1.4. Методы возбуждения пав

Основными физическими процессами, определяющими характеристики устройств на ПАВ, являются процессы возбуждения и приема ПАВ преобразователями, а также распространения ПАВ в упругой среде и отражения от поверхностных неоднородностей. Кроме того, в некоторых случаях необходимо принимать во внимание дифракционные эффекты, возникающие при распространении ПАВ, а также паразитные отражения ПАВ в электродной структуре преобразователя и ряд других, определяемых обычно как эффекты второго порядка. Важными вопросами при создании устройств на ПАВ являются вопросы о возможности существования выбранного типа волны в упругой среде и возможности эффективного ее возбуждения. Во-первых, волновой процесс должен поддерживаться упругой средой и иметь малое пространственное затухание, и, во-вторых, данный тип волны должен возбуждаться с небольшими потерями подводимой к преобразователю мощности. В этой главе будет рассмотрен вопрос о том, какие типы акустических волн могут существовать в упругой среде, как обладающей пьезоэлектрическими свойствами, так и не обладающей таковыми. Также пойдет речь о внутренней структуре различных типов акустических волн, их основных свойствах и применении.

Наиболее важным для создания устройств на ПАВ и сложным с точки зрения адекватного физического описания является процесс возбуждения ПАВ, основанный на явлении пьезоэффекта. Явление пьезоэффекта было обнаружено в 80х годах XIX века французскими учеными Пьером и Жаком Кюри. В ходе исследований они установили, что на поверхности кристаллов кварца при механическом воздействии появляются электрические заряды, причем величина заряда пропорциональна приложенному усилию. Явление электрической поляризации, обусловленное механической деформацией кристалла, получило название прямого пьезоэлектрического эффекта. Затем было предсказано и экспериментально подтверждено существование обратного пьезоэлектрического эффекта – появление механической деформации в кристалле под воздействием приложенного электрического поля. Благодаря пьезоэффекту в пьезоэлектрических кристаллах распространение поверхностных акустических волн (волн деформаций) сопровождается квазистатическим электрическим потенциалом. Это позволяет возбуждать волны, создавая электрическое поле в тонком поверхностном слое при помощи системы электродов, нанесенных на поверхность. Наибольшее распространение (благодаря высокой эффективности) получила встречноштыревая структура электродов. Современные методы расчета таких структур основаны на концепции эффективной диэлектрической проницаемости ε_ЭФ(ω) , введенной в работах Гриба с соавторами, и уравнениях связанных поверхностных акустических волн. При этом все акустические свойства материала учитываются частотно зависимой величиной ε_ЭФ (ω). Уравнения связанных ПАВ позволяют учитывать при расчетах все существенные физические механизмы, влияющие на характеристики устройств на ПАВ, такие как возбуждение, распространение, отражение и затухание волн и, таким образом, рассчитывать практически любые пассивные устройства на ПАВ.[3]

Упругие поверхностные волны в отличие от объемных волн распространяются по поверхности подложки, проникая на глубину всего на несколько длин волн. Естественно, что возбуждение таких волн имеет свои особенности.

В настоящее время известно большое количество разнообразных методов возбуждения УПВ. В основном, эти методы подразделяются на два типа: механический метод возбуждения УПВ с помощью соответственной формы пьезопреобразователей объемных волн, который пригоден как для пьезо­электрических, так и непьезоэлектрических подложек; метод тонкопленочиых преобразователей непосредственно УПВ, который годится только для пьезоэлектрических подложек. Для возбуждения УПВ первым из названных методов используют механические преобразователи двух основных типов— клиновидные и гребенчатые. Чаще всего употребляется клиновидный преобразователь. Он состоит из клина, изготовленного из органического стекла или другого материала. Своим основанием устанавливается на поверхность подложки, в которой должны распространяться УПВ. Между клином и подложкой создается масляная прослойка для лучшего акустического контакта. На другую наклонную грань приклеивается пьезоэлектрический преобра­зователь из пьезокварца, LiNb03 или пьезокерамики. Oт пьезопреобразователя по клину распространяется объемная волна, которая подает на поверхность раздела клин — подложка под углом . Если удовлетворяется условие:

sin = v_об /v_уп (1.1)

где v_об. - скорость объемной волны в материале клина v_упв - скорость УПВ в подложке, то в подложке возникает УПВ, распространяющаяся по подложке в одном направлении. При v_об > v_упв УПВ не будут возбуждаться. Если угол больше угла полного внутреннего отражения как для поперечных, так и для продольных объемных волн в клине, волны, которые доходят до подложки, сильно неоднородны и проникают вглубь подложки. При удачном подборе материала клина и угла падения потока объемных волн можно в любой подложке возбудить УПВ достаточно большой интенсивности.

Преимущество этого метода в том, что к материалу гребенки не предъявляется никаких требований. Недостатком является высокий уровень паразитных сигналов и технологические трудности изготовления гребенки, особенно для высоких частот.

Метод тонкопленочных преобразователей является наиболее подходящим для возбуждения УПВ на пьезоэлектрических подложках. При этом на поверхности пьезоэлектрика создается система электродов на базе металлических пленок, которая позволяет образовать на ней изменяющееся во вре­мени электрическое поле. Это поле, как следствие, образует локальные механические напряжения, которые распространяются по поверхности подложек в виде УПВ. Существует два основных типа тонкопленочных преобразователей: однофазные тонкопленочные преобразователи; многофазные тонкопленочные преобразователи, из которых наиболее известны встречно-штыревые преобразователи (ВШП). В однофазных тонкопленочных преобразователях все металлические полоски, нанесенные на поверхность подложки, находятся под одним и тем же потенциалом. С другой стороны подложки наносится тонкопленочный металлический сплошной электрод. Переменный электрический сигнал, приложенный между полосовым и сплошным электродом, возбуждает УПВ, которая распространяется на поверхности подложки. Преимуществом этого преобразователя является возможность приложения больших напряжений без угрозы пробоя между электродами и возможность при современном уровне фотолитографии изготовлять устройства для более высоких частот. Недостатком ее является значительная емкость, которая уменьшает добротность устройства на больших частотах, а также необходимость обработки и доступа к обеим сторонам подложки.

Встречно-штыревой преобразователь не имеет отмеченных недостатков. Трудности возникают при их изготовлении для частот выше 1 ГГц. Для возбуждения УПВ с помощью ВШП на поверхности непьезоэлектрических подложек используют тонкий промежуточный слой пьезоэлектрика типа ZrO, CdS и других, нанесенных на подложку. ВШП, нанесенный на такой промежуточный слой, возбуждает в нем УПВ, которая распространяется и в подложке. Толщина промежуточного слоя существенно влияет на распространение УПВ.[1]