4. Преобразователи информации на основе поверхностных акустических волн

Поверхностные акустические волны (ПАВ) находят широкое применение при разработке фильтров и линий задержек, применяемых в радиотехнических устройствах и используются при разработке измерительных преобразователей.

Разработка преобразователей на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) и струнных преобразователей является перспективным направлением развития микромеханики.

Преобразователь на ПАВ (рис. 8) представляет собой слой или пленку с пьезоэлектрическими свойствами (пьезокварц, нитрид алюминия, окись цинка и т.д.), нанесенные на тщательно подготовленную поверхность подложки, изготовленной из материала с малыми механическими потерями (кремний, стекло, керамика и т.д.).

Рис. 8

По температурному коэффициенту линейного расширения наилучшим образом согласуются кремниевая подложка и пленка из окиси цинка. Подложка может быть частью чувствительного элемента датчика давления или акселерометра. С помощью встречно-штыревых электродов на поверхности пьезоэлектрической пленки возбуждаются электрические колебания. На концах пластины наносят металлические слои для устранения влияния отраженных волн от краев пластинки. Шаг решетки выбирают равной длине возбуждаемой волны , а длину рабочего поля — кратной шагу решетки, т.е. .

электроды

Для возбуждения ПАВ используют прямой и обратный пьезоэффекты. Возбуждение осуществляется по методу автогенератора аналогично возбуждению пьезорезисторов.

Основной зависимостью при расчете преобразователя являются равенства

где – частота колебаний, к – волновое число, зависящее от продольной скорости волны, v – скорость распространения ПАВ, Е, – модуль упругости и плотность пьезослоя.

Оптимизация характеристики преобразователя достигается на частоте акустического синхронизма: , ( – скорость синхронизма).

Частота синхронизма определяется зависимостью

.

Очевидно, при деформации подложки с пьезослоем изменяется размер , т.е. изменяется и частота , следовательно изменение частоты‚ линейно зависит от деформации чувствительного элемента прибора.

Струнный преобразователь (рис 9) представляет собой упругую балку, изготовленную на основе кремния р-типа и эпитаксиальными слоями на базе кремния п-типа. Струны имеют вид полосок, зацепленных по краям. Упругая балка может быть частью чувствительного элемента, испытывающего деформацию, например маятника акселерометра. В недеформированном состоянии сила напряжения струны Т=Т₀ (соnst), а при изгибных колебаниях балки сила натяжения изменяется.

Струна, выполненная из проводящего материала, является подвижным электродом, размещенным между неподвижными электродами емкостей С₁, С₂. Возбуждение автоколебаний струн осуществляется электростатическим генератором, который подает опорное напряжение поочередно на электроды С₁ и С₂. Управляется генератор по сигналам с преобразователя перемещений, включающего в свой состав электроды С₃, С₄.

Рис. 9

Резонансные частоты основной формы колебаний определяются зависимостью , где п – номер гармоники; – плотность материала струны; S – площадь попе речного сечения струны.

При деформировании упругого элемента и изменении натяжения струны, изменяется резонансная частота её колебаний. Далее обработка частотных сигналов выполняется аппаратными средствами.