高温声表面波传感器的非线性和多层膜理论研究

Surface acoustic wave ( SAW ) sensors have the advantages of wireless and passive sensing and working in harsh environment such as high temperature, strong electromagnetic radiation, high speed media. So SAW sensors have significant potential value for applications in petroleum, chemical, metallurgy, automobile, aerospace and national defense and other applications working in high temperature environment (above 600 ℃). In order to withstand the high temperature, SAW sensors use multilayer structures and high temperature inorganic piezoelectric substrate. There are some problems that are the inaccurate nonlinear substrate material coefficients in high imprecision and the multilayer theory not suited for finite-length structures, so the new theories to solve these problems are desired. This research proposes a finite element and boundary element ( FEM-BEM ) theory for finite multilayer structures, based on the original FEM-BEM thoeries. Extending the SAW measurement to the high temperature environment, a new method to measure the nonlinear substrate material coefficients is derived. Combined with the above two thoeries, the nonlinear theory for multilayer structures is produced. This research is important for the theory of SAW devices with multilayer structures, and has practical value for high temperature SAW sensors.

声表面波( SAW) 传感器能工作于高温、强电磁辐射、高速运动等恶劣环境，且具有无线无源优点，因此SAW传感器在石油、化工、冶金、汽车、航空航天以及国防等高温传感领域（600℃以上）具有重大的应用潜力。多层膜结构和超高温无机非金属压电材料使得SAW传感器能承受超高温度,已有研究方法存在的问题包括：非线性基片材料参数在高温下不精确和未考虑有限长多层膜结构，这些问题急待新的理论研究。本项目拟在有限长单层膜有限元-边界元（FEM-BEM）和周期多层膜FEM-BEM的基础上，构建多层膜结构的有限长多层膜FEM-BEM理论；将常温SAW测量方法推广到高温环境，探索非线性基片材料参数的测量方法；两者结合完成多层膜结构的非线性分析理论。本研究在多层膜SAW器件的研究方面具有重要意义，同时在高温SAW传感器研制方面具有重要实用价值。

声表面波( SAW) 传感器能具有无线、无源、可在高温、强电磁辐射、高速运动等恶劣环境下工作的优点，在高温传感领域（600℃以上）具有重大应用潜力，但是存在高温下非线性基片材料参数不精确的问题，和无耐高温多层膜结构的精确有限长分析理论。针对此两难题，本项目一方面引入常温下SAW基片的精确SAW测量方法到高温情况，测量了若干不同切向高温基片的SAW 声速，由测量的SAW 声速数据拟合出非线性高温基片材料参数，拓展得到了高温下非线性基片材料参数的测量方法；另一方面基于负责人课题组开发的单层膜有限元-边界元分析理论，拓展多层膜电极的有限元分析方法，并建立了多层电极FEM理论模型和基片BEM理论模型的加权切比雪夫多项式近似拟合的结合方法，完成了多层膜结构的有限长有限元-边界元分析理论。最后，结合两者完成了高温SAW传感器的非线性和多层膜理论。实验上测试了多种基片切向在不同温度下的声速，采用上述高温非线性基片材料参数的测量方法获得了硅酸镓镧（Langasite，LGS）基片的非线性材料参数。根据获得的LGS基片的非线性材料参数，基于FEM-BEM理论提取LGS基片的P矩阵参数，设计制作了传播方向为ψ=74º 和 ψ=82º的Z切LGS基片的高性能高温SAW单端谐振器器件，实验测试器件的谐振频率在215MHz和225MHz，频率差约1.9MHz，与理论分析结果一致，而且实验了器件在常温至500℃范围的频率温度响应曲线，得到了单调性的频率温度特性，且实验测试结果与理论一致，综上实验验证了理论的正确性。本项目的高温SAW传感器的非线性和多层膜理论研究提供了理论基础，为高性能高温SAW传感器的器件设计和应用提供了基础技术支撑。