基于多层压电薄膜的高次谐波体声波传感机理及性能优化研究

薄膜体声波传感器是未来集成微型传感器阵列的关键元器件，提高其在液体环境中传感灵敏度和信号稳定性是相关研究的重点。本项目提出一种基于多层压电薄膜的高次谐波体声波传感结构。通过建立多层压电薄膜在高次谐波体声波传感结构中激发厚度剪切体声波的理论模型，研究传感器的结构参量和材料声学参量对高次谐振模式分布及谐振特性的影响；同时，考察粘弹性传感敏感膜和固─液界面层的影响，建立表征聚合物粘弹特性和流体粘性的新方法；此外，考察温度变化对传感参量的影响，研究利用多层压电薄膜、基片和电极的配置对传感器温度特性优化的方法。实验上，制备基于多层压电薄膜的高次谐波体声波传感器。通过测量相关物理参量，与数值计算结果比较，对理论模型进行修正。本项目揭示多层压电薄膜在高次谐波体声波结构中激发高次谐振的传感机理，对研究相关材料的粘弹特性及固-液界面层性质具有重要意义，相关理论模型为此类传感器的设计、优化提供指导。

基于薄膜体声波谐振器技术的声波传感器具有更高的谐振频率（GHz）和传感灵敏度。同时，它具有更小的尺寸利于实现传感器的阵列化应用。.本项目针对多层薄膜的体声波传感器进行研究，取得了一系列的成果，具体如下：.（1）针对液体环境中，纵波模式谐振Q值偏低的问题，我们利用双层反向极化的压电薄膜激发一增强二次谐振模式，利用此特殊的谐振模式成功实现了对液体环境中声波传感器谐振Q值的提升,并提高了对流体粘度和密度的传感灵敏度。 .（2）在液相物质检测中，薄膜体声波传感器的传感特性取决于传感敏感膜与流体层之间的耦合振动状态。在高频检测中，纳米尺度的固-液耦合振动及纳米表面的面内摩擦特性在传感中的作用将更为突出。为解决这一问题，我们提出stick-slip滑移模型理论，此模型对纳米尺度的面内摩擦和相关力学特性能进行精确的分析，这为纳米尺度的固-液耦合振动和相关声波传感研究提供有效的研究方法。.（3）通过引入微流体通道，我们设计了一种全反射和全投射结合的微流声波传感器。此设计的创新主要为：微流通道作为多层布拉格反射中的一层，这些布拉格反射层布置在压电薄膜的一侧，同时在压电层的另一侧布置一声全投射结构（通过1/4波长声透射匹配实现），将声波传导至一厚硅基片。通过这个结构，微流通道中流体的变化将影响反射声波能量，进而改变传导至硅基片的声波振动状态并实现对微流体的检测。事实上，这种设计可以看作是薄膜体声波谐振器（FBAR）和高次体声波谐振器（HBAR）的耦合作用。.（4）针对（3）中提到的多层薄膜声传感结构，我们提出利用温度补偿的方法对其温度引起的频率飘移进行优化。在优化结构中，二氧化硅薄膜作为温度补偿层，通过改变其厚度实现在室温条件下接近零频率偏移的结果。.（5）我们利用非完美声匹配层，对多层声透射结构进行研究。通过在前导层的声波干涉相消，实现声波的透射。利用这种方法可以避免在传感设计中寻求合适声匹配材料的困难，同时可以将微流通道设计为多层透射层中的一层，实现声波的单向透射。这种结构不必将FBAR和HBAR耦合在一起，单纯的HBAR结构就可实现高效的微流体传感。.以上相关研究通过优化器件的结构，实现液体环境下的薄膜体声波传感器的性能提升，完成了项目既定的研究内容和目标。