Расчет параметров поверхностных акустических волн в пьезоэлектриках методом конечных элементов
Автор: Осетров Александр Владимирович, Нгуен Ван Шо
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 4 т.4, 2011 года.
Бесплатный доступ
Рассматривается порядок решения двухмерной задачи распространения поверхностной акустической волны в пьезоэлектрических анизотропных средах при наличии металлических электродов, возбуждающих механические колебания (так называемый встречно-штыревой преобразователь). В качестве независимых переменных выбираются три компоненты вектора механического смещения и электрический потенциал. Задача сводится к обобщенной системе дифференциальных уравнений, допускающей решение в коммерчески доступном программном обеспечении (мода PDE пакета Comsol Multiphysics). Для случая отсутствия металлических электродов выполнено сопоставление полученных результатов с известными аналитическими решениями. Вычисления для ниобата лития продемонстрировали высокую степень совпадения с известными из литературы данными измерений. Показана необходимость учета в уравнениях всех трех компонент вектора механических смещений, что исключает возможность использования большинства пакетов, основанных на методе конечных элементов и учитывающих лишь смещения в плоскости распространения волны. Результаты работы могут быть полезными при расчете широкого класса устройств акустоэлектроники, использующихся в мобильной связи, навигации и медицинской аппаратуре.
Метод конечных элементов, поверхностная акустическая волна, встречно-штыревой преобразователь, акустоэлектроника
Короткий адрес: https://sciup.org/14320583
IDR: 14320583 | УДК: 534.8
Calculation of the parameters of surface acoustic waves in piezoelectrics using the finite element method
A numerical procedure has been developed for solving the two-dimensional problem of propagation of surface acoustic waves in piezoelectric materials in the presence of metal electrodes that excite mechanical vibrations (interdigital transducers). Three components of the mechanical displacement vector and an electric potential are taken as the independent variables. The problem is reduced to the system of differential equations, which can be solved using the Comsol Multiphysics software package (PDE modes). For the case of no metal electrodes, a comparison is made between the obtained data and the available analytical solutions. For lithium niobate, an excellent agreement has been observed between our results and the measurement data from the literature. It is shown that all three components of the mechanical displacement vector have to be taken into account, which excludes application of most FEM-based software packages designed to evaluate only the displacements in the wave propagation plane. The results can be useful for calculating a wide range of surface acoustic wave devices for mobile communications, and for navigation and medical equipment.
Список литературы Расчет параметров поверхностных акустических волн в пьезоэлектриках методом конечных элементов
- Morgan D. Surface acoustic wave filters with applications to electronic communications and signal processing. -Elsevier, 2007. -448 p.
- Hashimoto K.-Y., Omori T., Yamaguchi M. Analysis of SAW excitation and propagation under periodic metallic grating structures//Int. J. of High Speed Electronics and Systems. -2000. -V. 10, N. 3. -Р. 685-734.
- Laude V., Reinhardt A., Ballandras S., Khelif A., Solal M. Fast FEM/BEM computation of SAW harmonic admittance and slowness curves//IEEE Ultras. Symp. -2004. -Р. 445-448.
- Finger N., Kovacs G., Shoberl J., Langer U. Accurate FEM/BEM -simulation of surface acoustic wave filters//IEEE Ultras. Symp. -2003. -Р. 1680-1685.
- Kubat F., Ruile W., Reindl L. P-matrix based calculations of the potential and kinetic power in resonating SAW-structures//IEEE Ultras. Symp. -2002. -Р. 329-332.
- Taziev R. M. FEM/BEM for simulation of LSAW devices//IEEE Trans. UFFC. -2007. -V. 54, N. 10. -Р. 2060-2069.
- Чередник В.И., Двоешерстов М.Ю. COM параметры, P матрицы и FEM-BEM теория//Современные наукоемкие технологии. -2006. -№ 8. -С. 74-75.
- Тазиев Р.М. Особенности возбуждения квазипродольных и сдвиговых вытекающих акустических волн в пьезоэлектриках//Фундаментальные проблемы современного материаловедения http://elibrary.ru/issues.asp?id=27159&selid=866974>. -2010. -Т. http://elibrary.ru/issues.asp?id=27159&volume=7&selid=866974>, № 3. -С. 17-23.
- Pollard T.B., Pereira da Cunha M. Improved SHSAW transduction efficiency using grating and uniform electrode guiding//IEEE Trans. UFFC. -2011. -V. 58, N. 5. -Р. 1087-1096.
- Hofer M., Finger N., Kovacs G., Schöberl J., Zaglmayr S., Langer U., Lerch R. Finite-element simulation of wave propagation in periodic piezoelectric SAW structures//IEEE Trans. UFFC. -2006. -V. 53, N. 6. -Р. 1192-1201.
- Peng D., Fengqi Yu.F. A novel FEA simulation model for RFID SAW tag//IEEE Trans. UFFC. -2009. -V. 56, N. 8. -Р. 1753-1760.
- Matthews G.I., Baghai-Wadji A. Analysis of additional surface mechanical features in micro-acoustic devices -А combined FEM-JTFA approach//IEEE Ultras. Symp. -2009. -Р. 2676-2679.
- Smole P., Ruile W., Pongratz P. Characterization of surface acoustic wave propagation in ZnO layer on a conductive substrate//IEEE Ultras. Symp. -2002. -Р. 307-310.
- Rocha-Gaso M.-I., Fernandez-Diaz R., Arnau-Vives A., March-Iborra C. Mass sensitivity evaluation of a Love wave sensor using the 3D finite element method//IEEE Freq. Contr. Symp. -2010. -Р. 228-231.
- Darinskii A.N., Weihnacht M., Schmidt H. Surface acoustic wave scattering from steps, grooves, and strips on piezoelectric substrates//IEEE Trans. UFFC. -2010. -V. 57, N. 9. -Р. 2042-2050.
- Frommelt T., Gogel D., Kostur M., Talkner P., Hanggi P., Wixforth A. Flow patterns and transport in Rayleigh surface acoustic wave streaming: сombined finite element method and raytracing numerics versus experiments//IEEE Trans. UFFC. -2008. -V. 55, N. 10. -Р. 2298-2305.
- Zhgoon S., Tsimbal D., Shvetsov A., Bhattacharjee K. 3D finite element modeling of real size SAW devices and experimental validation//IEEE Ultras. Symp. -2008. -Р. 1932-1935.
- Осетров А.В., Нгуен Ван Шо. Анализ поверхностных акустических волн в области встречно-штыревого преобразователя//Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». -2011. -№ 1. -C. 81-88.
- Royer D, Dieulesaint Е. Elastic waves in solids. Part I: Free and guided propagation. -Springer, 2000. -374 p.
- Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах//М.: Наука, 1981. -287 с.
- Сhen D.P., Haus H.A. Analysis of metal-strip SAW gratings and transducers//IEEE SU. -1985. -V. SU 32, N. 3. -P. 395-408.
- Bauerschmidt P., Lerch R., Machui J., Ruile W., Visintini G. Reflection and transmission coefficients of SAW in periodic grating computed by finite element analysis//IEEE Ultras. Symp. -1990. -Р. 421-423.
- Дмитриев В.Ф. Теория связанных волн -универсальный метод расчета устройств на поверхностных акустических волнах//ЖТФ. -2004. -Т. 74, № 10. -С. 94-102.
- Яковлев Л.А. Основные уравнения механики и электродинамики сплошных сред: Учеб. пособие. -СПб.: ГЭТУ, 1992. -76 с.
- Buchner M., Ruile W., Dietz A., Dill R. FEM analysis of the reflection coefficient of SAWs in an infinite periodic array//IEEE Ultras. Symp. -1991. -Р. 371-375.
- Osetrov A.V., Frolich H.-J., Koch R., Chilla E. Acoustoelastic effect in anisotropic layered structures//Phys. Rev. B. -2000. -V. 62, N. 21. -Р. 13963-13969.
- Osetrov A. V., Frolich H.-J., Koch R., Chilla E. Acoustoelastic effect in stressed heterostructures//IEEE Trans. UFFC. -2002. -V. 49, N. 1. -Р. 94-98.
- Slobodnik A.J., Conway E.D., Delmonico R.T. Microwave acoustics handbook. Vol. I A. surface wave velocities//NTIS. Springfield -AFCRL-TR-73-0597-AD0780172 -VA 22151.
- Kovacs G., Anhorn M., Engan H.E., Visintini G., Ruppel C.C.W. Improved material constants for LiNbO3 and LiTaO3//IEEE Ultras. Symp. -1990. -Р. 435-438.
- Wright P.V. Modeling and experimental measurements of the reflection properties of SAW metallic gratings//IEEE Ultras. Symp. -1984. -Р. 54-63.
