Лекция 7. Измерительные преобразователи, Основанные на использовании Поверхностных акустических волн

Поверхностные акустические волны (ПАВ) находят широкое применение при разработке фильтров и линии задержек, применяемых в радиотехнических устройствах. В последнее время ПАВ используются также при разработке измерительных преобразователей.

Известно несколько видов ПАВ, наиболее часто на практике применяют волны Релея. Смещение частиц твердого тела при распространении волны Релея в направлении оси иллюстрируется на рис. 7-1.

Рис.7-1.

Как видно из рис. 7-1, волны распространяются вблизи границы твердого тела и затухают почти полностью на расстоянии z от поверхности, примерно равном длине волны λ. Одной из основных причин возрастающего интереса к ПАВ является именно сосредоточенность энергии в тонком слое, так как благодаря этому к технологии изготовления ПАВ-элемента предъявляется лишь одно требование — тщательная обработка рабочей поверхности, по которой распространяется акустическая волна.

Для возбуждения ПАВ на поверхность пьезоэлемента наносятся гребенки встречно включенных электродов (рис. 7-2), представляющие собой встречно-штыревой преобразователь (ВШП), имеющий шаг . При подключении напряжения к электродам ВШП под ними вследствие обратного пьезоэффекта происходят смещения частиц и возникает ПАВ, распространяющаяся в обе стороны.

Рис. 7-2.

Если при этом волна совпадает с шагом ВШП, то вследствие суперпозиции колебаний, возникающих под каждой парой электродов, суммарная энергия ПАВ достигает максимума; если длина волны не совпадает с шагом ВШП, энергия ПАВ уменьшается и при определенном соотношении между и волна за пределами ВШП может полностью погаситься.

Для приема энергии ПАВ используется второй ВШП, также имеющий шаг, равный длине волны. На электродах приемного ВШП вследствие прямого пьезоэффекта возникают заряды и появляется напряжение. Линия задержки состоит из входного и выходного ВШП. В первом приближении оба ВШП можно рассматривать как локальные электроды, расположенные на расстоянии L, равном расстоянию между геометрическими центрами ВШП. Время задержки τ равно времени прохождения акустической волны между ВШП, т. е.

(7.1)

где — скорость распространения ПАВ; — константа упругости и — плотность материала.

В кварце Y-среза скорость распространения ПАВ равна = 3159 м/с; таким образом, при L = 10 мм время задержки составляет около 3 мкс. Длина волны определяется скоростью распространения и частотой возбуждения волн и составляет . Современная технология обеспечивает возможности создания ВШП с шагом до = 10 мкм; таким образом, рабочие частоты ПАВ могут лежать в диапазоне до 300 МГц.

ПАВ-структура может быть использована в качестве частотозадающего элемента автогенератора (рис. 7-3); при этом, как следует из условия баланса фаз (фазовыми сдвигами в электрических цепях пренебрегаем), на длине L должно укладываться целое число волн.

Рис. 7-3.

Фазочастотная характеристика линии задержки определяется как . Значение эквивалентной добротности определяется как

(7.2)

и составляет

(7.3)

Длина . ограничена размерами ПАВ-сгруктуры и затуханием энергии ПАВ и не превышает L = 500 ; таким образом, добротность равна Q_экв ≈10³.

Изменение времени задержки ПАВ-структуры под воздействием внешних факторов используется в измерительных преобразователях с частотным выходом. При изменении τ относительное изменение частоты генератора составляет

(7.4)

Изменение времени задержки определяется изменением длины L и фазовой скорости и равно

(7.5)

Изменение времени задержки может происходить при механических деформациях ПАВ структуры, при нагружении поверхности (толщина пленки <0,1 ) при изменении зазора между поверхностью распространения ПАВ и токопроводящим экраном ( < λ). Соответственно на базе ПАВ-структур могут быть созданы преобразователи для измерения механических величин (∆τ/τ — до 1%), температуры (∆τ/τ — до 1%), микроперемещений, для микровзвешивания и исследования параметров тонких пленок (∆τ/τ — до 10%). При бесконтактной системе возбуждения ПАВ-преобразователи могут быть использованы также для изменения перемещения объекта, вызывающего перемещение одного из ВШП и приводящего к изменению L.

Рис. 7-4

Возможности построения на ПАВ-структуpax преобразователей для измерения механических величин подробно исследованы в МИФИ В. М. Макаровым и В. В. Маловым, ими же разработан ряд преобразователей для измерения сил, давлений и ускорений. Схематическая конструкция акселерометра на ПАВ-структуре показана на рис. 7-4. На консольной балке 2 закреплена инерционная масса 3. Балка выполнена из кварца и на поверхности балки методом планарной технологии нанесены ВШП с числом электродов N_изл = 150 и N_приём = 50. На пластине S размещены электронные элементы измерительной цепи. Собственная частота балки = 750 Гц, чувствительность акселерометра S = 0,1 (кГц·с²)/м, предел измерения до 350 мс², погрешность у =0,5%.