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     

分子束外延生长的ZnO压电薄膜及其声表面波器件特性

用RF-MBE在蓝宝石(0001)衬底上引入MgO和低温ZnO双缓冲层生长了ZnO薄膜,并制备了声表面波器件。在ZnO薄膜中,仅观测到(0002)面的XRD,且衍射峰增强,半高宽减小,表明ZnO薄膜c轴取向性更好,晶体结构更优。室温下自由激子吸收峰更尖锐和吸收边更陡峭以及仅观测到自由激子发光,且发光线宽变窄、发光强度变大,表明ZnO薄膜缺陷密度减小,薄膜质量提高。测得该ZnO压电薄膜的电阻率高达4×10⁷ Ω·cm,其声表面波的速度高达5 010 m/s。     

磁控溅射制备ZnO薄膜及其声表面波特性

通过射频磁控溅射技术在GaAs，Au/GaAs，Si和玻璃基片上成功制备了ZnO多晶薄膜，利用X射线衍射对ZnO薄膜的取向、结晶性进行了表征，结果表明ZnO薄膜呈完全c轴取向，Au缓冲层可以有效地改善ZnO薄膜的晶体质量，X射线摇摆曲线结果表明ZnO(002)衍射峰的半高宽仅为2.41°，同时发现Au缓冲层的结晶质量对ZnO薄膜的c轴取向度有很大影响，通过扫描电子显微镜对ZnO/GaAs和ZnO/Au/GaAs薄膜的表面形貌进行了观测，利用网络分析仪对IDT/ZnO/GaAs薄膜的声表面波特性进行了测量. 关键词： ZnO薄膜 X射线衍射 声表面波     

MOCVD法生长SAWF用ZnO/Diamond/Si多层结构

使用等离子体辅助MOCVD系统在金刚石,硅衬底上成功地制备了氧化锌多层薄膜材料,通过两步生长法对薄膜质量进行了优化。XRD测试显示优化后的样品具有c轴的择优取向生长,PL谱测试表明样品经优化后不仅深能级发射峰消失,同时紫外发射峰增强。对优化后的样品的表面测试显示出较低的表面粗糙度。比较氧化锌多层薄膜结构的声表面波频散曲线,ZnO薄膜声表面滤波器受膜厚和衬底材料的影响较大。当ZnO薄膜较薄时,在它上面的传播速度将与衬底上的传播速度接近,与其他衬底上生长的薄膜相比,以金刚石这种快声速材料为衬底的ZnO多层薄膜结构,声表面波滤波器的中心频率将提高1倍左右。     

声表面波检测铝板表面微缺陷深度实验研究

为了探究声表面波与不同深度微裂纹缺陷相互作用的关系,将脉冲激光作用于一系列不同缺陷的试件铝板上进行线光源激励,激发激光超声波。用超声传感器接收在铝板中传播的激光超声信号,通过数字荧光示波器采集激光超声在铝板中的传播数据。对采集到的反射波数据进行分离谱分离过程得到的铝板中激光超声的时域分布和透射波数据进行频域分析。实验发现:缺陷深度影响着反射回波两峰值特征点到达时间差,两者之间近似线性关系,也影响着透射波的截止频率且二者呈现递减关系。     

声表面波生物传感器质量灵敏度的理论与实验验证

针对声表面波传感器在生物检测中的性能评价与优化,提出一种快捷验证适用于生物传感器的声表面波器件质量负载灵敏度的实时检测方法。首先基于二维近似假设和周期性边界条件,建立了以石英为压电基底材料、SiO₂为波导层的Love波传感器的三维有限元分析模型,从理论上验证了波导层对Love波传感器灵敏度的影响。在实验上,通过MEMS工艺制备以ST-90°X石英为基底的声表面波传感器,通过磁控溅射镀膜技术在其表面生长不同厚度的SiO₂波导层。利用热蒸镀技术在器件延迟线区域生长铝薄膜作为质量负载效应,利用Tetramethylammonium Hydroxide (TMAH)溶液对铝的缓慢腐蚀效果,模拟质量负载从有到无的逆过程,从而实现对声表面波传感器的灵敏度验证与评价,并从实验上探究不同厚度波导层对Love波传感器灵敏度的影响及其最佳波导层厚度。     

声表面波陷波器与梯形结构相结合的滤波器

用单端对SAW谐振器取代LC低通滤波器中的电容可构成宽通带陷波器。它具有频率选择性好，通带插损低，对陷波频点抑制较高的优点。将这种陷波器与梯形滤波器结合，能实现一种在通带具有低插损，而在特定频段达到高抑制的滤波器，从而可用于双工器中。本文首先分析了这种组合结构的构成原理及实现方法；然后进行理论模拟，并进行了实验验证。     

Zno-SiO2-Si结构中压电薄膜C轴取向等参数对声表面波的影响

当ＺｎＯ－ＳｉＯ２－Ｓｉ结构中的ＺｎＯ薄膜Ｃ轴取向偏离基片法向时，将对声表面波传播速度，机电耦合系数等参量产生影响。本文对此问题进行了理论分析和数值计算；同时还讨论了本结构中影响声表面波束偏的一些参数。     

球形复合柱表面波声子晶体的带隙特性仿真

设计了一种由镍球与环氧树脂垫层组成的复合柱沉积在铌酸锂基体上构成的表面波声子晶体结构,采用有限元法计算了其能带结构和位移矢量场.结果表明:与具有相同晶格常数的倒圆锥形表面波声子晶体结构相比,研究结构可以在更低的频率范围打开更宽的声表面波完全带隙,且随着复合柱半径增大,镍球体与压电基体的硬边界之间形成限制腔模,相邻高阶带隙间存在能量的耦合以及振动模式的继承;此外,温度场的引入可以实现带隙的主动调控,带隙频率范围随着温度升高向低频移动;通过增加复合柱体的层数,多振子结构与行波发生多极共振耦合,可在高阶能带间打开完全带隙.本文的研究结果为微米级表面波声子晶体结构在100 MHz以下频率范围的带隙特性优化提供了理论支持.     

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-LiNb03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,...     

Filtering performance improvement in V-doped ZnO/diamond surface acoustic wave filters

High-frequency surface acoustic wave (SAW) filters using undoped and V-doped ZnO films were fabricated on diamond. Compared with their counterparts, the SAW filters using V-doped ZnO films have higher electromechanical coupling coefficient of ∼2.9% and lower insertion loss. The filtering performance improvement is considered to be due to the ferroelectricity in V-doped ZnO films and the resultant high piezoresponse (∼110 pm/V), which is one order of magnitude larger than that of undoped ZnO films. In addition, more perfect (0 0 2) preferred orientation, better uniform grains and smoother surface of V-doped ZnO films also contribute to the filtering performance improvement.     

Simulation on laser-induced surface acoustic wave on isotropic cylinders by finite element method

Based on the thermoelastic theory, a finite element model is developed to simulate the process of laser inducing ultrasonic field in isotropic cylinders, which can take the temperature dependence of thermal parameters into account. Using the finite element model, we have simulated the ultrasonic fields induced by a pulse laser line source impacting on the generatrix of aluminum cylinders with different diameters. And the intact waveforms of surface acoustic wave (SAW including cylindrical Rayleigh and Whispering gallery (WG) modes) are presented, which are in very good agreement with the calculated and experimental waveforms in other literatures. Furthermore, the dispersion properties of cylindrical Rayleigh waves are analyzed by the method of phase spectral analysis, and the results show that with the increasing frequency, the phase velocity of cylindrical Rayleigh wave rapidly increases to the maximum value, and then gradually decreases to that of plane Rayleigh wave. With the diameter of cylinder decreasing, the maximum value of phase velocity and the corresponding frequency increase.     

SH surface acoustic wave propagation in a cylindrically layered piezomagnetic/piezoelectric structure

SH surface acoustic wave (SH-SAW) propagation in a cylindrically layered magneto-electro-elastic structure is investigated analytically, where a piezomagnetic (or piezoelectric) material layer is bonded to a piezoelectric (or piezomagnetic) substrate. By means of transformation, the governing equations of the coupled waves are reduced to Bessel equation and Laplace equation. The boundary conditions imply that the displacements, shear stresses, electric potential, and electric displacements are continuous across the interface between the layer and the substrate together with the traction free at the surface of the layer. The magneto-electrically open and shorted conditions at cylindrical surface are taken to solve the problem. The phase velocity is numerically calculated for different thickness of the layer and wavenumber for piezomagnetic ceramics CoFe₂O₄ and piezoelectric ceramics BaTiO₃. The effects of magnetic permeability on propagation properties of SH-SAW are discussed in detail. The distributions of displacement, magnetic potential and magneto-electromechanical coupling factor are also figured and discussed.     

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...     

声表面波梁式加速度传感器的优化设计

为获得传感器的优化设计,对一种声表面波梁式加速度传感器敏感机理进行了研究。从声波波动方程出发,结合有限元分析以及微扰理论对加速度作用力作用下声表面波传播特性进行分析,以此构建梁式声表面波加速度传感器敏感机理的理论模型,特别分析了压电梁材料及几何结构、振子质量对传感响应的贡献以确定传感器优化的几何参数。为验证理论分析结果,实验研制了基于ST-X石英悬臂梁结构的差分振荡式声表面波加速度传感器,并利用精密振动台对所研制传感器性能进行评价。实验结果显示,在给定加速度测试范围内,采用ST-X石英梁并延长梁长度、降低梁厚度以及采用较大的阵子质量将有效的改善传感器检测灵敏度,在±2 g范围内加速度灵敏度可达27 k Hz/g,且实验结果很好的验证了理论模型。     

由于表面粗糙引起的激光声表面波色散的实验和理论研究

表面粗糙是材料制造过程中必有的副产物, 粗糙表面会引起其中传播的声表面波的速度发生变化. 在利用激光声表面波对材料性质进行评估时, 常用宽带的激光声表面波速度频散特性对材料性质进行反演. 为了研究表面粗糙度是否能作为反演的特征参数之一, 本文建立了激光在表面粗糙样品中激发声表面波、聚偏氟乙烯换能器宽带接收声表面波的实验装置来研究不同粗糙度表面对声表面波速度的影响; 理论上建立了激光在粗糙表面中激发声表面波的计算模型, 利用有限元法得到声表面波的时域特征, 并进一步得到声表面波的速度色散曲线, 理论结果和实验结果能很好地拟合. 这为利用激光声表面波对表面粗糙的评估提供理论和实验依据. 关键词： 表面粗糙 激光声表面波 速度色散 聚偏氟乙烯传感器 有限元法     

Topological charge pump by surface acoustic waves

Quantized electron pumping by the surface acoustic wave across barriers created by a sequence of split metal gates is interpreted from the viewpoint of topology.The surface acoustic wave serves as a one-dimensional periodical potential whose energy spectrum possesses the Bloch band structure.The time-dependent phase plays the role of an adiabatic parameter of the Hamiltonian which induces a geometrical phase.The pumping currents are related to the Chern numbers of the filled bands below the Fermi energy.Based on this understanding,we predict a novel effect of quantized but nonmonotonous current plateaus simultaneously pumped by two homodromous surface acoustic waves.     

Effects of Mn‐doping on surface acoustic wave properties of ZnO films

Surface acoustic wave (SAW) filters based on Mn‐doped ZnO films have been fabricated and effects of Mn‐doping on SAW properties are investigated. It is found that the electromechanical coupling coefficient (K²) of Zn_0.913Mn_0.087O films is 0.73 ± 0.02%, which is 73.8% larger than that of undoped ZnO films (0.42 ± 0.02%). Zn_0.913Mn_0.087O film filters also exhibit a lower absolute value of insertion loss (|IL|) of 16.1 dB and larger bandwidth (BW) of 5.9 MHz compared with that of undoped ZnO film filter. However, Zn_0.952Mn_0.048O film filters exhibit a smaller K² of 0.34 ± 0.02%, larger |IL| of 26.9 dB and smaller BW of 3.5 MHz. It is suggested that the SAW properties can be improved by appropriate Mn‐doping and Mn–ZnO/Si multilayer structure with large d₃₃ is promising for wide‐band and low‐loss SAW applications. (© 2012 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

水下声辐射激励水表面声波的特征参数测量

采用激光干涉方法对水下声辐射激励水表面声波的特征参数频率和振幅进行了测量研究。从理论上对水表面声波激光相干测量信号的频谱构成进行了分析,在此基础上提出了水表面声波两个重要声学参数频率和振幅的解算方法,并通过数值仿真进行了验证。搭建了一套简单的激光干涉测量实验系统,对不同频率和声压激励的水表面声波进行了测量实验,验证了水表面声波频率和振幅解调方法的准确性。对水表面声波横向传播的振幅衰减现象进行了初步的实验研究,结果表明水表面声波的频率越高,振幅的横向衰减越快。研究表明激光相干检测方法能够准确地实现水表面声波振幅和频率的测量。