基于ANSYS提取单相单向换能器耦合模参数

基于有限元理论,给出了基于ANSYS提取单相单向换能器（Single Phase Unidirectional Transducers,SPUDT）耦合模参数的方法。首先,结合声表面波在压电介质中的传播原理,给出了压电有限元分析方程和对应的ANSYS分析步骤。然后针对SPUDT结构,给出了周期性近似分析的理论模型,利用耦合场分析对其进行模态分析和谐响应分析,最后结合两者的结果来计算SPUDT的耦合模参数。本文给出基底材料为压电晶体128°YX-LiNbO₃和YZ-LiNbO₃,电极材料为铝的三种不同SPUDT的计算结果,理论结果与Hashimoto和Hartmann文献报道的结果相吻合,并且和实验测试的结果基本一致。从而给出了提取SPUDT耦合模参数的一种通用、有效的方法。     

一种高灵敏度的桥型声表面波应变传感器*

为了提高声表面波传感器应变灵敏度,该文提出了一种桥型声表面波应变传感器。首先根据受压弯曲构件中应变分布特点设计了桥型声表面波应变传感器,并建立有限元模型,结合微扰法分析了桥型结构几何参数与声表面波应变传感器灵敏度的关系。根据分析结果确定桥型声表面波应变传感器几何结构参数,并与传统声表面波应变传感器的应变灵敏度进行了对比研究,在此基础上搭建受压弯曲微动平台开展实验研究,结果表明:在直梁构件受压弯曲应变测量时,Y34°切向的桥型声表面波应变传感器的应变灵敏度为1692 Hz/με,传统声表面波传感器应变灵敏度为1328 Hz/με,桥型声表面波应变传感器的应变灵敏度较传统声表面波应变传感器有明显提高。     

硅酸镓镧声表面波传感器的压力温度多参数解耦分析

针对硅酸镓镧声表面波压力传感器,提出了一种温度和压力的多参数解耦方法。理论上采用有限元方法与微扰理论结合,计算传感器在不同温度、压力下频率响应。根据计算结果,构造出传感器温度与压力的解耦公式。以一种基于LGS(0°,0°,100°)点压力式SAW传感器为例,理论计算得到其温度与压力解耦公式的具体参数,同时与在-55℃-125℃,0-1 MPa范围内的实验测试结果对比。理论分析和实验测试结果基本吻合,验证了温度压力多参量解耦方法的正确性。      

声表面波梯形谐振滤波器级联结构的研究

本对声表面波梯形谐振滤波器4级级联的5种不同级联结构进行了理论分析，计算出了其频响特性曲线。对5种不同结构的特性进行了比较，得出了不同结构在带宽、矩形系数、带外抑制等方面的特性，以期对以后实际器件的设计提供理论根据。     

抽指加权宽带扇形叉指声表面波滤波器的等效电路分析

扇形换能器可以看成若干个沿孔径方向划分的均匀孔径换能器电端并联而成，根据梅森(Mason)等效电路模型以及由其延伸的混合场等效电路模型，推导出整个扇形换能器的导纳矩阵和频率响应，其中采用复阻抗模型考虑了叉指电极与自由表面的阻抗不连续的因素。本方法能够模拟指间反射、三次行程、指条寄生阻抗以及外围电路等对器件性能的影响；理论模拟与实验结果吻合。     

GaN的声表面波特性研究

采用金属有机物化学气相外延方法在(0001)面蓝宝石上生长了高质量、高阻的未掺杂(0001)面GaN薄膜。为精确测量GaN薄膜材料的声表面波特性，在GaN薄膜表面上沉积了金属叉指换能器，叉指换能器采用等叉指结构，叉指的数目为40对，叉指间距为15μm。采用脉冲法测量了声表面波在自由表面和金属表面上的速度，并通过计算得到了机电耦合系数(κ^2)。所测量的声表面波速度（ν)为5667m／s，机电耦合系数(κ^2)为1．9％。     

二维声表面波压电声子晶体在射频段的时域有限差分法

对二维声表面波压电声子晶体在射频段的带隙特性,进行了时域有限差分法(FDTD)理论推导和计算,并提出实验方法对比验证。FDTD计算模型考虑了压电效应,引入周期边界条件以节省计算空间和时间,采用完全匹配层以解决声表面波在截断边界处的虚拟反射问题。实验上分别设计有/无二维压电声子晶体的两种宽频带延迟线结构,测量两种延迟线的传输系数取差值,得到了二维压电声子晶体的带隙;其中通过时域加窗函数保留一次传输信号,进行干扰信号的去除。以铝/128°YX-LiNbO3二维压电声子晶体为例,该FDTD方法、商业有限元软件COMSOL、实验方法均得到了100500 MHz射频段内的多个带隙,三种带隙对比证明了FDTD计算带隙与实验测量带隙一致,比COMSOL计算的计算带隙精度更高。      

宽温度范围SAW应变传感器温度与应变解耦研究*

针对宽温度范围应变测量的温度干扰问题,提出并研究了基于双谐振器的声表面波应变传感器。理论上,结合微扰理论、有限元方法、有效介电常数法分析出双谐振器频率与应变、温度的关系公式,进而推导出应变与温度关于这两组谐振器频率变化的表达式。实验上,搭建宽温度范围的实验平台,在Y+34?切向的石英基片上制作该传感器芯片,测得传感器芯片在30?C～180?C下的频率响应,将测得的谐振器频率代入表达式计算得到温度与应变值,与实验中参考温度与应变的值基本吻合。     

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。      

快速吸附与脱附的声表面波H2S传感器

本文主要研究了基于SnO₂/CuO薄膜的声表面波（SAW）传感器（室温下,工作频率约为147.8 MHz）检测H₂S气体的特性。以36°YXLiTaO₃为基片制作声表面波器件,通过采用射频磁控溅射法在其表面淀积SnO₂/CuO的复合薄膜制作出H₂S气体传感器。由场发射电子扫描电镜观察薄膜,薄膜连续均匀且表面分布大量微气孔,因而具有良好的吸附性。然后本文在85℃～205℃范围内对传感器的吸附和脱附速率、灵敏度及选择性等进行了实验研究。实验结果表明,所制备的传感器在较低温度下同时具备快速吸附和脱附特性,工作在190℃时气体吸附和脱附速率最快,检测20ppm H₂S的响应和恢复时间分别为30s、15s;工作在160℃时,传感器检测20ppmH₂S的灵敏度最高,工作频率变化约230 kHz,且对于低浓度2 ppm H₂S,频率变化可达45 kHz。同时,传感器也表现出良好的重复性和选择性。