弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)和铌锌酸铅-钛酸铅(PZN-PT)具有非常优良的压电性能和机电性能。此类铁电单晶极有可能成为下一代高灵敏度超声波传感器的核心材料。在各类声波器件中,乐甫波重量传感器具有制作工艺简单、灵敏度高和低噪音等优点,因此成为当前液相生物传感器和气相传感器的研究热点。乐甫波(Love wave)是紧密附着在一个半无限介质之上的弹性波导层所引导的水平剪切波(SH wave)相互干涉的结果。目前,几乎所有乐甫波器件使用石英晶体作为传感器的基底材料。用于制作乐甫波器件波导层的材料主要集中在熔凝石英、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、氧化锌等传统材料。为了设计具有更高灵敏度的重量传感器,本论文将PMN-PT和PZN-PT单晶应用于乐甫波传感器的压电基底,并提出单向碳纤维树脂复合材料(CFEC)波导层的概念。利用部分波理论对铁电单晶层状结构中声导波的传播特性进行了详细的研究。另外,利用微扰理论研究了不同构型乐甫波传感器的灵敏度和最佳设计参数。利用部分波法研究了铁电单晶层状结构中声导波的色散特性和位移分布。结果表明,在多个乐甫模式之间不存在交叉耦合,这有利于排除模式之间的交叉干扰。在频率一定时,随着波导厚度的增加,更多的声能将被集中在波导层中。与传统压电陶瓷相比,铁电单晶中乐甫波的振幅衰减较慢。这意味着单晶的声吸收较小。因此,铁电单晶更适合应用于高频、低损耗的乐甫波器件。分析了晶体组分和极化方向的改变对乐甫波传播特性的影响。结果表明,对于制造横波模式超声波传感器,应重点考虑组分在MPB附近且沿[011]c方向极化的单晶材料。基于微扰理论,研究了PMMA/PMN-PT和树脂/PMN-0.29PT构型的乐甫波重量传感器。因为PMMA和树脂的声吸收较大,结果导致器件的插入损耗很大,所以最佳波导层厚度不能实现。因此,引入了单向CFEC波导层的概念。通过分析色散特性和灵敏度曲线,发现乐甫波相速度变化最快的区域将产生最大的频移。对于CFEC波导/[011]c极化PMN-0.29PT单晶结构器件,当波长为24μm时,其最大灵敏度高达1230 cm2/g,这是目前乐甫模式器件所能达到的最大灵敏度。通过对不同PMN-PT单晶基底器件的研究,发现使用较大弹性常数66Ec、低密度的铁电单晶基底,可以提高重量传感器的灵敏度。对于不同PMN-PT单晶基底器件,其最大相对比例频率灵敏度max(||)fmSl随着归一化厚度最佳值(h/l)opt的减小而增加。这一现象的原因是器件的最佳工作频率随着(h/l)opt的减小而增加。研究了单向CFEC波导的声阻抗与声衰减之间的关系。结果表明,声衰减系数随着声阻抗的增大而减小。因此,在选择波导材料时,要尽量选取一些声阻抗较大、孔隙率较低的材料。分析了碳纤维取向对乐甫波传播特性的影响。结果表明,与碳纤维平行于声导波传播方向的情况相比,当波导层中的碳纤维垂直于声导波的传播方向时,色散曲线的分布变宽,主要原因是此时单向CFEC的弹性常数c66不变,但c44却变大了。提出了优化设计乐甫波重量传感器的两条基本指导规则。为了提高器件的灵敏度,首先,复合波导材料应选用低剪切波速、低密度、低声吸收的材料,且碳纤维平行于声导波的传播方向;其次,基底材料应选取弹性常数大(弹性良好,硬度偏大)、密度低、水平剪切波速度较大的高性能压电材料。