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

этих температурах. По изменешям скорости в функции температуры затем рассчитываются величины T.

Как показывают многочисленные исследования [162-167], температурная зависимость времени задержки для ЛЗ на ПАВ может быть, как и в случае объемно-волновых пьезорезонаторов, представлена в виде полинома третьей степени:

т(0 = т(Го)[1 + 2 Г(">(г - to)"]. (8.18)

Аналогично для ПАВ-резонатора температурная зависимость частоты представлена в виде

(8.19)

по =/(о)[1 + 2 T"\t - to)"], п = I J

Термостабильные ПАВ-приборы. Прежде всего остановимся на пьезокварцевых преобразователях. Для них в требуемом диапазоне температур или Tf должны обращаться в нуль. Имеется большое число срезов кварца, удовлетворяющих этим требованиям. В принципе здесь представляются существенно большие возможности: при поиске могут варьироваться все три угла, определяющие свойства ПАВ. В обьемных резонаторах - две степени свободы - углы среза (р, 0; в случае ПАВ дополнительная степень свободы - направление распространения волны ф.

Однако несмотря на это, ориентации, обладающей ТЧХ, аналогичной ТЧХ АТ-среза для ОАВ, у приборов на поверхностных волнах нет. Для найденных термостабильных ориентации ТЧХ имеет вид параболы. Простейшим термо стабильным является одноповоротный 5Г-срез кварца, у которого подложка развернута вокруг оси X на угол, близкий к 42° 30 (для AT этот угол составляет ~ 35° 30, а волна распространяется вдоль оси Л-. Для 5Г-среза Г,=0; =-39,6-10- К 7> =58,3-10-2 К- (рис.8.9,а)

ТЧХ для приборов Г-среза Bap>HpyeTCH при изменениях как ориентации (/), 0, так и направления распространения ПАВ. Ниже приведены поправки к ТКЧ первого порядка ДГ при корректировке углов на Г:

dip = Г ав = I аф =1

3,5 10- 0,6 - 10

3,5 - 10

Кубической зависимостью температурного коэффициента задержки (ТКЗ) от t обладает ПАВ для среза кварца X -(-46°, однако в отличие от ЛГ-среза температуры экс.ремума у него лежат много выше ком-230

{Af/f)-lO


в° «7

39 37 35 33

20 30 40 50 60 70 80 а)


-30-10 *-10 -30 +50 +70 S)

\>

\ у/

= 0" ТНЗ=0

тю"> = о 6)

= 0°

в = Э0°

Рис. 8.9. Термочувствительность ПАВ:

а - ТЧХ Sr-cpesa; б - зависимость температуры экстремума параболической ТЧХ повернутых У-срезов; в - геомет1Жческое место точек с нулевым ТКЗ первого, второго и третьего порядков

натной. Среди семейства термо стабильных срезов далеко не все имеют практическую ценность. Для создания качественных ПАВ-приборов необходимо, чтобы угол отклонения потока энергии от направления распространения был минимален, а коэффициент электромеханической связи был достаточно большим. Одновременно эти условия, естественно, удовлетворяются не для каждой термостабильной ориентации.

В плоскости F-среза имеются два направления распространения, для которых ТКЗ равен нулю, однако практически они не используются из-за неудовлетворительных характеристик преобразователей при работе в этих направлениях.

Между Y- и 5С-срезами имеется ориентация, развернутая примерно на -1-34°, которая обладает важным свойством - для нее по двум взаимно перпендикулярным направлениям ТКЗ равен нулю, а скорости ПАВ равны между собой. Этот срез представляет практический интерес при реализации дифференциальных датчиков механических величин.

Один из путей построедая термостабильных ПАВ-приборов связан с нанесением на подложку термокомпенсирующих пленочных покрытий. Так, в случае ниобата лития }улевой ТК первого порядка достигается



для подложки повернутого на 128° У-среза при напылении на нее SiOj толщиной 0,2 X [12].

8.7. ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПАВ

Температурный коэффициент частоты первого порядка для ПАВ может достигать для пьезокварца, как показывают расчеты, 5 .10" К". Это дает повод для рассмотрения ПАВ-приборов в качестве основы высокочувствительных датчиков температуры.

Как и в случае резонаторов ОАВ, к подобным термодатчикам предъявляются требования вьюокой линейности, что обеспечивается нулевыми либо близкими к нулю значениями температурных коэффициентов т и , Теоретические и экспериментальные исследования до настоящего времени проводились в основном для пьезокварца. В результате расчетов выявлены два перспективных среза с линейной ТЧХ, полу-чивщих сокращенные наименования JCL и 157" [ 166]. Основнью характеристики этих срезов приведены в табл. 8.1. В скобках даны экспериментальные результаты. Для среза lst данные приведены для двух близких ориентации. Причинами расхождения теории и эксперимента являются влияние на ТЧХ системы металлических ВШП, а также поправки, вносимые электронной схемой и неточностями исходных констант материала. Как обычно, оптимальная ориентация может быть найдена путем экспериментальных уточнений. В отличие от ОАВ для ПАВ-приборов ТЧХ достаточно описьшать двумя температурными коэффициентами tj. и tji . Как показывают исследования, на коэффициент третьего порядка 7" оказьшают воздействие множество плохо поддающихся учету факторов, в результате чего разброс данных значительно превыщает приемлемый. Сравнивая срезы JCL и lst, можно отметить, что первый из них имеет в 1,5 раза больший коэффициент электромеханической связи, в то время как срез lst в 1,5 раза более термочувствителен. Экспериментальные значения нелинейностей N сопоставимы и имеют примерно одно значение. Практически для диапа-

Таблица 8.1

Ориентация

Углы фаза,

град

Угол направления

Кеор- м/с

распространения Ф, град

42,1

39.0

3275

11.4

59,4

35,0

3360

11,24

59.24

35,0

3360

зона -50 -г +100 °С отклонения от линейности колеблются в пределах 0,05-0,4 °С, т.е. хуже, чем у /,С-среза на ОАВ.

При конструировании ПАВ-термодатчиков возникает ряд принципиальных трудностей, ограничивающих сферу их применений. Одна из них связана с проблемой размещения электронной схемы возбуждения. Учитьшая, что рабочие частоты вьюоки - обычно 100 МГц и выше - генератор должен устанавливаться в непосредственной близости от ПАВ-структуры. Это ограничивает предельную температуру в большинстве случаев значениями 100 + 125 °С. При построении датчика по дифференциальной схеме приходится сталкиваться с проблемой стабилизации опорного ПАВ-генератора в диапазоне рабочих температур. Генераторы ПАВ пока еще существенно уступают генераторам на ОАВ в температурной стабильности.

Таким образом, линейный ПАВ-термодатчик, выполненный по дифференциальной схеме, реализуется только на сравнительно узкий температурный диапазон. В широком диапазоне температур, когда уходы опорного генератора превышают допустимые уровни нелинейности преобразования, использование срезов с линейной ТЧХ оказывается неоправданным. В этой ситуации можно использовать срезы с нелинейной ТЧХ.

Если ТЧХ термодатчика допускается нелинейной, открывается заманчивая возможность построения дифференциального датчика, сформированного на одной подложке, с применением двух ПАВ-структур с некол-линеарным направлением распространения. Так, на подложке ST-cpe-за можно сформировать две линии задержки - одну вдоль термостабильного направления X, вторую - вдоль направления с ф = 39,0 (срез JCL).

Одно из потенциальных преимуществ термодатчиков на ПАВ-возможность обеспечить конструктивными средствами хороший тепловой контакт между контролируемым объектом и тьшьной стороной подложки с ПАВ-структурой. Это выгодно отличает их от датчиков на ОАВ, низкое быстродействие которых является следствием плохой теплопередачи на пьезоэлемент. Как показывают эксперименты, вьшгрыш ПАВ-датчиков

Ориентация

fc м

Г)10"* К-

Г)10" к

Г.Ю" К"

0,21

-0,06

(18)

(-1,5)

0,10

-0,04

(28)

0,09

-0,04

-0,03

(31)

(-2,0)





о 20 «С 60 во 100

Рис. 8.10. Термодатчик на ПАВ:

а - конструкция ТЧР; б - ТЧХ датчика 15Г-среза; / - кварцевая подложка; 2 - ВШП; 3 - корпус; 4 - гермоввод; 5 - керамика; 6 - посеребренная крышка; 7 - герметизирующее уплотнение; 8 - эпоксидный клей

ПО сравнению с датчиками на ОАВ при контроле температуры поверхностей твердых тел при сопоставимых размерах составляет 20:1. Пример реализации термодатчика на ПАВ приведен на рис. 8.10 [166]. Датчик конструктивно содержит кварцевую подложку с ПАВ-преобразователя-ми, контактирующую с контролируемым объектом своей нижней поверхностью. ПАВ-преобразователь находится в герметизированном, заполненном гелием объеме; соединение с электронной схемой осуществляется через гермовводы.

Прямой тепловой контакт подложки с контролируемым объектом наряду с положительным эффектом (повышением быстродействия), очевидно, вносит и отрицательный момент - появляется паразитная чувствительность датчика к силовому взаимодействию контактирующих поверхностей. В ряде случаев снять этот эффект удается за счет использования промежуточных тонких слоев смазок с хорошей теплопроводностью. Дня нахождения универсального решения требуется выбор срезов, обладающих компенсацией по отношению к поверхностным напряжениям, аналогичных срезу SC объемных кварцевых резонаторов. Исходя из данных о стабильности современных ПАВ-генераторов, можно дать оценки разрешающей способности и временной стабильности ПАВ-термо датчиков.

Для упрощения примем, что ТКЧ ПАВ-прибора близок к 30-10* К", собственная нестабильность ПАВ-генератора за интервал в несколько секунд примерно равна 3(10-* - Ю"), а долговременная нестабильность за год - примерно 10" - 10"*. Тогда разрешающая способность ПАВ-термометра составит (10-30)- IQ-* °С, а дрейф за год 0,03-0,3 °С. Это, естественно, хуже, чем у кварцевых термометров на ОАВ, однако 234

вполне приемлемо для широкого круга задач. Следует, однако, оговориться, что речь шла об оценках потенциальных возможностей. На пути их достижения множество препятствий схемно-конструктивного и технологического плана. На сегодня вопрос о конкурентоспособности ПАВ-термодатчиков остается открытым. Среди причин, тормозящих их внедрение, остаются сравнительно высокая сложность и, конечно, большие габариты, определяемые в основном размерами подложек ПАВ.

8.8. ТЕНЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПАВ-ПРИБОРОВ

Изменения параметров ПАВ при воздействиях на подложку механических нагрузок порождаются, как и в случае с температурными воздействиями, изменениями геометрических размеров подложек, а также упругих констант и плотности, ответственных за вариации скорости ПАВ. Как отмечалось в § 2.2, чувствительность к механическим воздействиям в существенной степени определяется нелинейными упругими свойствами, которые учитьшаются в расчетах с помощью упругих модулей третьего порядка. Это дает лучшее приближение теории к эксперименту как в случае объемно-волновых резонаторов, так и для приборов на ПАВ. Однако учета одного этого фактора в случае ПАВ недостаточно. Повышение точности расчета достигается, если учитывается характер распределения статических напряжений и деформаций не только вдоль поверхности подложки, но также и вглубь.

Это играет особенно существенную роль, когда создается сложное напряженное состояние, например изгиб консоли или деформация мембраны с преобразователями ПАВ [64,155,156,158].

Как и в случае объемных резонаторов, чувствительность ПАВ к механическим воздействиям можно оценивать коэффициентами силовой чувствительности Кр, тензочувствительности К и т.п. Коэффициент тензочувствительности ПАВ у пьезокварца близок к /Г у объемно-волновых резонаторов и составляет около (1-5)10- м/Н.

Схема прямого нагружения ПАВ-преобразователя усилиями, лежащими в плоскости подложки, используется редко, поскольку для получения девиаций 0,1 % требуются значительные нагрузки (толщина ПАВ-под-ложек обычно составляет 0,5-5 мм). Тех же эффектов при меньших усилиях легко достичь применением консольных конструкций силочувствительных элементов. Как отмечалось, такая схема в случае резонаторов ОАВ практически не использовалась ввиду большой нелинейности при консольном нагружении одинарного резонатора. В случае ПАВ консольная схема дает достаточно высокую линейность и позволяет реализовать простые и высокочувствительные преобразователи на широкий диапазон номинальных нагрузок.

Эффект от механического воздействия определяется ориентацией и формой подложек, направлением распространения волны, характером прикладьшаемой нагрузки. В датчиках механических величин чаще



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



0.0101