基于FEM-BEM方法的無線無源阻抗負載SAW傳感器模擬與設計.pdf

1、無線無源聲表面波傳感器以其精度高（數(shù)字量輸出）、適應范圍廣、適于批量制作等優(yōu)點受到研究者關注，而阻抗負載聲表面波傳感器更是拓展了聲表面波傳感器的應用范圍。精確的建模與設計是制作高性能聲表面波傳感器的基礎。本文首次應用有限元-邊界元結合的數(shù)值分析方法來對無線無源阻抗負載聲表面波傳感器建模，旨在為聲表面波傳感器的研制與開發(fā)提供高精度的仿真工具。
　　 本文從有限元-邊界元法（FEM/BEM方法）的基礎部分——廣義格林函數(shù)理論出發(fā)，通

2、過比較廣義格林函數(shù)不同計算方法引入的舍入誤差大小，確定了最精確的計算方法。在此基礎上編寫了廣義格林函數(shù)計算程序，計算傳感器不同襯底材料的性質，為傳感器設計提供基礎參數(shù)。
　　 利用周期有限元-邊界元法來分析不同傳感器的結構引起器件響應的變化，并為傳感器的常用唯象模型提供仿真參數(shù)。將聲表面波傳感器叉指換能器每根金屬指條都看作從壓電晶體表面的無限周期柵格中提取出來的一個周期。再利用周期格林函數(shù)來描述襯底的聲電耦合特性，利用有限元法計

3、入電極的質量加載，就可以聯(lián)立方程求解，從而得到諧波導納。本文應用這一方法編制出了計算諧波導納的程序，并全面分析了諧波導納在不同頻率處的變化情況以及所體現(xiàn)的材料內部存在的波動模式。
　　 通過二維搜索的方法準確求取了諧波導納復平面上的零極點，編制出了計算色散曲線的程序，由此分析了不同傳感器結構的色散曲線，以及質量加載對色散曲線的影響。結果表明：調節(jié)電極高度可以調控禁帶寬度，據此不同要求的器件都可以找到最佳電極高度；色散曲線與電極高

4、度和寬度的比值有關，而不與它們單獨相關，這為器件設計時將低頻器件向高頻遷移提供了理論基礎。利用計算的柵格陣色散曲線準確求取了聲表面波傳感器模擬所需的耦合模參數(shù)。
　　 用耦合模方法和非周期有限元-邊界元法分別對阻抗負載傳感器進行模擬，得出器件的導納特性，并針對非周期有限元-邊界元法精度高但耗時的特點，對其中運算量最大的體波部分，在保證精度的前提下提出了快速算法，提高了運算速度。在得到器件導納特性的基礎上，構建了包含外部匹配電路、

5、聲表面波芯片、外接傳感器的阻抗負載傳感器整體模型。由此可以推出傳感器對于外部傳感條件變化的響應，與實際測量結果進行對照，一致性很好。在上面得到的傳感器精確仿真模型的基礎上，提出了設計阻抗負載傳感器的流程。對阻抗負載傳感器常用的延遲線結構，制作了采用不同形狀的接收/發(fā)送換能器和反射器，對器件的性能分別用自己編制的程序進行計算和網絡分析儀進行測量。比較結果后發(fā)現(xiàn)一致性很好，證實了模擬工具的有效性。將制作的器件外接可變電容，進行了實驗和模擬研