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薄膜体声波谐振器(TFBAR)厚度剪切振动频率的计算

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薄膜体声波谐振器(TFBAR)厚度剪切振动频率的计算

利用厚度剪切压电效应的2-2型压电复合材料的性能研究

第三届全国压电和声波理论及器件技术研讨会

作者：王骥柳建松杜建科黄德进浙江省宁波市江北区风华路818号宁波大学工学院压电器件技术实验室

无线通讯技术的超高速发展以及射频元件高频化、微型化、集成化的趋势,对频控器件技术带来了新机遇,也极大的促进了对薄膜体声波谐振器(Thin Film Bulk Acoustic Resonator,TFBAR)的研究和生产。在设计和开发这类产品时,如何精确控制谐... 详细信息

无线通讯技术的超高速发展以及射频元件高频化、微型化、集成化的趋势,对频控器件技术带来了新机遇,也极大的促进了对薄膜体声波谐振器(Thin Film Bulk Acoustic Resonator,TFBAR)的研究和生产。在设计和开发这类产品时,如何精确控制谐振频率是研究薄膜体声波谐振器的出发点。由于厚度拉伸型薄膜体声波谐振器能够产生更高的频率,这一点在理论上和实验上都得到了证明,而且基于厚度拉伸模型的薄膜体声波谐振器也已经在生产和应用。在厚度剪切模型的薄膜体声波谐振器的设计中,如何从理论上对薄膜体声波谐振器的厚度剪切振动提出一套准确的频率计算方法将对实验和产品设计都有着重要意义。本文首先建立了以上下层为电极和中间层为压电薄膜的层状结构的薄膜体声波谐振器厚度剪切振动模型,然后考虑材料性质和几何结构,得到了厚度剪切振动频率的计算公式。这项研究的目的就是根据材料的厚度以及材料常数计算出频率或者根据所需频率反求出所需材料的厚度和材料常数,从而实现对实验结果的精确预测。最后,结合本文方法与已有的实验数据,证实计算得到的频率值与实验结果相吻合。

关键词：薄膜体声波谐振器厚度剪切振动频率 TFBAR FBAR

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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功能材料 1998年第2期29卷 221-224页

作者：万建国陶宝祺何存富朱纪军南京航空航天大学智能材料与结构研究所

制备了利用厚度剪切压电效应的２２型压电复合材料，测试了在电场作用下压电复合材料的变形特性，初步研究了不同参数对压电复合材料变形性能的影响。结果表明：（１）由于柔性聚合物的加入，压电复合材料的变形性能得到了大幅度的提... 详细信息

制备了利用厚度剪切压电效应的２２型压电复合材料，测试了在电场作用下压电复合材料的变形特性，初步研究了不同参数对压电复合材料变形性能的影响。结果表明：（１）由于柔性聚合物的加入，压电复合材料的变形性能得到了大幅度的提高；（２）随着ＰＺＴ体积份数的增大，压电复合材料的变形量增大，直至达到最大，随后则随着ＰＺＴ体积份数的增大而下降；（３）ＰＺＴ单元的尺寸越小，压电复合材料的变形量越大。

关键词：压电复合材料压电效应性能厚度剪切

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用于矢量水听器的加速度敏感结构

振动．测试与诊断 2021年第4期41卷 778-783,835页

作者：王文龙笪良龙孙芹东海军潜艇学院二系青岛266199 海洋科学与技术国家实验室青岛266235

同振式矢量水听器中常用的商用压电加速度计具有质量较大的缺点,限制了矢量水听器的性能提升。为了解决该问题,设计了一种三轴加速度敏感结构,采用厚度剪切压电效应,具有质量轻、灵敏度高等优点。该加速度敏感结构的质量仅为0.039 kg,... 详细信息

同振式矢量水听器中常用的商用压电加速度计具有质量较大的缺点,限制了矢量水听器的性能提升。为了解决该问题,设计了一种三轴加速度敏感结构,采用厚度剪切压电效应,具有质量轻、灵敏度高等优点。该加速度敏感结构的质量仅为0.039 kg,灵敏度在200 Hz处约为3000 mV/g,工作频段为20~2000 Hz,工作频段内最大横向灵敏度比小于8%。将该加速度敏感结构安装在球形耐压矢量水听器中进行测试,其直径为72 mm,x,y,z通道在200 Hz处的等效声压灵敏度级分别为-191.6,-191.4和-191.8 dB,具有良好的余弦指向性,各通道一致性较好,证明其适合应用在矢量水听器中。并与安装商用加速度计的矢量水听器进行对比,证明其能够有效降低矢量水听器的平均密度,提高灵敏度。

关键词：压电加速度计厚度剪切有限元仿真同振式矢量水听器

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硅酸镓镧晶体谐振器的高频振动分析

声学技术 2023年第6期42卷 852-856页

作者：吴荣兴王晓明唐忠平王骥宁波职业技术学院应用力学研究所浙江宁波315800 宁波大学机械与力学学院浙江宁波315211

利用Mindlin板理论分析了硅酸镓镧晶体板强耦合的厚度剪切振动和弯曲振动,获得了硅酸镓镧晶体板高频振动的色散关系、频谱关系和振动模态位移图。数值计算结果表明,Mindlin板理论可以获得硅酸镓镧晶体板厚度剪切振动的一阶精确截止频率... 详细信息

利用Mindlin板理论分析了硅酸镓镧晶体板强耦合的厚度剪切振动和弯曲振动,获得了硅酸镓镧晶体板高频振动的色散关系、频谱关系和振动模态位移图。数值计算结果表明,Mindlin板理论可以获得硅酸镓镧晶体板厚度剪切振动的一阶精确截止频率,无需修正系数。基于石英晶体谐振器设计晶片最佳长厚比的选取方法,确定了硅酸镓镧晶片的最佳尺寸,避免了厚度剪切振动模态和弯曲振动模态的强耦合。通过绘制硅酸镓镧晶体板在最佳尺寸时的各振动模态位移图,发现厚度剪切振动模态是主振模态,具有很好的能陷效应。Mindlin板理论在硅酸镓镧晶体板高频振动的应用分析可以指导硅酸镓镧晶体谐振器的实际研发。

关键词：硅酸镓镧晶体振动频率厚度剪切谐振器

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高频体声波谐振器的研究与设计

高频体声波谐振器的研究与设计

作者：李伍平电子科技大学

学位级别：硕士

随着移动通信技术的迅猛发展，通信频谱不断增加，通信频率也不断提高，这些都对通信系统中的射频前端器件提出了更高的要求。相对于传统的陶瓷滤波器以及声表面波滤波器，体声波（BulkAcousticWave，BAW）滤波器在工作频率、Q值、插入... 详细信息

随着移动通信技术的迅猛发展，通信频谱不断增加，通信频率也不断提高，这些都对通信系统中的射频前端器件提出了更高的要求。相对于传统的陶瓷滤波器以及声表面波滤波器，体声波（BulkAcousticWave，BAW）滤波器在工作频率、Q值、插入损耗等方面具有不可替代性的优势，在现代移动通信系统中具有广阔的发展空间和应用前景。因此，本论文将对体声波谐振器进行理论分析以及仿真设计，并在此基础上设计体声波滤波器，主要研究内容如下：　　首先设计了体声波谐振器的基本结构参数，为了获得高机电耦合系数的体声波谐振器，通过分析不同LiNbO3切型对机电耦合系数的影响，选择了合适的切型;并通过分析电极形状、面积、材料以及厚度等对谐振器性能的影响，选择正方形作为谐振器的电极形状并设计应用双层电极结构。　　在基本结构设计的基础上，针对谐振器存在的横向模态问题，研究了两种不同横向模态抑制结构在谐振器中的应用，并对比分析了两种结构的抑制效果。在以上基础上应用固态装配型(SMR)衬底，分析SMR对器件性能的影响，重点研究了SMR对能量的束缚以及Q值的影响。　　最后，对体声波滤波器进行仿真设计，采用耦合型滤波器结构，研究验证了耦合型滤波器采用铌酸锂作为压电层材料的可行性，实现了高频大带宽、低插损的滤波性能。并进一步地通过设计耦合层结构以及并联耦合电容的方式对滤波器的性能进行优化。最终结果表明可以应用在5G系统中的N77频段。

关键词：高频体声波谐振器厚度剪切横向模态射频前端

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电场作用下石英晶体板非线性高频振动分析

应用力学学报 2019年第5期36卷 1123-1130,1261页

作者：吴荣兴于兰珍李晓东郑东王骥宁波职业技术学院建筑工程学院宁波315800 宁波大学机械与力学学院宁波315211

建立了强电场作用下考虑材料和几何非线性的石英晶体板厚度剪切振动和弯曲振动的非线性方程组。基于厚度剪切振动近似理论的线性位移解,利用伽辽金法将非线性偏微分方程组转化为关于时间变量的常微分方程组。接着利用逐次近似法获得了... 详细信息

建立了强电场作用下考虑材料和几何非线性的石英晶体板厚度剪切振动和弯曲振动的非线性方程组。基于厚度剪切振动近似理论的线性位移解,利用伽辽金法将非线性偏微分方程组转化为关于时间变量的常微分方程组。接着利用逐次近似法获得了石英晶体板厚度剪切振动和弯曲振动耦合的频率响应关系,并绘制了不同电压下厚度剪切振动的频率响应曲线图。数值计算结果表明,电压对石英晶体板厚度剪切振动的频率有着显著影响,其引起的频率漂移值超过了常见压电谐振器的允许值。所建立的方程可以用于石英晶体谐振器的非线性有限元分析和偏场效应求解。

关键词：石英振动厚度剪切频率非线性

AT切高基频石英晶体谐振器的模态仿真与等效电参数计算方法研究

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AT切高基频石英晶体谐振器的模态仿真与等效电参数计算方法研究

作者：龙含孝华中科技大学

学位级别：硕士

石英晶体谐振器是一种无源晶振,具有温度频率特性稳定、低损耗、高Q值等特性,是当前市场主流的频率选择器件。由于有限元法具有计算简单,适用于复杂的模型等优点,十分适合谐振器的研究。目前,谐振器的有限元仿真研究主要针对50 MHz以下... 详细信息

石英晶体谐振器是一种无源晶振,具有温度频率特性稳定、低损耗、高Q值等特性,是当前市场主流的频率选择器件。由于有限元法具有计算简单,适用于复杂的模型等优点,十分适合谐振器的研究。目前,谐振器的有限元仿真研究主要针对50 MHz以下谐振器的微小振动,不能满足其高频化发展的需要,也很难直接应用于工业谐振器设计与制造,因此研究能准确模拟高基频石英晶体谐振器振动的有限元方法,并在此基础上得到谐振器的电性能参数,对指导谐振器的设计与制造过程有重要的理论及工程意义。本文的主要结果如下:选用有较大应用潜力的96 MHz基频AT切石英晶体谐振器作为研究对象,制备了96 MHz石英晶体谐振器样品。根据谐振器的实际外形尺寸,使用基于Tiersten标量微分方程的二维有限元仿真方法、质量等效法、表面单元法、壳单元法对石英晶体谐振器进行了模型化简与仿真分析,比较几种仿真方法下谐振器厚度剪切模态的振动频率与振型,发现表面单元法能较好的反映96 MHz石英晶体谐振器的实际厚度剪切振动情况。使用表面单元法对石英晶体谐振器的电性能参数进行了仿真分析,并通过设定额外阻尼比补偿电极板和封装引入的损耗;当阻尼比为2.85×10时,静态电容C的相对误差为0.78%,动态电容C的相对误差为0.78%,动态电感L的相对误差为1.41%,谐振器电阻R的相对误差为0.43%,谐振器的电性能参数仿真取得了较好的结果,结果表明本文提出的基于表面单元法的谐振器等效电参数计算方法可以用于指导石英晶体谐振器的设计与工艺优化。对总电极厚度一定、上下表面电极厚度分布不同的谐振器进行了有限元仿真,并根据等效电参数结果计算了谐振器的品质因子Q,发现随着上下电极的厚度比的增大,谐振器的厚度剪切频率不断增大,石英晶体谐振器电性能的品质因子Q不断减小,因此在实际生产中,应尽量保证上下表面电极的厚度一致。

关键词：有限元仿真石英晶体谐振器高基频等效电参数厚度剪切

紧凑型压电加速度计及其在矢量水听器中的应用

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中国惯性技术学报 2022年第5期30卷 631-637页

作者：王文龙姜兆祯孙文祺孙芹东海军潜艇学院青岛266199 青岛海洋科学与技术试点国家实验室青岛266235

同振式矢量水听器的灵敏度和频率上限受其所采用的加速度传感器的尺寸和质量制约。为了提高矢量水听器的声学性能,设计了一种紧凑型三轴压电加速度计。首先,分析了矢量水听器密度和尺寸对其声学性能的影响;其次,采用剪切式结构设计了压... 详细信息

同振式矢量水听器的灵敏度和频率上限受其所采用的加速度传感器的尺寸和质量制约。为了提高矢量水听器的声学性能,设计了一种紧凑型三轴压电加速度计。首先,分析了矢量水听器密度和尺寸对其声学性能的影响;其次,采用剪切式结构设计了压电加速度计,其尺寸为25×25×17 mm 3,质量为49.2 g,灵敏度约为2842 mV/g@500 Hz,工作频段为10 Hz~3000 Hz,最大横向灵敏度比小于3%。最后,将其应用在球形矢量水听器中进行了测试,测试结果表明,设计的压电加速度计较双压电片加速度计,体积减小了8倍,质量减小了5倍,灵敏度提高了2倍,工作频段提高了1.2倍,适合应用在同振式矢量水听器中。

关键词：压电加速度计厚度剪切有限元仿真同振式矢量水听器

考虑温度效应的石英晶体谐振器振动分析及最优切型探究

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考虑温度效应的石英晶体谐振器振动分析及最优切型探究

作者：张良梦宁波大学

学位级别：硕士

石英晶体是各向异性晶体材料,各种物理属性会随着石英晶体切角的变化而变化。而对于石英晶体谐振器,温度是影响其频率稳定性的最主要因素,我们希望谐振器的频率在工作温度范围内变化尽可能的小,使得谐振器具有高的频率稳定性。为了研究... 详细信息

石英晶体是各向异性晶体材料,各种物理属性会随着石英晶体切角的变化而变化。而对于石英晶体谐振器,温度是影响其频率稳定性的最主要因素,我们希望谐振器的频率在工作温度范围内变化尽可能的小,使得谐振器具有高的频率稳定性。为了研究不同切型的石英晶体谐振器的频率温度特性以及最佳的工作条件,本文采用增量热场理论,分析了石英晶体谐振器在温度场中的振动,并以此为基础寻求适用温度范围更广的石英晶体谐振器理想切型。本文的研究对象是任意双旋切矩形石英晶体谐振器。首先,文章简单介绍了用于石英晶体板振动分析的材料热学性质和增量热场理论方程。然后,从增量热场三维弹性体方程出发,推导了不考虑压电效应的无限大双旋切型石英晶体板的厚度振动的精确频率计算过程以及频率温度关系。接着,利用增量温度场下的Mindlin一阶板理论,推导了温度作用下任意双旋切型石英晶体谐振器的色散方程和频谱方程,对于工作模态为厚度剪切模态的石英晶体谐振器,选定合适的长厚比,就得到了这一切型的频率温度曲线。频率温度特性好的谐振器,温频曲线一般呈三次曲线,这样谐振器就会在较广的温度范围内频率稳定。通过对石英晶体板厚度剪切振动的频率温度关系求一阶导数和二阶导数为零而建立方程组,解得在一阶导数和二阶导数为零的附近,温频关系呈现三次函数关系,这使得温度偏离拐点温度时,频率漂移的绝对值呈现先增大后减小在增大的趋势,极大地扩展了谐振器的工作温度范围。同时对于每一个特定的切型,都有唯一的零温度系数点,也就是函数的拐点,也是频率漂移量为零的点。这样,对于不同的切型,我们可以准确的知道合适的工作温度范围,让谐振器具有了在极端环境工作的可能性。这一研究为开发给定温度下高稳定的石英晶体谐振器奠定了理论基础。

关键词： Mindlin板理论增量热场温频关系厚度剪切双旋石英晶体