3 Материалы звукопроводов

В настоящее время известно более 1500 веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Охарактеризуем только некоторые из них.

Пьезоэлектрические монокристаллы являются классическими материалами пьезоэлектроники (табл. 2.1). Наиболее широко известный кристалл - кварц, представляющий собой кристаллическую модификацию безводной двуокиси кремния SiO₂. Наряду с природными кристаллами используются и синтетические, превосходящие природные по однородности, размерам, а также по цене изготовленных изделий. Определенные срезы кварца характеризуются своими параметрами и используются в различных устройствах. Кристаллы ниобата лития (LiNbO₃) и танталата лития (LiTaO₃) обладают более высоким, чем кварц пьезомодулями и коэффициентами электромеханической связи. Во многих областях приборостроения эти кристаллы вытеснили кварц, особенно в СВЧ - технике.

Таблица 2.1 – Параметры пьезоэлектрических материалов

Материал

Постоянные материалов

K2m

Q

TK, ºC

tgδ 102

Скорость ПАВ, м/с 103

Температ. коэффиц. задержки, αT 106c–1

Пьезо-модули, Кл/Н1012

Пьезо-электр., н/м2

Диэлект-рические

Пьезо-кварц (SiO2)

d11=2,31 d14=0,71

l111=0,17 l123=–0,044

ε1=4,52 ε3=4,63

0,1

5·104–107

<0,5

3,15–3,2

>2,0

(3–38)

Ниобат Лития (LiNbO3)

d31=–1,3 d33=18 d22=20 d15=70

l222=2,5 l333=2,3 l113=3,7 L311=0,2

ε1=84=ε2 ε3=29

0,68

105–106

600

3,488–4,0

77–96

Окись цинка (ZnO)

D15=–12 d31=–4,7 d33=12

l33=1,32 l311=–0,57 l113=0,48

ε3=8,2

0,3

2,65–2,7

40

Сульфид кадмия (CdS)

D15=–14 d31=–5,2 d33=10,3

ε1=9,35 ε3=10,3

0,2

Арсенид галлия (GaAs)

l123=0,154

Титанат бария (BaTiO3)

d15=400 d31=–35 d33=100

ε1=3000 ε3=180 ε=1500

0,2–0,5

140

2–3

4,6

1,3–8,0

Дигидро-фосфат аммония (ADP)

24,0

ε=21,8

0,3

<1

3,27

>8

Пьезополупроводники (CdS, ZnS, ZnO) используются для пленочных преобразователей электромагнитных колебаний вплоть до СВЧ - диапазона. Технология их получения довольно хорошо отработана, и можно изготовить пленки с наперед заданной симметрией.

Определенный интерес представляют такие пьезополупроводники, как селениды (CdSe), арсенид галлия (GaAs), антимонид индия (InSb), a также кристаллы иодата лития (LiJО₃) и калия (KJO₃), германата висмута (Bi₁₂GeO₂₀).

В последнее время широкое распространение получили промышленные пьезокерамические материалы, как правило, представляющие собой твердые растворы. Свойства таких материалов задаются путем подбора соотношений компонентов, введением модифицированных добавок, а также технологией их изготовления.

К пьезокерамическим материалам относятся титанат бария (ВаТiO₃), титанат свинца (PbTiO₃), ЦТС (Pb(Zr_0,53Ti_0,47)O₃) и другие. Добавки, вводимые, например в ЦТС, расширяют двухфазную область составов и усиливают нужные свойства пьезокерамики. Модификацию пьезокерамики можно осуществить в широком диапазоне свойств за счет введения добавок со скомпенсированной валентностью, другими словами, набора оксидов соответствующего перовскитному соединению.

Следует особо подчеркнуть, что поверхность используемых в акустоэлектронике континуальных сред должна быть тщательно обработана. Это диктуется тем, что звукопровод расположен в приповерхностном слое и тщательная полировка поверхности позволит снизить рассеяние звука и избежать помех.

Анизотропность кристаллов приводит к резкой зависимости скорости распространения ПАВ от направления среза. Поэтому срезы необходимо выбирать так, чтобы добиться выполнения условия коллинеарности векторов фазовой и групповой скоростей.

Континуальные среды могут проявлять нелинейные свойства. Такая ситуация реализуется для достаточно больших смещений частиц в акустических волнах. В этом случае закон Гука имеет дополнительные компоненты тензора нелинейной упругости.

Главным проявлением нелинейности среды является нарушение принципа суперпозиции волн и, как следствие, появление комбинационных частот колебаний, например (ω₁ ± ω₂).

Нелинейность пьезоэлектрических сред порождает еще один эффект. Акустическая волна сопровождается волнами зарядовой плотности (электрического поля) и при достаточно больших амплитудах электрических полей тоже возникают нелинейные явления. Этот эффект получил название нелинейный пьезоэффект. В этом случае в уравнении для Т_ij компонент электрического поля не линеен. Этот эффект сопровождается диэлектрической нелинейностью, связанной с нелинейностью электрической индукцией D_i относительно компонентов электрического поля E_i.

Для получения континуальных сред с заметной нелинейностью подбирают соответствующие параметры, определяемые тензорами высших порядков.