基于反射型延迟线结构的无线无源声表面波测温系统

从传感器核心元件及无线测温雷达的优化设计出发,研制了一种集成电子标签的高性能声表面波(SAW)无线无源测温系统。基于耦合模(COM)理论对作为传感元件的反射型SAW延迟线进行了优化设计,基于仿真结果,实验研制了采用YZ LiNbO_3石英基片的434 MHz反射型SAW延迟线,该器件是由一个换能器与8个反射器构成的反射型延迟线,其中3个反射器用于温度检测,另外5个反射器则用于采用相位编码的电子标签。测试结果显示所研制的反射型SAW延迟线具有良好的时域特性与较高的信噪比,并与理论仿真结果极为吻合。设计并研制了采用步进调频(FSCW)模式的测温雷达,利用高精度高低温箱对所研制的无线无源SAW测温系统进行了无线测试,系统表现出良好的线性特性,测温准确度达到了士1℃以内。      

压电基片与金属点阵厚度对行波模式声表面波陀螺仪检测灵敏度的影响

过低的灵敏度性能一直是声表面波(SAW)陀螺仪的瓶颈问题,对此,提出了一种结合金属点阵用以改善陀螺效应的新型行波模式SAW陀螺仪,并对其性能进行了评价。该结构由双延迟线型振荡器构成,两延迟线平行且反向制作于同一压电基片上,在延迟线的声传播路径上分布铜点阵。结合层状介质中声波传输特性的研究方法分析了两种压电晶体材料、不同金属点阵膜厚对传感器响应的影响,从而为确定陀螺仪的设计奠定理论基础。基于理论计算结果,研制了以128°YX LiNbO3及X-112°Y LiTaO₃为压电基片,铜点阵厚度分别为33000 Å,6000 Å,9000 Å的95 MHz声表面波陀螺仪。为改善振荡器的频率稳定性,延迟线采用了具有梳状结构的单相单向换能器结构。振荡器的测试频率稳定度达到了±5 Hz/h。利用精确速率转台对所研制的SAW陀螺仪性能进行了测试。测试结果表明:采用机电耦合系数较高的128°YX LiNbO₃基片并增加金属点阵厚度均能有效提高陀螺仪的检测灵敏度,所获得的最大检测灵敏度为2.7 Hz/(deg/s)。      

声光器件的换能器带宽和镀层厚度的确定

根据压电换能器的Mason等效电路,就36°у切LN/PM声光器件和x切LN/TeO₂声光器件以及各种镀层材料和厚度计算了换能器损耗TL随规一化频率f/f₀的变化关系,由此可确定各镀层的厚度和器件的换能器带宽,还给出器件的电输入阻抗z_i在阻抗圆图上随f/f₀变化的轨迹,它可作为器件性能测试的理论依据。 关键词：     

0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3单晶/环氧树脂1-3型复合材料的压电性能研究

模拟了0.7Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.3PbTiO₃(PMN-0.3PT)单晶1-3型压电复合材料的性能与单晶体积分数的关系,得出性能最优时压电相的体积分数为64%, 在这一体积分数下,采用切割-填充法,并使用了不同类型的环氧树脂填充制备复合材料.系统地研究了聚合物相对复合材料性能的影响,研究表明,减小聚合物相的刚度系数c和密度ρ有利于提高复合材料的性能,且聚合物相与压电相的结合强度对性能的影响非常明显,制备的PMN-0.3 PT单晶1-3型复合材料的厚度伸缩机电耦合系数k_t高达90.1%,压电系数d₃₃大于1000pC/N,机械品质因数Q_m为10.39,声阻抗Z也大大降低,性能明显优于传统的Pb(Zr_xTi_1-x)O₃(PZT)陶瓷及其1-3复合材料,在压电换能器和传感器中显示出广阔的前景. 关键词： PMN-PT单晶 压电复合材料 压电相 聚合物相     

应用于气体传感器的具有铝/金电极的单模式两端对声表面波谐振器

为改善气体传感器性能,通过器件优化设计获得了一种应用于气体传感器的具有低损耗、高品质因子(Q)的单模式两端对声表面波(SAW)谐振器。该谐振器由两个换能器、分置于换能器两边的短路栅反射器以及在换能器之间分布的用于敏感膜镀膜的约2.5mm金属薄层构成。谐振器采用铝/金双层电极以降低测试气体环境的腐蚀影响。利用经典耦合模(COM)理论对器件性能进行了仿真以提取优化的结构设计参数。基于仿真结果,实验研制了基于300MHz频率的新型铝/金电极SAW两端对谐振器,测试结果显示所研制器件具有较低损耗(〈7dB),较高Q值(-3000)以及单一谐振模式的特点,并且,以所研制的新型谐振器为频率控制单元的谐振器型振荡器表现出良好的频率稳定度(t15Hz/h),这对于改善气体传感器的检测下限及稳定性等性能指标具有重要意义。      

Love波传感器结构的有限元分析方法

提出一种ANSYS分析Love波传感器性能的有限元方法。根据Love波传感器的特点,施加一维近似假设和周期性边界条件建立了由压电基片,金属电极和波导层组成Love波传感器的三维有限元分析模型,并在此模型分析结果基础上提取结构的特征频率。一方面运用开路和短路条件下的特征频率来计算机电耦合系数,另一方面结合微扰理论的计算得到器件的质量灵敏度。最后通过这两个参数来选取波导层厚度,使器件达到最优的性能。在不同的波导层厚度情况下,计算了SiO₂/ST-90°X石英和SiO₂/36°Y-X LiTaO₃两种结构Love波传感器结构的仿真结果,得到了这两种结构的波导层最优的厚度分别为0.11λ和0.2λ。与已报道的文献和实验的结果对比,本文所采用的方法明显优于传统的均匀层状结构理论分析的结果,通过仿真不同结构和材料参数的器件性能,有效地指导Love波传感器的设计。      

嵌入压电基底蜂窝状声子晶体声表面波带隙特性

提出了将部分镍圆柱体镶入128°YX-LiNbO₃基底的二维蜂窝状压电型声子晶体。用有限元法结合低反射边界条件计算并分析了该结构的能带结构与传输损失。结果显示:与倒圆锥体结构相比,镶入型结构具有更低的声表面波(SAW)带隙,原因是将部分柱体嵌入到基底中增加了共振体的质量。通过分析带隙边缘处振动本征模态结合传输损失发现,第一SAW带隙是由局域共振机理打开,第二SAW带隙同时具有Bragg散射特性和局域共振特性。应用质量弹簧振动系统估算了第一SAW带隙的起始频率,结果为82.98 MHz。此外,讨论了柱体几何参数对带隙特性的影响。该研究为微米尺度SAW声子晶体的带隙调控奠定了一定基础。      

带有锥度结构的同轴开槽布拉格反射器研究

本文提出在Kα波段圆柱过模结构绕射辐射器件(RDG)中引入一种带有锥度结构的同轴内开槽布拉格反射器.采用复功率守恒技术(CCPT)对该反射器的频率响应特性进行分析.研究了相位匹配段长度,波纹槽深及锥度对反射器频率响应特性的影响,分析了波纹初始相位对反射器选模特性的影响,发现该反射器具有良好的模式选择特性.本文的研究工作为同轴Bragg反射器结构的研究提供了重要的理论分析手段. 关键词： 同轴Bragg反射器 频率响应特性 复功率守恒 绕射辐射振荡器     

锥形剖面径向复合超声换能器的机电等效电路

研究了一种锥形剖面径向复合超声换能器。该换能器由一个等截面内金属圆环、一个轴向极化的压电陶瓷圆环和一个锥形剖面外金属圆环沿径向复合而成,且换能器的径向尺寸远大于高度。锥形剖面外金属圆环满足关系式h=h₀r,h₀为厚度变化常数。基于平面应力径向振动理论,推导了换能器的机电等效电路,得到了共振频率方程和反共振频率方程,进而研究了换能器的振动特性。并将理论计算的第1阶、第2阶径向共振频率和反共振频率与数值仿真结果相比较,二者结果一致。研究表明:锥形剖面换能器第1阶、第2阶径向共振频率、反共振频率、有效机电耦合系数不仅与换能器各部分的材料、径向几何尺寸有关,还与h₀有关。h₀越大,第1阶径向共振频率、反共振频率越大,有效机电耦合系数先增大后减小。与等截面相比,锥形剖面换能器沿径向向外辐射声波,辐射面积更大,辐射声功率更高,指向性更好。      

碳酸铯修饰Al作为反射阴极的倒置顶发射OLED器件

以Cs₂CO₃修饰的Al电极作为反射阴极制备了高效倒置顶发射结构有机电致发光器件(ITOLED)。以八羟基喹啉铝(Alq₃)作为发光层、MoO₃修饰的Ag为半透明阳极时,器件的开启电压为3.6 V,发光效率和功率效率分别达到9.8 cd/A和3.4 lm/W。研究结果表明,Al/Cs₂CO₃为反射阴极的器件性能明显高于使用Mg:Ag(4.2 V,8.6 cd/A,2.85 lm/W)和Al(5 V,5.5 cd/A,1.57 lm/W)作为反射阴极的倒置顶发射OLED器件。单电子器件研究结果证明,以Cs₂CO₃修饰的Al电极功函数明显低于Mg:Ag和Al电极,具有更好的电子注入效果。因此,除去微腔效应外,Al/Cs₂CO₃为反射电极的ITOLED器件性能的提高主要归因于Al/Cs₂CO₃阴极的有效电子注入。     

Simulation and design on SAW reflective delay line for wireless sensor application using coupling of modes

This paper presents an optimal design on surface acoustic wave reflective delay line using coupling of modes（COM）model.The reflection coefficient S₁₁of the SAW device is deduced to evaluate the device performance.Typical SAW reflective delay line consists of a piezoelectric substrate,an interdigital transducer（IDT）and several reflectors positioned along the acoustic propagation direction.The influences of the design parameters of the device, such as structure of the IDT,reflector types,etc.on device performance are investigated,and the optimal design parameters are determined.Based on these parameters,a 434 MHz SAW reflective delay line with single phase unidirectional transducers and three shorted grating reflectors is fabricated on 41°YX LiNbO₃.The measured S₁₁agrees well with the simulated one.Sharp reflection peaks,high signal noise ratio（S/N）,and low spurious noise between the reflection peaks are observed.     

Development of two-port surface acoustic wave resonator with Al/Au electrodes for gas sensing

Simple and efficient surface acoustic wave(SAW)two-port resonators with low insertion loss and high Q-values on ST-X quartz substrate using a corrosion-proof A1/Au-stripe electrode structure are developed for gas sensing.It was composed of two shorted grating reflectors and adjacent intedigital transducers(IDT),and an active metal film in the cavity between the IDTs for the sensitive film coating.The devices are expected to provide good protection towards metal electrode for gas sensors application in chemically reactive environments.Excellent device performance as low insertion loss,high Q factor and single-mode are achieved by carefully selecting the metallic electrode thickness,cavity length and acoustic aperture.Prior to fabrication,the coupling of modes(COM)model was performed for device simulation to determine the optimal design parameters.The fabricated single-mode SAW resonator at operation frequency of 300 MHz range exhibits matched insertion loss of~6.5 dB and loaded Q factor in the 3000 range.Using the fabricated resonator as the feedback element,a dualresonator-oscillator with excellent frequency stability(0.1 ppm)was developed and evaluated experimentally,and it is significant for performance improvement of SAW gas sensor.     

Rapid concentration of particle and bioparticle suspension based on surface acoustic wave

A method of rapid particle concentration in a droplet has been developed using surface acoustic wave (SAW) technology. A droplet was partially placed on a surface acoustic wave propagation path, and particles were concentrated at the center of the droplet due to the asymmetry. The device consists of two IDTs and two reflectors. The one IDT is used for generating SAW and the opposite IDT is used for detecting output voltage signal amplitude, and then for calculating acoustic power density of a droplet. To investigate concentration effect of the device, starch suspension and rabbit blood cells were used in this paper. Different acoustic power density was applied ranging from 6.13 mw mm⁻² to 210.9 mw mm⁻². The concentration process occurs within 15 s under appropriate acoustic power density put on the droplet, which is much faster than currently available particle concentration mechanisms, and the method is also efficient, which concentrating the particles into an aggregate about one-fifth the size of the original droplet. Additional, the concentration process is no damage to bioparticles. This concentration method can improve greatly SAW biosensor system sensitivity.     

基于AlN声表面波滤波传感器器件的有限元仿真

声表面波器件是一种利用压电材料的压电效应与逆压电效应工作电子器件, 文章首先详细描述了声表面波器件的设计与仿真过程,运用有限元分析的方法分别计算了利用声表面波的 SAW 器件与利用体波的 BAW 器件的性能与各项参数,对相关的器件进行了计算分析,分别用上述方法研究了基于 AlN 薄膜的声表面波器件和悬臂梁结构的体波器件,推导得出了器件的电学导纳与频率之间的关系, 通过分析器件的导纳-频率曲线,推导出器件内部声波的模式以及合适的工作频率,最终得出在 IDT 周期为 8 微米的情况下,SAW 器件的理想工作频率是 0.7-1.95GHz,BAW 器件的理想工作频率在 0.6-3.2GHz 的结果。     

ZnO薄膜/金刚石在不同激励条件下声表面波特性的计算与分析

本文首先以刚度矩阵法为基础, 给出了ZnO薄膜/金刚石在四种不同激励条件下的有效介电常数计算公式. 然后以此为工具, 分别计算了多晶ZnO(002) 薄膜/多晶金刚石和单晶ZnO(002) 薄膜/多晶金刚石的声表面波特性, 并根据计算结果及设计制作声表面波器件的要求, 对ZnO膜厚的选择进行了详细地分析. 最后讨论了ZnO/金刚石/Si复合晶片可以忽略Si衬底对声表面特性影响时对金刚石膜厚的要求. 关键词： 声表面波 压电多层结构 有效介电常数 刚度矩阵法     

具有单相单向换能器的水平剪切声表面波压力传感器插入损耗特性

为实现水平剪切声表面波压力传感器低损耗设计,系统研究了均匀叉指换能器(IDT)和单相单向换能器(SPUDT)器件的声波能量损耗性能。在确定最优反射系数的SPUDT结构的基础上,建立3D周期性有限元仿真模型,计算器件表面振动位移和双向输出电压瞬态响应。通过对电压信号进行傅里叶变换获得器件模型的插入损耗,并制备两种不同换能器的声学传感器,测试其频率特性和灵敏度。与均匀IDT相比,基于SPUDT器件插入损耗的仿真和实验结果分别降低了5.2 dB和5.6 dB,SPUDT器件灵敏度约为均匀IDT器件的两倍。结果表明,SPUDT能有效降低SH-SAW压力传感器声波能量的单向损耗,提高检测灵敏度,且构建的3D周期性有限元仿真模型有助于声学传感器的声波损耗分析,实现高精度和小型化的声学测量系统。      

The effect of geometry and post-annealing on surface acoustic wave characteristics of AlN thin films prepared by magnetron sputtering

This paper describes experimental relationship between surface acoustic wave (SAW) properties of two-port SAW resonators based on polycrystalline aluminum nitride (AlN) thin films grown on Si substrates by using a pulsed reactive magnetron sputtering system and their geometry's parameters. Moreover, the influence of post-deposition heat treatment on SAW properties of AlN thin films was investigated at different annealing temperature (600 °C and 900 °C). The measurement results show the number of the inter-digital transducers (IDT) finger pairs (N), the number of reflectors grating pairs (R) and the IDT center-to-center distance (L) related to insertion loss of SAW resonators. The best result of insertion loss was 15.6 dB for SAW resonators with R = 160 pair, N = 5 pair and L = 750 μm. At the same geometry parameters, the SAW velocity and insertion loss were improved slightly after annealing at 600 °C and were worse for the films annealed at 900 °C by changes in the surface morphology and stress on the film.     

基于绝缘体上硅的一种改进的Mach-Zehnder声光调制器

传统的基于绝缘体上硅的Mach-Zehnder(MZ)声光调制器中,叉指换能器位于两臂的同一侧.为实现高的调制效率,声表面波的波峰和波谷分别调制MZ干涉仪的两臂,这要求控制MZ干涉仪两臂之间的距离为奇数倍声波半波长.但实际上由于传播过程中衬底材料的变化,声波波长会变大,这会导致两臂的间距难以准确设置.另一方面,声波在传播过程中经过MZ干涉仪的一臂后会发生衰减,降低了对另一臂的调制效果,影响了整体的调制效率.本文针对这些问题给出了一种解决方案,把叉指换能器放在MZ波导两臂之间,确保MZ干涉仪两臂到叉指电极中心距离相等.采用有限元法,首先对新提出的结构进行分析,然后通过声光互作用原理得到了材料的折射率变化;进而研究了波导类型、波导宽度、氧化锌厚度及叉指对数等因素对声光调制效率的影响,并对声光调制器的结构参数进行了优化以提高其性能.基于COMSOL Multiphysics的仿真结果表明,当条波导宽度为6μm,氧化锌只覆盖有叉指电极的部分且厚度为2.2μm,控制叉指电极数目为50对时,波导有效折射率变化在驱动电压为1 V时可以达到4.08×10~(-4),比传统结构提高了12%.