等应变率基片的有限元分析

雷冰冰， 卢文科， 孙 鉴， 苏艳娇

(1. 北方民族大学 计算机科学与工程学院，宁夏 银川 750021; 2. 东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620)

声表面波(surface acoustic wave， SAW)传感器是声学理论研究、压电材料研究成果和电子科学技术进步有机融合的产物[1]。近年来，仿真分析技术日趋成熟，有限元分析方法被广泛应用于SAW传感器的理论研究[2]、传感机理的创新[3-4]和其工作性能的提升[5]等方面，SAW传感器的仿真分析研究被广大学者关注。

在SAW传感器设计阶段，研究人员常用有限元分析软件诸如ANSYS和COMSOL建立器件的应力应变、脉冲响应、等效电路和多物理场耦合等分析模型，以此指导SAW传感器的设计工作。Kaletta等[6]分析AlN/SiO2/Si结构瑞利波器件的二维有限元仿真模型，以提高器件的耦合系数与声波波速。张祖伟[7]采用COMSOL软件研究金刚石/AlN/SiO2复合膜的膜厚度对声表面波传播特性的影响。刘久玲等[8]使用有限元方法对声表面波谐振器的耦合模参量进行分析，给出可提升SAW气相色谱仪灵敏度的方案。赵一宇等[9]将有限元和微扰理论相结合来研究叉指电极质量负荷对SAW横波压力传感器灵敏度的影响。由此可知，使用有限元方法对SAW器件特性进行仿真是有效可靠的，并有助于器件性能提升。

研究[10]发现应变率对悬臂梁结构的SAW力敏传感器工作性能具有直接影响。悬臂梁结构常使用压电材料基片，Lei等[10]利用有限元仿真对基片应力应变特性分析的结果表明：基片应变率在z轴方向(金属指条平行方向)呈现不均匀分布，这会引起叉指换能器的指条在不同z轴位置的受力应变程度不一致，从而导致同一指条不同z轴坐标处的声同步频率出现差异。……