авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Акустические волны в структурах, содержащих пьезоэлектрические, диэлектрические, металлические и нанокомпозитные полимерные слои

На правах рукописи

Кузнецова Анастасия Сергеевна

АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В СТРУКТУРАХ, СОДЕРЖАЩИХ

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ И

НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ СЛОИ

Специальность 01.04.03 – Радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико - математических наук

Саратов 2012

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт радиотехни ки и электроники им. В.А.Котельникова РАН, Саратовский филиал1.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Зайцев Борис Давыдович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, Анисимкин Владимир Иванович доктор физико-математических наук, профессор Сучков Сергей Германович

Ведущая организация: Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе, г. Санкт Петербург

Защита состоится «16» марта 2012 в 15.30 час. на заседании диссертационного со вета Д.212.243.01 в Саратовском государственном университете им.

Н.Г.Чернышевского по адресу: 410012, Саратов, ул.Астраханская,

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке СГУ.

Автореферат разослан « » 2012.

Ученый секретарь диссертационного совета Аникин В.М.

C 10.01.2012 г. название организации изменено на Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им.В.А.Котельникова РАН, Саратовский филиал

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Одним из традиционных направлений исследований в акустике твердых сред является изучение характеристик акустических волн в многослойных структурах. В различное время исследовались такие волны как поверхностные акустические вол ны Лява, волны Стоунли, волны Сезава, щелевые волны, приповерхностные объ емные волны и т.д. Рассматривались структуры, содержащие пьезоэлектрики, ди электрики, жидкости, проводящие или вязкоупругие материалы и т.д. В настоящее время интерес к исследованию многослойных акустических структур с использо ванием как известных, так и новых материалов только усиливается. Это связано с необходимостью создания различных датчиков и устройств обработки сигналов, обладающих заданными характеристиками, необходимостью создания различных покрытий, характеризующихся полным поглощением зондирующего излучения и т.д.

В настоящее время характеристики акустических волн в тонких (по сравне нию с длиной волны) пьезоэлектрических пластинах достаточно полно исследова ны. Было обнаружено, что свойства поперечно-горизонтальных волн нулевого по рядка (SH0) существенно отличаются от свойств поверхностных акустических волн (ПАВ) в том же самом материале. Например, было показано, что указанные волны обладают значительно большим коэффициентом электромеханической связи (K2), чем ПАВ в том же самом материале. Было обнаружено, что их температурный ко эффициент задержки несколько меньше, чем для ПАВ и что существует возмож ность эффективного управления углом между фазовой и групповой скоростью этих волн при помощи электрического закорачивания поверхности пластины. Следует отметить также, что поперечно-горизонтальные волны могут распространяться в контакте с жидкостью без значительных радиационных потерь, в отличие от ПАВ Рэлея. Таким образом, на основании проведенных ранее исследований был сделан вывод о перспективности использования указанных волн для создания различных устройств обработки сигналов и акустоэлектрических датчиков на их основе.

Однако вопросы повышения чувствительности к массовой нагрузке и термо стабильности разрабатываемых устройств являются по-прежнему актуальными. В этом плане представляет интерес исследование многослойных структур, основан ных на пьезоэлектрических пластинах и содержащих слои из новых нанокомпозит ных полимерных материалов. Анализ акустических волн, распространяющихся в подобных структурах, ранее не проводился. К настоящему времени были только измерены акустические и электрические характеристики указанных материалов.

На основании всего вышесказанного можно сделать вывод об актуальности исследования акустических волн в структурах, содержащих пьезоэлектрические, диэлектрические, металлические и нанокомпозитные полимерные слои.

Целью диссертационной работы является исследование характеристик акустиче ских волн нулевого порядка в структурах, содержащих пьезоэлектрические, ди электрические, металлические, нанокомпозитные полимерные слои, а также жид кости, для разработки новых методов управления температурным коэффициентом задержки указанных волн и способов согласования пьезоэлектрических материалов с газом и жидкостью.

Научная новизна работы В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследова ний:

1. Показано, что акустические волны нулевого порядка в пластинах обладают большей чувствительностью к массовой нагрузке, чем ПАВ Рэлея и SH ПАВ в од ном и том же материале.

2. Показано, что с уменьшением диэлектрической проницаемости материала мас совой нагрузки чувствительность акустических волн нулевого порядка в пластинах к массовой нагрузке возрастает.

3. Впервые показано, что при распространении акустической волны в структуре «пьезоэлектрическая пластина – нанокомпозитный полимерный слой» при при оп ределенных значениях толщины слоя возникает резонансное затухание волны. При этом резонансная толщина слоя при фиксированной частоте волны не зависит ни от толщины пьезоэлектрической пластины, ни от ее материала, что позволяет ис пользовать этот эффект для измерения акустических свойств слоя.



4. Предложен новый метод управления температурным коэффициентом задержки (TCD) акустических волн в пьезоэлектрических пластинах. Он основан на исполь зовании контакта с жидкостью, характеризующейся определенной зависимостью ее диэлектрической проницаемости от температуры. Свойства используемой жидко сти зависят от типа волны, а также от материала и толщины пьезоэлектрической пластины. На примере SH0 волны в пластине Y-X ниобата лития, контактирующей с бутилацетатом, продемонстрирована возможность снижения TCD на порядок при сохранении значения коэффициента электромеханической связи К2=30%.

5. Впервые найден закон изменения диэлектрической проницаемости контакти рующей среды от температуры, обеспечивающий нулевое значение температурно го коэффициента задержки SH0 волны в структуре «нанокомпозитный полимерный слой – вакуумный зазор – пластина ниобата лития».

6. Предложен новый принцип управления температурным коэффициентом задерж ки волн в структуре «диэлектрический слой – вакуумный зазор – пьезоэлектриче ская пластина» путем изменения вакуумного зазора при изменении температуры.

7. Найден закон изменения величины вакуумного зазора от температуры, обеспе чивающий нулевое значение температурного коэффициента задержки SH0 волны, когда в качестве диэлектрического слоя и пластины используются нанокомпозит ный полимерный слой и ниобат лития, соответственно. Впервые показано, что с увеличением диэлектрической проницаемости слоя величина необходимого для термостабилизации фазы относительного увеличения зазора между этим слоем и пьезоэлектрической пластиной уменьшается.

Достоверность полученных в настоящей диссертации теоретических резуль татов определяется корректностью постановки всех граничных задач, использова нием апробированных вычислительных методов, а также количественным и каче ственным соответствием полученных в работе теоретических результатов экспери ментальным данным и данным других авторов.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Чувствительность акустических волн Лэмба и поперечно-горизонтальных аку стических волн нулевого порядка в пьезоэлектрических пластинах к массовой на грузке в 2-7 раз больше, чем для ПАВ Рэлея и SH ПАВ в одном и том же материа ле.

2. Для управления температурным коэффициентом задержки акустических волн в пьезоэлектрических пластинах можно использовать контакт с жидкостью, характе ризующейся определенной зависимостью ее диэлектрической проницаемости от температуры. Свойства используемой жидкости зависят от типа волны, материала и толщины пьезоэлектрической пластины. На примере SH0 волны в пластине Y-X ниобата лития, контактирующей с бутилацетатом, продемонстрирована возмож ность снижения температурного коэффициента задержки практически до нуля при сохранении значения коэффициента электромеханической связи К2=30%.

3. При удалении диэлектрической среды от пьезоэлектрической пластины по опре деленному закону фаза акустического сигнала может оставаться неизменной в ши роком интервале температур. С увеличением диэлектрической проницаемости сре ды величина необходимого для термостабилизации фазы относительного увеличе ния зазора между этой средой и пьезоэлектрической пластиной уменьшается.

4. При создании излучателей/приемников акустических волн в жидкости на ос нове А0 волн Лэмба в пьезоэлектрических пластинах использование промежуточ ного слоя из нанокомпозитного полимерного материала с плотностью ~ кг/м3, продольным и поперечным модулями упругости ~20108 Па и ~2108 Па, соответственно, и продольным и поперечным коэффициентами вязкости ~20 Пас и ~1.5 Пас может улучшить эффективность излучения примерно на 1 дБ/ по мощности при соотношении толщин слоя и пластины ниобата лития d/h=~0.15 и при частоте ~1.3 МГц.

Практическая ценность результатов заключается в следующем:

1. Впервые предложено для создания эффективного приемника/излучателя аку стической волны в газовой среде использовать трехслойное согласующее устрой ство, содержащее в качестве крайних слоев различные комбинации нанокомпозит ных материалов на основе полиэтилена высокого давления. При этом материал среднего согласующего слоя должен обладать существенно большими значениями модуля упругости и плотности по сравнению с материалами крайних слоев. На пример, в качестве согласующего среднего слоя можно использовать металлы, кристаллы, керамику и некоторые виды стекол. Подобная структура позволяет уве личить амплитуду излучаемой волны в газ на 2-3 порядка по сравнению с извест ными преобразователями.

2. Впервые предложено при создании излучателей/приемников акустических волн в жидкость на основе А0 волн Лэмба в пьезоэлектрических пластинах использовать слой из нанокомпозитного полимерного материала на основе матрицы полиэтилена высокого давления с наночастицами сульфида кадмия 30%. Это может улучшить эффективность излучения примерно на 1 дБ/ по мощности при соотношении тол щин слоя и пластины ниобата лития d/h=0.154 и при частоте f=1.3 МГц.

3. Предложены и опробованы новые принципы уменьшения температурного ко эффициента задержки в слоистых средах, содержащих пьезоэлектрическую пла стину.

Апробация работы: Работа выполнена в лаборатории СФ-9 Саратовского филиала института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН в период 2005-2011 гг. Изложенные в диссертации результаты докладывались на Ultrasonic International (Beijing, China, 2005;





Vienna, Austria, 2007;

Santiago, Chile, 2009), IEEE International Ultrasonic Symposium (Delft, The Netherlands, 2005;

Beijing, China, 2008;

San-Diego, USA, 2010), Int. Conf. “Wave Electronics and its Appl. In Information and Telecom. Systems” (S.-Peterburg, Russia, 2005, 2006, 2007), Всероссийской конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, Россия, 2007, 2008, 2009, 2010), Int. Conf. AMAAV’ (Cairo, Egypt, 2009), 1st Int. Conf. On Nanostructured Materials and Nanocomposites (Kottayam, India, 2009), на конкурсе молодых ученых им.И.В.Анисимкина (Москва, Россия, 2008), на научных семинарах Саратовского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН.

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 30 печатных работ, из которых 6 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК, 11статей в трудах конференций, 13 тезисов докладов.

Личный вклад автора. Результаты, представленные в диссертации, отража ют личный вклад автора в работу: автор принимала непосредственное участие в постановке задачи и разработке математических моделей, самостоятельно разрабо тала расчетные программы и выполнила все теоретические исследования. Автор также принимала непосредственное участие в анализе полученных результатов и формулировке выводов.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 114 наименований, в том числе работ автора. Объем работы составляет 154 страницы текста, включая 57 рисунков и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследования, научная новизна и практическая ценность, изложено краткое содержание диссертации, а также определены научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию чувст вительности акустических волн Лэмба (A0, S0) и поперечно-горизонтальных (SH0) волн нулевого порядка в тонких, по сравнению с длиной волны, пьезоэлектриче ских пластинах к массовой нагрузке. Для анализа выбраны пластины танталата ли тия, который широко используется при разработке различных акустических уст ройств и характеризуется достаточно высокой пьезоактивностью. В качестве мате риала нагрузки выбраны слои из алюминия, серебра и золота, а также SiO2 и KI.

Выбор материалов для массовой нагрузки был обусловлен различной их плотно стью, а ориентация подложки определялась из условия максимальной пьезоактив ности рассматриваемой волны: А0 волна (1280Y-X), S0 волна (X-Y+250) и SH0 волна (Y-X). Приведены исходные уравнения, описывающие волны в подобных структу рах, методы их решения и результаты численного анализа для указанных выше ма териалов. Анализ показал, что чувствительность акустических волн к массовой на грузке в общем случае имеет сложную частотную зависимость, а также зависит от толщины пластины, и от материала нагрузки. Поэтому для определения этой чув ствительности введен уточненный параметр - нормированная на частоту чувстви тельность к массовой нагрузке. Данный параметр в большинстве случаев слабо за висит от частоты волны при малых значениях толщины нагрузки и позволяет про водить сравнение указанной чувствительности для разных типов волн.

Было показано, что в большинстве случаев массовая нагрузка, как из метал лических, так и из диэлектрических материалов приводит к уменьшению скорости акустических волн нулевого порядка в пьезоэлектрических пластинах, хотя суще ствуют противоположные ситуации. Например, скорость A0 волны в структурах «слой Al – пластина LiTaO3» и «слой SiO2 – пластина LiTaO3» с ростом толщины слоя увеличивается для всех значений параметра hf. Аналогичное поведение про являют ПАВ Рэлея в аналогичных структурах. Кроме того, анализ показал, что для каждой подложки должен существовать такой материал нагрузки, который практи чески не влияет на скорость А0 волны. Было также обнаружено, что с уменьшением нормированной толщины пластины, чувствительность акустических волн нулевого порядка к массовой нагрузке увеличивается, а с уменьшением диэлектрической проницаемости материала массовой нагрузки указанная чувствительность акусти ческих волн нулевого порядка в пластинах возрастает. В целом был сделан вывод о том, что акустические волны нулевого порядка в пластинах обладают в 2 -7 раз большей чувствительностью к массовой нагрузке, чем ПАВ Рэлея и SH ПАВ в од ном и том же материале.

В этой же главе было теоретически исследовано влияние жидкости на чувст вительность акустических волн в пластинах к диэлектрической массовой нагрузке.

Было показано, что для некоторых материалов массовой нагрузки присутствие жидкости приводит к существенному увеличению указанной чувствительности.

Например, для структуры «слой SiO2 – пластина LiTaO3» чувствительность SH волны при hf = 500 м/с в присутствии воды возрастает примерно в 40 раз. В то вре мя как в присутствии материалов с меньшим акустическим импедансом и большим значением диэлектрической проницаемости, например, KI, присутствие жидкости приводит к некоторому уменьшению чувствительности SH0 волны.

В целом полученные результаты говорят о возможности разработки более чувствительных гравиметрических датчиков на основе акустических волн нулевого порядка в пьезоэлектрических пластинах.

Вторая глава диссертации посвящена теоретическому анализу влияния но вых нанокомпозитных полимерных материалов с наночастицами металлов и их со единений на характеристики акустических волн с поперечно-горизонтальной поля ризацией в пьезоэлектрических пластинах. Решение граничной задачи проводилось численным методом, поскольку, широко используемая теория возмущений дает некорректные результаты в случае волн с большим коэффициентом электромеха нической связи.

Вначале была рассмотрена структура «пьезопластина – слой нанокомпо зитного материала». В качестве пьезоэлектрической пластины рассматривались пластины YX ниобата лития и YX танталата лития. В качестве нанокомпозитных слоев использовались материалы с различной концентрацией наночастиц железа и сульфида кадмия, внедренных в матрицу полиэтилена высокого давления. В ре зультате проведенных расчетов были получены скорость и затухание SH0 волн, распространяющихся в вышеуказанных структурах. Анализ показал, что при опре деленных значениях толщины пленки возникает резонансное затухание акустиче ской волны (рис.1), которое не зависит ни от толщины пьезоэлектрической пласти ны, ни от ее материала. В этом случае пленка выступает как акустический резона тор, одна сторона которого жестко закреплена, а вторая механически свободна.

Этот эффект может быть использован для измерения акустических свойств пленки.

Что касается скорости исследуемых волн, то ее зависимость от соотношения тол щин слоя и пластины вблизи резонансной толщины коррелирует с аналогичным поведением фазы колебания резонатора вблизи резонансной частоты. Показано также, что величина затухания исследуемых волн в случае пластины LiNbO3 суще ственно выше, чем для пластин LiTaO3.

Было также исследовано влияние металлизации пластины со стороны сво бодной от слоя. Как и следовало ожидать, в этом случае скорость SH0 волны уменьшается, а ее квадрат коэффициента электромеханической связи в области малого затухания равен 32% и 12% в случае ниобата лития и танталата лития, со ответственно. Что касается затухания, то в случае металлизации пластины его мак симальная величина становится несколько меньше. Полученные в результате рас четов зависимости позволяют выбирать такие соотношения толщин слоя и пласти ны, при которых акустическая волна практически не затухает в присутствии нано композитного полимерного слоя, несмотря на его вязкость. Кроме того, присутст вие наночастиц в полимерной пленке приводит к сужению области резонансного затухания и к соответствующему увеличению диапазонов толщин и частот, в кото рых затухание волны практически отсутствует. При этом коэффициент электроме ханической связи волны остается достаточно большим. Это открывает перспективы создания невозмущающих подложек из нанокомпозитных материалов для тонких пьезоэлектрических пластин.

Затухание, дБ/ Скорость, м/с Рис.1. Зависимости затухания и скорости SH0 волны, распространяющейся в структуре «пластина YX LiNbO3 - нанокомпозитная полимерная пленка с наночастицами CdS» от отношения d/h при параметрах hf=500 м/с. 1 – 0%, 2 – 5%, 3 – 10%, 4 – 30%.

В этой же главе рассмотрены характеристики SH0 волн в структуре «наноком позитный слой – вакуумный зазор – пьезопластина». При расчетах использовались вышеуказанные материалы. В результате были получены зависимости скорости и коэффициента электромеханической связи указанной волны от величины зазора.

Обнаружено, что с удалением нанокомпозитного слоя от пьезоэлектрической пла стины скорость волны увеличивается. Показано также, что при размещении нано композитного слоя вблизи пьезоэлектрической пластины коэффициент электроме ханической связи волны несколько уменьшается, однако его величина достаточно велика. Обнаружено также, что в подобной структуре полностью отсутствует зату хание волны, что подтверждает сделанное выше предположение о физической при роде резонанса, возникающего при контакте пленки с пьезоэлектрической пласти ной.

Третья глава диссертации посвящена исследованию влияния температуры на характеристики SH0 волн в структурах, содержащих пьезопластину и жидкость или нанокомпозитный слой. Аналогично первым двум главам были записаны урав нения, описывающие волны в подобных структурах и соответствующие механиче ские и электрические граничные условия. Вначале было исследовано влияние тем пературы на скорость указанных волн в пластине ниобата лития без контакта с жидкостью. Были построены зависимости скорости, коэффициента электромехани ческой связи, температурного коэффициента фазовой скорости (TCV) и темпера турного коэффициента задержки (TCD) SH0 волны, распространяющейся вдоль наиболее пьезоактивного направления YX ниобата лития, от параметра hf (h – тол щина пластины, f – частота волны) для электрически открытой и электрически за короченной поверхности пластины. Анализ полученных зависимостей показал, что скорость SH0 волны в пластине ниобата лития с ростом температуры уменьшается, как в случае электрически открытой, так и в случае электрически закороченной по верхности пластины.

Затем было проанализировано распространение SH0 волны в структуре «пье зоэлектрическая пластина – невязкая и непроводящая жидкость». В качестве жид кости использовались вода, этиловый спирт, хлорбензол, метилацетат, бензол и бу тил ацетат. Проведенный анализ показал, что скорость SH0 волны в основном зави сит от диэлектрической проницаемости жидкости и практически не зависит от ее упругих свойств. Это позволило построить зависимости скорости и коэффициента электромеханической связи SH0 волны, распространяющейся в электрически от крытой и электрически закороченной с противоположной стороны от жидкости пластине YX LiNbO3 (hf=500 м/с), от относительной диэлектрической проницаемо сти жидкости. Оказалось, что с ростом диэлектрической проницаемости жидкости, прилегающей к пластине ниобата лития, скорость SH0 волны в пластине уменьша ется. Если же одна сторона пластины электрически закорочена, то, как и следовало ожидать, зависимость скорости от диэлектрической проницаемости жидкости практически отсутствует. Что касается коэффициента электромеханической связи, то с ростом диэлектрической проницаемости он уменьшается. Анализ также пока зал, что присутствие невязкой жидкости не приводит к заметному радиационному затуханию SH0 волны.

Далее было теоретически и экспериментально исследовано влияние темпера туры на характеристики SH0 волны в структуре «пьезоэлектрическая пластина – невязкая и непроводящая жидкость». Как известно, диэлектрическая проницае мость большинства жидкостей уменьшается с ростом температуры. Следовательно, используя структуру, содержащую жидкость с определенной температурной зави симостью диэлектрической проницаемости, можно добиться значительного уменьшения TCD SH0 волны. В результате проведенных расчетов были построены зависимости TCV и TCD SH0 волны в YX пластине ниобата лития, которая контак тировала с одной стороны со всеми перечисленными выше жидкостями, от пара метра hf. Анализ показал, что при электрически открытой поверхности пластины существует такое значение параметра hf, при котором величина TCD исследуемой волны становится равной нулю (рис.2). При этом в исследуемой структуре величи на K2 остается достаточно высокой. Например, для структуры «пластина YX LiNbO3 - бутилацетат» величина K2 составляет ~30% вместо ~36% в случае контак та пластины с вакуумом. Было также обнаружено, что при выбранной жидкости величиной TCD можно управлять путем изменения параметра hf. Проведенный эксперимент полностью подтвердил выводы теории.

Следует отметить, что вышеуказанный способ управления TCD не совсем удобен с технологической точки зрения. В связи с этим в данной главе был прове ден поиск материала, характеризующегося специфической зависимостью диэлек трической проницаемости от температуры. Исследования показали, что в качестве такого материала могут быть использованы нанокомпозитные полимерные пленки с различным содержанием наночастиц железа.

Таким образом, в данной главе проведен также анализ влияния температуры на скорость SH0 волны в структуре, содержащей тонкую пьезоэлектрическую пла стину ниобата лития и нанокомпозитные полимерные слои с различной концентра цией наночастиц железа. В результате проведенных расчетов были получены зави симости температурного коэффициента задержки, скорости и затухания SH0 волны в вышеуказанной структуре. Анализ полученных зависимостей показал, что изме нение TCD SH0 волны в исследуемой структуре зависит от концентрации наноча стиц железа и толщины пленки и все это приводит к уменьшению указанного па раметра. Однако, для достижения большей степени управления температурным ко эффициентом задержки, необходимо использовать материалы с более сильной за висимостью диэлектрической проницаемости от температуры.

Следует также отметить, в случае аку стического контакта полимерного материала с пьезоэлектрической пластиной волна обла дает затуханием (~1dB/), которое связано с вязкостью полимерной пленки. В связи с этим было предложено использовать струк туру, содержащую зазор между полимерным слоем и пластиной.

Проведенный анализ влияния темпера туры на SH0 волну, распространяющуюся в структуре «нанокомпозитная пленка с 15% наночастиц Fe – вакуумный зазор – YX пла стина LiNbO3», показал, что TCD и в данном случае уменьшается незначительно. В связи с этим был проведен поиск величины необ ходимого изменения диэлектрической про ницаемости нанокомпозитного материала для достижения нулевого значения TCD.

Было обнаружено, что нулевое значение Рис2. Зависимости TCV (a), TCD (b) и K2 TCD SH0 волны в такой структуре может (с) SH0 волны в структуре “пластина YX быть достигнуто, если при увеличении тем LiNbO3 – жидкость ” от параметра hf. 1- пературы Т диэлектрическая проницаемость нанокомпозита будет уменьшаться по за этиловый спирт, 2-бутилацетат, 3-бензол кону / =-0.023Т ([Т] = град С). С другой стороны, можно подобрать такую температурную зависимость изменения зазора между нанокомпозитным материа лом и пластиной, при которой фаза выходного акустического сигнала при измене нии температуры меняться не будет, т.е. температурный коэффициент задержки будет равен нулю. В этом отношении нанокомпозитный материал является наибо лее предпочтительным, поскольку его диэлектрическая проницаемость в отличие от других диэлектриков достаточно мала и изменение зазора может быть достаточ но большим.

В результате расчетов были получены зависимости изменения фазы волны от температуры при h=167 мкм и f = 3 МГц (hf=500 м/с) для различных значений диэлектрической проницаемости полубезграничной среды. Анализ полученных ре зультатов показал, что во всех рассмотренных случаях удаление диэлектрической среды от пьезоэлектрической пластины по определенному закону может оставить фазу сигнала неизменной в широком интервале температур. Обнаружено также, что угол наклона полученных зависимостей уменьшается с ростом диэлектриче ской проницаемости полубезграничной среды. Это означает, что с увеличением диэлектрической проницаемости среды величина необходимого для термостабили зации фазы относительного увеличения зазора уменьшается. В данной главе пред ложен вариант термостабильной структуры, основанный на предложенном прин ципе.

Представленная в данной главе методика создания акустоэлектронных уст ройств, основанных на тонких пьезоэлектрических пластинах, с нулевым коэффи циентом задержки может быть использована для любых пьезоэлектрических мате риалов и диапазонов частот.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованию возможности при менения нанокомпозитных материалов для согласования пьезоэлектрических излу чателей/приемников с газом и жидкостью с целью создания первичных элементов расходомеров. Вначале рассмотрены принципы действия известных ультразвуко вых расходомеров. Затем записаны соответствующие уравнения, граничные усло вия и описан метод решения задачи. Был проведен анализ согласующего устройст ва, состоящего из одного, двух и трех слоев. Показано, что однослойные или двух слойные согласующие устройства не дают существенного выигрыша по согласова нию. Существенный выигрыш получается, когда число слоев равно трем, причем материал среднего согласующего слоя должен обладать значительной величиной модуля упругости, и достаточно высокой плотностью, нежели материалы в осталь ных двух слоях. Это означает, что целесообразно использовать в качестве согла сующего среднего слоя «тяжелый» материал (металлы, кристаллы, некоторые ви ды стекол и пластиков), а в качестве двух других слоев – различные комбинации нанокомпозитных материалов на основе полиэтилена высокого давления. Расчеты показали, что подобное согласующее устройство позволит увеличить амплитуду излучаемой волны в газ на 2-3 порядка. Дальнейшее увеличение числа слоев не да ет существенного улучшения эффективности преобразования.

В этой же главе исследована возможность использования нанокомпозитных материалов для согласования пьезоэлектрических излучателей/приемников с жид костью. Вначале был проведен анализ влияния нанокомпозитнх полимерных слоев на эффективность излучения антисимметричной волны Лэмба нулевого порядка в жидкость. В качестве пьезоэлектрической пластины использовался 128YX ниобат лития, а в качестве слоя использовались нанкомпозитные полимерные материалы с различной концентрацией наночастиц железа и сульфида кадмия. В результате теоретического анализа были получены зависимости относительного изменения скорости V/V для A0 волны в пластине 128YX LiNbO3 от нормированной толщи ны нанокомпозитного полимерного слоя при различных значениях hf (300 м/с, м/с и 1500 м/с) и для различных концентраций наночастиц (Fe и CdS). Анализ по лученных результатов показал, что использование в качестве промежуточного слоя нанокомпозитного полимерного материала на основе матрицы полиэтилена высо кого давления с наночастицами сульфида кадмия 30% с плотностью 1277 кг/м3, продольным и поперечным модулями упругости 20108 Па и 1.9108 Па, соответ ственно, и продольным и поперечным коэффициентами вязкости 20 Пас и 1. Пас может улучшить эффективность излучения примерно на 1 дБ/ по мощности при соотношении толщин слоя и пластины d/h=0.154 и при f=1.3 МГц. Этот вывод следует исходя из следующих расчетных данных. Как уже говорилось выше зату хание для А0 волны в структуре «128YX пластина-жидкость» составляет 1.4 дБ/, а для структуры с нанокомпозитным слоем эта величина равна 2.94/. При этом для hf=650 м/с и d/h =0.154 нанокомпозитный слой с наночастицами CdS 30%, контак тирующий с 128YX пластиной ниобата лития, за счет своей вязкости приводит к возникновению затухания А0 волны, величина которого составляет 0.46 дБ/. Тео ретически предсказанный вывод был качественно подтвержден экспериментально.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В результате проведенных исследований было получено следующее:

1. Показано, что акустические волны нулевого порядка в пластинах обладают большей чувствительностью к массовой нагрузке, чем ПАВ Рэлея и SH ПАВ в од ном и том же материале.

2. В большинстве случаев массовая нагрузка, как из металлических, так и из ди электрических материалов приводит к уменьшению скорости акустических волн нулевого порядка в пьезоэлектрических пластинах, хотя существуют противопо ложные ситуации. Например, скорость A0 волны в структурах «слой Al – пластина LiTaO3» и «слой SiO2 – пластина LiTaO3» с ростом толщины слоя увеличивается для всех значений параметра hf. Аналогичное поведение проявляют ПАВ Рэлея в аналогичных структурах. Кроме того, анализ показывает, что для каждой подложки должен существовать такой материал нагрузки, который практически не влияет на скорость А0 волны.

3. С уменьшением нормированной толщины пластины и диэлектрической прони цаемости материала массовой нагрузки чувствительность акустических волн нуле вого порядка к ней увеличивается.

4. Для структуры «слой SiO2 – пластина LiTaO3» присутствие воды приводит к значительному увеличению чувствительности SH0 волн. Например, для SH0 волны при hf = 500 м/с чувствительность возрастает примерно в 40 раз. В случае слоя KI присутствие жидкости приводит к некоторому уменьшению чувствительности SH волны.

5. При распространении акустической волны в структуре «пьезоэлектрическая пластина – нанокомпозитный полимерный слой» при определенной толщине слоя возникает резонансное затухание волны. При этом резонансная толщина слоя при фиксированной частоте волны не зависит ни от толщины пьезоэлектрической пла стины, ни от ее материала.

6. Присутствие наночастиц в нанокомпозитном полимерном слое приводит к су жению области резонансного затухания и к соответствующему увеличению диапа зонов толщин и частот, в которых затухание волны практически отсутствует. Это позволяет выбирать такие соотношения толщин пленки и слоя, при которых аку стическая волна практически не затухает в присутствии пленки.

7. Для управления температурным коэффициентом задержки (TCD) акустических волн в пьезоэлектрических пластинах можно использовать контакт с жидкостью, характеризующейся определенной зависимостью ее диэлектрической проницаемо сти от температуры. Тип используемой жидкости зависит от типа волны, материала и толщины пьезоэлектрической пластины. На примере SH0 волны в пластине Y-X ниобата лития, контактирующей с бутилацетатом, продемонстрирована возмож ность снижения TCD на порядок при сохранении значения коэффициента электро механической связи К2=30%.

8. Нулевое значение температурного коэффициента задержки SH0 волны в струк туре «нанокомпозитный полимерный слой – вакуумный зазор – пластина ниобата лития» может быть достигнуто, если при увеличении температуры Т диэлектриче ская проницаемость нанокомпозита будет уменьшаться по закону / =-0.023Т ([Т] = град С)..

9. Путем изменения зазора между диэлектрической средой и пьезоэлектрической пластиной по определенному закону можно стабилизировать фазу акустического сигнала при изменении температуры в широком интервале.

10. С увеличением диэлектрической проницаемости среды величина необходимого для термостабилизации фазы относительного увеличения зазора между этой средой и пьезоэлектрической пластиной уменьшается.

11. Для создания эффективного приемника/излучателя акустической волны в газ можно использовать согласующее устройство, состоящее из трех слоев. При этом материал среднего согласующего слоя должен обладать значительной величиной модуля упругости, и достаточно высокой плотностью, нежели материалы в осталь ных двух слоях. Это означает, что целесообразно использовать в качестве согла сующего среднего слоя «тяжелый» материал (металлы, кристаллы, некоторые виды стекол и пластиков), а в качестве двух других слоев – различные комбинации нано композитных материалов на основе полиэтилена высокого давления. Подобная структура позволяет увеличить амплитуду излучаемой волны в газ на 2-3 порядка по сравнению с известными образцами.

12. При создании излучателей/приемников акустических волн в жидкость на осно ве А0 волн Лэмба в пьезоэлектрических пластинах использование слоя из наноком позитного полимерного материала на основе матрицы полиэтилена высокого дав ления с наночастицами сульфида кадмия 30% с плотностью 1277 кг/м3, продоль ным и поперечным модулями упругости 20108 Па и 1.9108 Па, соответственно, и продольным и поперечным коэффициентами вязкости 20 Пас и 1.5 Пас, может улучшить эффективность излучения примерно на 1 дБ/ по мощности при соотно шении толщин слоя и пластины ниобата лития d/h=0.154 и при частоте f=1.3 МГц.

Список опубликованных работ по теме диссертации 1. Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Teplykh A.A., Joshi S.G., Kuznetsova A.S. Power flow angle (PFA) of acoustic waves in thin piezoelectric plates // Trans. on Ultrason., Ferroel. and Freq.

Contr.-2008.-V.55.-N9.-1984-1991.

2. Джоши С.Г., Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е., Кузнецова А.С. Гравиметрическая чувстви тельность акустических волн в пьезоэлектрических пластинах // Радиотехника и электро ника, 2005, т.50, N6, c.707- 3. Кузнецова И.Е., Зайцев Б.Д., Джоши С.Г., Кузнецова А.С. Гравиметрическая чувстви тельность акустических волн в тонких пьезоэлектрических пластинах в присутствии жид кости // Письма в ЖТФ, 2006, т.32, вып.16, с.84- 4. Zaitsev B.D., Kuznetsova I.E., Joshi S.G., Kuznetsova A.S. New method of change in tem perature coefficient delay of acoustic waves in thin piezoelectric plates // Trans. on Ultrason., Ferroel. and Freq. Contr., 2006, v.53, no.11, pp.2113- 5. Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Kuznetsova A.S. Acoustics waves in structure “piezoelectric plate-polymeric nanocomposite film” // Ultrasonics.- 2008.- V.48.- N6-7.- P.587- 6. Кузнецова А.С., Шихабудинов А.М. Влияние температуры на характеристики акусти ческих волн в структуре «пьезоэлектрическая пластина – нанокомпозитная полимерная пленка»// Нелинейный мир, 2009, т.7, №6, с.483- 7. Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е., Бородина И.А., Кузнецова А.С. Новый способ изменения температурного коэффициента задержки акустических волн в тонких пьезоэлектрических пластинах // Сб. научн. тр. «Информационные технологии в науке, производстве и соци альной сфере». Саратов: Научная книга, 2005, с. 242-247.

8. Kuznetsova A.S., Zaitsev B.D., Kuznetsova I.E., Joshi S.G. The refraction surfaces of zero order acoustic waves in thin piezoelectric plates // Proceed. of IX Int.Conf. ”Wave Electronics and its Appl. in Information and Telecommun. Systems, Non-Destructive Testing, Security and Medicine”, 9-11 Oct., 2006, St.-Peterburg, Russia, 4 pages.

9. Кузнецова А.С. Поверхности рефракции акустических волн нулевого порядка в пьезо электрических пластинах // Материалы I конф. молодых ученых «Наноэлектроника, нано фотоника и нелинейная физика», 28-30 сент.2006 г., Саратов. Изд-во ЗАО ПЦ «ИППО ЛиТ-99», 2006. с.19- 10. Kuznetsova A.S., Zaitsev B.D., Kuznetsova I.E., Joshi S.G. Gravimetric Sensitivity of Plate Acoustic Waves for Biological and Chemical Sensors // Proceed. of VIII Int.Conf. ”Wave Elec tronics and its Appl. in Information and Telecommun. Systems”, 4-8 Sept., 2005, St.-Peterburg, Russia, S2- 11. Кузнецова А.С. Характеристики акустических волн в структуре «пьезоэлектрическая пластина – металлический/диэлектрический слой» // Сборник материалов школы конференции «Нелинейные дни в Саратове для молодых – 2005». Изд-во ГосУНЦ «Кол ледж», 2005. с.28- 12. Kuznetsova I.E., Joshi S.G., Zaitsev B.D., Kuznetsova A.S. Gravimetric Sensitivity of Fun damental Acoustic Waves in Piezoelectric Plates for Metal and Dielectric Massloading Layers // WCU/UI’05, 28 Aug. – 1 Sept.,2005, Beijing, China. Program and Abstracts, p. 13. Кузнецова И.Е., Зайцев Б.Д., Ушаков Н.М., Кузнецова А.С. Акустические волны в структуре «пьезоэлектрическая пластина – полимерная нанокомпозитная пленка с наноча стицами CdS” // Труды XIX сессии РАО, 24-28 сентября 2007 г., г.Нижний Новгород, т.2, с.69- 14. Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Kuznetsova A.S. Influence of polymeric nanocomposite film on acoustic waves in piezoelectrics// Proceed. of Acoustics’08, June 29 –July 4, 2008, Paris, France, p.6053- 15. Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Ushakov N.M., Kuznetsova A.S. Acoustic waves in structure “piezoelectric plate – polymeric nanocomposite film” // ICU’2007, April 9-12, 2007, Vienna, Austria, Book of Abstracts, p. 16. Kuznetsova A.S., Zaitsev B.D., Kuznetsova I.E. Acoustic Waveguides Based on Thin Pie zoelectric Plates and Nanocomposite Polymeric Films for Biological and Chemical Sensors // X Int.Conf. ”Wave Electronics and its Appl. in Information and Telecom. Syst., Non-Destruct.

Testing, Security and Medicine”, 2-7 July., 2007, St.-Peterburg, Russia, Abstracts, p. 17. Кузнецова А.С., Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е. Акустические волны в структуре «пьезо электрическая пластина – металлсодержащая нанокомпозитная полимерная пленка» // Ма териалы II конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика», 14-17 мая 2007, г. Саратов: Изд-во Колледж, с.62.

18. Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Kuznetsova A.S. Acoustic waves in structures consist of polymeric nanocomposite material and piezoelectric plate // Int. Conf. AMAAV’09, Jan. 4-6, 2009, Cairo, Egypt, Book of Abstracts, p. 19. Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Shikhabudinov A.M., Kuznetsova A.S. Physical properties of nanocomposite polymeric materials and possibility of their applications in acoustoelectronics// 1st Int. Conf. on Nanostructured Materials and Nanocomposites (ICNM – 2009): April 6-8, 2009, Kottayam, Kerala, India. Program and Abstracts, p. 20. Kuznetsova A.S., Zaitsev B.D., Kuznetsova I.E. The characteristics of fundamental shear horizontal acoustic waves in structure “nanocomposite polymeric film-vacuum gap-piezoelectric plate” // ICU’2009, Jan. 11-17, 2009, Santiago, Chile. Program and Abstracts, p. 21. Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Joshi S.G., Kuznetsova A.S. New method of change in tem perature coefficient delay of acoustic waves in thin piezoelectric plates // Proceedings of IEEE Ultrasonics Symp., 2005, pp.1272- 22. Кузнецова И.Е., Зайцев Б.Д., Кузнецова А.С. Влияние температуры на характеристики акустических волн в структуре «пьезоэлектрическая пластина – нанокомпозитная поли мерная пленка» // Труды XX сессии РАО, 27-31 октября 2008г., г. Москва, т.2, с.61- 23. Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Kuznetsova A.S., Shikhabudinov A.M. Development of tem perature stable acoustic line based on piezoelectric plate and nanocomposite polymeric film // Proceedings of IEEE Ultrasonics Symp., 2008, Nov. 2-5, 2008, Beiging, China, pp.920- 24. Кузнецова А.С., Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е. Влияние температуры на характеристики акустических волн в структуре «нанокомпозитная пленка – пьезоэлектрическая пласти на»// Материалы III конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика», 25-27 июня 2008, г. Саратов, с.81-84.

25. Кузнецова И.Е., Зайцев Б.Д., Кузнецова А.С. Новый способ изменения температурно го коэффициента задержки акустических волн в структуре, содержащей пьезоэлектриче скую пластину// Труды XXII сессии РАО, 15-17 июня 2010г., г. Москва, т.1, с.1- 26. Кузнецова А.С., Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е., Бородина И.А. Новый способ изменения температурного коэффициента задержки акустических волн в структуре, содержащей пье зоэлектрическую пластину// Материалы V конференции молодых ученых «Наноэлектро ника, нанофотоника и нелиней-ная физика», 6-8 сентября 2010, г. Саратов, с.145- 27. Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Kuznetsova A.S. New Method of the Change of TCD of Acoustic Waves in Structure Containing Piezoelectric Plate // Proceedings of IEEE Ultrasonics Symp., 2010, Oct. 11-13, 2010, San-Diego, USA, pp.2219- 28. Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Kuznetsova A.S., Shikhabudinov A.M.,Teplykh A.A., Borodina I.A. The use of nanocomposite polymeric materials for optimization of acoustic gas flowmeter parameters// ICU’2009, Jan. 11-17, 2009, Santiago, Chile. Program and Abstracts, p.20.

29. Кузнецова А.С., Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е. Оптимизация излучателя/приемника аку стических волн ультразвуковых расходомеров газа// Материалы IV конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелиней-ная физика», 7-9 сентября 2009, г.

Саратов, с.54- 30. Кузнецова И.Е., Зайцев Б.Д., Бородина И.А., Кузнецова А.С. Антисимметричные волны Лэмба нулевого порядка в структуре «пьезоэлектрическая пластина – нанокомпо зитный слой – жидкость»// Труды XXIV сессии РАО, 12-15 сентября 2011 г., г. Саратов, т.1, с.70- Кузнецова Анастасия Сергеевна АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В СТРУКТУРАХ, СОДЕРЖАЩИХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ И НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ СЛОИ Автореферат Подписано в печать формат 6084 1/ Уч. -изд. л. 1,0 Тираж 100. заказ Типография Издательства Саратовского университета.

410012, Саратов, Астраханская,

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.