КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-79-10079
НазваниеОбратные акустические волны в пьезоэлектрических многослойных структурах и разработка нового типа датчиков на их основе
РуководительСмирнов Андрей Владимирович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2023 - 06.2026 |
Конкурс№85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-701 - Электронная элементная база информационных систем
Ключевые словаобратные акустические волны, многослойные пьезоэлектрические структуры, точка с нулевой групповой скоростью, пьезоэлектрические пластины, метод конечных элементов, сильноанизотропные материалы, коэффициент электро-механической связи, температурный коэффициент задержки, влияние жидкости
Код ГРНТИ29.37.25
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Особенности существования обратных волн, характеризующихся противоположно направленными фазовой и групповой скоростями, в пьезоэлектрических пластинах активно исследуются в настоящее время. Это связано с тем, что это единственный класс акустических волн в пластинах, который характеризуется наличием, так называемой точки с нулевой групповой скоростью (point of zero group velocity ZGV). В этих точках акустическая волна характеризуется нулевой групповой и конечной фазовой скоростями. Эти ситуации отличаются наличием стационарности и, в тоже время, локальным ограничением энергии. Т.е. при реализации резонатора на основе волны с нулевой групповой скоростью возможно накопление акустической энергии в толщине пластины под возбуждающим встречно-штыревым преобразователем (ВШП), что потенциально может существенно повысить добротность акустоэлектронного устройства. Однако существование обратных волн наблюдается в достаточно узком диапазоне, поэтому важно иметь возможность тонкой подстройки частоты к фиксированной толщине пластины. Кроме того, свойства обратных волн очень чувствительны к изменению характеристик звукопровода, из-за их близости к частоте отсечки, что открывает перспективы их использования при создании высокочувствительных акустических сенсоров. Это подтверждается интенсивным ростом интереса научного сообщества к тематике обратных акустических волн. Однако, для разработки подобных сенсоров необходимо не только исследовать влияние внешних воздействий, например температуры, но и влияние различных механических и электрических граничных условий (электрическое закорачивание, контакт с вязкой или проводящая жидкостью и т.д.) на свойства обратных акустических волн. Кроме того, актуальной является задача поиска путей увеличения частотного диапазона их существования, в том числе при помощи использования материалов обладающих сильной анизотропией. В этом случае для их возбуждения необходимо рассматривать структуры, содержащие материал с сильной анизотропией и пьезоэлектрический слой, на котором будет размещен возбуждающий ВШП. Интересным также, с физической точки зрения, является вопрос о коэффициенте электромеханической связи этих волн. Таким образом, существует большая неисследованная область, связанная с изучением особенностей существования, возбуждения, регистрации и использования обратных акустических волн в различных пьезоэлектрических структурах. В проекте предполагается решить задачу расширения частотных диапазонов существования обратных акустических волн в пьезоэлектрических структурах, исследовать физические особенности их возбуждения и распространения, и провести анализ их физических характеристик (температурного коэффициента задержки, коэффициента электромеханической связи). Будут проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния вязкой или проводящей жидкости на свойства таких волн в структурах на основе сильноанизотропных материалов и пьезоэлектрических слоев с большим коэффициентом электромеханической связи. Будут исследована возможность создания датчиков электрических и механических свойств жидкости на основе указанных волн различных типов, используя, в том числе, созданные многослойные пьезоэлектрические структуры.
На основании вышесказанного можно сделать вывод, что предлагаемая тематика является актуальной, а ожидаемые результаты будут находиться на мировом уровне, а в некоторых случаях и превышать его. Реализация проекта внесет существенный вклад в решение фундаментальной научной проблемы и заложит научные основы для создания патентоспособных технических решений, в том числе, для разработки новых сенсорных устройств.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта
- будут получены новые знания об особенностях существования, распространения и регистрации обратных акустических волн в пьезоэлектрических структурах, в том числе при различных электрических и механических граничных условиях.
- будут определены новые способы расширения частотных диапазонов существования обратных акустических волн.
- будут получены новые данные о коэффициенте электромеханической связи и температурном коэффициенте задержки обратных акустических волн в пьезоэлектрических пластинах.
- будут получены новые данные о влиянии вязкой или проводящей жидкости на свойства обратных акустических волн в структурах на основе сильноанизотропных материалов и пьезоэлектрических слоев с большим коэффициентом электромеханической связи.
- будут получены новые данные о влиянии пьезоэлектрических слоев с различной температурной стабильностью на температурный коэффициент задержки обратных акустических волн в диэлектрических пластинах с сильной анизотропией.
- будет разработана технология создания новых слоистых волноводных структур и получены данные об их физико-химических свойствах.
- будут созданы экспериментальные образцы новых акустоэлектронных датчиков жидкости на основе обратных акустических волн и исследованы их рабочие характеристики.
Анализ мировой литературы показывает, что исследования характеристик обратных акустических волн, включая области точек с нулевой групповой скоростью, являются весьма актуальными и востребованными. Работы, посвященные данной тематике, публикуются в высокорейтинговых зарубежных и российских журналах. Исследование подобных волн обладают большой фундаментальной значимостью в части выяснения физических особенностей распространения акустических волн различных типов в сложных многослойных структурах. Таким образом, ожидаемые результаты будут находиться на современном мировом уровне, а в ряде случаев и превышать его.
С точки зрения практической значимости данного проекта, то существует реальная возможность разработки нового типа акустических датчиков на их основе. Предварительные теоретические оценки показывают, что подобные датчики могут быть более эффективны и технологичны, чем акустические датчики на традиционных ОАВ, ПАВ, MEMS и волнах в пластинах. Вопросы разработки подобных датчиков являются значимыми для обеспечения импортонезависимости России в этой области. Подобные датчики востребованы в различных областях науки и техники, включая контроль свойств технологических жидкостей в различных технических устройствах, контроль свойств биологических жидкостей для биомедицинских применений, контроль качества воды для обеспечения экологической безопасности и т.д.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В результате выполнения 1 этапа проекта методом матрицы передачи проведен теоретический анализ распространения акустических волн в диэлектрических пластинах, характеризующихся сильной анизотропией (теллур, титанат бария, йодат лития, парателлурит). Построены дисперсионные зависимости акустических волн различных типов (антисимметричные и симметричные волны Лэмба, волны с поперечно-горизонтальной поляризацией) и порядков (нулевой и высших порядков) для различных кристаллографических ориентаций исследованных материалов. Обнаружено, что в парателлурите TeO2, теллуре Te и йодате лития LiIO3 присутствуют ветви, соответствующие обратным волнам. Однако в титанате бария таких волн в исследованном частотном диапазоне обнаружено не было. Обнаружено, что ширина частотного диапазона существования таких волн меньше, чем в таких материалах как ниобат лития и ниобат калия. Судя по всему это связано с небольшой пьезоактивностью указанных материалов. Методом матрицы передачи проведен теоретический анализ особенностей существования обратных акустических волны в слоистых структурах подложка из материала с сильной анизотропией (h2)/пьезоэлектрическая пленка (h1). В качестве подложек использовались теллур, парателлурит и иодат лития, а в качестве пленок - ниобат лития (LiNbO3), ниобат калия (KNbO3), и пьезокерамические материалы pzt и cts19. Показано, что при увеличении толщины пленки фазовая скорость обратной волны на фиксированной частоте увеличивается и точка с нулевой групповой скоростью смещается в область более низких частот. Для большинства рассмотренных слоистых структур увеличение толщины пленки приводит к уменьшению ширины частотного диапазона существования обратной акустической волны. Однако на примере слоистых структур с подложкой из теллура и пленками ниобата лития и ниобата калия была показана возможность увеличения ширины частотного диапазона существования обратной акустической волны при увеличении толщины пленки в диапазоне h1/h2 от 0 до 0.04. При использовании пленок cts19 и pzt наблюдается более сильное смещение точки с нулевой групповой скоростью в область низких частот, чем при использовании пленок из ниобата лития и ниобата калия. Это может быть объяснено большей плотностью пъезокерамических материалов. Методом конечных элементов проведен теоретический анализ и получены дисперсионные зависимости обратной акустической волны A1, при условии приближения к одной из поверхностей пластины пьезоэлектрика идеального проводящего экрана. Показано, что при фиксации параметра hf приближение металлического экрана приводит к увеличению фазовой скорости обратной ветви волны A1. На основании полученных данных создана топология электродных структур встречно-штыревых преобразователей и экспериментальный образец – набор встречно-штыревых преобразователей, с различным пространственным периодом (длина волны 1.0-2.0 мм, шаг 0.1 мм) сформированных на поверхности пластины ниобата лития толщиной 350 мкм, методами проекционной фотолитографии и магнетронного напыления на постоянном токе. Разработана и создана экспериментальная установка для определения величины коэффициента электромеханической связи обратных акустических волн в пьезоэлектрических пластинах с большим коэффициентом электромеханической связи. Основными элементами установки являются векторный анализатор цепей, прецизионный микровинт с не вращающимся шпинделем и пластина ниобата лития с созданным на ее поверхности набором встречно-штыревых преобразователей. Экспериментально исследовано влияние расстояния от тыльной стороны пластины пьезоэлектрика (обратной от стороны расположения электродных структур резонаторов) до проводящего экрана (в диапазоне 0-500 мкм и погрешностью ±0.5 мкм) на частотные зависимости S11 параметров образцов. Показано, что приближение металлического экрана к поверхности пьезоэлектрика приводит к смещению резонансной частоты обратной волны в сторону меньших (h – толщина пластина, f – частота волны, а следовательно к увеличению фазовой скорости обратной акустической волны). Впервые экспериментально подтвержденный эффект увеличения фазовой скорости обратных акустических волн при приближении металлического экрана к поверхности пьезоэлектрика может быть объяснен следующим образом. Судя по всему электрическое поле, сопровождающее обратную волну глубоко проникает в пьезоэлектричческую пластину. Приближение металлического экрана приводит к локализации электрического поля вблизи одной стороны пластины, что в свою очередь приводит к ужестчению модулей упругости и, соответственно к увеличению фазовой скорости. Аналогичный эффект наблюдался для волн Гуляева-Блюстейна при изменении проводимости слоя на поверхности пьезоэлектрика. Однако, в случае волн Гуляева-Блюстейна наступал момент максимальной локализации электрического поля вблизи поверхности и затем ее фазовая скорость начинала падать из-за увеличивающегося влияния эффекта закорачивания тангенциальных электрических полей. В данном случае, максимальной локализации электрическое поле не достигает и поэтому отсутствует эффект уменьшения фазовой скорости. Имеет смысл провести дополнительные исследования по непосредственной металлизации поверхности путем формирования идеально проводящей пленки на поверхности пьезоэлектрика. Это будет сделано на следующем этапе выполнения проекта. Методом матрицы передачи впервые проведен расчет фазовых и групповых скоростей, угла потока энергии и поляризация для обнаруженных обратных волн при изменении температуры на 1 градус. Получены зависимости температурного коэффициента скорости и температурного коэффициента задержки для обратной волны в диапазоне hf=1.7-1.9 в пластине йодата лития. Обнаружено, что этот параметр на порядок выше для обратных волн, чем для прямых волн в пьезоэлектрических пластинах. Это, судя по всему, связано с близостью этих волн к частоте отсечки, что приводит к их сильной зависимости от изменения параметров среды распространения. Этот вывод подтверждается тем, что величина tcv имеет наибольшее значение в начале частотного диапазона существования обратной волны, имеет минимум посередине при значении параметра hf примерно 1750 м/с, и увеличивается при дальнейшем увеличении частоты. Данный факт представляет интерес для разработки очень чувствительных температурных датчиков, но требует дополнительного исследования. Методом матрицы передачи рассчитаны зависимости температурного коэффициента скорости и температурного коэффициента задержки для обнаруженных ранее обратных волн в структурах пластина йодата лития или парателлурит - пьезоэлектрическая пленка ниобата лития или оксида цинка. Обнаружено, что и в этом случае температурный коэффициент скорости обратной волны остается очень большим. Полученные результаты требуют экспериментальной проверки.
https://labsensors.org/reports/23-79-10079/
Публикации