随着集成电子芯片朝着多引线、细间距、高密度方向的发展,利用高频超声换能器实现热超声键合受到广泛关注。然而,高频超声换能器的超声能量利用效率受到诸多因素的影响。为提升高频超声换能器超声能量利用效率,系统建立了一类新型柔性夹持机构高频超声换能器的动力学优化设计方法,研究内容如下:(1)基于机电等效和模块化设计思想,建立了高频超声换能器压电振子、机械变幅杆的等效四端网络,并推导出超声换能器的频率方程,计算得到换能器的最初尺寸。(2)综合运用模态灵敏度分析理论,对高频超声换能器进行结构参数摄动,确定不同模态下结构参数的灵敏度,通过优化结构参数,实现高频超声换能器工作模态与非工作模态的分离,避免模态密集现象的产生,对换能器实现了动力学优化设计,获得高频超声换能器的最佳几何参数。(3)将柔性铰链与传统换能器法兰夹持机构相结合,建立了一类新型柔性夹持机构,实现夹持机架和超声换能器的运动解耦,降低夹持机架对换能器输出振幅的影响。提出了柔性直梁、圆弧形铰链、椭圆铰链三种柔性法兰夹持机构,综合解析计算和有限元分析揭示了三种柔性夹持机构的解耦能力和换能器振动输出的关系;建立了一种基于模糊优化策略和有限元的柔性夹持机构动力学优化设计方法,完成了柔性直梁和圆弧形铰链柔性夹持机构的参数优化与性能评价。(4)试制了一系列柔性夹持结构高频超声换能器,搭建了高频超声换能器电学、动力学特性测试平台,验证了所建立柔性夹持机构高频超声换能器动力学优化设计方法的有效性,进而建立了一种提升高频超声换能器工作端振幅输出的新方法。深入考察了高频超声换能器装配预紧力、激励信号电压和频率对高频超声换能器电学、振动特性的影响规律,为高频超声换能器的动态控制奠定了研究基础。(5)将所建立的高频超声换能器和柔性夹持机构动力学优化设计方法应用于一种新型双端辐射、双工作频率、多振幅输出的串联复合结构超声换能器的设计中,并且试制了这种新型结构换能器,开展了相关性能测试工作,为深入开展多支路复合结构高频超声换能器设计奠定基础。