基于AlN薄膜的声表面波高温压力传感器设计与仿真研究.pdf

目录

摘要I

ABSTRACTIII

第一章绪论1

1.1研究背景及意义1

1.2国内外研究现状2

1.2.1压阻式高温压力传感器2

1.2.2电容式高温压力传感器3

1.2.3光纤式高温压力传感器4

1.2.4声表面波高温压力传感器6

1.3本文的研究内容8

第二章声表面波传感技术理论9

2.1理论背景9

2.1.1应力张量9

2.1.2应变张量10

2.1.3压电效应11

2.2声表面波概述12

2.3声表面波传感器结构与原理13

2.3.1延迟线型声表面波传感器13

2.3.2谐振器型声表面波传感器15

2.4压电多层膜结构的声表面波器件理论16

2.4.1压电多层介质的声表面波场理论17

2.4.2压电薄膜/半无限基底多层介质的声表面波特性18

2.4.3耦合模(COM)模型19

2.5压电材料的选取20

2.6本章小结21

第三章SAW高温压力传感器的结构设计与仿真23

3.1研究方案与方法23

3.2SAW高温压力传感器的总体结构设计24

3.3敏感膜片的设计与仿真26

3.3.1圆形敏感膜片仿真分析26

3.3.2方形敏感膜片仿真分析28

3.3.3敏感膜片厚度仿真分析30

3.4SAW压力传感器谐振器的设计与仿真分析33

3.4.1SAW谐振器模型的建立33

3.4.2谐振模态仿真分析36

3.4.3频响特性仿真分析37

3.5声传播方向对SAW压力传感器特性影响分析38

3.5.1声传播方向对声速的影响39

3.5.2声传播方向对机电耦合系数的影响41

3.5.3声传播方向对压力灵敏度的影响42

3.6本章小结45

第四章SAW压力传感器的温度影响仿真研究47

4.1温漂效应理论分析47

4.2SAW压力传感器温漂仿真分析48

4.2.1温度-频率特性分析模型的建立48

4.2.2温度-频率特性分析49

4.3温度对压力灵敏度影响分析51

4.4压力解耦方案设计54

4.4.1双谐振器式设计54

4.4.2压力解耦分析55

4.5本章小结57

第五章总结与展望59

5.1工作总结59

5.2工作展望60

参考文献61

在学期间取得的科研成果65

致谢67

摘要

声表面波（SurfaceAcousticWave,SAW）技术是一种利用在固体表面传播的声

波（机械波）来处理和传输信息的技术。目前，这项技术已被广泛应用在压力、温

度、湿度等传感器技术领域，利用声表面波技术设计的高温压力传感器能够在高温

环境下稳定工作，提供高精度的压力测量。同时，高温压力传感器的研发离不开材

料领域的发展，AlN材料由于其良好的压电特性、高熔点和高稳定性等特点，已广

泛应用于声表面波高温压力传感器的研制。蓝宝石（Sapphire）材料由于具有与

AlN相似的晶体结构、熔点高以及较高的化学稳定性等特点，非常适合用作淀积

AlN薄膜制备高温压力传感器的衬底材料。基于上述分析，本文设计了一种基于

AlN/Sapphire多层结构的SAW高温压力传感器，并使用COMSOLMultiphysics多物

理场仿真软件对基于AlN/Sapphire多层结构的SAW压力传感器开展了仿真研究。

主要内容包括以下几方面：

1、针对SAW高温压力传感器的敏感膜片设计，本文对圆形和方形两种敏感膜

片进行了力学仿真，对比发现圆形膜片较于方形膜片在相同压力加载下中心处具有

更大的挠度变化，约为同面积方形膜片的1.22倍，在测量压力时具有更大的灵敏度。

2、针对SAW