热超声封装高频换能器的动力学优化设计

燕山大学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：超声波换能器优化设计与实验学院（系）：里仁学院年级专业：工业自动化仪表2班学生姓名：**指导教师：**完成日期：2013年3月27日一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义（一）本课题研究意义超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。

最早的超声换能器是P.郎之万(P1L angevin) 在1917 年为水下探测设计的夹心式换能器。

这个换能器是以石英晶体为压电材料, 用两块钢板在两侧夹紧而成的。

1933 年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器, 强度高、稳定性好、功率容量大, 迅速取代了当时的郎之万换能器。

到了50 年代, 由于电致伸缩材料钛酸钡铁电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功, 使郎之万型超声换能器再度兴起。

目前压电超声的应用范围很广, 且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高。

目前妨碍超声广泛应用的原因是缺少适用、可靠、经济、耐用的超声换能器。

但是超声换能器历来是各种超声应用的关键部件, 其性能描述与评价需要许多参数。

超声换能器的特性参数包括共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、机械品质因数、阻抗特性、频率特性、指向性、发射及接收灵敏度等等。

不同用途的换能器对性能参数的要求不同,例如,对于发射型超声换能器,要求换能器有大的输出功率和高的能量转换效率；而对于接收型超声换能器,则要求宽的频带和高的灵敏度及分辨率等。

因此，在换能器的具体设计过程中，必须根据具体的应用,对换能器进行性能测试实验与分析，从而进行合理的设计与优化。

（二）国内外研究动态1、超声压电材料的发展(1)压电复合材料换能器：目前压电陶瓷是超声换能器中最常用的材料，具有机电转换效率高、易与电路匹配、性能稳定、易加工和成本低等优点得到广泛应用。

同时，压电陶瓷材料也存在声特性阻抗高，不易与人体软组织及水的声阻抗匹配；机械品质因数高，带宽窄；脆性大、抗张强度低、元件成型较难及超薄高频换能器不易加工等缺陷。

超声换能器的优化设计与性能研究超声波技术在医学、工业、环境等领域都有广泛的应用，而超声换能器作为超声波发射器和接收器的重要组成部分，对超声波的产生和检测起着至关重要的作用。

为了提高超声波传感器的性能和可靠性，优化超声换能器的设计是必要的。

本文将从超声换能器材料、结构、工艺等方面入手，探讨超声换能器的优化设计与性能研究。

一、超声换能器材料的选择超声换能器的材料对其性能有重要影响。

常见的超声换能器材料包括压电陶瓷、石英晶体、聚合物等。

其中，压电陶瓷是最常用的材料，它具有良好的压电效应、机械强度高、耐热性能好等特点。

在选择压电陶瓷时，应考虑其压电系数、介电常数、热膨胀系数等参数，以及其晶体结构的稳定性。

此外，压电陶瓷还需要具有良好的加工性能和可靠性，以保证超声换能器的稳定性和寿命。

二、超声换能器结构的设计超声换能器的结构也是影响其性能的重要因素。

典型的超声换能器结构包括单元式、线性组合式、阵列式等。

其中，单元式是最常用的结构形式，其优点是制造简单，成本低廉。

但是，单元式结构的灵敏度和分辨率都较低，适用于低频超声检测和成像；而线性组合式和阵列式结构则能实现更高的灵敏度和分辨率，但其制造成本也相对较高。

因此，在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的结构形式。

超声换能器的电极结构也需要优化设计。

传统的电极结构采用等间距并联电极或圆环电极，但是这种结构容易产生不均匀场，从而影响超声波的辐射和接收效果。

因此，现代的超声换能器电极结构一般采用导电胶或导电纤维等材料，通过直接贴合或缝合等方式制成非均匀电极，以提高电场均匀性和效果。

三、超声换能器工艺技术的研究超声换能器的加工工艺也是影响其性能和可靠性的重要因素。

现代的加工工艺主要包括压电陶瓷片的制备、电极的制备、陶瓷和电极的粘接等步骤。

其中，压电陶瓷片的制备和后续的加工工艺都需要进行精密控制，以获得高质量的超声换能器。

一般，压电陶瓷片的制备可以采用压坯法、溶胶-凝胶法、水热法等。

高频超声腔内换能器的设计和性能验证从医学影像检查到工业无损检测，超声技术的应用越来越广泛，而高频超声腔内换能器的设计和性能验证是其中至关重要的一环。

本文将重点介绍高频超声腔内换能器的设计原理、构造、性能验证方法以及相关技术进展。

一、高频超声腔内换能器的设计原理高频超声腔内换能器是一种将电能转化为声能的装置，其设计基于压电效应。

当施加电压时，压电晶体会发生尺寸变化，产生声波。

而高频超声腔内换能器主要由压电片、振动片和保护层等组成。

压电片是最核心的部分，负责将电能转化为声能的过程。

振动片则负责放大和辐射声波，并通过保护层保护换能器的结构。

在设计高频超声腔内换能器时，需要考虑的因素包括换能器的工作频率、工作模式、材料选择和结构设计等。

工作频率主要根据应用需求确定，常见的高频超声腔内换能器工作频率在1-100 MHz范围内。

工作模式可以分为共振型和非共振型，共振型换能器具有较高的能量转换效率，而非共振型换能器则更加灵活适用于不同的应用场景。

材料选择主要考虑压电材料的性能，如压电系数、介电常数等。

结构设计关乎换能器的灵敏度、输出功率等性能。

二、高频超声腔内换能器的构造高频超声腔内换能器的构造多种多样，不同的设计可以满足不同的应用需求。

例如，线性阵列换能器适用于高分辨率成像，其由多个换能器组成，可以实现多普勒成像和三维成像等功能。

而扇形阵列换能器则适用于心脏和血管检查，其特点是成像范围广，适用于大面积扫描。

除此之外，还有环形阵列换能器、单晶换能器等多种构造形式可供选择。

在构造设计中，需要考虑的因素包括换能器尺寸、通道数、接口类型等。

换能器的尺寸通常要满足对目标物体进行精确成像的要求，同时也需要考虑可植入性等因素。

通道数多少直接影响了换能器的成像质量，通常通道数越多，成像质量越高。

接口类型则根据设备的连接要求来确定。

三、高频超声腔内换能器的性能验证为了保证高频超声腔内换能器的性能和可靠性，需要进行一系列的性能验证实验。

大尺寸三维超声振动系统的智能优化设计
林基艳;孙姣夏;林书玉
【期刊名称】《物理学报》
【年(卷),期】2024(73)8
【摘要】对大尺寸三维超声换能器系统的耦合振动进行有效控制,优化系统的性能,一直都是功率超声领域亟待解决的难题.研究发现,一些声子晶体槽、孔结构可以对大尺寸换能器系统的横向振动进行抑制,提高系统振幅分布均匀度,且可以通过改变声子晶体结构的配置参数人为地实现对大尺寸三维超声振动系统性能的调控.但过多的设计参数必然会增加系统设计的复杂度,且目前大尺寸三维超声换能器系统的优化设计依赖于经验试错法,设计效率和成功率较低,性能也无法保证.研究引入同质位错、点缺陷结构对大尺寸三维超声振动系统进行优化设计,并利用数据分析技术评价了同质位错、点缺陷结构的配置对系统辐射面的纵向位移振幅、振幅分布均匀度、辐射声功率、工作带宽等的影响规律,建立了同质位错结构、近周期缺陷结构的结构参数——大尺寸超声换能器系统性能的预测模型,实现了对大尺寸功率超声换能器系统的智能设计,提高了设计效率和成功率,降低了设计成本.
【总页数】14页(P181-194)
【作者】林基艳;孙姣夏;林书玉
【作者单位】榆林学院;陕西师范大学
【正文语种】中文
【中图分类】TB5
【相关文献】
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基于等效电路模型的超声换能器智能优化设计方法与流程文章标题：基于等效电路模型的超声换能器智能优化设计方法与流程1. 引言超声换能器是一种将电能和声能相互转换的装置，广泛应用于医疗成像、清洗、焊接和测厚等领域。

在超声换能器的设计过程中，如何实现智能化的优化设计是当前研究的热点之一。

本文将基于等效电路模型，探讨超声换能器智能优化设计的方法与流程。

2. 等效电路模型等效电路模型是对实际物理系统的简化描述，能够较为准确地模拟其电特性。

在超声换能器的设计中，通过建立等效电路模型，能够更好地理解其工作原理和优化设计过程。

2.1 串联等效电路模型超声换能器在工作时，可以看作是一个串联等效电路，包括驱动电路、压电材料、声阻抗匹配层和换能器壳体等组成部分。

其中，压电材料是超声换能器的关键部件，通过施加电场来实现声波的发射和接收。

2.2 并联等效电路模型另超声换能器还可以用并联等效电路模型来描述，其中压电材料的等效电路模型和声阻抗匹配层的等效电路模型并联在一起。

通过建立并联等效电路模型，可以更好地优化声波的传输和接收效率。

3. 智能优化设计方法在基于等效电路模型的基础上，超声换能器的智能优化设计方法主要包括参数化建模、多目标优化和自动化设计三个方面。

3.1 参数化建模需要对超声换能器的各个组成部分进行参数化建模，包括压电材料的厚度、声阻抗匹配层的材料和形状等。

通过建立参数化模型，能够实现对超声换能器的灵活设计和优化。

3.2 多目标优化在参数化建模的基础上，可以采用多目标优化的方法，包括声波发射效率、接收灵敏度和频率响应等多个指标。

通过多目标优化，能够实现超声换能器性能的全面提升，而不是单一指标的优化。

3.3 自动化设计可以借助人工智能和优化算法，实现超声换能器的自动化设计。

通过自动化设计，能够大大缩短设计周期，提高设计效率，同时可以得到更加全面和深入的设计方案。

4. 流程总结基于等效电路模型的超声换能器智能优化设计方法包括串联等效电路模型和并联等效电路模型的建立，以及参数化建模、多目标优化和自动化设计三个方面。

超声换能器的设计与动态特性仿真-设计论文超声换能器的设计与动态特性仿真超声换能器的设计与动态特性仿真Design and Dynamic Characteristics Simulation of Ultrasonic Transducers卢正达① LU Zheng-da；黄敏② HUANG Min（①同济大学，上海 200092；②纳恩汽车，上海 201612）（①Tongji University，Shanghai 200092，China；②Naen A uto，Shanghai 201612，China）摘要：微电子封装已成为当今微电子制造中影响生产效率和器件性能的关键技术。

超声键合是最为重要的芯片封装方法与技术，目前企业生产的90%以上芯片是采用超声键合法进行封装。

超声波换能器是在微电子制造超声键合工艺中的一个重要部件，超声换能器的设计与动态特性分析是非常重要的。

为了得到最大的振动幅值,变幅杆固有频率应和超声波发生器的工作频率相同。

通过本文对超声换能器的研究、分析与设计，对于获得理想的超声波换能器具有很强的指导意义。

Abstract: Microelectronic packaging is the key technology which affects the efficiency and performance of the device in the manufacture of the microelectronic.Thermosonic wire bonding is the most important method and technology of the chip packaging.90 percents of chips are bonded with thermosonic bonding.The ultrasonic transducer plays an important role in ultrasonic wire bonding techniques.So it is necessaryto realize the design and dynamic characteristics of the ultrasonic transducer.Its intrinsic frequency should be equal to working frequency for the obtainment of maximum amplitude.All above research contexts,methods and conclusions will be helpful to understand, analyze and design the ideal ultrasonic transducer.关键词：超声波换能器；有限元分析；模态分析Key words: ultrasonic transducer；finite element analysis；modal analysis中图分类号：TB552 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）20-0186-041绪论超声键合技术以其简单的制作工艺、高效率的运行水准和无铅绿色的优点，在近几年的发展中逐渐成为集成电路第一级封装的主流技术。

(10)申请公布号(43)申请公布日 (21)申请号 201510611328.1(22)申请日 2015.09.23B06B 1/06(2006.01)(71)申请人深圳先进技术研究院地址518055 广东省深圳市南山区西丽大学城学苑大道1068号(72)发明人李永川 郭瑞彪 钱明 郑海荣薛术 苏敏(74)专利代理机构深圳鼎合诚知识产权代理有限公司 44281代理人任葵 彭家恩(54)发明名称高频超声换能器及其制备方法(57)摘要本申请公开了一种高频超声换能器及其制备方法，包括：在压电片的上表面设置第一电极层，在第一电极层上设置背衬层；从背衬层切入压电片形成切缝，往切缝内填充不导电的聚合物，使切缝贯穿压电片；在压电片的下表面设置第二电极层；在第二电极层的下表面设置匹配层，在被切缝分割开的各部分中选择两个，其中至少一个的第二电极层从一个侧面延伸至背衬层，分别在背衬面使用导线将正极和负极引出。

本申请由于增加了导电背衬层，通过切缝分割为一定的形状，并在切缝内填充不导电的聚合物，使材料变得柔软，在加工过程中不易损坏；采用包边电极的方式，将正负电极置于背衬层表面，方便引线连接且不影响添加匹配层。

(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书5页 附图5页CN 105170435 A 2015.12.23C N 105170435A1.一种高频超声换能器制备方法，其特征在于，包括：在压电片的上表面设置第一电极层，在所述第一电极层上设置背衬层，所述背衬层由导电材料制成；从所述背衬层切入所述压电片形成切缝，所述切缝使切入部分至少分割为两个部分，往所述切缝内填充不导电的聚合物，对所述压电片进行磨削，磨削后所述切缝贯穿所述压电片；在所述压电片的下表面设置第二电极层，所述第二电极层至少从一个侧面延伸至所述背衬层，且设置所述第二电极层后，被所述切缝分割开的各部分之间绝缘；在所述第二电极层的下表面设置匹配层，制得半成品；将所述半成品在被切缝分割开的各部分中选择两个，其中至少一个的所述第二电极层从一个侧面延伸至所述背衬层，分别在背衬面使用导线将正极和负极引出；将所述半成品使用外壳进行封装，制得超声换能器。

用于微电子封装的高频压电超声换能器模态优化设计ZHANG Ji-chang;HUANG Jia-wei;ZHANG Hong-jie【摘要】研究了高频压电超声换能器的优化设计方法,基于四端网络方法和有限元分析软件ANSYS参数化建模,通过不断调节结构参数的大小对换能器进行优化,使工作频率在满足设计要求的前提下,实现了工作频率与其他非工作频率的分离.通过阻抗分析仪和多普勒激光测振仪对换能器进行测试,实验结果表明,该换能器工作频率为110.161 kHz,工作频率附近不存在非纵振模态和其它寄生的振动形式.【期刊名称】《装备制造技术》【年(卷),期】2018(000)011【总页数】4页(P56-59)【关键词】微电子封装;高频超声换能器;结构优化设计;模态集中【作者】ZHANG Ji-chang;HUANG Jia-wei;ZHANG Hong-jie【作者单位】;;【正文语种】中文【中图分类】TB5520 引言热超声键合技术于广泛应用于微电子封装中，压电超声换能器是热超声键合机中最重要的部件之一，随着集成电路芯片向高密度和超细间距的方向不断发展，高频热超声键合技术受到了相当多的关注[1]。

工程实践表明，高频超声换能器具有较好的超声能量利用效率，有利于缩短粘接时间，降低焊接温度[2]。

很多学者对高频换能器的设计做了研究，Parrini基于有限元分析和激光干涉仪测量结合的方法设计了工作频率为125 kHz的换能器[3]。

但针对高频状态下工作的换能器常出现模态集中的现象尚缺乏系统、详尽的研究。

模态集中不仅会导致超声能量的浪费，同时会降低键合工艺的质量[4]，因此如何抑制高频换能器的模态集中非常必要。

本文设计了工作频率为110 kHz的高频超声换能器，在给定工作频率的基础上，对高频压电换能器进行拓扑优化设计，使其在工作频率附近模态分布合理。

根据优化尺寸对换能器进行了样机加工，并且使用阻抗分析仪和多普勒测振仪对所加工样机进行了实验测试。

一种新型柔性夹持高频超声换能器设计
高嵘心;张宏杰;张洪健
【期刊名称】《压电与声光》
【年(卷),期】2022(44)1
【摘要】为了提升高频超声换能器输出振幅与超声能量的传输效率,该文提出了一种新型柔性夹持高频超声换能器,并基于模块化设计思想,综合机电等效法、四端网络、有限元分析及柔度分析技术,系统建立了此类型高频超声换能器的设计方法,制作了换能器样机,搭建了换能器电学、动力学特性测试平台。

激振实验表明,柔性夹持换能器输出端稳态振幅较传统夹持换能器提升了38.55%。

换能器输出端动态振幅信号时域、频域分析结果表明,将柔性铰链机构和传统法兰夹持结构相结合,通过引入柔性转动副,柔性夹持换能器超声能量传递效率提高了5.16%。

这表明柔性夹持法兰能够提升夹持结构的运动解耦能力,具有一定的应用前景。

【总页数】6页(P101-105)
【作者】高嵘心;张宏杰;张洪健
【作者单位】天津工业大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN384;TB552
【相关文献】
1.一种新型的超声换能器驱动与回波检测电路设计
2.直线超声电机柔性夹持元件的设计
3.一种新型的径向振动高频压电陶瓷复合超声换能器
4.一种高频超声波换能器驱动电路的设计
5.一种采用IDT技术的新型高频声体波换能器
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