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为突破传统声光偏转器通光孔径小的技术瓶颈,研制了1 550 nm大孔径宽带声光偏转器。首先建立了TeO₂晶体的相互作用理论模型,再以大孔径(10 mm)、宽带宽为目标,对TeO₂晶体三维尺寸进行精细化设计,制作样品并对其性能进行验证。结果表明,所设计的10 mm大孔径声光偏转器在频率28~48 MHz内,衍射效率稳定保持在50%,有效带宽达到20 MHz,可实现无惯性精准扫描。

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为提升多换能器声光器件的宽带衍射效率,本文基于超声跟踪原理,研究了不同相位差射频信号对声场分布及衍射效率的影响。利用COMSOL软件建立氧化碲晶体二维模型,对两片矩形换能器分别施加具有不同相位差的射频信号,仿真分析晶体内部声场分布变化规律。实验结果表明,在两片换能器的声光器件中,通过给两路射频信号施加不同相位差可实现超声跟踪,从而显著提升器件在频率范围内的衍射效率,带内最低衍射效率由25%提升至60%以上。仿真结果从声场调控角度验证了超声跟踪原理,为理解实验现象提供了理论依据。

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本文介绍了一种利用石英晶体材料制作的能应用于深紫外波段(266 nm)的宽带声光偏转器,其利用相控阵超声跟踪效应同时实现了较大的带宽与较高的衍射效率。实验结果表明,所制备的紫外波段宽带偏转器在220~460 MHz工作带宽范围内衍射效率均优于60%。该设计为未来的带宽声光偏转器的优化和实际应用提供了重要的理论基础和参考价值。

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激光扫描是成像的关键技术,对成像时间、成像视场范围与空间分辨率有直接影响。针对传统机械式激光扫描器件响应时间长、寿命短以及存在惯性等问题,声光偏转器凭借其高响应速度、大扫描角度、高扫描精度、无惯性等优势,成为全固态激光扫描的重要技术路径。基于正交声光偏转器的二维激光扫描方案设计,本文提出了一种激光成像系统及其相应的信号解调算法。经实验验证表明,该系统在距离96 m处成功实现了对建筑物及无人机的清晰激光扫描成像,扫描角度范围约为45.6 mrad,角度分辨率为0.45 mrad,成像时间为0.3 s。该技术具备快速定位和锁定目标的能力,在无人机跟瞄、导弹反制等领域具有较大的应用潜力。

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二维声光偏转系统常应用于激光跟瞄系统、无惯性高速成像系统以及缺陷检测系统中,避免了传统二维机械扫描方式带来的磨损误差、扫描时间长等问题。声光偏转器具有天然的移频,会给采集系统带来频率干扰;同时声光偏转器较大的光孔径和较大的带宽,对驱动器的功率和带内平坦度提出了更高要求。本文介绍了一种基于频率补偿电路与功率补偿电路的二维声光偏转系统驱动设计。实验表明,该设计可在补偿声光偏转器固有频率的同时,配合?5 mm光孔径声光偏转器实现20 MHz带宽内衍射效率≥50%,带内不均匀性≤1 dB。

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针对横向激励薄膜体声波滤波器的空腔型器件结构存在制备工艺复杂、制备难度大的问题,本文围绕器件空腔型结构制备过程中的刻蚀释放工艺,提出了一种对释放过程充分性判断的快速分析方法以及对衬底材料高效刻蚀的释放孔设计方案。通过建立衬底材料残余程度与器件光学显微镜图片的映射关系,简化了刻蚀释放工艺过程中对衬底释放充分性判断的分析过程。利用此分析方法探究了释放孔的分布位置和几何拓扑结构对释放效率和薄膜可靠性的影响;通过汇流条区域设置带有弧形拓扑边缘的释放孔,缩短了到达释放充分终点的工艺时间,提高了工艺效率。制备的空腔型横向激励薄膜体声波滤波器样品,其中心频率约为5.15 GHz,插入损耗约为1.94 dB,?3 dB相对带宽约为11.9%。该研究为空腔型横向激励薄膜体声波滤波器的实际应用奠定了工艺路径基础,对射频前端的高性能发展具有重要意义。

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本文基于横向杂散模式的等效声阻抗及高阶频散方程推导了杂散模式传输线等效模型,并将其耦合至传统一维梅森(Mason)模型中,形成了包含高阶横向驻波模式的二维Mason模型,可实现薄膜体声波谐振器(FBAR)响应的精确仿真。采用多种不同特征阻抗的谐振器去嵌结果对模型精度进行了验证,可见模型具有较好的预测效果。对比滤波器仿真与实测结果可知,其插入损耗相差为0.14 dB,中心频率相对误差为0.01%,1 dB带宽相对误差为1.67%,30 dB带宽相对误差为0.63%,矩形度相对误差为2.27%,说明该模型具有极高的仿真精度。

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采用同轴静电纺丝工艺和水热法制备了中空P(VDF-TrFE)@ZnO异质结构纤维膜,研究了中空纤维结构及P(VDF-TrFE)@ZnO异质结构对纤维膜压电特性的影响。通过XRD、SEM和FTIR分别表征分析纤维膜的晶体结构、表面形貌和β相相对含量,利用压电系数测量仪测试纤维膜的压电系数d₃₃,采用搭建的动态响应测试装置测试分析纤维膜受到动态载荷时的输出电压。结果表明,当同轴静电纺丝芯层供液流速为0.3 mL/h、水热生长溶液HMTA与Zn(AC)₂摩尔浓度比为3:1时,中空P(VDF-TrFE)@ZnO异质结构纤维膜β相相对含量可达85%、压电系数d₃₃为17.3 pC/N。在d₃₁工作模式下,采用测试装置对中空P(VDF-TrFE)@ZnO异质结构纤维膜连续施加10⁴次载荷,测试过程中纤维膜的输出电压峰值和波形无明显变化,说明纤维膜具有优异的输出稳定性和抗疲劳性。

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采用传统固相法制备了Nd掺杂对锑锰酸铅-锆钛酸铅(PMS-PZT)压电陶瓷,系统研究了Nd掺杂浓度对其结构与性能的影响。研究结果表明,Nd作为施主掺杂元素,能够实现压电系数(d₃₃)和机械品质因数(Q_m)的协同提升。当掺杂量x=0.002 5时,具有最优综合性能:d₃₃=348 pC/N,Q_m=1 680,居里温度T_C=293 ℃,品质因子FOM(d₃₃×Q_m)高达584 640,有望为大功率压电器件的设计与应用提供一种理想的候选材料。

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针对水下无人中小平台的探测手段有限,尤其是低频主被动探测与矢量感知没有深度融合的问题,本文利用压电织构陶瓷高压电系数、高柔顺系数的优势,提出了一款收发共用且可接收矢量信息的换能器。建立了换能器的仿真模型并对其结构进行优化设计,同时分析了换能器的振动模态、发射和接收特性等。结果表明,当换能器尺寸为?200 mm×200 mm时,谐振频率为1 440 Hz,压差灵敏度为?185 dB@1 000 Hz,在全频段都具有良好的“8”字形指向性,表现出低频、小体积、可深水工作的优点,为水下无人平台的声学探测提供了新的技术手段。

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以火箭隔舱无孔化安装为背景,对超声通信在复杂舱体结构中的传输性能展开研究。设计了小型化压电超声换能器调制与解调电路以满足5 Mbps的通信速率,同时建立压电式超声换能器在不同安装方式下的传输模型,重点分析了凸台嵌套结构与底座焊接固定两种安装条件对通信质量的影响。基于接收波形的采样数据与误码率,经计算,凸台嵌套安装方式凭借其更好的一体性,能有效抑制超声波的散射,显著降低系统误码率,在维持结构完整性的同时优化空间布局。该研究成果对具有高可靠性通信要求的工业应用场景具有重要的工程参考价值。

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参量阵扬声器(PAL)凭借其高指向性的音频输出能力,在隐私音频通信和定向声音投放等应用场景中展现出独特优势。传统参量阵系统通常采用基于锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷的块状超声换能器作为声源,但受限于器件尺寸,难以实现系统的微型化。本文提出了一种基于掺钪氮化铝的压电微机械超声换能器(ScAlN PMUT),采用4×4 ScAlN PMUT阵列构建了微型参量阵扬声器原型系统。在仅有16个PMUT单元构成的小规模阵列条件下,实现了1~3 kHz可听声的稳定差频输出,半功率波束宽度为15°~17°,同时可在±10°范围内实现波束偏转控制。结果表明,该微型阵列系统能实现可听声的窄波束定向辐射,且具有精确可控的波束偏转能力。相比于传统PZT参量阵方案,该系统的体积减小了约98%。该研究为实现高集成度、微型化的定向音频系统提供了一种可行的技术路径。

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为研究高功率激励条件下高强度聚焦超声(HIFU)压电换能器的声-热耦合特性及其在负载介质中的热效应,基于COMSOL Multiphysics建立球冠型压电换能器-介质体系的声-热耦合数值模型,对聚焦声场、温度场演化及热能沉积进行仿真分析。在低激励条件下对模型进行验证,并通过增大换能器等效法向振动位移幅值构建高功率激励工况,采用等效热剂量CEM₄₃判据评估焦区热效应及消融区域。结果表明,在低激励工况下,模型能够较为合理地表征换能器声学输出及介质热响应;在高功率激励工况下,焦区热剂量可在秒级时间内跨越CEM₄₃=240 min的不可逆损伤阈值,并形成稳定的高热效应区域。随着激励时间的延长,CEM₄₃=240 min等值线所对应的消融区域仅小幅扩大,说明延长激励时间对消融范围扩展的作用相对有限。相比之下,换能器激励强度对焦区声能沉积及热效应形成具有更显著的影响。研究结果可为高功率聚焦超声压电换能器的声-热特性分析及工作参数选取提供参考。

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基于MEMS的压电微机械超声换能器(PMUT)在医学超声成像等领域具有广阔的应用前景,但其性能常受限于有限的带宽。本文设计并研究了一种具有椭圆形振膜结构的新型PMUT。通过有限元仿真,系统优化了椭圆形振膜的关键结构参数,包括长轴与短轴的长度比例以及上电极的覆盖率,旨在最大化器件的工作带宽。仿真结果表明,经过优化的椭圆形PMUT可以实现超过100%的分数带宽,显著优于传统圆形振膜。

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触觉传感器在机器人触觉感知、医疗健康和人机交互等领域备受关注。然而,现有传感器难以平衡灵敏度、线性响应与空间分辨率,且存在制备工艺复杂等缺陷。本文以压电式触觉传感器作为研究对象,设计了一种新型半球结构的制备方法,分析了半球结构的大小对传感器灵敏度的影响,并通过实验对该传感器的输出特性进行研究和检测。结果表明,所制备的传感器具有灵敏度高,稳定性好以及可应用于盲文字符识别的优势,展现出良好的应用前景。

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针对现有带被动阀结构压电泵流量小的问题,本文提出了一种小型化高性能压电泵。首先设计了可集成于泵腔室内部的嵌入式碟型阀结构,使得压电泵具有优异的止流特性和高输出压强;其次建立了压电泵的理论模型和有限元模型,对其结构参数和工作特性进行仿真与分析,验证其结构设计的可行性;再采用304不锈钢对压电泵的关键部件进行加工制造,使其具有高结构强度和强结构可靠性;最后搭建实验平台对压电泵的工作特性进行测试,分析其关键结构参数对压电泵性能的影响。实验结果表明,当驱动电压峰峰值和频率分别为100 V和40 Hz时,压电泵的最大流量和零流量压力分别为83 mL/min和13.6 kPa,外形尺寸为30×30×4.2 mm³,其具有小型化、高输出性能等特点。

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为了在复杂频谱环境中高效抑制杂散谐波和带外干扰,研究了一种具有紧凑型四阶宽阻带的带通滤波器。该滤波器主要由λ/4(λ为波长)阶跃阻抗谐振器(SIRs)和嵌入式带阻结构构成。通过选择SIRs的阻抗比,将其产生的杂散谐波推至高频率区域,然后将带阻结构嵌入到λ/4 SIRs以抑制杂散谐波,使寄生通带远离主通带以实现宽阻带。为提高阻带性能,在50 Ω馈线上刻蚀马刺线以引入传输零点,同时加载两个不同长度的开路支节来抑制谐波。分析了马刺线的开口尺寸和开路支节长度对谐波抑制的影响,在保证通带良好性能的同时,具有阻带宽、结构紧凑的特点。为了验证设计的可行性,制作了实物。实测结果表明,该滤波器的工作中心频率(f₀)为1.55 GHz、相对带宽为10%,在带外谐波的抑制水平优于22 dB情况下,阻带范围扩展至13f₀,实测性能与仿真具有良好的一致性。

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该文提出了一种0.8~18 GHz超宽带可重构射频前端芯片的设计方法。该芯片采用多模式可重构架构,通过集成的单刀四掷开关,可在信号直通、6~18 GHz低噪声放大、频率响应均衡以及0.8~8 GHz低噪声放大4种工作模式间灵活重构,以适应不同的应用场景。测试结果表明,直通通道的插入损耗<1.5 dB;高频放大通道的增益为25 dB,噪声系数优于2.8 dB;频率均衡通道的插入损耗<6 dB,并提供2 dB的均衡量;低频放大通道的增益为22.5 dB,噪声系数<2.5 dB。所有工作模式下,输入、输出端口均具有优良的回波损耗,测试性能与仿真结果基本一致。

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在现代频率合成技术中,集成化、数字化、高采样率是频率合成的发展趋势。基于“FPGA+高速DAC”方案,设计了一种宽带直接数字频率合成器,实现DC~4.5 GHz的频率输出。采用并行多相位处理的DDS架构,对DDS中相位累加器和相位幅度转换器进行并行化处理,实现多路低速率的数据处理模块对单路高速率数据的处理,以满足高速采样速率要求,然后通过高速接口将合成数据发送至高速DAC完成信号转换实现宽带频率合成,最终在4.5 GHz输出的相位噪声优于-110 dBc/Hz@1 kHz,杂散抑制优于60 dBc。

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随着半球谐振陀螺向高精度、高性能极限发展,优化系统信噪比已成为提升陀螺精度的关键技术途径。然而当谐振子工作状态超岀线性微幅近似区间时,传统线性模型将不再适用,谐振系统产生的非线性误差,导致频率裂解表现出显著的动态漂移特性,严重制约了陀螺精度的进一步提升。本文围绕谐振子本体的非线性动力学特征,建立了包含薄壳中面变形的几何非线性与电极间隙高阶静电耦合的非线性动力学模型。首先考虑谐振子振动非线性项与装配间隙不均匀,建立非线性振动状态下的系统势能函数,提取线性与非线性刚度系数;然后建立了谐振阻尼系统的受迫杜芬方程,采用谐波平衡法求解振幅相关的等效刚度,推导岀频率裂解漂移的解析表达式;最后分析了谐振子振幅对频率裂解的影响。研究表明,几何非线性效应与静电负刚度效应的不对称耦合是导致频率裂解非线性漂移的根本机理,其中频率裂解漂移系数由谐振子结构的不对称和装配后周向间隙的不均匀共同决定。该模型揭示了线性模型难以精确解释的频率裂解随振幅演化规律,为半球谐振陀螺在大动态范围下的非线性误差评估与补偿提供了理论依据,同时对工程应用中合理选择驱动振幅具有指导意义。

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针对微机电系统(MEMS)陀螺仪控制系统向高集成度演进的需求,传统分立架构数模转换器存在体积大、功耗高及温漂显著等问题,限制了系统性能。设计了一种基于FPGA的高阶Sigma-Delta DAC的控制方案。该方案构建了包含多级插值滤波器与四阶CIFF-B拓扑调制器的全数字架构,利用过采样与噪声整形技术大幅提升带内信噪比。同时,通过噪声传递函数零点重排优化噪声抑制能力,并采用正则有符号数编码技术降低硬件资源消耗。实验结果表明,该系统的信噪失真比达到115.18 dB,有效位数为18.84 bits。整机测试中,零偏稳定性达到0.278 9 (°)/h,角度随机游走为0.533 7 (°)/h/√Hz。该方案在提升系统集成度的同时,有效改善了陀螺仪的静态噪声性能。

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相比捷联惯组角振动实验,采用旋转调制技术的混合惯组,会因旋转调制策略带来的IMU周期性旋转,导致待测试陀螺敏感轴与角振动台转轴无法始终保持一致,进而不能直接通过角振动实验评估其动态角频特性。为此,以双轴旋转调制混合惯组为研究对象,通过将陀螺输出角速度解调到载体坐标系,且考虑内外框架轴系安装偏角的影响,提出一种针对双轴旋转调制混合惯组的动态角频特性研究方法,并在产品上进行角振动实验验证。实验结果表明,在旋转调制状态下,所提方法可以实现混合惯组的动态角频特性评估,且与捷联状态下角频特性趋势一致,满足导航姿态控制要求,具有较高的工程应用价值。

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针对传统选星方法依赖静态观测指标,难以表征卫星信号质量动态变化的问题,提出了一种基于惯性导航系统(IMU)新息动态诊断的紧耦合选星方法。利用IMU短期高精度的特点,通过GNSS/INS紧耦合滤波器生成的预新息序列构建卫星信号不稳定度指标,融合载噪比、高度角构建综合得分函数,实时筛选卫星子集。实验结果表明,该方法在城市峡谷环境中显著降低了卫星组合对环境变化的敏感性,有效克服了传统静态选星难以识别卫星信号动态劣化的局限。在保证卫星子集几何构型的同时,三维定位精度相比信号质量加权选星和智能算法选星分别提升了20.50%和14.63%,适用于城市峡谷环境下的导航定位。

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本文聚焦聚变堆超导磁体不锈钢铠甲低温超声检测需求,开展了耐低温超声直探头关键组件连接工艺及声学性能研究。重点探究了铌酸锂(LiNbO₃)晶体与匹配层材料的适配性,兼顾焊接工艺与声学特性要求,系统筛选匹配层材料体系及厚度参数并完成焊接试验验证。结果表明,铜匹配层在高温钎焊后因热应力导致LiNbO₃开裂,镍匹配层因高温下元素扩散至钎料界面导致脱粘,两者均难以实现可靠连接;而氧化铝匹配层(0.15 mm)与LiNbO₃实现了可靠连接,界面结合良好,无孔洞与裂纹。最后通过低温-室温疲劳试验评估了LiNbO₃/匹配层组件在极端温变条件下的循环可靠性,为耐低温超声直探头的工程化研制奠定了技术基础。

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为解决现有太赫兹吸收体带宽窄、功能固定的问题,设计了一种基于二氧化钒与石墨烯的复合超材料结构,以实现动态可调谐的宽带高效太赫兹吸收。同时提出了一种由上层的二氧化钒同心环、中间两层PMI介质层、一层无图案石墨烯及底部金层构成的三维结构。通过电磁仿真,优化结构参数,分析了其阻抗匹配特性与电场分布以揭示物理机理。通过改变二氧化钒的电导率和石墨烯的化学势来评估其可调谐性能。仿真结果表明,该吸收体在1.49~4.90 THz频段实现了超90%的宽带吸收率,相对带宽达到3.41 THz。此外,通过调节二氧化钒电导率,可实现吸收性能从宽带到窄带的动态“开关”调控。本文成功设计并验证了一种性能优异的可调谐太赫兹宽带吸收体。该吸收体通过二氧化钒相变与石墨烯电调谐的协同作用,实现了对吸收性能的有效动态控制,在太赫兹智能开关、隐身技术和可重构器件等领域具有重要的应用价值。

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针对传统S型压电俘能器(CSEH)在弱激励环境下无法进行阱间运动的问题,本文提出了一种柔性边界的S型压电俘能器(SEH-FB),创新性地将传统S型压电俘能器的一个固定端变为带有弹簧振子的柔性边界,有效降低了势能壁垒。基于欧拉-伯努利梁理论和哈密顿原理建立的数学模型表明,轴向位移自由度的引入使势能壁垒高度降低超过50%,阱间运动初始频率由6 Hz降至5 Hz。实验测试表明,在磁间距为20 mm、预变形高度为10 mm时,SEH-FB较CSEH带宽提升了103%(6.7 Hz vs. 3.3 Hz),输出电压有效值提高了9.6%(1.49 V vs.1.36 V),最大输出功率达到2.91 μW(提升60%)。电容充电实验表明,其可在20 s内完成4.7 μF电容至2 V的储能(效率提升100%),显著提升了S型压电俘能器在弱激励环境下的能量捕获效率。

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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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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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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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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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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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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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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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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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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。

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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。

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%。

Abstract:

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。

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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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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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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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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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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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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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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