基片表面力负载对SAW谐振器的特性影响分析

论文摘要

声表面波在压电基片表面传播,当外界物理量(如温度、压力、磁场、电场、气体等)引起基片的物理特性变化时,将引起声表面波传播特性(如波速、损耗等)发生改变。为了研究基片表面力负载对SAW谐振器性能的影响,本文进行了理论分析和实验研究。本文的研究内容主要包括以下几方面:①介绍了声表面波技术的发展历史以及声表面波器件的分类和特点;阐述了声表面波传感器的发展、分类及特点;分析了单端口声表面波谐振器的物理构成及其传感机理。②从压电晶体的运动方程和压电本构方程出发,根据无外力作用时的压电耦合波方程,采用传统格林函数法对无外力作用时的SAW速度进行了求解。当有外力作用在压电基片表面时,将引起压电基片的弹性常数、压电常数和介电常数等材料参数变化,因此将有效材料常数作为力负载的函数,推导出有外力作用时的压电耦合波方程。根据广义格林函数法和有外力作用时的压电耦合波方程推导了基片表面有外力作用时声表面波速度的求解方法。根据SAW谐振器谐振频率的计算公式,可以求出表面力负载与SAW谐振器的谐振频率之间的变化关系。③为了研究表面力负载对SAW谐振器性能影响,进行了将质量块通过力传递机构分别产生沿垂直和平行于SAW传播方向分布的力加载在基片表面的实验。实验中采用网络分析仪对SAW谐振器的谐振频率和Q值进行了测量。对比实验结果表明:当基片底面固定时,SAW谐振器谐振频率的变化与外力的大小近似成线性关系,与力的分布方式没有明显的关系,这与数值计算结果相符合。通过对比分析实验中Q值的变化,表明SAW谐振器的损耗主要与力在基片表面的分布方式有关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 声表面波技术
• 1.1.1 SAW 技术的发展
• 1.1.2 声表面波技术特点
• 1.1.3 SAW 器件的分类及特点
• 1.2 声表面波传感器
• 1.2.1 SAW 传感器的发展
• 1.2.2 SAW 传感器分类及特点
• 1.3 本课题研究的意义
• 1.4 国内外研究现状
• 1.5 主要研究内容
• 2 声表面波谐振器传感原理
• 2.1 概述
• 2.2 声表面波的传播
• 2.2.1 各向同性介质中的声表面波
• 2.2.2 各向异性介质中的声表面波
• 2.3 SAW 谐振器的构成
• 2.3.1 叉指换能器
• 2.3.2 声反射栅
• 2.3.3 SAW 谐振器的构成
• 2.4 声表面波器件制作工艺
• 2.4.1 常用的压电材料
• 2.4.2 声表面波器件加工工艺
• 2.5 SAW 谐振器的敏感特性
• 2.5.1 基片材料常数变化对SAW 谐振器参数的影响
• 2.5.2 叉指间距变化对SAW 谐振器参数的影响
• 2.6 小结
• 3 基片表面力负载对SAW 谐振器特性影响的理论分析
• 3.1 概述
• 3.2 无外力作用的压电耦合波方程及声表面波波速的求解
• 3.2.1 无外力作用的压电耦合波方程
• 3.2.2 无外力作用时声表面波波速的求解
• 3.3 表面力负载作用下压电耦合波方程及声表面波波速的求解
• 3.3.1 表面力负载作用下的压电耦合波方程
• 3.3.2 表面力负载作用下声表面波波速的求解
• 3.3.3 数值计算
• 3.4 小结
• 4 基片表面力负载对SAW 谐振器特性影响的实验研究
• 4.1 概述
• 4.2 实验装置
• 4.3 负载对SAW 谐振器谐振频率的影响
• 4.3.1 实验结果
• 4.3.2 实验结果分析
• 4.4 负载对SAW 谐振器损耗的影响
• 4.4.1 实验结果
• 4.4.2 实验结果分析
• 4.5 小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录