基于扫频技术的乐甫波器件测试系统

介绍了乐甫波器件的结构,设计制作了乐甫波器件,给出了乐甫器件的制作参数,搭建了基于扫频技术的测试系统,包括信号源模块、信号采集模块、微控制器模块等.通过DDS芯片AD9912在一定频率范围内,以一定频率间隔扫频输出高频正弦激励信号,利用AD8302芯片测量扫频范围内每一频率点的器件输入激励信号与输出响应信号幅值比,描绘出幅频特性曲线,并给出器件谐振频率.该测试系统的测量结果与网络分析仪基本一致,实现了网络分析仪的扫频功能.     

2.4GHz射频薄膜体声波谐振器的研制

提出了基于ZnO压电薄膜多层结构的2.4GHz射频薄膜体声波谐振器,并进行了研究.采用修正后的Mason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MEMS工艺制备器件的工艺流程,并利用射频网络分析仪对实验器件进行了测试.利用多点数值拟合的方法消除射频测试中引入的寄生分布参数,提取出器件的实际参数:器件的串联谐振频率fs和并联谐振频率fp分别为2.3714GHz和2.3772GHz,相应的有效机电耦合系数为0.598%;串联谐振频率处和并联谐振频率处的Q值分别为500.3和425.5,f·Q值乘积达到1.2×1012.该谐振器器件的有效直径为200μm,样品实际尺寸为1.2mm×1.2mm×0.3mm,可用来制备体积小、高性能和低相噪的射频振荡器.     

利用Linnik显微干涉技术测量微结构动态特性

为了实现微结构的离面运动、幅频特性和谐振频率等动态参数的测量,设计开发了微结构动态测试系统,采用Linnik显微干涉结构,具有放大倍率高和工作距离长的特点.首先,系统利用频闪成像技术、五步相移方法和分割线去包裹算法测量微结构离面运动,然后,再通过扫频技术得到微结构的幅频特性和谐振频率.利用该测试系统对硅微悬臂梁的离面振动和幅频特性进行了测试,实验结果表明:硅微悬臂梁的谐振频率为13.03kHz,离面振动测量重复性误差小于10nm.系统具有较好的测量可重复性和较高的测量精度,能满足微结构动态特性测量对测试系统的性能要求.     

乐甫波的液体粘度传感研究

利用部分波理论和边界条件精确推导,对“粘性液体/非压电薄膜/压电基底”3层乐甫波结构建模,分析得出随叉指周期变小,液体粘度灵敏度提高,传播衰减增大;随“薄膜厚度与波长之比”增大,液体的粘度灵敏度随之先减小再增大,液体密度灵敏度几乎为零。优化设计了以36°钽酸锂和SiO₂为基底和薄膜的乐甫波器件,制作并测试实物,实验结果与数值仿真基本一致,表明了理论模型的正确性。     

基于人工神经网络的乐甫波液体密度粘度并行检测研究

乐甫波器件负载液体时,液体的密度和粘度相互耦合,难以通过乐甫波器件直接实现其并行检测。基于上述背景,建立了基底与薄膜同时采用压电材料的双压电结构乐甫波器件液体传感理论模型,提出了基于人工神经网络的乐甫波液体密度粘度并行检测方法,以理论模型计算出的数据作为人工神经网络的训练数据,采用乐甫波的波速和衰减来并行预测液体密度和粘度,预测结果与理论仿真的对比表明了该方法的有效性。     

高频长缆水声换能器的匹配技术研究

高频换能器接长电缆后谐振频率会发生偏移,导致与工作频率相差甚远,工作点的导纳值与不接长电缆时偏差较大。这使得换能器与发射机和接收机之间的阻抗严重失配。文章对高频长缆水声换能器匹配技术进行研究,通过建立换能器等效电路模型,利用传输线理论,进行四端口匹配网络的设计和仿真,并制作一块匹配电路板。实验结果表明,系统匹配性测试与仿真计算相吻合,提高了系统机电转换效率,证明了该匹配方法的可行性和工程实用性。     

探针馈电贴片天线的建模及其在滤波天线中的应用

针对探针馈电矩形微带贴片天线的建模,本文提出了一种新的集总元件等效电路,并给出了等效电路模型中元件参数的相关公式,尤其包含了馈电探针的位置参数.此等效电路的特点是其端口特性能够在比较宽的频率范围内与物理模型保持一致.为了验证该等效模型,以滤波器综合理论和所提出的等效电路模型为基础,设计了一个中心频率为2.4GHz,且具有二阶巴特沃尔斯带通滤波器响应的滤波天线,其中用提取好的2.4GHz探针馈电矩形微带贴片天线等效电路模型取代滤波器的末级谐振回路和端口.整个滤波天线的等效电路仿真结果与其物理结构仿真结果吻合较好,经实测得到的反射系数、方向图和增益也与仿真结果一致.     

纵振型低频压电水听器的等效电路及有限元分析对比研究

分别利用等效电路理论与ANSYS有限元仿真对纵振型复合棒式压电水听器的性能参数进行了计算,并将两种结果进行比对分析。对比发现两种分析方法得出的接收灵敏度最大值对应的频率不在同一处并且在数值上存在一定差异,在远离谐振点的较低频段,水听器的接收灵敏度都具有较为平坦的响应。等效电路理论只考虑了一维纵向振动并且将模型完全理想化,而ANSYS有限元分析则考虑了整个结构的纵向横向模态耦合,其建模更接近实际模型,因此ANSYS有限元分析在水听器的仿真优化设计中更符合实际情况,但还需制作实物,用实测结果进行比对。等效电路理论由于物理意义明显,可以为水听器设计和有限元仿真提供理论指导。     

基于性能可调阶梯型变幅杆的超声波振子调谐研究

为减小超声波振子外接负载时其谐振频率漂移的幅度,使用机电等效电路法和COMSOL Multiphysics 5.3有限元仿真软件设计制造了一种基于性能可调阶梯型变幅杆的超声波振子。对该超声波振子的谐振频率进行有限元仿真和现场测试。以超声清洗机为例,搭建与其原理相似的试验装置,以不同液面高度的水作为变幅杆的外接负载,探究在不同外接负载情况下,调节连接在变幅杆处压电晶堆的调谐电感对解决超声波振子谐振频率漂移问题的有效性。试验结果表明：随着水杯中液面高度的增加,超声波振子的谐振频率整体呈上升趋势;通过在变幅杆的压电晶堆处外接调谐电感,超声波振子的谐振频率会得到一定的补偿,可重新回归到原始设定的谐振频率值附近。研究表明在使用超声波振子进行超声辅助加工时,该超声波振子对减小外接负载引起的谐振频率漂移幅度具有一定作用。研究结果可为超声波振子的调谐提供新思路和新方法。     

声波测井压电换能器多频点阻抗匹配技术研究

针对声波测井压电换能器的多频点阻抗匹配技术展开研究,首先采用多模态等效电路精确描述了换能器的导纳特性;然后通过分析多模态阻抗匹配理论,设计电感-电容复合阻抗匹配网络,并结合换能器等效电路进行参数优化和电路仿真。实验表明,相比于换能器没有阻抗匹配的测试结果,该阻抗匹配技术可大幅提高换能器在谐振频率附近多个频率处的有功功率,频带内的有功功率平均提高了30倍,从而改善换能器的激励带宽和激励效率,提高测井仪器的适应性、探测深度和分辨率。     

Resonant Magnetoelectric Effect with Strongly Nonlinear Magneto-Elastic Coupling in Magnetoelectric Laminate Composites

Considering the complex strongly nonlinear coupling characteristic of the magnetostrictive strain and magnetization under the excitation of the bias magnetic field and the pre-stress in the giant magnetostrictive material, this paper adopts the nonlinear magnetostrictive constitutive model and the equivalent circuit method to establish a strongly nonlinear resonant magnetoelectric (ME) effect theoretical model for the ME laminate composites compounding by the giant magnetostrictive material and the piezoelectric material. For the L-T mode magnetostrictive/piezoelectric/magnetostrictive (MPM) ME laminate, the predicted results coincide well with the experiment results of the resonant frequency and the resonant ME field coefficient varying with the external magnetic field when the pre-stress degenerates to zero in our model. The agreement indicates the proposed theoretical model validity. On the basis, we use the theoretical model to forecast the varying characteristic of the resonant ME field coefficient and the resonant frequency effect under the influence of the different bias magnetic field and the pre-stress in ME laminate composites. And we also predict that the resonant ME coefficient and the resonant frequency appear "reversal" with the pre-stress increasing. After that, the influence of the different volume ratio on the ME effect and resonant frequency is analyzed. Particularly, a resonant frequency value not influenced by the volume ratio with increasing bias magnetic or pre-stress occurs. This research can provide theory basis for improving the resonant ME conversion performance and for controlling the resonant frequency under the excitation of the bias conditions (i.e. the bias magnetic field and the pre-stress) for the ME devices (i.e. sensor, transducer, microwave device and so on).     

基于COMSOL的声表面波器件仿真

声表面波器件在通信、传感、射频识别等领域有着广泛的应用.以有限元方法为基础,利用有限元软件COMSOL对声表面波器件进行了仿真.从器件的模型建立入手,按由浅入深的顺序对无电极压电基片、压电基片表面沉积叉指换能器、叉指换能器表面溅射薄膜、薄膜上负载液体的4种结构进行了仿真分析.仿真研究表明:叉指换能器的电极效应会产生正、反特征频率,并且两种频率都随着叉指电极的敷金比与高度增加而向低频偏移;薄膜厚度的增加同样会导致器件频率向低频变化;当器件负载液体用于液体密度检测时,可通过器件频率变化对液体密度的灵敏程度来对薄膜厚度进行优化.其研究结果可以为声表面波器件的设计制作提供依据.     

Analysis of the Internal Noise of Quartz-Crystal Oscillators

This paper describes the influence of the parallel capacitance of a quartz-crystal resonator on the amplitude-frequency coupling and particularly on the internal noise spectra of the oscillator working at the series resonance. A theoretical analysis which is a first order perturbation method is used. It is shown that the parallel capacitance of the quartz-crystal resonator increases the amplitude-frequency coupling and drastically modifies both amplitude and phase spectra of the internal noise. The 1/f2 phase spectrum of the internal thermal noise is transformed into a white phase spectrum for noise component frequencies greater than f0 + f? or less than f0 - f?, where f0 is the resonator series resonant frequency and f?, the difference between antiresonant and resonant frequencies of the quartz crystal. A "noise quieting" phenomenon appears when the noise component frequencies are in the vicinity of the antiresonant frequency fp. A good agreement between theoretical and experimental results for different values of the parallel-capacitance proves the validity of the mathematical model.     

基于Qplus技术的AFM测头研究

初步设计并组装了基于qPlus 技术的原子力显微镜（AFM）测头。使用石英音叉型力传感器替代了硅悬臂传感器,并设计了前置放大电路,研究了测头的频率特性,利用搭建的实验装置对测头的性能进行了测试。测试结果表明:该测头在频率调制（FM）模式下具有较高灵敏度。同时测头频率特性的研究显示探针及其粘接部位的质量是影响测头谐振频率的最主要因素。为qPlus-AFM测头的设计、组装及后续研究提供了经验和基础。     

Substrates for zero temperature coefficient Love wave sensors

Microacoustic Love wave delay lines show high sensitivity to perturbations such as mass depositions on the wave-guide surface. Furthermore, because of their shear polarization, Love waves are ideally suited for liquid sensing applications. Using a Love wave delay line as feedback element in an oscillator allows the realization of viscosity sensors, and, using a chemical interface, chemical sensors, where the output signal is the oscillation frequency. To achieve a high effective sensitivity, the cross-sensitivity to temperature has to be kept low. We outline the proper choice of a material and especially focus on the influence of crystal cut and the major device design parameters (mass sensitivity and coupling coefficient) on the temperature coefficient of the sensor.     

旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计与试验研究

砂轮变幅器是旋转超声内圆磨削谐振系统的关键部件,其设计质量直接影响超声磨削的工艺效果。但目前内圆磨削砂轮变幅器缺乏较为完善的理论分析模型。为提高砂轮变幅器理论分析模型的通用性,基于非谐振设计理论建立了纵向谐振砂轮变幅器的理论分析模型,并利用砂轮变幅器各振动单元间的力、位移连续条件与边界条件推导了其频率方程。然后,针对频率方程进行编程求解,并通过ANSYS有限元仿真分析进行验证。最后,加工制作了纵向谐振砂轮变幅器,并开展阻抗特性分析试验、超声谐振试验和振动位移测量试验,分析了其谐振特性。试验结果表明,所研制的砂轮变幅器的谐振试验频率与理论设计频率一致,其输出端振动位移的试验值与仿真值的相对误差为7.83%,符合旋转超声内圆磨削的要求,验证了理论分析模型求解的正确性。研究结果为旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计提供了便捷且有效的方法。     

基于电磁驱动及磁电／电容检测的硅谐振式双轴角速率传感器设计和测试

本文介绍了一种MEMS角速率传感器的设计、制作和测试．该传感器采用硅梁作为支撑和震动的结构．电磁力在驱动模式中被用来激励质量块做往复运动．驱动模式的频率被设计为5955．38Hz．针对另外两个轴向的角速率检测,设计检测模式的频率分别为6151．01Hz和6591Hz．质量块在驱动模式下的最大位移被设计为20μm．在器件的制作过程中使用了湿法刻蚀、电子柬蒸发、阳极键合、等离子体增强化学气相沉淀（PECVD）、lift—off、感应耦合等离子体活性离子蚀刻（ICP—RIE）等MEMS工艺．质量块的尺寸是1440μm×1400μm×33．6μm,硅梁的设计尺寸分别为10μm×562．5μm×33．6μm,10μm×532．5Ixm×33．6μm,芯片的外形尺寸是3127μm×3069μm．为了进行器件测试,搭建了真空测试平台．测试结果表明,驱动模式下器件的谐响应频率为9609Hz,使用磁电检测的模式其谐响应频率为9605Hz．器件中电容检测需要特殊的电路,该电路目前正在搭建中．分析发现实测结果与模拟仿真结果的差异在于加工过程中产生的误差．