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压电与声光器件是组成电子和信息系统必不可少的功能器件。然而,多数压电与声光器件采用特殊材料和工艺制造,难以与硅基的集成电路进行集成,进而影响到系统的性能、体积和成本。近年来三维集成技术的发展为不同材料、不同工艺的压电与声光器件与硅基电路芯片的异质异构集成开辟了新途径。该文介绍了三维集成的概念、分类和实现方法,并重点介绍了光电、压电材料与器件和硅基电路的异质异构集成方案和研究进展,特别是光子器件以及压电声学器件与电子芯片的集成。

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保密通信系统对极窄带宽声表面波滤波器需求迫切,由于声表面波滤波器属于温度敏感型器件,在极端恶劣环境温度下器件滤波频率会发生较大漂移,无法保证有用信号提取和近端噪声抑制。为满足射频系统全温应用要求,对基于石英衬底的极窄带声表面波滤波器的频率温度特性进行仿真分析,研究了电极金属膜厚和电极金属化率对器件二阶温度特性拐点的影响,并通过声表面波滤波器结构参数优化,研制出低频率漂移的极窄带声表面波滤波器。

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采用一维Mason模型,研究了薄膜体声波谐振器(FBAR)压电层/电极膜厚比对有效机电耦合系数的影响。随着压电层膜厚占比的增加,谐振器有效机电耦合系数逐渐增大,通过膜厚优化和流片实现了高频FBAR 谐振器的研制。在采用梯形电路结构的基础上,研究了滤波器级数、串并联谐振器静态电容比、并联谐振器串联电感对滤波器阻带抑制的影响,通过工艺流片,制备了一款中心频率为4.4 GHz、通带最低损耗为2.3 dB、-1 dB带宽为112 MHz、通带两侧带外抑制优于50 dBc的FBAR滤波器芯片,为高频高抑制FBAR滤波器的研制提供了参考。

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为了提高低频段的灵敏度,基于ScAlN薄膜设计了一种开缝式低频高灵敏度MEMS声传感器结构, 并分析了开缝数量对谐振频率和电压输出的影响规律。制作微机电系统(MEMS)声接收器样品,当谐振频率为 29.3 kHz时,在20~30 kHz内测得其最高灵敏度高于-60 dB,说明所提出的开缝式结构能在低频段实现高灵敏度。

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提出了一种具有陷波特性的双通带滤波器,并利用奇偶模理论分析了该滤波器的传输特性。滤波器由倒π型谐振器、T型谐振器和输入输出并联馈线组成,同时在倒π型谐振器枝节上加载阶跃阻抗(SIR)抑制第一通带的二次谐波。通过对滤波器进行整体仿真并优化其陷波频率和深度,最终得到的陷波频率分别为1.8 GHz和 6.7 GHz,且深度均达到-19 dB以下。最后对双通带滤波器进行实物加工和测试,得到两个通频带分别为1.44~ 2.4 GHz、5.4~7.4 GHz,通带内插入损耗分别为-1.16 dB和-1.6 dB,通带间隔离度最大可达50 dB。实测结果与仿真结果吻合良好,验证了所提滤波器结构和设计方法的可行性。

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针对小型化、低成本化、集成化T/R组件的需求,提出了一种工作在30~40 GHz的毫米波前端模组。 该模组采用高温共烧陶瓷(HTCC)基板和球栅阵列(BGA)封装,实现了4个收发通道的高密度集成,具备信号放大、功率分配和幅相控制等功能。通过对该模组毫米波信号垂直互连结构的仿真优化,实现了该结构在毫米波频段的低损耗信号传输。设计制作PCB测试板对该垂直互连结构进行测试验证,经计算得到该垂直互连结构最高插入损耗为0.78 dB。采用该毫米波信号垂直互连结构制作了一款Ka波段四通道毫米波前端模组。测试结果表明, 该模组在30~40 GHz时单通道发射功率大于20 dBm,接收增益大于21.33 dB,驻波比优于1.51,满足射频系统的应用需求。

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针对目前国内5G中频段的宽带覆盖问题以及面向未来6G系统在Sub-7 GHz频段的应用,设计了一款可覆盖5G频段的共面波导(CPW)馈电超宽带高隔离多输入多输出(MIMO)天线。单元天线以单个椭圆贴片为基础,通过添加三叉戟结构和切角操作实现了天线的超宽带特性。天线含有2个单元槽天线,可用于2×2的MI MO天线阵列,天线尺寸为118 mm×66 mm×0.8 mm。两个单元天线采用平行放置模式,且两个单元天线的地板互联,同时采用在天线单元间加载“H”形栏栅结构的方法以提高天线的隔离度。实测结果表明,天线的工作带宽为1.15~7.80 GHz,频段内的隔离度均大于20 dB,天线的包络相关系数小于0.03,分集增益大于9.98 dB。该 MIMO天线具有高隔离度和超宽带覆盖的特点,同时天线采用了CPW馈电形式,更易应用于集成电路和各种超宽带系统。该天线在5G及未来6G系统中具有较好的应用前景。

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随着5G通信技术的商用和卫星通信的快速发展及技术创新,设计了一种使用“X”型隔离结构的三频二元多输入多输出(MIMO)天线。天线由两个倒置且平行放置的单元辐射贴片组成,并通过在其正面、背面加载隔离枝节来提高天线的隔离度,同时在天线背面采用开槽技术来改善天线的带宽。天线整体尺寸仅有37 mm× 25 mm×0.8 mm,实测工作频段为4.3~5.8 GHz、8.02~9.3 GHz和12.2~14.8 GHz,在工作范围内端口隔离度均优于23 dB,全频段包络相关系数(ECC)＜0.03,分集增益(DG)＞9.99 dB,分集性能良好,满足MIMO天线传输性能的要求。研究表明,该天线适用于5G和卫星通信系统。

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采用基于Cl基气体的电感耦合等离子体(ICP)干法刻蚀设备对金属Mo薄膜进行刻蚀,研究了刻蚀条件对侧壁角度以及刻蚀速率的控制。通过调节ICP干法刻蚀过程中射频源功率、ICP离子源功率、腔体压力、混合气体流量比例等工艺参数,实现了14.8°~85.0°图形侧壁倾角,表明图形侧壁角度可在大范围内得到控制,刻蚀速率可在148~232 nm/min调节,为薄膜体声波谐振器(FBAR)器件研制工艺打下良好基础。

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随着压力传感器的小型化和高频化发展,降低成本并提升制造工艺成为当前研究的关键。该文通过优化硅片湿法腐蚀工艺来降低压力传感器的制造成本,并使其性能更贴近设计要求。首先,深入研究了不同浓度 TMAH(四甲基氢氧化铵)对硅片腐蚀效果的影响,通过优化腐蚀工艺条件,确定了在80 ℃下使用质量分数为 25%的TMAH作为腐蚀液,最终成功获得了表面粗糙度仅为0.121 μm的低粗糙度硅片表面。然后利用有限元模拟技术,对比了质量分数为5% TMAH湿法腐蚀条件下的灵敏度(109.162 mV/MPa)与质量分数为25% TMAH 湿法腐蚀条件下的灵敏度(103.276 mV/MPa),而后者更接近设计要求的灵敏度值(100 mV/MPa)。成功总结了高效的湿法腐蚀工艺,并基于该工艺设计了压力传感器的制造流程。预期该流程能以低成本生产出性能更贴近设计要求的压力传感器,为压力传感器的小型化和高频化发展提供了有力的技术支持。

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为满足金属导电物体探测的要求,采用机械方法切削压电超声换能器金属外壳以形成0.10 mm绝缘台阶。借助有限元仿真软件ANSYS/ LS DYNA分析发现,径向切削过程中陶瓷片所受应力为56.35 MPa,远小于轴向切削过程中陶瓷片所受应力216.25 MPa,故在分段叠加切削过程中陶瓷片所受的应力变形明显更小。结合理论分析和切削试验制定了3次叠加径向进刀工艺,优化了金属残留毛刺去除方法,解决了切削过程中频发的换能器匹配透声端面损伤及其与压电陶瓷分层的问题,对于压电超声换能器的应用推广具有重要意义。

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针对流式细胞仪中聚焦细菌、酵母菌等小直径微生物困难的问题,开展微生物聚焦的微流控芯片研究。在传统直通道的基础上设计新型方形通道,建立方形通道微流控芯片的有限元模型,通过流体与运动轨迹的有限元仿真实现对通道宽度、长度等结构参数的优化设计。通道宽度为20 μm、单位长度为80 μm时,粒子仿真运动范围为通道的63%。提出了基于硅基衬底的微流控芯片制备方法,制备出方形通道微流控芯片实物。搭建了流式细胞仪原理样机,对方形通道微流控芯片进行了验证实验。实验结果表明,通道总长度约为2.16 cm,酵母菌实际运动范围为70%,表明微流控芯片可达到聚焦酵母菌的设计要求。

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采用传统固相反应法制备了Nd掺杂的BiScO3-PbTiO3 (BSPT)高温压电陶瓷。在确定BSPT准同型相界的基础上,系统研究了Nd掺杂对其结构和性能的影响。结果表明, 通过Nd掺杂可调控BSPT陶瓷相结构和畴结构,进而有效提高其压电性能和温度稳定性。当BS掺杂含量(摩尔分数)为37%,Nd掺杂浓度(摩尔分数)为 3.0%时,陶瓷具有最佳的压电性能,其压电常数d33 为620 pC/N,居里温度约为405 ℃,且具有良好的温度稳定性。

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为制备高性能的TC-SAW SiO2 温补层,分别采用电子束蒸发镀膜和反应磁控溅射制备SiO2 薄膜,研究两种制备工艺对SiO2 薄膜致密性、表面粗糙度及弹性模量的影响。采用扫描电子显微镜、原子力显微镜、X线衍射仪对SiO2 薄膜的形貌和晶体结构进行分析。采用椭偏仪测试薄膜折射率及腐蚀后的膜厚变化量,并通过纳米压痕仪测量计算薄膜的硬度和弹性模量。结果表明,反应磁控溅射制备的SiO2 薄膜更致密、薄膜表面粗糙度更小、弹性模量更大。采用反应磁控溅射制备的SiO2 薄膜作为TC-SAW温补层,可以获得频率温度系数为-8.6× 10-6/℃的TC-SAW器件。

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随着通信设备向便携化、轻薄化发展,对SAW芯片的小体积、高性能需求逐渐增加,为确保产品交付质量,需要在芯片研发、生产过程中开展有效的质量控制和可靠性测试。通过对SAW芯片故障模式及影响的分析,找出了设计和生产过程存在的风险点,制定质量控制措施并研究可靠性测试方法,提升了芯片合格率,进而验证了质量控制措施和可靠性测试方法的有效性,在业内具有一定的借鉴意义。

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该文提出了一种基于热传导的高鲁棒性温压一体柔性传感器结构,并研究了其敏感机理。通过 COMSOL建立三维模型结构,计算了敏感结构内的温度场。计算结果表明,基于热传导的高鲁棒性温压一体柔性传感器的输入压强与输出电压成反比例关系,当压强为0~500 kPa时,传感器灵敏度为-0.205 mV/kPa,非线性度为6.161%;当压强为525~740 kPa时,传感器灵敏度为-4.937 mV/kPa,非线性度为9.628%。

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使用60Co放射源对掺铈钆镓铝石榴石(Ce:GAGG)闪烁晶体样品进行辐照,剂量率为3×105 Rad/h, 辐照总剂量分别为106 Rad 、107 Rad 和108 Rad。通过测试辐照前后Ce:GAGG闪烁晶体样品的透过率、相对光输出、能量分辨率及衰减时间来研究辐照效应。实验结果表明,经过108 Rad辐照,晶体的透过率在450~900 nm波段无明显变化,在320 nm处降幅最大(为8.9%);晶体的光输出降低了1.47%,能量分辨率略有下降;晶体的相对光输出、能量分辨率及衰减时间等性能未发生明显改变。验证了该晶体具有良好的抗γ辐照能力,在高剂量核辐射探测领域中具有广阔的应用前景。

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针对射频SiP模组设计周期长、成本高、兼容性差等问题,提出了一种射频SiP模组链路快速验证方法。该方法将射频SiP模组内的射频器件分装于不同积木块中,再将积木块拼接形成有目标电路功能的验证链路。通过对该链路进行测试,可快速验证射频SiP模组设计是否达标。为实现积木块间良好互连,设计了高频连接桥压接结构。测试结果经去嵌计算,得到18 GHz内插入损耗最大值为1.34 dB。通过搭建与测试二次变频射频 SiP模组链路,表明该方法具备低损耗、可重构、可复用等特性,对射频SiP模组快速设计具有重要的工程意义。

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压电微机械超声换能器(PMUT)是超声测距领域的重要传感器件,增强PMUT的测距性能对促进工程化应用具有重要意义。基于Helmholtz谐振腔体的吸声和扩声特性,设计了吸收PMUT背部声波的腔体结构及正向扩声的喇叭口结构。实验结果表明,在2 m距离处,集成Helmholtz谐振腔体的PMUT在超声信号幅值上有显著提升,达到321.13 mV,相较于常规贴片薄膜下的腔体结构,信号幅度增加了90.5 mV,增幅为39.2%。此外, 配备Helmholtz共振特性喇叭口的PMUT在同一距离上的信号幅值测量结果为540.72 mV,相较于未配置喇叭口的PMUT,信号幅值增加了162.41 mV,增幅达到42.9%。上述结果表明,将PMUT与Helmholtz谐振腔体的声学特性相结合,对于提升PMUT在超声测距领域的应用具有重要意义。

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多层PZT陶瓷作为压电驱动器的核心组件,其压电性能受自热温度影响,在高交变电压作用下易发生失效。该文从交变电压特性、陶瓷多层结构角度对PZT陶瓷自热温度作用规律展开研究。首先基于扫描电镜下陶瓷断面结构形貌,建立了多层PZT陶瓷细观结构仿真模型;然后搭建了温度测量实验平台,开展陶瓷表面自热温度测量实验进行验证;最后分析了交变电压幅值、频率特性和陶瓷压电层、死层厚度对陶瓷表面自热温度的作用机理。结果表明,陶瓷表面自热温度与交变电压幅值、频率呈近似线性增长;自热温度极值分布在陶瓷表面中心区域和边缘区域,温度差值小于3 ℃;压电层越厚,陶瓷表面自热温度越低;表面自热温度随死层厚度的增加呈先降后增趋势,且在死层厚度约300 μm时达到最低值。该结论为多层PZT陶瓷自热温度调控与工程应用提供了理论依据和实验基础。

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通过测量大刚度负载下压电叠堆微动台的位移输出特性,表明其输出位移明显小于商用压电叠堆说明书中的预期值,且随着压电叠堆上预压力的增大,其输出位移先增大后减小。经分析发现,在大刚度负载、低预压力下,压电叠堆与负载之间的机械接触刚度与叠堆刚度在同一数量级,驱动端有效刚度的减小将导致输出位移损失;随着预压力的增大,压电叠堆内非180°畴重定向增强了压电效应,且机械接触刚度增大直至极限值。但叠堆的压电系数在压力过大时会因退极化而降低,故微动台总体上将有较大的位移损失,且在接触刚度和退极化两种因素作用下,位移在某预压力时达到极值。

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提出了一种基于压电驱动的新型六自由度并联平台,针对该并联平台的机械结构分析其运动学问题, 并利用修正的Grübler-Kutzbach公式验证其自由度。根据平台的结构及运动特点,利用坐标矩阵齐次变化方法推导出平台的运动学解析模型。利用该模型计算出具体运动结果,并与Adams软件仿真分析结果进行对比,验证了运动学模型的正确性,为同类压电并联平台的机构构型以及后续实际应用提供了理论基础。

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针对压电双晶片执行器的非线性建模问题,根据Hammerstein结构原理,将执行器系统线性动态模块与非线性静态模块串联,提出了基于Jiles-Atherton模型的压电双晶片建模及参数辨识方法,并结合有限元数值仿真和试验测试对比分析模型的准确性。静/动态对比结果显示,理论模型、有限元仿真及试验测试迟滞非线性分别为18.1%,17.9%,19.3%,理论模型、有限元仿真与试验测试的阶跃响应相对误差平均值分别为5.2%和4.1%, 表明建模方法准确有效。

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兰姆(Lamb)波在结构健康监测中具有潜在的应用价值,但有关分层损伤的研究大多局限于分层定位和精度提高,对分层尺寸测量的研究较少。研究了碳纤维复合材料板中分层缺陷尺寸对不同波长Lamb波的影响。通过有限元模拟研究了线性调频Lamb波A0模态与不同分层尺寸之间的相互作用,发现当波长大于分层尺寸时,扰动程度随分层尺寸的增大而单调增大,当波长小于分层尺寸时,扰动程度呈振荡状态的现象。借助该现象提出一种碳纤维板分层缺陷的检测方法,选用波长较大的信号作为激励,利用损伤指数刻画扰动程度,将损伤指数融入成像算法中,使成像结果能反映分层尺寸信息。

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为了提高压电作动器(PEAs)的轨迹跟踪性能,提出了一种基于门控递归单元(GRU)神经网络(NN) 预测模型的Kolmogorov-Arnold网络前馈模型预测控制(MPC-KAN)。与神经网络逆模型控制不同,该方法使用 GRU-NN正向建模,并根据模型预测结果调整模型预测控制(MPC)的输出。首先,根据线性化模型选择GRU-NN 的训练输入特征,并训练该网络。然后,为了提高优化效果和缩短优化时间,将麻雀搜索算法(SSA)用作MPC优化器,并建立Kolmogorov-Arnold网络(KAN)以替代SSA优化。该方法的有效性在PEAs平台上得到验证,与传统方法相比,控制精度提高了约30%。

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针对室内环境存在多种误差,导致超宽带(UWB)定位精度受限、稳定性较弱的问题,提出了基于差分测距的扩展卡尔曼滤波算法(DREKF)。该算法对UWB定位系统的通信协议进行了改进,通过引入差分测距,在每次定位时对各基站的误差模型进行更新,实时校正测距误差,并通过改进的扩展卡尔曼滤波算法对标签进行定位,提升定位精度和稳定性。实验结果表明,DREKF算法在视距情况下的水平定位精度达到了3 cm,在非视距情况下水平定位精度也在4 cm以内,定位精度和稳定性相较于传统的定位算法都有了大幅提升,能够满足高精度室内定位的需求。

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传递对准是微惯导应用于精确制导武器的关键技术,关系着机载武器系统的作战效能。该文研究了微惯导在腾盾无人机上挂飞的传递对准方案。首先基于“速度+姿态”匹配传递对准方案,提出了一种改进自适应 Kalman滤波方法,将杆臂效应和数据延时分别进行在线补偿和实时估计。然后基于腾盾无人机平台进行算法挂飞验证,与经典Kalman滤波方法相比,改进算法可有效提升传递对准的性能,满足航向角对准精度为0.65°(1σ)的要求。同时重点分析了在无人机S形转弯机动辅助摇翼传递对准模式下,航向失准角估计精度下降的原因。最后对微惯导传递对准方法和性能进行综合分析和评判,并给出适合实战的实用方案。

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随着物联网和智能系统的快速发展,对传感器网络中能量采集技术的需求不断增加。针对多通道宽频压电能量信号特征差异大、能量提取效率低的问题,提出了一种适用于弱耦合环境的多通道并联同步开关电感 (MCP-SSHI)接口电路。该电路保持了高模块的拓展性和结构的简洁性,同时还具备处理任意相位关系(0~2π)多通道输入电压的能力。测试结果表明,在处理六路压电能量收集器(PEH)信号时,MCP-SSHI电路可高效提取多通道电能,其能量提取效率高达79.96%,是传统接口电路功率增益的3.24倍。

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石英晶体微天平(QCM)作为纳克级精度传感器,通过在敏感区添加湿敏材料,能够在气相条件下高精度检测湿度,具有检测范围广、成本低和制作简单的优点。为提升湿敏材料的性能,扩展基于QCM的湿度传感器的应用,构建了基于壳聚糖(CS)基底,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)成膜机理的复合物薄膜基的QCM湿度传感器。实验证明该传感器响应、恢复时间分别为13 s、14 s,在相对湿度11%~97%检测范围内的灵敏度达到57.84 Hz/% RH,在30天稳定性重复实验中最大频率波动小于10 Hz。

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现有的分布式光纤传感系统通常只针对单一参量,当实际运行于复杂环境时,需要多种传感系统与技术集成以监测多个参量。利用相敏光学时域反射仪(φ-OTDR)和布里渊光学时域反射仪(BOTDR)对不同物理参量敏感的特性,设计了一种集成的分布式光纤传感系统,并基于瑞利散射与布里渊散射信号同时传感分离检测,在单根传感光纤上实现同一调制脉冲下的振动、温度、应变多参量监测。为了在维持集成系统脉冲的同一调制下提升BOTDR空间分辨率,采用脉冲细分叠加原理分析布里渊散射信号,在不改变脉冲宽度的基础上突破声子寿命限制,提升空间分辨率。经实验验证系统表明,在50 km传感距离下,基于瑞利散射以10 m空间分辨率可实现振动定位,基于布里渊散射引入脉冲细分叠加可将空间分辨率提升至1 m检测温度与应变,且布里渊频移量与温度、 应变变化具有较高的线性拟合度,实现了多参量监测。

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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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