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

3 £ 9 о.

/ / У / v.


2Л зх 4х лг [

Рис. 8.18. Измеритель микроперемещений:

а - принцип измерений с помощью зонда 3 {Вх, Вых - входной и выходной ВШП ПАВ-резонатора; О], - отражатели); б - напряженность электрического поля вблизи зонда в функции кшкроперемещвний Al; в - фазавыИ дат«к микроперемещений; г - датчик микроперемещений с частотным выходом

построения датчиков представлены на рис. 8.18,в, г. В первой из схем осуществляется преобразование микроперемещений в фазу, во второй -в частоту.

В схеме рис. 8.18,в на верхней поверхности пьеэоподложки 1 от внепшего генератора с полющью ПАВ-преобразователя 3 возбуждается бегущая ПАВ, которая через зазор (вакуум, воздух) бцагодаря напичию сопровождающего электрического поля переходит в подложку. Выходной электрический сигнал с ПАВ-преобраэователя 5 на второй пьезо-подложке поступает на фазометр б, на другой вход которого поступает сигнал опорной фазы с генератора 2. Систему из элементов 1 к4 можно рассматривать как линию задержки переменной длины или управляемый фазовращатель, набег фазы в котором меняется линейно при перемещении подложки 4 в горизонтальном направлении вдоль подложки X. Очевидно, что набегу фазы 360° соответствует перемещение на IX. Если измерять фазу с точностью 1 %, то на частоте 50 МГц это обеспечивает точность измерений около 0,3 мкм.

Более высокие разрещения обеспечивает использование автогенераторной схемы с частотным выходом (рмс. 8.18,г). Здеа. также применена комбинация из двух подложек, функционирующая как управляемая линия задержки. ПАВ-преобразователь 3 служит входным, а ПАВ-преобразователь 5 - выходным. Для возбуждения автокобеланий сигнал с выхода 5 подается на вход усилителя 6. Выход усилителя связан 254

с входным преобразователем. В такой системе изменение времени задержки Дт/т прдаводит к изменению частоты генерации

Af/f = - Дт/т = -AL/L, (8.22)

где т = i/JnAB •

Если обеспечивается точность измерения и поддержание частоты на уровне 10"*, то для типичных значений I 10 мм зто дает торог чувствительности на уровне 0,01 мкм. Зависиьюсть частоты от перелкщения показана на рис. 8.18,6. Монотонное изменение частоты происходит при перемещениях в пределах Х/2. Затем происходит переасок частоты, определяемый переходом к генерации на следующую гармонику в спектре преобразователя (более подро&ю см. [201]). Таким образом, при перемещениях, больших Х/2, необходимо подсчитывать число таких перескоков, а внутрж одной полосы фиксировать приращение частоты. В известной степени и здесь наблюдается аналогия с оптическими датчиками, основанными на счете полос интерференционной картины.

Характеризуя принцип излкрения микроперемещений, использующий пространственную периодичность ПАВ, необходимо отметить ряд трудностей его реализации. Прежде всжго, йлстрый спад электрического поля по мере удаления от поверхтости звукопровода определяет жесткие требования к размеру зазора между подложками.

На практике он должен <1жксирова-п>ся с точностью до единиц и даже долей микрон. Естественно, что зто требование оказывается приемлемо далеко не всегда и удовлетворяется только в специальных системах прецизионной механики и оптики. Серьезные проблемы возникают и при взаимном позиционировании даух подложек и по другим осям -необходима строгая пар)аллельность как рабочих плоскостей подложек, так и направлений распространения ПАВ в них. Величины рабочих перемещений, очевидно, ограничены размерами подложек.

Описанный принцип может быть использован и для измерений угловых величин. В [192] продемонстрирована возможность излкрений угловых скоростей в диапазоне от 1 об/сутки до 100 об/миН. В эксперименте использовалась подложка в виде алюминиевого кольца. Поверхностная акустическая волна в нем возбуждалась с помощью электромагнитного пр)еобразователя.

В заключение отметим, что наряду с описанными электрическими методами считывания микроперемещений можно использовать и оптические. В этом варианте приемлемо использование эффектов акустоопти-ки, связанных с изменением коэффициентов преломления под действием акустических полей.

8.13. МИКРОВЗВЕШИВАНИЕ НА ПАВ-СТРУКТУРАХ

Приборы на поверхностных волнах обладают высокой чувствительностью к присоединяемой на поверхность звукопровода массе. Это является естественным следствием двух факторов - высокой рабочей час-



тоты механических деформаций поверхности и локализации энергии акустических колебаний в тонком поверхностном слое звукопровода. Теоретический анализ эффектов присоединения микромассы на поверхности ПАВ-структуры можно найти в [199-201]. Как показьшают исследования, присоединение слоя толщиной h приводит к изменениям фазовой скорости AV/V поверхностной волны в соответствии с соотношением

= -P.kh

444 (13 + «44)

и;.и:.

(8.23)

где h - толщина осаждаемого слоя; t/j(, Uy, - нормированные коэффициенты поверхностных смещений по трем осям; pj - плотность подложки; - упругие константы присоединяемого материала; к - волновое число. При реализации ПАВ-микровесов по схеме с частотным выходом функция преобразования имеет вид

Д / = -am, где т - масса, а

27Г V

1 \

J 44

4С44 (с, 3 + С44)

(8.24)

При выводе соотношений (8.23) и (8.24) предполагалось равномерное распределение массы по звукопроводу.

Из соотношения (8.24) следует, что массочувствительность микровесов на ПАВ в отличие от микровесов на объемных резонаторах зависит от упругих свойств осаждаемого слоя. Таким образом, перед работой Нужна предварительная градуировка по исследуемому веществу, что в ряде случаев может создавать трудности. Однако этот недостаток не является решающим - в задачах газового анализа, дозиметрии, измерения толщин и скорости осаждения такая градуировка, как правило, проводится. Соотношение (8.24) указьшает на возможности оптимизации чувствительности за счет изменений материала звукопровода, среза и направления распространения, приводящих к изменению коэффициентов компонентов поверхностных смещений и, Uy, и.

Анализ показьшает, что для ПАВ-структур на пьезокварце наиболее высокую масс-чувствительность имеют Y- и 5Г-срезы. При этом для Г-среза

Д/ = -1,8 .10"*/

(8.25)

для ОАВ-микровесов в случае ЛГ-среза д/ = -2,3 -10*/w.

(8.26)

Из сравнения (8.25) и (8.26) следует, что благодаря более высоким рабочим частотам чувствительность Д Дш ПАВ-микровесов может быть на 1-2 порядка выше, чем для ОАВ. Сопоставляя порог чувствительности для микровзвепшваний на ПАВ и ОАВ, необходимо учитьшать, что кратковременная стабильность ПАВ-генератора уступает генераторам на ОАВ на порядок и более. В этой связи теоретический предел порога чувствительности по массе для ПАВ если и больше, чем для ОАВ, то незначительно и может быть оценен значением 10" - 5 -10"" г/см .

Чувствительность ПАВ-микровесов зависит от распределения массы по поверхности звукопровода. Исходя из анализа энергетики колебаний (см. § 2.3) наибольший эффект достигается при нанесении массы в зону с максимальной амплитудой колебаний. Для резонаторов на ПАВ - это резонансная полость между отражателями. Осаждение массы на отражательную решетку дает меньший эффект перестройки - удаленные от резонансной полости зоны характеризуются меньшей амплитудой колебаний. Кроме того, присоединения массы к отражателям и ВШП следует избегать и по другим причинам. Если осаждаемое вещество обладает проводимостью, то это Приводит к частичному либо полному замыканию штырей и отражателей. Если же осаждается диэлектрик, то характеристики ПАВ-структуры искажаются из-за появления паразитных емкостей между электродами или отражателями. Эффект, очевидно, тем сильнее, чем больше диэлектрическая проницаемость присоединяемого вещества.

Если диэлектрик используется в качестве сорбента, то при работе такого ПАВ-детектора выходной сигнал формируется в результате действия двух конкурирующих эффектов - изменений сорбированной массы и паразитных емкостей в результате процессов сорбции. Естественно, что подобная конкуренция является препятствием к получению воспроизводимых результатов измерений. Таким образом, присоединяемую массу целесообразно осаждать в зоны ПАВ-прибора, свободные от электродов и отражателей.

При использовании в качестве чувствительных элементов линий задержек ПАВ такие свободные зоны занимают примерно 40-70% длины подложки, в резонаторах свободных зон меньше (примерно 20 30%).

Поведение ПАВ-генераторов при больших массонагрузках [201 ]. При осаждении массы на линию задержки ПАВ в область между ВШП наблюдаются аномальные скачки частоты, проявляющиеся регулярно по мере наращивания толщины пленки. Характер изменения частоты иллюстрируется графиком рис. 8.19.

Причины перескоков частоты связаны с особенностями спектральной характеристики генератора. Спектр возможных частот генератора имеет вид, показанный на рис. 8.19,а. Интервал частот между соседними линиями спектра определяется временем задержки. В приведенном при-




0,6 о,в 1,0 /7,МКМ

Рис. 8.19. Эффект перескоков частоты:

а - спектралы1ые характеристики ЛЗ; б - изменение частоты при увеличении толщины покрытия

мере ОН равен 450 кГц. При совпадении одной из возможных частот генерации с центральной частотой амплитудно-частотной характеристики ВШП в полосу пропускания последних (~ 1%) соседние частоты спектра не попадают. В этом случае реализуется одномодовый режим работы ПАВ-генератора.

При осаждении между ВШП слоя вещества соответственно увеличивается время задержки. В этом случае спектр возможных частот генерации сдвигается по оси частот к началу координат, а центральная частота ВШП не изменяется. В результате в полосе пропускания ВШП может оказаться и соседняя, более высокая частота в спектре возможных частот генерации. Начиная с некоторого значения толщины слоя, возбуждение генератора на более высокой частоте оказьшается энергетически более выгодным, и в результате происходит перескок частоты. Амплитуда скачка, очевидно, должна равняться интервалу между соседними частотами спектра,

В соответствии с моделью рассмотренного явления, скачки частоты не должны наблюдаться при нанесении слоя вещества на всю поверхность ПАВ-структуры, поскольку в этом случае к началу координат по оси частот смещается частотная характеристики ВШП. В этом случае частота ПАВ-генератора монотонно уменьшается вплоть до срьша колебаний. Так, для ПАВ-структуры 5Г-среза частотой 56 МГц срыв генерации из-за потерь энергии в присоединенном слое происходит при толщинах осаждаемого диэлектрика (SiOj), равных 1,2-1,5 мкм. Перескоки 258

частоты характерны для автогенераторных ПАВ-датчиков. В случае выполнения приборов по схеме с фазовым или временным выходом указанный эффект отсутствует и максимальная осаждаемая масса ограничивается возможностями схемы обработки сигнала на выходе ПАВ, характеризующегося значительным ослаблением по мере увеличения массы.

При работе с вязко упругими покрытиями диапазон толщин наносимых микромасс ограничен теми же механизмами, что и в случае обьемных пьезорезонаторов (см. §2.3). Из-за более высоких частот ПАВ влияние вязкости будет, очевидно, сказьшаться при соответственно меньших толщинах покрытий. В целом же акустические свойства покрытий в случае ПАВ играют существенно большую роль в формировании отклика датчика. На использовании связи между акустическими потерями и частотой, по-видимому, возможно создание устройств акустической спектроскопии микродоз вещества, наносимых на подложку. Проводя анализ прохождения ПАВ через микромассу в широкой полосе акустических частот, можно получать ценную информацию о физико-химических свойствах анализируемого вещества.

Вопросы практического применения микровесов иа ПАВ. Основная область применения микровесов на ПАВ-экспериментальные исследования. ПАВ-микровесы преимущественно применяются в качестве сорбционных детекторов. Используются схемы с фазовым и частотным выходом. Подложки выполняются из пьезокварца либо ниобата лития. Широкие полосы пропускания преобразователей из ниобата лития, как показьтает практика [14, 193], несущественно ухудшают пороговую чувствительность микровесов. Достаточной компенсацией является большой коэффициент электромеханической связи, обеспечивающий боль-пше уровни выходных сигналов. В [198] описан детектор водорода, выполненный на линии задержки из ниобата лития с частотой 75 МГц. В качестве сорбента использовалась пленка палладия толщиной 3000 А, нанесенная в область между ВШП. Устройство было выполнено по схеме с фазовым выходом. Разность фаз на входаом и выходном ВШП фиксировалась по напряжению с выхода фазового детектора. Вид отклика при абсорбции и десорбции при комнатной температуре показан на рис. 8.20,6. По оси ординат отложены значения приращений ДК скорости ПАВ, вычисленные на основе экспериментальных замеров в соответствии с соотношением

и= lUflAV/V,

(8.27)

где и и - текущее и максимальное значения напряжения на выходе фазового детектора; / = 1,3 см - размер "пятна" палладия вдоль длины звукопровода. На рис. 8.20,6 представлен отклик при подаче 1% Hj. В качестве газа-носителя использовался азот, объемный расход 2,5 см/с. Заменой сорбционного покрытия возможно реализовать сорбционные датчики и на другие компоненты [193-199]. Исследования применений



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



0.001