ZnO Tek Kristal Yüzeyli Akustik Dalga Basınç Sensörünün Özellikleri Üzerine Araştırma
Wu Wenqi 1, Hu Fangren 1, 2, Yang Yuxin 1
(1. Optoelektronik Mühendisliği Okulu, Nanjing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Nanjing 210046, Jiangsu; 2. Peter Gruenberg Merkezi, Nanjing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Nanjing 210023, Jiangsu)
: Yüzey akustik dalga (SAW) teorisine ve SAW rezonatörünün yapısına ve çalışma prensibine dayanarak, yüzey akustik dalgasına (SAW) dayalı bir rezonans basınç sensörü tasarlanmıştır. ZnO tek kristal yüzeyli akustik dalga rezonatörünü modellemek ve simüle etmek için sonlu eleman yazılımı COMSOL Multiphysics kullanılmış ve yüzey akustik dalga moduna uygun simetrik mod ve antisimetrik mod önerilmiştir.ZnO tek kristalinin faz hızı 3237,31 m olarak hesaplanmıştır. / s. ZnO substratının kalınlığının basınç sensörünün faz hızı üzerindeki etkisi tartışılır ve ZnO substratının kalınlığı ne kadar büyükse faz hızının o kadar düşük olduğu sonucuna varılır. Son olarak, farklı basıncın cihazın frekans tepkisi üzerindeki etkisini simüle etmek için 0 ~ 1000 kg / m2'lik bir kütle yükleyerek, sonuçlar, basınç değişikliğinin rezonans frekansı ile iyi bir negatif doğrusal ilişkiye sahip olduğunu göstermektedir. Doğrusal ifade uydurma ile elde edilir.
: Yüzey akustik dalgası; ZnO tek kristal; basınç sensörü
: TP391.9; TP211 + .51 Belge tanımlama kodu: ADII: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2016.24.024
Alıntı biçimi Wu Wenqi, Hu Fangren, Yang Yuxin. ZnO tek kristal yüzey akustik dalga basınç sensörünün özellikleri üzerine araştırma J. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2016,35 (24): 84-86.
0 Önsöz
Yüzey Akustik Dalga (SAW) basınç sensörlerinin benzersiz yüksek frekans özellikleri ve cihaz alt tabaka malzemesinin piezoelektrik ve ters piezoelektrik etkileri, geleneksel basınç sensörlerine kıyasla yüksek ölçüm doğruluğuna ve güçlü anti-parazitlere sahip olmasını sağlar. , Minyatür, pasif kablosuz ve düşük maliyetli, yanıcı, patlayıcı ve hava geçirmez gibi belirli ortamlarda telemetri ve algılama için uygun [1]. Bu nedenle, SAW basınç sensörlerinin araştırılması için büyük önem taşımaktadır.
SAW cihazlarının uygulamasında ZnO, yüksek fotoelektrik kuplaj katsayısı, düşük sıcaklık katsayısı ve düşük maliyeti ve kolay kullanılabilirliği nedeniyle yüksek frekanslı yüzey akustik dalga cihazlarının üretimi için çok uygundur [2].
Bu tür bir cihazı incelemek için, bu makale piezoelektrik kristalin hareket denklemine ve piezoelektrik temel denklemine [3] dayalı olarak ZnO / Al yapısının SAW 2D modelini oluşturur ve SAW rezonatör cihazını simüle etmek için fiziksel bağlantı alan yazılımı COMSOL Multiphysics'i kullanır [3] 4], SAW basınç sensörlerinin üretimi için teorik bir temel ve veri referansı sağlayan daha yüksek hassasiyetli bir sensör belirlenir.
1 çalışma prensibi
SAW sensörünün bileşenleri, interdigital dönüştürücü (IDT) ve akustik yansıma ızgarasıdır [5], yapı Şekil 1'de gösterilmektedir. Çalışma prensibi şudur: Uzay elektromanyetik dalgası tarafından uyarıldıktan sonra, SAW rezonatör substratının yüzeyinde elektromanyetik dalga ile aynı frekansta SAW uyarılır ve SAW, iki yansıma ızgarası arasında ileri geri yansıtılır. SAW rezonatör substratı basınca maruz kaldığında, SAW rezonatörünün boyutu değişir Gerinimin olduğu varsayıldığında, bu zamandaki rezonans frekansı formül (1) ile hesaplanır. d, IDT'nin iki bitişik elektrotu arasındaki merkez mesafesidir.Basınç değişikliğinin rezonans frekansının değişmesine neden olacağı ve dış kuvvetin fr değişiminin algılanmasıyla izlenebileceği görülebilir.
Yüzey akustik dalga yayılma yüzeyinin yüzeyine basınç uygulandığında, ana husus, etkili elastik katsayısındaki değişikliktir: c * ijkl = cijkl + cijkl , piezoelektrik ortamın birleşik dalga denklemi şöyle olur:
Denklem (2), yük altında piezoelektrik ortamın bağlı dalga denklemidir. Bunlar arasında elektrik potansiyeli, ortamın yoğunluğu, xj ortamdaki konum koordinatı, ui elastik ortamın yer değiştirmesi, cijkl ikinci dereceden elastik sertlik sabiti, ekij piezoelektrik sabiti ve jk dielektrik sabitidir.
2 Simülasyon ve sonuç analizi
Bu yazıda, piezoelektrik kristalin hareket denklemini ve piezoelektrik bünye denklemini birleştiren sonlu elemanlar yazılımı COMSOL kullanılarak, ZnO tek kristal yüzeyli akustik dalga rezonatörü modellenmiş ve simüle edilmiş, karakteristik frekansı simüle edilmiş ve analiz edilmiş ve basınç altındaki cihaz analiz edilmiştir. Basınç değişiklikleri ile rezonans frekansı arasındaki ilişkiyi keşfetmek için, basınç ölçümü elde etmek için SAW rezonatörlerinin kullanımına destek sağlar.
2.1 İki boyutlu yapısal modelin oluşturulması
İlk olarak, tek portlu rezonatörün iki boyutlu bir geometrik modelini oluşturun (bkz. Şekil 2) İnterdijital transdüserin malzemesi ve akustik yansıma ızgarası Al'dır ve temel malzeme ZnO'dur. Tasarım dalga boyunun 20 m, alt tabaka kalınlığının 80 m ve genişliğin 215 m olduğunu varsayalım. IDT ve yansıma ızgarasının genişliği 5 m ve kalınlık 0.3 m'dir. IDT ile yansıma ızgarası arasındaki mesafe 5 m'dir. Sınır koşulları Tablo 1'de gösterilmektedir.
2.2 Karakteristik frekans araştırması
COMSOL kullanılarak ZnO tek kristal yüzey akustik dalga rezonatörünün çoklu fiziksel alan kuplaj modellemesi ve simülasyonu ve rezonans frekansı (fsc +) ve iki yüzey akustik dalga moduna karşılık gelen tersi (yani simetrik mod ve antisimetrik mod) elde edilir. Rezonans frekansı (fsc-). Şekiller 3 ve 4, sırasıyla simetrik modu ve antisimetrik modu gösterir Ordinat toplam yer değiştirmedir Şekildeki en sağdaki cetvel, yukarıdan aşağıya kademeli olarak azalan toplam yer değiştirmeyi gösterir.
Şekil 3'ten simetrik moda karşılık gelen rezonans frekansının 1.618511 × 108 Hz ve en güçlü titreşime sahip parçacığın toplam yer değiştirmesinin 1.04 × 10-3m olduğu görülebilir. Şekil 4 anti-simetrik modun deformasyonunu göstermektedir Anti-simetrik modun karşılık gelen rezonans frekansı 1.618799 × 108 Hz ve en güçlü parçacığın toplam yer değiştirmesi 9.65 × 10-4 m'dir. ZnO tek kristal malzemesinin her bir parçacığının 0-60 m ordinat ekseni boyunca titreşim yer değiştirmesi neredeyse sıfırdır ve yüzey akustik dalga enerjisi esas olarak yüzey akustik dalgasının özelliklerine uyan 1 ila 2 dalga boyu aralığında yoğunlaşır.
Yüzey akustik dalga hızı formülüne (3) ve pozitif ve negatif mod rezonans frekansına göre, ZnO tek kristalinin yüzey akustik dalgasının faz hızı eff = 3237.31 m / s hesaplanabilir.
eff = d × (fsc ++ fsc -) (3)
Bunlar arasında, d, IDT'nin iki bitişik elektrotu arasındaki merkez mesafesidir.Ardından, rezonans frekansına yakın farklı frekanslarda toplam yer değiştirmeyi incelemek için COMSOL'un frekans analiz modülünü kullanın. Şekil 5, toplam yer değiştirme ile frekans arasındaki ilişkidir Apsis frekansı 160 ~ 163 MHz'dir ve ordinat birimi toplam yer değiştirmedir. Cihaz rezonanstayken, IDT tarafından uyarılan yüzey akustik dalgasının toplam yer değiştirmesinin en büyük olduğu ve interdijital dönüştürücü tarafından üretilen ses dalgasının en güçlü olduğu şekilden görülebilmektedir ki bu, interdijital dönüştürücünün çalışma prensibi ile tutarlıdır.
2.3 ZnO substrat kalınlığının yüzey akustik dalga hızı üzerindeki etkisi
ZnO substratının kalınlığını değiştirerek, khZnO ile yüzey akustik dalga hızı arasındaki ilişki elde edilir, burada k = 2 / hızdır. Şekil 6'dan, khZnO'nun 0'dan 6'ya yükseldiği zaman, yüzey akustik dalga hızının kademeli olarak azaldığı görülebilir. Bu nedenle, ZnO tek kristal SAW rezonatörleri tasarlanırken, substratın kalınlığını ayarlayarak farklı yüzey akustik dalga hızları elde edilebilir.
2.4 Basınç yükü altında frekans yanıt analizi
Basınç değişimini simüle etmek için ZnO substratı üzerine 0 ~ 1000 kg / m2'lik bir kütle sırayla yüklendi. Kütleyi yükledikten sonra, pozitif ve negatif modlara karşılık gelen rezonans frekansını bulun ve rezonans frekansı formül (4) ile elde edilebilir. Farklı basınçlar altındaki rezonans frekansı Tablo 2'de gösterilmektedir.
Tablo 2'deki verileri uydurarak, rezonans frekansı ile negatif korelasyonlu uygulanan basınç arasında doğrusal bir ilişki elde etmek için, yani basınç arttığında, frekans yaklaşık olarak doğrusal olarak azalmak için Şekil 7'de gösterilen rezonans frekansının uydurma çizgisini çizin. . Doğrusal ifade, aşağıdakileri uydurarak elde edilebilir:
y = 161,87-0,0125x
3 sonuç
Rezonatörün yapısına ve çalışma prensibine göre, piezoelektrik kristalin hareket denklemi ve piezoelektrik kurucu denklem ile birleştirilen bu makale, ZnO tek kristal yüzeyli akustik dalga rezonatörünü modellemek ve simüle etmek için sonlu eleman analiz yazılımı COMSOL'u kullanır ve uyumlu bir yüzey akustik dalgası önerir. Dalga modunun simetrik modu ve antisimetrik modu. Basınç yüklemesi altında frekans tepkisini analiz ederek, basınç ve SAW rezonatör frekansı arasındaki doğrusal ilişki negatif olarak ilişkilendirilir ve bu, basınç ölçümünü elde etmek için SAW rezonatörlerinin kullanımına destek sağlar.
Referanslar
1 BENSMAINE S, BENYOUCEF B. ZnO ince filmlerin deneysel karakterizasyonu ve ZnO / SiO2 / Si SAW cihazlarında frekans piklerinin belirlenmesi J. American Journal of Materials Science, 2013, 3 (4): 100103.
[2] Zhou Jian, He Xingli, Jin Hao, ve diğerleri ZnO piezoelektrik film J tabanlı esnek yüzey akustik dalga cihazları Optik ve Hassas Mühendislik, 2014, 22 (2): 346350.
3 Zhao Yiyu, Li Honglang, He Shitang. Düzgün olmayan basınç yüküne sahip bir yüzey akustik dalga basınç sensörü için optimum kuvars kesimi C. 2013 Piezoelektriyo, Akustik waues ve Cihaz Uygulamaları Sempozyumu (SPAWDA), 2013: 13.
4 NAMDEO A K, NEMADE H B. Yüzey metalik transdüserler üzerinde interdijital transdüserlerin etkisi üzerine yapılan FEM çalışması SAW Cihazlarında yüzey akustik dalga (SAW) Hızı D Guwahati, Hindistan: Indian Institute of Technology, 2009.
[5] Pan Feng. Yüzey Akustik Dalga Malzemeleri ve Cihazları M. Beijing: Science Press, 2012.
