Page 209 - 《应用声学》2024年第6期

第 43 卷 第 6 期 黄庆云等： 声表面波器件在大功率作用下的热效应 1385

通过计算可以得到谐振频率f sc 为29.72 MHz，后续 ᛫᭧ ພए (C)
热仿真的计算是基于模态分析的结果下进行的。 0 Max 25
根据频域响应分析可以求解应变能，代入公 -100
式 (5) 计算功率，该功率用作热源表示声波振动过
程中的机械损耗。介电损耗产生的热量由公式 (4) mm -200 25
-300
计算得到，并作为热量施加在IDT上。设定LiNbO 3
-400
材料的机械损耗因子和介电损耗因子直接关系基
-500
体内部的阻尼大小，从而决定着器件损耗所产生的
-200 0 200 400 Min 25
热量，设定压电材料的阻尼损耗因子 (详细设定情 mm
(a) t=0 s
况可以参考文献 [18])，由此得到压电材料由损耗引 ᛫᭧ ພए (C)
起的总功耗密度大小，仿真结果如图 4 所示。该总
0 Max 30.06
功耗密度将直接作为热源用于计算后续传热下温
-100
度变化。
mm -200
3
7
freq(1)=2.972T10 Hz ᛫᭧ ঴ҪᏲࠛए(W/m ) -300 30.04
Max:
5.15T10 10
T10 10 -400
100 5.0
4.5 -500
0
4.0
-200 0 200 400 Min 30.02
-100 3.5 mm
mm 3.0 (b) t=2 s
-200 2.5
2.0 ᛫᭧ ພए (C)
-300
1.5
1.0 0 Max 47.07
-400
0.5
-100
-500 0
min 0
-200 0 200 400 -200
mm
mm 47.04
图 4 损耗产生的总功耗密度 -300
Fig. 4 Total power density generated by losses -400
-500
3.2 热仿真与实验验证
-200 0 200 400 Min 47.01
图5 显示谐振频率为29.72 MHz 的基体温度分 mm
(c) t=10 s
布随时间变化序列图。由于压电效应，仿真模型从 ᛫᭧ ພए (C)
IDT 处开始升温，在热传递的作用下，器件热量逐 Max 64.0
0
渐传向底端，使底部温度开始上升，从而整体温度
-100
不断升高，越靠近IDT表面温度也越高。LiNbO 3 晶
-200
体材料的导热系数为 38 W/m·K，可以看到在 2 s mm 63.36
时，整个器件在厚度方向上温度差为 0.04 C，随着 -300
◦
时间增加，相应的温差将增大，在 20 s 时厚度方向 -400
上最大温度差达到 0.1 C，且温度均匀分布。如果 -500
◦
输入电压继续增大，在厚度为声波波长 λ SAW 的区 -200 0 200 400 Min 63.0
mm
◦ (d) t=20 s
域上将产生一定温度梯度，这也给 128 YX-LiNbO 3
带来了热电，导致奇异电场，特别是在器件的边
图 5 基体温度分布随时间变化的仿真序列图
缘，促进了局部缺陷的传播，容易导致器件裂片 Fig. 5 Simulation sequence diagram of substrate
失效。 temperature distribution over time