压电薄层导波声学特性的测试理论与方法

论文摘要

压电材料已经在工业生产和人民生活中发挥重大作用,而随着电子产业的迅猛发展和纳米技术的快速成长,压电材料的使用向着更小、更薄的方向前进。目前,用压电薄层或压电薄膜制成的传感器、谐振器和滤波器等器件已经进入大规模实用。当压电材料的尺寸缩小时,与体块材料不同,其声学性质会受边界条件影响而产生许多有趣的变化。目前,还没有一种表征压电薄层甚至是压电薄膜声学特性的行之有效的途径和方法。本论文以P5H压电陶瓷薄层为研究对象,对其声学性质进行理论和实验上的初步研究,为进一步研究压电薄膜材料声学性质打下一定的基础;另外,对以P5H压电陶瓷薄层制成声导波器件具有一定的指导意义。本论文首先通过介电测量、超声测量和共振测量得到P5H压电陶瓷的介电常数、弹性刚度常数和压电常数。由于压电陶瓷的高对称性,介电测量可只测量1方向和3方向的自由介电常数和夹持介电常数,超声测量中分别测量1方向和3方向纵波和剪切波的声速,然后对k 31、k 33和k t进行共振测量,经过推导后可确定所需参数,为后面理论计算做准备。然后利用部分波法推导P5H压电陶瓷薄层兰姆波和水平剪切波的频率色散方程,编写计算机程序求解方程得到兰姆波和水平剪切波的频率色散曲线。发现兰姆波频率色散曲线中,同种的高阶兰姆波模式在频率色散曲线图中的变化趋势会发生交换;水平剪切波的频率色散曲线都是从一个截止频率开始,相速度随着频率的增加而不断减小,直到接近体剪切波声速v sy。最后是用中心频率为1 MHz、2.25 MHz和10 MHz浸入式换能器按Snell定律要求激发P5H压电薄层中的特定模式兰姆波,通过测量漏兰姆波信号频谱峰值得到实验上的兰姆波频率色散曲线。与理论计算进行对比,发现对一阶兰姆波反对称模式A1与对称模式S1和二阶兰姆波反对称模式A2与对称模式S 2来说,理论计算与实验测量符合的非常好;对更高阶的兰姆波模式,理论计算与实验测量有一些偏差,但它们具有相同的变化趋势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 压电效应及压电材料
• 1.1.2 兰姆波及兰姆波器件
• 1.2 本课题来源及研究目的与意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本课题主要的研究内容
• 第2章 压电陶瓷相关参数的测量
• 2.1 压电陶瓷的参数矩阵及其对称性
• 2.2 介电测量
• 2.3 超声测量
• 2.4 共振测量
• 2.4.1 长条横向伸缩振子
• 2.4.2 长条纵向伸缩振子
• 2.4.3 薄片厚度伸缩振子
• 2.5 测量结果
• 2.6 本章小结
• 第3章 压电陶瓷薄层频散曲线的计算
• 3.1 声导波频散方程的推导
• 3.1.1 一般压电材料声导波频散方程
• 3.1.2 压电陶瓷声导波频散方程
• 3.2 压电陶瓷频散曲线计算结果
• 3.3 本章小结
• 第4章 P5H 陶瓷兰姆波频散曲线的测量
• 4.1 水下超声测量系统
• 4.2 频散曲线测量原理
• 4.3 P5H 压电陶瓷频散曲线测量结果
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢