Електрофізичні та адсорбційні явища в кристалічних діелектриках та шаруватих структурах при поширенні поверхневих акустичних хвиль

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. І.І. МЕЧНИКОВА

УДК 621.37/39:534

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ТА АДСОРБЦІЙНІ ЯВИЩА В КРИСТАЛІЧНИХ ДІЕЛЕКТРИКАХ ТА ШАРУВАТИХ СТРУКТУРАХ ПРИ ПОШИРЕННІ ПОВЕРХНЕВИХ АКУСТИЧНИХ ХВИЛЬ

Спеціальність 01.04.10 -- Фізика напівпровідників та діелектриків

ЛЕПІХ Ярослав Ілліч

Одеса --2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському державному університеті ім. І.І.Мечникова.

Науковий консультатнт доктор фізико-математичних наук, професор Сминтина Валентин Андрійович, Одеський державний університет ім. І.І.Мечникова, ректор університету.

Офіційні опонентидоктор фізико-математичних наук, професор, член.-кор. НАН України Литовченко Володимир Григорович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, керівник відділення фізики поверхні напівпровідників та мікроелектроніки;

доктор фізико-математичних наук, професор, Кучеров Іван Якович, Київський Національний університет ім. Тараса Шевченка, професор кафедри фізики;

доктор фізико-математичних наук, професор, Курмашов Шаміль Джамашович, Одеський державний університет ім. І.І.Мечникова, завідувач лабораторією.

Провідна установа Львівський національний університет ім. Івана Франка, фізичний факультет, Міністерства освіти і науки України, м. Львів.

Захист відбудеться 27 квітня 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.051.01. Одеського державного університету ім. І.І.Мечникова (65026, м. Одеса, вул. Дворянська, 2).

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Одеського державного університету ім. І.І.Мечникова.

Автореферат розісланий 10 жовтня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 41.051.01

кандидат фіз.-мат. наук Федчук О.П.

Загальна характеристика роботи

акустичний хвиля акустоелектронний перетворювач

Актуальність теми. Різноманітність фізичних явищ, що виникають в процесі генерації, поширення та детектування поверхневих акустичних хвиль (ПАХ) в кристалічних діелектриках та шаруватих структурах, взаємодія їх з хвилями іншої фізичної природи є важливим об'єктом наукових досліджень і джерелом значного числа методів створення високоефективних за виконуваними функціями і унікальних за технічними характеристиками акустоелектронних пристроїв (АЕП). Розробка і удосконалення фізико-математичних моделей зустрічно-штирьового перетворювача (ЗШП), дослідження властивостей деяких п'єзодіелектриків дозволили досягнути в лабораторних розробках окремих типів АЕП рекордних параметрів. Однак, незважаючи на ґрунтовну проробку окремих проблем, в даний час багато явищ і фізичних механізмів в області акустоелектроніки залишаються не вивченими, що не дозволяє повною мірою реалізувати великі потенційні можливості цього наукового напрямку. Досягнуті на даний час наукові успіхи в акустоелектроніці стосуються головним чином розробок пасивних пристроїв. Дослідження ж останніх років показали, що значні перспективи акустоелектроніки пов'язані із створенням керованих функціонально гнучких АЕП. Це дозволить суттєво збільшити кількість виконуваних АЕП функцій, забезпечить виконання ними більш складних функцій за менший проміжок часу при мінімальних масогабаритних параметрах, збільшивши таким чином їх "інформаційну ємність" та функціональну гнучкість.

Дослідження в цьому напрямку, що почались в 70-х роках, одержали бурхливий розвиток в останнє десятиліття, що обумовлено також обґрунтованими прогнозами отримання значних практичних результатів по створенню нового покоління інтелектуальних сенсорів, котрі в загальному випадку також можуть бути віднесені до класу керованих АЕП. В перших роботах по керуванню характеристиками АЕП використовувалось явище каналювання ПАХ за допомогою створюваних на поверхні звукопровода хвильоводів з меншою, ніж в звукопроводі, швидкістю поширення ПАХ [1 -- 3]. Найбільш успішним виявилось використання хвильоводу типу DV/V. Згодом Діас і Kappeр [3] дослідили тензоефект в монокристалічному п'єзозвукопроводі, а Ю.В. Гуляєв із співробітниками [4] з метою управління характеристиками і створення акустоелектронних підсилювачів дослідив вплив електричного поля на поширення ПАХ. Представники мінської школи акустоелектроніки під керівництвом В.М. Дашенкова [5] дослідили принцип керування акустичним пучком, застосувавши акустичний дефлектор з керуючою наругою U=±230В. В дисертації Е.К. Грищенка [6] досліджувалось керування, що базується на явищі вторинної п'єзоелектричної взаємодії. Керування акустичною взаємодією в шаруватій структурі напівпровідник - п'єзоелектрик - напівпровідник досліджувалось вченими Київського національного університету ім. Тараса Шевченка під керівництвом І.Я.Кучерова [7].

Однак до початку роботи над дисертацією навіть граничні можливості досліджених фізичних методів не дозволили досягнути рівня їх практичного використання в конкретних виробах. Недостатньо велике керування робочою частотою (в кращому випадку в межах 3%) не дозволило їм успішно конкурувати з пристроями, побудованим на інших фізичних принципах.

Одночасно з дослідженнями фізичних методів керування велись роботи по дослідженню властивостей нових кристалографічних зрізів традиційних п'єзомонокристалів і створенню нових моно- і полікристалічних діелектриків, електрофізичні властивості яких дозволили б суттєво збільшити ступінь керування параметрами акустичних хвиль і внаслідок цього - характеристиками АЕП.

Серед останніх досить перспективними вважаються матеріали нового класу - монокристалічні полідоменні сегнетоеластики-сегнетоелектрики, насамперед молібдат гадолінія (GMO) [8]. В цьому випадку ефект керування досягається шляхом зміни фундаментальних властивостей матеріалу -- перебудовою доменної структури під дією зовнішніх фізичних полів. Однак розвиток цього напрямку робіт стримується суттєвими відмінностями експериментальних даних різних авторів та значними складнощами теоретичного аналізу процесу акустодоменної взаємодії в структурах GMO під дією зовнішніх полів (такі роботи фактично відсутні).

Крім GMO перспективи акустоелектроніки пов'язуються із створенням більш досконалих складів п'єзокераміки, шаруватих структур, комплексних сполук германію, п'єзонапівпровідникових шаруватих структур класу А2В6, а також мономолекулярних шарів Ленгмюра-Блоджетт (Л-Б).

Досягнуті в дослідницьких роботах успіхи і надії на мистецтво технологів заслонили одну із важливих наукових проблем, що стосується забезпечення розрахункових характеристик АЕП в умовах серійного виробництва, відмінність яких від реально одержуваних обумовлена дією електрофізичних явищ, пов'язаних з неминучими технологічними похибками топології ЗШП. Більша частина рішень цієї проблеми має або поодинокий характер, або має смисл вибору обхідних шляхів, наприклад, збільшенням значень електричних параметрів з урахуванням технологічного запасу. Складність проблеми обумовлена тим, що число параметрів топології, які підлягають впливу похибок у загальному випадку переважають кілька десятків і вони не можуть бути скомпенсовані ні вибором фізичних методів, ні конструктивно-технологічними рішеннями внаслідок їх випадкового характеру.

Найбільш розвиненим у вирішенні цієї проблеми в даний час є підхід [9], що використовує метод Монте-Карло. Однак такий підхід має обмеження по оптимізації конструкції ЗШП, обумовлені відсутністю зв'язку результатів статистичної обробки з фізичними джерелами похибок, відсутністю чітких критеріїв достатності накопиченої статистики та значним обсягом обчислювальних витрат.

Таким чином, 1) дослідження властивостей перспективних для акустоелектроніки діелектричних матеріалів та шаруватих структур; 2) вивчення електрофізичних та адсорбційних явищ при поширенні в них ПАХ; 3) пошук і розробка на їх основі ефективних фізичних методів керування параметрами АЕП; 4) забезпечення відповідності їх експериментальних параметрів розрахунковим є актуальними задачами фізики напівпровідників та діелектриків, які також мають важливе практичне значення з точки зору більш широкої реалізації потенційних можливостей акустоелектроніки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Постановка задачі і результати досліджень пов'язані з науково-тематичними планами пріоритетних наукових напрямків Одеського державного університету ім. І.І. Мечникова, затвердженими наказом № 181-18 від 08.02.93 р., НДР "Дослідження електронно-молекулярних явищ на поверхні напівпровідникових шарів і розробка наукових основ фізико-хімічних процесів в напівпровідникових сенсорах", № ДР 0194U044420; НДР "Розробка технології отримання люмінесцентних матеріалів для оптоелектроніки на основі сполук А2В6" № ДР 0197U44415; Координаційним планом Міністерства освіти України "Фізика конденсованого стану, включаючи метали, напівпровідники, діелектрики і рідини. Вплив зовнішніх факторів на електронні, йонні і молекулярні явища і процеси в об'ємі, на поверхні та межах розділу напівпровідників і діелектриків", затвердженим наказом Міністра № 37 від 13.02.97 р., НДР "Дослідження електронно-молекулярних явищ на поверхні напівпровідників і створення наукових основ розробки сенсорів для реєстрації складу газового середовища", № ДР 0197U008970; з Комплексною цільовою науково-технічною програмою "Наука - 2000", затвердженою наказом Міністра машинобудування військово-промислового комплексу і конверсії № 470 від 17.03.94 р., НДР "Розробка і дослідження газочутливих сенсорів, побудованих на останніх досягненнях акустоелектроніки і молекулярної електроніки", № ДР 0194U030528; з Міжгалузевою науково-технічною "Програмою розвитку найбільш конкурентоспроможних напрямків мікроелектроніки в Україні", розробленою за дорученням Президента України від 24.06.98 р. № 1 - 14/473 і КМ України від 30.06.98 р. № 12586/2, в розробці якої брав участь здобувач і членом Координаційної ради якої він є.

Мета і задачі дослідження.

Метою дисертаційної роботи є встановлення закономірностей електрофізичних і адсорбційних явищ в кристалічних діелектриках та шаруватих структурах, що виникають при поширенні в них ПАХ, і розробка на їх основі фізичних методів ефективного керування характеристиками акустоелектронних пристроїв.

Досягнення поставленої мети здійснювалось проведенням досліджень за трьома взаємопов'язаними напрямками:

- дослідження нових класів та тих, які традиційно використовуються для перетворювачів і звукопроводів кристалічних діелектриків і шаруватих структур;

- дослідження електрофізичних і адсорбційних явищ при поширенні ПАХ і фізичних методів керування параметрами акустоелектронних пристроїв на ПАХ;

- розробка методів аналізу і врахування впливу випадкових відхилень топології ЗШП на характеристики акустоелектронних пристроїв.

У відповідності до поставленої мети і означених напрямків досліджень вирішувались наступні задачі:

. Дослідження структурних і електрофізичних параметрів, акустичних властивостей ряду перспективних для акустоелектроніки моно- і полікристалічних діелектриків, комплексних сполук германію, а також шаруватих структур типу А2В6/п'єзоелектрик, Л-Б плівка / п'єзоелектрик, їх температурних і частотних залежностей.

. Дослідження електрофізичних і адсорбційних явищ при поширенні ПАХ в кристалічних діелектриках і шаруватих структурах за умов:

- впливу анізотропії пружних параметрів і акустичних властивостей в кристалах кварцу на процеси збудження, поширення і детектування ПАХ;

- генерації, поширення і перетворення акустичних хвиль в дискретно шаруватій структурі тверде тіло -- рідина -- тверде тіло;

- селективної поляризації сегнетокераміки;

- тензоефекта в структурах ПАХ з п'єзокерамічним звукопроводом;

- оптоакустичної взаємодії у фоточутливих п'єзонапівпровідникових шаруватих структурах CdS/LiNbO3, InSb/LiNbO3.

. Побудова фізико-математичних моделей, які визначають взаємозв'язок зовнішніх факторів при поширенні ПАХ в шаруватих структурах з характеристиками пристроїв.

. Розробка методів аналізу і врахування впливу на розрахункові характеристики АЕП на ПАХ електрофізичних явищ, обумовлених випадковими відхиленнями топології ЗШП і оптимізація методики їх синтезу.

. Розробка і дослідження перспективних конструктивно-технологічних рішень, які базуються на результатах досліджень електрофізичних властивостей діелектричних матеріалів, фізичних методів керування характеристиками ПАХ і аналізі впливу похибок топології ЗШП, що забезпечують створення конкурентоспроможних керованих функціонально гнучких акустоелектронних пристроїв і сенсорів.

Методи досліджень. Для досліджень структурних характеристик і фазового складу поверхневих шарів кристалічних діелектриків і шаруватих структур використовувалась система рентгеноспектрального мікроаналізу і електронної мікроскопії Сamebax Micro фірми Сameca (Франція). Оптичні характеристики шаруватих структур комплексонатів германію досліджувались з допомогою спектрофотометра Perkin-Elmer. Електрофізичні параметри діелектриків і шаруватих структур вимірювались за допомогою ємнісного методу і методу чотирьох зондів з використанням стандартних вимірювальних приладів. Коефіцієнт електромеханічного зв'язку п'єзоелектриків, залежність фазової швидкості ПАХ від кута між хвильовим вектором і кристалографічною віссю п'єзомонокристала, швидкість поширення ПАХ, вносимі втрати сигналу для ПАХ Релея, вимірювались за допомогою розробленого в рамках дисертації оригінального методу і автоматизованої вимірювальної установки на основі безконтактного способу збудження і детектування ПАХ. Експериментальні дослідження амплітудних і фазових профілів ПАХ проводились з допомогою оптичного зондування поверхні звукопроводів на оптоакустичній установці. Температурні і частотні залежності електрофізичних параметрів матеріалів досліджувались на спеціально розроблених установках з використанням стандартної контрольно-вимірювальної апаратури. Оцінка результатів теоретичних досліджень проводилась методами машинного моделювання на ЕОМ і співставленням їх з результатами експериментальних досліджень характеристик дослідних зразків пристроїв.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

Встановлено взаємозв'язок між структурою, електрофізичними параметрами і акустичними характеристиками кристалічних діелектриків та шаруватих структур. Одержано і систематизовано нові дані про електрофізичні параметри, акустичні характеристики для ПАХ Релея (коефіцієнт електромеханічного зв'язку, діелектрична проникність, швидкість поширення ПАХ, коефіцієнт згасання ПАХ, залежність швидкості ПАХ від кута між хвильовим вектором і кристалографічною віссю), їх температурні і частотні залежності ряду перспективних для акустоелектроніки діелектриків та шаруватих структур - кристалів кварцу, п'єзокераміки системи цирконату - титанату свинцю (ЦТС) різних марок, структур А2В6/ п'єзоелектрик, плівка Ленгмюра-Блоджетт / п'єзоелектрик, плівки комплексонатів германію, які в сукупності є основою для створення нового класу керованих функціонально гнучких акустоелектронних пристроїв.

Виявлені особливості і встановлені закономірності генерації, поширення і детектування ПАХ Релея в шаруватих структурах п'єзопасивний діелектрик з ЗШП - вакуум - анізотропний п'єзоелектрик, які пов'язані з міханізмом взаємодії електромагнітного поля з п'єзоелектриком і залежністю в ньому швидкості ПАХ від кута між хвильовим вектором та кристалографічною віссю.

На основі одержаних результатів досліджень закономірностей збудження і детектування ПАХ Релея в шаруватій структурі п'єзопасивний діелектрик - вакуум - анізотропний п'єзоелектрик запропоновано і обґрунтовано новий метод керування параметрами ПАХ, який став базовим для нового класу функціонально гнучких керованих пристроїв на ПАХ.

Встановлені фізичні механізми збудження, поширення та детектування акустичних хвиль і керування їх характеристиками в шаруватих структурах тверде тіло - рідина - тверде тіло, фоточутливий п'єзонапівпровідник - п'єзоелектрик, в тензочутливій структурі ЗШП на п'єзокераміці, а також в селективно поляризованій п'єзокераміці, які дозволили в 2-3 рази підвищити ступінь керованості характеристиками акустоелектронних пристроїв у порівнянні з аналогами.

Розроблена і обґрунтована математична модель, яка відображає закономірність взаємодії процесів адсорбції - десорбції і поширення ПАХ в інтегральних шаруватих структурах, що складаються з елементів на ПАХ і адсорбційних шарів, в тому числі плівок Ленгмюра - Блоджетт, і на її базі розвинуто метод створення інтелектуальних сенсорів газу нового покоління.

Вперше виявлено, досліджено і пояснено явище осциляції електричної провідності при температурах 80 °С, 110 °С і 140 °С нижче температури фазового переходу (295 °С ) в сегнетокераміці ЦТССт-5. Фізичний механізм явища обумовлений релаксаційними процесами 90-градусних доменів та роллю крапкових дефектів, які стимулюються дією температурного поля.

Розроблено і апробовано новий метод аналізу і врахування, а також встановлені закономірності впливу випадкових відхилень топології зустрічно - штирьових перетворювачів на характеристики пристроїв на ПАХ. Визначена ступінь чутливості класичної структури пристрою на ПАХ до випадкових відхилень топології ЗШП для 16 найбільш часто використовуваних при аподизації вагових функцій.

Одержана і досліджена нова вагова функція, яка базується на теоремі Котельникова і зв'язку імпульсної характеристики зустрічно - штирьового перетворювача ПАХ з його передаточною характеристикою, яка враховує дискретизацію і обмеженість імпульсної характеристики і забезпечує досягнення більш високих параметрів, ніж традиційно використовувані вагові функції.

Практичне значення одержаних результатів.

Результати досліджень електрофізичних і адсорбційних явищ в кристалічних діелектриках і шаруватих структурах, дослідження ЕФП і акустичних властивостей діелектриків, а також їх температурних і частотних залежностей дозволяють суттєво розширити реалізацію потенційних можливостей акустоелектроніки за рахунок створення нових класів керованих функціонально гнучких акустоелектронних пристроїв.

Розроблений метод керування характеристиками пристроїв на ПАХ, що базується на анізотропії фазової швидкості в п'єзомонокристалах і безконтактному збудженні ПАХ, є базовим для нового класу керованих функціонально гнучких акустоелектронних пристроїв з уніфікованим перетворювачем і з суттєво більш високим (в 6 - 8 разів) ступенем керованості параметрами в порівнянні з аналогами.

Запропонований і розроблений аналітичний метод аналізу і врахування випадкових похибок топології ЗШП дозволяє мінімізувати чутливість до них характеристик пристроїв і визначити необхідний і достатній рівень вимог до використовуваної технології.

Результати досліджень ступеню чутливості до похибок топології ЗШП для 16 найбільш широко використовуваних при аподизації вагових функцій затабульовані і використовуються в стандартних програмах проектування.

Практична значимість одержаних результатів досліджень підтверджується також створенням низки оригінальних і принципово нових конструктивно-технологічних рішень акустоелектронних перетворювачів, дослідних зразків керованих акустоелектронних пристроїв на ПАХ та сенсорів різного призначення. Значна частина результатів впроваджена на підприємствах України і Росії. Зокрема ВАТ "НВО "Хартрон" (м. Харків) передано для організації серійного виробництва фільтра на ПАХ комплект конструкторської (СКИГ.431141.001) і технологічної документації (СКИГ. 40101. 00029) (акт передачі від 19.07.1995 р.). Підприємству НТЦ "Сенсофт" (м. Москва, Росія) передані для впровадження зразки модулів датчиків тиску на ПАХ (акт здачі-приймання від 26.12.1991 р.). В НДІРВ (м. Харьків) впроваджено з II кв. 1995 р. установку поляризації п'єзокераміки "Полюс" (акт від 01.03.99 р.). ВАТ "СКТБ "Елемент" (м. Одеса) впровадило в ряді розробок датчиків фізичних величин метод керування характеристиками пристроїв на ПАХ і метод аналізу впливу випадкових похибок топології ЗШП в системі автоматизованого проектування фільтрів на ПАХ (акт від 14.07.99 р.). МНВВП "Дієз" (м. Львів) впровадило методи керування характеристиками пристроїв на ПАХ з анізотропними звукопроводами при створенні датчиків тиску (акт від 10.04.99 р.).

Впровадження результатів дисертації забезпечило досягнення позитивних техніко-економічних показників.

Особистий внесок здобувача.

Більша частина опублікованих наукових праць, в яких відображено основний зміст дисертації, виконана здобувачем самостійно [2, 6, 8, 11-20, 22, 24, 26, 28, 37-41, 43-47]. Здобувачем особисто вперше була запропонована та обговорювалась на Республіканській конференції "Акустоелектронні та фотоакустичні методи дослідження речовин" [6] і Всесоюзній науково-технічній конференції "Акустоелектронні пристрої обробки інформації на поверхневих акустичних хвилях " [38] ідея використання для керування характеристиками АЕП на ПАХ анізотропії фазової швидкості ПАХ в монокристалічних п'єзо-електриках з використанням безконтактного методу генерації і детектування ПАХ, який розроблявся в подальших роботах самостійно і в співавторстві, як методологія створення нового класу функціонально гнучких керованих АЕП.

Здобувачем особисто виявлено і досліджено явище осциляцій електричної провідності в сегнетокераміці при певних температурах і дано йому пояснення [13, 20]. Ним самостійно було запропоновано і обґрунтовано методи керування характеристиками АЕП на ПАХ, які базуються на оптоакустичній взаємодії [18], тензоефекті в п'єзокерамічному звукопроводі [19], селективній поляризації сегнетокераміки [14, 28], а також метод підвищення селективності газочутливих сенсорів з шаруватими структурами i елементами на ПАХ [22].

В співавторстві з академіком РАН Ю.В.Гуляєвим і провідним інженером П.А.Снегуром здобувачем було запропоновано, досліджено і реалізовано метод керування характеристиками АЕП, який базується на явищі перетворення ПАХ в дискретно шаруватій структурі тверде тіло-рідина-тверде тіло [31, 33].

В спільних роботах [1, 4, 5, 7, 9, 10, 21, 23, 25, 37, 43] особистий внесок здобувача полягає в постановці задач, участі в розробці методик досліджень, аналізі результатів, формулюванні висновків і підготовці матеріалів до публікації. В спільній роботі [3] здобувач приймав участь у виготовленні експериментальних зразків сенсорів, проведенні досліджень і аналізі їх результатів.

В спільних роботах [27, 28, 30 -36] особистий внесок здобувача полягає в участі у розробці суттєвих відмінностей винаходів, проведенні експериментальної перевірки рішень, складанні формули та опису винаходу, а також в участі у експертних засіданнях патентного відомства.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались і обговорювались на XIII Всесоюзній конференції по акустоелектроніці та квантовій акустиці (м. Київ, 1986 р.); XII Всесоюзній науковій конференції по мікроелектроніці (м. Тбілісі, 1987 р.); Виїзній науковій сесії Наукової ради по проблемі "Акустика" відділення загальної фізики і астрономії АН СРСР (м. Одеса, 1987 р.); Всесоюзній школі-семінарі "Пристрої акустоелектроніки" (м. Москва, 1988 р.); Всесоюзній науково-технічній нараді "Шляхи удосконалення напівпровідникових і діелектричних матеріалів електронної техніки" (м. Одеса, 1988 р.); Всесоюзній науково-технічній конференції "Дослідження і розробка сучасних радіоелектронних елементів і пристроїв" (м. Рига, 1989 р.); XIV Всесоюзній конференції "Акустоелектроніка і фізична акустика твердого тіла" (м. Кишинів, 1989 р.); Республіканській науковій конференції "Акустоелектричні і фотоакустичні методи дослідження речовини" (м. Київ, 1989 р.); Міжнародній конференції по електронній кераміці "ЕСРР-90" (м. Рига, 1990 р.); Всесоюзній науково-технічній конференції "Акустоелектронні пристрої обробки інформації" (м. Черкаси, 1990 р.); 35 Міжнародному науковому колоквіумі (Німеччина, Ільменау, 1990 р.); XV Всесоюзній науковій конференції "Акустоелектроніка і фізична акустика" (м. Ленінград, 1991 р.); XI Всесоюзній акустичній конференції (г. Москва, 1991 г.); Всесоюзній науково-технічній конференції "Кераміка в народному господарстві" (м. Суздаль, 1993 р.); Міжнародній науковій конференції по молекулярній електроніці і біокомп'ютерам (США, м. Батерсбірг, 1993 р.); XVI Всесоюзній науковій конференції "Акустоелектроніка і фізична акустика" (м. Сиктивкар, 1994 р.); Міжнародній науково-практичній конференції "Фундаментальні проблеми сучасної п'єзоелектроніки" (м. Ростов-на-Дону, 1995 р.); Міжнародному науковому семінарі "Фізика сегнетоелектриків-напівпровідників (IMSF-7)" (м. Ростов-на-Дону, 1996 р.); Міжнародному науковому симпозіумі "Акустоелектроніка, керування частотою і генерація сигналів" (м. Москва, 1996 р.); V Міжнародній науково-практичній конференції "Фундаментальні проблеми п'єзоелектричного приладобудування" (м. Барнаул, 1996 р.); IV Міжнародній конференції "Сенсори для контролю випромінювань" (м. Одеса, 1997 р.); III Міжнародній науковій конференції по телекомунікаціям (м. Одеса, 1997 р.); Міжнародній конференції "Весна сенсорів в Одесі" (м. Одеса, 1998 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано в 47 наукових працях, в тому числі: 26 статей в наукових журналах і збірниках наукових праць, 11 доповідей та тез доповідей в збірниках матеріалів наукових конференцій, симпозіумів і семінарів, 10 авторських свідоцтв на винаходи, список яких наводиться в кінці автореферату.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 280 найменувань і 3-х додатків на 25 сторінках. Вона викладена на 336 сторінках, включає 109 рисунків та 24 таблиці.

Основний зміст роботи

У вступі дана загальна характеристика роботи: обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, формулюється мета і задачі досліджень, наводяться наукова новизна і практичне значення результатів роботи, приводяться відомості про апробацію результатів досліджень, структуру та обсяг дисертації. Огляд літератури дається безпосередньо у вступній частині кожного розділу дисертації. Там же формулюються мета і задачі досліджень, результати яких складають зміст розділів.

Перший розділ дисертації присвячений дослідженням структурних і електрофізичних параметрів, акустичних і оптичних властивостей ряду моно- і полікристалічних діелектриків -- кварцу ST- і Y-зрізів, п'єзокераміки системи ЦТС марок ЦТССт-5, ЦТС-42, ПКР - 53М, PZT-2 (фірми Murata, Японія), комплексних сполук германію з багатоосновними органічними кислотами.

Дослідження швидкості і профілю фронту ПАХ проводились за допомогою фотоакустичної установки з лазерним зондом з довжиною хвилі . Скануванням лазерного променю по нормалі до вектора фазової швидкості були визначені профілі фронту ПАХ, а зміщення такого зрізу від генеруючого ЗШП -- форму пучка і дифракцію. Встановлена суттєва залежність фазової швидкості ПАХ від кута між кристалографічною віссю SiO2 і хвильовим вектором.

Для експериментальних досліджень ЕФП п'єзоелектриків для хвиль Релея запропоновано і розроблено оригінальний метод та автоматизований прилад, що базуються на безконтактному способі збудження та детектування ПАХ. Необхідність нового методу полягає, зокрема, в тому, що в існуючій практиці (міжнародні стандарти) коефіцієнт електромеханічного зв'язку Кр - основний параметр п'єзоматеріалів, визначають методом "резонанса - антирезонанса" для одного з напрямків п'єзотензора, частіше за все е33, що відповідає п'єзомодулю d33. В ряді випадків, коли, наприклад, вектори поляризації матеріалу і збуджуючого акустичні коливання електричного поля не співпадають по напрямку, такий метод не дає необхідної точності значень Кр. Така ситуація має місце при використанні п'єзоелектричних пластин з поляризацією по товщині в акустоелектронних пристроях на ПАХ Релея з ЗШП. В запропонованому методі визначення V, а через неї Кр, як відносну зміну швидкості поширення ПАХ на вільній і металізованій поверхні п'єзоелектрика - , базується на тому, що між її величиною і частотою збудження існує однозначний зв'язок.

Оскільки для еквідистантного ЗШП період розташування електродів ЗШП постійний, то зміна може бути викликана тільки однозначною зміною V і, таким чином, значення V можна одержати шляхом вимірювання . Конструкцією безконтактного перетворювача ПАХ передбачена можливість зміни орієнтації поздовжньої осі системи ЗШП відносно кристалографічної осі чи геометричної грані звукопроводу. Використовуючи резонансну структуру ЗШП можна визначати діелектричну константу п'єзоматеріалу. Експериментально одержана залежність величини фазової швидкості Vф від кута між її хвильовим вектором і кристалографічною віссю для SiO2 ST- і Y-зрізів показана на рис. 1 (ліва симетрична частина). Видно, що діапазон зміни Vф достатньо великий, перевищує одержаний Дж.Фарнеллом для ніобату літія (для LiNbO3 YZ-зрізу - 8,2 %, а для SiO2 ST-зрізу - 12,7 %) і відзначається більшою лінійністю і відсутністю крапки, в якій її перша похідна графіка залежності міняє свій знак (~70°). Характер залежності та її параметри дозволили нам запропонувати (1989 р.) ідею використання анізотропії фазової швидкості ПАХ для керування характеристиками АЕП на ПАХ. Дослідження метода керування, який базується на анізотропії Vф і безконтактному способі генерації і детектування ПАХ, описані в розділах 2 і 4 дисертації.

Далі наводяться результати комплексних досліджень п'єзокераміки марок ЦТССт-5, ЦТС-42, ПКР-53М, PZT-2. Визначені ЕФП для ПАХ Релея - коефіцієнт електромеханічного зв'язку Кр, швидкість поширення ПАХ V, діелектрична проникність , коефіцієнт згасання ПАХ, а також їх частотні та температурні залежності.

Встановлено, що в п'єзокераміці має місце неоднорідність значень ЕФП по площі пластини. Зокрема величина V може відрізнятися до 5% між партіями пластин, а на різних ділянках однієї пластини стандартного розміру 60х48 мм може сягати 3%. Для вивчення причин такої розбіжності ЕФП були проведені дослідження мікроструктури і стехіометричності приповерхневого шару п'єзокерамік з допомогою рентгеноспектрального мікроаналізу і електронної мікроскопії. Дослідження показали наявність в приповерхневому шарі мікровключень випадковим чином розташованих по поверхні пластини. Структура мікровключень близька до структури типу перовскиту, що дало підстави для припущення про те, що вони являють собою сегнетоелектричну фазу PbTiО3. Аналіз елементного складу вкраплень підтвердив припущення. Однак в силу випадкового розташування по поверхні підкладки, а також суттєвої різниці між розмірами вкраплень і площі, яку займає ЗШП надійної кореляції між розбіжностями значень V, і фазовим складом приповерхневого шару ЦТС не встановлено.

Слід зазначити, що хімічний склад п'єзокерамік допускає можливість існування різних по структурі і складу кристалічних фаз, співвідношення між якими визначається умовами отримання матеріалу (температура, тиск, склад атмосфери). Кожна фаза має свій енергетичний розподіл електронного і йонного стану, що може відзначатись на ЕФП матеріалу. Наявність аморфної фази ускладнює картину.

В п'єзокераміці велику роль відіграють також міжзеренні межі. Всі ці обставини ускладнюють інтерпретацію результатів досліджень, однак можна вважати, що розбіжності стехіометричності складу і фазової неоднорідності призводять до відмінності пружних констант по осі поляризації та інших напрямках, наслідком чого є утворення локальної анізотропії акустичних властивостей, яка може мати макроскопічний характер в залежності від співвідношення довжини акустичної хвилі і характерного розміру аномалій. Разом з тим очевидними є відмінності між ЦТС і PZT-2 по густині і пористості (див. рис. 2 і рис. 3), що може бути однією з причин розбіжності ЕФП. Підтвердженням цього слугують результати досліджень частотних і температурних залежностей ЕФП п'єзокерамік.

Структура п'єзокераміки вносить основний вклад в загальні втрати сигналу, які обумовлені розсіянням на межах зерен і пор, на відміну від монокристалів, де втрати на поширення ПАХ обумовлені головним чином дифракцією фронту хвилі. Дослідження частотних залежностей внесених втрат сигналу в звукопроводі ПКР-53М, зокрема, показали, що для неї має місце різке зростання їх біля 30 МГц, яке досягає 10 дБ/см. Для PZT-2 таке зростання наступає вище 50 МГц. Залежність втрат від відносної смуги пропускання ЗШП Df/f для п'єзокерамік в межах від 1% до 10% носить лінійний характер. Одержані частотні залежності втрат сигналу можуть бути використані при виборі матеріалу звукопроводу для АЕП на ПАХ.

Дослідження температурних властивостей п'єзокерамік показали, що по температурній стабільності ЕФП вони перевищують ряд широко використовуваних в акустоелектроніці п'єзокристалів, зокрема, температурний коефіцієнт частоти (ТКЧ) для п'єзокераміки ПКР-53 М і PZT-2 не перевищує 60Ч10-6 °С-1, що в 1,5 рази менше ніж для LiNbO3 YZ-зрізу.

В процесі досліджень температурної залежності електричного опору у п'єзокераміки ЦТССТ-5 виявлено явище осциляцій її провідності, виражене періодичними коливаннями величини опору поблизу температур 80 °С, 110 °С і 140 °С і далеко від температури фазового переходу даної п'єзокераміки (295 °С). Явище спостерігається без гістерезису і відзначається стабільністю при багаторазових циклах "нагрів-охолодження" (рис. 4).

Фізичний механізм осциляцій провідності п'єзокераміки полягає в наступному. В процесі поляризації під дією зовнішнього електричного поля (напруженість 5 кВ/мм) і температури (140 °С) доменна структура сегнетокераміки виводиться із стану рівноваги, перебудовується і приймає в результаті руху 90-градусних доменів і доменних меж нове положення, яке однак венергетичному відношенні є нестійким.

Пружні повертаючи сили врівноважуються статичним електричним полем перерозподілених під дією зовнішнього поля зарядів крапкових дефектів і 180-градусних доменів. Нестійкість такого стану призводить до того, що при дії більш сильного зовнішнього поля будь якої природи, в даному випадку теплового, 90-градусні домени релаксують і при певних умовах, які мають місце в даному випадку, їх зворотній рух до положення мінімуму термодинамічного потенціалу системи настільки сильний, що вони проскакують стійке положення, а потім знову, повертаючись назад, проскакують його за рахунок енергетичного підживлення зовшінього поля. 90-градусні домени являють собою жорсткі диполіі з вектором спонтанної поляризації Р. Зміна Р в часі приводить до виникнення електричного струму провідності, обумовленого рухом зв'язаних зарядів, густина якого дорівнює

. (1)

Це і спричиняє осциляції електричної провідності сегнетокераміки, виявленої нами в ЦТССт-5.

Величина такого струму визначається кількістю і розмірами доменів, які приймають участь в коливальному процесі.

Описаний механізм осциляцій підтверджуєтся методом акустичної емісії, за допомогою якого зареєстровано акустичні сигнали, що супроводжують процес перебудови внутрішньої структури сегнетокераміки.

Концептуально фізична модель осциляцій електричної провідності сегнетокераміки при певній температурі відповідає експериментальним даним Літтла і Фоусека, які встановили, що рух 90-градусних доменів носить релаксаційний характер і суттєво залежить від крапкових дефектів.

Далі в першому розділі наводяться результати досліджень методу селективної поляризації п'єзокераміки. Метод дозволяє створювати в звукопроводі поляризовані області з різними геометричними формами і різними по модулю і напрямках векторами поляризації, проводити зважування ЗШП з постійною довжиною електродів і таким чином керувати характеристиками АЕП в процесі їх виготовлення. При цьому досягається більш висока точність реалізації розрахункових характеристик пристроїв на ПАХ за рахунок зниження впливу вторинних ефектів, обумовлених нерівномірністю металізації робочої поверхні звукопроводу по фронту ПАХ. Поперечно-поздовжна поляризація забезпечує також зниження внесених втрат сигналу, а також сигналу прямого проходження.

Далі наводяться результати досліджень нового класу матеріалів на основі комплексних сполук германію з багатоосновними органічними кислотами -- комплексонатів германію (КГ). Вони здатні утворювати з водних розчинів при кімнатній температурі оптично прозорі плівки. Виміри спектрів пропускання, зокрема, матеріалів Ba-Ge-Dtpa і Ge-Oedph-NН4FЧHF показали, що у видимій і ближній інфрачервоній (ІЧ) областях спектру їх плівки мають коефіцієнт пропускання близький до 100%. Структурні дослідження і електричні вимірювання підтверджують наявність в плівках КГ при певних товщинах доменної будови і п'єзоелектричних властивостей.

Електричний опір оптично прозорих плівок КГ при наявності в них тільки Ge і Oedph або Dtpa перевищує 1010 Ом. Введення в розчин деяких сполук, наприклад NH4FЧHF, винної чи янтарної кислот дозволяє знизити опір до 1,5Ч108 Ом, а введення неорганічних домішок, наприклад BaCO3, приводить до збільшення опору. Діелектрична проникність плівок КГ досить мала і для різних складів лежить в межах 3 -- 8, що свідчить про високу симетрію молекулярної будови сполук.

Виявлені сорбційні властивості плівок КГ до деяких хімічних елементів газового середовища, що детально показано в розділі 4 дисертації.

Другий розділ присвячений дослідженням електрофізичних явищ в діелектриках та шаруватих структурах, які виникають в них при поширенні ПАХ, а також фізичним методам керування характеристиками АЕП на їх основі. Досліджуються генерація, поширення і детектування ПАХ в структурах: п'єзоелектрик - вакуум - п'єзопасивний діелектрик; тверде тіло - рідина - тверде тіло; фоточутливий напівпровідник на п'єзоелектрику, а також тензоефект в структурі ЗШП на п'єзокерамічному звукопроводі.

Як показано в першому розділі, кутова залежність фазової швидкості ПАХ Релея в SiO2 ST-зрізу є досить суттєвою і сягає в межах змін кута ±35° більше ніж 12%. Для використання анізотропії фазової швидкості в п'єзомонокристалах з метою керування характеристиками АЕП запропоновано застосувати метод безконтактного збудження і детектування ПАХ.

Проведені теоретичні та експериментальні дослідження безконтактного збудження і детектування ПАХ в структурі із звукопроводом SiO2 ST-зрізу. Задача розв'язувалась в постановці, що геометрично представлена на рис.5.

П'єзозвукопровід, по якому поширюється ПАХ Релея представлено у вигляді напівпростору із ізотропного лінійного матеріалу. Система координат вибрана таким чином, щоб поверхня напівпростору, що межує з вакуумом, співпадала з площиною уz, а напівпростір знаходився в напрямку х<0. На висоті h над поверхнею напівпростору розташовано розподілене джерело електромагнітного поля, яке характеризується векторами Е, В і збуджує в ньому ПАХ Релея, яка поширюється в напрямку z>0. Внаслідок п'єзоелектричної взаємодії хвиля Релея породжує як в п'єзоелектрику, так і в вакуумі неоднорідне електромагнітне поле, що поширюється вздовж межі. Розглядається випадок чистої хвилі Релея, що досить точно реалізується при не надто високих частотах, які доцільно використовувати в таких структурах. Припускається, що конструкція приймального перетворювача така, що може без спотворення реєструвати електромагнітне поле хвилі Релея за межами п'єзоелектричного середовища.

Розв'язуючи систему рівнянь, яка складається з рівнянь механічних зміщень, рівнянь стану і рівнянь Максвела для квазістатичного наближення при умові нерозривності на межі розділу потенціалу j і електричного зміщення D, а також рівності нулю компонент механічних наружень для відносної ефективності перетворення ПАХ Релея від нормованої відстані між площиною структур ЗШП і поверхнею п'єзозвукопровода одержано

, (2)

де Евп - відносна амплітуда перетвореного сигналу на відстані ЗШП від п'єзозвукопровода h і h=0 відповідно;

k - хвильове число.

На рис.6 приведено графік відносної ефективності перетворення ПАХ розрахованої для п'єзокварца - 1. На цьому ж рисунку приведено графік такої ж залежності одержаний експериментально - 2, а також, розрахований для п'єзоелектрика з діелектричною проникністю e в ~10 разів більшою ніж у SiO2, але з тією ж швидкістю ПАХ Релея. З рис. 6 видно задовільне співпадання розрахункової та експериментально одержаної залежності (з врахуванням e повітря). Видно також, що для сильних п'єзо-електриків величина проміжку між ЗШП та п'єзоелектриком є більш критичною ніж для слабих п'єзоелектриків.

Одержано також залежність ефективності перетворення ПАХ від напруженості електричного поля на ЗШП.

Використання кутової залежності фазової швидкості в анізотропному п'єзозвукопроводі і безконтактного методу збудження ПАХ, що дозволяє в 6-8 разів в порівнянні з аналогами збільшити керованість характеристиками пристроїв на ПАХ, покладено в основу створення нового класу керованих акустоелектронних пристроїв на ПАХ різного функціонального призначення.

Далі в дисертації розглянуто явище поширення і перетворення акустичних хвиль в дискретношаруватій структурі тверде тіло - рідина - тверде тіло. Геометрично задача поширення акустичних хвиль в такій структурі подібна до зображеної на рис. 5 з заповненням рідиною проміжку між напівпростором п'єзоелектрика і діелектричною пластиною.

В загальному випадку швидкість поширення ПАХ в п'єзоелектричній пластині має величину V1, в рідині - Vр і верхній пластині -V2. Характеристики поширення акустичних хвиль можна одержати визначивши для кожного середовища фізичні константи: для твердого середовища знизу l1, m1, r1, для рідини lр і rр, і для верхнього - l2, m2, r2, а також взявши до уваги залежність швидкості акустичної хвилі в рідині від товщини її шару.

Задачу можна суттєво спростити, допускаючи величини V1, Vр, V2, а точніше їх співвідношення відомим. За тверде тіло верхнього і нижнього напівпросторів прийнято кварц, а в якості рідини - воду, що задовольняє більшості практичних задач.

Вибравши початок координат в середині рідкого шару товщиною 2h, розглядаючи випадок поширення плоскої хвилі в напрямку х, швидкість поширення V незалежною від у, але залежною від товщини шару в довжинах хвиль kh, її значення можна одержати з дисперсійного рівняння, яке для даного випадку має вигляд:



(3)

де Y і F - параметри, що визначаються фізичними та акустичними властивостями відповідно верхньої та нижньої пластин шаруватої структури.

Результати досліджень представлені на рис.7. По осі ординат відкладені значення швидкості нормованої по швидкості акустичних хвиль у воді, а по осі абсцис - нормована по l товщина шару води. Суцільними лініями показані результати числових розрахунків, а результати експериментальних досліджень показані кружечками, з чого видно їх добру узгодженість.

Дослідження тензоефекта для управління характеристиками ПАХ проводились в структурі ЗШП на п'єзокерамічному звукопроводі ЦТС-42. При теоретичних дослідженнях враховувалась залежність зміни частоти ПАХ-елемента, обумовленої зміною пружних властивостей і густини матеріалу, і нехтувалось зміною лінійних розмірів звукопроводу.

Справедливість такого підходу підтверджена хорошою відповідністю експериментальних і теоретичних результатів. Одержано більш високу ефективність перетворення механічного навантаження в електричний сигнал в такій структурі порівняно з монокристалічними звукопроводами (~ в 2 рази). При цьому залежність робочої частоти елемента від величини діючої сили для оптимальної товщини звукопровода рівній 1 мм має більшу лінійну ділянку, а крутизна залежності, відповідна тензочутливості, становить 70 Гц/Н.

Встановлено також, що оптимальною з точки зору співвідношення сигнал/шум відстанню ЗШП від місця консольного закріплення звукопроводу є відстань, яка визначається виразом

, (4)

де W -- апертура ЗШП;

n -- просте непарне число;

l -- довжина хвилі.

В цьому ж розділі дисертації описані результати досліджень метода керування характеристиками АЕП, який базується на явищі оптоакустичної взаємодії вшаруватій структурі фоточутливий напівпровідник - п'єзо-електрик. В запропонованому методі (рис. 8) генерація ПАХ здійснюється в шаруватій структурі (CdS/SiO2) шляхом послідовного перетворення в фоточутливому шарі п'єзонапівпровідника CdS модульованого світла в фотострум, а фотоструму в ПАХ.

Модульований на робочій частоті пучок світла, випромінюваний джерелом 1 через фокусуючий пристій 2, падає на прозорий металевий електрод 6, який утворює з шаром 7 випрямляючий контакт, збіднений носіями заряду. По суті елементи 5, 6 і 7 утворюють фотодіод з бар'єром Шоттки, який має контакт 8 з п'єзонапівпровідником 5. В фоточутливому п'єзонапівпровіднику 5 світло збуджує фотоелектрони і фотодірки. Електричне поле в бар'єрі Шоттки, яке формуєтся джерелом зміщення розділяє фотоелектрони і фотодірки, генеровані в шарі, в результаті чого виникає фотострум, який протікає між омічним контактом 8 і електродом 6 через напівпровідник 5 і шар 7 і зовнішній мережі 9. Частота фотоструму відповідає частоті модуляції світла, що падає на п'єзонапівпровідник, а фотострум збуджує ПАХ з частотою фотоструму. Зміна інтенсивності освітлення фотодіода приводить до зміни товщини шару 7, збідненого носіями заряду, який є акустично активним шаром. Освітлення здійснювалось на довжині хвилі l=0,53 мкм. Пікова інтенсивність змінювалась в межах від 1 до 105 Вт/см2.

Третій розділ дисертації присвячено дослідженням впливу випадкових відхилень топології ЗШП на характеристики пристроїв на ПАХ.

Розроблений нами аналітичний метод, на відміну від використовуваних підходів на базі метода Монте-Карло, дозволяє чітко визначити статистичні параметри характеристик фільтрів в залежності від характеру похибок топології ЗШП і в десятки разів скоротити обчислювальні витрати при їх розрахунках. Дослідження проведені на прикладі вузькосмугових фільтрів, що містять класичну систему двофазних ЗШП на п'єзозвукопроводі, які є найбільш чутливими до вторинних ефектів, обумовлених ЕФП і похибками топології. У відповідності до запропонованого методу для математичної моделі ЗШП з двома d-функціями комплексна перехідна характеристика (ПХ) при наявності випадкових похибок по апертурі електродів і періоду їх розташування має вигляд:

, (5)

де W - апертура ЗШП;

N - число d-джерел;

ai - коефіцієнт аподизації (амплітуда d-джерела, рівна довжині перекриття сусідніх електродів);

w - кругова частота;

xi - координата d-джерела;

sх - середньоквадратичне відхилення координат виготовленої структури від розрахункових;

V - швидкість ПАХ;

Sai, Sti - незалежні нормально розподілені випадкові числа [0;1].

Показано, що при wStisx/V<<1, що має місце на практиці, для ЗШП з розрахунковою симетричною імпульсною характеристикою (ІХ) у випадку нормального розподілення похибок квадратурні складові ПХ мають нормальне розподілення і справедливо:

, (6)

де Н0 - розрахункова комплексна ПХ ЗШП;

sRE і sIM -- середньоквадратичне відхилення дійсної і уявної частин ПХ відповідно, їх величини визначаються по значеннях параметрів структури і sх;

SRE, SIM - незалежні нормально розподілені випадкові числа [0;1].

Показано, що за межами головної пелюстки ПХ для ЗШП з симетричною ІХ для широкого діапазону частот виконується:

(7)

При цьому двомірне розподілення ПХ на комплексній площині переходить в узагальнене розподілення Релея для модуля ПХ, параметри якого визначаються значеннями Н0 і sRE, що дозволяє замінити подвійне чисельне інтегрування однократним і суттєво знизити обчислювальні витрати.

Обчислення моментів статистичного розподілу ПХ, використовуваних для побудови меж поля допуску проводилось по правилу 3s. Аналіз значень sRE і sIM показує, що вони збільшуються з ростом частоти, і відхилення координат викликають більші відхилення ПХ, ніж коефіцієнтів аподизації, що аналітично пояснює результати, одержані методом Монте-Карло.

Співставлення точності і ефективності запропонованого аналітичного методу і методу Монте-Карло проведено на прикладі еквідистантного аподізованого по функції Кайзера і розрідженого з періодом 3Чl/2 ЗШП. Довжина хвилі становила l=2,06Ч102sх, а апертура W=104sх, що відповідає частотному діапазону до десятків МГц і двохступеневому способу виготовлення пристроїв на ПАХ. Співставлення результатів, одержаних двома методами при розрахунку перехідної характеристики, показує їх ідентичність в межах заданої похибки, що демонструє гістограма її першої бокової пелюстки.

Однак розрахунки на ЕОМ по аналітичному методу потребували менше 1 хвилини, а методом Монте-Карло -- більше 55 хвилин. Шляхом обчислення верхньої межі поля допуску визначена ступінь стійкості до похибок найбільш широко використовуваних при аподизації ЗШП вагових функцій Дирихле, Фейєра, Ланцоша, Гауса-Вейєрштраса, Барсилона-Темеша, Хемінга, Кайзера і Дольфа-Чебишева. Крім того, використовувались різні значення їх параметрів, що дозволило розглянути 16 різних функцій аподизації.

Встановлено, що найменш чутливою до випадкових похибок є функція Дольфа-Чебишева, за нею - функція Кайзера, а потім Барсилона-Темеша. Однак функція Дольфа-Чебишева має викиди на краях, що важко реалізувати на практиці, тому оптимальною з точки зору мінімальної чутливості ПХ до випадкових похибок слід вважати функцію Кайзера. Одержані дані затабульовані і використовуються в якості довідкового матеріалу при проектуванні пристроїв на ПАХ різного призначення.

З метою покращення характеристик пристроїв на ПАХ, в яких використовується аподизований ЗШП на основі теореми Котельникова і з врахуванням зв'язку імпульсної характеристики з перехідною через перетворення Фур'є одержана і досліджена нова віконна (вагова) функція, яка враховує дискретизацію і обмеженість імпульсної характеристики.

Функція має вигляд:

, (8)

де Si - інтегральний синус;

а - параметр, причому 0<a<1;

n - кількість електродів ЗШП, розташованих з кожного боку від центрального;

- коефіцієнт, рівний відстані між сусідніми парами електродів у довжинах хвилі.

Показано, що ця функція забезпечує досягнення більш швидкого згасання сигналу за смугою пропускання ПХ (на 7 дБ) і значнішого зменшення бокових пелюсток (на 5 дБ) ніж функція Кайзера.

Четвертий розділ дисертації присвячений проблемам практичної реалізації одержаних в попередніх розділах результатів досліджень.

З метою реалізації метода керування характеристиками пристроїв на ПАХ, що базується на анізотропії фазової швидкості ПАХ в п'єзоелектриках і безконтактному збудженні та детектуванні ПАХ розроблено уніфікований перетворювач , що став базовим елементом для нового класу керованих функціонально гнучких АЕП.

...