Расчет параметров поверхностных акустических волн в пьезоэлектриках методом конечных элементов
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2011.4.4.41Ключевые слова:
метод конечных элементов, поверхностная акустическая волна, встречно-штыревой преобразователь, акустоэлектроникаАннотация
Рассматривается порядок решения двухмерной задачи распространения поверхностной акустической волны в пьезоэлектрических анизотропных средах при наличии металлических электродов, возбуждающих механические колебания (так называемый встречно-штыревой преобразователь). В качестве независимых переменных выбираются три компоненты вектора механического смещения и электрический потенциал. Задача сводится к обобщенной системе дифференциальных уравнений, допускающей решение в коммерчески доступном программном обеспечении (мода PDE пакета Comsol Multiphysics). Для случая отсутствия металлических электродов выполнено сопоставление полученных результатов с известными аналитическими решениями. Вычисления для ниобата лития продемонстрировали высокую степень совпадения с известными из литературы данными измерений. Показана необходимость учета в уравнениях всех трех компонент вектора механических смещений, что исключает возможность использования большинства пакетов, основанных на методе конечных элементов и учитывающих лишь смещения в плоскости распространения волны. Результаты работы могут быть полезными при расчете широкого класса устройств акустоэлектроники, использующихся в мобильной связи, навигации и медицинской аппаратуре.
Скачивания
Библиографические ссылки
Morgan D. Surface acoustic wave filters with applications to electronic communications and signal processing. - Elsevier, 2007. - 448 p.
Hashimoto K.-Y., Omori T., Yamaguchi M. Analysis of SAW excitation and propagation under periodic metallic grating structures // Int. J. of High Speed Electronics and Systems. - 2000. - V. 10, N. 3. - Р. 685-734.
Laude V., Reinhardt A., Ballandras S., Khelif A., Solal M. Fast FEM/BEM computation of SAW harmonic admittance and slowness curves // IEEE Ultras. Symp. - 2004. - Р. 445-448.
Finger N., Kovacs G., Shoberl J., Langer U. Accurate FEM/BEM - simulation of surface acoustic wave filters // IEEE Ultras. Symp. - 2003. - Р. 1680-1685.
Kubat F., Ruile W., Reindl L. P-matrix based calculations of the potential and kinetic power in resonating SAW-structures // IEEE Ultras. Symp. - 2002. - Р. 329-332.
Taziev R. M. FEM/BEM for simulation of LSAW devices // IEEE Trans. UFFC. - 2007. - V. 54, N. 10. - Р. 2060-2069. DOI
Чередник В.И., Двоешерстов М.Ю. COM параметры, P матрицы и FEM-BEM теория // Современные наукоемкие технологии. - 2006. - № 8. - С. 74-75.
Тазиев Р.М. Особенности возбуждения квазипродольных и сдвиговых вытекающих акустических волн в пьезоэлектриках // Фундаментальные проблемы современного материаловедения . - 2010. - Т. , № 3. - С. 17-23.
Pollard T.B., Pereira da Cunha M. Improved SHSAW transduction efficiency using grating and uniform electrode guiding // IEEE Trans. UFFC. - 2011. - V. 58, N. 5. - Р. 1087-1096. DOI
Hofer M., Finger N., Kovacs G., Schöberl J., Zaglmayr S., Langer U., Lerch R. Finite-element simulation of wave propagation in periodic piezoelectric SAW structures // IEEE Trans. UFFC. - 2006. - V. 53, N. 6. - Р. 1192-1201. DOI
Peng D., Fengqi Yu.F. A novel FEA simulation model for RFID SAW tag // IEEE Trans. UFFC. - 2009. - V. 56, N. 8. - Р. 1753-1760. DOI
Matthews G.I., Baghai-Wadji A. Analysis of additional surface mechanical features in micro-acoustic devices - А combined FEM-JTFA approach // IEEE Ultras. Symp. - 2009. - Р. 2676-2679.
Smole P., Ruile W., Pongratz P. Characterization of surface acoustic wave propagation in ZnO layer on a conductive substrate // IEEE Ultras. Symp. - 2002. - Р. 307-310.
Rocha-Gaso M.-I., Fernandez-Diaz R., Arnau-Vives A., March-Iborra C. Mass sensitivity evaluation of a Love wave sensor using the 3D finite element method // IEEE Freq. Contr. Symp. - 2010. - Р. 228-231. DOI
Darinskii A.N., Weihnacht M., Schmidt H. Surface acoustic wave scattering from steps, grooves, and strips on piezoelectric substrates // IEEE Trans. UFFC. - 2010. - V. 57, N. 9. - Р. 2042-2050. DOI
Frommelt T., Gogel D., Kostur M., Talkner P., Hanggi P., Wixforth A. Flow patterns and transport in Rayleigh surface acoustic wave streaming: сombined finite element method and raytracing numerics versus experiments // IEEE Trans. UFFC. - 2008. - V. 55, N. 10. - Р. 2298-2305. DOI
Zhgoon S., Tsimbal D., Shvetsov A., Bhattacharjee K. 3D finite element modeling of real size SAW devices and experimental validation // IEEE Ultras. Symp. - 2008. - Р. 1932-1935.
Осетров А.В., Нгуен Ван Шо. Анализ поверхностных акустических волн в области встречно-штыревого преобразователя // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2011. - № 1. - C. 81-88.
Royer D, Dieulesaint Е. Elastic waves in solids. Part I: Free and guided propagation. - Springer, 2000. - 374 p.
Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах // М.: Наука, 1981. - 287 с.
Сhen D.P., Haus H.A. Analysis of metal-strip SAW gratings and transducers // IEEE SU. - 1985. - V. SU 32, N. 3. - P. 395-408.
Bauerschmidt P., Lerch R., Machui J., Ruile W., Visintini G. Reflection and transmission coefficients of SAW in periodic grating computed by finite element analysis // IEEE Ultras. Symp. - 1990. - Р. 421-423. DOI
Дмитриев В.Ф. Теория связанных волн - универсальный метод расчета устройств на поверхностных акустических волнах // ЖТФ. - 2004. - Т. 74, № 10. - С. 94-102.
Яковлев Л.А. Основные уравнения механики и электродинамики сплошных сред: Учеб. пособие. - СПб.: ГЭТУ, 1992. - 76 с.
Buchner M., Ruile W., Dietz A. , Dill R. FEM analysis of the reflection coefficient of SAWs in an infinite periodic array // IEEE Ultras. Symp. - 1991. - Р. 371-375.
Osetrov A.V., Frolich H.-J., Koch R., Chilla E. Acoustoelastic effect in anisotropic layered structures // Phys. Rev. B. - 2000. - V. 62, N. 21. - Р. 13963-13969. DOI
Osetrov A. V., Frolich H.-J., Koch R., Chilla E. Acoustoelastic effect in stressed heterostructures // IEEE Trans. UFFC. - 2002. - V. 49, N. 1. - Р. 94-98. DOI
Slobodnik A.J., Conway E.D., Delmonico R.T. Microwave acoustics handbook. Vol. I A. surface wave velocities // NTIS. Springfield - AFCRL-TR-73-0597- AD0780172 - VA 22151.
Kovacs G., Anhorn M., Engan H.E., Visintini G., Ruppel C.C.W. Improved material constants for LiNbO3 and LiTaO3 // IEEE Ultras. Symp. - 1990. - Р. 435-438. DOI
Wright P.V. Modeling and experimental measurements of the reflection properties of SAW metallic gratings // IEEE Ultras. Symp. - 1984. - Р. 54-63.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2011 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
