键合工具对超声换能器系统谐振频率的影响

建立了超声引线键合机换能器系统振动分析有限元模型,利用ANSYS软件分析了换能器系统与键合工具组成的纵-弯复合振动系统的振动特性。计算结果表明,键合工具的弯曲振动与换能器系统纵向振动存在耦合关系,劈刀长度增加50%将使换能器系统谐振频率下降5.6%;实验中测试了换能器系统的阻抗与导纳特性,发现当劈刀长度为16 mm时系统的阻抗匹配较为理想;换能器系统的谐振频率的实测值与有限元分析结果一致,最大误差为3.51%。     

夹心式纵弯复合模式压电陶瓷超声换能器的研究

对夹心式纵弯复合压电陶瓷超声换能器进行了理论及实验研究，该换能器由金属细棒及纵向极化的压电陶瓷圆环组成。得出了换能器中纵向振动和弯曲振动的共振频率方程。通过修正金属细棒的长度和横截面积，实现了换能器中纵向振动与弯曲振动的同频共振。实验结果表明，换能器的测试频率与计算频率基本符合，而且换能器的纵向频率和弯曲振动频率也吻合。     

热声焊机变幅杆固有频率模态分析

纵向振动单一超声变幅杆是热声焊机换能器中的关键零件,其作用是放大换能器所获得的超声振动振幅.为了得到最大的振动幅值,变幅杆固有频率应和超声波发生器的工作频率相同.运用ANSYS有限元分析软件进行了不同材料下的变幅杆固有频率的模态分析,验证了1Crl8Ni9Ti不锈钢的变幅杆的纵振固有频率与工作频率相一致,给出了纵振模拟图和位移图,并对模态分析结果进行了研究,以了解在给定的频率范围内各种模态形式,通过采取一定方式抑制接近工作频率的影响键合质量的非工作模态产生.     

多自由度超声电机振动频率的修正

多自由度超声电机是将两种以上的超声振动模式按照一定的方式组合,通过在定子表面的椭圆运动实现转子的多自由度转动.该文对纵弯复合模式圆柱形多自由度超声电机的振动特性进行了研究,该电机的定子由两组夹心式振子组成:一组夹心式压电片在电压激励时能在纵向产生较大的振动位移;另一组夹心式压电片由2个纵向振动的压电片和4个铜电极组成,用于产生两个方向的弯曲振动.为了研究电机的工作特性,参照换能器频率的计算方法,通过纵弯振动的波动方程推导了电机纵弯振动频率方程,考虑多自由度工作时,电机定子纵弯振动的相互影响,对纵弯振动频率方程进行了修正,并将理论计算结果、数值仿真结果及实验测试结果进行了比较,证明了理论计算的正确性.     

纵振超声刀柄优化设计研究

基于硬脆材料难加工的问题,在传统刀柄基础上进行改进设计出超声刀柄。以纵振超声刀柄为研究对象,利用Ansys对其进行模态和谐响应分析,得到刀柄各节点振型和幅频曲线。仿真结果表明,超声刀柄在23kHz频率附近存在轴向纵振模态,其振动节点位于变幅杆锥面上。用激光多普勒测振仪与阻抗分析仪测试超声刀柄刀具和尾部振幅及阻抗曲线。测试结果表明,谐振频率为23.9kHz时,最大振幅达到10.54μm,与仿真基本一致。最后通过在刀柄上安装平衡环,达到刀具振幅增大,刀柄尾部振幅减小的效果,提高了超声刀柄实际加工中的精度和稳定性。     

超声耦合无线电能传输用发射换能器优化设计

针对超声耦合无线电能传输系统研究的需要,对水下超声耦合无线电能传输系统发射换能器进行选型,确定换能器类型及工作频率。基于夹心式纵振压电换能器一维设计理论对发射换能器进行优化设计,在深入分析圆锥形前盖板延展系数对换能器振速比和等效机电耦合系数影响的基础上,选取的延展系数能同时兼顾换能器振速比和等效机电耦合系数均为较优值,并据此进一步确定换能器全部结构尺寸。实际测试结果表明,试制的发射换能器实际谐振频率为38.552 kHz,等效机电耦合系数为0.149,满足实际需要。     

CL—Ⅱ型超声键合机的超声电源和超声振动系统

本文介绍了新研制出的CL—Ⅱ型超声键合机上采用的超声电源和超声振动系统。该机超声电源采用一改进型哈托莱功率振荡器,提供了理想的振动频率,并通过反馈电路在焊接过程中不断作瞬时频率调整以配合换能器之振动频率,实现频率自动跟踪。超声振动系统采用高阻抗压电换能器,并配以放大系数高的圆柱杆复合悬链线形变幅杆,保证了键合质量的稳定性和可靠性。     

压电复合换能器的结构对其频率特性的影响

研究了多模耦合宽频带复合换能器,结果发现,这种换能器在空气中的纵弯振动具有明显的规律性.针对1-3型压电复合材料,采用有限元法研究了压电陶瓷体积分数对换能器共振频率的影响,并研究了换能器共振频率与其几何尺寸间的关系.结果表明,换能器共振频率与压电陶瓷体积分数及其几何尺寸有关,即随压电陶瓷体积分数增加,共振频率增大;换能器前盖板几何尺寸越大,共振频率越小,纵振基频与弯振基频间距亦随之减小.     

超声波在换能器接触界面传播的特性研究

在研究超声换能系统的过程中发现,系统存在非线性特性.引起超声波非线性的主要因素是换能器子结构接触界面上传递的不连续造成的.该文对超声波在超声键合换能器中的传播为研究对象,建立了超声波在单一均质材料和两种材料接触界面传递的一维数学模型,并采用机械动力学软件进行了仿真,推导出界面预紧力和超声波传播的关系,并试验测试了超声换能器在不同预紧力条件下,换能器换能杆末端振动速度和键合强度的变化规律.为超声键合换能器系统的设计、安装和维护提供了可靠依据.     

一种基于压电驱动的小型移动机器人的研究

提出了一种基于弹性体1阶纵振、3阶弯振驱动的“人”字型移动机器人,实现了基于同一压电陶瓷片的压电常数(d33,d31)效应同时激发纵振、弯振的设想;建立了纵、弯振频率一致性的几何条件;仿真了机器人的振动模态,并计算出了纵、弯振动一致性固有频率为26.378 kHz;研制出了机器人的自振荡频率跟踪驱动电路;制作出了机器人原型机,并在其上完成了模态、运行实验;实验结果表明该机器人可在较光滑表面上爬行。     

压电超声无线能量传输通道阻抗特性研究

基于压电晶体沿厚度方向振动的数学模型,用等效电路法分析得到表面镀银的某型压电超声换能器的谐振频率和反谐振频率,与实测结果相符。在考虑耦合层影响条件下,建立了由外部压电换能器-金属壁-内部压电换能器所构成超声无线能量传输通道的等效电路模型,并仿真得到了通道的阻抗特性,与高精度阻抗分析仪实际测得的阻抗进行比较,验证了所建模型的准确性。     

MEMS压电超声换能器二维阵列的制备方法

针对超声换能器阵列中阵元密度难以提升和工艺重复性差等问题,提出了一种基于硅-硅键合技术的MEMS压电超声换能器二维阵列的制备方法,并采用该方法制备了阵元间距小至150μm的密排二维换能器阵列。阵列中每个声学单元均为由上电极、压电材料(PZT)层、下电极和支撑层组成的多层膜结构,并通过其弯曲振动模式实现超声波的发射和接收。制备样品的测试结果表明,采用该方法制作MEMS压电超声换能器阵列,具有阵元间距小、工艺流程可靠、成品率高、一致性好、工作频率(2.45MHz)与设计值(2.5MHz)的吻合度高等优点,适用于医学成像等高频超声成像系统。     

基于ANSYS的压电陶瓷晶片PZT仿真分析

电力支柱瓷绝缘子超声波检测对预防和检测绝缘子裂纹和断裂起到重要作用,换能器是超声波检测的基础元件,而换能器的核心部件是压电陶瓷晶片,其性能直接影响到检测结果。该文研究针对有限元法和传统解析法在压电陶瓷晶片特性分析中的不足,采用ANSYS有限元分析软件对压电陶瓷锆钛酸铝(PZT)晶片进行特性分析,基于ANSYS的电-结构耦合场模型,对超声波换能器的矩形压电晶片进行静态、模态、谐响应和瞬态分析。通过模态分析和谐响应分析可得到晶片的一阶纵向振动和二阶弯曲振动的固有频率、振型及频率位移响应及影响因素等信息,研究结果对提高超声辐射功率及超声换能器的性能有一定的理论指导和工程应用价值。     

夹持环对换能系统振动模态影响的有限元分析

换能系统是热超声引线键合装备的核心部分,夹持环对系统起安装支撑的作用,其安装方式直接影响换能系统的能量传递与振动模态。利用有限元法分析了夹持环对换能系统振动模态的影响,结果表明,对夹持环未施加约束、施加z向约束时换能系统的夹持环会出现振动现象,而施加x向约束时,工作频率下的主振型完全不符合要求;改变夹持环的安装位置,对换能系统的节点位置及谐振频率都有一定的影响,实验测得在全约束情况下,换能系统的节点位置为58 mm,与分析结果一致;换能系统在工作频率附近包含有其他的振动模态,在键合过程中易被激发出来,由此消耗超声能量而降低芯片的键合质量,这些振动模态必须得到抑制。     

Dynamics of Ultrasonic Transducer System for Thermosonic Flip Chip Bonding

Thermosonic flip chip bonding is used in certain fine pitch IC packaging for its unique features. By using this bonding process in this paper, 1 mm$, times ,$1 mm chip with 8 gold bumps has been bonded onto a silver-coated substrate. Dynamical properties of transducer system, which is the key component for providing the ultrasonic energy, have been investigated using finite element model (FEM) and measurement using impedance analyzer and laser doppler vibrometer (LDV). The simulation results show that the ultrasonic transducer vibrates by coupling with all excited modes, therefore resulting in complicated motions during bonding. The third axial mode, which includes 1.5 wavelengths and 3 nodes, is the dominant working vibration. However, this axial mode is severely disturbed by undesirable non-axial modes such as flexural modes. There are some other unwanted parasitic modes close to dominant mode. Measured velocities of the transducer horn show that the system vibrates under several modes simultaneously. The impedance measurements reveal additional frequencies overlapping the working frequency. All non-axial modes of the ultrasonic transducer disturb the bonding process and degrade the bonding quality. A subtle control is needed to obtain unique axial mode and stable vibration for high bonding quality.      

基于ANSYS的万向压电换能器仿真分析

针对环境振动源振动方向的多方向性特点,提出了一种万向压电换能器,其可实现对不同方向振动的敏感。基于ANSYS软件建立了万向压电换能器的有限元仿真模型并进行了仿真分析。通过对万向压电换能器的发电性能仿真发现,换能器输出电压随着压电片的厚度和长度的增加,都存在一个最大输出电压值;随着弹性基片长度的增加,换能器的输出电压单调递增。通过对万向压电换能器的多方向发电仿真发现,在x、y、z方向上施外力,该换能器的输出电压分别为17.9V、15.5V、7.2V。     

纵弯转换超声振动球面聚焦系统聚焦特性研究

该文提出了一种由夹心式纵振动换能器与带孔球壳组成的纵弯转换型球面聚焦系统。应用弹性力学的板壳振动理论和亥姆霍兹-基尔霍夫声场理论分析了新型聚焦系统的振动特征和声场聚焦特征,并通过实验进行了验证。研究结果表明,球壳弯曲振动的辐射声场具有显著的聚焦特性,焦点位置、声压强度、焦区形状受球壳曲率半径的影响。在结构一定的情况下,聚焦的特性受谐振频率的影响,高阶谐振频率的聚焦效果比低阶谐振频率好,但焦点声压低于低阶谐振频率。由于弯曲振动与气体介质的辐射阻抗匹配要好于纵向振动,因此这种新型聚焦系统具有更强的实际应用意义。     

热超声倒装键合换能系统 多模态振动与有限元分析

研究了热超声倒装键合设备的核心执行机构——换能系统的动力学特性.利用激光多谱勒测振仪测试系统末端各方向的振动速度,发现系统以轴向振动为主,但受到其他非轴向振动的干扰.非轴向振动对芯片造成芯片倾斜、键合强度降低等负面影响.采用有限元方法对换能系统建模,仿真计算发现换能系统振动是各方向振动的耦合结果,且工作模态附近存在多种干扰模态.最后分析了系统多模态产生的根源并提出抑制方法.