用广义Rayleigh波测量压电薄膜结构的初应力

通过求解考虑初应力时的耦合波动方程,研究了覆盖层为各向同性材料、基底为横观各向同性压电材料的压电层状结构中广义Ｒａｙｌｅｉｇｈ波传播时初应力和相速度的关系．研究结果表明,对于给定的材料参数和菁膜厚度,通过测量薄膜结构中的声表面波传播速度即可确定薄膜中的初应力,这对声表面波器件设计及薄膜结构的力学性能分析具有理论意义和实际应用价值用广义Rayleigh波测量压电薄膜结构的初应力@刘华$西安交通大学工程力学系!710049,西安@王铁军$西安交通大学工程力学系!710049,西安@王子昆$西安交通大学工程力学系!710049,西安…     

声表面波器件用的压电材料

声表面波技术的发展是本世纪六十年代末七十年代初无线电电子技术最有意义的成就之一,目前已制成了完成种种功能的声表面波器件,如滤波器,延迟线,振荡器、放大器、利用非线性效应的器件、声光器件以及表面波声摄象装置等。这些表面波器件的主要组成部分是压电材料基片和叉指电极换能器。压电材料的性能对声表面波器件的发展有很大的影响,本文简单介绍声表面波器件用的压电材料。一、声表面波器件用的压电材料     

多孔 Low-k 材料各向异性特性声表面波测量模型

声表面波技术可无损测量纳米多孔介电薄膜材料的机械特性参数.采用横观各向同性模型表征二维周期性多孔薄膜的结构特性,推导了表面波在周期性纳米多孔薄膜/硅基底结构中的传播模型.通过编程计算数值算例,得到了薄膜各向异性结构特性及弹性模量对表面波色散曲线的影响.结果表明,纳米通孔方向与传播方向间的角度差会对色散曲线产生明显影响,在垂直于通孔的传播方向不能测出弹性模量E′.最后给出了有助于改善测量精度的措施.此模型可用于纳米多孔低介电常数材料各向异性特性测试实验.     

声表面波瓦斯传感器高压电薄膜研究

我国煤矿瓦斯事故频发,造成大量人员伤亡和国有资源流失.声表面波瓦斯传感器体积小、工作稳定,能够有效提高煤矿瓦斯监、检能力,减少瓦斯事故.声表面波瓦斯传感器的灵敏度主要取决于压电薄膜的压电系数及机械品质因数,因而高压电系数、高机械品质因数的压电薄膜对于制备高性能声表面波瓦斯传感器具有重要意义.文中通过磁控溅射法沉积PMnN-PZT三元系铁电薄膜,所得薄膜具有高压电性及较高的机械品质因数,有望应用于声表面波瓦斯传感器制备.     

声弹性螺栓应力测量影响因素

为了分析声弹性法螺栓应力测量中的影响因素,从固体质点声弹性理论入手,在模型中加入质点受力形变因素,建立质点时差法应力测量模型;针对螺栓结构建立不同轴向预紧力下应力分布,获得超声传播路径上的应力分布表达式,建立不均匀应力下的螺栓声弹性测量模型;设计应力不均匀区占超声路径比例不同的实验,采用基于ZnO压电薄膜的方式激发超声,压电薄膜溅射于螺栓表面,避免使用超声耦合层引入的测量误差,得到应力不均匀区与测试误差的关系;进行螺栓反复拉伸后声弹性测量的重复性实验,验证材料性质与螺栓应力测量的关系。研究结果表明,超声时差与应力呈线性关系;声弹性系数由螺栓的弹性模量、泊松比以及螺栓长度决定;不同应力非均匀区占比的螺栓应力测量误差相同,初始误差小于2%;螺栓反复拉伸后,声弹性螺栓应力测量误差变大;应力分布不会产生测量误差,测量误差来源于材料的非均匀性;经过拉伸后的螺栓,材料中的缺陷和错位增大,增强高频超声的散射,引起应力测量误差变大。     

氮化铝多层膜制备及其声表面波器件性能表征

采用直流磁控溅射方法,在硅衬底与超纳米晶金刚石衬底上沉积生长了氮化铝(0002)择优取向薄膜,研究了不同衬底对氮化铝薄膜应力的影响,并以此氮化铝多层膜为基础通过光刻加工得到声表面波器件,进而对其声学性能进行了分析。结果表明,在硅基底上沉积的氮化铝薄膜存在压应力,而在超纳米晶金刚石薄膜上生长的氮化铝薄膜表现出拉应力,这可能是因为界面应力平衡诱导产生的结果。氮化铝多层膜声表面波器件表现出较强的共振信号,硅衬底上声表面波器件的频率温度系数为-38 ppm/℃,超纳米晶金刚石夹层的引入可有效改善器件的温度稳定性使频率温度系数减小到-28 ppm/℃,同时也显著地提高了机电耦合系数约达0.3%.     

声表面波声子晶体中的能带结构及带隙类型

声表面波声子晶体对于实现声表面波的精确操控有着非常重要的应用价值.针对两大类最为主要的声表面波声子晶体的结构类型,即:"凹陷"孔洞阵列型和"凸起"柱体阵列型,采用三维有限元方法,数值计算并获得了基于压电铌酸锂基底的声表面波声子晶体的能带结构,同时验证了声子晶体中所具有的声表面波带隙,并进一步分析了这两大类声表面波声子晶体中的各种本征模式所呈现的特征.结果表明,在这两大类声表面波声子晶体中,均可以存在由于带边布拉格散射导致的声表面波的部分(方向)带隙甚至全(方向)带隙;在"凸起"型声表面波声子晶体中,更是存在由于"凸起"结构中的局域共振而导致的局域共振带隙.局域共振带隙的频率可以远小于布拉格带隙所具有的频率,同时,其频率范围仅由局域共振体本身的几何形貌及声学参数决定,而与声子晶体整体的晶格常数或对称性无关.     

基于AlN/LiNbO3/diamond叠层结构的声表面波传播特性

金刚石材料具有最高的声速,与压电薄膜相结合可获得高声速的声表面波器件。该文以改进的传输矩阵计算方法系统研究了12种不同边界条件下AlN/LiNbO3/diamond叠层结构的声表面波波速和耦合系数与AlN和LiNbO3厚度的关系。结果表明:AlN/LiNbO3/diamond的一阶声表面波在一定范围内可保持约9km/s的波速而不随LiNbO3和AlN的厚度而变化;其中4种结构的一阶声表面波耦合系数均可达到8%以上,且可在多种厚度组合下获得。结果显示:AlN/LiNbO3/diamond叠层结构兼具AlN/diamond结构的高声速和LiNbO3/diamond结构高耦合系数的特点,而其一阶波模的稳定波速的特点可克服现有AlN/diamond和LiNbO3/diamond结构的波速与膜厚强关联的缺点,在未来的高频率、高速率无线通信系统中具有潜在的应用价值。     

压电晶体基片切割误差对SAWF中心频率的影响

压电晶体在旋转切割时存在的误差会导致压电参数的变化,进而引起压电基片的声表面波(SAW)速度发生改变,最终导致声表面波滤波器(SAWF)中心频率发生移动.     

基于AlN/α-SiC的声表面波谐振器应变响应特性

面向高温环境应用的微纳传感器在燃气轮机健康监控、地热井环境监控等领域具有广泛的应用前景。该文主要介绍了一种基于AlN薄膜和α-SiC衬底的声表面波谐振器,讨论了谐振器的应变敏感性来源,提出了一种基于应变场-波速关系计算谐振器应变敏感系数的方法。采用微纳米加工工艺加工了谐振器,并进行了材料表征。测量了谐振器的应变敏系数:具有1.5μm厚AlN压电薄膜的AlN/α-SiC基声表面波谐振器在298K下应变敏感系数为0.515×10-6/με,与计算结果具有较好一致性。     

Love波在预应力流体饱和双重孔隙介质层中传播的特性

基于扩展的Biot理论,研究了覆盖于各向异性不均匀弹性半空间上的受预应力流体饱和双重孔隙介质中Love波的传播.推导了速度的频散方程以及Love波速的上下界限,讨论了孔隙率、不均匀性、各向异性和预应力等参数对波速的影响.通过数值计算,结果发现孔隙介质层基质孔隙的孔隙率、裂隙孔隙率及基质孔隙的孔隙率占总孔隙率的比重越大,Love波的波速越大;随着不均匀程度的提高及各向异性系数的增大,Love波的波速增大.无论是在双重孔隙介质层中还是弹性半空间中,预拉应力会使Love波的波速提高,而预压应力会降低Love波的波速.     

压电弹性层合梁的电场作用下的二维解析解

由压电弹性介质的二维本构关系,通过假设电势分布和利用应力边界条件,得到其应力函数,由此假设弹性体的应力函数,利用几何方程分别得到弹性和压电体的位移,最后利用应力边界条件、应力和位移连续条件以及位移边界条件,推导出一端固支带压电层的弹性梁在电场作用下的位移、应力分布的解析表达式,并给出了算例。     

SH-guided waves in layered piezoelectric/piezomagnetic plates

The propagation of shear horizontal (SH) guided waves in a coupled plate consisting of a piezoelectric layer and a piezomagnetic layer is studied. Both the layers are transversely isotropic and perfectly bonded along the interface. The upper and the lower surfaces of the plate are assumed to be mechanically free, electrically open and magnetically closed. Two different cases are considered. One is that the bulk shear wave velocity of piezoelectric material is larger than that of piezomagnetic material. The other is that the bulk shear wave velocity of piezomagnetic material is larger than that of piezoelectric material. The dispersion relation is obtained while the phase velocity is among the bulk shear wave velocity of two different layers. The numerical results show that the phase velocity approaches the smaller bulk shear wave velocity of the material in the system with the increase in the wave number for different modes. The thickness ratio and the properties of the piezoelectric material have great effect on the dispersion behaviors. The results of this paper can offer some fundamental theory to the application of piezoelectric/piezomagnetic composites or structures.     

双层压电板的180°畴中传播的SH型电声表面波研究

本文从一般的压电方程出发,给出了在双层压电板的180°畴中传播的SH型电声表面波波解,着重讨论了两层的厚度相等时的情况,并给出了其色散关系及波场的空间分布.理论分析和实验测试均表明等厚双层压电板与铁电畴层波波导具有相似的传输特性,且更有利于低频信号的传输.     

压电效应对软基体上压电薄膜局部和整体屈曲的影响

附于预拉伸软基体上的弹性薄膜会发生局部屈曲,将这一特性应用于微纳米系统,可以发明新的可延展性电子器件.通过变分法推导了压电薄膜/软弹性基板复合系统的控制方程,分析了基体预拉伸情况下的压电薄膜/基体复合系统的整体屈曲机制.进一步研究了局部屈曲和整体屈曲的转换现象,得到了2种屈曲模式临界条件的解析解.结果发现,薄膜材料的压电效应对整体屈曲和局部屈曲2种屈曲模式的临界条件都具有不可忽略的影响,压电薄膜系统比弹性薄膜系统具有更高的刚度和更好的稳定性.     

单相Fe_2B渗层X—射线应力常数测定

本文按复合梁计算方法对单相Fe_2B渗层应力常数进行测定.与一般按简单梁标定所得结果进行对比,其数值相差很大.这种应力常数标定方法适用于各种表层结构发生根本变化的表面强化件的X-射线应力常数测定.     

激励力矩的耦合及弹性结构角速度响应测量的实验研究

本文首先给出了用磁致伸缩棒力矩激振器将激励力矩施加到被测结构上的三种耦合模式，然后用水平放置的有机玻璃悬臂梁结构作为实验对象，对不同的耦合模式进行了测量和对比分析．接着对弹性结构角速度响应的测量方法进行了研究，并设计了一个压电晶体角加速度计的原型．为了验证理论分析，作为一个例子，对一个有机玻璃悬臂梁结构的传递力矩导纳进行了测量．     

砂岩弹性参数与波速关系的实验研究

为进一步了解岩石弹性参数(如杨氏模量、泊松比)与超声波波速的关系,将岩石加卸载循环实验和超声波测量实验同时进行,得到同一组样品的测量数据并作对比分析。实验结果表明,应力的变化会导致岩石样品的孔隙度、裂隙、岩石结构和构造的改变。受这些因素的影响砂岩的杨氏模量、泊松比、波速,也都会有规律地变化。较低应力水平时用小循环加卸载测得的动态弹性模量是不准确的,计算的波速也不准确,只有通过波速实验才能准确测出;饱水情况的加卸载纵波波速之差比干燥情况小,饱水波速大于干燥波速;动态泊松比比较稳定,但静态泊松比随着应力的增加而增加,从0.07增加到0.12,有趋近于动态泊松比的趋势;用P-M模型从微观概率分布入手,能够很好地解释静态和动态弹性参数的差别。通过本实验,采用回归分析的方法,成功建立起了岩石介质中弹性参数与波速的关系,为类似实验提供参考依据。     

主动约束层阻尼结构的振动控制

基于弹性、粘弹性和压电材料的本构关系,利用Hamilton原理,推导了主动约束层阻尼板的有限元动力学模型。结合压电材料的机电耦合特性,采用自感电压的位移和速度反馈,对主动约束层阻尼板进行了闭环振动控制,研究了不同控制增益条件下,主动约束层阻尼板的动态特性。研究结果表明:采用自感电压的比例、微分反馈控制,能有效控制约束层阻尼板的振动,增大振动能量耗散,尤其对频率共振峰有明显抑制作用。由于该方法结构简单,容易实现,有很好的工程应用前景。     

层合压电压磁耦合弹性介质圆板的状态变量解

从横观各向同性层状压电、压磁耦合弹性介质材料的基本方程出发，导出了压电、压磁圆板在轴对称变形中的状态变量方程，并对其进行有限Hankel变换，得到一组常系数的常微分方程，再通过Cay]ay-Hamilton原理和利用传递矩阵方法导出了层合压电、压磁耦合弹性介质圆板的状态变量解．