Твердотельные акустические детекторы

В настоящее время использование акустических датчиков шире, чем просто де­тектирова­ние звука. Наибольшей популярностью сейчас пользуются микровесы и устройства на поверх­ностных акустических волнах (ПАВ), реализованные на прин­ципе детектирования механиче­ских вибраций в твердых телах. Такие датчики исполь­зуются для измерения переме­щений, концентраций компонентов, механического напряжения, силы, температуры и т.д. Твердотель­ные детекторы часто входят в со­став более сложных датчиков, например, химиче­ских анализа­торов, акселерометров, датчиков давления и т.д. В химических и биологических датчиках акустические кана­лы, по которым распространяются механические волны, иногда по­крываются спе­циальными составами, вступающими в реакцию только с исследуемым вещест­вом.

Генераторы (обычно пьезоэлектрические) заставляют атомы твердых тел со­вершать виб­рационные движения вокруг положения равновесия. Соседние атомы, за счет действия восста­навливающих сил, стремятся возвратить смещаю­щиеся атомы в их исходное положение. В аку­стических датчиках внешние воздействия влияют на такие параметры распространяющихся волн, как фазовая скорость и/или коэффициент ослабления. Например, механические на­пряже­ния в теле акустических датчиков изменяют скорость распространения в них звука. В других датчиках, называемых гравиметрическими, сорбция молекул или прикрепление к ним бактерий ведет к уменьшению скорости акустической волны. А в акустических датчиках вязкости при контакте вязкой жидкости с активной зо­ной детектора упругих волн происходит уменьшение амплитуды этих волн.

Существует несколько конфигураций акустических твердотельных датчиков, различаю­щихся по типу распространения волн в материале. На рис. 6 показа­ны схемы двух вариантов датчиков: на основе волны изгиба (А) и на ос­нове ПАВ (Б). В первом случае за счет напря­жения, приложенного к ле­вой паре электродов, происходит изгибная деформация очень тонкой мембраны. Вертикаль­ное отклонение мембраны преобразуется в электрический сигнал, сни­маемый с правой пары электродов. Как правило, толщина мембраны значитель­но меньше длины волны коле­баний. Во втором случае аку­стические волны фор­мируются на поверхности относительно толстой подложки. В обоих случаях пространство между парами электродов является чувстви­тельной зоной дат­чиков, реагирующей на внешние воздействия, такие как давление, вязкость жид­кости, молекулы газа и микроскопические частицы.

При проектировании твердотельных акустических датчиков необходимо коррек­тно согла­совывать электрон­ную часть схемы с механичес­кой структурой, где распространяются волны. Такие датчики чаще всего реализуются на основе пьезоэлектри­ческого эффекта. Этот эффект носит обратимый характер. Это означает, что существует в двух направлениях: механическое напряжение ин­дyциpyeт электрические заряды, а приложенное электрическое поле вызывает на­пряжение в пьезоэлектрических кристаллах. В состав твердотельных акустичес­ких датчиков обычно входят два пьезоэлектрических преобразователя: один на передающем конце для возбуждения акустических волн, другой на принимаю­щем для преобразования акустических волн в электрические сигналы.

Сила пьезоэлектрического эффекта в твердотельных акустических датчиках зави­сит от конфигурации электродов. В датчиках на ПАВ используются гребенчатые электроды, а в преобразователях, работающих на объемных акустических волнах, проходящих через все поперечное сечение устройства, - электроды достаточно боль­шой площади, расположенные на противоположных сторонах детектора.

ПАВ-сенсоры входят в состав многих приборов, например, они используют­ся в генерато­рах в качестве времязадающих устройств. Поскольку на распростра­нение акустических волн оказывают влияние много внешних и внутренних фак­торов, полученные результаты измерений (изменения частоты выходного сигна­ла) могут быть неоднозначными и обладать большими по­грешностями. Для ре­шения этой проблемы применяют дифференциальные датчики, построен­ные на основе двух идентичных ПАВ преобразователей: один из которых является эта­лонным, а другой - чувствительным устройством, реагирующим на изменения внешних воздействий. Эталонный преобразователь экранируется от внешних сигналов, но подвергается воздействию таких общих факторов, как тем­пература, старение и т.д. Частота выходного сигнала, равная разности частот двух ПАВ преобразователей, определяется только измеряемым сигналом и не зависит от влияния других посторонних факторов.