高温偏载条件下的声表面波压力传感器理论研究

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论文从压电晶体的本构方程和波动方程入手,使用相对于参考状态的Lagrangian坐标描述,建立了通用的偏载电弹波动方程,在详细研究有效材料常数的物理意义和确定方法的基础上,给出了偏载电弹波动方程的求解过程.针对Tiersten等人所建立的扰动理论不能适用于强压电体和具有初始静态偏载压电介质的局限性,论文从电弹波动方程的本征解出发,推导出了包含电扰动项并能适用于预偏载压电介质的电弹扰动方程,研究了扰动方程的求解方法,并对常用的表面自由牵引力学边界条件和法向电位移矢量为零的电学边界条件,推导出了扰动方程求解的解析表达式.最后从SAW压力传感器角度出发,以周边固支的圆形基片背面受法向均匀压力作用的力学敏感结构为对象,建立SAW压力敏感的理论模型,定义了SAW压力灵敏度的物理概念,形成了完整的SAW压力敏感特性分析理论.在上述理论工作的基础上,论文提出了研究SAW压力传感器需要综合考虑的性能指标,详细给出了这些指标的定义、物理意义及计算方法;针对SAW高温压力传感器的实际应用,提出了敏感基片优化选择的基本准则;利用Visual C++开发了高效的用于求解SAW一般问题及偏载扰动问题的完整软件包,解决了SAW的快速求解问题,为SAW压力传感器及其它SAW器件设计提供了必要的计算工具;对新型硅酸镓镧压电晶体在三维空间的性能指标进行了全面计算,优化出了适合SAW电子器件及SAW高温压力传感器使用的优化切向,同时,对LGS晶体性能指标随温度偏载的变化关系也进行了理论计算与分析.论文提出了采用全LGS一体化封装来减小封装热应力,提高传感器稳定性的思路,给出全LGS一体化封装的SAW高温压力传感器的初步总体方案,并对基片结构尺寸设计、SAW谐振器设计、两个SAW谐振器位置确定等理论和方法进行了详细讨论,同时也对器件制作、直接键合封装、引线及传感器信号检测与处理等关键技术进行了探索性的研究.论文设计制作了SAW高温压力传感器敏感单元和专用实验装置,首次对LGS的压力敏感特性进行了测试,取得理论与实验相符合的研究结论.论文最后提出了有待进一步研究解决的问题.
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