激光辐照改变石英晶体材料性能实现谐振器倒边效应的实验和理论研究

The application fields and range of functionally graded materials (FGMs) are expanding quickly, enabling the fast growth of processing technology, its industrial adoption, and changing the traditional design and manufacturing technology. Earlier research and development from structural design and material synthesis, processing, modification, and application have been fostering the utilization of FGMs for thermal protection, erosion resistance, and friction resistance purposes as signatory applications, demonstrating great advantages in enhancing structural functions as major advances of material processing technology and engineering innovation and acting as the driving force for more broad industrial applications. For further exploitation of the remarkable potential of FGMs in device structures undergoing wave propagation, we expect some functions can also be improved by special FGMs and structures in piezoelectric crystal resonators. With positive findings from our preliminary experimental study of effects of laser irradiation on quartz crystal blanks, we propose to investigate the laser treatment of piezoelectric crystal materials to create FGM features in quartz crystal blanks for possible improvement of performance of this type acoustic wave resonators, thus spearheading a new direction to develop a brand-new technology in the fabrication of traditional resonators for many vital applications in today’s electronic products. In fact, it is a new approach to realizing the beveling, or thinning of ends of the quartz crystal blank in a resonator structure to enable the proper variation of stiffness of crystal blanks to enhance the decoupling of certain vibration modes that is very important in improving the quality factor of a quartz crystal resonator with the newer and efficient laser processing technology, guiding the search of novel processing technology and enhancement of acoustic wave devices.

功能梯度材料和结构的应用领域和范围在迅速增加，相应的加工技术也在不断发展并日趋普及，影响着传统的设计和制造技术。早期从结构设计到材料合成、加工、表征和应用等方面的研究工作，促成了功能梯度材料在热防护、耐磨层和防腐蚀等方面的标志性应用，凸显了强化结构功能的优点，成为促进这一技术在更宽广的工程领域应用的驱动力。将功能梯度材料的显著特点应用于波传播和声波器件结构，同样可以产生强化性能的效果，是对这类传统结构和加工技术的重大创新。在前期研究的基础上，计划利用激光辐照加工成各向异性晶体梯度材料，开展功能梯度材料和结构中的声波传播研究，探索全新的高性能声波器件的设计和制造技术。利用高效和容易控制的激光辐照侵蚀加工技术在局部形成梯度材料，实际上是一种新的石英晶体谐振器倒边方法，有助于强化特定工作模态的频率的稳定和变形的孤立、强化、分离等特点，以此引导声波器件新工艺和产品性能改善的探索。

研究项目瞄准功能梯度材料的优越特性在石英晶体谐振器中的应用，设计了采用激光辐照实现材料性能的梯度变化这一加工方式，并通过合理选择激光烧蚀的位置、范围、时间、模式等因素，最后制成有利于抑制石英晶体板振动中的特定模态并用新工艺制造了性能优越的石英晶体谐振器。这是一个全新的工艺技术，有助于改善声波器件加工的传统方式，推广和利用最新的研究成果。研究工作从石英晶体材料的激光辐照效应实验分析开始，确认了辐照功率、频率、时间和烧蚀区域的关系，并以这些参数来制定激光辐照加工的最佳模式，建立基于激光加工技术的新工艺。研究中也尝试采用导电高分子材料作为石英晶体谐振器电极，目前已经完成了谐振器样品，证明这一概念是可行的。为了获得性能更好的石英晶体谐振器，分析研究了具有更好的温频关系的石英晶体新切型，并开始了相应的新产品的研制工作。与谐振器设计分析结合，在谐振器结构振动方面的研究包括耦合模态识别和非线性分析方法等，对新产品设计技术提供全面的支撑和改进。这些研究工作将从倒边效应的激光加工工艺、新材料、新切型以及新的设计方法等方面，为石英晶体谐振器的新产品开发和创新技术提供新思路。研究工作按计划展开，和合作企业建立了密切的共同研究关系，以此实现研究成果的快速转化。研究工作由于新冠状病毒疫情和实验室搬迁受到影响，研究经费支出也受到影响，一些实验工作延期，需要在结题后继续开展工作，力争在一年内完成。研究工作中发表SCI论文17篇，EI论文14篇，其他英文论文2篇，申报专利3项，软件著作权登记1项，培养硕士研究生15人，博士研究生2人。