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

ной поверхности v для волны в заданном направлении является одной из важнейших характеристик эффективности материала подложки -коэффициента электромеханической связи

(82)

Для возбуждения поверхностных акустических волн в пьезоподлож-ках в подавляющем числе случаев используются так называемые встречно-штыревые преобразователи (ВШП), представляющие систему из двух вложенных одна в другую гребенок проводящих электродов (рис. 8.1). С помощью ВШП осуществляется как прямое преобразование электрических сигналов в акустические волны, так и обратное преобразование энергии этих волн в электрический сигнал.

Каждая из решеток электродов характеризуется периодом (шагом) d, шириной а и длиной l электродов. В общем случае эти параметры могут меняться по длине решетки. При подаче между двумя решетками переменного напряжения с частотой / через пьезоэффект на поверхности подложки возникают периодически меняющиеся по знаку в пространстве механические напряжения, приводящие к возбуждению поверхностной волны. Если решетки выполняются эквидистантными (d = = const), то можно подобрать частоту возбуждающего напряжения, при которой волны деформаций, возбуждаемые между парами соседних электродов, будут синфазно суммироваться, обеспечивая наиболее эффективное преобразование электрической энергии в акустическую волну. Очевидно, что этому условию должно отвечать соотношение

/с = v/d,

(8.3)

где /j. - частота, называемая частотой акустоэлектрического синхронизма; v - скорость распространения поверхностной акустической волны; d - период решетки. Эффективность преобразования максимальна на частоте синхронизма и падает по мере удаления от нее.

ВШП является излучателем акустической энергии. Основная часть энергии излучается вдоль длины ВШП. В двухфазном ВШП (рис. 8.1) излучение происходит в две противоположные стороны. По мере удаления от края ВШП акустический пучок претерпевает расширение, величина которого связана с числом штырей преобразователя - с ростом числа штырей расхождение пучка ПАВ уменьшается.

Излучение ПАВ в двух противоположных направлениях является, как правило, нежелательным, поскольку прямо ведет к удвоению потерь при преобразовании. Для борьбы с этим явлением предложены однонаправленные преобразователи [15]. Излучение волны в нежелательном направлении приводит также и к возникновению отражений на краях пластины, что искажает характеристики устройства. Исключение влияния переотражений можно достигнуть введением демпфирующих слоев на концах звукопровода.


Рис. 8.1. Встречно-штыревой преобразователь Рис. 8.2. Принцип действия линии задержки ПАВ

Увеличение числа штырей N в ВШП существенным образом улучшает изШрательность преобразователя. Это остается справедливым до тех пор, пока не начинают сказьшаться эффекты отражения ПАВ на неодно-родностях, создаваемых на подложке самими электродами. Критические значения числа штырей Лкр, Для которых отражения начинают искажать АЧХ и ФЧХ преобразователей, зависят от величины av/v материала. Чем больше ДК/К(больше А:„), тем меньше Лр. Для пьезокварца, у которого эффект av/ v мал, Лкр ЮО 200.

Полоса пропускания Д/ ВШП характеризуется частотной зависимостью активной составляющей акустической проводимости gif). Определяя ее по нулям главного лепестка, находим

2Д/=1/,. (8.4)

Для характеристики преобразователя часто пользуются понятием акустической добротности

Q=fjaf=N, (8i)

которая численно оказьшается равной Л. Полосовые свойства ВШП ухудшаются при наличии статической емкости cj. Обычно ее влияние компенсируют подключением на вход параллельного или последовательного индуктивного элемента, обеспечивающего в контуре с емкостью cj настройку на частоту /д. Максимальная полоса пропускания преобразователя в этом случае достигается при Anj = у/1Г12к.

Линии задержки (рис. 8.2) содержат входной и выходной ВШП и область свободную от электродов. Электроды преобразователей имеют одинаковый пространственный период, число штырей и геометрия электродов могут различаться. Если расстояние между центрами ВШП равно /, а скорость распространения ПАВ составляет v, то время пробега ПАВ этого пути, называемое временем задержки, составляет т= 1/v.



Исходя из ограничений на размеры подложек, на скорости ПАВ и размеры ВШП, можно найти, что на простых подложках из пьезокварца и других пьезокристаллов можно реализовать ЛЗ с временами задержки в пределах от 1 до 100 мкс.

ЛЗ ПАВ можно реализовать с использованием непьезоэлектрических подложек (стекло, металлы, керамика и т.д.), возбуждая в них ПАВ пленочными пьезопреобразователями.

В основном применяются простейшие ЛЗ на плоских подложках с прямолинейным распространением ПАВ и постоянным по длине периодом решеток. В некоторых случаях для уменьшения уровня боковых лепестков по определенному закону изменяется размер (апертура) электродов.

ПАВ-резонаторы. В объемных пьезорезонаторах высокая добротность колебательной системы обеспечивалась благодаря эффективности механизма возврата (отражения) в объем вибратора акустической энергии, достигающей краев пьезоэлемента. В общем случае отражающими могут быть все грани пьезоэлемента, минимальное число отражающих поверхностей - две. Например, в резошторах-ппастинах с колебаниями по толщине отражателями являются две главные поверхности элемента.

Добротность резонатора ОАВ в значительной степени определяется качеством обработки этих поверхностей, в первуда очередь их шероховатостью, плоскостностью и плоско параллельностью. В частности для получения высоких значений добротности {Q « 10*) неплоскопа-раллельность пластины должна быть менее 0,1 % ее толщины. Уже на частотах 10-15 МГц это соответствует допустимому клину около 0,1 мкм. Естественно, что с ростом частоты абсолютные точности обработки отражающих поверхностей должны быть пропорционально большими, в частности, на частоте 100-150 МГц допустимый клин должен составлять уже примерно 0,01 мкм, что технологически реализовать весьма сложно.

Учитьшая, что ПАВ-приборы целесообразно использовать на частотах не ниже 30-50 МГц, становится ясным, что принцип отражения от стенки для построения ПАВ-резонаторов трудноприменим, хотя экспериментально реализуемость таких резонаторов и может быть продемонстрирована.

В резонаторах на ПАВ используется идея распределенного отражателя в виде периодических структур [ 14,15,26].

Эффект отражения возникает за счет отличия характеристического импеданса Zq невозмущенной зоны подложки, свободной от электродов, от импеданса электрода Z,. Можно показать, что для такой решетки с Л периодами коэффициент отражения R на границе ПАВ равен

Л = (1 - Tyi",

где Г=2р/(1-ьр); р= (ZJZo).

(8.6)



Рис. 8.3. Коэффициент отражения R в функции числа отражателей Л?. Параметр -отношение импедансов Zi/Zq

Рис. 8.4. Резонаторы на ПАВ:

а - одновходовый резонатор; б - двухвходовый резонатор; О - отражатель

Зависимость R (N) представлена на рис. 8.3. В качестве параметра -отношение импедансов. Видно, что практически 100%отражение достигается и При небольших отличиях импедансов при достаточно большом числе отражающих элементов. Отражатели реализуются несколькими методами. Традиционный - создание скачка импеданса нанесением металлических электродов либо других пленочных покрытий, например ZnO,, на пьезоквардевой подложке. Другой путь - ионное травление системы канавок решетки [5,15,18]. Скачок импеданса за счет модификации свойств поверхности можно создать и методами ионной имплантации и диффузии металлов.

Резонатор ПАВ, очевидно, должен содержать минимум два отражателя, предотвращающие утечку энергии из резонансной полости. Ввод энергии в полость и ее съем осуществляются с помощью ВШП. В одно-входовом ПАВ-резонаторе функции ввода и сьема энергии осуществляются одним двухфазным ВШП (рис. 8.4,д). В двухвходовом ПАВ-резонаторе (рис. 8.4,6) один из ВШП обеспечивает генерацию, а второй - прием акустических волн и их преобразование в электрический сигнал.

В ПАВ-резонаторах ВШП играют вспомогательную роль элементов связи с резонансной полостью. Частотные свойства резонатора определяются не ВШП, а частотной зависимостью коэффициента отражения отражательных решеток и избирательными свойствами самой резонансной полости. Ее размеры не совпадают с расстоянием ЛАд X между ближними краями отражателей, поскольку отражение имеет распределенный характер. Чем меньше отличие р от 1, тем глубже генерируемая в по-



лость волна заходит в отражатели, так что фактические размеры полости Лэ X оказьшаются обычно больше Лд X.

Если геометрическая длина полости Лп X = /п, а удвоенная глубина проникновения волны в решетку 2/о, то расстояние между эффективными центрами отражения Z, = Лд X = /д + 2/о. Резонанс обеспечивается при выполнении двух условий:

частота находится в полосе отражения решетки;

расстояние между центрами отражения решетки L равно целому числу полуволн иХ/2 =L.

Для одномодового режима работы резонатора в полосе отражения должен существовать только один резонанс. Дня этого необходимо, чтобы

2/о > /.

(8.7)

В общем случае улучшение согласования преобразователей позволяет снизить вносимые потери, однако при этом ухудшается добротность. В датчиках обычно стремятся сохранить высокую добротность резонаторов и идут на рассогласование преобразователей с внешними цепями.

8.3. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ДАТЧИКОВ НА ПАВ

В приборах на ПАВ нашли применение пьезоэлектрические монокристаллы, пьезокерамика и слоистые системы, представляющие комбинацию из непьезоэлектрической подложки и пьезопленки, предназначенной для возбуждения и приема ПАВ. Слоистые системы в виде пьезо-подложки и диэлектрической пленки позволяют реализовать преобразователи с повышенной температурной стааиьностью [12,14,18].

В традиционных применениях ПАВ материалы должны иметь: малые акустические потери; большую эффективность электромеханического преобразования; высокую температурную стабильность, низкую скорость распространения ПАВ, которая достигается при определенных толщинах пленки.

На практике наиболее широкое применение получили пьезокварц, ниобат и танталат лития, германат висмута, берлинит, пленки нитрида алюминия, окиси цинка, сульфида кадмия.

В датчиках на ПАВ преимущественно используется пьезокварц, а из сильных пьезоэлектриков - ниобат лития. Перспективным представляется использование в качестве материалов подложек - звукопроводов для ПАВ монокристаллического кремния, технология формообразования для которого достигла в последние годы высокого уровня. В этом случае для возбуждения ПАВ применяют пьезоэлектрические пленки ZnO [5].

8.4. СХЕМОТЕХНИКА ПАВ-ДАТЧИКОВ

ПАВ-датчики строятся в основном по схеме с частотным выходом [160]. Основа частотных датчиков - автогенератор, в качестве частотозадающего элемента используется линия задержки или резонатор на ПАВ. Как правило, используется дифференциальная схема с двумя автогенераторами и формирователем сигнала разностной частоты.

В ряде применений ПАВ-датчики вьшолняются по схеме с фазовым выходом [190, 26].

Простейшая схема рис. 8.5 ,д содержит единственную линию задержки (ЛЗ) и генератор опорной частоты. Фазометр измеряет набег фазы Д(р между входом и выходом. Недостаток схемы - зависимость времени задержки и разности фазы Д(р не только от полезного воздействия на ЛЗ, но и от дестабилизирующих факторов, например температуры. Этот недостаток в значительной мере устраняется в дифференциальных схемах (рис. 8.5,б,в) . В схеме рис. 8.5,6 одна из линий задержки является рабочей, перестраиваемой измеряемым воздействием, вторая-опор-ная. Благодаря тому что ЛЗ размещены на одной подложке и коллине-арны, их реакция на температурные воздействия, приводящие к фазовым сдвигам, практически идентична. Эффект влияния температуры может быть ослаблен в 10-1000 раз, и разность фаз на выходе от температуры практически не изменяется.

По дифференциальному принципу построена и схема рис.8.5,е. Однако здесь сравнение фаз осуществляется для сигналов низкой частоты. Это дает заметное повышение в точности измерения фазы по сравнению с измерениями на высокой частоте. Перенос сигналов в низкочастотную


<

Рис. 8.5. Схемы ПАВ-датчиков с фазовым выходом



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



0.0055