Акустические волны в структурах, содержащих пьезоэлектрические, диэлектрические, металлические и нанокомпозитные полимерные слои тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Кузнецова Анастасия Сергеевн

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

1 2 мдр Ш

Саратов 2012

005014974

005014974

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

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Зайцев Борис Давидович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

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

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

Защита состоится «16» марта 2012 в 15.30 час. на заседании диссертационного совета Д.212.243.01 в Саратовском государственном университете им. Н.Г.Чернышевского по адресу: 410012, Саратов, ул.Астраханская, 83

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке СГУ. Автореферат разослан « {0 »^'¿д-м/'2012.

Ученый секретарь диссертационного совета та^ Аникин В.М.

' С 10.01.2012 название организации изменено на Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им.В. А. Котельникова Российской академии наук, 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 волны Лява, волны Стоунли, волны Сезава, щелевые волны, приповерхностные объемные волны и т.д. Рассматривались структуры, содержащие пьезоэлектрики, диэлектрики, жидкости, проводящие или вязкоуп-ругие материалы и т.д. В настоящее время интерес к исследованию многослойных акустических структур с использованием 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 сравнению с длиной волны) пьезоэлектрических пластинах достаточно полно исследованы. Было обнаружено, что свойства поперечно-горизонтальных волн нулевого порядка (8Н0) 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 (К2), чем ПАВ в том же самом материале. Было обнаружено, что их температурный коэффициент задержки несколько меньше, чем для ПАВ и что существует возможность 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 акустоэлегарических датчиков на их основе.

Однако вопросы повышения чувствительности к массовой нагрузке и термостабильности разрабатываемых устройств являются по-прежнему актуальными. В этом плане представляет интерес исследование многослойных структур, основанных на пьезоэлектрических пластинах и содержащих слои из новых нанокомпозитных 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 акустических волн нулевого порядка в структурах, содержащих пьезоэлектрические, диэлектрические, металлические, нанокомпозитные полимерные слои, а также жидкости, для разработки новых методов управления температурным

коэффициентом задержки указанных волн и способов согласования пьезоэлектрических материалов с газом и жидкостью. Научная новнзна работы

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований:

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

2. Показано, что с уменьшением диэлектрической проницаемости материала массовой 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 определенных 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 использовать этот эффект для измерения акустических свойств слоя.

4. Предложен новый метод управления температурным коэффициентом задержки (ТСБ) акустических волн в пьезоэлектрических пластинах. Он основан на использовании контакта с жидкостью, характеризующейся определенной зависимостью ее диэлектрической проницаемости от температуры. Свойства используемой жидкости зависят от типа волны, а также от материала и толщины пьезоэлектрической пластины. На примере 8Н0 волны в пластине У-Х ниобата лития, контактирующей с бутилацетатом, продемонстрирована возможность снижения ТСБ на порядок при сохранении значения коэффициента электромеханической связи К -30%.

5. Впервые найден закон изменения диэлектрической проницаемости контактирующей среды от температуры, обеспечивающий нулевое значение температурного коэффициента задержки БНо волны в структуре «нанокомпозитный полимерный слой - вакуумный зазор - пластина ниобата лития».

6. Предложен новый принцип управления температурным коэффициентом задержки волн в структуре «диэлектрический слой - вакуумный зазор - пьезоэлектрическая пластина» путем изменения вакуумного зазора при изменении температуры.

7. Найден закон изменения величины вакуумного зазора от температуры, обеспечивающий нулевое значение температурного коэффициента задержки БН0 волны, когда в качестве диэлектрического слоя и пластины используются нанокомпозитный 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 результатов определяется корректностью постановки всех граничных задач, использованием апробированных вычислительных методов, а также количественным и качественным соответствием полученных в работе теоретических результатов экспериментальным данным и данным других авторов.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Чувствительность акустических волн Лэмба и поперечно-горизонтальных акустических волн нулевого порядка в пьезоэлектрических пластинах к массовой нагрузке в 2-7 раз больше, чем для ПАВ Рэлея и 8Н ПАВ в одном и том же материале.

2. Для управления температурным коэффициентом задержки акустических волн в пьезоэлектрических пластинах можно использовать контакт с жидкостью, характеризующейся определенной зависимостью ее диэлектрической проницаемости от температуры. Свойства используемой жидкости зависят от типа волны, материала и толщины пьезоэлектрической пластины. На примере 8Н0 волны в пластине У-Х ниобата лития, контактирующей с бутклацегатом, продемонстрирована возможность снижения температурного коэффициента задержки практически до нуля при сохранении значения коэффициента электромеханической связи К2=30%.

3. При удалении диэлектрической среды от пьезоэлектрической пластины по определенному закону фаза акустического сигнала может оставаться неизменной в широком интервале температур. С увеличением диэлектрической проницаемости среды величина необходимого для термостабилизации фазы относительного увеличения зазора между этой средой и пьезоэлектрической пластиной уменьшается.

4. При создании излучателей/приемников акустических волн в жидкости на основе Ао воли Лэмба в пьезоэлектрических пластинах использование промежуточного слоя из нанокомпозитного полимерного материала с плотностью -1300 кг/м3, продольным и поперечным модулями упругости -20x108 Па и -2x108 Па, соответственно, и продольным и поперечным коэффициентами вязкости -20 Пахе и -1.5 Пах с может улучшить эффективность излучения примерно на 1 дБ/А. по мощности при соотношении толщин слоя и пластины ниобата лития ¿/Ь=~0.15 и при частоте -1.3 МГц.

Практическая ценность результатов заключается в следующем:

1. Впервые предложено для создания эффективного приемника/излучателя акустической волны в газовой среде использовать трехслойное согласующее устройство, содержащее в качестве крайних слоев различные комбинации на-нокомпозитных 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. Например, в качестве согласующего среднего слоя можно использовать металлы, кристаллы, керамику и некоторые виды стекол. Подобная структура позволяет увеличить амплитуду излучаемой волны в газ на 2-3 порядка по сравнению с известными преобразователями.

2. Впервые предложено при создании излучателей/приемников акустических волн в жидкость на основе Ао 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/а. по мощности при соотношении то,тщин слоя и пластины ниобата лития с1/Ь=0.154 и при частоте 1=1.3 МГц. 4 •

3. Предложены и опробованы новые принципы уменьшения температурного коэффициента задержи! в слоистых средах, содержащих пьезоэлектрическую пластину.

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'09 (Cairo, Egypt, 2009), V Int. Conf. On Nanostructured Materials and Nanocomposites (Kottayam, India, 2009), на конкурсе молодых ученых им.И.В.Аиисимкина (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, 11 статей в трудах конференций, 13 тезисов докладов.

Личный вклад автора. Результаты, представленные в диссертации, отражают личный вклад автора в работу: автор принимала непосредственное участие в постановке задачи и разработке математических моделей, самостоятельно разработала 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 30 работ автора. Объем работы составляет 155 страниц 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 чувствительности акустических волн Лэмба (Aq, So) и поперечно-горизонтальных (SH0) воли нулевого порядка в тонких, по сравнению с длиной волны, пьезоэлектрических пластинах к массовой нагрузке. Для анализа выбраны пластины танталата лития, который широко используется при разработке различных акустических устройств и характеризуется достаточно высокой пъезоактивностыо. В качестве материала нагрузки выбраны слои из алюминия, серебра и золота, а также Si02 и KI. Выбор материалов для массовой нагрузки был обусловлен различной их плотностью, а ориентация подложки определялась из условия максимальной пьезоактивности рассматриваемой волны: А0 волна (128°Y-X), S0 волна (X-Y+250) и SH0 волна (Y-X). Приведены

исходные уравнения, описывающие волны в подобных структурах, методы их решения и результаты численного анализа для указанных выше материалов. Анализ показал, что чувствительность акустических волн к массовой нагрузке в общем случае имеет сложную частотную зависимость, а также зависит от толщины пластины, и от материала нагрузки. Поэтому для определения этой чувствительности введен уточненный параметр - нормированная на частоту чувствительность к массовой нагрузке. Данный параметр в большинстве случаев слабо зависит от частоты волны при малых значениях толщины нагрузки и позволяет проводить сравнение указанной чувствительности для разных типов волн.

Было показано, что в большинстве случаев массовая нагрузка, как из металлических, так и из диэлектрических материалов приводит к уменьшению скорости акустических волн нулевого порядка в пьезоэлектрических пластинах, хотя существуют противоположные ситуации. Например, скорость А0 волны в структурах «слой А1 - пластина 1ЛТаОз» и «слой БЮг - пластина ЫТаОз» с ростом толщины слоя увеличивается для всех значений параметра Аналогичное поведение проявляют ПАВ Рэлея в аналогичных структурах. Кроме того, анализ показал, что для каждой подложки должен существовать такой материал нагрузки, который практически 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 акустических воли 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 БН ПАВ в одном и том же материале.

В этой же главе было теоретически исследовано влияние жидкости на чувствительность акустических волн в пластинах к диэлектрической массовой нагрузке. Было показано, что для некоторых материалов массовой нагрузки присутствие жидкости приводит к сухцественному увеличению указанной чувствительности. Например, для структуры «слой 8Ю2 - пластина 1лТа03» чувствительность ЭНо волны при = 500 м/с в присутствии воды возрастает примерно в 40 раз. В то время как в присутствии материалов с меньшим акустическим импедансом и большим значением диэлектрической проницаемости, например, К1, присутствие жидкости приводит к некоторому уменьшению чувствительности ЭНо 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 новых нанокомпозитных полимерных материалов с наночастицами металлов и их соединений на характеристики акустических волн с поперечно-горизонтальной поляризацией в пьезоэлектрических пластинах. Решение граничной задачи проводилось численным методом, поскольку, широко используемая теория возмущений дает некорректные результату в случае волн с большим коэффициентом электромеханической связи.

Вначале была рассмотрена структура «пьезопластина - слой наноком-позитиого материала». В качестве пьезоэлектрической пластины рассматривались пластины УХ ниобата лития и УХ тапталата лития. В качестве наноком-позитных слоев использовались материалы с различной концентрацией нано-частиц железа и сульфида кадмия, внедренных в матрицу полиэтилена высокого давления. В результате проведенных расчетов были получены скорость и затухание 8Н0 волн, распространяющихся в вышеуказанных структурах. Анализ показал, что при определенных значениях толщины пленки возникает резонансное затухание акустической волны (рис.1), которое не зависит ни от толщины пьезоэлектрической пластины, ни от ее материала. В этом случае пленка выступает как акустический резонатор, 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 толщин 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 Ь1КГЬ03 существенно выше, чем для пластин 1лТа03.

Было также исследовано влияние металлизации пластины со стороны свободной от слоя. Как и следовало ожидать, в этом случае скорость 8Н0 волны уменьшается, а ее квадрат коэффициента электромеханической связи в области малого затухания равен 32% и 12% в случае ниобата лития и тантала-та лития, соответственно. Что касается затухания, то в случае металлизации пластины его максимальная величина становится несколько меньше. Полученные в результате расчетов зависимости позволяют выбирать такие соотношения толщин слоя и пластины, при которых акустическая волна практически не затухает в присутствии наиокомпозитного полимерного слоя, несмотря на его вязкость. Кроме того, присутствие наиочастиц в полимерной пленке приводит к сужению области резонансного затухания и к соответствующему увеличению диапазонов толщин и частот, в которых затухание волны практически отсутствует. При этом коэффициент электромеханической связи волны остается достаточно большим. Это открывает перспективы создания невоз-мущагощих подложек го нанокомпозитных материалов для тонких пьезоэлектрических пластин.

о 5000

£ 4500

0

1 4000 и

3500

4?. 1 .4

\\ ! ' V

0.1

0.2 0.3

0.4 0.5

Рис.1. Зависимости затухания и скорости ЭНо волны, распространяющейся в структуре «пластина УХ 1лЬ*ЬОз - напокомпозитная полимерная пленка с наночастицами Сей» от отношения <1/Ь при параметрах ЬГ=500 м/с. Концентрация наночастиц СёБ:1 - 0%, 2 - 5%, 3 -10%, 4 - 30%

В этой же главе рассмотрены характеристики БНо волн в структуре «на-нокомпозитный 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 пластины скорость волны увеличивается. Показано также, что при размещении нанокомпозитного слоя вблизи пьезоэлектрической пластины коэффициент электромеханической связи волны несколько уменьшается, однако его величина достаточно велика. Обнаружено также, что в подобной структуре полностью отсутствует затухание волны, что подтверждает сделанное выше предположение о физической природе резонанса, возникающего при контакте пленки с пьезоэлектрической пластиной.

Третья глава диссертации посвящена исследованию влияния температуры на характеристики БНо волн в структурах, содержащих пьезопластину и жидкость или нанокомпозитный слой. Аналогично первым двум главам были записаны уравнения, описывающие волны в подобных структурах и соответствующие механические и электрические граничные условия. Вначале было исследовано влияние температуры на скорость указанных волн в пластине ниобата лития без контакта с жидкостью. Были построены зависимости скорости, коэффициента электромеханической связи, температурного коэффициента фазовой скорости (ТСУ) и температурного коэффициента задержки (ТСО) БНо волны, распространяющейся вдоль наиболее пьезоакгивного направления УХ ниобата лития, от параметра И!" (Ь - толщина пластины, {— частота волны) для электрически открытой и электрически закороченной поверхности пластины. Анализ полученных зависимостей показал, что скорость в Но волны в пластине ниобата лития с ростом температуры уменьшается, как в случае электрически открытой, так и в случае электрически закороченной поверхности пластины.

Затем было проанализировано распространение БНо волны в структуре «пьезоэлектрическая пластина - невязкая и непроводящая жидкость». В качестве жидкости использовались вода, этиловый спирт, хлорбензол, метилаце-тат, бензол и бутил ацетат. Проведенный анализ показал, что скорость ЭНо волны в основном зависит от диэлектрической проницаемости жидкости и практически не зависит от ее упругих свойств. Это позволило построить зависимости скорости и коэффициента электромеханической связи ЙН0 волны, распространяющейся в электрически открытой и электрически закороченной с противоположной стороны от жидкости пластине УХ ЦЫЬОз (11^500 м/с), от относительной диэлектрической проницаемости жидкости. Оказалось, что с ростом диэлектрической проницаемости жидкости, прилегающей к пластине ниобата лития, скорость БНо волны в пластине уменьшается. 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 показал, что присутствие невязкой жидкости не приводит к заметному радиационному затуханию 8Н0 волны.

Далее было теоретически и экспериментально исследовано влияние температуры на характеристики БНр волны в структуре «пьезоэлектрическая пластина - невязкая и непроводящая жидкость». Как известно, диэлектрическая проницаемость большинства жидкостей уменьшается с ростом температуры. Следовательно, используя структуру, содержащую жидкость с определенной температурной зависимостью диэлектрической проницаемости, можно добиться значительного уменьшения ТСО БНо волны. В результате проведенных расчетов были построены зависимости ТСУ и 'ГСБ ЯНр волны в УХ пластине пиобата лития, которая контактировала с одной стороны со всеми перечисленными выше жидкостями, от параметра ЫГ. Анализ показал, что при электрически открытой поверхности пластины существует такое значение параметра при котором величина ТСО исследуемой волны становится равной нулю (рис.2). При этом в исследуемой структуре величина К2 остается достаточно высокой. Например, для структуры «пластина УХ ЫЫЬОз - бутилаце-тат» величина К2 составляет -30% вместо -36% в случае контакта пластины с вакуумом. Было также обнаружено, что при выбранной жидкости величиной ТСО можно управлять путем изменения параметра Проведенный эксперимент полпостыо подтвердил выводы теории.

Следует отметить, что вышеуказанный способ управления ТСО не совсем удобен с технологической точки зрения. В связи с этим в данной главе был проведен поиск материала, характеризующегося специфической зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры. Исследования показали, что в качестве такого материала могут быть использованы нанокомпо-зитные полимерные пленки с различным содержанием наночастиц железа.

Таким образом, в данной главе проведен также анализ влияния температуры на скорость 8Н0 волны в структуре, содержащей тонкую пьезоэлектрическую пластину ниобата лития и напокомпозитные полимерные слои с различной концентрацией наночастиц железа. В результате проведенных расчетов были получены зависимости температурного коэффициента задержки, скорости и затухания БНо волны в вышеуказанной структуре. Анализ полученных зависимостей показал, что изменение ТСО ЯНд волны в исследуемой структуре зависит от концентрации наночастиц железа и толщины пленки и все это приводит к уменьшению указанного параметра. Однако, для достижения большей степени управления температурным коэффициентом задержки, необходимо использовать материалы с более сильной зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры. Следует также отметить, в случае акустического контакта полимерного материала с пьезоэлектрической пластиной волна обладает затуханием (~1<ШД), которое связано с вязкостью полимерной пленки. В связи с этим было предложено использовать структуру, содержащую зазор между полимерным слоем и пластиной.

Проведенный анализ влияния температуры на БНо волну, распространяющуюся в структуре «нанокомпозитная пленка с 15% наночастиц Бе - вакуумный зазор - УХ пластина 1лЫЬОз», показал, что ТСБ и в данном случае уменьшается незначительно. В связи с этим был проведен поиск величины необходимого изменения диэлектрической проницаемости нанокомпозитного материала для достижения нулевого значения ТСО. Было обнаружено, это нулевое значение ТСО БНо волны в такой структуре может быть достигнуто, ес-

ли при увеличении температуры Т диэлектрическая проницаемость наноком-позита е будет уменьшаться по закону Де/е =-0.023ДТ ([ДТ] = град С). С другой стороны, можно подобрать такую температурную зависимость изменения зазора между нанокомпозитным материалом и пластиной, при которой фаза выходного акустического сигнала при изменении температуры меняться не будет, т.е. температурный коэффициент задержки будет равен нулю. В этом отношении на-нокомпозитный материал является наиболее предпочтительным, поскольку его диэлектрическая проницаемость в отличие от других диэлектриков достаточно мала и изменение зазора может быть достаточно большим.

В результате расчетов были получены зависимости изменения фазы волны от температуры при Ь=167 мкм и Г = 3 МГц (ЬГ=500 м/с) для различных значений диэлектрической проницаемости полубезграничной среды. Анализ полученных результатов 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 диэлектрической проницаемости полубезграничной среды. Это означает, что с увеличением диэлектрической проницаемости среды величина необходимого для термостабилизации фазы относительного увеличения зазора уменьшается. В данной главе предложен вариант термостабилыюй структуры, основанный на предложенном принципе.

Представленная в данной главе методика создания акусгоэлектронных устройств, основанных на тонких пьезоэлектрических пластинах, с нулевым коэффициентом задержки может быть использована для любых пьезоэлектрических материалов и диапазонов частот.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованию возможности применения нанокомпозитных материалов для согласования пьезоэлектрических излучателей/приемников с газом и жидкостью с целью создания первичных элементов расходомеров. Вначале рассмотрены принципы действия известных ультразвуковых расходомеров. Затем записаны соответствующие уравнения, граничные условия и описан метод решения задачи. Был проведен анализ согласующего устройства, состоящего из одного, двух и трех слоев. Показано, что однослойные или двухслойные согласующие устройства не дают существенного выигрыша по согласованию. Существенный выигрыш по-

Рис. 2. Зависимости TCV (a), TCD (б) и К2 (в) SHo волны в структуре "пластина YX LiNbCh - жидкость " от параметра hf. 1-этиловый спирт, 2-бутилацетат, 3-бензол

лучается, когда число слоев равно трем, причем материал среднего согласующего слоя должен обладать значительной величиной модуля упругости, и достаточно высокой плотностью, нежели материалы в остальных двух слоях. Это означает, что целесообразно использовать в качестве согласующего среднего слоя «тяжелый» материал (металлы, кристаллы, некоторые виды стекол и пластиков), а в качестве двух других слоев - различные комбинации наноком-позитных 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 дает существенного улучшения эффективности преобразования.

В этой же главе исследована возможность использования нанокомпозит-ных материалов для согласования пьезоэлектрических излучателей/приемников с жидкостью. Вначале был проведен анализ влияния нано-композитнх полимерных слоев на эффективность излучения антисимметричной волны Лэмба нулевого порядка в жидкость. В качестве пьезоэлектрической пластипы использовался 128УХ ниобат лития, а в качестве слоя использовались ианкомпозитные полимерные материалы с различной концентрацией наночастиц железа и сульфида кадмия. В результате теоретического анализа были получены зависимости относительного изменения скорости ДУ/У для Ао волны в пластине 128УХ ЬЛМЮз от нормированной толщины нанокомпозит-пого полимерного слоя при различных значениях (300 м/с, 650 м/с и 1500 м/с) и для различных концентраций наночастиц (Ре и СсЙ). Анализ полученных результатов показал, что использование в качестве промежуточного слоя нанокомпозитного полимерного материала на основе матрицы полиэтилена высокого давления с наночастицами сульфида кадмия 30% с плотностью 1277 кг/м3, продольным и поперечным модулями упругости 20*108 Па и 1.9* 108 Па, соответственно, и продольным и поперечным коэффициентами вязкости 20 Пахе и 1.5 Пахе может улучшить эффективность излучения примерно на 1 дБ/?» по мощности при соотношении толщин слоя и пластины <1/11=0.154 и при 1=1.3 МГц. Этот вывод следует исходя из следующих расчетных данных. Как уже говорилось выше затухание для Ао волны в структуре «128УХ пластина-жидкость» составляет 1.4 дБ/ л., а для структуры с нанокомпозитным слоем эта величина равна 2.94Гк. При этом для М=«650 м/с и (1/11 =0.154 нанокомпозитный слой с наночастицами СсШ 30%, контактирующий с 128УХ пластиной ниобата лития, за счет своей вязкости приводит к возникновению затухания Ао волны, величина которого составляет 0.46 дБ/?.. Теоретически 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 ЭН ПАВ в одном и том же материале.

2. В большинстве случаев массовая нагрузка, как из металлических, так и из диэлектрических материалов приводит к уменьшению скорости акустических волн нулевого порядка в пьезоэлектрических пластинах, хотя существуют противоположные ситуации. Например, скорость Ао волны в структурах

«слой А1 - пластина ЫТаОз» и «слой вЮг - пластина ЬГГаОз» с ростом толщины слоя увеличивается для всех значений параметра ЬГ Аналогичное поведение проявляют ПАВ Рэлся в аналогичных структурах. Кроме того, анализ показывает, что для каждой подложки должен существовать такой материал нагрузки, который практически не влияет на скорость А<> волны.

3. С уменьшением нормированной толщины пластины и диэлектрической проницаемости материала массовой нагрузки чувствительность акустических волн нулевого порядка к ней увеличивается.

4. Для структуры «слой 8Ю2 - пластина 1лТа03» присутствие воды приводит к значительному увеличению чувствительности 8Н0 волн. Например, для 8Н0 волны при ЬГ = 500 м/с чувствительность возрастает примерно в 40 раз. В случае слоя К1 присутствие жидкости приводит к некоторому уменьшению чувствительности БНо 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 пластины, ни от ее материала.

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

7. Для управления температурным коэффициентом задержки (ТСО) акустических волн в пьезоэлектрических пластинах можно использовать контакт с жидкостью, характеризующейся определенной зависимостью ее диэлектрической проницаемости от температуры. Тип используемой жидкости зависит от типа волны, материала и толщины пьезоэлектрической пластины. На примере БНо волны в пластине У-Х ниобата лития, контактирующей с бутилацетатом, продемонстрирована возможность снижения ТСО на порядок при сохранении значения коэффициента электромеханической связи К2=30%.

8. Нулевое значение температурного коэффициента задержки БНо волны в структуре «нанокомпозитный полимерный слой - вакуумный зазор - пластина ниобата лития» может быть достигнуто, если при увеличении температуры Т диэлектрическая проницаемость нанокомпозита е будет уменьшаться по закону Де/е =-0.023ДТ ([ДТ] = 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

1'

*

материалы в остальных двух слоях. Это означает, что целесообразно использовать в качестве согласующего среднего слоя «тяжелый» материал (металлы, кристаллы, некоторые виды стекол и пластиков), а в качестве двух других слоев - различные комбинации нанокомпозитных 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 основе Ао волн Лэмба в пьезоэлектрических пластинах использование слоя из нанокомпозитного полимерного материала на основе матрицы полиэтилена высокого давления с наночастицами сульфида кадмия 30% с плотностью 1277 кг/м3, продольным и поперечным модулями упругости 20><108 Па и 1.9><108 Па, соответственно, и продольным и поперечным коэффициентами вязкости 20 Пахе и 1.5 Пахе, может улучшить эффективность излучения примерно на 1 дБ/л. по мощности при соотношении толщин слоя и пластины ниобата лития d/h=0.154 и при частоте f=1.3 МГц.

Список опубликованных пабот 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., FerrocJ. and Freq. Contr.-2008.-V.55.-N9.-1984-1991.

2. Джоши С.Г., Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е., Кузнецова А.С. Гравиметрическая чувствительность акустических волн в пьезоэлектрических пластинах // Радиотехника и электроника, 2005, т.50, N6, с.707-711

3. Кузнецова И.Е., Зайцев Б.Д., Джоши С.Г., Кузнецова А.С. Гравиметрическая чувствительность акустических волн в тонких пьезоэлектрических пластинах в присутствии жидкости // Письма в ЖТФ, 2006, т.32, вып.16, с.84-89

4. Zaitsev B.D., Kuznetsova I.E., Joshi S.G., Kuznetsova A.S. New method of change in temperature coefficient delay of acoustic waves in thin piezoelectric plates И Trans, on Ultrason., Ferroel. and Freq. Contr., 2006, v.53, no.l 1, pp.2113-2120

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.587-590

6. Кузнецова A.C., Щихабудинов A.M. Влияние температуры на характеристики акустических волн в структуре «пьезоэлектрическая пластина - нанокомпозитная полимерная пленка»// Нелинейный мир, 2009, т.7, №6, с.483-484

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. паучн. тр. «Информационные технологии в науке, производстве и социальной 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 пьезоэлектрических пластинах // Материалы I конф. молодых ученых «Наноэлек-троника, нанофотоника и нелинейная физика», 28-30 сент.2006 г., Саратов. Изд-во ЗАО ПЦ «ИППОЛиТ-99», 2006. с. 19-20

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 Electronics and its Appl. in Information and Telecommun. Systems", 4-8 Sept., 2005, St.-Peterburg, Russia, S2-17

11. Кузнецова A.C. Характеристики акустических волн в структуре «пьезоэлектрическая пластина - металлический/диэлектрический слой» // Сборник материалов школы-конференции «Нелинейные дни в Саратове для молодых - 2005». Изд-во ГосУНЦ «Колледж», 2005. с.28-31

12. Kuznetsova I.E., Joshi S.G., Zaitsev B.D., Kuznetsova A.S. Gravimetric Sensitivity of Fundamental Acoustic Waves in Piezoelectric Plates for Metal and Dielectric Massloading Layers // WCU/UT05, 28 Aug. - 1 Sept.,2005, Beijing, China. Program and Abstracts, p.15

13. Кузнецова И.Е., Зайцев Б.Д., Ушаков H.M., Кузнецова A.C. Акустические волны в структуре «пьезоэлектрическая пластина - полимерная нанокомпозитная пленка с наночастицами CdS" // Труды XIX сессии РАО, 24-28 сентября 2007 г., г.Нижний Новгород, т.2, с.69-72

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.6053-6058

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. 166

16. Kuznetsova A.S., Zaitsev B.D., Kuznetsova I.E. Acoustic Waveguides Based on Thin Piezoelectric 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.52

17. Кузнецова A.C., Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е. Акустические волны в структуре «пьезоэлектрическая пластина - металлсодержащая нанокомпозитная полимерная пленка» // Материалы II конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофо-тоника 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.12

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.49

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, Santiagb, Chile. Program and Abstracts, p.21

21. Kuznetsoya I.E., Zaitsev B.D., Joshi S.G., Kuznetsova A.S. New method of change in temperature coefficient delay of acoustic waves in thin piezoelectric plates // Proceedings of IEEE Ultrasonics Symp., 2005, pp.1272-1275

22. Кузнецова И.Е., Зайцев БД, Кузнецова А.С. Влияние температуры на характеристики акустических волн в структуре «пьезоэлектрическая пластина - нанокомпозитная полимерная пленка» // Труды XX сессии РАО, 27-31 октября 2008г., г. Москва, т.2, с.61-64

23. Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Kuznetsova A.S., Shikhabudinov A.M. Development of temperature stable acoustic line based on piezoelectric plate and nanocomposite polymeric film // Proceedings of IEEE Ultrasonics Symp., 2008, ^ov. 2-5, 2008, Beiging, China, pp.920-923 ,

24. Кузнецова А.С., Зайцев БД, Кузнецова И.Е. Влияние температуры на характеристики акустических волн в структуре «нанокомпозитпая пленка - пьезоэлектрическая пластина»// 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 температурного коэффициента задержки акустических волн в структуре, содержащей пьезоэлектрическую пластину// Труды XXII сессии РАО, 15-17 июня 2010г., г. Москва, т.1, с.1-8

26. Кузнецова А.С., Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е., Бородина И.А. Новый способ изменения температурного коэффициента задержки акустических волн в структуре, содержащей пьезоэлектрическую пластину// Материалы V конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелиней-ная физика», 6-8 сентября 2010, г. Саратов, с. 145-147

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.2219-2222

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 A.C., Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е. Оптимизация излучателя/приемника акустических волн ультразвуковых расходомеров газа// Материалы IV конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелиней-ная физика», 7-9 сентября 2009, г. Саратов, с.54-56

30. Кузнецова И.Е., Зайцев Б.Д., Бородина И.А., Кузнецова А.С. Антисимметричные волны Лэмба нулевого порядка в структуре «пьезоэлектрическая пластина - на-нокомпозитный слой - жидкость»// Труды XXIV сессии РАО, 12-15 сентября 2011 г., г. Саратов, т.1, с.70-73

Кузнецова Анастасия Сергеевна

АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В СТРУКТУРАХ, СОДЕРЖАЩИХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ И НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ СЛОИ

Автореферат

Подписано в печать 02.02.2012. Формат 60x84 1/16. • •

_Печ.л.1,0. Тираж 100. Заказ 103._

Типография Издательства Саратовского университета. 410012, Саратов, Астраханская, 83

61 12-1/752

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники

им. В.А.Котельникова РАН Саратовский филиал1

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВА Анастасия Сергеевна

АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В СТРУКТУРАХ, СОДЕРЖАЩИХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ И НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ СЛОИ

Специальность 01.04.03- Радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико - математических наук, профессор Зайцев Б.Д.

САРАТОВ 2012

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

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение.................................................................. 6

Глава 1. Чувствительность акустических волн в тонких пьезоэлектрических пластинах к металлическим и диэлектрическим слоям............................................... 28

1.1. Акустические волны в структуре «вакуум -

пьезоэлектрическая пластина - металл - вакуум»................................29

1.1.1. Основные уравнения и граничные условия..............................................29

1.1.2. Метод решения задачи................................................................................................31

1.1.3. Результаты теоретического анализа..................................................................36

1.2. Акустические волны в структуре «вакуум -пьезоэлектрическая пластина - диэлектрик - вакуум»..................43

1.3. Чувствительность акустических волн в тонких пьезоэлектрических пластинах к диэлектрическим слоям в присутствии жидкости................................................................................................47

1.3.1. Исходные уравнения, граничные условия и метод решения.............;..................................................... 47

1.3.2. Акустические волны в структуре «вакуум -пьезоэлектрическая пластина - диэлектрик - жидкость»...... 48

1.4. Выводы.................................................................. 51

Глава 2. Влияние нанокомпозитных полимерных материалов на

свойства акустических волн в пьезоэлектрических

пластинах................................................................ 53

2.1. Акустические волны в структуре «вакуум -

нанокомпозитный слой - пьезоэлектрическая пластина -

вакуум»..............................................................................54

2.1.1. Основные уравнения и метод решения задачи.................... 54

2.1.2. Результаты теоретического анализа характеристик 8Н0 акустических волн в структуре «вакуум - нанокомпозитный

полимерный слой - пьезоэлектрическая пластина - вакуум».. 57

2.2. Структура «вакуум - нанокомпозитный слой - вакуум -пьезоэлектрическая пластина - вакуум»........................... 73

2.2.1. Основные уравнения и граничные условия....................... 73

2.2.2. Результаты теоретического анализа .............................. 81

2.3. Выводы.................................................................... 81

Глава 3. Новые методы управления температурным коэффициентом

задержки акустических волн в тонких пьезоэлектрических пластинах.................................................................. 84

3.1. Управление температурным коэффициентом задержки в структуре «пьезоэлектрическая пластина - невязкая непроводящая жидкость»..................85

3.1.1. Влияние температуры на скорость 8Н0 волн в тонких пьезоэлектрических пластинах....................................... 85

3.1.2. Влияние диэлектрической проницаемости жидкости на скорость 8Но волн в тонких пьезоэлектрических пластинах... 90

3.1.3 Влияние температуры на характеристики 8Н0 волны в структуре «пьезоэлектрическая пластина - невязкая и непроводящая жидкость».............................................. 95

3.1.3.1. Теоретический анализ................................................... 95

3.1.3.2. Экспериментальные результаты..................................... 97

3.2. Управление температурным коэффициентом задержки в структуре «пьезоэлектрическая пластина — нанокомпозитный материал»......................................... 100

3.2.1. Теоретическое исследование влияния температуры на характеристики акустических волн в структуре «нанокомпозитная полимерная пленка - пьезоэлектрическая пластина»..................................................................................101

3.3. Управление температурным коэффициентом задержки в

структуре «пьезоэлектрическая пластина - вакуумный зазор - нанокомпозитный материал»........................................ 105

3.3.1. Управление TCD путем изменения диэлектрической проницаемости нанокомпозитного слоя при воздействии температуры.............................................................. 105

3.3.2. Управление TCD путем изменения величины вакуумного зазора при изменении температуры................................. 107

3.4. Выводы.................................................................. 111

Глава 4. Использование нанокомпозитных материалов для акустического согласования пьезоэлектрических излучателей/приемников с газом и жидкостью................... 113

4.1. Теоретический анализ устройств для согласования пьезокерамических преобразователей с газовой средой....... 113

4.1.1. Принцип действия ультразвуковых расходомеров............. 115

4.1.2. Основные уравнения и граничные условия....................... 122

4.1.3. Результаты теоретического анализа................................ 125

4.2. Использование нанокомпозитных материалов для согласования пьезоэлектрических излучателей/приемников

с жидкостью.............................................................. 128

4.2.1. Теоретическое исследование характеристик антисимметричных волн Лэмба нулевого порядка в пьезоэлектрических пластинах, граничащих с нанокомпозитным полимерным слоем............................ 129

4.2.2. Теоретическое исследование характеристик антисимметричных волн Лэмба нулевого порядка в структуре «пьезоэлектрическая пластина -нанокомпозитный полимерный слой - жидкость................ 132

4.2.2.1 Основные уравнения и граничные условия...................... 132

4.2.2.2 Результаты теоретического анализа............................... 133

4.2.2.3 Результаты экспериментального исследования....................................136

4.3. Выводы....................................................................................................139

Заключение..........................................................................................................................140

Список использованных источников..........................................................144

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, одним из традиционных направлений исследований в акустике твердых сред является изучение характеристик акустических волн в многослойных структурах [1-13]. В различное время исследовались такие волны как поверхностные акустические волны Лява, волны Стоунли, волны Сезава, щелевые волны, приповерхностные объемные волны и т.д. [5,8-10,12-14]. Рассматривались структуры, содержащие пьезоэлектрики, диэлектрики, жидкости, проводящие или вязкоупругие материалы и т.д. [1-13]. В настоящее время интерес к исследованию многослойных акустических структур с использованием как известных, так и новых материалов только усиливается [1, 15, 16]. 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 сравнению с длиной волны) пьезоэлектрических пластинах достаточно полно исследованы [17-25]. Было обнаружено, что свойства поперечно-горизонтальных волн нулевого порядка (йНо) существенно отличаются от свойств поверхностных акустических волн (ПАВ) в том же самом материале. Было показано, что указанные волны обладают значительно большим коэффициентом электромеханической связи (К), чем ПАВ в том же самом материале [17-19]. Например, для 8Н0 волны в пластине УХ 1лМЮ3 К2=34% при = 500 м/с (И -толщина пластины, f - частота волны) [17]. Кроме того, было обнаружено, что их температурный коэффициент задержки (ТСБ) несколько меньше, чем для ПАВ [22]. Была показана возможность управления углом между фазовой и групповой скоростью БНо волн при помощи электрического закорачивания поверхности пластины [23-25]. Следует отметить также, что поперечно-горизонтальные волны могут распространяться в контакте с жидкостью без значительных радиационных потерь, в отличие от ПАВ Рэлея.

Интересным также представлялось исследовать влияние различных металлических и диэлектрических слоев на характеристики этих волн. Как известно [26-31], нанесение пленки конечной толщины на поверхность звукопровода, вызывает изменение скорости акустической волны, распространяющейся вдоль его поверхности. Это так называемый гравиметрический эффект, на основе которого возможно создание различных биологических и химических датчиков, использующих изменение массы активной пленки в присутствии анализируемого вещества. Одним из важнейших параметров, позволяющих оценивать эффективность подобных устройств, является чувствительность акустической волны к массовой нагрузке на поверхности звукопровода [29]. Однако до настоящего времени анализ влияния массовой нагрузки на характеристики волн проводился, как правило, в рамках теории возмущения, основы которой заложены в [32]. Данная теория предполагает, что слой является тонким, по сравнению с длиной волны и незначительно влияет на ее характеристики.

К настоящему времени известно большое количество работ, например [26-31, 33-35], предлагающих использовать различные типы акустических волн, такие как ПАВ Рэлея, поперечно-горизонтальные (8Н) ПАВ, псевдоповерхностные волны, изгибные волны в пластинах и т.д. для создания вышеуказанных датчиков. В данных работах теоретически и экспериментально исследуется гравиметрическая чувствительность этих волн и обнаружено хорошее соответствие теории и эксперимента. Однако, сравнительный анализ известных результатов, необходимый для выбора оптимального типа волны в конкретной ситуации, чрезвычайно затруднен тем, что авторы используют различные конечные выражения для чувствительности к массовой нагрузке и различные упрощающие предположения. Это приводит к некоторой противоречивости основных выводов.

Тем не менее, следует отметить, что анализ известных работ указывает на перспективность использования акустических волн в пьезоэлектрических пластинах для создания гравиметрических датчиков. В связи с этим представляет

интерес проведение теоретического анализа влияния слоев из различных материалов на характеристики волн нулевого порядка в пьезоэлектрических пластинах и сравнение чувствительности этих волн с широко используемыми рэлеевскими и БН поверхностными акустическими волнами.

В связи с этим в первой главе диссертации теоретически проанализировано влияние металлических (Ag, А1, Аи) и диэлектрических слоев (8Ю2, К1) на акустические волны нулевого порядка, распространяющиеся в пьезоэлектрической пластине танталата лития. Проведено сравнение с аналогичными характеристиками для ПАВ Рэлея и 8Н ПАВ.

Как уже говорилось выше вопрос создания более чувствительных и селективных химических и биологических датчиков является весьма актуальным. Такие датчики обычно состоят из звукопровода, на котором находятся встречно-штыревые преобразователи для возбуждения волны и активный элемент между ними. Известны датчики, основанные на поверхностных акустических волнах и волнах в пластинах [29]. Активно также разрабатываются датчики, основанные на многослойных структурах [33-36]. Однако, по-прежнему, стоит проблема увеличения чувствительности этих датчиков. Проблема повышения чувствительности датчиков может решаться путем увеличения коэффициента электромеханической связи используемых акустических волн, то есть, например, использованием поперечно-горизонтальных акустических волн нулевого порядка [18-21].

Тем не менее, следует отметить, что устройства, основанные на вышеуказанных волнах, работают на низкой частоте, примерно до 5 МГц. Для увеличения рабочей частоты необходимо уменьшать толщину пластины, что приводит к уменьшению ее механической прочности.

В связи с этим необходимо проводить поиск материалов, которые будут обладать низким значением акустического импеданса, что позволит использовать его в качестве подложки для очень тонких пьезоэлектрических пластин.

В последнее время большое внимание исследователей привлекают

нанокомпозитные материалы на основе наночастиц металлов и их соединений, внедренных в объем полимерной диэлектрической стабилизирующей среды [3740]. Показано, что электрические и оптические свойства этих материалов сильно зависят от размера и концентрации наночастиц, а также от типа полимерной матрицы. В связи с тем, что вышеуказанные материалы основаны на матрице полиэтилена высокого давления, можно ожидать, что они будут характеризоваться низким акустическим импедансом [41].

В последнее время появились работы, в которых приводятся значения модулей упругости и вязкости, а также плотность этих материалов [42-44]. Однако, свойства акустических волн в структурах, содержащих нанокомпозитные полимерные пленки, в настоящее время практически не изучены.

В связи с вышесказанным, во второй главе диссертации приведены результаты теоретического исследования характеристик акустических волн, распространяющихся в структурах, содержащих пьезоэлектрические пластины и нанокомпозитные полимерные материалы с различной концентрацией наночастиц сульфида кадмия и железа.

Как известно, при разработке акустоэлектронных устройств большое значение имеют коэффициент электромеханической связи и температурный коэффициент задержки (ТСБ) акустической волны. В связи с этим одним из актуальных направлений исследований; в акустике является поиск таких типов волн и кристаллографических ориентаций, для которых К2 является максимальным, а ТСЮ - минимальным. Такое сочетание параметров необходимо для создания высокоэффективных термостабильных акустоэлектронных устройств. Как уже говорилось выше, в настоящее время известны работы, в которых показано, что фундаментальные поперечно-горизонтальные акустические волны в тонких пьезоэлектрических пластинах обладают существенно большим коэффициентом электромеханической связи, чем ПАВ [1720] в том же самом материале. Например, показано, что 8Н0 волна имеет К =34% для hf = 500 м/с в пластине УХ 1л№>03. Однако, величина ТСЮ в этом случае

равна 66 ррш/С [22], что несколько меньше по сравнению с ПАВ (88 ррт/С), но недостаточно для разработки термостабильных устройств. Вопрос уменьшения ТСБ в данной ситуации представляет несомненный практический интерес.

Известны работы, в которых предлагается для уменьшения ТСБ использовать соответствующие материалы (лангасит, ланганит и т.д.) [45, 46], предлагается также использовать слои БЮг с отрицательным ТСБ, которые будут компенсировать положительный ТСО ниобата лития [47, 48] и т.д. В работе [22], было показано, что фазовая скорость 8Н0 волн в пьезоэлектрических пластинах уменьшается с увеличением температуры. В то же время анализ структуры «пьезоэлектрическая пластина - невязкая непроводящая жидкость», показал, что скорость 8Н0 волны в такой структуре увеличивается с уменьшением диэлектрической проницаемости жидкости. Как известно [49], диэлектрическая проницаемость большинства жидкостей с ростом температуры уменьшается. Следовательно, можно подобрать такую невязкую и непроводящую жидкость, при которой увеличение температуры приведет к увеличению скорости волны. Это в свою очередь позволит существенно уменьшить ТСБ 8Н0 волны, распространяющейся в такой структуре.

Исследования, проводимые в СФ ИРЭ РАН, показали, что диэлектрическая проницаемость новых нанокомпозитных материалов на основе матрицы полиэтилена высокого давления с наночастицами железа также уменьшается с ростом температуры [50]. Следовательно, в качестве термостабилизирующего материала можно также использовать и вышеуказанные пленки.

Таким образом, в третьей главе представлены результаты анализа влияния температуры на скорость 8Но волн в структурах, содержащих пьезоэлектрическую пластину, жидкость или нанокомпозитный полимерный материал. На основании полученных результатов предложены новые методы управления температурным коэффициентом задержки 8Но волн.

Как уже отмечалось выше, исследование характеристик акустических волн в многослойных структурах весьма актуально в связи с необходимостью

увеличения эффективности работы различных преобразователей для возбуждения и приема акустической волны в жидкостях и газах. Например, подобные акустические устройства используются в расходомерах газа и жидкости. В этой области также стоит проблема улучшения эффективности их работы, а следовательно, и повышения точности определения расхода газа или жидкости.

Для того чтобы иметь высокую точность измерения и использовать ультразвук низкой интенсивности в обоих случаях необходимо иметь хорошее акустическое согласование стандартного пьезокерамического преобразователя с газом или жидкостью. Плохое согласование приводит к необходимости использовать ультразвук высокой интенсивности и повышать чувствительность регистрирующей аппаратуры, а также вызывает длительный «звон» излучающего преобразователя, что снижает точност