基于能量法的双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数分析

针对双晶压电悬臂梁发电装置机电两类能量通过压电效应耦合强弱的问题,将能量法应用到双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数的分析中。开展了双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数的理论分析,并建立了其与双晶压电悬臂梁发电装置尺寸参数和材料特性之间的关系,对双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数与其尺寸参数和材料特性的关系模型进行了实验验证和数值模拟。研究结果表明,实验值与理论解有较好的一致性,且都在压电片厚度为0.25 mm时开路电压最大,验证了该理论模型的可靠性。此外,随着压电梁厚度比的不断增大,其机电耦合系数单调递增;同时,较大的弹性模量比有利于压电梁机电耦合系数的提高,且相对于钢弹性基片,铍青铜弹性基片更有利于压电梁机电耦合系数的提高。     

水平剪切声板波的液体黏度传感研究

黏度是液体的特征参数之一,在很多应用场合,需要对液体黏度进行测量。以黏性液体为研究对象,通过在液体的弹性张量中加上虚部引入液体黏度,并根据层状介质中声波的传播特性建立了负载黏性液体的水平剪切声板波理论模型。以压电陶瓷PZT-5H为基片材料,通过数值计算和实验分析,表明了水平剪切声板波在一定程度上用于液体黏度传感的有效性,为声板波液体黏度传感器的进一步研究提供了理论指导和应用依据。     

声表面波标签的仿真与实验研究

利用有限元软件COMSOL对声表面波标签进行了仿真,并实际制作标签进行了测试。标签的仿真包括特征频率仿真、叉指换能器激发效率仿真、回波特性仿真3个方面。通过网络分析仪对设计制作的3组标签进行了测试,实验结果表明：标签特征频率符合设计要求,叉指换能器孔径增大会提高其激发声表面波的效率,通过对回波脉冲幅值的判别可以实现对标签编码的识别。上述测试结果与仿真分析结果基本一致,表明了仿真研究的正确性。最后还将标签焊接在印刷偶极子天线板上组成标签系统并对该系统进行了无线测试,验证了声表面波标签的可用性。     

与气相色谱仪联用的声表面波传感器

文中介绍了一种与气相色谱仪联用的声表面波气体传感器.传感器由声表面波谐振器作反馈单元的振荡器和半导体制冷器组成.谐振器采用ST-X石英压电基片上双端对谐振式结构,Q值高(1 896)、插入损耗低(4.7 dB).采用在最低损耗点进行相位匹配以改善振荡器短期频率稳定度的方法,其短期频率稳定度达到了11 Hz/s(10-8量级).与气相色谱联用的气体检测试验给出对苯蒸气的检测下限约为150 ppb.     

声表面波直线型电机小型化的研究

随着微机电系统(MEMS)和声表面波技术的不断发展，设计和制造小型(微型)声表面波直线型电机成为必然的趋势。文章介绍了一种以铌酸锂／石英／硅层状结构作为压电基片，可以加工出体积足够小、理论上行程不受限制、实现二维运动的新样式电机。     

基于ZnO压电薄膜的柔性声表面波器件

提出并制备了基于聚酰亚胺柔性衬底的声表面波(SAW)器件。在柔性聚酰亚胺衬底上低温反应磁控溅射沉积了ZnO压电薄膜;采用X射线衍射仪,扫描电子显微镜,原子力显微镜等设备对ZnO薄膜进行了检测,结果表明:ZnO薄膜晶粒呈柱状生长并且(002)择优取向,膜粗糙度小于9nm,适合制作压电器件。在柔性衬底上制备了基于ZnO压电薄膜的SAW器件,该器件表现出良好的谐振性能。采用矢量网络分析仪检测器件的传输曲线,实验结果与仿真结果具有很好的一致性。随着波长减小,谐振频率和相速度增加,当ZnO厚度为4μm,波长为8μm时,器件的谐振频率为268MHz,相速度为2 144m/s,机电耦合系数为1.1%;当ZnO厚度增加时,此叠层结构的声表面器件的叠层声速也增加。     

声表面波器件在气体流量测量中的应用

近年来,人们对声表面波(SAW)在物理和化学传感器方面的广泛应用产生了越来越多的兴趣。声表面波传感器比起那些建立在场效应管、光学方法、电阻、电容调制等技术上的传感器来说还是不很成熟的,但对其基本器件物理特性的充分了解已经表明,声表面波传感器具有巨大的潜力,它几乎可以对所有形式的物理和化学现象进行检测。图1所示为SAW传感器的原理框图,其基本的组成为一个制作在适当基体上的SAW延迟线(谐振器),输入叉指换能器,将电信号转变成声波,沿基体表面传播,再由输出换能器接收转变为电信号输出。输出的信号通过     

适合于液相检测的乐甫波传感器

乐甫波（Ｌove wave)是声表面波的一种，它是在沉淀于压电基片表面的薄层声波导中传播的表面剪切横波。论述了基片为ＳＴ切压电石英晶体、声波导层分别为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和熔融石英（SiO2)的乐甫波器件的制作。通过测量器件的传输参数S21和插损，比较了瑞利波器件和不同声波导层构成的乐甫波器件在气相和液相的特性，证明了乐甫波传感器适合于液相检测而瑞利波传感器不适合，而且，SiO2是构成乐甫波器件声波导层的更合适的材料。     

声表面波式小波变换阵列器件的延时补偿方案

针对声表面波式小波变换阵列中各个尺度器件之间时间不同步的问题,提出补偿输入和输出叉指换能器之间距离,实现时间同步的延时补偿方案.该方案利用了声表面波在晶体基片表面的延时特性,通过在声表面波器件内部进行延时补偿,确保了各个尺度器件在触发信号作用下具有相同的响应时间,避免了由于时间不同步造成阵列器件的小波变换输出结果具有不正确时频特性的问题,推导并给出了对阵列器件进行延时时间补偿的参数计算公式.最后,以一个具体声表面波式小波变换阵列器件的延时补偿为例,说明了该延时补偿方案的有效性.     

柔性声表面波器件的波模式分析

用反应磁控溅射法在柔性聚酰亚胺衬底上沉积了ZnO压电薄膜,并制备了基于ZnO压电薄膜的柔性声表面波(SAW)器件。制备的柔性SAW器件显示了良好的谐振性能,而且展现出两个波模式:模式0和模式1。当波长为32μm,ZnO厚度为4μm时,SAW器件的模式0和模式1的谐振频率分别为34.4MHz和158.5MHz,对应声速为1 100.8m/s和5 072m/s。模式0为已知的瑞利波,模式1为新的高频模式。沉积了不同厚度的ZnO薄膜制备柔性SAW器件,进一步分析了薄膜厚度对SAW器件和模式1的影响。分析认为该高频模式不是传统硬质衬底上SAW器件产生的Sezawa波,而是S_0兰姆波,并且是有衬底情况下的S_0兰姆波。文中还采用Comsol仿真分析了新的高频模式1的粒子振动位移,结果和S_0兰姆波粒子振动位移一致,从而验证了其为广义兰姆波的正确性。     

直接冷凝式声表面波气体传感器检测下限分析

声表面波气体传感器有采用选择性敏感膜进行气体吸附和气体直接冷凝在声表面波器件表面(与气相色谱系统结合)进行检测两种方式.文中首先从分层介质理论出发,分别对涂敷敏感膜和直接冷凝这两种方式下声表面波器件表面质量负载改变引起的频率变化进行理论分析,比较了两种方式在吸附同样气体条件下的灵敏度;然后计算了在500 MHz工作频率、考虑冷凝液膜轻度粘滞性时,直接冷凝方式的气体检测下限为ppb量级;最后将计算结果与实验结果进行比较并得到验证.     

瑞利型声板波的液体传感研究

以瑞利型声板波为例,在有限元软件COMSOL中建立了声板波二维模型,仿真分析了声板波在自由空间中和负载液体时的特征频率。仿真研究表明：无论基片背面为自由边界还是金属边界,负载液体时都会导致声板波A0和S0模态特征频率发生变化,从而可用于液体的特征参数检测;由于S0模态负载液体时会产生一定的衰减,因此声板波的A0模态比S0模态更适于液体传感。实际制作了两组声板波器件,采用网络分析仪测量了器件的幅频特性,实验结果与数值仿真结果基本一致,证明了理论模型的正确性和数值仿真的有效性。     

声表面波射频识别技术及其发展

声表面波（Surface Acoustic Wave,SAW）是沿物体表面传播的、能量集中于表面附近的一种弹性波。基于SAW技术实现的射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）是应用现代电子学、声学、微电子工艺技术和雷达信号处理技术等的新成就,具有纯无源,阅读距离大,制造成本低,可在高温差、强电磁干扰等恶劣环境下工作等特点,可应用于交通运输、工农业生产制造及监测等各个领域。它是基于集成电路芯片RFID的重要技术补充,逐渐受到了业界的广泛关注。文中基于SAW-RFID的工作原理介绍了SAW-RFID的特点及优势,分析讨论了SAW标签的编码方式、发展状况及关键技术问题等。     

Optimum cut orientation of piezoelectric substrate and propagation direction of SAW for rotation rate sensor

The effect of Coriolis and centrifugal forces on the propagation characteristics of surface acoustic waves (SAW) on a rotating piezoelectric substrate can be utilized for sensing rotation rate. In this paper, the relationship between SAW phase velocity and the rotation rate of the substrate is analyzed theoretically and numerically based on the coupling wave equations on anisotropic piezoelectric substrate with rotation effect. Partial wave theory and surface effective permittivity method are employed. Using LiNbO₃ as an example, some quantitative results of SAW rotation rate sensor, including free and metalized interfaces between substrate and free space in X-cuts, Y-cuts, and Z-cuts, are obtained. Furthermore, by considering comprehensively SAW rotation rate sensitivity with SAW excitation efficiency and beam steering, the optimum cut orientation of piezoelectric substrate and propagation direction of SAW for rotation rate sensor are presented. The research findings can provide theoretical guidance and simulation basis for the experimental research on SAW rotation rate sensor.     

声表面波微流控液滴生成技术研究进展

微液滴是一种十分优秀的微反应器,在化学合成、生物检测及细胞研究等领域应用广泛。近年来,声表面波微流控技术发展迅速,在微液滴制备中具有重要应用前景。首先简单回顾了微液滴和声表面波微流控的研究发展历程,然后重点介绍了声表面波微流控液滴生成的工作原理、器件结构、液滴生成过程及工艺参数等;同时介绍了声表面波微流控核壳微液滴的可控生成机理及其制造过程。最后总结并展望了该技术在生化检测、生物3D打印等领域的应用前景。     

基于电磁超声换能器阵列的管道螺旋导波传播规律研究

螺旋导波因在管道超声导波层析成像中的巨大应用价值,近年来受到研究者们的重视。阐述管道螺旋导波的激发/接收条件、传播路径和波前形状等规律。建立FE模型,研究由圆环波前S₀模态兰姆波在管道上形成螺旋导波的过程。组建了双环24阵元的电磁超声换能器阵列及试验系统,170 kHz下激发圆环波前S₀模态兰姆波在管道中产生螺旋导波,试验研究了激励源所在圆周及管段上的波动场信号特征。仿真和试验结果表明,管道螺旋导波实质上是兰姆波在曲面上的传播形态,可由管道某处点源激发兰姆波产生,主要存在于波动场的近场。由于管道结构的封闭性,兰姆波的波前在管道上反复交叉前行,形成了螺旋传播路径。从波源到管道上任意一点的螺旋导波传播路径有无数条,各阶螺旋角不连续。利用螺旋导波进行管段检测提供了缺陷的多角度入射信息,对缺陷高分辨率检测具有重要意义。     

基于激光测振仪的兰姆波离面和面内位移检测

激励模态和频响特性是超声导波传感器性能评估的两个重要指标,而传统的传感器,如压电传感器和电磁声传感器(Electromagnetic acoustic transducer,EMAT)等,受自身带宽和模态选择性的影响,无法有效地实现这两个参数的评估。激光测振仪可以测量结构中弹性波原始的离面和面内位移,且测量不受带宽的限制,因而是进行超声导波传感器激励模态测定和频响特性测量的理想方法之一。采用此种方法对一种周向一致激励兰姆波的EMAT进行测试,结果表明,此传感器在150～210 kHz的范围内能激励产生出单一S0模态兰姆波,在50～150 kHz范围内,A0模态与S0模态共存。利用激光测振仪检测离面和面内位移的方法,是进行传感器评估和兰姆波接收的有效方法,在超声导波的非接触测量、高温波导体检测及弹性波传播3D可视化方面也有广阔的应用前景。     

正交球面波Patch近场声全息

常规近场声全息(Near-field acoustic holography,NAH)中,为减小算法误差对结果的影响,要求全息测量孔径必须大于声源面积。由于要求的全息孔径较大,导致该技术测量工作异常繁琐以及在大尺寸结构上应用困难。为解决此问题,以全息声压近场外推为基础的Patch近场声全息技术(Patchnear-field acoustic holography,PNAH)发展起来。根据声场的球面波近似原理,提出正交球面波Patch近场声全息方法,该方法将振动体产生的声场等效近似为一系列不同阶次的正交球面波源产生的声场的线性叠加,通过这些正交球面波源的声辐射过程来实现全息面声压的近场外推,然后利用近场外推所得声压数据采用计算简便的快速傅里叶变换(Fast Fourier transform,FFT)方法实现全息重建。数值仿真结果表明,该方法在小全息孔径条件下取得良好效果,显著减小对全息孔径大小的要求,从而方便工程运用。     

基于模态分析和小波变换的声发射源定位新算法研究

针对传统声发射源定位中，声发射信号到达传感器的时间受设定门槛电压影响很大，导致声发射源定位效果较差，提出了一种声发射源定位新方法。根据模态声发射理论，携带声发射源信息的声发射信号在结构中传播过程中，具有频散现象和多模态特性。因此，声发射源定位应基于同一频率下、同一模态导波到达各个传感器的时间和传播速度。通过对声发射信号进行Gabor小波变换的方法，在时频空间内确定某一频率下某一模态导波到达传感器的时间；并通过数值计算得到该频率处模态导波的群速度，从而实现声发射源的准确定位。通过薄板中声发射线源定位试验，证明了该定位算法的有效性。