使用广义瑞利波测量压电薄膜结构中的初始应力

使用广义瑞利波测量压电薄膜结构中的初始应力

一、用广义Rayleigh波测量压电薄膜结构的初应力(论文文献综述)

田茹[1](2021)在《压电半导体层状结构中的弹性波传播》文中指出压电半导体是一种具有力-电-载流子多场耦合效应的功能材料。由于兼具压电性和半导体的特性,压电半导体材料可以用于制作传感器、晶体管、谐振器等元器件。这些应用的功能开发和性能优化需要我们对压电半导体材料的动态特性有深入的了解,尤其是压电半导体结构中弹性波的传播特性。层状结构是各类压电半导体器件的基本构形,且压电和半导体场的相互作用会对其中弹性波的传播特性产生显着的影响。因此,本文对压电半导体层状结构中若干基本的波动问题进行了较为系统的研究,以期为压电半导体材料的器件应用提供有价值的理论参考。主要内容和结果如下:1.基于力-电-载流子多场耦合效应,研究了各向异性压电半导体板中弹性波的传播特性。引入广义符号来表示基本方程,应用广义Stroh公式得到了广义位移和广义应力的基本解,结合边界条件得到了频散方程,数值计算了边界条件、板厚、初始载流子浓度和偏置电场对横观各向同性压电半导体板中SH波和Lamb波频散和衰减的影响。结果表明,压电半导体板中归一化的弹性波的传播特性与板厚有关;相对于施加垂直偏置电场,施加横向偏置电场可以更容易地实现波放大;初始载流子浓度、板厚和偏置电场是压电半导体器件设计时需要充分考虑的关键参数。2.考虑半导体耦合,研究了压电半导体薄膜/弹性介电半空间中Love波的频散和衰减特性,揭示了半导体特性、边界条件、薄膜厚度和偏置电场对压电半导体薄膜/弹性介电半空间中Love波传播特性的影响。结果表明,半导体特性降低了Love波的传播速度,且Love波的波速可以大于弹性介电半空间的剪切体波波速;当Love波波速取得最小值时,临界横向偏置电场下的波衰减为0。3.研究了压电半导体薄膜/弹性介电半空间中Rayleigh波的传播特性,推导出了频散方程的解析表达式,讨论了半导体特性对频散和衰减曲线以及薄膜厚度、初始载流子浓度和偏置电场对第2阶模态最大波速和前两阶模态相互作用的影响。结果表明,第2阶模态的最大波速以及前两阶模态的相互作用与薄膜厚度、初始载流子浓度和偏置电场密切相关;半导体特性同样降低了Rayleigh波的波速,且由于波速的虚部等于零使第2阶模态出现间断。4.应用广义Stroh公式和DVP(Dual variable and position)方法,研究了考虑非理想界面时压电半导体多层板中SH波的频散和衰减特征,数值算例表明了半导体特性对单层压电半导体板以及叠层形式和界面柔度对夹层板中SH波传播特性的影响。结果表明,SH波的前三阶模态可以在整个频域内传播,不存在截止频率;机械非理想界面会增大第1阶和第2阶模态的实波数,减小虚波数;当界面柔度较大时,高频域SH波频散和衰减曲线不再随界面柔度的改变而产生显着变化。5.研究了非理想界面下压电半导体多层板中Lamb波的传播特性,分析了半导体特性对压电半导体单层板和叠层形式及界面柔度对横观各向同性压电半导体夹层板中Lamb波频散和衰减的影响。结果表明,Lamb波的前三阶模态可以在整个频域内传播,Lamb波前两阶模态的实波数随机械非理想界面界面柔度的增大而增大,法向柔度(沿厚度方向位移不连续)对前两阶模态低频域波数几乎无影响。

刘智荣,谢立强,朱敏,包文歧[2](2020)在《静电场对压电薄膜中声表面波传播的影响》文中研究指明该文介绍了声表面波(SAW)在压电薄膜中传播时静电场的影响机理。首先给出了静电场作用下压电薄膜中的初始应力和初始电位移,然后通过求解含有初始应力和初始电位移的压电介质耦合波动方程,得到SAW在静电场影响下的相速度变化和频散曲线,最后仿真分析了ZnO和AlN两种压电薄膜材料中SAW的传播特性。结果表明,SAW的相速度与静电场成正比,与波数成反比。

胡思苗[3](2020)在《考虑旋转效应的压电半导体层状结构中的广义Rayleigh波》文中研究说明声表面波在传播过程中由于结构自身旋转而产生的陀螺效应会导致波传播特性发生改变。压电半导体材料由于同时具有压电效应和半导体特性而被逐渐用于制造各类功能不同的声表面波器件。本文研究了考虑旋转效应时不同压电半导体结构中广义Rayleigh波的传播特性,主要包括三部分内容:第一,研究了旋转的压电半导体半空间中的广义Rayleigh波。建立压电半导体半空间模型并考虑结构绕固定轴旋转,基于弹性动力学和压电半导体理论,建立并且推导得到了以位移函数、电势函数和扰动载流子浓度函数表示的波动场控制方程组。结合波函数试探解和边界条件得到关于波速和波数的频散方程。选取了最小模值逼近法对该频散方程进行数值求解,研究结果表明:广义Rayleigh波的相速度与衰减在计算范围内都与旋转角速度呈近似线性关系,在不同电学边界下旋转使波的衰减情况发生变化,并且外加偏置电场能够小幅度改变旋转对相速度以及衰减的影响程度。第二,建立更贴近实际应用的压电半导体层状结构模型,选取压电半导体材料和弹性材料作为覆盖层和基底,并将弹性基底视作半空间结构。分别推导了覆盖层和弹性基底的场控制方程组并求解。数值结果表明广义Rayleigh波的相速度和衰减与旋转角速度在计算范围内呈近似线性关系,且都随着压电半导体层厚度的变化而变化;不同方向与大小的偏置电场会使波在一定范围内增益且会改变旋转对广义Rayleigh波相速度和衰减的影响。第三,基于旋转的压电半导体层状结构模型,考虑初应力这一因素,研究了无偏置电场时覆盖层中的初应力以及由外加偏置电场引起的初应力和初始电位移对广义Rayleigh波传播特性的影响。假设压电半导体层中初应力为常数,并且推导了初应力和初始电位移与偏置电场之间的关系。建立并求解了不同情况下的场控制方程组,数值结果表明:压电半导体层中存在的初应力会改变广义Rayleigh波的相速度并且会使波幅的衰减弱化;在一定的波数范围内,通过施加一定大小和方向的偏置电场能使波增益。通过以上研究发现旋转对不同压电半导体结构中广义Rayleigh波的传播特性具有一定程度的影响,并且可以通过施加外部偏置电场来对这些影响进行调控。

刘建军[4](2017)在《压电半导体结构中的几类典型导波》文中研究指明随着微机电技术的发展,具有机电耦合特性和半导体特性的压电半导体材料备受关注,以ZnO为代表的具有半导体特性的压电材料可被用于新型微机电声波器件中。本论文基于弹性动力学基本理论,考虑压电效应、半导体特性和偏置电场等耦合作用,对压电半导体结构中传播的几类典型导波进行了建模分析、理论计算和数据分析,主要内容分为两个方面:(1)分析讨论了横观各向同性压电半导体结构中的几类典型导波的传播特性问题。基于本构方程、位移与应变关系和场控制方程建立了由位移函数、电势函数以及扰动载流子浓度函数表示的场控制偏微分方程组。考虑应力自由和电学连续性边界条件,得到导波的波速和波数之间的解析方程。(2)基于上述的解析模型,分析了典型压电半导体半空间结构中的广义Rayleigh波以及压电半导体板中SH波和Lamb波等几类典型导波的传播特性问题。研究发现:广义Rayleigh波可以在压电半导体半空间中传播,半导体特性导致了波的频散,SH波和Lamb波同样可以在压电半导体板中传播,且在板中存在多阶频散模态;压电半导体结构中传播的导波因半导体特性其相速度会受到影响,沿着导波的传播方向施加足够大的偏置电场可以导致波的增益。研究发现的半导体效应和偏置电场作用可以导致波的衰减或增益的特点。研究结论可以指导以ZnO等压电半导体材料为代表的声波器件的设计,预期可为新型智能材料及结构中的的超声波无损检测提供理论上的依据和支持。

李鹏[5](2017)在《压电复合结构中弹性波传播特性分析及其在高性能声波器件中的应用研究》文中研究表明声表面波器件、薄膜体声波谐振器、压电变压器、石英晶体微天平以及质量传感器等电子器件在声学、无损检测、航空航天、电子通讯、医学器械、主动控制等众多领域中应用广泛。本文从弹性力学的基本方程入手,借助于MATLAB计算软件,从电子器件实际工程应用的角度出发,针对这些器件在使用过程中经常遇到的结构之间的弱连接、材料的非均匀分布以及变截面等问题开展了理论分析和数值研究。首先,以剪切-迟滞模型为基础,通过引入弱界面的电学非理想参数、阻尼系数等方式,详细讨论了含非理想界面的压电层合结构中B-G波的传播、电学边界条件的非理想性对压电平板中厚度-扭转波的影响、电激励作用下压电器件中的粘弹性弱界面以及由非理想界面激发出的高频波等四个基本问题。理论分析和数值计算的结果表明,非理想界面显着影响器件的工作性能,主要体现在:非理想界面可以改变声表面波器件中B-G波的存在条件;相对于力学特性而言,界面的电学非理想边界条件对波传播特性影响很小,可以忽略;界面的刚度系数与共振频率直接相关,进而影响输出幅值或输出电压与输入电压的比值、输入导纳、能流密度等性能指标,而阻尼系数对共振频率几乎没有影响,但会显着干扰器件的能量转换效率;非理想界面的出现可以激发出新的厚度-扭转波或厚度-剪切波,这是在界面理想情况下没有出现的新现象。其次,应用波函数展开法和幂级数展开法分别讨论了功能梯度压电压磁半空间中的B-G波和材料参数沿长度方向变化时板中的厚度-扭转波。材料的非均匀分布可以从本质上改变波的传播特性,具体表现为:当功能梯度压电压磁材料的各参数以同一指数规律变化时,在其表面传播的B-G波是频散波;如果压电损伤导致了材料参数沿板长度方向分布不均,那么某些频率范围内的厚度-扭转波将呈现出能陷现象,能量主要集中在压电板的某个区域。这些现象也是当材料均匀分布时没有出现过的。最后,利用Tiersten HF的近似方程和傅里叶级数,通过改变谐振器的横截面、石英晶体微天平中附加质量层的厚度等手段,最终达到了激发能陷的目的。附加质量层的惯性对振动频率起主导作用,振动主要集中在器件较厚的区域,如果将器件设计成中间厚边缘薄的形状,将有利于器件的固定和能陷现象的发生。本研究揭示了弱界面、功能梯度材料、厚度的非均匀变化等因素对波传播特性影响的物理机制,对压电复合材料器件的分析和设计以及具体实验数据的测量具有重要的理论和指导意义。

刘华,王铁军,王子昆[6](2000)在《用广义Rayleigh波测量压电薄膜结构的初应力》文中进行了进一步梳理通过求解考虑初应力时的耦合波动方程,研究了覆盖层为各向同性材料、基底为横观各向同性压电材料的压电层状结构中广义Rayleigh 波传播时初应力和相速度的关系.结果表明,对于给定的材料参数和薄膜厚度,通过测量薄膜结构中的声表面波传播速度即可确定薄膜中的初应力,这对声表面波器件设计及薄膜结构的力学性能分析具有理论意义和实际应用价值.

刘华,王铁军,王子昆[7](1999)在《用广义Rayleigh波测量压电薄膜结构的初应力》文中认为

二、用广义Rayleigh波测量压电薄膜结构的初应力(论文开题报告)

(1)论文研究背景及目的

此处内容要求:

首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景,再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题,并提出你的论文准备的观点或解决方法。

写法范例:

本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。

(2)本文研究方法

调查法:该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。

观察法:用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。

实验法:通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。

文献研究法:通过调查文献来获得资料,从而全面的、正确的了解掌握研究方法。

实证研究法:依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。

定性分析法:对研究对象进行“质”的方面的研究,这个方法需要计算的数据较少。

定量分析法:通过具体的数字,使人们对研究对象的认识进一步精确化。

跨学科研究法:运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。

功能分析法:这是社会科学用来分析社会现象的一种方法,从某一功能出发研究多个方面的影响。

模拟法:通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。

三、用广义Rayleigh波测量压电薄膜结构的初应力(论文提纲范文)

(1)压电半导体层状结构中的弹性波传播(论文提纲范文)

致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 引言
    1.2 压电半导体材料及其应用
    1.3 压电半导体材料及结构中弹性波传播问题的研究概况
        1.3.1 压电半导体中体波及其在界面上的折射和反射
        1.3.2 压电半导体中的导波
        1.3.3 多层压电半导体结构中的弹性波
    1.4 压电-半导体复合结构中波的传播
    1.5 本文的研究目的和研究内容
        1.5.1 本文的研究目的
        1.5.2 本文的研究内容
2 压电半导体板中弹性波的传播特性
    2.1 引言
    2.2 问题的描述
    2.3 频散方程
    2.4 数值结果和讨论
        2.4.1 压电半导体板中的SH波
        2.4.2 压电半导体板中的Lamb波
    2.5 本章小结
    本章附录
3 压电半导体薄膜/弹性介电半空间中Love波的传播
    3.1 引言
    3.2 问题的描述和边界条件
    3.3 频散方程
    3.4 数值结果和讨论
        3.4.1 半导体特性对频散和衰减的影响
        3.4.2 边界条件对频散和衰减的影响
        3.4.3 薄膜厚度对频散和衰减的影响
        3.4.4 偏置电场对频散和衰减的影响
    3.5 本章小结
    本章附录
4 压电半导体薄膜/弹性介电半空间中Rayleigh波的传播
    4.1 引言
    4.2 边值问题
    4.3 频散方程
    4.4 结果与讨论
        4.4.1 半导体特性对频散和衰减的影响
        4.4.2 最大波速和模态相互作用的影响因素
    4.5 本章小结
5 非理想界面压电半导体多层板中的SH波
    5.1 引言
    5.2 问题的描述和边界条件
    5.3 频散方程
    5.4 数值结果和讨论
        5.4.1 压电半导体单层板中的SH波
        5.4.2 压电半导体夹层板中的SH波
    5.5 本章小结
6 非理想界面压电半导体多层板中的Lamb波
    6.1 引言
    6.2 问题的描述和边界条件
    6.3 频散方程
    6.4 数值结果和讨论
        6.4.1 压电半导体单层板中的Lamb波
        6.4.2 压电半导体夹层板中的Lamb波
        6.4.3 非理想界面下压电半导体夹层板中的Lamb波
    6.5 本章小结
7 结论与展望
    7.1 结论
    7.2 创新点
    7.3 进一步的工作展望
参考文献
作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
学位论文数据集

(2)静电场对压电薄膜中声表面波传播的影响(论文提纲范文)

0 引言
1 波动方程的建立
    1.1 初始条件
    1.2 波动方程
2 波动方程的建立
3 仿真分析及讨论
4 结束语

(3)考虑旋转效应的压电半导体层状结构中的广义Rayleigh波(论文提纲范文)

摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题研究的背景及意义
        1.1.1 固体中的超声波简介
        1.1.2 压电半导体材料介绍
        1.1.3 声表面波陀螺效应简介
    1.2 国内外研究进展
        1.2.1 压电半导体结构中的弹性波研究进展
        1.2.2 旋转结构中的弹性波研究进展
    1.3 课题研究的主要内容
2 旋转对压电半导体半空间中广义Rayleigh波的影响
    2.1 问题描述及基本方程
    2.2 问题求解
    2.3 数值算例与讨论
        2.3.1 旋转对广义Rayleigh波频散特性和衰减特性的影响
        2.3.2 偏置电场作用下旋转角速度与广义Rayleigh波波速之间的关系
    2.4 本章小结
3 旋转对压电半导体层状结构中广义Rayleigh波的影响
    3.1 问题描述及基本方程
    3.2 问题求解
    3.3 数值算例与讨论
        3.3.1 旋转对广义Rayleigh波频散和衰减的影响
        3.3.2 偏置电场作用下旋转对广义Rayleigh波频散和衰减的影响
    3.4 本章小结
4 初应力对旋转压电半导体层状结构中广义Rayleigh波的影响
    4.1 问题描述及基本方程
    4.2 问题求解
    4.3 数值算例与讨论
        4.3.1 无偏置电场时初应力和旋转对广义Rayleigh波频散和衰减的影响
        4.3.2 偏置电场对广义Rayleigh波频散和衰减的影响
    4.4 本章小结
5 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
致谢
参考文献
攻读学位期间主要研究成果
    1. 获得荣誉
    2. 科研成果

(4)压电半导体结构中的几类典型导波(论文提纲范文)

摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题研究的背景及意义
        1.1.1 固体中波的简介
        1.1.2 压电效应和压电材料简介
        1.1.3 压电半导体力学介绍
    1.2 国内外研究进展
        1.2.1 导波的研究进展
        1.2.2 压电材料的研究进展
    1.3 课题研究的主要内容
2 压电半导体半空间中的广义Rayleigh波
    2.1 问题描述及基本方程
    2.2 问题求解
    2.3 数值算例与讨论
        2.3.1 稳态载流子浓度n对广义Rayleigh波频散和衰减的影响
        2.3.2 偏置电场1E对广义Rayleigh波频散和衰减的影响
        2.3.3 偏置电场3E对广义Rayleigh波频散和衰减的影响
    2.4 本章小结
3 压电半导体板中的SH波
    3.1 问题描述及基本方程
    3.2 问题求解
    3.3 数值算例与讨论
        3.3.1 稳态载流子浓度n对SH波频散和衰减的影响
        3.3.2 偏置电场2E对SH波频散和衰减的影响
    3.4 本章小结
4 压电半导体板中的Lamb波
    4.1 基本方程
    4.2 问题求解
    4.3 数值算例与讨论
        4.3.1 稳态载流子浓度n对Lamb波频散和衰减的影响
        4.3.2 偏置电场1E对Lamb波频散和衰减的影响
        4.3.3 偏置电场3E对Lamb波频散和衰减的影响
    4.4 本章小结
5 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
致谢
参考文献
附录 攻读硕士学位期间获得的荣誉和科研成果
    1. 获得荣誉
    2. 科研成果

(5)压电复合结构中弹性波传播特性分析及其在高性能声波器件中的应用研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 研究目的和意义
    1.2 声波器件中弹性波传播的研究现状
        1.2.1 几种主要的波型
        1.2.2 声表面波器件的主要参数指标
        1.2.3 基本方程
        1.2.4 几种常见的结构及其求解方法
    1.3 本文主要的研究内容
2 含弱界面的压电层状结构中的B-G波
    2.1 引言
    2.2 压电复合结构中的B-G波
        2.2.1 控制方程和边界条件
        2.2.2 相速度方程的求解
        2.2.3 数值模拟
    2.3 机械位移仅存在于压电薄膜层中的B-G波
    2.4 小结
3 电学边界条件的非理想性对波传播特性的影响研究
    3.1 引言
    3.2 压电平板中厚度-扭转波的传播
        3.2.1 控制方程和边界条件
        3.2.2 理论求解
        3.2.3 数值模拟
    3.3 压电平板中厚度-扭转波的反射和透射
        3.3.1 理论求解
        3.3.2 对理论结果的进一步分析
        3.3.3 数值模拟
    3.4 小结
4 电激励作用下压电器件中的粘弹性弱界面
    4.1 引言
    4.2 沿厚度方向传播的简谐波
        4.2.1 问题的描述
        4.2.2 理论分析
        4.2.3 数值模拟
    4.3 含非理想界面的压电复合结构中SH波的传播与激发问题
        4.3.1 问题的描述
        4.3.2 理论分析
        4.3.3 非理想界面对SH波传播特性的影响
        4.3.4 非理想界面对SH波激发的影响
    4.4 柱形压电变压器中的粘弹性弱界面
        4.4.1 引言
        4.4.2 理论求解
        4.4.3 数值模拟
    4.5 与其它粘弹性模型的对比分析
5 一种由非理想界面激发出的高频波
    5.1 非理想界面对石英晶体微天平的影响研究
        5.1.1 引言
        5.1.2 均匀弱界面
        5.1.3 非均匀弱界面
    5.2 应用Mindlin板理论求解层合结构中的耦合波
        5.2.1 引言
        5.2.2 三明治板中拉伸波的传播
        5.2.3 层合板中拉伸和弯曲模态的耦合
    5.3 小结
6 功能梯度材料中波的传播
    6.1 功能梯度压电压磁半空间中的B-G波
        6.1.1 引言
        6.1.2 理论分析
        6.1.3 数值模拟
        6.1.4 小结
    6.2 材料参数沿板长度方向变化的非均匀板中厚度-扭转波的传播
        6.2.1 引言
        6.2.2 理论分析
        6.2.3 数值模拟
        6.2.4 压电损伤导致的功能梯度中间层
        6.2.5 非均匀过渡层的影响
        6.2.6 小结
7 厚度的非均匀变化对器件工作性能的影响研究
    7.1 变厚度的石英晶体谐振器
        7.1.1 引言
        7.1.2 厚度-剪切模态的求解
        7.1.3 数值模拟与结论
    7.2 含变厚度附加质量层的石英晶体微天平
        7.2.1 引言
        7.2.2 理论分析
        7.2.3 收敛性和正确性验证
        7.2.4 均匀的附加质量层
        7.2.5 非均匀附加质量层的影响
    7.3 小结
8 结论与展望
    8.1 总结
    8.2 进一步工作的展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间取得的研究成果

四、用广义Rayleigh波测量压电薄膜结构的初应力(论文参考文献)

  • [1]压电半导体层状结构中的弹性波传播[D]. 田茹. 北京交通大学, 2021
  • [2]静电场对压电薄膜中声表面波传播的影响[J]. 刘智荣,谢立强,朱敏,包文歧. 压电与声光, 2020(06)
  • [3]考虑旋转效应的压电半导体层状结构中的广义Rayleigh波[D]. 胡思苗. 西安理工大学, 2020(01)
  • [4]压电半导体结构中的几类典型导波[D]. 刘建军. 西安理工大学, 2017(02)
  • [5]压电复合结构中弹性波传播特性分析及其在高性能声波器件中的应用研究[D]. 李鹏. 西安交通大学, 2017(06)
  • [6]用广义Rayleigh波测量压电薄膜结构的初应力[J]. 刘华,王铁军,王子昆. 西安交通大学学报, 2000(01)
  • [7]用广义Rayleigh波测量压电薄膜结构的初应力[J]. 刘华,王铁军,王子昆. 西安交通大学学报, 1999(12)

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使用广义瑞利波测量压电薄膜结构中的初始应力
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