Поверхностных акустических волн

Поверхностные акустические волны (ПАВ) находят широкое применение при разработке фильтров и линий задержек, применяемых в радиотехнических устрой­ствах. В последнее время ПАВ используются также при разработке измерительных преобразователей.

Известно несколько видов ПАВ, наиболее часто на практике применяют волны Релея. Смещение частиц твердого тела при распространении волны Релея в напра­влении оси Х иллюстрируется рис. 2-22, а. Как видно из рис. 2-22, а, волны распро­страняются вблизи границы твердого тела и затухают почти полностью на расстоя­нии z от поверхности, примерно равном длине волны l. Одной из основных причин возрастающего интереса к ПАВ является именно сосредоточенность энергии в тонком слое, так как благодаря этому к технологии изготовления ПАВ-элемента предъ­является лишь одно требование – тщательная обработка рабочей поверхности, по которой распространяется акустическая волна.

Для возбуждения ПАВ на поверхность пьезоэлемента наносятся гребенки встречно включенных электродов (рис. 2-22, б), представляющие собой встречно-штыревой преобразователь (ВШП), имеющий шаг l₀= l. При подключении напряжения к электродам ВШП под ними вследствие обратного пьезоэффекта происходят смещения частиц и возникает ПАВ, распространяющаяся в обе стороны. Если при этом длина волны совпадает с шагом ВШП, то вследствие суперпозиции колебаний, возникающих под каждой парой электродов, суммарная энергия ПАВ достигает максимума; если длина волны не совпадает с шагом ВШП, энергия ПАВ уменьшается и при определенном соотношении между l и l₀ волна за пределами ВШП может пол­ностью погаситься.

Для приема энергии ПАВ используется второй ВШП, также имеющий шаг, равный длине волны. На электродах приемного ВШП вследствие прямого пьезоэффекта возникают заряды и появляется напряжение. Линия задержки состоит из входного и выходного ВШП. В первом приближении оба ВШП можно рассматривать как локальные электроды, расположенные на расстоянии L, равном расстоянию между геометрическими центрами ВШП. Время задержки t равно времени прохож­дения акустической волны между ВШП, т. е.

t = L/u,

где u = – скорость распространения ПАВ; E_ij – константа уп­ругости; r – плотность материала.

В кварце Y-среза скорость распростра­нения ПАВ равна u= 3159 м/с; таким образом, при L = 10 мм время задержки со­ставляет около 3 мкс. Длина волны l определяется скоростью распространения uичастотой возбуждения волн и составляет l= u/f. Современная технология обеспечивает возможности создания ВШП с ша­гом до l₀ = 10 мкм; таким образом, рабочие частоты ПАВ могут лежать в диапазо­не до 300 МГц.

Рис. 2-22

ПАВ-структура может быть использована в качестве частотозадающего элемента автогенератора (рис. 2-22, в); при этом, как следует из условия баланса фаз (фазовыми сдвигами в электрических цепях пренебрегаем), на длине L должно укладываться целое число волн. Фазочастотная характеристика линии задержки опре­деляется как j (w)= –wt. Значение эквивалентной добротности определяется формулой:

и составляет Q_экв= pw₀tL/(2l).

Длина L ограничена размерами ПАВ-структуры и затуханием энергии ПАВ и не превышает L = 500l; таким образом, добротность равна Q_экв»10³.

Изменение времени задержки ПАВ-структуры под воздействием внешних фак­торов используется в измерительных преобразователях с частотнымвыходом. При изменении t относительное изменение частоты генератора составляет

Dw/w₀=–Dt/t₀.

Изменение времени задержки t = L/u определяется изменением длины L и фазовой скорости uи равно

Dt/t= DLIL–DЕ_ij/(2E_ij) + Dr/(2r).

Изменение времени задержки может происходить при механических деформациях ПАВ-структуры, под воздействием температуры, при нагружении поверхности тонкими пленками (толщина пленки h' < 0,1 l), при изменении зазора d между поверхностью распространения ПАВ и токопроводящим экраном (d < 1). Соот­ветственно на базе ПАВ-структур могут быть созданы преобразователи для изме­рения механических величин (Dt/t–до 1%), температуры (Dt/t–до 1%), микроперемещений, для микровзвешивания и исследо­вания параметров тонких пленок (Dt/t–до 10%). При бесконтактной системе возбуждения ПАВ-преобразователи могут быть использованы также для измерения перемещения объекта, вызывающего пе­ремещение одного из ВШП и приводящего к изме­нению L.

Рис. 2-23

Возможности построения на ПАВ-структурах преобразователей для измерения механических ве­личин подробно исследованы в МИФИ В.М. Макаровым и В.В. Маловым, ими же разработан ряд преобразователей для измерения сил, давлений и ускорений. Схематическая конструкция акселеро­метра на ПАВ-структуре показана на рис. 2-23. На консольной балке 2 закреплена инерционная масса 3. Балка выполнена из кварца, и на верхней поверхности балки методами планарной технологии нанесены ВШП с числом электродов N_возб= 150 и N_прием=50. На пластине 1 размещены электронные элементы измерительной цепи. Собственная частота балки f₀ » 750 Гц, чувствительность акселерометра S » 0,1 (кГц·с²)/м, предел измерения до 350 м/с², погрешность g » 0,5%.