（机械电子工程专业论文）换能器振子频率的影响因素研究.pdf

一 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地 方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名：辑一 日期：址年月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规 定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 作者签名：兰e 至j 导师签名：立j 盛乏j | 期：三业年月卫日 中南人学硕l ：学位论文 摘要 摘要 夹心式压电陶瓷换能器振子是超声引线键合设备的关键部件之 一，目前在设计方面模型过多简化，难以指导产品研发；由于影响振 子频率的因素众多，在装配方面，频率难以控制导致一致性差。本文 实验研究了螺栓预紧力、老化等因素对振子频率的影响，推导了考虑 预紧力的压电等效电路，并修正了传统振子设计方法。本文研究对于 提高换能器设计水平，解决频率一致性问题有重要意义和工程实用价 值。本文的主要工作包括： 1 建立了基于a n s y s l o 0 的换能器振子有限元仿真研究平台， 研究了螺栓预紧力、前后盖板长度以及压电常数对振子频率的影响规 律。发现谐振频率随前后盖板长度增加而减小，压电常数不仅影响谐 振频率，同时影响振子振型。 2 设计了精确测量螺栓预紧力的实验装置，实验研究了预紧力 对振子频率的影响规律。 3 建立了振子高温老化试验系统，实验研究了老化温度，老化 时间对振子频率及阻抗的影响规律。发现，老化后振子频率升高 2 5 - v 3 k h z ；阻抗减小2 3q ；老化温度对振子频率和阻抗影响不明显。 4 实验对比了进口及国产压电陶瓷片的性能，测量了压电陶瓷 片频率的分散性，发现陶瓷片差异小，一致性好，对振子频率的影响 几乎可以忽略。 5 推导了考虑外力作用下的压电陶瓷片等效电路及频率表达 式；根据力电类比原理，在传统换能器振子等效电路中，引入了预紧 力因素，获得了有预紧力因素的振子频率方程及表达式，修正了传统 的换能器设计方法。 关键词压电陶瓷换能器，振子，螺栓预紧力，谐振频率，等效 电路 a b s t r a c t t h es a n d w i c hp i e z o e l e c t r i cc e r a m i cu l t r a s o n i ct r a n s d u c e ri st h ek e y p a r to fu l t r a s o n i cw i r eb o n d i n ge q u i p m e n t a tp r e s e n t ，t h ed e s i g nm o d e l o ft r a n s d u c e ri so v e r s i m p l i f i e d ，s oi ti sv e r yd i f f i c u l tt og u i d et h ep r o d u c t d e v e l o p m e n t t h ec o n f o r m i t yo ft h er e s o n a n tf r e q u e n c yi sp o o ri nt h e a s s e m b l yp r o c e s sb e c a u s eo fs o m ef a c t o r s f o rt h i sr e a s o n ，t h ee f f e c to n t h ef r e q u e n c yo ft r a n s d u c e rv i b r a t o r , w h i c hi sp l a y e db yt h ep r e s t r e s sa n d t h ea g i n g p r o c e s s ，w a ss t u d i e di n t h e e x p e r i m e n t t h em e c h a n i c a l e q u i v a l e n tc i r c u i tw i t hc o n s i d e n t i o no fp r e s t r e s sw a sd e v e l o p e d ，a n dt h e t r a d i t i o n a lv i b r a t o rd e s i g nm e t h o dw a s o p t i m i z e d i ti sv e r yi m p o r t a n ta n d p r a c t i c a lv a l u et oi m p r o v et h el e v e lo ft r a n s d u c e rd e s i g na n dt ob e r e rt h e c o n f o r m i t yo ft h er e s o n a n tf r e q u e n c y t h em a i nw o r ki n c l u d e s ： 1 t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h e t r a n s d u c e rv i b r a t o rw a s e s t a b l i s h e do na n s y sl0 0s i m u l a t i o np l a t f o r m t h ei n f l u e n c el a w so nt h e v i b r a t o rf r e q u e n c mo ft h eb o l tp r e - s t r e s s ，f r o n ta n db a c ks l a bl e n g t h sa n d t h ep i e z o e l e c t r i cc o n s t a n t ，w e r es t u d i e dr e s p e c t i v e l y b yt h ed i f f e r e n t l o a d i n gc o n d i t i o n s i ti so b s e r v e dt h a tt h er e s o n a n tf r e q u e n c yw i t ht h e i n c r e a s i n g o fs l a b s l e n g t hd e c r e a s e ，t h ef r e q u e n c ya n dt h em o d eo f v i b r a t o rw o u l db ea f f e c t e db yt h ep i e z o e l e c t r i cc o n s t a n t 2 t h ee x p e r i m e n td e v i c ew a sd e s i g n e di no r d e rt om e a s u r et h e p r e - s t r e s so fb o l t t h ee f f e c to ft h ep r e - s t r e s so nt h ev i b r a t o rf r e q u e n c y w a ss t u d i e d 3 t h ee x p e r i m e n ts y s t e mo ft h ev i b r a t o ra g i n gi nh i g ht e m p r e t u r e w a sf o u n d t h et r e n d so ft h er e s o n a n tf r e q u e n c ya n dt h e i m p e d a n c ei nt h e a g i n gp r o c e s sw e r es t u d i e db ye x p e r i m e n t s ，d r a w na b o u t t h er e s o n a n t f r e q u e n c yr a n g eo f2 5t o3 k h z ，t h ei m p e d a n c er a n g eo f2t o3q n o s i g n i f i c a n te f f e c to nt h e mi sp l a y e db yt e m p e r a t u r e 4 t h e i m p o r tp z tw a sc o n t r a s tw i t ht h ed o m e s t i c ，a n dt h e d i s p e r s i o no ft h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i cf r e q u e n c yw a sm e a s u r e di nt h e e x p e r i m e n t i ti sf o u n dt h a tt h ed i 衔e n c eo fp z ti sv e r ys m a l la n dt h e c o n s i s t e n t yo fp z tf r e q u e n c yi sg o o d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ee f f e c to n t h ev i b t a t o rf r e q u e n c yi sv e r ys m a l l 一一一 ，1 h em e c h a n i c a le q u i v a l e n tc i r c u i t so ft h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c n a n df r e q u e n c y e q u a t i o n u n d e rf o r c ew e r ed e r i v e d b a s e d o nt h e e l e c t r o m e c h a n i c a l a n a l o g yp r i n c i p l e ，t h e r o l eo ft h e p r e s t r e s sw a s s u b s t i t u t ei n t ot h ee q u i v a l e n tc i r c u i to ft h et r a d i t i o n a lt r a n s d u c e rv i b r a t o r , a n dt h e f r e q u e n c ye q u a t i o nu n d e rt h ep r e s t r e s sw a sd e r i v e d t h e t r a d i t i o n a lv i b r a t o rd e s i g nm e t h o dw a s o p t i m i z e d k e yw o r d s p i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r ，v i b r a t o r , t h eb o l tp r e s t r e s s ， t h er e s o n a n tf r e q u e n c y , e q u i v a l e n tc i r c u i t 中南人学硕1 ：学位论文 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t 1 i 第一章绪论。l 1 1 研究背景l 1 1 1 微电子封装发展概述。l 1 1 2 国内外封装现状2 1 1 3 国内发展机遇及挑战2 1 2 超卢键合用换能器发展现状4 1 2 1 概i 苤4 1 2 2 换能器发展现状4 1 2 3 换能器振子的作用。6 1 3 国内外相关研究7 1 4 课题研究意义9 1 4 1 研究意义。9 1 4 2 本文研究内容9 1 4 3 课题来源。9 第二章换能器振子的设计理论与方法“ 2 1 夹心式压电陶瓷换能器结构1 l 2 2 换能器等效电路设计方法。l l 2 2 1 等效电路原理1 2 2 2 2 压电陶瓷等效电路1 3 2 2 3 换能器振子等效电路1 6 2 2 45 6 k i - i z 换能器振子设计算例l8 2 3 换能器振子的有限元分析法2 0 2 4 换能器振子加工与装配2 l 2 4 1 换能器振子的加工2 l 2 4 2 换能器振子的装配：2 2 2 5 本章小结2 2 第三章换能器振子频率影响因素的仿真研究。2 3 3 1 换能器振子频率的仿真平台。2 3 3 1 1 压电材料的有限元方法2 3 3 1 2 换能器振子模型的建立2 4 3 2 预紧力对换能器振子频率的影响研究2 6 3 2 1 等效温度法施加预紧力2 6 3 2 2p r e t s l 7 9 施加预紧力2 9 3 3 前后盖板尺寸对换能器振子频率的影响研究2 9 3 4d 3 3 参数对换能器振子频率的影响研究。3 l 3 5s 3 3 参数对换能器振子频率的影响研究。3 3 3 6 本章小结3 5 中南大学硕i ：学位论文目录 第四章换能器振子频率影响因素的实验研究3 6 4 1 预紧力对换能器频率的影响一3 6 4 1 1 预紧力与换能器振子谐振频率关系的测量方法3 7 4 1 2 测量实验装置3 8 4 1 3 实验数据分析4 2 4 2 老化过程对换能器振子频率的影响实验一5 0 4 2 1 第一组实验5 0 4 2 2 第二组实验5l 4 2 3 第三组实验5 3 4 2 4 第四组实验5 4 4 3 老化过程对换能器频率的影响实验5 5 4 4 温度对换能器频率的影响实验。5 7 4 4 1 温度对压电陶瓷片性能的影响5 8 4 4 2 温度对换能器谐振频率及阻抗的影响5 9 4 5 压电陶瓷片对换能器振子频率的影响。6 l 4 5 1 国产与进口压电陶瓷片特性6 l 4 5 2 压电陶瓷片频率对换能器振子频率的影响6 2 4 6 本章小结6 5 第五章考虑预紧力的换能器振子等效电路6 7 5 1 压电陶瓷长度伸缩振动模式6 7 5 1 1 自由振动模式下的等效电路6 8 5 1 2 非自由振动模式下的等效电路6 9 5 2 厚度方向振动模式7 l 5 2 1 自由振动模式下的等效电路7 l 5 2 2 非自由振动模式下的等效电路。7 3 5 3 考虑预紧力的换能器振子等效电路。7 4 5 4 本章小结7 8 第六章总结7 9 6 1 全文总结。7 9 6 2 重要结论7 9 6 3 展望8 0 参考文献：8l 致谢 8 5 攻读硕士学位期间的研究成果8 6 中南人学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 微电子封装是支持i t 产业发展的关键技术之一，近年来发展迅速，目前， 亚洲封装业已占世界封装业的7 0 以上【1 圳。 微电子封装是集成电路芯片生产过程中不可缺少的一道工序。封装不但直接 影响着集成电路本身的电性能、机械性能、光性能和热性能，影响其可靠性和成 本，还在很大程度上决定着电子整机系统的小型化、多功能化【3 4 】。封装这一生 产环节对微电子产品的质量和竞争力都有极大的影响。 1 1 研究背景 1 1 1 微电子封装发展概述 封装最初的定义是保护集成电路芯片免受周围环境的影响( 包括物理、化学 的影响) 。集成电路芯片刚刚生产出来时只是裸芯片，芯片电路极容易受到空气 中的杂质腐蚀而造成电气性能下降，因此必须与外界隔绝，密封保护。通常认为， 微电子封装主要有四大功能，即功率分配、信号分配、散热和包装保护。也有文 献【5 】提出封装还具有标准格式化功能，有利于产品的标准化和设备的通用性。微 电子封装一般分为三级，首先是用封装外壳( 金属、陶瓷、塑料等) 将裸芯片封 装成单芯片组件或多芯片组件称为一级封装，或者为芯片级封装；然后将一级封 装和其他元器件一起组装到基板上，称为二级封装，或者板级封装；将二级封装 组装到母板上为三级封装，也叫系统级封装【6 】。 微电子封装的种类较多。根据材料可分为金属封装、陶瓷封装、金属陶瓷 封装和塑料封装；从成型工艺来分，又可分为预成型封装( p r e m o l d ) 和后成型 封装( p o s t m o l d ) ；从封装外型、尺寸、结构来讲，则有s i p ( s i n g l ei n - l i n ep a c k a g e ) 、 d i p ( d u a li n - l i n ep a c k a g e ) 、s o p ( s m a l l - o u t l i n ep a c k a g e ) 、p b g a ( p l a s t i cb a l lg r i d a r r a y ) 、c s p ( c h i ps c a l ep a c k a g e ) 等等【5 1 。 微电子封装的发展经历了三个历程【2 。3 1 ，即第一阶段，上世纪七十年代以插 装为主的封装形式；第二阶段，上世纪八十年代引入了表面安装封装；第三阶段， 上世纪九十年代，随着设备的改进和深亚微米技术的使用，出现了球栅阵列封装， 并很快称为主流产品。目前正在向第四个、第五个阶段迈进【_ 7 1 。第四个阶段是从 二十世纪末开始，主要是多芯片组件( m c m ) 、系统级封装、三维立体封装。第 五个阶段将是2 1 世纪前十年开始，主要是系统级单芯片封装和微电子机械系统 封装。如图1 1 所示封装的发展历程。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 小 型 化 低 成 本 性 墨曼逻砌sp k g t s s o p s s o p 3 d ( s t a c k d i e ) - - - - - - _ t s o p - i hf c - - q 刑s o n 9 f n s o n f c , - - b g a s 0 嗍t q 开辩b c a 、p l c _ c q f p 、w b b g a1 s d i p 伊im c m ；3 d - $ j p s i p d i p 、p g at 1 9 7 0 s 1 1 2 国内外封装现状 1 9 8 0 ，s1 9 9 0 s2 0 s 高脚数，高性能特征 图i - 1 封装发展趋势 全球半导体行业在2 0 1 0 年发展迅猛，工业、制造业市场需求扩张。根据 c m i c ( c o m m u n i c a t i o n sa n dm i s s i o ni n t e g r a t i o r r c c n t c r ) 报告预计，2 0 1 0 年全球 半导体行业产值增长率为1 0 。根据2 0 0 3 年i t r s ( i n t c r n a t i o n a lt e c h n o l o g y r o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r ) 公布的预测结果，将实现特征尺寸2 0 10 年4 5 r i m 、2 0 1 3 年3 2 n m 、2 0 1 6 年2 2 n m 的量产。在世界最高水平的单片集成电路芯片上，所容 纳的元器件数量已经达到8 0 多亿个。芯片特征尺寸的减小和集成度的增加必然 会对封装提出更高的要求。芯片的电源供应和信号传送都要通过封装来实现与系 统的连接，而且芯片的速度越来越快，功率也越来越大，使得芯片的散热问题日 趋严重。 与此同时，中国集成电路产业取得了飞速发展，已经成为全球半导体产业关 注的焦点，在国民经济发展中起着关键作用。制造业、设计业和封装业等各环节 逐步完善，本土i c 设计业者逐渐崛起。从产业规模来看，我国集成电路产量和 销售收入分别从2 0 0 5 年的2 6 6 亿块、7 0 2 亿元，提高到2 0 0 9 年的4 4 1 亿块、1 1 1 0 亿元。同时，在“核高基 和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺 重大专 项等科技项目的支撑下，我国集成电路企业在设计、制造、封测、装备及仪器方 面已积累相当的基础。而且，新兴产业快速发展成为推动集成电路产业发展的新 动力。 1 1 3 国内发展机遇及挑战 封装研究在全球范围的发展十分迅猛，而它所面临的机遇和挑战也是自电子 产品问世以来所从未遇到过的。微电子封装所涉及的问题较多，它需要从材料到 工艺、从无机到聚合物、从大型生产设备到计算力学等诸多学科的协同努力，是 一门综合性非常强的新型高科技学科。封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性 2 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 能的发挥和与之连接的p c b ( p r i n tc i r c u i tb o a r d ，印刷电路板) 的设计和制造。 半导体封装的成本中设备约占2 卜3 0 。因此半导体封装业的发展将为封装设备 产业提供一个广阔的潜在市场【引。对于很多集成电路产品而言，封装技术都是非 常关键的一环。 目前，设计、制造和封装测试产业链的上游被美国、日本、欧盟等企业占据， 核心技术由其掌握。尤其是半导体设备制造业也被这些国家和地区垄断，如应用 材料、日本东京电子、荷兰a s m l 等。在封装测试产业中，台湾企业所占的比 重最大，全球前5 大封测厂家已占3 席。根据半导体封装全球发展趋势和国内现 状来看，我们应该清楚地认识到，我国半导体封装业整体水平还比较落后。 封装工艺设备多数都是光机电相结合的高度自动化设备，封装成品率通常已 达到9 9 9 以上，因此，封装设备可靠性或稳定性将决定这台设备的命运。任何 不稳定或不可靠的设备将制造出大量的不合格品，肯定没有市场。如图1 2 所示 ( a ) 为a s m 公司的全自动引线键合机，( b ) 为美国k & s 公司的全自动引线 键合机，( c ) 为国产全自动引线键合机。国产全自动引线键合机是由手动键合 机改装而成，与其他两台引线键合机相比，在性能上有较大的差距。因此，还需 要加大力度，提高国产全自动引线键合机的整体性能。 ( a ) ( b )( c ) 图1 - 2 全自动引线键合机 引线键合与倒装键合是半导体制造工艺中的重要环节，即芯片一级封装的主 体工艺。当前引线键合技术已相当成熟，其占据芯片封装领域9 0 以上的份额 g q o 】。夹心式压电陶瓷换能器是热超声引线键合设备中的核心部件，其设计与制 造过程对于提高换能器的振幅输出，提高焊线质量起着决定性的作用【1 。 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 超声键合用换能器发展现状 1 2 1 概述 超声波是指频率高于2 x1 0 4 h z 的声波，可用于测距、测速、清洗、焊接、 碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。 在全自动引线键合设备中，采用了夹心式压电陶瓷换能器来完成引线与焊盘 的焊接。所用换能器包括驱动部分( d r i v e r ，振子) 和振幅放大部分( h o r n ，变 幅杆) ，其基本结构和工作原理如图1 3 。在驱动电源的激励下，换能器振子通 过压电陶瓷的逆压电效应将高频的电能转化为高频的纵向机械振动，再通过变幅 杆的振幅放大作用传递给劈刀，由劈刀完成芯片与基板之间的焊线过程。图1 4 表示了超声键合用换能器纵波传播波形。从图中可以看出沿换能器轴向的位移分 布曲线上，变幅杆的末端位移最大【1 2 】。 图1 - 3 超声键合用换能器焊线过程示意图 1 2 2 换能器发展现状 图1 - 4 换能器纵波传播波形 国外对超声引线键合用换能系统研制已经有较长的时间。美国u t h e 公司 从2 0 世纪6 0 年代开始生产各种换能器系统，曾为世界各大半导体生产商如美国 k & s 、香港a s m ，s i n k a w a 等提供超声换能器系统。目前，这些半导体装备制 造公司也在自主研发换能系统。在国内，超声键合用换能系统的研制还处于比较 落后的水平。目前没有专门从事换能器研制的生产厂商。而国内一些公司或者科 研机构采用“消化再仿制 的模式制作换能系统，由于在理论上尚未完全消化， 仿制出的换能系统工作不稳定，键合效果不理想，且寿命短暂。 随着芯片特征线宽不断减小，未来半导体器件将向微纳米尺度发展。由此， 4 中南人学硕十学位论文第一章绪论 芯片各i o 端口之间的间距将不断减小，如到2 0 1 3 年芯片特征线宽减小到3 2 纳 米时，需要的引线自j 距只有2 0 9 m 。面对超细微的引线问距，此时换能系统超声 输出的振幅要相应减小，否则将会造成各引线之间的干扰。超细间距引线键合需 要超声换能器所发生的超声振动具有更高的稳定性及更大的强度，此外，新的键 合材料( 例如铜) 对超声换能器的振动频率也有新的要求【1 3 】。 传统的夹心式压电陶瓷换能器是以6 3 k h z 为主，已经不能满足工业上的需 要。目前出现了高频换能器、双频及多频换能器、压电复合材料换能器和磁致伸 缩换能器。高频换能器是指工作频率超过1 0 0 k h z 的换能器系统。例如在b g a 封装中，常需要在低温下进行键合，而低温下键合会对键合强度和可靠性产生不 良影响，要解决这一问题就必须要求换能器具有较高的( 1 0 0 k h z 以上) 超声频 率【1 4 1 。近年来，一些半导体设备公司已经把换能器的振动频率从6 0 k h z 提高到 了1 0 0 k h z 以上，设计出了高频超声振动系统【1 3 】。采用高频换能器系统键合时， 具有以下优点： 1 ) 提高键合效率，改善键合效果： 2 ) 具有更小的键合压力与更低的键合温度； 3 ) 对金丝线的损坏更小； 4 ) 减少键合点周边金属斑痕的出现； 5 ) 减少了键合点剥离、缩孔、裂纹等缺陷的产生。 高频换能器键合是未来封装业的一个重要发展趋势。然而，高频换能系统将 比传统6 3 k h z 换能系统表现出更为复杂的特性。图1 5 和图1 6 所示为两种换能 器结构【1 5 - 1 6 1 。 图1 - 5 双变幅杆结构换能器 图1 - 6 三角形截面变幅杆换能器结构 无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电 材料的性能，并能产生两相都没有的特性。因此，可以根据需要综合二相材料的 优点，制作性能良好的换能器，如图1 7 为压电复合材料以及装配的换能器。复 合材料陶瓷片，可以实现更大的带宽，减少寄生模斜1 7 1 。磁致伸缩换能器也因具 有更高的效率和更好的可靠性等优点受到研究者的青睐【l 引。如图1 8 所示磁致伸 缩换能器。 5 中南人学硕十学位论文第一章绪论 图1 - 7 压电复合材料换能器图1 - 8 磁致伸缩换能器 还有的研究者还根据不同的焊头振动轨迹，设计出高频复杂振动系统【1 9 - 2 0 。 除此之外，还有空心结构换能器、阶梯型换能器、双频换能器以及一些新型的换 能器 2 1 - 2 4 1 ，以适用于不同的键合条件。 图1 - 9 空心结构换能器 图1 - 1 1 双频换能器 图1 - 1 0 阶梯结构换能器 图1 - 1 2 新型换能器 随着封装芯片向高集成度、高密度趋势发展，换能系统变的更加复杂。超声 能量的输出很容易受到各种信号的干扰，或者键合过程中超声能量幅值变化无 常，结果导致无法得到良好的键合效果。此外，换能系统的控制需要足够精确， 必须确保其工作在设计的模态下，否则换能系统会被激发出随机的振动模态，将 会破坏换能系统。因此，高稳定性与高精确控制的换能系统仍是未来研究的主题。 1 2 3 换能器振子的作用 随着超声技术的发展和功率型超声设备仪器应用的深化，功率型超声设备仪 器性能的好坏很大程度上取决于功率型压电陶瓷振子品质的好坏瞄】。 换能器振子将高频的激励电流转换为超声振动，是夹心式压电陶瓷换能器的 驱动部分。整个换能器系统性能的好坏很大程度上取决于换能器振子的好坏。设 计制造一定频率的夹心式压电陶瓷换能器时，首先要设计换能器振子，振子的频 率最终决定了夹心式压电陶瓷换能器的频率。 6 中南人学硕十学位论文第一章绪论 1 3 国内外相关研究 夹心式压电陶瓷换能器是热超声引线键合设备中的核心部件，超声换能器性 能的好坏直接影响着焊线质量【2 6 1 。压电超声换能器是功率超声领域中使用比较广 泛的一种换能器，结构上是由压电陶瓷，前后金属盖板和预紧螺栓组成。预应力 要施加适当，使压电陶瓷始终处于被压缩状态，预应力过低，压电陶瓷片在共振 工作时易破裂；预应力过高，易增加压电材料的非线性和引起材料的老化【2 7 2 9 】。 近年来国内外关于夹心式压电陶瓷换能器频率与螺栓预紧力之间关系的相 关研究主要有： 1 、预紧力对界面间接触效率的影响 f j a r n o l d 等【2 9 - 3 0 】人通过实验发现压电陶瓷换能器的谐振频率和反谐振频 率随着施加的机械预紧力而改变。实验中施加的预紧力从0 增加到5 0 m p a ，此 时谐振频率和反谐振频率有明显的变化，当预紧力小于3 0 m p a 时变化较快，从 3 0 m p a 增大到5 0 m p a 时变化相对较慢。他们认为导致这种现象的原因可能是压 电陶瓷的物理特性改变或者是在预紧力作用下换能器不同界面之间的有效声接 触面改变。经分析，f j a r n o l d 等人指出压电陶瓷的物理特性( 弹性常数和压电 常数) 没有明显的变化，预紧力改变了换能器不同部分之间的有效声接触面，预 紧力小于3 0 m p a 时声接触比较差，大于3 0 m p a 时整个界面有了较好的配合，因 此谐振频率变化比较小。为了验证实验现象，他们在夹心式压电陶瓷换能器的等 效电路分析中，引入界面接触效率而，而，表征了金属盖板和压电陶瓷之间界面 的有效接触比例，与系统的能量流有关，并引入到系统阻抗的数学表达式中，仿 真结果与实验相符。 f j a r n o l d 等人建立的模型虽然解释了实验的现象，但是其关于界面接触效 率的假设与换能器内部位移连续的事实相背。但他们的研究结果表明预紧力对夹 心式压电陶瓷换能器谐振频率的影响规律，并在实验中得到了证明，相关的实验 数据可以为本文的研究提供参考。 2 、预紧力对压电陶瓷片的物理参数的影响 c h x u 等【3 1 】人通过实验研究了环状压电陶瓷片在不同的机械预紧力下，部 分物理参数的变化趋势。他们首先借助压电陶瓷的等效电路，研究了机械预紧力 对机电耦合系数和机械品质因数的影响。通过实验发现压电陶瓷片在预紧力的作 用下去极化，有效机电耦合系数七随着预紧力的增大而减小。而且当螺栓夹紧 时，由于预紧力分布不均，压电陶瓷环上不同部分的去极化程度不同。机械品质 因数q 。随着预紧力的增加也迅速下降。 研究中，c h x u 等人同时说明了d ，也随着压力的变化而变化。通过测量d ， 的变化确定当压电陶瓷环所受压力分布不均时，不同部分的去极化程度不同，实 7 中南人学硕+ 学位论文第一章绪论 验表明d ，会随着压力的增大而减小。这个研究结果为预紧力对换能器振子谐振 频率的影响研究提供了帮助。 3 、k a z u n a r ia d a c h i 研究发现【2 8 】，压电陶瓷环接触表面上预应力的分布情况 对机械品质因数有非常重要的影响，而机械品质因数是换能器的一项重要指标。 4 、内置金属盘的压电陶瓷圆环的径向振动研究 林书玉1 3 2 】研究了内部嵌套金属盘的压电陶瓷薄圆环的径向振动，分别分析了 压电陶瓷薄圆环和金属盘的径向振动，获得了各自振动的机电等效电路。再由这 两个机电等效电路以及径向振动的边界条件，得到了整个复合系统的等效电路， 计算出了谐振频率和反谐振频率的理论值，同时使用a g i l e n t 阻抗分析仪测得了 样品的谐振频率和反谐振频率的实际值，与理论结果相吻合。林书玉还研究了谐 振频率、反谐振频率、有效机电耦合系数和几何尺寸之间的关系。 研究中，在推导系统阻抗表达式时并未考虑不为零的机械端，因此研究结果 不能体现力的效果，得出的谐振频率有很大的局限性。但其研究方法对本文的研 究具有重要的指导意义。 5 、夹心式压电陶瓷换能器预紧力的测量 目前有较多的文献研究了夹心式压电陶瓷换能器中预紧力的测量方法。这些 方法都是利用压电陶瓷片产生的电荷量和所受的力的关系来测量装配过程中的 预紧力【3 3 3 5 1 ，原理图如图1 1 3 。 这些研究成果对本论文的实验提供了帮助，本论文可以在这些研究成果的指 导下设计实验，得出比较准确的实验结果，减少误差的产生。 f o r o ew a s h e r c l l a 玛em n p l i f i c t 图1 - 1 3 预紧力测量原理图 6 、压电陶瓷环的特性研究 k e ic h u nc h e n g 等人【3 6 1 研究了引线键合设备中所使用的环状压电陶瓷片的 特性，给出了各种振动模态下谐振频率的计算公式( 1 1 ) ，为本论文研究影响 谐振频率的因素提供了帮助。同时还研究了压电陶瓷片的机电耦合系数、电阻抗、 厚度方向频率常数、机械品质因数以及厚度方向的振动频率随压电陶瓷片厚度变 化而变化的趋势，为夹心式压电陶瓷换能器中的压电陶瓷片的选择提供了依据。 8 中南人学硕十学位论文第一章绪论 1 4 课题研究意义 1 4 1 研究意义 f r - t h k 石南 2 f 、仂j 篡 目前，夹心式压电陶瓷换能器制作主要有设计和装配两个阶段，传统的设计 方法是根据已有的换能器各部分机电等效电路，画出系统等效电路，计算出换能 器各部分的尺寸。在传统设计过程中，由于不考虑螺栓预紧力，因此制造出来的 换能器，其实际频率与设计频率有较大误差，需要不断修正，使得换能器的开发 周期长达数年。实际上换能器的频率除了与各部分尺寸相关外，主要还与装配过 程中施加的螺栓预紧力有关。 因此，提出新的考虑螺栓预紧力的设计模型，减小模型与实际尺寸之间的误 差，进而提高换能器的设计水平，缩短产品研发周期，具有重要的工程使用价值 和理论研究意义。 1 4 2 本文研究内容 本文主要实验研究了预紧力对夹心式压电陶瓷换能器频率的影响规律，可用 于指导换能器的装配过程，以提高装配的换能器频率一致性；建立了新的考虑装 配预紧力的换能器振子设计模型，对提高换能器的准确性设计，缩短换能器的设 计周期具有一定的参考价值。研究内容包括： 1 ) 分析换能器振子各个部分的等效电路，建立系统等效电路。了解换能器 振子的传统设计方法，等效电路法和有限元法，并设计算例，熟悉设计过程。了 解换能器振子的加工和装配要求。 2 ) 借助有限元仿真软件，分析螺栓预紧力、换能器振子前后金属盖板尺寸 和压电常数对振子谐振频率的影响规律，初步确定影响振子谐振频率的因素。 3 ) 设计实验装置，测量预紧力对换能器振子谐振频率的影响规律，并和仿 真结果进行对比。实验分析老化过程、温度、压电陶瓷片频率一致性等对换能器 振子谐振频率的影响。 4 ) 推导考虑预紧力的压电陶瓷片长度伸缩振动和厚度方向振动的机电等效 电路，分析预紧力对振动的影响。将预紧力引入换能器振子等效电路，推导阻抗 表达式，得出频率方程。 1 4 3 课题来源 课题来源于国家自然科学基金“热超声倒装芯片奇异运动响应与外场输入动 9 中南人学硕士学位论文第一章绪论 态优化”( 编号：5 0 7 0 5 0 9 8 ) 和国家重大基础研究发展计划项目( 9 7 3 计划) “超 薄芯片叠层组合互连中多域能量传递与键合形成( 编号：2 0 0 9 c b 7 2 4 2 0 3 ) 。 i 0 中南人学硕十学位论文第二章换能器振子的设计理论与方法 第二章换能器振子的设计理论与方法 夹心式压电陶瓷换能器( 下文简称换能器) 的设计方法主要有等效电路法和 有限元法。等效电路法是分别建立换能器振子和变幅杆的等效电路，再结合边界 条件，将等效电路串联，由此得出整个换能器的等效电路，并根据等效电路中总 电抗为零的条件，求得频率方程，进而计算出各部分的尺寸。其中，边界条件包 括相邻部分的边界上力和振动位移的连续。然后再使用有限元法对计算出来的尺 寸进行优化，以便得到更加准确的设计结果。 2 1 夹心式压电陶瓷换能器结构 夹心式压电陶瓷换能器由两部分组成：换能器振子( 驱动部分) 和变幅杆， 如图2 1 。其中换能器振子由前后金属盖板、压电陶瓷片( p z 4 ) 、预紧螺栓和 电极片组成，起着能量转换的作用。在换能器驱动电源的激励下，换能器振子利 用压电陶瓷的逆压电效应将输入的高频电能转化为机械振动，机械振动经过变幅 杆后位移被放大，完成超声焊接。安装环是变幅杆上位移为零的位置，通过安装 环，把换能器和设备连接起来。 l 一驱动郭分l 一变幅杆一 图2 - 1 夹心式压电陶瓷换能器结构 2 2 换能器等效电路设计方法 对换能器振子的前后金属盖板和压电陶瓷片的机电振动特性分别加以分析， 然后再将其结合到一起，便可得到整个换能器振子的等效电路，从而进行设计。 在实际设计中，为了简化分析换能器振子的振动状态，必须对换能器振子的振动 模式及几何尺寸做一定的假设。首先，在换能器的使用频率范围内，换能器振子 的总长度可以和声波的波长相比拟，而且换能器振子的直径必须远小于换能器的 波长，也就是远小于换能器的纵向尺寸。其次，换能器振子各部分的连接面两侧， 中南大学硕十学位论文第二章换能器振子的设计理论与方法 位移和力是连续的。 2 2 1 等效电路原理 等效电路方法利用电学和力学现象存在相似的规律及微分方程表达式，将力 学系统转化为直观的电路系统，是研究和分析夹心式压电陶瓷换能器的一种有效 方法。 假设某机械振动系统，如图2 - 2 所示。其中质量为m ，弹性常数为k ，振动 速度为，阻力为r 。v 。若外界的作用力为