ZnO薄膜超聲換能器的研制及其聲光器件研究.pdf

1、近年來，集成化、微型化是聲光器件的發(fā)展必然趨勢，而用于聲光器件中的壓電薄膜體聲波換能器，正成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。采用壓電薄膜制備的體聲波換能器與傳統(tǒng)聲光器件中的超聲換能器相比，具有超聲波頻率高、插入損耗小、超聲波頻率帶寬大、Q值高和易于聲光晶體集成等優(yōu)點(diǎn)，在傳感探測、光電通信、超聲醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)等領(lǐng)域，應(yīng)用前景十分廣闊。ZnO是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的多功能半導(dǎo)體材料，由于具有良好的壓電性能，在聲體波諧振器、聲表面波器件和壓電傳感器等產(chǎn)品中得到極為廣

2、泛應(yīng)用，所以它是制備壓電薄膜的首選材料。
　　ZnO薄膜超聲換能器是光纖聲光器件的核心元件，同時由于 ZnO薄膜超聲換能器技術(shù)復(fù)雜性以及對光纖聲光器件性能良好的需求，本文工作主要集中在ZnO薄膜超聲換能器的全面理論分析和數(shù)值建模，優(yōu)化振動模式和抑制橫模泛頻，確定現(xiàn)有磁控濺射儀器的的最佳工藝參數(shù)，通過對襯底Si上的ZnO薄膜超聲換能器進(jìn)行XRD和SEM微觀測試，結(jié)果顯示ZnO薄膜c軸取向一致，橫模泛頻得到很好的抑制，最后進(jìn)行基于Zn

3、O薄膜超聲換能器的光纖聲光器件的聲光效應(yīng)性能測試，測試結(jié)果顯示光纖聲光器件的衍射效率符合理論分析。本論文的主要研究內(nèi)容包括：
　　在體聲波理論的基礎(chǔ)上，引入力學(xué)中夾層板模型，增加ZnO中間層的壓電剪切應(yīng)力的影響，避免了傳統(tǒng)模型Mason模型中忽略電極厚度、電極阻抗等物理參數(shù)的缺點(diǎn)，將電磁波多次反射共振理論用來分析超聲波在 ZnO薄膜超聲換能器傳輸，獲得厚度（縱波）模式的頻率色散方程，獲得更為普適的換能器模型，模型方程的簡化結(jié)果和M

4、BVD模型一致，驗(yàn)證了模型的正確性。
　　在普適性模型的基礎(chǔ)上，采用多物理場耦合軟件Comsol對ZnO薄膜超聲換能器進(jìn)行模擬仿真分析，獲得壓電晶體材料，電極材料、厚度和面積物理參數(shù)，對薄膜換能器工作頻率和帶寬的影響，為如何獲得滿足聲光效應(yīng)的ZnO超聲換能器的物理參數(shù)選型，提供明確的指導(dǎo)方向。
　　為了獲得優(yōu)質(zhì)的ZnO薄膜，研究了磁控濺射設(shè)備的工藝控制參數(shù)對ZnO薄膜成膜質(zhì)量的影響，通過一系列ZnO薄膜樣品的XRD表征分析獲

5、得了制備高質(zhì)量的ZnO薄膜的工藝參數(shù)。在襯底溫度為400℃，Ar與O2比例40：20，氣氛壓強(qiáng)：4.0 Pa，濺射功率：200W中制備出了性能優(yōu)良的Si襯底高質(zhì)量（002）晶向的ZnO薄膜，AFM表面形貌分析晶粒直徑在3.42nm。
　　在Tiersten方程基礎(chǔ)上，研究了圓形和環(huán)形電極橫模泛頻產(chǎn)生的機(jī)理，引入電磁場模式理論解釋了環(huán)形電極橫模泛頻比圓形電減少的原因，獲得和軟圓柱體聲波散射共振理論相同的結(jié)論，并通過內(nèi)外徑比控制環(huán)形電

6、極的ZnO薄膜超聲換能器的基頻，然后通過外差激光干涉儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀分析比較了兩種換能器的橫模泛頻寄生的振動圖樣和電阻抗曲線，驗(yàn)證激勵方程分析結(jié)果，為橫模泛頻抑制提供了理論基礎(chǔ)。
　　采用Matlab數(shù)值分析軟件，從聲光耦合方程入手，模擬仿真了光纖聲光器件的衍射效率，將制備的ZnO薄膜超聲換能器用于光纖聲光器件測試，然后進(jìn)行聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測試，分析了衍射率隨入射光波長和超聲波頻率的變化，得到和理論仿真一致的結(jié)果。
　　總之，本論