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In the present work, nonlinearities in temperature compensating (TC) SAW devices are investigated. The materials used are LiNbO₃-rot128YX as the substrate and Copper electrodes covered with a SiO₂-layer as the compensating layer. In order to understand the role of these materials for the nonlinearities in such acoustic devices, a FEM simulation model in combination with a perturbation approach is applied. The nonlinear tensor data of the different materials involved in TC-SAW devices have been taken from literature, but were partially modified to fit experimental data by introducing scaling factors. An effective nonlinearity constant is determined by comparison of nonlinear P-matrix simulations to IMD3 measurements of test filters. By employing these constants in nonlinear periodic P-matrix simulations a direct comparison to nonlinear periodic FEM-simulations yields the scaling factors for the material used. Thus, the contribution of different materials to the nonlinear behavior of TC-SAW devices is obtained and the role of metal electrodes is discussed in detail.
Zerstörungsfreie Verfahren zur Messung von Eigenspannungen erfordern, abhängig vom gewählten Verfahren, die Kenntnis gewisser Kopplungskonstanten. Im Falle von Ultraschallmessverfahren sind das neben den elastischen Konstanten zweiter Ordnung (SOEC) vor allem die Konstanten dritter Ordnung (TOEC). Elastische Konstanten fester, metallischer Bauteile werden in der Regel in Zugversuchen bestimmt. Zur Ermittlung der TOEC werden diese mit Ultraschallmessmethoden kombiniert. Durch äußere Einflüsse, wie etwa mechanische Nachbehandlungen der zu untersuchenden Bauteile können sich diese Konstanten jedoch ändern und müssen folglich direkt am veränderten Material bestimmt werden. Mithilfe von Simulationen wird die Ausbreitung der zweiten Harmonischen und der nichtlinear erzeugten Oberflächenwellen in Wellenmischexperimenten analysiert und der akustische Nichtlinearitätsparameter (ANP) bzw. der Kopplungsparameter aus der Amplitudenentwicklung berechnet. Insbesondere wird untersucht, welchen Einfluss ein gegebenes Tiefenprofil der TOEC auf den ANP hat (Vorwärtsproblem) und inwiefern sich aus den Messungen des ANP auf ein vorliegendes Tiefenprofil der TOEC schließen lässt (inverses Problem). Außerdem wird diskutiert, welchen Einfluss lokale Änderungen der SOEC auf den ANP haben können und wie groß diese Änderungen sein dürfen, um die TOEC dennoch bestimmen zu können. Die Untersuchungen hierzu wurden auf der Basis eines 3D-FEM Modells mit zufällig orientierten Mikrorissen durchgeführt. Die numerischen Rechnungen zeigen dabei auch eine gute Übereinstimmung mit einem aus der Literatur bekannten und für dieses Problem erweiterten, analytischen Modell. Neben der rissinduzierten Nichtlinearität kann bei diesem auch die Gitternichtlinearität berücksichtigt werden.
Elastic constants of components are usually determined by tensile tests in combination with ultrasonic experiments. However, these properties may change due to e.g. mechanical treatments or service conditions during their lifetime. Knowledge of the actual material parameters is key to the determination of quantities like residual stresses present in the medium. In this work the acoustic nonlinearity parameter (ANP) for surface acoustic waves is examined through the derivation of an evolution equation for the amplitude of the second harmonic. Given a certain depth profile of the third-order elastic constants, the dependence of the ANP with respect to the input frequency is determined and on the basis of these results, an appropriate inversion method is developed. This method is intended for the extraction of the depth dependence of the third-order elastic constants of the material from second-harmonic generation and guided wave mixing experiments, assuming that the change in the linear Rayleigh wave velocity is small. The latter assumption is supported by a 3D-FEM model study of a medium with randomly distributed microcracks as well as theoretical works on this topic in the literature.
The growing complexity in RF front-ends, which support carrier aggregation and a growing number of frequency bands, leads to tightened nonlinearity requirements in all sub-components. The generation of third order intermodulation products (IMD3) are typical problems caused by the non-linearity of SAW devices. In the present work, we investigate temperature compensating (TC) SAW devices on Lithium Niobate-rot128YX. An accurate FEM simulation model [1] is employed, which allows to better understand the origin of nonlinearities in such acoustic devices.