【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及電子材料與器件，具體涉及基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估方法及系統。
技術介紹
1、超聲換能器是超聲系統的關鍵部件，負責電能與機械能之間的轉換。傳統的超聲換能器主要采用壓電材料通過一系列復雜的制造工藝生產，這些步驟導致了較高的成本和較低的生產效率。為了解決這些問題，微機電系統(mems)技術被引入以制備微型化、集成化的超聲換能器，即微機械超聲換能器(muts)，其中包含了電容式超聲換能器(cmut)和壓電式超聲換能器(pmut)兩種類型；其中，pmut由于不需要偏置電壓、具有較高的靈敏度和可靠性而受到廣泛應用。
2、近年來，鈮酸鋰(linbo3,ln)作為一種具備強壓電效應的晶體材料受到廣泛關注；通過離子注入剝離法制備ln單晶薄膜，不僅保留了ln的優良特性，而且在厚度控制、表面平整度等方面表現出色，這為高性能pmut器件的開發提供了新的可能；相較于傳統的氮化鋁(aln)、鋯鈦酸鉛(pzt)等壓電材料，ln擁有更高的壓電系數和介電常數，這意味著更強的機電耦合能力；同時，盡管ln的壓電系數低于pzt，但其低得多的介電損耗使得基于ln的pmut能夠在保持較高信噪比的同時實現更低的能量消耗。此外，ln材料還具有優異的生物相容性和工藝兼容性，特別是在特定切割方向上的單晶ln能夠提供非常高的機電耦合系數，這對于提升pmut的工作效率至關重要。
3、然而，現有技術對于如何充分利用ln單晶材料的獨特性質以優化pmut的性能的研究存在不足，缺乏對不同工作條件下pmut響應特征的分析方法，導致不同工作條件
技術實現思路
1、為了優化鈮酸鋰制備壓電超聲波換能器的靈敏度和帶寬，本專利技術的目的在于提供一種基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估方法及系統，所采用的技術方案具體如下：
2、本專利技術第一方面的技術方案提供了一種基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估方法，所述方法包括：
3、獲取目標切型鈮酸鋰晶體標準坐標系下的物理參數矩陣；
4、根據預設旋轉軸和不同傳輸角對物理參數矩陣進行旋轉變換；
5、根據旋轉變換后的物理參數矩陣，以最大化目標壓電矩陣分量為目標提取第一傳輸角；
6、根據旋轉變換后的物理參數矩陣，以最大化機電耦合系數為目標提取第二傳輸角；
7、構建換能器仿真模型，根據第一傳輸角和第二傳輸角模擬并提取最優傳輸角。
8、進一步地，獲取目標切型鈮酸鋰晶體標準坐標系下的物理參數矩陣包括：
9、獲取目標切型鈮酸鋰晶體標準坐標系下的壓電常數矩陣、介電常數矩陣以及彈性常數矩陣。
10、進一步地，根據預設旋轉軸和不同傳輸角對物理參數矩陣進行旋轉變換包括：
11、利用邦德矩陣法分別對壓電常數矩陣、介電常數矩陣以及彈性常數矩陣進行旋轉變換。
12、進一步地，利用邦德矩陣法分別對壓電常數矩陣、介電常數矩陣以及彈性常數矩陣進行旋轉變換包括：
13、根據預設旋轉軸和不同傳輸角定義正交變換矩陣及應力張量變換矩陣；
14、利用正交變換矩陣對介電常數矩陣進行旋轉變換，得到旋轉后的介電常數矩陣；
15、利用應力張量變換矩陣分別對壓電常數矩陣和彈性常數矩陣進行旋轉變換，得到旋轉后的壓電常數矩陣和彈性常數矩陣。
16、進一步地，根據旋轉變換后的物理參數矩陣，以最大化目標壓電矩陣分量為目標提取第一傳輸角包括：
17、從旋轉后的壓電常數矩陣中選取目標壓電矩陣分量最大值對應的傳輸角作為第一傳輸角。
18、進一步地，根據旋轉變換后的物理參數矩陣，以最大化機電耦合系數為目標提取第二傳輸角包括：
19、根據不同傳輸角下旋轉變換后的物理參數矩陣，計算不同傳輸角下的機電耦合系數；
20、根據機電耦合系數與傳輸角之間的變化關系，提取第二傳輸角。
21、進一步地，機電耦合系數的表達式為：
22、
23、式中，表示機電耦合系數；表示旋轉變換后的壓電常數；εij表示旋轉變換后的介電常數；cij旋轉變換后的彈性常數；i、j表示矩陣中的行和列索引。
24、進一步地，構建換能器仿真模型，根據第一傳輸角和第二傳輸角模擬并提取最優傳輸角包括：
25、構建換能器有限元仿真模型；
26、從第一傳輸角和第二傳輸角的閉區間范圍內選取傳輸角常數，提取不同傳輸角常數下的壓電常數、介電常數及彈性常數輸入有限元仿真模型，輸出振幅響應結果；
27、根據振幅響應結果提取最優傳輸角。
28、本專利技術第二方面的技術方案提供了一種基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估系統，所述系統包括：
29、物理參數獲取模塊，配置為獲取目標切型鈮酸鋰晶體標準坐標系下的物理參數矩陣；
30、旋轉變換模塊，配置為根據預設旋轉軸和不同傳輸角對物理參數矩陣進行旋轉變換；
31、第一傳輸角提取模塊，配置為根據旋轉變換后的物理參數矩陣，以最大化目標壓電矩陣分量為目標提取第一傳輸角；
32、第二傳輸角提取模塊，配置為根據旋轉變換后的物理參數矩陣，以最大化機電耦合系數為目標提取第二傳輸角；
33、最優傳輸角提取模塊，配置為構建換能器仿真模型，根據第一傳輸角和第二傳輸角模擬并提取最優傳輸角。
34、本專利技術具有如下有益效果：
35、本專利技術提供的基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估方法及系統，通過對目標切型鈮酸鋰晶體物理參數矩陣進行旋轉變換，根據旋轉變換后的物理參數矩陣，以最大化目標壓電矩陣分量為目標提取第一傳輸角、以最大化機電耦合系數為目標提取第二傳輸角，進而通過仿真確定鈮酸鋰壓電超聲波換能器的最優傳輸角，通過在第一傳輸角與第二傳輸角的閉區間內制備鈮酸鋰壓電超聲波換能器，能夠制備出目標切型下大帶寬、高靈敏度的鈮酸鋰壓電式超聲換能器，從而提供更高效、更精確的超聲波檢測和成像能力。
本文檔來自技高網...【技術保護點】
1.基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估方法，其特征在于，所述方法包括：
2.如權利要求1所述的基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估方法，其特征在于，獲取目標切型鈮酸鋰晶體標準坐標系下的物理參數矩陣包括：
3.如權利要求2所述的基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估方法，其特征在于，根據預設旋轉軸和不同傳輸角對物理參數矩陣進行旋轉變換包括：
4.如權利要求3所述的基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估方法，其特征在于，利用邦德矩陣法分別對壓電常數矩陣、介電常數矩陣以及彈性常數矩陣進行旋轉變換包括：
5.如權利要求4所述的基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估方法，其特征在于，根據旋轉變換后的物理參數矩陣，以最大化目標壓電矩陣分量為目標提取第一傳輸角包括：
6.如權利要求1至5任一項所述的基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估方法，其特征在于，根據旋轉變換后的物理參數矩陣，以最大化機電耦合系數為目標提取第二傳輸角包括：
7.如權利要求6所述的基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估方法，其特征在于，機電耦合系
8.如權利要求6所述的基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估方法，其特征在于，構建換能器仿真模型，根據第一傳輸角和第二傳輸角模擬并提取最優傳輸角包括：
9.基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估系統，其特征在于，所述系統包括：
...【技術特征摘要】
1.基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估方法，其特征在于，所述方法包括：
2.如權利要求1所述的基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估方法，其特征在于，獲取目標切型鈮酸鋰晶體標準坐標系下的物理參數矩陣包括：
3.如權利要求2所述的基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估方法，其特征在于，根據預設旋轉軸和不同傳輸角對物理參數矩陣進行旋轉變換包括：
4.如權利要求3所述的基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估方法，其特征在于，利用邦德矩陣法分別對壓電常數矩陣、介電常數矩陣以及彈性常數矩陣進行旋轉變換包括：
5.如權利要求4所述的基于鈮酸鋰的壓電超聲波換能器傳輸角評估方法，其特征在...
【專利技術屬性】
技術研發人員：計煒梁，邢占強，孫臣臣，孫翔宇，
申請(專利權)人：中國工程物理研究院電子工程研究所，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。