Высокочастотные керамические многослойные пьезопреобразователи для фотоакустики

Размещено на http://www.allbest.ru/

УО «Витебский государственный университет им. П.М. Машерова»

Высокочастотные керамические многослойные пьезопреобразователи для фотоакустики

Бохан Ю.И. Королев А.Н.

В представленной работе предлагается конструкция и метод расчета пьезоприемника на поверхностных акустических волнах. Среди датчиков акустического типа наибольшее распространение получили устройства на поверхностных акустических волнах Рэлея (ПАВ). Малая глубина локализации (~ 10 мкм) делает эти волны особенно чувствительными к массовой нагрузке поверхности. Поэтому изменение свойств пленки, находящейся на пути распространения волны, вызывает изменение ее скорости, фазы и амплитуды, которые фиксируются на выходе устройства как вариации частоты или напряжения. Частотный вид отклика выгодно отличает акустические датчики от устройств иного типа, поскольку обеспечивает высокую точность измерений и простое совмещение с цифровыми системами обработки информации. На рис.1. представлена схема пьезоприемника высокочастотного (50-150 МГц) акустического сигнала, основанная на смещение резонансной частоты трансверсального фильтра под действием импульса давления.

Рис.1. Принципиальна схема высокочастотного пьезоприемника

Усиление ПАВ электрическим током в слоистых структурах пьезоэлектрик-полупроводник наблюдалось впервые в работах К. Иошиды и М. Ямениши, К.Ф. Куэйта, Дж.Г. Коллинза, К.М. Лэйкина, Г.М. Жерара и Дж.Г. Шо, К. Фишлер и С. Яндо, Ю.В. Гуляева, A.M. Кмиты, И.М. Котелянского, А.В. Медведя, Ш.С. Турсунова и др. [1-5]. Детальная теория поглощения и усиления ПАВ, а также акустоэлектрического эффекта в пьезоэлектрических полупроводниках и слоистых структурах пьезоэлектрик-полупроводник представлена в [2]. Поверхностная акустическая волна распространяется вдоль поверхности твердого тела с относительно малой скоростью и доступна в любой точке на пути ее распространения. Таким образом, с сигналом в виде ПАВ можно контактировать, влиять на него, преобразовывать, усиливать, отводить часть энергии и т.д. Так как длина волны ПАВ примерно в 105 раз меньше длины электромагнитной волны той же частоты, вся обработка сигнала в виде ПАВ происходит на расстояниях в несколько сантиметров и даже миллиметров. Подбирая соответствующим образом амплитуды и фазы отведенных сигналов, можно построить, в принципе, любую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) такого пьезопреобразователя. Для формирования требуемой АЧХ приемника можно применить вариацию длины перекрытия электродов гребенок в встречно штыревом пьезоприемнике (ВШП), так называемую "аподизацию". В идеальном случае АЧХ такого ВШП есть Фурье-преобразование от перекрытия электродов как функции координаты вдоль пути распространения в ПАВ.

Для расчета параметров пьезопреобразователя запишем систему эквивалентного шестиполюсника[6,7]. Внешняя сила, приложенная к пьезоэлектрическому резонатору на поверхности равна F= -AT, где A - площадь преобразователя, T- внутреннее напряжение, определяемая как T=cdS - hD, h - постоянная передачи, определяемая как h=e/?s , cd = сe(1+e2/сe?s). Используя стандартные методы сведения системы уравнений, запишем основную систему в матричной форме:

Где F1= F(-l/2), F2= F(l/2), V3 = , - постоянная распространения волны,,=v(+/-l/2), =j?AD, -акустический импеданс пьезопреобразователя. Представленная система уравнений шестиполюсника эквивалентна схеме Рэдвуда, в которой представлена Т-образною цепью с элементами Zii эквивалентной схемы Мэзона в виде линии передачи с импедансом Zc. Предложенная методика расчета переходных процессов в пьезопреобразователях позволяет определить импульс тока I(t), протекающего через сопротивление нагрузки пьезоэлемента в режиме приема. По этой методике преобразование Лапласа применяется к волновому уравнению, граничным условиям и уравнениям пьезоэффекта. Для контактного совмещенного НТП с твердотельной УЛЗ между пьезоэлементом и контролируемым изделием выражение для амплитуды тока имеет вид

Im = yGU0,

где у -- экспериментальный коэффициент, учитывающий влияние контактной смазки, длительность зондирующего импульса и шероховатость поверхности контролируемого изделия, G=2(h33Co)2Z2,K23exp(-2?H)/S(Z+Z2)2; U(t) - электрическое напряжение, возбуждающее НТП в режиме приема; Z,Z2,Z3 -характеристические импедансы преобразователя, иммерсионной жидкости и внешней среды соответственно; K23= (Z3 - Z2) / (Z3 + Z2) - коэффициент отражения по давлению на границе раздела иммерсионная жидкость -- внешняя среда; ? -- коэффициент затухания УЗ волн в иммерсионной жидкости; S -- площадь электрода; H -- расстояние между НТП и внешней средой.. Вычисление функции иг(х, г, t), т. е. расчет акустического поля режиме приема, сводится к решению двумерного волнового уравнения без правой части при соответствующих граничных условиях. Эти граничные условия означают, что преобразователь свободен по всем границам, кроме одной (z = 0), на которую действует внешнее акустическое давление Р(х, t).

Рис. 2. Общий вид измерительного микрополоскового резонатора: 1- микрополосковый резонатор, 2- подводящие линии, 3 - вход СВЧ, 4 - земляной проводник; 5 - заземленная площадка, 6- подложка (поликор), 7 - сапфир, 8 - электроды (Си), 9 - выход СВЧ. На вставке показан исследуемый планарный конденсатор

В системах беспроводной радиосвязи используются фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ). По назначению устройства на поверхностных акустических волнах можно разделить на несколько классов: полосовые фильтры для обработки сигналов на промежуточных частотах, линии задержки, резонаторы, фильтры с малыми потерями для входных цепей приёмников, антенные дуплексоры для связных приёмников, в том числе, систем AMPS, GSM, CDMA. Дуплексоры -- это двухканальные фильтры, которые осуществляют разделение по частоте тракта передачи и тракта приёма. Дуплексор имеет один вход, соединённый с антенной, и два выхода, присоединенных к выходу передающего тракта и ко входу приёмного тракта, соответственно. При этом частотные характеристики в передающем и приёмном трактах имеют специальные характеристики для обеспечения максимальной развязки между трактом приёма и передачи. Конвольвер -- это шестиполюсник, формирующий свёртку двух сигналов: входного и опорного, -- используя нелинейные свойства среды распространения упругих волн. Большинство преимуществ ПАВ-устройств обусловлено непосредственно их физической структурой: малым весом и габаритами; линейной (или определяемой требованиями) фазой; фактором формы, приближающимся к единице (очень высокая прямоугольность); исключительным внеполосным подавлением; температурной стабильностью. Поскольку центральная частота и форма частотной характеристики определяются топологией, они не требуют сложной настройки в аппаратуре и не могут расстроиться в процессе эксплуатации. Передатчик посылает импульс радиосигнала высокой частоты (например, в 1000 МГц) на ПАВ радиочастотной метки на изделии, которое подлежит идентификации. ПАВ радиочастотная метка является пассивным элементом в виде кодированного встречно-штыревого преобразователя (ВШП) поверхностных акустических волн. При этом может быть выбран определённый код, соответствующий только данному изделию, любой разрядности (например 128 бит). ПАВ радиочастотные метки имеют ряд преимуществ, по сравнению со штриховым кодом оптического типа, в первую очередь, малые размеры, благодаря чему их практически невозможно визуально обнаружить, а также скрытность, поскольку они могут находиться внутри транспортного контейнера.

пьезоприемник акустический волна пленка

Литература

1. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля. Под ред. И.Н.Ермолова. М.: Машиностроение.1986.

2. Кантор В.М. Монолитные пьезоэлектрические фильтры.- М.: Связь,1977.

3. Кайно Г. Акустические волны. - М.: Мир, 1990.

4. Орлов В.С., Бондаренко В.С. Фильтры на поверхностных акустических волнах. - М.: Радио и связь,1984..

5. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. - М.: Радио и связь,1987.

6. Бохан Ю.И. Конструкция и метод расчета высокочастотного пьезоприемника на поверхностных акустических волнах. Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств. IV Межд. научн.-техн. конф. 25-66.05.2006.Новополоцк. с.193-196.

7. Бохан Ю.И. Метод расчета многослойных керамических планарных конденсаторов для микроэлектроники. Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств. IV Межд. научн.-техн. конф. 25-66.05.2006.Новополоцк. с.197-200.

Размещено на Allbest.ur