附加质量层及偏场作用下谐振器性能的力学分析

Based on the systematic analysis of technical bottlenecks and difficult obstacles for the piezoelectric film/quartz crystal resonators with high performance, the current proposed project will provide mechanics analysis on the effects of added mass layer and biasing fields on resonators. From the point view of piezoelectric elastic mechanics theory, combined with the practical applications of resonator, deeper research will be focused on the influences of shapes, dimensions and locations of added mass layer (added electrodes) on the fundamental frequency of piezoelectric film/quartz crystal resonators. By theoretical analysis and experimental test, to explore the effect of nonideal interface between the added mass layer and the piezoelectric film/quartz crystal plate on the resonators; to analyze the nonlinear vibration of resonator under biasing temperature field and the resonator in contact with non Newtonian fluid; to show the dynamic responses and characteristics of resonators under transient electric shock loading. Corresponding theoretical analysis methods and effective numerical solution techniques will be provided. The research not only possesses high academic significance for the deep exploration of physical mechanism for mechanical-electrical-thermal multi-field coupled problems, but also has important application value for the design and fabrication of piezoelectric film/quartz crystal resonator with high performance.

在对压电薄膜/石英谐振器设计所面临的技术性瓶颈和亟待解决的难点问题进行系统梳理的基础上，本项目研究拟从压电弹性力学理论出发，结合谐振器类声波的应用实际，对薄膜/石英谐振器中的附加质量层(附加电极)的形状、尺寸和位置对其固有频率的影响问题进行更深入的研究。采用理论分析结合实验研究，探讨附加质量层与压电薄膜/石英板之间的非理想连接对谐振器的影响, 分析谐振器在偏场（偏温度场）作用下及与非牛顿流体接触作用下的非线性振动，分析谐振器在瞬态电冲击载荷作用下的动力学响应行为和特征。针对上述研究内容，给出相应的理论分析方法和有效的数值求解策略。项目研究不仅对于力-电-热多场耦合问题的物理机理的深入探索具有良好的学术意义，同时对于具有高品质因数、良好频率稳定性的高性能薄膜谐振器的设计和研制也具有重要的工程应用价值.

以具有高品质因数、良好频率稳定性的高性能薄膜谐振器的力学设计和研制为目标，从压电弹性力学基础理论出发，结合谐振器类声波器件的应用实际，针对附加质量层与石英谐振器之间非理想连接以及非均匀附加质量层的形状、长度、厚度和位置等对其固有频率的影响问题进行了深入研究。考察了QCM中非理想连接弱界面的影响，理论分析和数值计算中同时计及了附加质量层刚度和惯性的影响，运用摄动理论揭示了由非理想界面激发出的新的厚度-扭转波。同时，应用Mindlin板理论求得了三明治板中的拉伸波以及弹性层合板中耦合的拉伸波和弯曲波，证明了非理想界面的出现可以激发出新的厚度-扭转波或厚度-剪切波，这是在界面理想情况下没有出现的新现象。开展了应用于附加质量层性能测试的基于泰勒级数二阶近似的厚度-剪切波理论分析，方法具有良好的收敛性和很高的精度。由于频率的漂移和质量层的密度及厚度之间的线性关系，QCM更适合于测试附加质量层的厚度及质量密度；在遇到打开、断掉以及外加电压和频率的突然波动的瞬态载荷情况下，QCM大约需要0.1秒来达到稳定状态。同时，在共振条件下，附加质量层越厚，会有更大的位移幅值和更长的瞬态响应时间。发展了二维电-磁-弹-热多场耦合同时计及非局部效应和表面效应的简化板壳理论，考虑了附加电极作用下压电圆板的谐振问题，给出了压电圆板需考虑表面效应的临界尺寸，综合研究了谐振器类声波器件的尺寸依赖特性。发展了针对上述典型力学模型分析的理论方法和有效的数值求解策略。研究内容和取得的成果不仅对力-电-磁-热多场耦合问题的物理机制的深入认识和阐释有积极的意义，同时也可为谐振器类声波器件的实际应用奠定了坚实的理论基础。