针对任意复杂拓扑结构的梯形声表面波(SAW)滤波器的精确快速设计问题, 基于声/电/磁多物理场耦合全波仿真平台, 结合基因遗传优化算法和通用图形处理器(GPGPU)加速技术, 利用有限元分层级联精确模型(HCT)代替COM模型进行SAW滤波器的设计与优化, 计算速度和优化速度与COM模型相当。通过42°Y-X LiTaO3常规SAW滤波器的优化设计与研制, 插入损耗为0.67 dB, 2 dB相对带宽为3.85%, 验证了该方法的有效性和可行性。

该文揭示了一种动热源摆式单轴微机电系统(MEMS)热加速度计的敏感机理。在给出敏感结构原理的基础上, 通过建立二维物理研究模型、划分网格、加载加速度等方法对敏感结构内的温度场进行了计算。结果表明, 开机1.8 s后在敏感结构内形成了一个稳定的以动热源为中心的温度场; 输入加速度a时, 动热源沿着加速度方向偏移, 温度场随之偏移, 敏感轴方向上对称设置的两个热线温差ΔTX随着输入加速度a的加大而呈线性增长, 温度灵敏度为7.1×10-2 mK/g。根据输入-输出(a-VXOUT)特性曲线给出数学模型, 得到该加速度计灵敏度为0.5 V/g, 非线性度为2.8%, 从而揭示了敏感机理。

现代科技的发展对高频声表面波(SAW)器件的需求不断增加, 对其工作频率也提出了更高的要求。为了提高SAW器件的频率, 该文构建了一种IDTs电极分层布局的器件模型, 即IDTs/AlN/IDTs/R-sapphire结构, 并采用有限元法分析其声学性能, 包括导纳、相速度、机电耦合系数等。结果表明, IDTs/AlN/IDTs/R-sapphire结构可激发出瑞利波, 且当AlN压电薄膜厚度hAlN=0.4λ(λ为器件周期), 水平中心距Pb=4 μm时, 其工作频率为692 MHz, 传统的IDTs/AlN/R-sapphire结构器件提高了近1倍(356 MHz), 而此时机电耦合系数K2为0.3%, 比传统结构高。另外, 通过优化IDTs电极的结构参数可进一步改善、调制瑞利波器件的性能。当IDTs的上层铜电极和下层铝电极厚度之比Δh=1.2, Pb=4 μm, hAlN/λ=0.5时, 瑞利波器件的谐振频率为657.9 MHz, K2=1.27％; 当Pb=6 μm时, 瑞利波的工作频率为461 MHz, 机电耦合系数达到最大(K2max=1.34％), 较传统IDTs单层布局结构瑞利波器件分别提升了30%和300％。结果表明, IDTs电极分层布局结构不仅可有效地提高SAW器件的工作频率和机电耦合系数, 也可以降低高频SAW器件的制备难度。

该文设计了一种具有高灵敏度、低交叉耦合的双轴谐振式微加速度计, 使用工型梁作为解耦梁, 通过微杠杆机构实现力的放大, 结构呈中心对称形式, 采用差分检测工作方式。通过仿真分析对结构进行优化并完成加速度计整体结构设计, 进而提高加速度计灵敏度, 降低交叉耦合。对加速度计结构进行模态分析、灵敏度分析、交叉耦合分析和谐响应分析, 结果表明, 在±20g量程范围内, x向标度因数为423.6 Hz/g, y向标度因数为421.8 Hz/g, x向交叉灵敏度为0.000 047%, y向交叉灵敏度为0.000 78%。仿真结果验证了所设计结构的可行性。

面剪切振动模式产生于［011］极化方向zxt-45°切型的压电单晶, 因具有高压电系数、高机械品质因数、高柔顺系数和低串扰效应等优点, 故面剪切模式成为小尺寸、高灵敏度压电传感器的理想选择, 在矢量水听器中有着良好的应用前景。该文通过分析面剪切模式振动原理, 推导了面剪切模式压电加速度计的电压灵敏度表达式。利用有限元分析软件构建面剪切加速度计模型, 研究结构参数对面剪切压电加速度计电压灵敏度和谐振频率的影响规律, 优化结构尺寸, 最终仿真得到面剪切加速度计开路电压灵敏度为389.72 mV/g, 工作频带为20 Hz~3 kHz, 横向灵敏度小于3.45%。研究结果表明, 与传统的剪切式加速度计相比, 所设计的面剪切式加速度计在质量块质量降低50%的同时, 电压灵敏度提高了11.6%, 这为降低水听器的平均密度、提升水声探测性能提供了新思路。

针对传统MEMS/GNSS组合导航在卫星信号差时长时间精准导航问题, 提出了基于灰色马尔可夫预测的MEMS/GNSS组合导航方法。通过改进灰色预测, 增加马尔可夫修正环节, 预测当卫星信号差时的GNSS量测值, 进而代替原量测值, 并将结果进行抗差扩展卡尔曼滤波(EKF), 克服噪声干扰影响, 提高了系统的稳定性。经仿真和跑车实验验证, 该组合导航方法在卫星信号差时仍能输出较高精度的导航结果, 且可以较好地克服异常观测值对系统的影响。

该文设计了一款C波段单馈寄生阵列的宽带圆极化天线。此天线采用紧邻的双层F4B介质基板, 通过在方形驱动贴片上开槽及采用寄生阵列的设计实现了圆极化。对天线结构的设计步骤进行说明, 研究了各结构对天线阻抗带宽和轴比带宽的影响, 并研究了寄生贴片切角长度和驱动贴片上的缝隙宽度对天线轴比和带宽的影响。对天线的圆极化方向图进行了仿真。仿真结果表明,在5.5 GHz时实现了右旋圆极化, 最大增益为8.1 dBi。加工并测试了宽带圆极化天线, 测试结果与仿真结果基本相符, 天线实测的阻抗带宽为1.3 GHz, 轴比带宽为1.26 GHz。设计的叠层天线具有结构紧凑, 装配简单和轴比带宽大的优点。

光纤陀螺基于Sagnac效应测量角速度, 其受外界环境的干扰很小且具有很好的自主性, 因此, 基于光纤陀螺的寻北测角系统在**领域得到了一系列应用。为了满足单兵寻北测角的小型化、快速性的使用要求, 研究了基于单轴光纤陀螺的单兵高精度寻北测角装置在倾斜摆放下的自动、快速寻北测角方法。在装置测量过程中可能存在干扰, 进而影响寻北测角精度, 通过研究装置在寻北测角过程中传感器的输出特征, 并对干扰进行识别和处理, 得到了高精度的寻北测角信息。最后通过试验对比和分析, 验证了倾斜条件下干扰的识别与处理方法的有效性, 满足单兵侦察时高精度寻北测角的需求。

该文设计并制作了一款简易的拉锥空心光纤的高灵敏度传感器, 通过实验测量了其温度与应力特性。首先利用光纤熔接机在两段标准单模光纤之间熔接一段空心光纤, 再对准空心光纤中间位置进行放电, 同时运用两个步进电机在单模光纤两端施加一定的拉力, 这导致法布里-珀罗干涉仪转换为马赫-曾德尔干涉仪。实验结果表明, 此拉锥过程使光纤传感器的温度灵敏度从理论值0.85 pm/℃提升到69.1 pm/℃, 约提升了81.3倍, 轴向应变灵敏度最高可达3.6 pm/με。该器件具有体积小、结构简单和灵敏度高等特点, 在航空航天、医疗监测等领域具有广阔的应用前景。

为了给国内重力梯度仪的实物制造夯实理论基础, 该文主要研究了伞型全张量旋转加速度计重力梯度仪信号模拟的产生。通过半物理仿真实验模拟了伞型重力梯度仪的测量过程, 并对全张量重力梯度仿真系统进行性能测试。测试数据为MATLAB生成的理想状态下的伞型重力梯度仪三圆盘加速度计数据, 将该数据载入全张量重力梯度仿真系统中, 解调得到交叉和内联重力梯度分量, 经过线性运算得到测量坐标系下的全张量重力梯度值, 再进行坐标系转换, 得到平台坐标系下的重力梯度值。结果表明, 该仿真系统测量精度达到1E(1E=1×10-9 s-2)。

为了调节极窄带滤波器的带宽, 提出了一种新型的AWLR混合滤波器, 此结构引入导抗逆变器对滤波器的带宽进行调节, 该文对其调节带宽的原理和准则进行了研究。分析二端口网络的参数矩阵, 将引入导抗逆变器前后的电路网络参数进行比较, 得到其调节带宽的准则。比较引入不同逆变器后的仿真结果, 并进行验证。以J=1/123的J型逆变器为例, 引入逆变器后, 滤波器的相对带宽从0.072%提高到0.41%。获得导抗逆变器调节AWLR混合滤波器带宽的准则, 并验证了其正确性。

基于宽边耦合带状线结构, 该文设计了一种基于低温共烧陶瓷(LTCC)技术的高隔离低插损3 dB 90°电桥。该电桥使用螺旋耦合线有效地减小了器件尺寸, 同时以对称式结构建模更便于后期的优化调整。在宽边螺旋耦合带状线垂直方向引入一个伸入式可调隔离电容, 极大地提高了该电桥的隔离度, 使其可达27 dB, 且插入损耗≤0.2 dB, 较之传统的定向耦合器结构, 其在提升性能的同时大幅减小了器件尺寸。对耦合线直角拐弯处的电场强度进行分析与优化, 采用45°斜切的方式使拐角处的电场强度与直线处大致相等。对上接地金属板进行环形镂空处理, 这将改善带内的幅度平衡度。该文设计的3 dB 90°电桥通带为0.96~1.53 GHz, 插入损耗≤0.2 dB, 幅度平衡度≤±0.7 dB, 相位平衡度为90°±1°, 隔离度≥27 dB, 其具有良好的应用市场。

功率分配器(简称功分器)作为微波电路中常用的射频器件, 是构建5G系统多输入多输出(MIMO)馈电网络的重要组成单元。为了对已有固定频率的功分器结构进行重新快速地优化设计, 以适用于包括5G工作频段在内的任意实际所需的工作频段, 该文以预先设计的一种双频功分器作为优化设计目标, 提出了一种基于改进后的一维卷积神经网络的深度学习方案。预测功分器在其他任意双谐振频率处拥有良好性能的几何结构参数, 运用自组织映射神经网络进行样本的选取, 提高卷积神经网络的训练效率。预测出的功分器在电磁仿真软件中进行验证, 仿真结果显示功分器在工作频率处的回波损耗高于20 dB, 隔离度高于25 dB, 插入损耗低于3.4 dB, 工作带宽约为450~600 MHz, 证明了利用神经网络实现多参数目标功分器的优化设计是一种快速有效的方法。

该文研究了双层反射结构对薄膜体声波谐振器性能的影响。采用有限元方法建立了以氮化硅为支撑层, 氮化铝为压电层, 钼为电极的器件模型。首先探究反射层的宽度对输入阻抗的影响, 为了进一步验证仿真结果, 制备了空腔型薄膜体声波谐振器。研究结果表明, 当反射层的宽度为0.5 μm时, 器件的品质因数将得到极大增强。

外部激励施加于薄膜体声波谐振器(FBAR)时会激发纵向与横向剪切的振动, 引发能量损耗, 为了减少寄生谐振, 降低FBAR器件的工作损耗, 提高器件的品质因数, 故需要抑制横向剪切振动。该文采用有限元仿真法讨论了顶电极边缘负载参数对FBAR器件横向寄生的影响, 并通过COMSOL仿真软件实现且制备了结构完整的谐振器。测试结果表明, 负载结构可有效提升器件品质因数约10%。

钽酸锂晶体具有优异的压电性能, 是声表面波(SAW)滤波器广泛使用的衬底材料。该文采用自主研制的提拉单晶炉, 成功生长出4英寸、42°Y方向、外观完整的钽酸锂晶体。经可见及近红外分光光度计测试, 晶体透过率接近80%; 经X线摇摆测试, 其半高全峰宽(FWHM)为28.4″, 单晶性较好; 采用差热分析仪对生长的晶体头尾进行居里温度测试, 居里温度偏差为4.4 ℃。声表面波性能测试结果表明, 钽酸锂晶体的声表面波速度、机电耦合系数和频率温度系数等指标均满足SAW滤波器的使用要求。

采用常规固相反应法合成了Pb1-xSrx(Mn1/3Sb2/3)0.05Zr0.48Ti0.47O3+0.25%CeO2+0.50%Yb2O3+0.15%Fe2O3 (PMS-PZT, x=0, 0.02, 0.04, 0.06)的三元系硬性压电陶瓷。采用X线衍射仪、准静态压电常数测试仪和铁电测试仪系统地研究了Sr取代对PMS-PZT陶瓷的相结构及电学性能的影响。实验结果表明, 无Sr取代和有Sr取代的PMS-PZT压电陶瓷均具有单一的四方相晶体结构。当x=0.02时, PMS-PZT的性能最佳: d33=415 pC/N,Qm=522,TC=291 ℃,kp=0.64,εr=1 304,Pr=11.32 μC/cm2,Ec=9.05 kV/cm。

压电陶瓷喷射阀是点胶机器人的核心执行部件, 其撞针与喷嘴顶紧的松紧度对点胶频率、胶点体积、单点胶量等都会产生影响。现有技术中对撞针喷嘴顶紧的松紧度均是按操作经验手动调节, 此种方法调节较费时且无法做到每次调节的松紧度都保持一致。为了解决现有技术中的不足, 该文设计了一种基于电流传感器的压电陶瓷喷射阀撞针与喷嘴顶紧的松紧度调节方法。通过实时采集控制器的负载电流, 利用改进的BP神经网络离线建立电流值与对应的螺套旋转角度之间的模型, 经过角度值变换得出松紧度的相对值, 使每次调节的松紧度都保持一致, 以保证压电陶瓷的位移相同。实验结果表明, 建立的模型基本能够根据相对值来保证松紧度一致, 并实现了可视化调节。

该文采用固相反应法成功合成了高性能MnO2掺杂的0.07Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-0.93Pb(Hf0.47Ti0.53)O3(PSN-PHT)陶瓷, 并从微观形貌、相结构和电学性能等方面综合分析了PSN-PHT陶瓷性能提高的原因。实验结果表明, MnO2的引入改变了PSN-PHT陶瓷的相结构, 使其铁电四方相含量降低, 并导致准同型相界(MPB)的出现, 同时增大了晶粒尺寸并使晶粒均匀化。当MnO2掺杂量(摩尔分数)为0.8%时, 样品达到最佳性能, 其d33、kp、TC、Qm和tan δ分别为450 pC/N、0.65、348 ℃、1 200和0.003 2。该组分样品的温度稳定性远高于商用PZT-5和PZT-8陶瓷, 故其在压电陶瓷换能器领域有着巨大的应用前景。

针对压电陶瓷(PZT)位移平台因迟滞特性而降低系统定位精度的问题, 该文采用了一种带有前馈补偿的复合型控制方法。首先建立前馈模型, 提出了一种分段式Prandtl-Ishlinskii(P-I)模型, 并对所建平台迟滞模型求逆, 其建模误差率在0.7%内; 然后针对闭环回路设计了串联比例-积分(PI)模拟电路、滤波电路和检测电路, 进一步提高了控制系统的响应速度和控制精度。实验结果表明, 压电陶瓷位移平台在频率为100 Hz, 行程为0~140 μm的情况下, 基于前馈补偿的复合控制系统的平均绝对误差为0.039 μm, 最大误差为0.16 μm; 与仅有前馈控制相比, 其控制精度提高了73.76%。

针对偏远地区及特殊场景下的低功耗无线传感节点电源维护不易的问题, 该文对一种基于流激振荡现象的流体动能收集技术进行了研究, 结合压电技术可实现流体动能转换至电能的过程。通过对流激振荡现象进行数值模拟及实验研究, 分析了空腔结构中的流场及声场分布特性, 探究了流体速度对声振荡频率及幅值的影响规律。利用COMSOL软件对声电转换过程进行仿真, 实现了完整的流体动能-电能的转换过程。研究结果表明, 在一定的速度条件下存在频率稳定的声振荡区间, 可驱动压电换能装置输出频率稳定的电压, 当气体流速为30.5 m/s时(相当于高压输气管道的流速范围), 声场压力振幅可达6.12 kPa, 对应的输出开路电压为2.62 V。当外接15 kΩ电阻时, 最高输出功率可达0.29 mW。

为了解决智能电网环境下输电线有害振动与工况检测传感器的供电及续航问题, 该文设计了一种压电式振动与磁场复合能量收集的防震锤。防震锤的主压电梁收集输电线振动能量, 副压电梁通过安装磁铁收集输电线电流产生的变化磁场能量, 摆脱了传统收集磁场能量时线圈的使用。对收集器进行有限元仿真分析与实验测试。结果表明, 收集器工作频带更宽, 比传统的单梁输出高54%, 主压电悬臂梁最大输出功率可达到874 μW, 副压电梁最大功率可达到683 μW。

基于超声无损检测技术的需要, 该文在理论分析声表面波混频效应的基础上, 提出了一种混频声表面波的激发方法, 并进行了相应的声表面波混频谐波的实验观察研究。设计并制作了以斜入射的体横波和体纵波分别激发声表面波的楔块, 通过选择适当的体横、纵波激励信号的周波数及时间延迟, 可使斜入射体横、纵波分别激发的声表面波完全混叠。通过对接收到的混叠声表面波时域信号进行脉冲反相处理和傅里叶变换, 得到明显的声表面波混频谐波信号。结果表明, 借助于楔块两列斜入射的体横、纵波可有效产生混频声表面波, 实验观察与理论预期一致, 这为发展基于混频声表面波的超声无损检测技术奠定了基础。

该文提出了一种基于盘型对称驱动的惯性冲击旋转压电马达。该马达主要由定子、转子、驱动足和预紧装置组成。马达激励信号为锯齿波信号, 采用压电叠堆激励实现马达高功率输出。马达通过螺杆将定子与预紧装置装配于一体, 实现了马达结构紧凑化与微型化。设计加工了马达样机并通过实验验证了马达的工作原理, 对马达的综合性能进行了分析和测试。测试结果表明, 当马达预紧装置施加的预紧力为1 N, 输入激励电压峰-峰值为80 V, 激励信号频率为1 kHz, 且每输出一个周期锯齿波, 激励信号延迟100 ms再输出下一个, 以研究马达静态启动特性和步长, 测得马达的最大空载速度达到3.05 r/min, 平均步长为0.032 rad; 激励信号频率为3 kHz时, 马达的最大空载速度达到9.1 r/min, 马达最大负载可达16.2 N·mm; 马达在0.5~3 kHz激励信号频率范围内均可实现转动。

绝缘体上压电基板(POI)是一种新兴的压电单晶复合薄膜结构材料。POI基板由压电单晶材料薄层(单晶钽酸锂/铌酸锂)、二氧化硅层及高阻硅衬底构成, 采用Smart-Cut工艺制备, 可保证板层高均匀度及高质量的批量生产。通过这种基板可设计满足5G通信要求的高性能集成声表面波(SAW)谐振器和滤波器。基于POI材料制备的SAW器件具有高频、高品质因数(Q)值、低温度敏感性及较大带宽等优良特性, 同时还能在同一芯片上集成多个SAW滤波器, 具有广阔的市场应用前景。该文介绍了POI基板的制备、国内外的研究现状及POI基板在高性能SAW滤波器中的应用, 综述了制备POI基板的关键技术并展望了未来的发展趋势。

随着航空航天、石油化工等领域的快速发展以及可持续发展战略的实施, 高温无铅压电材料的作用愈发重要。该文总结了具有高居里温度点无铅压电材料的研究进展, 主要包括钙钛矿型的BiFeO3基和BiAlO3基陶瓷、铋层状陶瓷、钙钛矿层状结构陶瓷以及铌酸锂、硅酸镓镧和硼酸氧钙稀土等压电单晶。最后总结了目前高温无铅压电材料中存在的问题, 并提出其发展方向。

目前配电变压器的状态监测迫切需要一种无线无源的传感监测方式, 而声表面波(SAW)传感器是满足此需求的重要技术手段之一。该文以用于变压器出线端测温的SAW传感器为研究对象, 提出了一种SAW传感器回波信号处理流程, 设计了信号去噪、频谱分析等信号处理环节。为解决同频信号对传感器测量带来的干扰问题, 研究了基于奇异谱分析和独立分量分析的单通道盲源分离算法对SAW传感器的抗干扰作用, 利用搭建的信号采集平台验证了该算法在信号分离和干扰抑制上的有效性。

阻塞型睡眠呼吸暂停综合征(OSAS)是常见的睡眠类疾病, 为满足居家对OSAS进行初步筛查和诊断, 该文设计了基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜的鼾声监测系统。可穿戴式的鼾声监测系统包含高灵敏度鼾声传感器、低噪声信号调理电路、嵌入式系统及上位机系统。根据鼾声段和非鼾声段能量差异大的特点, 基于短时能量法进行鼾声端点检测算法设计, 通过采集的鼾声信号进行算法验证。经测试, 系统采集的鼾声信号信噪比高, 端点检测平均误差小于0.032 s, 准确率达92.6%, 满足潜在OSAS患者的筛查要求以及进行康复训练的自我检查, 同时可减轻患者筛查和医学多导睡眠图(PSG)检测的负担。

该文介绍了一种基于空气耦合超声技术的材料杨氏模量评估方法。首先采用1-3型压电复合材料及双层匹配结构, 研制了高灵敏度的空气耦合超声换能器。在一发一收模式下, 该空气耦合超声换能器的插入损耗和-6 dB带宽分别为-23.9 dB和26.9%。其次搭建实验平台, 将空气耦合超声技术与静态拉伸法结合, 以评估铜线和银线杨氏模量。铜线和银线杨氏模量评估结果与对应的公认值范围一致。

由微机电系统(MEMS)工艺制作的电容式微机械超声换能器(CMUT), 其具有宽频带, 易与电子电路集成制作等优势, 在医学成像领域具有广阔的应用前景。为了研究一种密排结构CMUT超声换能器的发射声场特征, 该文提出了一种简单的物理域相互作用分析方法。基于薄板的振动理论, 由CMUT单元的声学辐射原理及特性计算得到CMUT阵元辐射声场的解析解。通过振膜振动分布实验验证了采用薄板振动理论一阶振型方程的正确性。通过仿真和实验研究了CMUT发射单元在不同排布方式和条件下的声场分布、声轴声压和指向性, 为CMUT的设计和性能分析提供了理论依据。