圧電素子の表面波特性の解明と構造健全性評価への応用

压电元件表面波特性的阐明及其在结构完整性评估中的应用

• 批准号: 02F00072
• 负责人: 岸本 喜久雄
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-02F00072/
• 关键词: 圧電積層材料; 表面波; 初期応力; 界面; 進展挙動; 位相速度; 圧電素子; 破損評価

MEMS,マイクロセンサ分野での重要性から,圧電材料の研究が近年活発に行われている.多くの表面波(SAW)デバイスやセンサでは,特性向上のために,圧電材料を基材の上に積層して作製している.しかしながら,熱膨張係数の違い,圧電材料の脆性,不純物,空孔,微小き裂の存在により,圧電材料中には初期応力が存在する.そして,機械的・電気的負荷が作用した場合,デバイスの破損を容易に引き起こしてしまうといった問題がある.このような背景から,初期応力が作用した状態での,表面波(Rayleigh wave, Love wave and Bleustein-Gulyaey等)の特性評価ならびに積層界面が及ぼす表面波特性への影響について検討する必要がある.そして,積層型SAWセンサの信頼性評価手法を確立することが重要である.そこで,本研究では,表面波特性の理論的解析を行い,工学的応用への可能性を検討することを目的とする.今年度の研究では,以下の点を明らかにした.1.圧電層と弾性母材間の界面における接合状態を考慮して,Love波の進展特性について検討した.その結果,界面の接合状態が不完全になると,それに応じて,Love波の位相速度が変化することが明らかになった.2.周期的に圧電材を積層した多層構造体におけるSH波の進展挙動について検討した.そして,波の進行方向が積層方向に水平な場合と垂直な場合,両方の場合についてSH波の分散方程式を得た.このような構造によるフイルター効果,圧電材と母材との体積係数・せん断剛性の比が位相速度に及ぼす影響について検討した.3.不均質層に初期応力がある場合について,WKB漸近法を用いて圧電層と弾性基材中におけるLove波の分散特性を得た.また,2種類の電気的境界条件の下で,界面近傍の応力分布,変位分布,電気ポテンシャル分布を得た

The importance of MEMS technology in the field of piezoelectric materials has been studied in recent years. Multiple-layer surface waves (SAW) are characterized by upward movement, and the upper layer of the piezoelectric material substrate is fabricated. In addition, the thermal expansion coefficient is not correct, the brittleness, impurities, voids, microcracks of the piezoelectric material exist, and the initial stress exists in the piezoelectric material. When mechanical and electrical loads are applied, damage is easily caused. It is necessary to evaluate the characteristics of surface waves (Rayleigh wave, Love wave and Bleustein-Gulyaey, etc.) and the influence of layered interface and surface wave characteristics on the initial state of the background force. It is important to establish the reliability evaluation method of multilayer SAW. This study aims at theoretical analysis of surface wave characteristics and discussion of the possibility of engineering applications. This year's research is aimed at the following points: 1. Considering the interface between the dielectric layer and the base material, the bonding state, and the development characteristics of the Love wave. As a result, the bonding state of the interface is incomplete, and the phase velocity of the Love wave is variable. 2. The periodic voltage material is laminated, and the evolution of the SH wave is variable. The dispersion equation of the wave is obtained in both horizontal and vertical cases. 3. The initial stress of the heterogeneous layer is determined by the WKB asymptotic method. The dispersion characteristics of the Love wave in the dielectric layer and the dielectric substrate are obtained. Under the boundary conditions of two kinds of electric energy, the force distribution near the interface, the position distribution and the electric energy distribution are obtained.

项目成果

Zhenghua Qian, Feng Jin, Zikun Wang, Kikuo Kishimoto: "Dispersion relations for SH-Wave propagation in periodic piezoelectric composite layered structures"International Journal of Engineering Science. 42・7. 673-689 (2004)

钱正华、金峰、王子坤、岸本菊夫：“周期性压电复合材料层状结构中SH波传播的色散关系”国际工程科学杂志42・7（2004）。

F.Jin, K.Kishimoto, H.Inoue, T.Tateno: "Propagation of Bleustein-Gulyaev waves in piezoelectric layered structures with initial stress"Proceedngs of International Symposium on Electronic Materials and Packaging EMAP2002. 445-450 (2002)

F.Jin、K.Kishimoto、H.Inoue、T.Tateno：“具有初始应力的压电层状结构中 Bleustein-Gulyaev 波的传播”电子材料与封装 EMAP2002 国际研讨会论文集。

F.Jin, Z.K.Wang, Kikuo Kishimoto: "The propagation behavior of B-G waves in a pre-stressed piezoelectric Layered structure"International Journal of Nonlinear Science and Numerical Simulation. 4. 125-138 (2003)

F.Jin、Z.K.Wang、Kikuo Kishimoto：“预应力压电层状结构中 B-G 波的传播行为”国际非线性科学与数值模拟杂志。

F.Jin, K.Kishimoto, H.Inoue, T.Tateno: "Influence of weak interface on the propagation behavior of love waves in piezoelectric layered structures"Proceedings of 9th International Conference on the Mechanical Behavior of Materials. (2003)

F.Jin、K.Kishimoto、H.Inoue、T.Tateno：“弱界面对压电层状结构中拉夫波传播行为的影响”第九届国际材料力学行为会议论文集。

F.Jin, K.Kishimoto, H.Qing, H.Inoue, T.Tateno: "Influence of Imperfect Interface on the Propagation of Love Waves in Piezoelectric Layered Structures"Key Engineering Materials. 261-263. 251-256 (2004)

F.Jin、K.Kishimoto、H.Qing、H.Inoue、T.Tateno：“不完美界面对压电层状结构中拉夫波传播的影响”关键工程材料。