埋入混凝土中PZT声场指向性和声能研究

将PZT作为声源埋入混凝土中构成的混凝土压电机敏模块具有超声检测功能。对埋入该模块中的PZT圆片模态分析发现,在各阶振动模态下PZT声辐射面存在分布不同的振幅极大值区域。基于混凝土压电机敏模块的声场指向性和声能实验表明:将PZT声辐射面等效为振幅相等的单一点声源的叠加,忽略振动模态对声场指向性影响,使得PZT圆片的声场指向性随频率变化规律偏离实际较大,而且在相同频率下声场指向性理论结果比实验结果发散;在各阶固有频率激励下,PZT圆片的声场指向性集中,但在一阶固有频率下声能最高,更适用于超声检测。     

利用阵元异振幅优化超声传感器阵列的指向性能

超声传感器阵列是提高超声指向性性能的重要手段,本文提出利用阵列中阵元发射不同振幅超声波的方法进一步改善发射阵列的指向性性能。通过与常规阵元同振幅发射模式的指向性进行模拟和实验比较,结果表明该方法在超声阵列阵元分布形式完全相同的情况下,获得的超声波波束不但能保证主瓣尖锐的指向性,而且能有效的抑制旁瓣数量和旁瓣级,避免能量分散,提高超声发射效率。     

MEMS压电阵列振动能量收集器

近年来,随着微能源的发展,微型压电振动能量收集器得到了广泛关注,但传统d31模式PZT薄膜微型压电振动能量收集器输出电压普遍较低,难以满足应用需求。为提高微型压电振动能量收集器的输出电压,论文提出了共质量块悬臂梁阵列压电振动能量收集器新结构,该结构包含压电悬臂梁单元组成的阵列和一个质量块,悬臂梁阵列共用质量块。采用有限元方法对该结构进行了优化设计,得到压电悬臂梁单元优化尺寸为3 mm×2.4 mm×0.05 mm,硅质量块优化尺寸为8 mm×12.4mm×0.5 mm。设计了MEMS压电阵列振动能量收集器加工工艺流程,加工出原理样件。在1 gn加速度,239.7 Hz谐振频率激励下,测试得到样件输出开路电压有效值为9.16 V;在最优化负载200 kΩ下,负载输出电压有效值为5.51 V,输出功率为151.8μW。     

AY2492型高灵敏度光功率计

该仪器采用音叉振子构成的光斩波器对连续光进行低频斩波,利用相关接收原理进行同步检测,所以测量灵敏度比一般光功率计提高了二至三个数量级.该仪器对0.85μm的光可探测-90dBm(10~(-12)W),对1.3μm的光可探测-80dBm(10~(-11)W).本文介绍共设计过程、构成及其工作特性.     

单片集成四元阵列式MEMS矢量水听器的研究

针对当前对MEMS矢量水听器高可靠性迫切要求,设计了2×2单片集成四元阵列式MEMS矢量水听器,以保证其中一个敏感微结构失效损坏或工作不正常时,水听器仍能正常工作.结合ANSYS软件对阵列敏感微结构进行了仿真分析;设计了该微结构的加工工艺流程;最后,对阵列式MEMS矢量水听器进行水声校准测试.测试结果表明:阵列式水听器可靠性明显提高,灵敏度达到-179 dB(0 dB =1V/μPa),具有良好的“8”字指向性.     

采用同轴反相激励非晶合金/压电复合磁电双单元非线性磁电效应的磁传感器

具有高磁导率的非晶合金在低于10Oe磁场激励下就发生饱和磁化,从而非晶合金/压电复合材料在较高幅度、频率为f₀f₀的交变磁场激励下产生非线性磁电效应,通过解调奇次谐波(f₀,3f₀,…)输出,可实现静态/准静态弱磁场测量,且无需另外施加偏置磁场。利用两个同轴配置的FeNiMoSiB/PZT/FeNiMoSiB复合结构单元,设计180°反相磁场激励,并且采用压电双晶片的电连接方式配置两磁电单元压电层输出,从而实现传感器灵敏度倍增和共模噪声抑制。磁电电压信号经差分放大和锁相解调后,得到传感输出信号。测试结果表明：在±100μT线性区范围内,传感器的灵敏度达到2.77×10⁴μV/μT;对频率为1 Hz磁场的最低探测极限为10 nT。     

压电微固体模态陀螺的安装技术

压电微固体模态陀螺（ PMMG）利用压电PZT长方体的某高阶共振模态作为参考振动,是一种抗冲击、抗震动能力强的新型全固态陀螺。获得优化的参考振动振型对提高陀螺性能至关重要,但是大多数文献都没有涉及到封装对参考振动的影响。利用有限元方法（ FEM）分析了压电振子安装时支撑点位置与接触面积对参考振动的影响,分析结果表明：相对于接触面积的变化,支撑点位置的变化对陀螺参考模态的影响更大。该研究结果为压电微固体模态陀螺的安装方法提供了理论基础。     

一种基于高压静电纺丝工艺制备的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器及其在睡眠监测中的应用

针对日常睡眠监测的需求,提出一种基于高压静电纺丝工艺制备的P(VDF-TrFE)/锆钛酸铅(PZT)压电传感器并对其性能进行了研究。首先,介绍了P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器的制作及封装流程。其次对其灵敏度,频率响应特性,瞬时响应和稳定性等进行了测试。结果表明,该传感器不仅具有良好的微观外貌形态,且相比于纯P(VDF-TrFE)压电传感器0.73 V/N的灵敏度,制备的含30%PZT的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器灵敏度是纯P(VDF-TrFE)压电传感器的2.5倍,达到了1.78 V/N。此外在低频下能够保持稳定压电输出且具备2 ms较快的响应时间。最后采用自制的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器测量人体心冲击信号,并通过支持向量机(SVM)训练睡眠分期模型实现了对睡眠质量的监测,四分类模型平均准确率达到72.5%,为可穿戴睡眠监测传感器的选择提供了参考。     

微型法-珀腔阵列光谱探测器读出电路的模拟与设计

针对微型法-珀腔阵列光谱探测器读出电路的单芯片集成化设计,在研究分析微型法-珀腔阵列光谱探测器的结构和工作原理的基础上,提出了基于2μm标准CMOS工艺的8位线阵微型法-珀腔阵列光谱探测器读出电路方案,研究了电路中各元器件的结构与结构参数,在ORCAD软件平台下完成了读出电路各单元电路与系统电路的设计、仿真与优化,利用TANNER软件完成了微型法-珀腔阵列光谱探测器读出电路的版图设计及版图验证。该电路工作电压为 5 V,总功耗为4.82μW,版图面积0.37 mm×0.22 mm。     

串联电极阵列压电传感技术自动检测病原体

以串联电极阵列压电石英晶体（SPQC）传感器为基础构建了一台8通道微生物自动检测仪。电极插入培养基检测溶液电导的变化。池常数k=0．05m,使用中性、低电导的氨基酸培养基（AaB）,电导控制灵敏度区间为550-600μs。利用拟合-微分的方法简单准确地得到频率检测时间（FDT）。对普通的金黄色葡萄球菌（S．aureus）和痢疾杆菌（S．dysenteriae）进行自动检测,结果表明：FDT和样品中细菌浓度呈线性关系（R〉0．99）,检测范围为10-10^6CFU·mL^-1。该方法准确度与国标的平板记数法相当（置信区间为95％）,但重现性更好,更稳定,灵敏度更高。     

Quality factor of micro cantilevers transduced by piezoelectric lead zirconate titanate film

The quality factors (Q-factor) of micro cantilevers transduced by piezoelectric lead zirconate titanate (PZT) film under atmospheric pressure conditions were investigated and discussed. It was found that Q-factors increased with thicker PZT film. Due to air damping, shorter cantilevers resulted in preferred larger Q-factors. The Q-factor was found to be as high as 450 for a 150-μm long PZT cantilever when using 1.04-μm thick PZT film as the electromechanical conversion medium. Differences in the measured Q-factors when using integrated PZT film self-excitation and external PZT vibrator actuation indicate that energy dissipation induced by the electromechanical coupling in PZT thin films was noteworthy even under atmospheric pressure conditions. Moreover, the mechanical properties of the PZT film were found contribute significantly to decreases of the Q-factor.     

背衬对埋入混凝土中压电陶瓷电-声特性的影响

传统超声脉冲法不能对混凝土质量进行实时健康监测,将压电陶瓷埋入混凝土中构成的压电埋入式混凝土机敏模块能够进行混凝土结构的在线监测,但由于压电陶瓷在埋入混凝土后其电-声性能受到较大影响,能够激励的声信号能量弱、信噪比低,很难应用于噪声干扰强、待检测结构厚的场合。针对这一问题,提出了通过在埋入混凝土中的压电陶瓷上层合金属背衬的方法,提高声能的利用率和指向性。分析了在不同背衬厚度和不同激励频率条件下接收信号的时、频域特征。结果表明,经过层合金属背衬处理后的超声信号的能量提高了2～6倍,且这种方法并没有影响超声检测信号的波形及频率成分,具有较高的可行性。     

A piezoelectric micro-cantilever bio-sensor using the mass-micro-balancing technique with self-excitation

A biosensor was developed for using in a Lab-On-a-Chip (LOC). The sensor detects the change in the resonance frequency of a micro-cantilever with a piezoelectric film. This is the mass micro-balancing technique, which has been successfully used for detecting bio-materials in the quartz crystal microbalance (QCM). The PZT film, a piezoelectric film, is designed to act as both sensor and actuator. The geometry of the micro cantilever is optimized to maximize the sensitivity and minimize the environmental effects such as viscous damping and added mass effect in liquid. The fabricated sensor is composed of a 100 μm long, 30 μm wide, and 5 μm thick cantilever with a 2.5 μm thick piezoelectric (PZT) layer on it. The ratio of thickness to length of the micro cantilever is very high compared to others in micro cantilever-based studies. This high aspect ratio is the key to maximize the sensitivity and minimize the environmental effects. The fabricated micro sensor was tested by detecting the mussel gluing protein, the insulin-anti insulin binding protein and the poly T-sequence DNA.     

Flexible piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (pMUT) for application in brain stimulation

We propose a new flexible piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (pMUT) array integrated on flexible polydimethylsiloxane (PDMS) that can be used in studying brain stimulation by ultrasound. To achieve the technical demands of a high sound pressure level and flexibility, a diaphragm-type piezoelectric ultrasound transducer array was manufactured with 55 μm-thick bulk lead zirconate titanate (PZT) that was thinned after bonding with a silicon wafer. The ultrasound transducer array was then strongly bonded onto a PDMS substrate using an oxygen-plasma treatment followed by precise dicing with a fixed pitch to achieve flexibility. The radius of curvature was smaller than 5 mm, which is sufficient for attachment to the surface of a mouse brain. After a thinning process for the PZT layer, we observed that the PZT layer still maintained a high ferroelectric property. The measured remnant polarization (P_r) and coercive field (E_c) were 28.26 μC/cm² and 79 kV/cm, respectively. The resonant frequencies of fabricated pMUT elements with different membrane sizes of 700, 800, 900, 1200 μm in diameter were measured to be 694.4, 565.4, 430.8, and 289.3 kHz, respectively. By measuring the ultrasound output pressure, a pMUT showed a sound intensity (I_sppa) of 44 mW/cm² at 80 V, which is high enough for low-intensity ultrasound brain stimulation.

     

基于压电加速度计的同振型矢量水听器的设计

介绍一种压电加速度计在新型水声接收换能器———同振型矢量水听器设计中的应用方法。叙述了采用压电加速度计设计同振型矢量水听器的理论依据,并给出根据此方法设计制作的同振型矢量水听器的自由场开路电压灵敏度和指向性图测试结果:自由场电压灵敏度为-190～-200dB(0dB=1V/μPa,测试频率1000Hz),指向性图分辨力kd>20dB。     

电力变压器局放超声传感器及其应用

作者研制成一种带光纤的电力变压器局放超声PZT传感器.文中分析了它的灵敏度与宽频带特性,介绍了原理、结构设计、实验数据及现场成功实例.理论与实验研究表明:具有这种高灵敏传感器的超声定位系统是确定电力变压器绝缘故障部位的一种方法.     

埋入混凝土中压电陶瓷圆片声指向性和能量研究

对埋入混凝土中的压电陶瓷圆片模态分析发现,在各阶振动模态下其声辐射面存在分布不同的振幅极大值区域.基于压电埋入式混凝土敏感模块的声指向性和能量实验表明:不同激励频率引起的压电陶瓷圆片不同的振动模态对声指向性和能量有影响;在声指向性理论中将声源振动面等效为振幅相等的单一点声源的叠加,使得在各阶频率下压电陶瓷圆片辐射声指向...     

压电圆盘弯曲式矢量水听器的设计

介绍一种采用三迭圆片作为敏感元件的矢量水听器——压电圆盘弯曲式矢量水听器的设计方法 ,并给出根据此方法设计制作的压电圆盘弯曲式矢量水听器的性能指标——自由场开路电压灵敏度和指向性图的实验测试结果 :自由场电压灵敏度为 - 2 14.5dB(0dB =1V/μPa ,测试频率 10 0 0Hz) ;指向性图的分辨力kd >2 0dB。     

小型超声导波管道检测系统的研究和开发

针对目前我国超声导波检测设备的落后现状,根据超声导波检测的机理,采用新型高速单片机、模数转换芯片、高频线性功率放大电路、环状阵列压电陶瓷传感器和基于LabVIEW的数据采集软件,开发了一种集成化的小型超声导波检测系统.该系统能够在管道中激励和接收超声导波,通过对激励波及反射回波的时空位置分析,判断出管道长度及存在的缺陷.