2.2. Методы возбуждения (приема) поверхностных акустических волн

Большинство методов возбуждения ПАВ состоит подведении к поверхности твердого тела или границе раздела двух тел, изменяющегося во времени возмущения, создающие механические смещения, соответствующие смещениям в поверхностной акустической волне (например, с помощью клина, гребенчатой структуры). Возбуждение ПАВ наиболее эффективно, когда пространственный период возмущения равен длине поверхности волны. Это возмущение в общем случае возбуждает две поверхностные волны, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях.

Возбуждение (прием) ПАВ с использованием пьезоэлектриков. В пьезоэлектрической подложке периодическое упругое возмущение легко осуществить с помощью нанесенной на ее поверхность системы металлических электродов, соответствующим образом ориентированных по отношению к кристаллографическим осям. Эта система представляет собой совокупность штырей с пространственным периодом 2L, изготовленных в виде однофазной (рис. 2.5,а) или двухфазной (рис. 2.5,6) решетки. Поскольку в последнем случае конструкция представляет собой две подсистемы вдвинутых друг в друга штырей, она получила название встречноштырьевого преобразователя (ВШП). Локальное упругое возмущение среды, возникающее вследствие обратного пьезоэффекта при приложении к электродам переменного электрического поля частоты f, эффективно возбуждает ПАВ на той же частоте (частоте синх­ронизма), если пространственный период преобразователя равен длине ПАВ.

Рис. 2.5. Способы возбуждения ПАВ в пьезоэлектрической пластине.

а-однофазный; б-двухфазный преобразователи.

1-звукопровод; 2-электроды; 3-сплошной электрод.

В настоящее время ВШП являются основным типом электро­механических преобразователей, используемых для возбуждения ПАВ Они могут быть изготовлены известными методами литогра­фии дли работы в устройствах с основными частотами до несколь­зких гигагерц с полосой пропускания до 100% и потерями преобразования до 2 дБ в зависимости от величин f₀ и .

Развитием этого метода является способ возбуждения ПАВ с помощью ВШП, нанесенного на вспомогательную диэлектриче­скую пластинку, приложенную через узкий воздушный зазор к по­верхности пьезоэлектрического звукопровода. Данный способ имеет меньшую эффективность по сравнению с рассмотренным выше методом возбуждения ПАВ с помощью ВШП, изготовленного не­посредственно на поверхности звукопровода, поскольку электриче­ские поля ПАВ вне пьезоэлектрика экспоненциально спадают с увеличением расстояния от его поверхности. Однако он дает воз­можность использовать один и тот же ВШП для возбуждения ШАВ в разных точках звукопровода или в разных пьезоэлектриче­ских образцах. Такой способ находит применение в процессе макетирования акустоэлектронных устройств и в физических исследо­ваниях.

Указанные выше достоинства ВШП являются одной из главных причин широкого применения пьезоэлектрических кристаллов в акустоэлектронике. Однако выбор материалов с большой величиной k², на базе которых возможно изготовление эффективных преобразователей, ограничен сравнительно небольшой груп­пой кристаллов. Вместе с тем на практике часто требуется возбуждать ПАВ также и в непьезоэлектрических материалах. Это необходимо, например, при создании акустичеких линий задержки из термостабильных стекол. Отсутствие зависимости метода возбуждения от пьезоэлектрических свойств подложки дает большую гибкость при выборе материала звукопровода и позволяет руководствоваться при этом лишь соображениями его стоимости, коэффициентом акустического затухания или требованиями к материалу, специфичными для проектируемого ПAB- устройства.

Для возбуждения ПАВ с помощью ВШП в пьезоэлектрических звукопроводах на поверхность последних дополнительно напыляют пьезоэлектрическую пленку, на которой (или под ней) наносится система электродов ВШП. В ряде случаев для повышения эффективности работы преобразователя противоположная поверхность пленки в области ВШП металлизируется. Всего возможны четыре основных конфигурации пленочного ВШП на непьезоэлсктрических звукопроводах. Теоретически рассмотрены наиболее перспективные для применений комбинации пьезоэлектрика (ZnO, LiNbO₃, CdS) и звукопровода (Si, AL₂O₃, плавленый кваоц). Было показано, что с металлизированной пленкой в преобразователях из ZnO имеется возможность возбуждения ПАВ даже для тонких пленочных . При этом на подложке из Si величина k² составлю около 1%, что значительно больше k² для ПАВ в кристаллическом SiO₂. Отметим что при оптимальной величине d/, примерно равной 0,38 для пленки LiNbO₃, нанесенной на AL₂O₃, в конфигурации, получено значение k²=8%. Эта величина в 1,6 раза больше, чем для монокристаллического LiNbO₃. Экспериментальные результаты, полученные при нанесении пленок ZnO на плавленый кварц и термостабильное стекло, дали удовлетворительное согласование с расчетом и показали перспективность такого метода возбуждения ПАВ на непьезоэлектрических подложках. Однако все же заметим, что данный способ возбуждения ПАВ в непьезоэлектрических материалах применим лишь к звукопроводам, совместимым с технологией получения вершенных пьезоэлектрических пленок, которая обычно включает в себя соответствующую химическую обработку и требует повышенных температур подложки. К тому же изготовление совершенных высокоомных пьезоэлектрических пленок заданной ориентации и сравнительно большой толщины, необходимых для получения малых потерь преобразования, представляет достаточно сложную технологическую задачу. Поэтому, несмотря очевидные достоинства этого метода возбуждения ПАВ, на практике он используется пока еще сравнительно редко. Более чаще для возбуждения ПАВ в непьезоэлектриках применяются способы основанные на преобразовании объемных волн в поверхностные или преобразовании поверхностных волн в поверхностные.