В рамках работы над проектом проведено комплексное теоретическое и экспериментальное исследование обратных акустических волн в пьезоэлектрических пластинах. Эти уникальные волны характеризуются противоположно направленными фазовой и групповой скоростями, а также наличием точки с нулевой групповой скоростью. Установлены особенности их возбуждения и регистрации в различных пластинах, и слоистых структурах. С использованием метода конечных элементов разработаны топологии электродных структур, эффективно возбуждающие обратную волну. Продемонстрирована возможность уширения частотного диапазона существования обратных волн путем создания слоистых структур, содержащих пленки из сильных пьезоэлектриков (ниобат лития, пьезокерамика) и пластины из сильно анизотропных материалов (парателлурит, йодат лития, теллур). Показано, что увеличение плотности плёнки смещает точку с нулевой групповой скоростью в область низких частот, а для структуры «пластина теллура – пленка ниобата лития» возможно увеличение диапазона существования обратных волн в 2.5 раза. Создана технологическая установка для формирования слоистых структур методом низкотемпературного бондинга. Разработана и апробирована технология изготовления многослойных структур «анизотропный диэлектрик – пьезоэлектрический слой». Созданы экспериментальные образцы слоистых структур и проведен их структурный и фазовый анализ.
Впервые теоретически предсказано и экспериментально подтверждено увеличение фазовой скорости обратных акустических волн при приближении металлического экрана к поверхности пьезоэлектрика при фиксированной частоте. Этот эффект оказался связан с аномальной дисперсией обратных волн.
Впервые рассчитаны температурные коэффициенты скорости и задержки для обратных акустических волн в пластинах йодата лития и парателлурита, а также в структурах на их основе в присутствии пьезоэлектрических пленок ниобата лития и оксида цинка. Обнаружено, что эти величина этих коэффициентов более чем в 20 раз выше, чем для прямых волн в том же самом материале при фиксированной частоте. Это связано с аномальной дисперсией этих волн, а также их существование в области между частотой отсечки и частотой толщинного резонанса. Результаты теоретического анализа подтверждены экспериментально на созданных акустоэлектронных устройствах на основе пластины ниобата лития и слоистой структуры LiNbO₃/TeO2. Полученные результаты открывают перспективы для создания сверхчувствительных температурных датчиков.
Впервые теоретически и экспериментально исследовано влияние жидкости с различной вязкостью и проводимостью на свойства обратных акустических волн. На примере пластины YX LiNbO3 показано, что обратная волна A1 обладает чувствительностью к проводимости жидкости во всем исследуемом диапазоне, тогда как для прямой волны SH1 наблюдается насыщение при малых значениях проводимости. Для повышения чувствительности этих волн к проводимости жидкости рекомендовано сочетание пленки из сильного пьезоэлектрика с пластиной из сильно анизотропного материала, а для снижения вносимых потерь рекомендовано использование буферного слоя с малым акустическим импедансом.
Показана возможность создания акустоэлектронных датчиков электрических и механических свойств жидкости на основе обратных акустических волн. Для этого, экспериментально, численно и аналитически исследовано влияние диэлектрической проницаемости и акустического импеданса жидкости на резонансные характеристики однопортового акустоэлектронного устройства. Показано, что сдвиг резонансной частоты обратной волны на частотной зависимости S11 параметров определяется преимущественно диэлектрической проницаемостью, а изменение добротности и глубины провала пика главным образом акустическим импедансом. Решена задача миниатюризации разрабатываемых устройств, позволившая осуществить переход от набора встречно-штыревых преобразователей с различным пространственным периодом к единичному преобразователю.
На основании проведенных исследований сформулированы рекомендации по созданию сенсорных устройств на обратных волнах в пластинах, включающие возможные области применения и особенности изготовления акустоэлектронных устройств.
Все задачи проекта выполнены в полном объёме, полученные результаты имеют высокую научную новизну и практическую значимость для разработки акустоэлектронных датчиков температуры, а также электрических и механических свойств жидкости на основе обратных акустических волн. Результаты работы опубликованы в высокорейтинговых журналах: Ultrasonics (Q1), International Journal of Engineering Science (Q1), Wave Motion (Q2). Направлена статья в журнал International Journal of Mechanical Sciences (Q1).
Однако для формирования полноценной картины, позволяющей в полной мере оценить фундаментальные свойства обратных акустических волн, необходимо провести дополнительные теоретические и экспериментальные исследования воздействия внешних электрических и магнитных полей на их свойства, таких как, направление потока энергии, фазовую и групповую скорость, частотный диапазон существования, частоту отсечки. Для использования в полной мере уникальных особенностей этих волн необходимо экспериментально реализовать устройства на основе прямого измерения их групповой скорости. Кроме того, уже проведенные дополнительные исследования показали возможность использования сенсорных покрытий при реализации акустоэлектронных устройств на обратных волнах. Это открывает перспективы разработки газовых селективных сенсоров на их основе.