Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

"Пензенский Государственный Университет"

Факультет приборостроения, информационных технологий и электроники

Кафедра "Физика"

Курсовая работа

по дисциплине: "Физика твердого тела"

на тему: "Поверхностные акустические волны в кристаллах"

Выполнил: Борисов Д.А.

Проверил: к.ф-м.н., к. т. н. Евдокимов С.В.

Пенза 2017 год

Содержание

• Введение
• 1. Поверхностные акустические волны
• 2. Поверхностные акустические волны на границах разделов различных тел
• 3. Акустические волны в изотропном твёрдом теле
• 4. Акустические волны в анизатропном упругом твёрдом теле
• 5. Методы возбуждения (приёма) поверхностных акустических волн
• 5.1 Возбуждение (приём) поверхностных акустических волн с использованием пьезоэлектриков
• 5.2 Возбуждение (приём) поверхностных акустических волн вне пьезоэлектрических материалов
• 6. Применение поверхностных акустических волн в технических устройствах
• Заключение
• Использованная литература

Введение

Исследование поверхностно-акустических волн - относительно новое направление в физике. Достаточно сказать, что отсчет истории этих исследований можем вести с открытия в 1885 г. Релеем волн с вертикальной поляризацией. А такой вид поверхностно-акустических волн, как клиновые был открыт только в 1972 г., когда человечество уже летало в космос, овладело энергией атома.

Тем не менее, устройств, в основу которых положены эффекты поверхностных акустических волн, ежегодно в мире выпускается около 10 миллиардов. Без этих устройств не обходится практически ни один мобильный телефон, телевизор и радиоприемник. Результаты научных исследований акустических свойств твердых тел находят широкие практические применения в акустоэлектронике и акустооптике, в ультразвуковой дефектоскопии, сейсмологии и в других областях, что предопределяет актуальность развития данного научного направления.

Актуальность выбранной темы предопределяется тем, что для современного научного работника, инженера исследование поверхностно-акустических волн сулит возможность разработки и практического использования принципиально новых и высокоэффективных устройств в самых различных областях техники. Существенное значение эти исследования имеют и как достойный самого пристального внимания опыт формирования методов и процедур исследовательской деятельности.

Вышесказанное и предопределило выбор поверхностно-акустических волн как предмета данной курсовой работы.

Объект исследования - поверхностно-акустические волны.

Целью работы будет:

Определить, что представляют из себя поверхностно-акустические волны и каким основным закономерностям подчиняется их распространение;

Обобщить опыт исследования поверхностно-акустических волн в современной науке; на базе обобщения рассмотреть применимость практическую применимость результатов исследований;

Рассмотреть применение результатов исследований поверхностно акустических волн в образцах техники.

Новизна данного исследования предопределяется тем, что в работе определены основные источники информации о поверхностно-акустических волнах. Новизна также проявляется в комплексном рассмотрении данных указанных источников в совокупности с анализом достигнутых ими результатов.

Методология достижения поставленных целей исследований представлена комплексным подходом, представляющим собой совокупность структурно-функциональных методов исследования с привлечением методов, основанных на изучении теории поверхностно акустических волн и их математического описания.

1. Поверхностные акустические волны

Поверхностные акустические волны - это упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной поверхности твёрдого тела или вдоль границы твёрдого тела с другими средами и затухающие при удалении от границ. Поверхностные акустические волны бывают двух типов: с вертикальной поляризацией, у которых вектор колебательного смещения частиц среды в волне расположен в плоскости, перпендикулярной к граничной поверхности (вертикальная плоскость), и с горизонтальной поляризацией, у которых вектор смещения частиц среды параллелен граничной поверхности и перпендикулярен направлению распространения волны. Рассмотрим классификацию поверхностно-акустических волн более подробно.[1].

Волны Рэлея - распространяются вдоль границы твердого тела с вакуумом или достаточно разряженной газовой средой. Энергия их локализована в поверхностном слое толщиной л до 2л, где л - длина волны. Частицы в волне движутся по эллипсам, большая полуось которых перпендикулярна границе, а малая и - параллельна направлению распространения волны (рисунок а). Фазовая скорость волн Рэлея c_k?0,9c_t, где c_t - фазовая скорость плоской поперечной волны.

Рисунок 1 - волны Рэлея.

Рассмотрим случай, когда волна Рэлея на границе твердого тела и жидкости. Если скорость звука в жидкости с_a меньше скорости звука c_k в твёрдом теле (это справедливо почти для всех реальных сред), то на границе твёрдого тела и жидкости возможно распространение затухающей волны рэлеевского типа. Эта волна при распространении непрерывно излучает энергию в жидкость, образуя в ней отходящую от границы неоднородную волну.

Рисунок 2 - Рэлеевские волны на границе твёрдого тела и жидкости

Фазовая скорость данной поверхностной акустической волны с точностью до процентов равна c_k, а коэффициент затухания на длине волны ~ 0,1, т. е. на пути 10л волна затухает примерно в е раз. Распределение по глубине смещений и напряжений в такой волне в твёрдом теле подобно распределению в рэлеевской волне.

Незатухающая поверхностная акустическая волна возникает на границе жидкости и твёрдого тела всегда и распространяется вдоль границы с фазовой скоростью, меньшей скорости с_a волны в жидкости и скоростей продольных c_l и поперечных c_t волн в твёрдом теле. Эта поверхностная акустическая волна, являясь волной с вертикальной поляризацией, имеет совершенно другие структуру и скорость, чем рэлеевская волна. Она состоит из слабо неоднородной волны в жидкости, амплитуда которой медленно убывает при удалении от границы, и двух сильно неоднородных воли в твёрдом теле (продольной и поперечной). Благодаря этому энергия волны и движение частиц локализованы в основном в жидкости, а не в твёрдом теле.

Рисунок 3 - Незатухающие поверхностные акустически волны

Поверхностно-акустические волны Стоунли распространяются на границе двух твёрдых сред, плотности которых и модули упругости не сильно различаются. Эта волна состоит как бы из двух рэлеевских волн (по одной в каждой среде). Вертикальная и горизонтальная компоненты смещений в каждой среде убывают при удалении от границы так, что энергия волны оказывается сосредоточенной в двух граничных слоях толщиной ~л. Фазовая скорость волн Стоунли меньше значений с_l и с_t в обеих граничных средах.



Рисунок 4 - Волны Стоунли

Волны с вертикальной поляризацией могут распространяться на границе твёрдого полупространства с жидким или твёрдым слоем или даже с системой таких слоев. Если толщина слоев много меньше длины волны, то движение в полупространстве примерно такое же, как в рэлеевской волне, а фазовая скорость поверхностной акустической волны близка к c_k. В общем случае движение может быть таким, что энергия волны будет перераспределяться между твёрдым полупространством и слоями, а фазовая скорость будет зависеть от частоты и толщи слоев.[2].

Волны Лява - поверхностные акустические волны с горизонтальной поляризацией. Распространяются на границе твёрдого полупространства с твёрдым слоем.



Рисунок 5 - Поверхностно-акустические волны Лява

Это волны просто поперечные: в них имеется только одна компонента смещения v, а упругая деформация в волне представляет собой чистый сдвиг. Смещения в слое (индекс 1) и в полупространстве (индекс 2) описываются следующими выражениями:

v₁=Acos^-1s₁(h-z)•cos s₁(h-z)•sin(щt-kx),

v₂=e^(s₂^{z)sin(щt-kx)},

где t - время,

щ - круговая частота,

s₁=(k_t1²-k²)^1/2,

s₂=(k²-k_t2²)^1/2,

где k - волновое число волны Лява,

h - толщина слоя,

А - произвольная постоянная.

Из выражений для v₁ и v₂ видно, что смещения в слое распределены по косинусу, а в полупространстве - экспоненциально убывают с глубиной. Глубина проникновения волны в полупространство меняется от долей л до многих л в зависимости от толщины слоя h, частоты щ и параметров сред. Само существование волны Лява как поверхностной акустической волны связано с наличием слоя на полупространстве: при h > 0 глубина проникновения волны в полупространство стремится к бесконечности и волна переходит в объёмную. Фазовая скорость с волн Лява заключена в пределах между фазовыми скоростями поперечных волн в слое и полупространстве c_t1 < с < c_t2 и определяется из уравнения:

,

где c_t1 и c_t2 - волновые числа поперечных волн в слое и полупространстве соответственно,

с₁ и с₂ - плотности слоя и полупространства соответственно,

з²=c_t2²/c²

Из уравнения видно, что волны Лява распространяются с дисперсией: их фазовая скорость зависит от частоты. При малых толщинах слоя, когда щh/c_t2>0, з>1 т. е. фазовая скорость волны Лява стремится к фазовой скорости объёмной поперечной волны в полупространстве.

При щh/c_t2 много больше 1, волны Лява существуют в виде нескольких модификаций, каждая из которых соответствует нормальной волне определённого порядка.

На границах кристаллов могут существовать всё те же типы поверхностных акустических волн, что и в изотропных твёрдых телах, только движение в волнах усложняется. Вместе с тем, анизотропия твёрдого тела может вносить качественные изменения в структуру волн. Так, на некоторых плоскостях кристаллов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, волны типа волн Лява, подобно волнам Рэлея, могут существовать иа свободной поверхности (без присутствия твёрдого слоя). Это электрозвуковые волны Гуляева - Блюштейна.[1]

Наряду с обычными волнами Рэлея в некоторых образцах кристаллов вдоль свободной границы может распространяться затухающая волна, излучающая энергию вглубь кристалла (вытекающая волна).

Наконец, если кристалл обладает пьезоэффектом и в нём есть поток электронов (пьезополупроводниковый кристалл), то возможно взаимодействие поверхностных волн с электронами, приводящее к усилению этих волн.

На свободной поверхности жидкости упругие поверхностные акустические волны существовать не могут, но на частотах ультразвукового диапазона и ниже там могут возникать поверхностные волны, в которых определяющими являются не упругие силы, а поверхностное натяжение. Это - капиллярные волны.

Ультра- и гиперзвуковые поверхностные акустические волны широко используются в технике для всестороннего неразрушающего контроля поверхности и поверхностного слоя образца, для создания микроэлектронных схем обработки электрических сигналов и т. д. Если поверхность твёрдого образца свободная, то применяются рэлеевские волны. В тех случаях, когда образец находится в контакте с жидкостью, с другим твёрдым образцом или твёрдым слоем, рэлеевские волны заменяются другим соответствующим типом поверхностных акустических волн.[2]

2. Поверхностные акустические волны на границах разделов различных тел

Рассмотрим особенности распространения поверхностных акустических волн в различных видах твердых тел. Допустим ряд приближений:

· твердое тело будем рассматривать как непрерывную сплошную среду;

· вектор смещения представляет собой линейную функцию радиус-вектора рассматриваемой точки в недеформированном состоянии r.

Коэффициенты этой линейной функции для всех точек элементарного объема равны значениям компонент тензора деформации u_ik относящимся к одной точке элементарного объема. Компоненты тензора u_ik имеют вполне определенный геометрический смысл:

· диагональные компоненты (i=k) представляют собой величины относительных удлинений линейных элементов, параллельных по деформации осям Ox_i;

· недиагональные компоненты (i?k) - меру изменения углов между пересекающимися прямыми до деформации, параллельными осям Ох_i и Ox_k.

Поверхностные силы характеризуются вектором напряжений--направлением и значением нагрузки, действующей на единицу площади выделенного сечения. Вектор напряжения зависит от ориентации выбранного сечения из связи с этим не может использоваться в качестве величины, однозначно характеризующей поверхностные силы, действующие в точке. Для полного описания поверхностных сил вводят понятие тензора напряжения у_Д--совокупности трех векторов напряжения в выбранной точке, действующих по трем ортогональным плоскостям, в качестве которых удобно принять координатные плоскости прямоугольной системы координат.



Рисунок 6 - Векторы напряжения, характеризующие поверхностные силы, действующие в точке

Процессы изменения напряжений и смещений в сплошной среде подчиняются второму закону Ньютона:

?у_Д/?x=pо

Подставляя уравнение Гука:

у_Д=с_ДU,

получим:

о=a_ie^[j(щt-qr)],

где a_{i -} компоненты вектора поляризации;

q - волновой вектор; q=2^л/2;

i - единичный вектор;

л - длина волны;

щ - угловая частота волны;

j - мнимая единица.

Данное уравнение - уравнение смещения плоской гармонической волны в упругой среде.

Преобразование данного уравнения приводит к виду:

(Л_i-р_i сv)a_i=Q,

где р - символ Кронекера;

v - скорость акустической волны;

v=щ/q.

Уравнение (Л_i-р_i сv)a_i=Q показывает, что задача о распространении плоской гармонической волны в упругом твердом теле сводится к нахождению собственных значений и собственных векторов первого тензора Кристоффеля.

Для конструирования акустических электронных устройств важен также вопрос о векторе потока плоской акустической волны. Отклонение потока энергии акустической волны от направления ее распространения необходимо учитывать при конструировании акустоэлектронных устройств, так как углы реально могут составлять десять градусов, и более.[3].

3. Акустические волны в изотропном твёрдом теле

В однородном изотропном твердом теле распространение поверхностной акустической волны описывает первый тензор Кристоффеля. При совпадении направления распространения волны с одной из осей системы координат он принимает особенно простой (диагональный) вид.

Рисунок 7 - Совпадение распространения поверхностной акустической волны с одной из осей координат

Релеевская волна в изотропном твердом теле обладает прямолинейным фронтом, поскольку в любой плоскости, параллельной поверхности, линии постоянной фазы являются прямыми. Используя понятие сагиттальной плоскости - плоскости, перпендикулярной свободной поверхности, вдоль которой распространяется волна, и параллельной ее волновому вектору q, можно сказать, что в рэлеевской волне смещение на любой глубине происходит по эллипсу, плоскость которого лежит в сагиттальной плоскости, а большая ось перпендикулярна свободной поверхности рэлеевская волна локализуется в изотропном твердом теле вблизи поверхности в слое, толщина которого сравнима с длиной волны.

Рассматривая распространение в изотропном твердом теле волн Лява, отметим лишь, что при нормальном падении на плоскую свободную границ, как и волна Релея, испытывает отражение с r_F=1.

Волны на плоской границе между двумя жестко скрепленными изотропными телами - волны Стоунли. В отличие от волн Релея и Лява, в которых энергия волны сосредоточена вблизи свободной поверхности тела и вследствие этого оказывается доступной для отбора, преобразования, усиления и других воздействий, в волне Стоунли энергия распространяется вдоль внутренней границы, исключающей возможность непосредственного доступа. По этому свойству волна Стоунли ничем не отличается от рассмотренных раньше объемных волн. В то же время трудности практической реализации границы с однородными свойствами на большой площади и малым рассеянием акустической волны сводят на нет возможные преимущества, связанные с использованием волн Стоунли, вследствие чего они находят мало практического применения в современных акустоэлектронных устройствах.[4]

4. Акустические волны в анизатропном упругом твёрдом теле

Фазовая скорость упругих волн определяется

у_ij=C_ijlm U_lm,

где у_{ij -} упругие напряжения в среде,

C_ijlm - тензор модулей упругости,

U_lm - деформации, вызвавшие напряжения.

Компоненты вектора смещений и связаны между собой вытекающими из уравнений движения упругой анизотропной среды уравнениями Грина - Кристоффеля:

сc²u_i=Г_ij u_j,

Г_{ij -} упругий тензор Грина - Кристоффеля;

Гij=c_ijlm n_l n_m

c - фазовая скорость акустической волны; определяется из условия

det Рсc²р_ij-Г_ijР=0,

где р_ij - символ Кронекера;

с - плотность кристалла.

В отличие от изотропной среды разделение акустических волн на продольные и поперечные в кристаллах, в общем случае, невозможно, поскольку направления колебаний, как правило, не совпадают с направлением распространения и не ортогональны ему. Тем не менее, принята следующая классификация упругих волн в кристаллах. Волна, вектор колебательных смещений которой составляет наименьший угол с направлением распространения, называется квазипродольной.

Две другие волны, направления колебаний в которых почти перпендикулярны направлению распространения, называются квазипоперечными; последние часто классифицируют дополнительно по величине их фазовой скорости, выделяя быстрые и медленные квазипоперечные волны.

Анизотропия сказывается на свойствах поверхностных акустических волн, фазовые скорости, векторы поляризации и сама структура которых зависят от выбранного направления распространения. В частности для всех, за исключением изолированных, направлений имеет место отклонение потока энергии от направления распространения волны. В настоящее время принято считать, что не существует запрещенных направлений распространения поверхностных акустических волн ни для каких плоскостей кристаллов. На свободной поверхности кристалла, наряду с рэлеевской волной со структурой, характерной для изотропного тела, могут существовать также обобщенные поверхностные волны и псевдоповерхностные волны.

Обобщенная поверхностная волна, в отличие от рэлеевской, может иметь три компоненты смещений, а затухание смещения с глубиной может происходить по более сложному экспоненциально-тригонометрическому закону.

Псевдоповерхностная волна, представляющая собой, по существу, квазипоперечную объемную волну, имеет три компоненты смещения с преобладанием поперечной компоненты, лежащей в плоскости свободной поверхности. Ее волновой вектор лежит в сагиттальной плоскости, но наклонен под небольшим углом к поверхности. В связи с этим псевдоповерхностную волну называют также скользящей или "мелкой" объемной волной.

Строго говоря, псевдоповерхностная волна не является поверхностной. Она существует только в определенной области вблизи источника, превращаясь затем в объемные волны, по мере того, как поверхностная компонента теряет энергию за счет излучения объемной волны. Псевдоповерхностная волна существует вблизи изолированного направления распространения обобщенной поверхностной волны, фазовая скорость распространения в котором превышает фазовую скорость наиболее медленной поперечной объемной волны, вследствие чего поверхностная волна начинает излучать энергию в объем.

Псевдоповерхностные волны имеют сравнительно небольшой коэффициент поглощения. Они в меньшей степени, нежели поверхностные акустические волны, чувствительны к процессам старения поверхности, а также к качеству ее обработки Найдены направления распространения псевдоповерхностных волн, для которых температурный коэффициент скорости и угол отклонения потока энергии малы, а коэффициент электромеханической связи и скорость - велики. Все это, а также сравнительно высокая степень мономодности, способствуют все более широкому применению псевдоповерхностных волн в акустоэлектронных устройствах.

Для поверхностной акустической волны численный метод позволяет найти акустическое поле синфазно колеблющегося линейного излучателя вдоль произвольного направления в подложке любой симметрии. Однако результаты расчетов относятся только к одному конкретному направлению распространения поверхностных акустических волн в кристалле заданной симметрии. Более универсальные, полезные для практики результаты удается получить с помощью параболического приближения, в котором справедлива аппроксимация угловой зависимости фазовой скорости выражением.[5].

5. Методы возбуждения (приёма) поверхностных акустических волн

Большинство методов возбуждения поверхностных акустических волн состоит подведении к поверхности твердого тела или границе раздела двух тел, изменяющегося во времени возмущения, создающие механические смещения, соответствующие смещениям в поверхностной акустической волне (например, с помощью клина, гребенчатой структуры). Возбуждение поверхностных акустических волн наиболее эффективно, когда пространственный период возмущения равен длине поверхности волны. Это возмущение в общем случае возбуждает две поверхностные волны, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях.

Выделим следующие способы возбуждения (приема) поверхностных акустических волн

5.1 Возбуждение (приём) поверхностных акустических волн с использованием пьезоэлектриков

В пьезоэлектрической подложке периодическое упругое возмущение легко осуществить с помощью нанесенной на ее поверхность системы металлических электродов, соответствующим образом ориентированных по отношению к кристаллографическим осям. Эта система представляет собой совокупность штырей с пространственным периодом 2L, изготовленных в виде однофазной или двухфазной решетки.

Рисунок 8 - Однофазная решетка

Поскольку в последнем случае конструкция представляет собой две подсистемы вдвинутых друг в друга штырей, она получила название встречноштырьевого преобразователя (ВШП). Локальное упругое возмущение среды, возникающее вследствие обратного пьезоэффекта при приложении к электродам переменного электрического поля частоты f, эффективно возбуждает поверхностных акустических волн на той же частоте (частоте синхронизма), если пространственный период преобразователя равен длине поверхностной акустической волны.

Рисунок 9 - Двухфазная решетка

В настоящее время ВШП являются основным типом электромеханических преобразователей, используемых для возбуждения поверхностных акустических волн. Они могут быть изготовлены известными методами литографии дли работы в устройствах с основными частотами до нескольких гигагерц с полосой пропускания до 100% и потерями преобразования до 2 дБ.

Развитием этого метода является способ возбуждения поверхностных акустических волн с помощью ВШП, нанесенного на вспомогательную диэлектрическую пластинку, приложенную через узкий воздушный зазор к поверхности пьезоэлектрического звукопровода. Данный способ имеет меньшую эффективность по сравнению с рассмотренным выше методом возбуждения с помощью ВШП, изготовленного непосредственно на поверхности звукопровода, поскольку электрические поля вне пьезоэлектрика экспоненциально спадают с увеличением расстояния от его поверхности. Однако он дает возможность использовать один и тот же ВШП для возбуждения волн в разных точках звукопровода или в разных пьезоэлектрических образцах. Такой способ находит применение в процессе макетирования акустоэлектронных устройств и в физических исследованиях.

5.2 Возбуждение (приём) поверхностных акустических волн вне пьезоэлектрических материалов

Указанные выше достоинства ВШП являются одной из главных причин широкого применения пьезоэлектрических кристаллов в акустоэлектронике. Однако выбор материалов, на базе которых возможно изготовление эффективных преобразователей, ограничен сравнительно небольшой группой кристаллов. Вместе с тем на практике часто требуется возбуждать поверхностные акустические волны также и в непьезоэлектрических материалах. Это необходимо, например, при создании акустических линий задержки из термостабильных стекол. Отсутствие зависимости метода возбуждения от пьезоэлектрических свойств подложки дает большую гибкость при выборе материала звукопровода и позволяет руководствоваться при этом лишь соображениями его стоимости, коэффициентом акустического затухания или требованиями к материалу, специфичными для проектируемого устройства.

Для возбуждения поверхностных акустических волн с помощью ВШП в непьезоэлектрических звукопроводах на поверхность последних дополнительно напыляют пьезоэлектрическую пленку, на которой (или под ней) наносится система электродов ВШП. В ряде случаев для повышения эффективности работы преобразователя противоположная поверхность пленки в области ВШП металлизируется.

Всего возможны четыре основных конфигурации пленочного ВШП на непьезоэлсктрических звукопроводах. Теоретически рассмотрены наиболее перспективные для применений комбинации пьезоэлектрика (ZnO, LiNbO₃, CdS) и звукопровода (Si, AL2O₃, плавленый кварц). Было показано, что с металлизированной пленкой в преобразователях из ZnO имеется возможность возбуждения поверхностных акустических волн даже для тонких пленочных материалах с d/л=0,05.

При этом на подложке из Si величина k² составляет около 1%, что значительно больше k² для поверхностных акустических волн в кристаллическом SiO₂.

Отметим что при оптимальной величине d/л, примерно равной 0,38 для пленки LiNbO₃, нанесенной на AL₂O₃, в конфигурации, получено значение k²=8%. Эта величина в 1,6 раза больше, чем для монокристаллического LiNbO₃.

Экспериментальные результаты, полученные при нанесении пленок ZnO на плавленый кварц и термостабильное стекло, дали удовлетворительное согласование с расчетом и показали перспективность такого метода возбуждения поверхностных акустических волн на непьезоэлектрических подложках.

Однако все же заметим, что же изготовление совершенных высокоомных пьезоэлектрических пленок заданной ориентации и сравнительно большой толщины, необходимых для получения малых потерь преобразования, представляет достаточно сложную технологическую задачу. Поэтому, несмотря очевидные достоинства этого метода возбуждения поверхностных акустических волн, на практике он используется пока еще сравнительно редко. Более часто для возбуждения поверхностных акустических волн в непьезоэлектриках применяются способы основанные на преобразовании объемных волн в поверхностные или преобразовании поверхностных волн в поверхностные.[1].

6. Применение поверхностных акустических волн в технических устройствах

акустический волна пьезоэлектрик радиоаппаратура

В настоящее время широкое распространение в радиоаппаратуре, особенно в устройствах приёма и обработки сигналов, получили следующие устройства, действие которых основано на эффектах поверхностных акустических волн:

· линии задержки;

· фильтры;

· конвольверы;

· дешифраторы;

· фазосдвигающие устройства.

Материал звукопровода (подложки) выбирают, исходя из конкретных задач. Например, исторически первыми элементами с использованием поверхностных акустических волн были линии задержки. Для их изготовления предпочтение отдается материалам, способным обеспечить максимальную задержку сигнала: германату висмута, пьезокерамике.

Германат висмута обладает минимальной х_а = 2,21 км/с. Его применение позволяет минимизировать длину звукопровода. Но не следует понимать, что максимальное время задержки может быть достигнуто с помощью материалов с большой погонной длиной.

Можно получить образцы только ограниченной величины. Германат висмута выращивается длиной до 100 - 150 мм, что соответствует времени задержки 60 ч 90 мкс). Пьезокварц может иметь длину до 500 мм, что соответствует задержке 160 мкс.

Широкое применение акустические поверхностные волны находят для определения физико-механических свойств слоистых наноструктур

Растущие потребности микроэлектроники и других областей современной технологии требуют внедрения и развития методов неразрушающего анализа многослойных материалов. В основном, эти методы основаны на акустических волнах, либо на тепловых или электромагнитных волн (включая волны рентгеновского спектра). Освоение и использование крайне высоких частот в акустике позволяет анализировать как свойства весьма тонких слоев, так и внутренние дефекты в многослойных материалах. Экспериментальные акустические установки, применяемые в лабораториях, позволяют генерировать акустические волны, имеющие частоты порядка 1 - 10 GHz (10⁹ - 10¹⁰ Hz), что позволяет исследовать физико-механические свойства многослойных структур, содержащих до 5 - 7 анизотропных слоев с толщинами порядка 0.1 - 1 микрон (10^-7 - 10^-6 м).

Экспериментальное освоение частотного диапазона 0.1 - 1 ТHz (10¹¹ - 10¹² Hz) открывает перспективы исследования многослойных сред, содержащих до 50 анизотропных слоев с толщиной слоя 10 - 100 нанометров (10^-8 - 10^-7 м). Обычно определение физико-механических свойств слоев в акустических методах исследования связано с измерением скоростей распространения и поляризации соответствующих акустических волн. Эти измерения позволяют затем строить дисперсионные соотношения, связывающие между собой фазовую скорость волны с частотой. Сравнение экспериментально определенных дисперсионных соотношений с найденными теоретически, позволяет определить свойства внутренних слоев, недоступных для прямых методов исследования. Естественно, что для проведения подобного анализа, необходима разработка адекватного теоретического метода.

Как показано ниже, имеющиеся теоретические методы по анализу распространения поверхностных волн в слоистых средах ограничены либо изотропными слоями контактирующими с изотропным полупространством при относительно большом числе слоев (но обычно не превышающем пяти), либо трансверсально-изотропными или ортотропными слоями и аналогичным субстратом при 1 - 3 слоях. Имеется еще группа методов, связанных с изучением волн в периодических слоистых средах, но эти методы неприменимы для задач идентификации свойств отдельных слоев.

В то же время, потребности современной микроэлектроники требуют разработки методов и соответствующих численных алгоритмов, пригодных для анализа распространения поверхностных волн в системах имеющих 10 - 20 анизотропных слоев, контактирующих с анизотропным субстратом (обычно в роли последнего выступает монокристалл кремния). Здесь уместно отметить, что аналогичная проблема возникает и в сейсмологии, правда в этом случае используются частоты не превышающие 1 KHz. Однако, и в сейсмологии разработка теоретических методов, позволяющих анализировать распространение поверхностных волн в системах, состоящих из большого числа слоев, является весьма актуальной.[6].

Заключение

Устройства, использующие поверхностные акустические волны играют важную роль в технике связи и локации.

Применение в аппаратуре таких узлов, как полосовые фильтры или прецизионные линии задержки на поверхностных акустических волнах, может существенно уменьшить их размеры и стоимость, а также повысить надёжность различных типов систем связи. Наиболее важной является возможность применения устройств на поверхностных акустических волнах в широкополосной аппаратуре с шумоподобными сигналами. Применение канальных фильтров в многоканальных системах ретрансляции исчисляются тысячами примеров, благодаря их малым габаритам, весу и возможности массового выпуска по микроэлектронной технологии.

Использованная литература

1. Викторов, И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лзмба в технике / И.А. Викторов. ?М. : Наука, 1966. ? 169 с.

2. Викторов, И.А. Звуковые поверхностные волны в твёрдых телах / И.А. Викторов. ?М. : Наука, 1981. ? 287c.

3. Физическая акустика, т. 6 / под ред. У. Мэзона, Р. Терстона, перевод с английского, ? М. : Мир, 1966 - 1974.

4. Поверхностные акустические волны / под ред. А. Олинера, перевод с английского Г.Б. Звороно, ? М. : Мир, 1981.

5. http://venec.ulstu.ru/lib/disk/2013/121.pdf

6. Физическая энциклопедия в 5-ти томах / главный редактор А.М. Прохоров, ? М. : Советская энциклопедия, 1988.

Размещено на Allbest.ru

...