压电和声波理论及器件技术

正2015年全国压电和声波理论及器件技术研讨会(2015 Symposium on Piezoelectricity,Acoustic Waves,and Device Applications,SPAWDA2015)于2015年10月30日~11月2日在山东济南召开。会议由中国力学学会(CSTAM)、中国声学学会(ASC)和IEEE超声、铁电体与频率控制学会(UFFCs)主办,山东大学晶体材料国家重点实验室和物理学院联合承办。会议议题包括:压电和铁电材料(陶瓷、晶体、薄膜和微纳米等)、压电理论(包括微纳米压电理论)、声波理论(表面波和声体波等)、压电器件设计与分析(谐振器、传感器、换能器、MEMS/NEMS等压电器件)、超声学、压电器件的加工与制造技术(包括     

Ipsu薄膜体声波器件及其在通信系统中的应用

薄膜体声波谐振器（FBAR）采用一种先进的谐振技术，它是通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成声波而形成谐振，这一谐振技术可以用来制作薄膜频率整形器件等先进元器件.本文系统介绍了FBAR的结构、工作原理及其在现代通信系统中的应用.     

ZnO薄膜的制备和研究进展

ZnO作为一种新型的宽禁带半导体材料，具有很好的化学稳定性和热稳定性，抗辐射损伤能力强，在光电器件、压电器件、表面声波器件等诸多领域有着很好的应用潜力．本文介绍了ZnO薄膜的基本性质以及喷雾热分解、脉冲激光沉积、金属有机物化学气相沉积等制备ZnO薄膜的技术和方法，并着重介绍了在ZnO紫外受激发射和p型掺杂等方面的研究进展．     

用于液相检测的横向场激励模式压电传感器

与传统基于石英晶体微天平的压电传感器相比,横向场激励模式压电传感器具有更优异的性能。该文基于微声波理论,分析了横向场激励模式压电体声波器件的声传播机理,计算了石英晶体在任意切型及横向电场方向上的压电耦合系数,并根据计算结果设计了新型的传感器结构。3种不同浓度的水溶液用于测试传感器对液体粘度、介电常数和电导率等变化的响应。结果表明,横向场激励压电传感器不仅具有较好的质量敏感效应,还对被测液体电特性参数变化具有较高的灵敏度,可用于研制复合型压电生物传感器。     

用于液相检测的横向场激励模式压电传感器

与传统基于石英晶体微天平的压电传感器相比,横向场激励模式压电传感器具有更优异的性能。该文基于微声波理论,分析了横向场激励模式压电体声波器件的声传播机理,计算了石英晶体在任意切型及横向电场方向上的压电耦合系数,并根据计算结果设计了新型的传感器结构。3种不同浓度的水溶液用于测试传感器对液体粘度、介电常数和电导率等变化的响应。结果表明,横向场激励压电传感器不仅具有较好的质量敏感效应,还对被测液体电特性参数变化具有较高的灵敏度,可用于研制复合型压电生物传感器。     

基于表面声波的微流控技术研究进展

 近年来，基于表面声波的微流控技术因为表面声波的产生与控制方式简单高效、表面声波与流体介质相互作用的形式多样，以及声波器件制备工艺简单、易于集成和检测等特点引起了广泛关注和研究。目前，基于表面声波的微流控技术在生化分析与疾病检测等领域中主要围绕细胞等微粒的排布、分离、混合与汇聚现象、声波加热、声波雾化、生物传感等方面展开研究，部分技术已接近成熟，具有发展成为便携式设备的巨大潜力，市场应用前景广阔。本文总结了近20年来表面声波微流控技术在微粒的排布、分离、混合与汇聚现象、声波加热、声波雾化、生物传感等方面的研究进展，并指出了相关研究正在由声力、声热、声电等单效应向多物理场效应转变，由二维、微米级操纵向三维、纳米级操纵转变、由平面型器件向柔性器件转变的趋势。     

正交各向异性弹性层/功能梯度压电半空间结构中Love波的传播

研究了功能梯度压电半空间上覆盖一层正交各向异性弹性层结构中Love波的传播特性.覆盖层与基底的界面连接方式分别考虑了理想接触和非理想接触2种模式,功能梯度压电半空间的材料性能沿垂直于界面方向以指数函数形式变化.基于推导的频散方程,结合数值算例分析了材料性能梯度变化、正交各向异性材料的切割角度和非理想界面的连接程度对相速度的影响,其结果对功能梯度压电材料的覆层结构在声波器件中的应用具有重要的参考价值.     

协同共振型薄膜体声波谐振器研究

随着通信行业和微电子技术的快速发展,以及第5代移动通信技术(5G)的发展趋势越来越明晰,对高频段的微型化射频滤波器的性能提出了更高的要求.生产基于体声波谐振器的滤波器成为最具有应用前景的技术.基于大量研究,总结了固体装配型的体声波谐振器(Solidly Mounted Bulk Acoustic Resonator,SMR)的制备优化技术,在压电薄膜粗糙度优化的技术基础上,提出了AlN-ZnO协同共振型SMR器件,解决了氧化锌薄膜压电性能不佳、c轴择优取向较弱的问题,制备了相应的AlN-ZnO协同共振型SMR,取得了较好的器件性能参数.串联谐振点品质因数Qs为616.2,并联谐振点品质因数Qp为429.4,机电耦合系数k2eff为2.27%.为SMR的制备和量产提供了一个创新的方案.     

压电材料球对称问题的通解

由于压电材料的特殊性，它可以制作成各种压形式的压电振子，压电振子在应用于谐振器滤波器，延迟线，声光器件时，大都是通过逆压电铲应来激发某种振动模式的机械振动。压电中器件可以在各种不同的大小形状及各种各样的载荷和边界条件下工作，对不同的情况应有不同的分析方法。     

功能梯度压电层状结构中的B-G波

对于由极化方向相反的功能梯度压电覆盖层和横观各向同性压电基底构成的层状结构中Bleustein—Gulyaev（B．G）波的传播问题,利用弹性波理论建立数学模型,采用幂级数的方法,求解耦合微分方程组,得到了B—G波传播的频散方程．分析了覆盖层中各项材料参数梯度变化对B—G波传播频散曲线和机电耦合系数的影响,讨论了提高表声波器件主要设计指标机电耦合系数的方法．利用这种层状结构中B—G波的传播特性,可为确定基于B—G波的表声波器件的覆盖层材料梯度变化规律提供理论依据．     

上海师范大学物理系科研简介

<正>上海师范大学数理学院物理系科研工作依托"光电材料与器件实验室"开展,分为凝聚态物理、原子分子物理及光学等研究领域,在多电子原子物理、量子信息、多铁物理、宽禁带半导体物理等多个方向上具有明显的研究特色。一、铁电、压电、磁电等信息功能材料与器件中的关键科学问题研究我们围绕铁电、压电、磁电复合及光流明材料与器件中的关键科学问题开展研究,建立材料结构-性能-器件间的内在关系,研制了新型弛豫铁电单晶变压器、环境友好的高应变驱动器及高灵敏度的弱磁探测器件,并致力于探索增强相关效应间耦合的新途径,推进器件应用。     

波动理论的实验设计

在医学仪器的设计及研究中，利用各种波进行诊断和治疗，已经成为重要的方法。如声波、电磁波、X线等都得到广泛的应用。在实验教学中，如何让学生了解波的性质，是实验室解决的重点。在综合考虑可操作性、安全性、广泛性、实验成本等基础上，该文设计了以超声波作为研究对象，以水为耦合介质，以压电换能器作为传感器的系统。对波的性质进行研究，使学生在实验过程中对波动理论加深理解。     

横向电场激励的剪切波AlN薄膜体声波谐振器

为了检测液体中的微量物质,研究了横向电场激励的剪切波固体装配型AlN薄膜体声波谐振器.器件以c轴择优取向的AlN薄膜作为压电层,电场由平行于压电薄膜表面的平行电极激发,三周期的1/4波长SiO2/W层交替排列构成了布拉格反射层.通过有限元分析计算了电场分布,设计了平行电极参数.结果表明：AlN薄膜具有良好的c轴择优取向,器件实现了稳定的2 GHz频率的单纯剪切波谐振,器件的品质因数Qs和Qp分别为434和393,等效机电耦合系数K2eff为0.97%,有效的横向电场激励和布拉格反射层的选频作用对纵波的抑制明显.这种谐振器非常有利于作为在液体环境中工作的生化传感器.     

ZnO薄膜的气敏和光电性能的研究进展

ZnO是一种新型的宽带隙半导体材料,在气敏器件、光电器件及压电器件等方面具有广泛的应用前景,因而受到物理学界的广泛关注。本文介绍ZnO薄膜的气敏、光电性能的研究进展。     

氮化铝声表面波器件表面微液滴的声表面波操控研究

声学操控是实现芯片级微流体操控的重要方法之一,如何实现在新型压电器件表面用声表面波有效驱动操控微升量级流体是该方法中一个非常关键的问题。通过在氮化铝薄膜声表面波器件表面滴放不同体积微液滴,在微尺度下利用高速摄相机和红外热像仪研究分析了声表面波操控雷诺数较小的液滴流体力学特征和声波热效应。结果显示在较低加载功率条件下观察到声波激发液滴内粒子流场轨迹呈现出典型稳定的双涡旋蝶形结构;而加载功率继续增大时,液滴定向输运过程中输运速率随加载功率增加而增大,进一步在较高功率下液滴出现了喷射现象,进而从理论上讨论了上述特征中的耦合操控机理。同时,观察到微液滴操控过程中的声波加热效应,液滴温度变化量随加载功率呈正比线性增大趋势,但在较高功率时出现偏离。对比分析了器件表面特定位置滴放微液滴前后器件表面温度和液滴温度变化量分别随加载功率线性增大的特点,提出液滴内热量的来源以液滴内的声波因克服流体粘滞阻力做功产生的贡献占主导。     

基于PVDF的压电触觉传感器的研究进展

聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜因具有柔韧性强、机械强度高、灵敏度高、频响范围宽等优点,在触觉传感器、超声换能器等领域具有广泛的应用前景.文中首先介绍了基于PVDF的压电触觉传感器的工作原理和制作工艺,然后从器件的压电性能优化、微结构化、集成化、柔性化、仿生化5个方面系统概述了PVDF压电触觉传感器的研究现状与发展趋势,讨论了其在机器手、微创手术、健康监测领域的应用研究与进展,最后分析了目前PVDF压电触觉传感器发展的不足和未来的主要研究趋势.     

基于PZT薄膜的高频压电式微机械超声换能器的仿真与制备

压电式微机械超声换能器(PMUT)是当前生物医学超声成像领域的研究热点.锆钛酸铅(PbZrO₃-PbTiO₃,PZT)压电薄膜是近年来微机械超声换能器使用的核心压电材料.基于PZT压电薄膜,使用有限元软件COMSOL Multiphysics创建了三维有限元仿真模型,并在(0,1)模态下研究了压电薄膜结构的几何参数,其谐振频率达到22.12 MHz,有效机电耦合系数(k_eff²)为5.13%.采用光刻和刻蚀方法制备了PZT压电薄膜的PMUT单元原型器件.该器件的空腔结构完整,谐振频率在(0,1)模态下为25.87 MHz,仿真与测试结果相似,振动模态较纯,振动位移性能较好.研究结果表明:采用PZT压电薄膜的PMUT在高分辨率、高频医学超声成像中具有较好的应用前景.     

液相用表面声波化学传感器的理论与应用

表面声波化学传感器具有较高的灵敏度和检测精度，但目前只能用于气相分析。本文报道了液用表面声波传感器及其应用于液相体系的检测，并导出了相应的理论响应公式。该传感器对溶液电导率和介电常数有灵敏响应，而且在伴存电解质存在时，测定结果更精确。此工作为表面声波器件在液相体系的应用提供了新的途径。     

PZT压电薄膜的压电系数d 31的测量及其微悬臂梁简谐振动模拟

介绍了一种应用微悬臂梁结构，简单直接测量其中压电薄膜PZT的横向压电系数d31的方法。利用微悬臂梁器件本身和普通仪器，通过测量电压作用下微悬臂梁所产生的挠度值即可获得d31。还介绍了应用所测的d31对微悬臂梁的谐振进行有限元模拟的方法，及与振动实验结果的比较。     

SnP2S6半导体层数依赖的压电效应

二维压电材料在能源、电子和光电子学方面的应用引起了越来越多的关注.从实验合成的压电晶体SnP₂S₆出发，我们系统研究了单层、双层、三层和块体SnP₂S₆的压电效应.第一性原理计算表明：层状SnP₂S₆具有良好的热力学和动力稳定性，其带隙和载流子有效质量与层数无关，而压电性质具有明显的层数依赖性；单层SnP₂S₆的压电系数(d₁₁)高达14.18 pm/V,远大于MoS₂、h-BN和InSe的压电系数，双层SnP₂S₆的面外压电系数(d₃₃)大于12 pm/V.优异的压电性能使SnP₂S₆在二维压电传感器和纳米发电机等器件中的应用成为可能.