材料进行设定。本文选用不锈钢作为换能器的材料。其材料力学特征如表1所示。
然后，在原有的法兰型换能器的基础上，设计出新型的法兰型换能器的具体参数。其参数如图3-图7所示。
3D图如图8所示。
3.3 ANSYS仿真分析
①建模。
将画好的3D图以.IGS格式导入ANSYS中。在前处理中，定义单元类型，选择SOLID92单元。定义不锈钢属性，其参数见表1。
②加载并求解。
进入ANSYS求解器，选择模态分析和Lanczos法求解。待提取的模态个数设置为100，设置加载频率50kHz-200kHz，进行求解计算。
③提取分析结果。
后处理中，选择General Postproc下Read Results提取数据并绘制。反复上述操作，得到100阶模态结果。
通过模态仿真，得到以下结果，如图9所示。
由于系统轴向振动模态均能确保芯片保持与基板相对平行的运动状态，因此成为仿真分析中最值得关注的振动模态。由图可知，由于换能器时要求其固有频率是63kHz或138kHz，所以认为第31阶振动模态是符合工作频率的，即64256Hz为此法兰型换能器的固有频率。虽然与设计频率有一定的误差，但能够满足芯片键合的要求。
④新型的法兰型超声换能器模态分析。
操作同步骤①-③，得到图形显示如图10，并得到第32阶振动模态是符合工作频率，其固有频率为64083Hz。
⑤对比分析。
在相同模态下，法兰型超声换能器和新型的法兰型超声换能器的固有频率相似，振态相近。
在工作频率附近，除了轴向振动之外，系统还包含扭转振动、水平弯曲振动及垂直弯曲振动等模态类型，在实际键合条件下，由于这些谐振频率都没有远离工作频率，它们极有可能被激发，就会浪费超声能量，并破坏芯片与基板之间的正常键合，所以这些振动模态在工作情况下应该被抑制。
4 新型换能器系统设计的实验验证
通过使用安捷伦4294A阻抗分析仪验证ANSYS仿真得到的固有频率的正确性。图11为新型的法兰型超声换能器实物。图12-16为法兰型超声换能器10KHz-150KHz的阻抗图。
结果表明，换能器有一定数量的允许谐振频率，它们分别为：14.4kHz、27.2kHz、50.7kHz、64.1kHz、81.9kHz、117.8kHz、125kHz。可知：在10-l50kHz频率范围内有7个轴向固有频率，其中第4阶64.1kHz与仿真频率64083Hz非常接近，其与仿真的误差仅为0.03%。
5 结论
5.1 超声换能系统的设计及模态分析的结论
①对于法兰型超声换能器在50kHz-200kHz范围内，共做了100阶模态分析，其中第31阶振动模态是符合工作频率的，即64256Hz为此法兰型换能器的固有频率。
②对于新型的法兰型换能器，在50kHz-200kHz范围内的100阶模态中，其中第32阶振动模态符合工作频率的，其固有频率为64083Hz。
5.2 超声换能系统的振动特性分析的结论
新型的法兰型超声波换能器在10kHz-l50kHz频率范围内有7个轴向固有频率，其中第4阶64.1kHz与仿真频率64083Hz非常接近，其与仿真的误差仅为0.03%。
參考文献：
[1]林书玉.超声换能器的原理及设计[M].北京：科学出版社，2004，6：2-4.
[2]杜功焕.声学基础.上册[M].上海：上海科学技术出版社，1981：119-131.
[3]刘曰涛，刘延杰，等.新型并联复合式超声波能量传输机构研究[J].压电与声光，2009，31（5）：3-5.
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