Элементы акустоэлектроники

Размещено на http://www.allbest.ru/

акустоэлектронный радиокомпонент пьезоэлектрический преобразователь

Элементы акустоэлектроники

1 Пьезоэлектрические преобразователи

Предметом акустоэлектроники являются акустоэлектронные радиокомпоненты (АРК) и устройства на их основе. Выполняются АРК технологическими методами микроэлектроники и подобны микросхемам. Характерным для АРК является использование как электрических, так и акустических высокачастотных сигналов, причем электрические - внешние (входные и выходные), акустические - внутренние. Таким образом, АРК должны содержать преобразователи акустических сигналов в электрические, электрических в акустические и акустические тракты. Преобразователи сигналов работают на пьезоэлектрическом эффекте.

Прямой пьезоэффект состоит в том, что когда на специальным образом вырезанную из пьезоэлектрического кристалла пластинку действует механическиое напряжение (“пьезо” в переводе с греческого означает “давить”) то на ее противоположных поверхностях (обычно металлизированных или покрытых металлическими электродами) возникают электрические заряды разных знаков.

Обратный пьезоэффект состоит в возникновении деформаций пьезопластинки под действием электрического напряжения, приложенного к ее металлическим электродам.

На рис. 1 представлен кристалл пьезокварца. Главные оси кристалла носят названия: ось Х - электрическая, ось Y - механическая и ось Z - оптическая.

Пластинка, вырезанная из кристалла перпендикулярно электрической оси Х называется пластинкой Х-среза. Такая пластинка при приложении к ее металлическим электродам механического или электрического напряжения будет испытывать деформации по толщине и соответственно служить приемником или излучателем продольных акустических волн L. Для приема или излучения сдвиговых T волн используется срез Y. В этом случае пластинка вырезается так, что ее большая поверхность перпендикулярна оси Y.

Наибольшая амплитуда колебаний пьезопластинки будет в том случае, когда имеется резонанс. Например, для продольных волн на толщине пластинки X-среза должно укладываться нечетное число полуволн , при четном n на ее электродах возникали бы заряды одного знака. Формула для частот пьезорезонансов пластинки-X имеет вид

Скорость продольных волн для пьезокварца по оси Х равна CL = 5700 м/c. Основная частота собственных колебаний пластинки Х-среза при толщине l = 1мм будет равна 2850 кГц. Добротность Q для пьезоэлектрической пластинки, совершающей колебания на собственной частоте (n = 1) и излучающей акустические волны обеими ее сторонами (двухстороннее излучение) определяется отношением

Здесь 0С0 - акустическое сопротивление среды, С - акустическое сопротивление самой пластинки. Так, для пластинки Х-среза С 1.43106 г/см2с, а для воздуха 0С0 = 41 г/см2с, добротность с учетом потерь в самой пластинке, потерь на излучение составит Q 3104, а в вакууме Q 105 106.

Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой пластинку пьезоэлектрического кристалла толщиной от четверти до половины длины волны с двумя металлизированными поверхностями. Они широко применяются для приема волн ультразвуковых, гиперзвуковых частот, а так же частот звукового диапазона.

2 Встречно-штыревые преобразователи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наибольшее распространение получили преобразователи со встречно-штыревой структурой. Вид сверху и поперечный разрез такого преобразователя показан на рис. 2 а,б

Металлические штыри (электроды) наносятся на поверхность подложки из пьезокристалла. Штыри 1 объединены шиной 3, штыри 2 - шиной 4, шины 3 и 4 подключены к источнику электрического сигнала. Пространственный шаг штырей (расстояние между соседними одноименными штырями) равен длине волны h = .

Обычно ширина штырей равна зазору между ними , так что h = 4 = . Если за взять минимально реализуемый размер, например min = 0.5 мкм, то получим максимально реализуемую частоту max = 0.75 1.5 ГГц.

Допустимая площадь преобразователя ограничивает рабочую частоту снизу min = 1 10 МГц. Размер А на рис. 2а -- это длина перекрытия штырей. Вклад каждой пары штырей в энергию волны пропорционален длине их перекрытия.

Размер перекрытия А, как правило, одинаков для всех штырей. В более сложных преобразователях этот размер может изменяться в направлении распространения волны. В преобразователе возбуждаются две волны, направленные в противоположные стороны. Часто полезной является одна волна, распространяющаяся к выходному преобразователю. Другая волна устраняется с помощью поглощающегося покрытия 5 (рис 2а).

При пространственном шаге структуры h = каждая пара электродов возбуждает акустическую волну, при этом волна проходит расстояние между парами за время, равное периоду повторения возбуждающего сигнала, и волна усиливается. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) такого преобразователя имеет максимум на частоте

Полоса пропускания (на уровне 0.7 от максимума АЧХ) может быть вычислена по формуле

Здесь N - число штырей. Преобразователь представляет собой частотно-избирательный элемент. Чем больше N, тем уже полоса, тем выше избирательность. Короткий преобразователь может быть использован для возбуждения (или приема) сигнала в более широком частотном диапазоне.

3 Элементы акустического тракта

Акустоэлектронные радиокомпоненты содержат входной преобразователь электрических сигналов в акустические, акустический тракт (звукопровод) для распространения поверхностных акустических волн и выходной преобразователь акустических сигналов в электрические. Формируется АРК на подложке из пьезокристалла (кварц, титанат бария, ниобат лития, и т.д.) или пьезокерамики.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На подложке акустического тракта могут быть сформированы разные тонкопленочные структуры (элементы), предназначенные для проведения ряда операций с поверхностной акустической волной: изменения ее направления,

Размещено на http://www.allbest.ru/

разветвления, локализации, и т.д. К таким элементам относятся переизлучатели, отражатели, ответвители, волноводы. Ряд операций можно выполнить с помощью многополосковых ответвителей (МПО), представляющих собой систему параллельных проводников, перпендикулярных направлению распространения ПАВ. Некоторые МПО показаны на рис. 3. На рис. 3а волна, излучаемая преобразователем 1 в канал А, с помощью N проводников ответвителя переключается в канал В, где находится приемник 3. Переключения обусловлено эффектами переизлучения в МПО и интерференции первичного (падающего на него) излучения со вторичным. При другом числе проводников можно распределить излучаемый сигнал между двумя каналами (рис. 3б). Полное переключение сигнала из канала А в канал В можно получить при определенном числе проводников N. Многополосковый ответвитель специальной формы (рис. 3в) осуществляет отражение ПАВ и меняет направление ее распространения. Возможно переключение волны в соседний канал и аппертурное сжатие (рис. 3г). Волна, переизлучаемая в канал В, имеет цилиндрический фронт и сходится в точке О, удаленной от МПО на расстояние равное радиусу закругления электродов.

Отражательные структуры (рис. 4) образованы периодическими неоднородностями (выступами или пазами) на поверхности тракта в зоне распространения ПАВ. Локализация энергии волны в узком пространственном канале осуществляется с помощью акустических волноводов. Прямоугольные волноводы представляют собой прямоугольные выступы на поверхности кристалла (рис. 5). В полосковых волноводах, получаемых нанесением на поверхность пленки диэлектрика, скорость ПАВ в пленке отличается от ее скорости в основном кристалле.

4 Акустоэлектронные радиокомпоненты

Выбор материала подложки, конструкции и числа штырей в преобразователях, длины акустического тракта и наличие в нем различных элементов позволяют АРК выполнять разные технические функции. Акустоэлектронными радиокомпонентами, получившими наибольшее распространение, являются линии задержки (ЛЗ) и полосовые фильтры.

Малая скорость ПАВ (на 5 порядков меньше, чем у электромагнитных волн) позволяет создавать малогабаритные интегральные линии задержки радиосигналов. Традиционные методы задержки радиосигналов во времени основаны на использовании электромагнитных систем (отрезков коаксиальных кабелей, волноводов, микрополосковых линий, и др.). Их габаритные размеры велики, а задержка мала из-за высокой скорости распространения электромагнитной волны. Например, для получения задержки в 1 мкс в СВЧ диапазоне требуется коаксиальный кабель длиной 300 метров. В линии задержки на ПАВ задержка на 1мкс соответствует длине звукопровода всего 1..2 мм.

Линия задержки на ПАВ состоит из входного преобразователя, акустического тракта и выходного преобразователя. Поверхностные волны можно легко возбудить в любой точке поверхности и удобно «взять» с любой другой точки поверхности с разной задержкой. Если использовать петлеобразную траекторию распространения ПАВ, получаемую с помощью отражателей или волноводов, можно существенно увеличить задержку. Большая задержка (до 1 мс) реализуется в линии задержки спиральной конструкции, где относительно толстая подложка имеет закругленные торцы, а ПАВ, направленная волноводом, движется по спиральной траектории, многократно переходя с одной поверхности подложки на другую (акустический волновод как бы «наматывается» на подложку).

Преобразователи обладают частотной избирательностью и частотная характеристика ЛЗ имеет максимум на некоторой частоте 0, типичные значения которой составляют десятки и сотни мегагерц. Полоса пропускания может быть широкой вплоть до = 0. Задержка зависит от температуры, что обусловлено температурным расширением кристалла и увеличением скорости ПАВ с ростом температуры. В зависимости от того, какой из этих факторов преобладает, знак температурного коэффициента может быть как положительным, так и отрицательным. В линии задержки есть потери. Из-за неполного согласования входного преобразователя ПАВ с источником электрического сигнала не вся его энергия преобразуется в энергию ПАВ. Точно так же на выходе не вся энергия ПАВ преобразуется в электрический сигнал. Согласование в широкой полосе частот представляет собой трудную задачу. Часть энергии ПАВ теряется в звукопроводе из-за неидеальной их направленности. Потери резко увеличиваются с ростом задержки. Например, при tзд = 1 мкс потери составляют около 2 Дб, а при tзд = 1 мс потери 40..50 Дб.

Полосовой фильтр содержит входной многоэлектродный преобразователь, звукопровод и выходной преобразователь с малым числом электродов, полоса пропускания которого значительно шире, чем входного (рис. 6). Амплитудно-частотная характеристика фильтра определяется входным преобразователем.

Форма АЧХ может быть определена и по импульсному отклику фильтра, т.е. по его реакции на входной импульс в виде -функции. Импульсный отклик будет представлять собой модулированный высокочастотный сигнал, если длины перекрытия соседних штырей входного преобразователя сделать изменяющимися.

Вклад каждой пары штырей в энергию ПАВ пропорционален длине их перекрытия. Выходной преобразователь будет принимать акустический сигнал с изменяющейся во времени мощностью. Закон временной модуляции импульсного отклика должен совпадать по форме с законом пространственного изменения длины перекрытия соседних штырей входного преобразователя. Таким образом, можно синтезировать фильтр с заданной АЧХ.

Надо по АЧХ определить форму огибающей импульсного отклика и в соответствии с ней выполнить преобразователь с изменяющейся длиной перекрытия штырей. На рис. 7а сплошной линией показана АЧХ идеального полосового фильтра, на рис. 7б - его импульсная реакция (огибающая выходного высокочастотного сигнала), на рис. 7в - структура входного преобразователя. Реальная АЧХ показана штрихованной линией на рис. 7а. Для получения оптимальной АЧХ применяют фильтры с более сложной структурой.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В фильтрах, использующих избирательные свойства преобразователей, не удается получить малую полосу пропускания ( / 0 < 1%). Узкополосные фильтры выполняют на основе резонаторов ПАВ. Резонатор представляет собой отрезок звукопровода, ограниченный с двух сторон отражателями, длина отрезка L = n / В такой резонатор помещают широкополосный преобразователь.

Размещено на Allbest.ru