(111)复合衬底SAW 滤波器的优化设计与研制,其设计优化结果与实验结果吻合较好,验证了该方法的有效性和可行性。2024,46(3):322-327, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.03.008
Abstract:
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hZnO/λ=0.3、hAlN/λ=0.5,且ZnO 被完全刻蚀(d/hZnO=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/hZnO=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/hZnO =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/hZnO=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。
2024,46(3):351-355, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.03.014
Abstract:
采用传统固相法制备了Pb(Zr1-xTix )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(Zr0.48Ti0.52)O3 陶瓷具有最
佳的电学性能:压电常数d33=183 pC/N,居里温度TC=402 ℃,相对介电常数εr=1 209。
2024,46(3):328-332, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.03.009
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。
2024,46(3):333-338, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.03.010
Abstract:
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。
2024,46(3):362-366, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.03.016
Abstract:
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。
2024,46(3):392-398, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.03.021
Abstract:
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。
2024,46(3):315-321, Doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2024.03.007
Abstract:
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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