Главная - Литература

0 1 2 [3] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

скольку в резонансном режиме теплообмен колеблющегося пьезоэлемента с окружающей средой ничтожно мал и изменения температуры или энтропии за один период колебаний могут не учитываться.

Уравнения пьезосреды упрощаются и сводятся к системе соотношений, устанавливающих связь между двумя независимыми (одной электрической и одной механической) и двумя зависимыми от них (также одной электрической и одной механической) переменными.

При работе в режиме резонансных колебаний амплитуды знакопеременных механических деформаций и напряжений в пьезовибраторе обычно намного меньше предельно допустимых. По этой причине пьезорезонатор в отсутствие внешних возмущений обычно рассматривается как линейная упругая система, для которой справедлив обобщенный закон Гука. В условиях больших деформаций, что может иметь место, в частности, при высоких уровнях возбуждения ПР, при подводе кпьезо-резонатору больших усилий, наблюдается отклонение зависимости T(S) от закона Гука вследствие изменений эффективных значений упругих констант в функции механических напряжений. Для описания нелинейных упругих эффектов вводятся так называемые упругие константы третьего порядка Cjjkimn [35], представляющие симметричный тензор шестого ранга. Эти константы находятся из соотношения для внутренней энергии в окрестности нулевых деформаций:

Ро и (S) = - Сд Sfk Spq + --jk pq rs Sjk Spq S„, 2 6

где U(S) - внутренняя энергия, и определяются как

Cfkpq

pqrs

= Pt

(1.13)

(1.14)

Sjk bSpq dSrs

в) Пьезоэлектрические материалы для ПРД [10,12,19]

Анализ данных табл. 1.2 показывает, что в качестве основы большинства ПРД используются только два типа пьезоматериалов: кристаллический пьезокварц и пьезоэлектриздская керамика. Области применений этих материалов четко разграничены: пьезокварц применяется в основном в преобразователях с частотным выходом, а пьезокерами-ка - в преобразователях с амплитудным выходом. Нетрудно заметить и другой существенный момент: в датчиках, основанных на принципе модуляции параметров пьезовибратора, применяются, как правило, пьезокварцевые резонаторы. Причины, порождающие весьма четкое разделение областей применения, следует искать в особенностях физических свойств пьезоэлектрических материалов. С точки зрения построения частотных преобразователей наиболее существенными из этих свойств являются механическая добротность и стабильность параметров пьезоэлектрика. Эти параметры характеризуют решающим образом качество пьезорезонатора как колебательной системы и опре-

деляют такие показатели измерительного преобразователя, как порог чувствительности и стабильность пуля.

Сравнивая пьезоэлектрические материалы с этих позиций, следует отметить, что здесь преимущества пьезокварца бесспорны: его механическая добротность и временная стабильность характеристик существенно выше, чем у пьезокерамики. Добротность пьезокварца достигает и более, в то время как у лучших пьезокерамических материалов она не превышает нескольких тысяч. Низкая добротность пьезокерамики порождается особенностями ее структуры. Пьезокерамические элементы изготавливаются методом литья или прессования из пресс-порошков с соответствующим химическим составом. Зернистость структуры пьезоматериала приводит к потерям энергии при механических колебаниях и является причиной низкой добротности материала. Большое старение, присущее пьезокерамике, также связано с технологическими особенностями производства этого материала.

Особо ярко старение пьезокерамических материалов проявляется в условиях действия больших механических нагрузок и экстремальных температурных возмущений. Согласно [1] необратимые изменения упругих, диэлектрических и пьезоэлектрических констант в этих случаях могут достигать 10 %.

В отличие от пьезокерамики свойства пьезокварца меняются с течением времени в существенно меньшей степени. Достаточно сказать, что уход частоты пьезоэлектрических кварцевых резонаторов из-за старения в течение года работы обычно не превышает 10" -10", причем старение собственно пьезокристалла дает ничтожно малый вклад в общий уход частоты.

Дополнительным преимуществом пьезокварца, особо важным с точки зрения использования его в измерительных преобразователях, является его безгистерезисность при механических, температурных и электрических воздействиях. Это выгодно отличает пьезокварц от пьезокерамических материалов, которые обладают настолько ярко выраженными гистерезисными свойствами, что в ряде случаев могут быть использованы для построения элементов запоминающих устройств [16].

Из этого факта следует сделать вывод о малой пригодности пьезокерамики не только для ПРД частотного типа, но также, по-видимому, и для других ПРД, в которых измерение связано с модуляцией параметров собственно пьезовибратора.

Среди пьезорезонансных устройств особое место занимают датчики двух типов: на основе гиро- и акусточувствительных пьезорезонаторов. Оба типа преобразователей являются модуляционными преобразователями с амплитудным выходом, в которых процесс измерения существенно не связан с модуляцией параметров пьезовибратора. Вследствие этого качество пьезопреобразователя как колебательной системы в меньшей степени влияет на точностные характеристики ПРД. Меньше сказывается и гистерезис параметров пьезоматериала, что делает приемлемым применение пьезокерамических ПР.



Применение пьезокерамики в датчиках на акусточувствительных ПР оправдано еще и тем, что в ряде задач необходимо использование достаточно мощных пьезопреобразователей, способных надежно возбуждаться в условиях большой акустической нагрузки. В этих условиях решающим моментом при выборе материала оказывается большой коэффициент электромеханической связи пьезокерамических материалов. Согласно [10] у лучших марок пьезокерамики Асв достигает 0,7.

В монокристаллах пьезосвойства во всех точках объема идентичны. Отличительная особенность пьезокерамики состоит в том, что поляризация пьезоэлемента может бытЬ выполнена неоднородной и отличаться в отдельных областях как по значению, так и по знаку. Таким образом, в пьезокерамических элементах отдельные области могут обладать существенно различными пьезосвойствами. Эта особенность значительно расширяет функциональные возможности пьезокерамических преобразователей.

1.4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПЬЕЗОРЕЗОНАТОРОВ ОАВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПРД

Число разновидностей ПР, используемых в измерительных преобразователях, сравнительно невелико [2-4] (рис. 1.4).

Наибольшее распространение получили высокочастотные пьезоквар-цевые резонаторы с колебаниями сдвига по толщине. Эти резонаторы реализуются на диапазон от сотен кГц до нескольких сотен МГц.

За последние годы заметную конкуренцию применению этих резонаторов в датчиках начинают составлять кварцевые микроминиатюрные резонаторы низкочастотного диапазона (10 - 500 кГц), в первую оче-


Рис. 1.4. Основные типы колебаний пьезорезонато-ров:

а - Продольные колебания стержней по длине; б - радиальные колебания дисков; в - колебания сдвига по толщине пластин; г - колебания сдвига по контуру; д - колебания изгиба по длине - ширине

редь в виде одинарных и сдвоенных камертонов. С учетом того, что наиболее серьезны достижения в области ПРД на базе сдвиговых и камертонных ПР, ниже будет дана развернутая характеристика их свойств.

В отдельных типах датчиков находят применение и другие разновидности кварцевых резонаторов, в частности брусковые ПР с продольными и изгибными колебаниями (диапазон рабочих частот 10-500кГц).

На основе пьезокерамики строятся как резонаторы и многоэлектродные селективные элементы (трансформаторы), так и составные преобразователи. В датчиках находят применение и пьезокерамические преобразователи с колебаниями сдвига по толщине и преобразователи с радиальными, изгибными и продольно-толщинными колебаниями.

а) Основные конструктивные разновидности пьезорезонаторов

Наиболее распространенными вариантами ПР являются приборы, в которых электроды возбуждения нанесены непосредственно на вибратор, выполненный из однородного по составу пьезоактивного материала - монокристалла или керамики (рис. 1.5, а, б). Наряду с этим применяются, хотя и в меньшей степени, другие конструкции.

В резонаторах с возбуждением через зазор электрод (рис. 1.5, в) (или оба электрода) отделен от вибратора небольшим (обычно менее 1000 мкм) расстоянием. Как правило, пространство зазора заполнено нейтральным газом либо вакуумировано.

Преимущества подобных конструкций - потенциально более высокая временная стабильность, обеспечиваемая благодаря отсутствию на поверхности вибратора инородных материалов (электродных покрытий), которые являются источником дестабилизирующих механических напряжений и временного дрейфа частоты резонатора из-за старения этих покрытий, изменения их химического состава и т.п. В настоящее время наиболее прецизионные резонаторы все чаще выполняются в виде конструкций с возбуждением через зазор. Подобные конструкции используются и в датчиках. Изменение расстояния между вибратором и электродом приводит к изменениям частоты, что позволяет реализовать большую группу пьезорезонансных датчиков механических параметров (см. далее, § 5.5).

Другой распространенный тип приборов - составные пьезорезонаторы (рис. 1.5, г). Конструктивно они выполняются соединением в единый элемент непьезоэлектрического вибратора и пьезоэлектрического возбудителя колебаний. Обычно вибратор выполняется из высокодобротного металла, а пьезоэлемент - из материала с большим коэффициентом электромеханической связи.

Диапазон рабочих частот составных резонаторов с твердотельными пьезоэлементами ограничен сверху частотами, равными нескольким мегагерцам [2].

Решение задачи повышения рабочей частоты колебаний при сохранении технологичности и . прочности вибратора связано с применением




,/7J


Рис. 1.5. Основные разновидности пьезорезонаторов:

ПЭ - пьезоэлемент; Э - электрод; Д - вибратор; К - корпус; ИС - изолирующий слой

гармониковых составных резонаторов ОАВ. Вариант конструкции такого резонатора показан на рис. 1.5,d [36] и представляет собой слоистую структуру, состоящую из сравнительно толстой подложки и нанесенной на нее пьезоэлектрической системы возбуждения акустических колебаний. Последняя содержит пьезоэлектрическую пленку ZnO. Для возбуждения акустической волны используются тонкие электроды (нижний хром-золото и верхний хром-алюминий). Подслой SiO используется в качестве слоя, изолирующего полупроводник ZnO от электродов. Частотозадающим размером является толщина подложки. Осуществляется возбуждение на частотах высших гармоник. При толщине подложки 50,8 мкм и скорости волны 11,3-10* см/с рабочей частоте 3 ГГц соответствует возбуждение на 25 гармонике. При этом 24 и 26 гармоники отстоят от нее на ПО МГц. В качестве подложки используются высокодобротные материалы (сапфир, шпинель, рубин). На рис. 1.5, д показана конструкция одновходового резонатора. В ряде случаев применяются двухвходовые системы. В этом случае второй пьезопреобразователь размещается на нижней поверхности подложки. Как правило, электроды возбуждения выполняются не сплошными, а в виде гребенки проводящих штырей с постоянным расстоянием между ними. В этом случае обеспечиваются лучшие условия согласования импедансов. Важной особенностью подобных гармониковых резонаторов является локализованность области активных колебаний. Фактически вся энергия концентрируется под электродами, и периферия 24

подложки оказывается развязанной от колебаний, что резко упрощает крепление подобных систем. В ряде случаев это оказывается удобным и npi построении датчиков.

б) Элементы технологии изготовления кварцевых пьезоэлементов

Традиционная технология изготовления кристаллических пьезоэлементов пьезорезонаторов включает в себя операции изготовления ориентированных заготовок, многоэтапную процедуру шлифовки абразивными материалами, а в прецизионных резонаторах и полировку рабочих поверхностей, оконтуривание пьезоэлемента, подготовку поверхностей (очистку) и нанесение электродов требуемой формы и толщины через маски в вакуумной напылительной установке. При необходимости проводится настройка на частоту подгонкой толщины электродов или резонансного размера вибратора [3,4].

По такой технологии могут быть реализованы пьезоэлементы простых форм - в виде пластин, прямоугольных брусков, плоско-параллельных дисков, линз и т.д. В ряде конструкций в пьезоэлементе должны выполняться пазы и отверстия, для чего в отдельных случаях применяются и ультразвуковые методы обработки.

В связи с общей тенденцией миниатюризации пьезоэлементов, ужесточением допусков на обработку традиционная технология механического формообразования перестает удовлетворять требованиям и необходима разработка новых подходов. Среди наиболее перспективных направлений в области формообразования пьезоэлементов можно выделить два: технология химического формообразования [31]; ионно-плазменная технология [32].

Технология химического формообразования не является новой и широко применяется на практике. Однако только в последние годы она стала использоваться при создании пьезокварцевых элементов благодаря созданию новых эффективных травителей и процессов травления. В пьезоэлектронике получили распространение два основных вида химического травления:

сквозное, позволяющее с высокой точностью выполнять в тонких пьезозлементах (до сотен микрометров) сквозные отверстия практически любой конфигурации;

профилированное, обеспечивающее возможность реализации в пьезозлементах пазов, углублений, выступов с заданной геометрией.

Методы размерной химической обработки предусматривают широкое использование традиционной для микроэлектроники технологии фотолитографии, применения пленочных защитных покрытий [5, 14]. Эти методы позволяют сегодня обеспечить точность формообразования выше 5 мкм при сквозном травлении плоских кварцевых элементов с толщиной до 100 мкм и при химическом профилировании. Скорости травления могут быть доведены до 100 мкм/ч, что приемлемо для организации курпносерийного выпуска миниатюрных резонаторов, в частности массовых микрокамертонов для наручных часов.



0 1 2 [3] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45



0.0007