發(fā)布時間：2018-04-28 04:42

  本文選題：光纖聲光器件 + ZnO薄膜超聲換能器��； 參考：《華中科技大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：近年來,集成化、微型化是聲光器件的發(fā)展必然趨勢,而用于聲光器件中的壓電薄膜體聲波換能器,正成為國內(nèi)外研究的熱點。采用壓電薄膜制備的體聲波換能器與傳統(tǒng)聲光器件中的超聲換能器相比,具有超聲波頻率高、插入損耗小、超聲波頻率帶寬大、Q值高和易于聲光晶體集成等優(yōu)點,在傳感探測、光電通信、超聲醫(yī)學(xué)檢驗等領(lǐng)域,應(yīng)用前景十分廣闊。ZnO是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的多功能半導(dǎo)體材料,由于具有良好的壓電性能,在聲體波諧振器、聲表面波器件和壓電傳感器等產(chǎn)品中得到極為廣泛應(yīng)用,所以它是制備壓電薄膜的首選材料。ZnO薄膜超聲換能器是光纖聲光器件的核心元件,同時由于ZnO薄膜超聲換能器技術(shù)復(fù)雜性以及對光纖聲光器件性能良好的需求,本文工作主要集中在ZnO薄膜超聲換能器的全面理論分析和數(shù)值建模,優(yōu)化振動模式和抑制橫模泛頻,確定現(xiàn)有磁控濺射儀器的的最佳工藝參數(shù),通過對襯底Si上的ZnO薄膜超聲換能器進行XRD和SEM微觀測試,結(jié)果顯示ZnO薄膜c軸取向一致,橫模泛頻得到很好的抑制,最后進行基于ZnO薄膜超聲換能器的光纖聲光器件的聲光效應(yīng)性能測試,測試結(jié)果顯示光纖聲光器件的衍射效率符合理論分析。本論文的主要研究內(nèi)容包括：在體聲波理論的基礎(chǔ)上,引入力學(xué)中夾層板模型,增加ZnO中間層的壓電剪切應(yīng)力的影響,避免了傳統(tǒng)模型Mason模型中忽略電極厚度、電極阻抗等物理參數(shù)的缺點,將電磁波多次反射共振理論用來分析超聲波在ZnO薄膜超聲換能器傳輸,獲得厚度(縱波)模式的頻率色散方程,獲得更為普適的換能器模型,模型方程的簡化結(jié)果和MBVD模型一致,驗證了模型的正確性。在普適性模型的基礎(chǔ)上,采用多物理場耦合軟件Comsol對ZnO薄膜超聲換能器進行模擬仿真分析,獲得壓電晶體材料,電極材料、厚度和面積物理參數(shù),對薄膜換能器工作頻率和帶寬的影響,為如何獲得滿足聲光效應(yīng)的ZnO超聲換能器的物理參數(shù)選型,提供明確的指導(dǎo)方向。為了獲得優(yōu)質(zhì)的ZnO薄膜,研究了磁控濺射設(shè)備的工藝控制參數(shù)對ZnO薄膜成膜質(zhì)量的影響,通過一系列ZnO薄膜樣品的XRD表征分析獲得了制備高質(zhì)量的ZnO薄膜的工藝參數(shù)。在襯底溫度為400℃C,Ar與O2比例40：20,氣氛壓強：4.0 Pa,濺射功率：200W中制備出了性能優(yōu)良的Si襯底高質(zhì)量(002)晶向的ZnO薄膜,AFM表面形貌分析晶粒直徑在3.42nm。在Tiersten方程基礎(chǔ)上,研究了圓形和環(huán)形電極橫模泛頻產(chǎn)生的機理,引入電磁場模式理論解釋了環(huán)形電極橫模泛頻比圓形電減少的原因,獲得和軟圓柱體聲波散射共振理論相同的結(jié)論,并通過內(nèi)外徑比控制環(huán)形電極的ZnO薄膜超聲換能器的基頻,然后通過外差激光干涉儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀分析比較了兩種換能器的橫模泛頻寄生的振動圖樣和電阻抗曲線,驗證激勵方程分析結(jié)果,為橫模泛頻抑制提供了理論基礎(chǔ)。采用Matlab數(shù)值分析軟件,從聲光耦合方程入手,模擬仿真了光纖聲光器件的衍射效率,將制備的ZnO薄膜超聲換能器用于光纖聲光器件測試,然后進行聲光效應(yīng)實驗測試,分析了衍射率隨入射光波長和超聲波頻率的變化,得到和理論仿真一致的結(jié)果�？傊�,本論文的研究從理論和實驗上對ZnO薄膜超聲換能器進行全新的理論數(shù)值建模、性能測試、泛頻抑制和基于ZnO薄膜超聲換能器的聲光器件測試分析,這為類似壓電超聲薄膜器件的制備和模式優(yōu)化提供理論基礎(chǔ),而且對基于薄膜聲光器件的性能研發(fā)也有一定的指導(dǎo)作用。
[Abstract]:In recent years, integration and miniaturization are the inevitable trend of acousto-optic devices, and the piezoelectric thin film acoustic transducer used in acousto optic devices is becoming a hot spot at home and abroad. With the advantages of high frequency bandwidth, high Q value and easy acousto-optic crystal integration,.ZnO is a multi-functional semiconductor material in six square wurtzite structure in the fields of sensing detection, photoelectric communication and ultrasonic medical inspection, and so on. Due to the good piezoelectric properties, it is produced in acoustic wave resonator, surface wave device and piezoelectric sensor. It is the most widely used product, so it is the first choice material for the preparation of piezoelectric thin film.ZnO thin film ultrasonic transducer is the core component of the optical fiber acoustooptic device. At the same time, because of the complexity of the ZnO thin film ultrasonic transducer and the good performance of the optical fiber optic device, this paper mainly concentrates on the overall ZnO film ultrasonic transducer. Theoretical analysis and numerical modeling, optimize the vibration mode and suppress the transverse mode pan frequency, determine the best process parameters of the existing magnetron sputtering instrument. Through the XRD and SEM micro testing of the ZnO film ultrasonic transducer on the substrate Si, the results show that the c axis of the ZnO film is the same orientation, the transverse mode pan is well suppressed. Finally, the ZnO film is carried out based on the ZnO film. The test results show that the diffraction efficiency of the optical fiber acousto-optic device accords with the theoretical analysis. The main research contents of this paper include: on the basis of the theory of sonic wave, the sandwich plate model in mechanics is introduced to increase the influence of the piezoelectric shear stress in the middle layer of ZnO, so as to avoid the tradition. In the model Mason model, the defects of the electrode thickness and the electrode impedance are ignored. The multiple reflection resonance theory of electromagnetic wave is used to analyze the transmission of ultrasonic wave in the ZnO film ultrasonic transducer and obtain the frequency dispersion equation of the thickness (P-wave) mode. The more universal model of the transducer is obtained. The simplified result of the model equation is consistent with the MBVD model. The correctness of the model is verified. On the basis of the universal model, the multi physical field coupling software Comsol is used to simulate and simulate the ZnO thin film ultrasonic transducer. The influence of the piezoelectric crystal material, the electrode material, the thickness and area physical parameters, the working frequency and the bandwidth of the film transducer, and how to obtain the Z to satisfy the acoustooptic effect are obtained. The physical parameters selection of nO ultrasonic transducer provides a clear direction. In order to obtain high quality ZnO film, the influence of the process control parameters of the magnetron sputtering equipment on the film forming quality of the ZnO film is studied. The process parameters of the high quality ZnO film are obtained by the XRD characterization analysis of a series of ZnO film samples. The substrate temperature is 4. 00 C C, Ar and O2 40:20, the atmosphere pressure: 4 Pa, sputtering power: the high quality (002) crystalline ZnO film of the Si substrate with excellent performance is prepared. The AFM surface morphology analysis grain diameter is on the Tiersten equation based on 3.42nm.. The mechanism of the universal frequency generation of the circular and ring electrode transverse modes is studied, and the theoretical solution of the electromagnetic field mode is introduced. The reason for the reduction of the circular frequency ratio of circular electrode to circular electrode is explained, and the same conclusion is obtained with the theory of acoustic scattering resonance of the soft cylinder, and the fundamental frequency of the ZnO film ultrasonic transducer is controlled by the ratio of inner and outer diameter to the annular electrode. Then the transverse mode pan parasitism of the two transducers is analyzed and compared by the heterodyne laser interferometer and the network analyzer. The vibration pattern and the impedance curve are used to verify the result of the excitation equation analysis, which provides the theoretical basis for the horizontal mode pan suppression. The Matlab numerical analysis software is used to simulate the diffraction efficiency of the optical fiber acoustooptic device from the acoustooptic coupling equation. The ZnO film ultrasonic transducer is used to test the optical fiber acoustooptic device, and then the sound is carried out. The variation of diffraction rate with the incident light wavelength and ultrasonic frequency is analyzed, and the results are consistent with the theoretical simulation. In a word, the theoretical and Experimental Research on the theoretical and experimental new theoretical numerical modeling, performance testing, pan frequency suppression and sound and light based on the ZnO thin film ultrasonic transducer are carried out in theory and experiment. The test and analysis of the device provides a theoretical basis for the fabrication and mode optimization of the piezoelectric ultrasonic thin film devices, and also has some guidance for the performance research and development of the thin film acoustooptic devices.

【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB552

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本文編號：1813811