力电耦合激励下声波器件中界面和瞬态问题的研究

Surface acoustic wave (SAW) devices and thin film bulk acoustic resonators (FBAR) have been widely used in many fields including the national defense, electronics, mechanical engineering, communications and so forth, which depends on their ability that some specific functionality can be achieved by using of elastic or acoustic wave propagation in smart materials and structures. For the interfacial problem and transient effect, which are typically encountered in device application, we plane to investigate some wave characteristics theoretically and numerically from the equations of the linear theory of piezoelectricity by using of multidisciplinary knowledge, such as material science, electromagnetic field, electric circuit, and signal processing. Under the initial mechanical or electrical excitation, several important issues are concerned in these wave devices, which include the relation exploration between interface damping and energy distribution, electro-mechanical coupling analysis of inhomogeneous interface, and the effect of transient shift caused by initial voltage, current, frequency, and so on. Finally, a new high-frequency wave excited by imperfect interface in FBAR is expected to be verified experimentally. We will try our best to explore a new mechanical model which can fully describe the property of interface, and reveal the physical mechanism of transient response. The present application aims to improve some performance indices, as well as the stability of acoustic wave devices. It also can provide theoretical and experimental guidance on the health detection of smart structures and design of SAW and FBAR with higher properties.

表声波器件和薄膜体声波谐振器利用弹性波（声波）在智能材料中的传播来实现某些特殊功能，目前已经被广泛应用到国防、电子、机械工业、通信等众多领域。针对这两类器件在使用过程中经常遇到的界面问题和瞬态响应，本项目从基本的弹性力学理论出发，结合材料学、电磁场理论、电路、信号处理等多学科知识，对其中的波动特性进行理论分析、数值模拟以及实验验证三方面研究。重点讨论器件在应力场和电场激励下界面的阻尼系数与能量分布的关系、非均匀弱界面的力电耦合特性，以及电压、电流、激发频率等参数的瞬态响应所带来的影响；探索能够全面描述压电复合结构中界面特性的新的力学模型，实验验证薄膜体声波谐振器中由非理想界面所激发出的新的高频波，并揭示瞬态效应影响的物理机制。本项目旨在提升声波器件的性能指标及其工作稳定性，从而为器件的开发、设计、评估以及健康检测提供技术指导。

随着薄膜与微纳制造技术的发展，电子器件正向微型化、高密集复用、高频率和低功耗的方向迅速发展。由于声表面波器件和体声波谐振器具有类似的结构和相似的工作原理，本项目针对这两种器件在使用过程中的非理想连接问题和瞬态响应问题统一进行了研究。取得的重要研究成果包括：.1）构建了弹簧模型用以模拟压电复合结构中胶层的力学特性，并借助水平剪切波的激发过程，通过有限元仿真和实验测量使理论模型得到了全方位地验证，并应用此理论模型对系统进行了优化设计，针对不同PZT尺寸、不同的结构连接状况合理地选择激振频率，以使响应信号达到最大；.2）基于Mindlin板理论探索出了用于模拟结构非理想连接特性的新的求解思路，揭示了由结构的非理想连接所导致的新的厚度-扭转模态这一物理现象，并对这种新奇现象给予了合理的解释；.3）获得了用于描述声波器件中驱动电信号的不稳定这一瞬态响应问题的理论解，并对激励电压的瞬间增大、激振频率的瞬间漂移、电源的瞬间打开和关闭这三种典型的瞬态响应进行了详细的分析，给出了系统恢复稳定状态所需的临界响应时长；.4）发展了同时计及表面效应、非局部理论和挠曲电效应的二维力-电-磁多物理场耦合的板理论，此理论具有普遍适用性，可以退化为经典的高阶板理论，也可以用于单独求解三种效应对器件工作性能的影响，提出了微纳尺度下尺寸效应影响显著所对应的声波器件的临界尺寸；.5）建立了用于描述具有几何周期性的声子晶体结构中水平剪切波传播的理论解，使得光学和声学中的“Rainbow Trapping”现象在弹性固体中成功实现，达到了能量分离的目的，为能量俘获器的开放提供了更多的选择空间。.本项目属于基础类研究，提出的考虑非理想连接情况下水平剪切波激发的物理模型在结构健康监测领域有重要的应用，有望替代传统的Lamb波检测技术；进行的小尺度下声波器件工作性能的研究是目前学术界讨论的热点，提出的分析模型为器件的小型化提供了重要的理论工具。