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近年来,传感器技术正处于从传统结构型传感器向新型物性型传感器转型的发展阶段。对物性型传感器的敏感器件特性进行深入分析和研究,是当前传感器领域的重要任务。声波传感器是典型的物性型传感器,可分为石英晶体微天平、声表面波传感器和声板波传感器三种类型。其中,声板波传感器最适于液体传感,因此在液相检测深入到各行各业的应用背景下受到了广泛关注。本文以建立声板波液体传感领域完整的理论研究体系为目标,深入研究了声板波的激发特性与液体传感特性,并通过实验证明了理论模型的正确性和理论结论的有效性。具体的研究工作和创新之处主要体现在以下几个方面:
1.对压电基片上的声波激发模式进行了统一的分类。根据压电基片的材料对称性特征,首次从材料常数上定义了各种声波模式的激发机理。不同模式的声板波具有各不相同的激发及传感特性,从而在实际应用中也具有不同特点。本文根据振动位移及边界条件,对压电基片上的声板波及声表面波激发模式进行了统一的分类,把声板波分为三种模式来研究:常规APM、Lamb波、SH-APM。并且,在器件坐标系下,根据压电基片的材料对称性特征,从材料常数上定义了各声波模式的激发机理,从而可以指导实际应用中压电材料的选择,并在此基础上确定基片切割方向和声波传播方向或极化方向,由此激发出所需声波模式。
2.建立了自由空间的声板波分析模型。首次采用部分波理论和表面有效介电常数方法来同时研究声表面波和声板波的激发特性并进行了对比分析。本文从能量泄漏、传播模态、频散特性、激发效率、振动位移与电势等五个方面研究了自由空间中三种声板波模式的激发特性,为各模式声板波各种模态的预测、获取和控制提供了普遍适用的理论工具。并且,采用部分波理论和表面有效介电常数方法来同时研究压电基片上声表面波和声板波的激发特性并进行了对比分析,解决了关于叉指换能器在何种条件下激发出声表面波或声板波、两种声波各自的激发特性以及它们之间的相应关系等问题。
3.建立了负载液体的声板波分析模型。首次推导并证明了Navier-Stokes方程与Christoffel方程在建立负载粘性液体的声板波模型时的一致性。对于压电基片的其中一个界面沉积叉指换能器并与空气接触,而另一个界面负载半无限液体的结构形式,本文根据层状介质的声波传播理论,把液体分为非粘性液体和粘性液体,建立了负载液体的声板波分析模型。该模型具有通用性,适用于非粘性液体、粘性液体、不导电液体及导电液体。同时,推导并证明了Navier-Stokes方程与Christoffel方程在建立负载粘性液体的声板波模型时的一致性,具有殊途同归的效果。
4.建立了漏板波的二维分析模型。首次采用“表面有效介电常数粗搜”加上“边界条件系数行列式细搜”的方法来同时分析传播速度和衰减因子。本文研究了负载液体的声板波能量泄漏,总结了引起能量泄漏的原因,由此在声场分量表达式中引入衰减因子,建立了漏板波的二维分析模型,能够为漏板波的实际应用提供理论指导。并且,针对二维模型,结合表面有效介电常数方法的直观性和边界条件系数行列式方法的精确性,采用“表面有效介电常数粗搜”加上“边界条件系数行列式细搜”的方法来获得漏板波的传播速度与衰减因子,能够同时加快计算速度与提高计算精度。
5.首次对QA0模态与A0模态进行了对比研究,证明了QA0模态是常规APM和Lamb波在负载液体时产生的一种新模态。QA0模态的传播速度小于液体声速,负载非粘性液体时不存在传播衰减,因此在声板波研究领域受到了相关学者的极大青睐。然而,由于QA0模态与A0模态的相似性,迄今为止,大部分文献认为QA0模态就是A0模态,QA0模态激发特性的变化只是由于液体负载而产生的变异。本文从传播模态、传播衰减、激发效率、振动位移与电势等方面对QA0模态展开分析并与A0模态进行对比,证明了QA0模态是常规APM和Lamb波在负载液体时产生的一种新模态。
6.建立了声板波液体传感的分析模型。研究了声板波传播速度和衰减因子随液体各特征参数的变化规律,并研究了声板波阵列器件的优化设计。