16.3. Акустоэлектронные приборы

Материалы акустоэлектроники. Принцип действия всех акустоэлектронных приборов основан на явлении пьезоэффекта, который наблюдается в полупроводниках и диэлектриках с несимметричными ковалентнами связями, т. е. в химических соединениях. В кремнии, германии и алмазе пьезоэффект невозможен. Пьезоэффект проявляется в возникновении электрического поля в направлении деформации кристалла и, наоборот, воздействие электрического поля вызывает деформацию кристалла. Акустические колебания кристаллов легко зафиксировать электронными схемами, а воздействуя на кристалл переменным напряжением, можно вызвать колебания. На этом принципе основана работа пьезоэлектрических микрофонов и динамиков. Наиболее важные для электроники пьезоэлектрические материалы - это кварц (кристаллическая окись кремния) и ниобат лития. На их основе изготавливаются твердотельные резонаторы и узкополосные фильтры.

Пьезоэлектрические материалы характеризуются следующими параметрами:

• пьезомодуль d устанавливает связь между поверхностным зарядом и приложенной к образцу силой; измеряется в пКл/H;

• коэффициент электромеханической связи показывает, какая часть механической энергии преобразуется в электрическую; безразмерная величина;

• механическая добротность – Qм; безразмерная величина;

• Скорость звука, м/с.

Таблица 16.1.

Параметры основных пьезоэлектрических материалов

Параметр	Кварц (SiO2)	Ниобат лития (LiNbO3)	Ниобат калия-натрия (K-Na)NbO3
Пьезомодуль d, пКл/H	2,31	145	160
Коэффициент электромеханической связи	0,0016	0,045	0,045
Механическая добротность Qм	105107	300400	250300
Скорость звука, м/с	3158	3488	3405

Кристаллы ниобатов щелочных металлов значительно дороже кристаллов кварца. Значительное снижение стоимости пьезоэлектрических приборов достигается использованием керамических материалов на основе тех же ниобатов щелочных материалов. Поликристаллы в керамике ориентированы произвольно и исходные образцы пьезоэффектом не обладают. Однако если провести отжиг образцов под воздействием сильного электрического поля, то происходит перестройка структуры поликристаллов и в заданном направлении появляется пьезоэффект. Коэффициент электромеханической связи у керамических материалов меньше, чем у монокристаллов, но значительно больше, чем у кварца.

Кварцевый резонатор. Колебания твердых тел имеют резонансный характер. В пьезоэлектрических кристаллах также возникают резонансные механические колебания. Если на обе поверхности кварцевой пластины нанести металлические электроды и измерить зависимость высокочастотного импеданса структуры от частоты, то на резонансных частотах обнаружится резкое снижение импеданса в десятки или сотни тысяч раз. Резонансные частоты соответствуют возникновению в пластине стоячей акустической волны с нечетным числом полуволн на толщине пластины. В электронике обычно используется первая (нижняя) резонансная частота. Если в обратную связь инвертирующего усилителя включить кварцевый резонатор, то в этой системе возникнут гармонические колебания с одной из акустических резонансных частот пластины. Чтобы подавить колебания высших резонансных частот, в цепь обратной связи включаются элементы фильтра нижних частот (конденсаторы).

Промышленностью выпускаются резонаторы с рабочими частотами от десятков килогерц до десятков мегагерц. Верхняя граница частот резонаторов ограничена прочностью кварцевых пластин. При толщине пластины около 100 мкм максимальная частота резонатора будет менее 60 МГц. С помощью кварцевого резонатора можно задавать тактовую частоту работы электронной системы с точностью до пяти десятичных знаков.

Резонаторы и фильтры на поверхностных акустических волнах. В кристаллических твердых телах возбуждаются не только объемные, но и поверхностные акустические волны (ПАВ). Скорость распространения поверхностных волн лишь немного меньше, чем объемных. Максимальная частота объемных резонаторов ограничена толщиной пластин. В ПАВ - резонаторах электроды можно разместить с микронным шагом и увеличить максимальные частоты до единиц гигагерц. ПАВ - резонатор имеет две одинаковые металлические встречно-штыревые решетки, разделенные небольшим промежутком. Одна решетка служит излучателем ПАВ, другая – приемником. С внешней стороны каждой из решеток размещаются отражатели поверхностных волн. Отражателем служит группа канавок в кристалле пьезоэлектрика, размещенных параллельно электродам приемника и передатчика, с шагом, равным шагу электродов. Если требуются максимальная воспроизводимость и температурная стабильность параметров ПАВ - резонатора, то в качестве пьезоэлектрика используется кристаллический кварц (рис. 16.2).

АЧХ резонатора очень узкая и неравномерная. Резонаторы трудно использовать в качестве радиотехнических фильтров. Для того чтобы придать АХЧ требуемую форму, излучатель и приемник делаются с переменным шагом, а вместо отражателей на кристалле размещаются поглотители акустических волн. Поглотителем служит металлическая площадка на поверхности пьезоэлектрика. Часто эта площадка покрывается пластичным органическим составом, поглощающим энергию акустических волн. АЧХ такой структуры приобретает форму, характерную для полосового фильтра с плоской вершиной. Отношение амплитуд сигналов в полосе пропускания и полосе заграждения определяется шириной полосы пропускания и коэффициентом электромеханической связи. Для фильтров обычно используются кристаллы ниобата лития (LiNbO₃) и ниобата титана (NbTiO₃), имеющие очень высокий коэффициент электромеханической связи. Отношение сигналов на выходе фильтра в полосе пропускания и полосе заграждения – 4050 дБ.

Первый фильтр на основе ПАВ разработал и изготовил Ю.В. Гуляев, ныне академик, вице-президент Российской Академии наук.