吳文琪1,胡芳仁1,2,楊宇鑫1
?。?.南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院,江蘇 南京 210046;2.南京郵電大學(xué)Peter Gruenberg中心,江蘇 南京 210023)
摘要:基于聲表面波(SAW)理論以及SAW諧振器的結(jié)構(gòu)和工作原理,設(shè)計了一種基于聲表面波(SAW)諧振式壓力傳感器。采用有限元軟件COMSOL Multiphysics對ZnO單晶聲表面波諧振器進(jìn)行建模和仿真,提出符合聲表面波振型的對稱模態(tài)和反對稱模態(tài),計算出ZnO單晶的相速度為3 237.31 m/s。討論了ZnO基底厚度對此壓力傳感器的相速度的影響,得出ZnO基底厚度越大,相速度越小。最后通過加載0~1 000 kg/m2的質(zhì)量塊來模擬不同的壓力對器件的頻率響應(yīng)的影響,結(jié)果顯示壓力的變化與諧振頻率二者具有良好的負(fù)相關(guān)線性關(guān)系。通過擬合得出線性表達(dá)式。
關(guān)鍵詞:聲表面波;ZnO單晶;壓力傳感器
中圖分類號:TP391.9;TP211+.51文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2016.24.024
引用格式:吳文琪,胡芳仁,楊宇鑫. 基于ZnO單晶聲表面波壓力傳感器的特性研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2016,35(24):84-86.
0引言
聲表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)壓力傳感器所特有的高頻特性及器件基片材料的壓電、逆壓電效應(yīng),使其與傳統(tǒng)壓力傳感器相比,具有測量精度高、抗干擾性強、微型、無源無線及成本低等優(yōu)點,適用于易燃、易爆、密閉等特定環(huán)境下的遙測與傳感[1]。因此對于SAW壓力傳感器的研究具有重要的意義。
在SAW器件應(yīng)用方面,由于ZnO的光電耦合系數(shù)高,溫度系數(shù)低且廉價易得等特點[2],非常適合于制造高頻聲表面波器件。
為研究這一類器件,本文依據(jù)壓電晶體的運動方程和壓電本構(gòu)方程[3],建立ZnO/Al結(jié)構(gòu)SAW 2D模型,采用物理耦合場軟件COMSOL Multiphysics對SAW諧振器器件進(jìn)行了仿真[4],確定了一種靈敏度較大的傳感器,為實現(xiàn)SAW壓力傳感器的制造提供了理論基礎(chǔ)以及數(shù)據(jù)參考。
1工作原理
SAW傳感器的組成元件是叉指換能器(IDT)和聲反射柵[5],結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理是:受空間電磁波的激勵后,在SAW諧振器基片表面激發(fā)與電磁波同頻的SAW,SAW在兩個反射柵之間來回多次反射。當(dāng)SAW諧振器基片受到壓力作用時,SAW諧振器尺寸發(fā)生變化,假設(shè)應(yīng)變?yōu)棣牛藭r的諧振頻率由(1)式算出。d是IDT兩相鄰電極中心距,可見壓力的變化會引起諧振頻率的變化,通過檢測fr的變化實現(xiàn)對外力的監(jiān)測。
當(dāng)有壓力加載在聲表面波傳播表面時,主要考慮有效彈性系數(shù)的變化量為:c*ijkl=cijkl+cijkl^,壓電介質(zhì)的耦合波方程變?yōu)椋?/p>
式(2)為有負(fù)載時壓電介質(zhì)的耦合波方程。其中,φ為電勢,ρ為介質(zhì)的密度, xj為介質(zhì)中的位置坐標(biāo), ui為彈性介質(zhì)的位移, cijkl為二階彈性剛度常數(shù),ekij為壓電常數(shù),εjk為介電常數(shù)。
2仿真與結(jié)果分析
本文采用有限元軟件COMSOL,結(jié)合壓電晶體的運動方程和壓電本構(gòu)方程,對ZnO單晶聲表面波諧振器進(jìn)行建模和仿真,對其特征頻率進(jìn)行仿真分析,并分析壓力加載下器件的頻率響應(yīng),以探討壓力的變化與諧振頻率的關(guān)系,對使用SAW諧振器實現(xiàn)對壓力的測量提供了支持。
2.1二維結(jié)構(gòu)模型建立
首先,建立單端口諧振器的二維幾何模型(見圖2),叉指換能器和聲反射柵的材料為Al,基底材料為ZnO。假設(shè)設(shè)計波長為20 μm,基片厚度為80 μm,寬度為215 μm。IDT與反射柵的寬度為5 μm,厚度為0.3 μm。IDT與反射柵的間隔為5 μm。邊界條件如表1所示。
2.2特征頻率研究
利用COMSOL對ZnO單晶聲表面波諧振器進(jìn)行多物理域耦合建模與仿真,得到兩個聲表面波模態(tài)(即對稱模態(tài)與反對稱模態(tài))所對應(yīng)的諧振頻率(fsc+)與反諧振頻率(fsc-)。圖3和圖4分別為對稱模態(tài)和反對稱模態(tài),縱坐標(biāo)為總位移,圖中最右邊的標(biāo)尺表示總位移的大小,從上往下逐漸減小。
從圖3中可以看出對稱模態(tài)對應(yīng)的諧振頻率為1.618 511×108Hz,振動最強的質(zhì)點總位移有1.04×10-3μm。圖4為反對稱模態(tài)變形圖,反對稱模態(tài)對應(yīng)的諧振頻率為1.618 799×108Hz,最強的質(zhì)點總位移有9.65×10-4 μm。ZnO單晶材料沿縱坐標(biāo)軸0~60 μm的區(qū)域內(nèi)各質(zhì)點的振動位移幾乎為0,聲表面波能量主要集中在1~2個波長范圍,符合聲表面波的特性。
由式(3)所示的聲表面波波速與正反模態(tài)諧振頻率的公式,可計算出ZnO單晶的聲表面波的相速度νeff=3 237.31 m/s。
νeff=d×(fsc++fsc-)(3)
其中,d是IDT兩相鄰電極中心距,下面利用COMSOL的頻率分析模塊研究在諧振頻率附近不同頻率下的總位移。圖5是總位移與頻率的關(guān)系圖,橫坐標(biāo)頻率為160~163 MHz,縱坐標(biāo)的單位是總位移。由圖可知,當(dāng)器件處于諧振狀態(tài)時,IDT激發(fā)出的聲表面波總位移最大,叉指換能器所產(chǎn)生的聲波是最強的,與叉指換能器的工作原理相符合。
2.3ZnO基底厚度對聲表面波波速的影響
通過改變ZnO基底的厚度,得到khZnO與聲表面波波速的關(guān)系,其中,k=2π/λ為波速。由圖6可見,當(dāng)khZnO從0增加到6時,聲表面波波速逐漸變小。因此在設(shè)計ZnO單晶SAW諧振器時,可以通過調(diào)節(jié)基底厚度得到不同的聲表面波波速。
2.4壓力加載下的頻率響應(yīng)分析
在ZnO基底上依次加載0~1 000 kg/m2的質(zhì)量塊來模擬壓力的變化。加載質(zhì)量塊后,找到正反模態(tài)對應(yīng)的諧振頻率,由公式(4)可以得到諧振頻率。不同壓力下的諧振頻率如表2所示。
通過對表2數(shù)據(jù)的擬合,畫出諧振頻率的擬合線如圖7所示,以得到諧振頻率與外加壓力之間呈負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系,即當(dāng)壓力增加時,頻率呈近似線性下降。通過擬合可以得出線性表達(dá)式:
y=161.87-0.0125x
3結(jié)論
本文根據(jù)諧振器的結(jié)構(gòu)和工作原理,結(jié)合壓電晶體的運動方程和壓電本構(gòu)方程,利用有限元分析軟件COMSOL對ZnO單晶聲表面波諧振器進(jìn)行建模與仿真,提出了符合聲表面波振型的對稱模態(tài)和反對稱模態(tài)。通過對壓力加載下的頻率響應(yīng)進(jìn)行分析,得到壓力與SAW諧振器頻率成負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系,這對使用SAW諧振器實現(xiàn)對壓力的測量提供了支持。
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