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根据微机电硅基环形谐振陀螺的动力学特性与机电耦合能量转化特点，设计了一种基于方波调制形式的环形二极管全对称弧形差动电容敏感信号读取控制模型。首先，根据角速度敏感原理，设计了电极中心轴与工作模态主轴重合的敏感结构双层全对称弧形差动电容电极接口方案，推导出环形敏感结构力学振动参量的电学敏感模型。其次，为了避免同频驱动信号的耦合干扰，选择了方波载波形式的环形二极管电容检测电路，将电容检测微弱信号调制到高频载波上，解调可得到输出信号。设计了检测模态敏感信号读取控制模型，分析了控制模型稳定性；构建微机电环形谐振陀螺的机电控制模型，仿真分析其性能，验证了模型的合理性。最后，基于上述方案设计了敏感信号读取控制电路，通过实验测试了电路性能。实验结果表明，该敏感接口检测电路控制方案能够快速有效地读取敏感信号，正转标度因数为 0. 593 9 mV/[（°）·s ^-1 ]，反转标度因数为 0. 594 6 mV/[（°）·s ^-1 ]，标度因数不对称度为 0. 12%。

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传统的光纤陀螺仪使用经典光作为光源，其经典干涉中的相位检测灵敏度因受到散粒噪声的限制而无法获得提升。为了提升光纤陀螺精度，基于量子纠缠光子对的关联特性，采用最大路径纠缠态 2002 态，可使光学干涉测量的相位检测灵敏度相对于散粒噪声极限提高√2 倍，达到海森堡极限。设计并搭建了一套双光子纠缠增强光纤陀螺集成系统，包括高产率的纠缠光源，一套全光纤 Sagnac 干涉光路以及符合探测系统。在此集成系统上进行光纤环旋转实验，采集数据并绘制出转速与光子计数的完整干涉波。实验结果表明，该套系统能被用于双光子纠缠增强光纤陀螺的原理演示验证实验和相关功能测试实验。

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随着微机电系统（MEMS）技术迅速发展，惯性器件实现了小体积、轻质量和量产。为低成本实现高精度惯性测量，阵列技术应运而生。综述了 MEMS 惯性测量单元（IMU）阵列技术的发展。首先通过分析多年来的研究成果，总结了 IMU 阵列的发展进程。其次分别介绍了 IMU 阵列的关键技术及其发展现状，包括误差分析建模与标定、数据融合技术、故障检测技术和隔离技术。最后总结了以往研究成果的特点和不足，讨论了未来的研究方向，并为进一步提高 IMU 阵列精度提出了思路，为 IMU 阵列技术在高精度导航领域的研究与工程实践提供参考。

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惯组作为控制系统导航及姿态控制的重要设备，系统对其导航精度和实时性要求较高。针对传统方法设计的惯组低通数字滤波器存在较大的时间延迟问题，提出了一种低延时数字滤波器设计方法。利用低通无线脉冲响应（IIR）滤波器降低低频噪声干扰的同时，对高频噪声信号进行有效衰减；改进 IIR 陷波器模型，对能量较大的频率点噪声幅值进行限制。试验结果表明，与传统滤波器设计方法相比，低延时数字滤波器设计过程简便，在动态环境下滤波精度更高，时间延迟缩短了 2. 6 ms，具有较高的工程应用价值。

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针对单轴正反连续旋转调制寻北系统，提出了一种基于相对方位约束的同步寻北算法。在以速度为观测量的基础上，将寻北过程中的相对方位误差作为观测量，提高方位误差角的收敛速度。首先，分析单轴正反连续旋转时，陀螺零偏误差、陀螺标度因数误差、测角机构测角误差对寻北精度的影响并提出补偿方案，而后将正转和反转作为两个寻北状态构建静基座条件下的系统误差模型，并基于速度、相对方位误差建立量测方程。最后通过实验数据验证算法有效性。结果表明，该算法能有效提高方位精度和缩短对准时间，5 min 寻北精度优于 10″ （1σ），具有较大的工程应用价值。

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复杂环境下 MIMU/GNSS 组合导航系统噪声统计特性难以获取，简单的概率化假设会导致导航系统性能下降甚至失效。为提高导航系统在复杂环境下的适应性，保证其导航精度和实时性，提出基于未知但有界噪声假设的 MIMU/GNSS 快速融合算法。以输入状态稳定的椭球定界滤波算法为基础，通过对定界椭球参数的优化目标进行松弛，避免非线性方程的求解，降低了算法复杂度。将快速算法用于 MIMU/GNSS 组合导航实验，实验结果表明，所提出的快速融合算法有效提高了系统的导航精度，同时保证了导航的实时性。

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为提高惯导系统健康状态评估精度，针对其所面临的故障样本缺乏、知识不确定性、复杂环境干扰等问题，提出了一种基于波动距离的指标可靠度计算方法。通过指标历史监测信息的波动距离确定指标的受干扰程度，并基于此建立了考虑指标可靠度的置信规则库专家系统，通过融合不完全可靠数据与不确定性专家知识实现了惯导系统健康状态评估。最后基于陀螺仪和加速度计测试数据进行了惯导系统健康状态评估实验。实验结果表明，所提方法的健康状态评估误差为 0. 283 8，较传统置信规则库专家系统减小了约 15. 28%，验证了所提方法的有效性。

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采用有限元方法（FEM）分析了基于 PEN （Polyethylene Naphthalate）柔性基底横向激发体声波谐振器 （XBAR）的声学特性，包括谐振频率 f_r、机电耦合系数 K² _eff、品质因数 Q_r及频率温度系数（TCF）等。结果表明，PEN 柔性基底的引入改善了 XBAR 性能，如当 hPEN=40 nm 时，K² _eff =35. 68%，较同参数的 IDT/LiNbO₃结构提升了约 35%，f_r =4. 4 GHz，Q_r=112；当 h_PEN=105 nm 时，PEN 与 IDT/LiNbO3结构发生耦合共振，致使 XBAR 谐振频率发生偏移以及品质因数增加，其频率偏移达到 1. 32 GHz，Qr增加 75。同时 XBAR 的温度稳定性得到提升，当 hPEN= 120 nm 时 ，XBAR 的 TCF 为 -72. 9×10^-6 /℃，而同参数 IDT/LiNbO₃ 结构 TCF 为 -107×10^-6 /℃。 综上可知 ， IDT/LiNbO₃/PEN 结构 XBAR 具有更优异的声学特性，通过合理选择 PEN 厚度可优化 XBAR 的不同性能参数。 该结果为高频、高机电耦合系数和高温度稳定性 XBAR 的设计和研制提供了理论依据。

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提出了一种基于铌酸锂（LiNbO3）的便携式单端口声表面波（SAW）谐振器无损检测多种结构薄膜几何特征的新方法，测量的薄膜结构包括单层金属薄膜、双层薄膜和大马士革结构薄膜。采用有限元法进行仿真得到 S 参数曲线，再拟合得到一定范围内的 SAW 谐振器谐振频率与相应几何参数的关系曲线，并用三阶多项式表示。结果表明，拟合曲线可决系数 R2 均大于 0. 999 0，说明所得拟合多项式能较为准确地表征几何特征与谐振器谐振频率的关系。通过所提方法测量未知几何尺寸样片的谐振频率后代入相应关系式，即可计算出对应的样片几何尺寸。验证了 SAW 谐振器在薄膜几何特征的快速无损检测方面具有较大潜力。

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研究了基于 X 切 LNOI（LiNbO₃ on Insulator）衬底的声表面波谐振器。在保持谐振器品质因数（Q）值不变的情况下，采用电极假指长度加权的方法来抑制横向模态。设计并制备了不同结构的加权电极结构谐振器， 系统地探讨了电极加权周期及幅值对横向模态的影响规律。通过对比分析，确定了在频率 2. 5 GHz 下 X 切 LNOI 结构的最佳加权电极结构。实验结果表明，调整加权电极的设计可以有效抑制因 X 切 LN（LiNbO₃）材料引发的横向模态，进而优化谐振器的性能。

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杂波抑制是高性能声表面波（SAW）谐振器面临的一个巨大挑战。为了抑制在高频宽带谐振器出现的杂波，以 X-40°Y-LiNbO（₃ LN）/SiO₂/Ta₂O₅/SiO₂/Ta₂O₅/SiO₂/Si 结构为衬底激发 S₀模态声表面波，得到高频宽带的谐振器，同时对杂波抑制进行了深入研究。提出了两种新型叉指换能器（IDT）设计方案，并进行仿真和流片验证。测试结果表明，所提出的三母线 IDT 结构为高频宽带谐振器提供了良好的杂波抑制，同时使品质因数（Q）与正常类型谐振器保持相同的水平。通过流片测试比较了不同切指形状叉指换能器（IDT）对谐振器的杂波抑制效果。

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为了提升 5G 时代高频滤波器的性能，研究了基于 X-37°Y LiNbO₃为压电衬底的固态装配型谐振器 （SMR）结构的声表面波（SAW）谐振器。通过二维和三维有限元仿真，研究了谐振器结构参数对其性能的影响，并通过流片验证了仿真结果。结果表明，该结构下旋转角 37°时谐振器性能最优，且倾斜角度的增加可增强对横向模态杂散的抑制效果，当倾斜角度超过 18°后效果减弱并引入新的杂散。倾斜小锤结构在一定程度上能提高谐振器的品质因数（Q）值，由此确定其最佳倾斜角度为 15°~18°，且能在抑制杂散和保持 Q 值间取得平衡，这为高频 SAW 滤波器提供了设计指导。

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为了实现对入射电磁波的调控和雷达散射截面积（RCS）的缩减，采用 PB 几何相位理论设计了多种旋转角度、不同“半圆弧型十字臂”形的单元结构，利用 GA 算法对单元阵列的排列方式进行优化。通过在不同频段分别入射线极化波和圆极化波，所设计超表面可使电磁波发生相位突变。对该超表面阵列进行仿真，在 7. 82~18. 42 GHz 频段内，线极化入射波的 RCS 缩减均值为 16 dB，圆极化入射波的 RCS 缩减均值为 10 dB。相较于传统超表面而言，该设计具有频带宽、极化转换率高、体积小、费用低等优点。

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半球谐振陀螺在航天器姿态控制领域应用广泛。针对航天器对陀螺噪声的要求，采用 Allan 方差分析了半球谐振陀螺的噪声组成，并与光纤陀螺、MEMS 陀螺进行了对比。Allan 方差分析结果表明，半球谐振陀螺的噪声以量化噪声为主，角度随机游走的成分很少，而光纤陀螺和 MEMS 陀螺的噪声由角度随机游走组成，基本无量化噪声。因此，降低半球谐振陀螺的噪声应从降低量化噪声入手。通过调整电路参数降低了陀螺噪声，证实了措施的有效性，同时为进一步降低半球谐振陀螺噪声指明了研究方向。

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为了解决低成本惯性测量单元数据精度受限、噪声大和漂移严重的问题，提出了一种基于自适应扩展卡尔曼滤波与 Mahony 滤波融合的姿态解算方法。该方法通过 Mahony 滤波实时估算姿态，利用 AEKF 动态调整过程噪声和量测噪声，优化姿态估算结果。通过静态实验、姿态精度实验和实际场景实验验证了算法的有效性。实验结果表明，融合算法在俯仰角、横滚角和航向角的精度上优于基于 EKF 和 Mahony 滤波融合算法，实际场景闭环误差减少了 52. 8%。该方法能有效抑制噪声和漂移，提高姿态解算精度，为复杂环境下的高精度姿态解算提供了可靠的解决方案。

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建立压电双晶梁发电机的能量转化效率模型，利用数值模拟和试验分析的方法研究了在固定端受到激励时，压电双晶梁的结构尺寸和材料特性对其能量转化效率的影响规律。研究表明，金属基板过厚，杨氏模量太大都不利于压电双晶梁能量转化效率的提高。当使用不同的金属基板材料时，存在一个最佳厚度比（金属基板/总厚）使压电双晶梁能量转化效率最高，铜、铝、钼 3 种金属基板材料的压电双晶梁最佳厚度比分别为 0. 3、0. 1、0. 2； 在相同厚度比（0. 3）条件下，钼基板的压电双晶梁能量转化效率高于铜、铝基板。随着杨氏模量比（金属基板/陶瓷）的增大，压电双晶梁能量转化效率逐渐降低，但变化不明显。

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针对厚壁奥氏体不锈钢焊缝超声信号噪声水平高，模态复杂而导致缺陷检测信噪比低的问题，提出了基于变分模态分解（VMD）降噪的一发一收纵波（TRL）双晶面阵全聚焦成像方法。在厚度 76 mm 的奥氏体不锈钢焊缝试块上加工深度 10~70 mm、直径 3. 2 mm 的横通孔缺陷，选择中心频率 2. 25 MHz 的 TRL 探头采集全矩阵捕获（FMC）数据。利用灰狼算法优化 FMC 信号 VMD 的惩罚因子系数和分解层数，根据模态分量的频谱能量分布和互相关系数重构全矩阵数据矩阵。建立三维空间的声束传播延时叠加法则，将 FMC 降噪信号进行全聚焦成像。 研究表明，相比于原始 FMC 数据、经验模态分解降噪和小波包分解降噪的成像结果，VMD 降噪成像的缺陷信噪比分别提高了 4. 69~6. 85 dB、2. 28~4. 40 dB 和 2. 29~4. 47 dB，有效提升了焊缝检测效果。

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研究了一种基于硅帽键合技术的声表面波（SAW）滤波器圆片级封装工艺，以满足高频通信系统对封装气密性、机械强度及散热性能的严苛要求。通过优化 TSV 孔的深硅刻蚀工艺和 LT 层刻蚀工艺，结合低温 PECVD 沉积的 SiO?钝化层，实现了高气密性、高散热性及高可靠性的封装结构。经可靠性测试表明，与传统聚酰亚胺圆片级封装（WLP）相比，硅帽键合 WLP 在 uHAST 后频偏量仅为 2M-2. 5M（B40 频段），优于传统封装的 5M6M。该工艺为高性能 SAW 滤波器的晶圆级封装提供了可靠的技术支持。

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在 4H-SiC 基底的 C 面上，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术成功沉积了 SiC 薄膜。借助场发射扫描电子显微镜（SEM）、X 线光电子能谱（XPS）以及原子力显微镜（AFM）等分析手段，深入探究了沉积温度、功率及气体总流量对薄膜粗糙度、沉积速率和碳硅比的影响规律。实验结果表明，当气体总流量增大时，薄膜的沉积速率呈逐步上升趋势，碳硅原子比随之提高，但薄膜表面变得更粗糙；随着功率的增加，薄膜沉积速率逐渐下降，碳硅原子比呈先增大后减小趋势，但薄膜粗糙度有所降低；随着温度的升高，薄膜沉积速率逐渐降低，碳硅原子比逐渐减小，薄膜粗糙度也随之降低。

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针对 Love 波声表面波传感器在液相生物检测中的性能评价与结构优化，提出采用 Au/SiO2的双层波导结构，并引入 Cr 作为 SiO2与 Au 之间的黏附层，以改善 SiO2在 Au 表面沉积的黏附性与致密性。基于有限元仿真软件，从质量负载灵敏度的角度验证了双层波导结构 Love 波声表面波器件的理论可行性。模拟计算结果表明，当 Au=0. 1 μm，SiO₂=2 μm 时，该结构的质量灵敏度达到了最优值，为?29. 83 kHz·cm² /μg。此外，Au 层厚度为 0. 1 μm 与电极厚度一致，因此在后续实验中将采用 Au 波导层与电极层一同制作。在实验测试中，通过 MEMS 工艺制备以 ST-90°X 石英为衬底的具有 Au 单层波导结构的延迟线型 SAW 器件 ，使用等离子体增强化学气相沉积 （PECVD）技术沉积第二层波导层 SiO₂，利用热蒸镀技术在延迟线区域生长铝薄膜作为质量负载。通过四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液对铝薄膜的腐蚀作用，采用适用于液相生物传感器的声表面波器件质量负载灵敏度实时检测系统，从相位层面实时检测器件的相位变化，实现对双层波导声表面波传感器灵敏度的验证与评价，得出在 Au= 0. 1 μm，SiO₂=0. 15 μm，Al=0. 15 μm 时，器件的相位变化最大为 124°。在最优参数下，改变铝膜厚度，得出双层波导结构声表面波传感器的灵敏度达到 0. 81（°）/nm，具备良好的线性度与稳定性。

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针对射频接收机中频滤波器高性能和小型化需求，同时考虑无源器件无源互调（PIM）干扰问题，基于八阶椭圆函数设计并实现了一款标称频率为 81 MHz 的 LC 高性能滤波器。该滤波器尺寸为 14×5. 5×5 mm³ ，实现了相对带宽约 26. 84%，矩形系数（BW_{40 dB}/BW_{3 dB}）＜1. 78，其远端 1 GHz 处的阻带抑制可达 60 dBc，驻波比≤ 1. 28，带内插损最小值为 3. 2 dB，同批次带内相位一致性≤±6°，PIM 功率达到-77 dBm。滤波器设计与预期吻合，具有较强的实用价值。

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研究了一种机电耦合系数约为 39. 2% 的新型压电材料 PMN-PT 作为体声波器件的压电材料时的性能。采用有限元仿真方法，在空气隙型以及凹凸层结构的薄膜体声波谐振器（FBAR）的基础上提出了融合结构 FBAR 的二维有限元仿真模型。通过有限元仿真分析对比了上述两种结构的 FBAR 的导纳及品质因数（Q）值曲线，验证融合结构对 S 波段、C 波段器件的杂波抑制以及 Q 值提升能力，完成了基于 PMN-PT 的低杂波高 Q 值 FBAR 设计。仿真结果表明，融合结构的设计能够有效抑制空气隙型 FBAR 所产生的杂波，同时 S 波段、C 波段器件的 Q 值分别提升了 101. 8%，350. 4%。

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针对单稳态压电俘能器在低频、低振幅环境下工作频带窄、能量采集效率低的问题，以及传统双稳态压电俘能器结构复杂、需要附加外部组件的缺点，提出了一种新型局部双稳态结构的压电俘能器。该结构基于豆荚物理结构的启发，通过结合局部双稳态设计与压电材料，显著增强了对低频振动能量的捕获能力，并拓宽了工作频带。实验结果显示，在风速为 2. 5 m/s 时，所提俘能器的输出功率密度较单稳态结构提高了 2 077. 78%；即使在风速高达 5. 1 m/s 的场景下，其输出功率密度依然比单稳态结构高出 66. 27%，验证了该局部双稳态结构在大部分应用环境下的优越性。同时，在与 LTC3588 电路结合的实验中，局部双稳态结构的压电能量采集器对微弱风速提升的响应更加敏感，输出信号也有明显改善。

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压电俘能技术是解决无线传感节点供能问题的重要手段。为改善传统直梁压电俘能器谐振频率高、 输出功率低等缺点，设计了楔形梁结构压电俘能器并进行了有限元仿真研究。通过静力学比较分析了不同楔形梁与传统直梁结构表面压电材料应力分布，并对楔形梁结构开展模态分析，得到结构参数对谐振频率的影响。最后研究了楔形梁压电俘能器的发电性能。结果表明，厚度从固定端沿自由端线性增加的楔形结构具有更低的谐振频率，使压电材料具有更大的应力分布。在 0. 5 g 激励下，楔形梁结构压电俘能器的最大输出功率是传统直梁结构的 1. 6 倍。

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压电驱动纳米定位平台存在低阻尼谐振及相位滞后等问题，对平台的定位稳定性和轨迹跟踪精度有严重影响。针对该问题，首先设计了包含陷波滤波器和 PI 控制的高性能反馈控制器来有效抑制平台低阻尼谐振模态。其次，在上述反馈控制基础上设计了跟踪误差估计前馈补偿控制方法，利用反馈系统的灵敏度函数来估计跟踪误差，并将其加入参考信号中作为前馈补偿，进一步减少平台轨迹跟踪时的相位滞后。最后利用所设计的反馈控制器和跟踪误差估计前馈补偿控制器，对压电驱动纳米定位平台进行了多种轨迹信号的跟踪实验，以验证算法的有效性。实验结果表明，平台在加入跟踪误差估计前馈补偿后，其均方根误差和最大误差均减少了 50% 以上，平台的稳定性和跟踪精度得到了有效提升。

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针对面内纵弯复合模态直线压电执行器，提出了一种高精度运动控制系统，可实现纳米级位置误差与毫米级速度误差的精准输出控制，确保对预定参考轨迹的精确跟踪。该控制系统结合了滑模状态观测器（SMO）和扰动观测器（DOB），实时观测系统状态与外部扰动。通过位置传感器与 SMO 进行系统状态值的精确估计，径向基神经网络（RBFNN）控制器在线自适应调整参数，基于误差生成控制律确保了对压电执行器的精准控制。DOB 与 SMO 的协同作用降低了观测误差，增强了系统抗扰能力。同时基于李雅普诺夫稳定性推导了控制律的稳定性，通过仿真与搭建实验系统验证了方法的有效性。结果表明，实际位置误差控制在±60 nm 内，速度误差控制在 ±0. 025 mm/s 内。

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针对螺纹杆式直线超声电机预压力不足的问题，研制了一种新型可调节预压力的螺纹杆式直线超声电机，设计了可双向调节预压力的分离式动子结构。通过理论分析和实验研究，建立预压力摩擦模型，得到预压力-输出力矩-等速点，预压力-输出力矩-转速关系图。研制超声电机样机并搭建了超声电机实验平台，拟合出输出力矩与预压力的函数关系。实验结果表明，优化后的新型结构使反向输出力矩提升了 20. 3%，为螺纹杆式超声电机在高精度驱动领域的应用提供了理论与实践依据。

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随着肌骨疾病诊治对成像需求的日益增长，对更高的中心频率和带宽，高灵敏度以及指向性好的高性能肌骨超声换能器的需求也越发迫切。传统的锆钛酸铅陶瓷带宽较窄，振动模态复杂，电声转换效率低，难以满足高性能超声换能器的应用需求。通过有限元仿真方法，设计了一款基于 1-3 型压电复合材料的肌骨超声阵列式换能器，研究了阵元面积对阵元阻抗的影响以及阵元孔径对换能器声压分布的影响。最后制备了一款基于 1-3 型压电复合材料的换能器阵元实物并进行测试。测试表明，与同规格 PZT-5H 换能器阵元相比，其-6 dB 带宽提高了 18%，中心频率提高了约 0. 8 MHz。

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谐振式压力传感器具有精度高、抗冲击能力强等优点，但其稳定性及快速响应外部压力变化的能力仍面临挑战。针对静电激励/压阻检测式谐振压力传感器，基于自动增益控制（AGC）技术建立了非线性闭环自激系统模型，得到了环路的开环传递函数，系统主极点由谐振器参数决定，次极点由 AGC 环路低通滤波器参数决定。 为了平衡 AGC 环路低通滤波器、环路稳定性和系统起振速度对次极点不同的要求，提出了多路径前馈补偿技术， 使系统稳定时间缩短至 150 ms，且系统起振时的激励波形和移相器的输出波形无过冲出现，显著增强了系统的稳定性，测试结果表明传感器的测量精度优于 0. 03% FS。

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近年来，无人机在各领域的广泛应用带来了新的安全风险，监视和检测无人机活动变得至关重要。提出了基于梅尔频谱和时频注意力-软阈值化卷积神经网络的无人机声学检测和识别算法，用于嘈杂环境中对无人机声音进行检测和分类。该方法将无人机音频数据转化为梅尔频谱图，并输入神经网络模型；模型通过时间和频率注意力机制，自动学习并识别对梅尔频谱图而言更重要的时间和频率区域，赋予其更高权重，从而提高识别准确性。结合软阈值化，抑制环境噪声和异常值对模型的影响，提高模型在各种环境噪声干扰下的分类识别效果。收集 8 型无人机声音数据，构建了无人机数据集并利用背景噪声对样本进行增强。在该数据集下评估了不同的识别方法。结果表明，所提方法在识别准确率、精确率、召回率、F1-score 等指标方面优于现有方法。

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压电超声换能器在不同的工作频率下具有不同的输入阻抗，当驱动信号源输出阻抗与换能器输入阻抗失配时会产生能量损耗，导致无法满足换能器的功率要求，从而使其光谱衍射效率降低，影响光谱成像质量。为此对换能器阻抗频率特性的深入研究，设计了一种新型宽带阻抗匹配网络。通过ADS仿真及匹配电路的测试，最终在115～180 MHz超声波频率内可使换能器的光谱衍射效率最高达70％。

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基于COMSOL Multiphysics对超声波电机压电振子谐振特性进行了理论分析，建立了超声波电机压电振子的实体模型，仿真计算出了压电振子的谐振频率，确定超声波电动机的最佳工作频段，提出了电机与驱动电路匹配方法。试验结果表明：当对压电振子施加幅值为100 V的激励电压后，软件分析和数学计算基本一致，可见仿真分析方法的可行性，为研究超声波电机谐振特性提供了一种简便的计算方法。

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医学超声成像的图像质量很大程度取决于超声换能器的特性。在换能器研制过程中，一项重要的任务是确定合适的匹配层材料及参数。为了满足高频超声换能器研制的需要，该文从理论及实验两方面研究了RTV615硅橡胶掺杂不同比例的氧化铝粉末后，所形成的复合材料的高频(20 MHz)声学特性参数，包括声速、声阻抗、声衰减系数等。结果表明，RTV615硅橡胶中掺杂氧化铝的体积分数为7.93%时，所形成的复合材料在20 MHz频率条件下声阻抗值提高52.94%，达到1.56×106 Pa·s/m，具有最佳的声阻抗匹配特性。因此，通过优化掺杂比例可有效改进硅橡胶材料的高频声学性能。

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压电微机械超声换能器(PMUT)在医疗阵列成像、手势识别、内窥成像、指纹识别等领域有着重要的应用,而灵敏度等性能是影响其成像质量的主要因素。该文对基于PMN-PT圆形压电复合振动膜的压电微机械超声换能器等效电路模型进行分析,并通过有限元法研究了压电层PMN-PT厚度对PMUT的发射电压响应、接收灵敏度的影响。仿真结果表明,当压电层厚度为4.5 μm(厚度为基底厚度的90%)时,换能器的发射电压响应级最大,达到191.6 dB,接收灵敏度级随厚度的增加基本呈线性上升趋势;当压电层厚度为5.1 μm(厚度为基底厚度的102%)时,回路增益(损耗)最大,达到-64.50 dB。

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针对未来移动通信对射频前端器件提出的多频率、高集成新要求,开展了兼具声表面波(SAW)谐振器和薄膜体声波谐振器(FBAR)技术特点的新型横向激励兰姆波谐振器研究。该文介绍了基于c 轴择优取向氮化铝(AlN)压电薄膜的C波段横向激励薄膜体声波谐振器(XBAR)的结构设计、参数优化和制备方法,并进行了工艺验证。通过剥离和刻蚀等步骤制备了谐振频率4.464 GHz、品质因数3 039、品质因数与频率之积(f ×Q )达到1.56×1013 GHz、面积小于0.12 mm2 的低杂波XBAR谐振器,并仿真分析了其用于射频滤波器的可行性。该研究为进一步研制多频率、高集成的小型化XBAR滤波器组件提供了有效的设计技术和工艺技术支撑。

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铌酸锂(LN)单晶薄膜具有较高的机电耦合系数(k² eff＞30%),其水平剪切(SH)声学模式常被应用于开发具有大机电耦合系数的薄膜声学谐振器和超宽带滤波器。但LN 的频率温度系数较大(TCF ＞ -50×10^-6/℃),这不仅会降低滤波器的可用有效带宽,同时也会限制器件的功率处理能力。采用3D周期有限元模型对基于X 切LN/SiO₂/Si结构SH 声表面波(SH-SAW)谐振器进行了优化研究。研究结果表明,当SH-SAW 传播角ψ=-10°~-20°、LN和SiO₂ 膜厚分别为hLN=0.1λ 和h_SiO2 =0.2λ(λ 为叉指换能器周期)、铝电极金属化率η=0.4、电极相对厚度h_Al/λ=5%~10%时,SH-SAW 谐振器的 k² eff 约为30%,且其TCF＜-20×10^-6/℃,有望用于开发新一代的低温漂、超宽带5G SAW 滤波器。

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为了减小窄带滤波器的插入损耗,在梯形拓扑的基础上引入并联电容,提出了一种并联电容型梯形拓扑。利用并联电容大幅度改变反谐振点频率的特点,以牺牲较小插入损耗的代价来缩小带宽。通过谐振器设计与进化算法寻优,成功研制出一款基于SiO₂/Cu/127°YX-LiNbO₃ 结构的低插损窄带温补型声表面波(TCSAW)滤波器。实验结果表明,滤波器的中心频率为1 514 MHz,相对带宽为0.46%,带内插入损耗仅1.45 dB,过渡带20 MHz带外抑制滚降到24 dB,远带带外抑制大于30 dB,WiFi频段抑制高达48 dB,频率温度系数TCF 为-20×10^-6/℃,器件尺寸为1.1 mm×0.9 mm。

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该文采用波导法分析了横向耦合极窄带声表面波滤波器速度变化模式,并用多物理场COMSOL软件对横向耦合声表面波滤波器的中心耦合条结构和耦合距离的变化建模进行计算,并分析频响特性。采用石英晶体作为底衬,设计了频率为898.144 MHz,插入损耗约为6 dB的极窄带声表面波滤波器并进行验证。结果表明,中心耦合条开腔结构的声表面波滤波器的相对带宽达到7.2‰,与不开腔结构5.2‰相对带宽相比,提升了2‰。这说明横向耦合声表面波滤波器的中心耦合条结构变化,能改变极窄带声表面波滤波器的相对带宽。

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采用磁控溅射、光刻、腐蚀、电子束蒸发等工艺，在AlN薄膜表面设计和制备了兰姆波(Lamb)型谐振器。研究了Lamb谐振器频率特性与频率 温度特性，并与传统的瑞利波(Rayleigh)型谐振器进行对比。测试结果表明，Rayleigh谐振器的谐振频率为305.15 MHz，温度灵敏度为10.74 kHz/℃；而Lamb谐振器有7个谐振频率，分别为294.630 MHz，398.125 MHz，435.625 MHz，482 MHz，531.625 MHz，570 MHz和613.625 MHz，其温度灵敏度分别为10.63 kHz/℃，13.46 kHz/℃，16.09 kHz/℃，17.51 kHz/℃，18.95 kHz/℃，20.76 kHz/℃和21.86 kHz/℃。结果表明，兰姆波型谐振器高阶模式的温度灵敏度最高，达到21.86 kHz/℃。

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介绍了一种6信道声光调制器。通过在换能器上制备电极阵列,设计独立的阻抗匹配电路和电输入端口,将6个声光互作用单元集成在一起,实现了对6束激光的并行、独立调制。经测试,该6信道声光调制器工作波长为355 nm,工作频率为220 MHz,单信道衍射效率＞75%,全局串扰＜0.5%。

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利用有限元方法分析了基于IDT/ZnO/AlN/Diamond不同结构混合SAW/BAW 器件的声学特性,包括层状薄膜结构、ZnO 薄膜刻蚀结构和填充结构。结果表明,当h_ZnO/λ=0.3、h_AlN/λ=0.5,且Z_nO 被完全刻蚀(d/h_ZnO=1)时,刻蚀结构混合SAW/BAW(准西沙瓦波)的机电耦合系数(K2)取得最大值6.54%,比层状结构(d/h_ZnO=0)提升了近一倍。刻蚀结构中,SiO₂ 和Diamond填充物的引入不仅提高了准西沙瓦波的K²,而且改善了其压力传感特性。当d/h_ZnO =1时,SiO₂ 和Diamond填充结构准西沙瓦波的压力频移分别为81.2 kHz/MPa和207.4 kHz/MPa,比刻蚀结构分别提高了58.7%和300%;同时,Diamond填充物的引入使准西沙瓦波的频率压力系数(PCF)达到最大值297×10^-6/MPa,比d/h_ZnO=0时提高了约30%。由此可知,通过引入不同的填充物可以开发不同的功能传感器,在压力、温度和气敏等传感领域将具有极大的应用前景。

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薄膜体声波滤波器(FBAR)作为一种无源、体积小和耐功率高的器件,被广泛应用于射频信号处理中。晶圆级气密封装作为小型化封装的代表,在各种高可靠性应用场景中占据重要地位。金-金键合和金-锡键合被广泛应用于薄膜体声波滤波器的气密性晶圆级封装中,但金-锡键合在工艺上更易实现。该文针对金-锡键合在气密性晶圆级封装中的应用进行了研究,在保证键合强度的情况下制作了3 GHz滤波器样品,其性能测试一致性良好,可靠性达到要求。

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随着移动通信技术的快速发展,薄膜体声波滤波器逐渐向高频和大带宽方向发展。该文研究了POI(LiNbO3/SiO2/Si)基片上背腔刻蚀型横向激励薄膜体声波谐振器制作工艺,通过研究POI基IDT光刻、背腔硅刻蚀等工艺,确定了IDT层曝光量和背腔刻蚀等关键工艺参数。研制出的背腔刻蚀型横向激励薄膜体声波谐振器,其谐振频率为4 565 MHz,反谐振频率为5 035 MHz,机电耦合系数为20.86%。此制备工艺对研究高频、大带宽薄膜体声波滤波器具有重要的参考意义。

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采用传统固相法制备了Pb(Zr₁-_xTi_x )O₃ 陶瓷,通过调节锆钛摩尔比将其定位于四方区域以改善温度

稳定性,并通过优化烧结温度改善电学性能。实验结果表明,当x=0.52时,体系处于四方区域,此时陶瓷的温度

稳定性有所提升,在室温~300 ℃时,d₃₃ 变化率为±14.7%。在1 250 ℃下烧结的Pb(Zr_0.48Ti_0.52)O₃ 陶瓷具有最

佳的电学性能:压电常数d₃₃=183 pC/N,居里温度T_C=402 ℃,相对介电常数ε_r=1 209。

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随着石英谐振器向小型化、高频化发展,其尺寸越来越小,因此,低成本的谐振器精准制造工艺尤为重要。该文对石英晶片进行腐蚀实验以确定精准制造矩形谐振器的最佳工艺条件,研究了温度对金属保护层完整性的影响,以及腐蚀时间对石英表面粗糙度的影响。腐蚀速率稳定且适中,有利于谐振器的精准制造。设计了石英谐振器工艺流程,得到质量较好的超薄矩形AT 切高频石英谐振器。分析其尺寸误差产生的原因,并总结了一套精度较好的湿法腐蚀工艺,有望采用低成本手段使矩形谐振器的厚度小于10 μm。

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该文应用压电陶瓷器件激发频率1 MHz的兰姆波在非压电基板上进行了微流体温度分布的研究。经理论分析表明,兰姆波向流体中辐射纵波以及兰姆波在介质中传播时的粘性摩擦损失产生了声热效应。采用红外摄像机观察液滴从兰姆波激发直至达到稳态时的热分布变化,发现液滴在兰姆波入射一侧的温度高于其他区域且高温区域有向顶部扩散的趋势。观察不同液体黏度液滴的声热现象,发现油滴的温度扩散更均匀,动力学行为更弱。采用有限元分析声流和声热效应,发现液滴在顶部区域声流速最大,在声流作用下,液滴的高温区域扩散至顶部。

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该文设计了一款具有单陷波特性的高隔离超宽带(UWB)四单元多输入多输出(MIMO)天线。天线的尺寸为65 mm×65 mm×0.8 mm。4个槽天线单元水平正交放置,采用易加工集成的共面波导(CPW)馈电,引入缺陷地及十字隔离枝节去耦。通过在天线辐射贴片上刻蚀一个U 形槽,在4.35~6.08 GHz处产生陷波,能阻止WLAN(5.15~5.825 GHz)的通信干扰。经实测,该天线的工作频段为2.46~10.6 GHz,隔离度＜-20 dB,在4.35~6.08 GHz产生覆盖WLAN 的阻带,包络相关系数＜0.02,分集增益＞9.998,实测性能良好。该天线能够广泛应用于UWB-MIMO 通信系统。

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以同时提升多模态采集和增加带宽为研究方向,结合多模态扩频理论,建立了一套多模态宽频且能多方向工作的压电振动能量采集系统。该系统包含能量采集器和电源管理电路两个模块。其中,采集器包括4种谐振频率,组成了较宽的工作频带,保证了该采集器在低频振动工作环境下高效率地收集振动能量;电源管理电路将采集到的交流电转换为稳定的直流电,再对电容或电池等储能元件充电以供微电子器件使用。经过模态和谐响应分析后,搭建了实验平台并对采集系统进行实验测试。实验结果表明,在加速度6 m/s2 简谐力激励下,工作频带为16.1~27.8 Hz,输出电压最高可达35.75 V,阻抗匹配后最优阻值为200 kΩ,此时输出功率为115.85 μW。

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中国电科芯片研究院生产的JGD提拉单晶炉是一种上称重自动直径控制激光单晶炉,它实现了提拉法晶体全自动智能生长控制。利用JGD提拉单晶炉控制软件建立提拉法晶体数学模型,晶体生长全程以数学模型为标准,以晶体质量为控制量进行实时闭环反馈控制。该软件建立的晶体数学模型有四段式晶体数学模型和任意多段晶体数学模型两种形式。在设计放肩段时,四段式晶体数学模型充分体现了晶体籽晶段与放肩段、等径段三位一体平滑过渡的理念;而任意多段晶体数学模型在曲线设计上更加灵活多样,晶体数学模型设计更便捷。JGD提拉单晶炉控制软件晶体数学模型被广泛用于多种晶体生长过程,如InSb、YAG 等晶体。晶体外形控制良好、品质优良。

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