高温下基于LGS基底和重金属厚栅阵的剪切型声表面波传播特性的精确分析及无线传感应用研究

There are extremely urgent needs for high-precision detection of high temperature (250oC ~ 1000oC)in a variety of modern industrial fields such as the automotive, aerospace, nuclear power, oil and gas exploration, process control, and power electronics technology. SAW technology-based high temperature sensor has a wide temperature measurement dynamic range, high-precision, low cost, especially the use of the passive structure of the surface acoustic wave devices, can be achieved the wireless and passive temperature detection in the extreme conditions. So, it is very promising and significant academic value in the above areas. The purpose of this project is to carry out basic research surface acoustic wave propagation characteristics associated with the nonlinear temperature on langasite substrate. The analysis of the nonlinear temperature characteristics of the piezoelectric substrate, theoretical model establishment of the sensor response characteristics, and high-temperature structural optimization of the sensor lead to breakthroughs in key technologies. The main contents include: (1) Theoretical model establishment of the non-linear temperature characteristics of the LGS substrate; (2) analysis on SH-SAW propagation characteristics along the langasite substrate coated with heary and thick metal grating, and accurate extraction of the parameters of the couple of modes, (3) wireless and passive high-temperature sensor function structure design and performance evaluation. This project exhibits great significance of the practical application of high-temperature sensor based on surface acoustic wave technology.

在各种现代工业领域如汽车、航天、核电、油气勘探、过程控制以及电力电子技术等对高精度的高温（250oC～1000oC）检测手段有着极为迫切的需求。基于声表面波技术的高温传感器具有很宽的测温动态范围、高精度、低成本等特点，特别是利用声表面波器件的无源结构，可以实现在极端条件的无线无源温度检测，在上述领域极具应用前景和重大学术价值。本项目旨在针对基于硅酸镓镧基片结合重金属电极激发的剪切声表面波传播特性开展基础性研究，通过对压电基片非线性温度特性分析、声表面波传播特性的理论建模与COM参数精确提取及功能结构优化等研究，突破关键技术。主要研究内容有：（1）高温下硅酸镓镧基片非线性温度特性的理论建模；（2）高温下基于硅酸镓镧基片与重金属栅阵中剪切声表面波传播特性分析及耦合模参数精确提取；（3）无线无源高温传感器的功能结构设计及性能评价。本项目研究对于促进声表面波高温传感器的实际应用具有重要意义。

依据压电晶体金属栅阵中SAW传输的变分原理，并结合厚金属栅阵的有限元方法和耦合模型，在硅酸镓镧基底的优化切向和重金属栅阵条件下、开展了剪切声表面波传播特性的理论研究，获得了精确的COM参数及其与温度、电极厚度的关系，优化了设计参数，突破了该类器件设计的关键技术。.从层状介质声传播理论出发，建立了LGS基底Pt电极中传输的漏SAW的理论分析模型，推导出谐波导纳的近似表达公式，精确地分析了栅阵中SAW的色散关系。.在理论分析的基础上我们研制了相应的声表面波传感器：.首先研制了用于有机磷化合物的无线无源声表面波传感器，它由一个压电基底单相单向换能器构成的434MHz延迟线和三个短反射栅构成，SXFA薄膜作为敏感界面沉积在器件第二和第三个反射栅之间SAW传输路径上，传感器实测灵敏度为 。.研制了金属点阵结构的声表面波速度传感器，分析了层状介质中声波传输特性，优化了传感器设计如压电材料的选择、金属点阵结构形式、膜厚等。所研制的SAW传感器由延迟线型谐振器和沉积在声波传输路径上金属点阵构成，灵敏度达43Hz•deg−1•s−1。.设计了一种锥变截面管型超声振动系统，建立了锥变截面超声振动系统的等效电路和谐振/反谐振频率方程，对锥变截面管型超声振动系统进行了测试与分析。.项目组还对各向异性介质中具有谐波和PT对称势的稳定二维局域模式以及空间囚徒困境领域扩张与模式生成进行了理论研究。.总结：本项目依据依据陈东培和Haus关于压电晶体金属栅阵中SAW变分原理、在国内外首次构建LGS温度特性与高温条件下基于LGS与重金属栅阵中SH-SAW传播特性的精确理论模型，获得精确的设计参数，同时开展了实验研究，获得了较好的科研成果，共发表论文14篇其中SCI论文13篇，国家一级期刊1篇，专利2项，培养博士两名，硕士一名。