王禹然，張 輝，張淑儀

（南京大學(xué) 聲學(xué)研究所 近代聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室，南京 210093）

提出一種基于高次駐波諧振的測(cè)量方法，研究彈性板厚度對(duì)具有最大有效機(jī)電耦合系數(shù)的諧振模式頻率偏移的影響，并定量檢測(cè)彈性板厚度的變化。此方法可以對(duì)金屬、非金屬和復(fù)合材料等進(jìn)行無損檢測(cè)，且設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作。

首先介紹高次駐波諧振的理論；其次對(duì)具有最大有效機(jī)電耦合系數(shù)的模式進(jìn)行分析，給出該模式數(shù)的修正公式；最后建立該模式諧振頻率偏移與檢測(cè)彈性板厚度之間的關(guān)系。以ZnO 為壓電片，針對(duì)不同聲阻抗的彈性板厚度變化進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與研究。

1 高次駐波諧振理論

將厚度膨脹振動(dòng)的壓電片置于被檢測(cè)彈性板之上，如果兩者之間耦合緊密，則構(gòu)成高次駐波諧振結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中壓電片和其上下表面的兩個(gè)電極構(gòu)成的換能器在彈性板中激發(fā)厚度膨脹振動(dòng)聲波，當(dāng)激發(fā)的聲波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍與彈性板厚度相等時(shí)，將在彈性板中形成駐波諧振。一般情況下，彈性板的厚度較壓電片厚很多，所以聲波能量主要集中于板中。這樣，檢測(cè)系統(tǒng)的諧振特性將受到彈性板材料、表面狀況和厚度等的影響。

圖1 片狀換能器測(cè)彈性板厚度變化的系統(tǒng)

上述高次駐波諧振結(jié)構(gòu)可以利用Mason等效電路理論［1］進(jìn)行分析。此檢測(cè)系統(tǒng)的壓電換能器輸入阻抗Zin表示為［2］：

根據(jù)式（1），針對(duì)厚度為0.05mm 的PZT 壓電片和厚度為2.4mm 的不銹鋼彈性板，計(jì)算其輸入電阻抗曲線，如圖2 所示。可以看出，隨著頻率增加，激發(fā)出許多高次諧振模式。每一個(gè)諧振模式包括并聯(lián)諧振頻率fp和串聯(lián)諧振頻率fs。為簡(jiǎn)化分析，引入并聯(lián)諧振頻率間隔Δfp作為分析參量，具體定義為：

圖2 輸入電阻抗曲線

式中fp（m＋1）和fp（m）分別是高次駐波諧振系統(tǒng)在第m＋1和第m階模式的并聯(lián)諧振頻率。

式中ΔfN指并聯(lián)諧振頻率間隔分布中的第一個(gè)穩(wěn)態(tài)區(qū)域中間模式（mN）所對(duì)應(yīng)的并聯(lián)諧振頻率間隔，γ≈π；ΔfT指并聯(lián)諧振頻率間隔分布中的第一個(gè)瞬態(tài)區(qū)域中間的模式（mT）所對(duì)應(yīng)的并聯(lián)諧振頻率間隔，γ≈0.5π；而Δf0＝Vsb／2lsb，指彈性板厚度膨脹振動(dòng)時(shí)的并聯(lián)諧振頻率間隔。

以下電極的二分之一處為分界線，將高次駐波諧振系統(tǒng)分為兩層，引入上下兩層的半波長(zhǎng)諧振頻率比例因子R。當(dāng)R足夠大時(shí)，穩(wěn)態(tài)區(qū)域和瞬態(tài)區(qū)域中間的模式可近似表示為：mN＝round（R），mT＝round［（R－1）／2］，其中R為［2］：

實(shí)際測(cè)量中，為避免壓電片激發(fā)帶寬的影響，通常采用壓電片基模諧振頻率附近區(qū)域的駐波諧振模式。在文獻(xiàn)［4］的研究中，已經(jīng)指出最大有效機(jī)電耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)的高次駐波諧振模式在第一穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)區(qū)域附近，且在測(cè)量中該模式具有較大的阻抗幅值，因此該模式最適宜用以研究彈性板厚度的變化。

2 彈性板聲阻抗對(duì)（max）對(duì)應(yīng)諧振模式的影響

最大有效機(jī)電耦合系數(shù)所對(duì)應(yīng)的諧振模式具有較高的阻抗幅值，且容易激發(fā)而獲得較高的檢測(cè)靈敏度，所以利用其作為檢測(cè)模式［5］。Wang［6］等人分析了具有最大有效機(jī)電耦合系數(shù)的諧振模式，重點(diǎn)研究其模式數(shù)的變化規(guī)律。

如果根據(jù)彈性板和壓電片聲阻抗比zb＝（ρsbVsb）／（ρV）來確定對(duì)應(yīng)模式的次數(shù)，可有以下三種情形：①zb?1，為硬基片條件落在瞬態(tài)區(qū)域中間，即mT附近，對(duì)應(yīng)頻率約為f＝V／4l。②zb?1，為軟基片條件落在穩(wěn)態(tài)區(qū)域中間，即mN附近，對(duì)應(yīng)頻率約為f＝V／2l。③zb在1 附 近 時(shí)（max）對(duì)應(yīng)的模式數(shù)則落在mT和mN的之間。所以，只有“很硬”或“很軟”的壓電片和彈性板組合對(duì)應(yīng)的模式次數(shù)可以用mT或mN近似表示外，其它情形下，將難以估算對(duì)應(yīng)的模式次數(shù)。

利用式（7），針對(duì)壓電片材料為ZnO 和PZT 的片狀換能器在不同聲阻抗的彈性板上的情形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算中片狀換能器厚度取1 mm，上下電極厚度取為1μm 的Al電極，彈性板厚度的選取滿足R≈50，相關(guān)材料的參數(shù)如表1 所示，其中PZT材料的制備方法為sol－gel［6］。相關(guān)計(jì)算結(jié)果如圖3，圖中圓圈點(diǎn)表示W(wǎng)ang等人推薦的估算方法得到的對(duì)應(yīng)的模式次數(shù)，而方塊點(diǎn)表示采用修正公式（7）得到的對(duì)應(yīng)的模式次數(shù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，加入zb參量后的修正公式估算得到的模式次數(shù)，更接近或等于大量數(shù)值計(jì)算得到的（max）對(duì)應(yīng)的模式次數(shù)。修正前后的估算公式所得到的模式次數(shù)與k2eff（max）對(duì)應(yīng)的模式次數(shù)的相對(duì)誤差如表2所示。可以看到修正后的相對(duì)誤差明顯小于修正前的相對(duì)誤差，這說明修正公式是有效的。

表1 壓電片、彈性板和電極的材料參數(shù)

表2 修正前后的估算得到的模式次數(shù)與k2eff（max）對(duì)應(yīng)的模式次數(shù)的相對(duì)誤差

3 彈性板厚度變化與（max）對(duì)應(yīng)諧振模式Δfp 間的關(guān)系

由于彈性板厚度的變化會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)諧振頻率發(fā)生偏移，通過建立它們之間的解析關(guān)系可以定量表征彈性板的厚度變化。根據(jù)并聯(lián)諧振頻率間隔分布理論，在穩(wěn)態(tài)區(qū)域，已知［2］：

在片狀換能器中，若電極的厚度相對(duì)壓電片而言很薄，則忽略電極的影響。在模式數(shù)尚未發(fā)生跳變的情況下，推導(dǎo)彈性板厚度變化Δl時(shí)，并聯(lián)諧振頻率的偏移為：

類似的，在瞬態(tài)區(qū)域，已知［2］：

忽略電極的影響，并聯(lián)諧振頻率的偏移為：

式（9）和（11）說明，彈性板厚度變化Δl所引起的并聯(lián)諧振頻率偏移Δfp與Δl成線性關(guān)系。因此，若選擇待測(cè)彈性板作為基片層，選定已知厚度的彈性板作為參照基準(zhǔn)，測(cè)量待測(cè)彈性板與基準(zhǔn)彈性板在對(duì)應(yīng)頻率的差值，就可以間接得到待測(cè)板與基準(zhǔn)板的相對(duì)厚度變化。

針對(duì)具有最大有效機(jī)電耦合系數(shù)的諧振模式，采用1mm 厚ZnO 作為壓電片，熔融石英、釔鋁石榴石、不銹鋼作為彈性板，研究彈性板厚度增加時(shí)厚度變化與之引起的并聯(lián)諧振頻率偏移的關(guān)系，相關(guān)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。數(shù)值計(jì)算表明，基準(zhǔn)彈性板厚度滿足R≈50時(shí)對(duì)應(yīng)的并聯(lián)諧振頻率fp每偏移數(shù)十赫茲可定量檢測(cè)出1μm 厚的彈性板厚度變化。

4 結(jié)論

［1］ Lakin K M，Kline G R，McCarron K T.High－Q microwave acoustic resonators and filters［J］.Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions，1993，41（12）：2139－2146.

［2］ Zhang Y X，Wang Z Q，Cheeke J D N.Resonant spectrum method to characterize piezoelectric films in composite resonators［J］.Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics and Frequency Control，IEEE Transactions，2003，50（3）：321－333.

［3］ IEEE Standard on Piezoelectricity ANSI／IEEE Std 176－1987，1988［S］.

［4］ Zhang H，Zhang S Y，Zheng K.Electrode effects on general modes in high－overtone bulk acoustic resonators［J］.Ultrasonics，2006，44（S1）：e737－e740.

［5］ Zhang H，Zhang S Y，F(xiàn)an L.Effects of thickness deviation of elastic plates in multi－layered resonance systems on frequency spectra［J］.Chinese Physics Letters，2009，26（8）：4301

［6］ Pao Shih－Yung，Chao Min－Chiang，Wang Zuoqing，et al.Analysis and experiment of HBAR frequency spectra and applications to characterize the piezoelectric thin film and to HBAR design［C］.Frequency Control Symposium and PDA Exhibition，2002.IEEE International：2002：27－35.