Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Диплом. Розробка акустоелектронного датчика температур - файл 1.doc


Диплом. Розробка акустоелектронного датчика температур
скачать (2379.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc2380kb.15.11.2011 20:17скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

1   2   3
Реклама MarketGid:
Загрузка...

^ 2.2 Аналіз можливих варіантів побудови датчиків акустичних хвиль

В 1887 році лорд Релей відкрив режим поверхневої акустичної хвилі й у своїй класичній роботі пророчив властивості цих хвиль. Названі по імені людини їх що відкрили, хвилі Релея володіють поздовжнім і вертикальним поперечним компонентом, що може з'єднуватися із середовищем при контакті з поверхнею пристрою. Таке з'єднання сильно впливає на амплітуду й швидкість хвилі. Ця риса дозволяє датчикам ПАХ прямо оцінювати масу й механічні характеристики. Рух поверхні також дозволяє використати ці пристрої як мікроприводи. Хвиля має швидкість приблизно на 5 порядків менше ніж відповідна електромагнітна хвиля, що робить поверхневі хвилі Релея одними із самих повільних по швидкості поширення у твердих речовинах. Амплітуда хвилі становить ~10 Aнг, а довжина хвилі коливається від 1 до 100 мікронів.

На рис. 2.4 докладно представлено область деформації, викликана поширенням ПАХ уздовж осі Z і відповідний розподіл потенційної енергії. Тому що фактично вся енергія хвиль Релея укладена в межах однієї довжини хвилі на поверхні, датчики ПАХ мають найбільшу чутливість серед всіх розглянутих акустичних датчиків.

Зазвичай датчики ПАХ працюють у межах від 25 до 500 Мгц (рис.2.8). Одним з недоліків цього пристрою є те, що хвилі Релея є поверхневими нормальними хвилями, і тому вони погано підходять для виміру рідин. Коли датчик ПАХ вступає в контакт із рідиною, в результаті хвилі стиску викликають істотне загасання поверхневої хвилі.



Рисунок 2.8 Приклади датчиків на ПАХ

Датчики акустичної хвилі комерційно доступні в декількох формфакторах. Більшість із них являє собою напівпровідникові пластини, які потім тестуються, нарізуються на кристали й упаковуються.

Якщо зріз п’єзокристала відповідним чином повернути, тоді мода хвилі міняється від датчика з вертикально-поперечною ПАХ до датчика на поперечно-горизонтальної ПАХ. Це істотно знижує втрати, коли рідини вступають у контакт із середовищем поширення, що дозволяє датчикам ПАХ працювати в якості біосенсорів.

У загальному випадку, чутливість датчика пропорційна кількості енергії, що виникає на шляху поширення хвилі. Датчики об'ємної акустичної хвилі розсіюють енергію з поверхні через речовину основи на іншу поверхню. Розподіл енергії мінімізує інтенсивність енергії на поверхні, на якій відбувається вимір. Датчики ПАХ навпаки фокусують енергію на поверхні, що робить їх більше чутливими. Інші конструкторські міркування при виборі датчиків акустичних хвиль містять у собі стабільність генератора й рівень перешкод.


^ 3. ЗАСТОСУВАННЯ ДАТЧИКІВ НА АКУСТИЧНИХ ХВИЛЯХ

Всі датчики акустичних хвиль у тім або іншому ступені чутливі до відхилень від багатьох фізичних параметрів. Якесь із представлених на ринку датчиків представлені на фото 1. По суті говорячи, всі датчики акустичних хвиль, що випускають для індустрії телекомунікацій повинні бути герметично запечатані для запобігання будь-яких перешкод, які можуть бути обмірювані пристроєм і відповідно викличуть небажані зміни на виході.



Рисунок 3.1 Лінія затримки

Якщо вибрати правильний напрямок зрізу матеріалу, тоді будуть переважати горизонтально поляризовані поперечні поверхневі акустичне хвилі (рис.3.1). У цих хвиль є зсув, паралельний поверхні пристрою.

Рівень фактору, що можуть уловити акустичні пристрої, може бути значно збільшений шляхом нанесення на пристрій покриття з матеріалів, які перетерплюють зміни в масі, пружності, або провідності під впливом яких-небудь фізичних або хімічних стимулів. Під прикладеною напругою, що міняє динамічні властивості середовища, ці датчики стають детекторами тиску, що обертає моменту, ударної хвилі й сили. Вони стають датчиками маси, або ваги, якщо часткам дозволено контактувати із середовищем поширення, міняючи напруги в ній. Вони стають датчиками випару коли застосовується покриття, що абсорбує тільки певні хімічні осадження. Ці пристрої працюють шляхом ефективного виміру маси абсорбованого осадження. Якщо покриття абсорбує певні біологічні хімічні речовини в рідинах, датчик стає біодатчиком. Як було замічено раніше, якщо вибрати правильний напрямок поширення хвилі, можна створити бездротової датчик температури. Середовище поширення міняється разом з температурою, впливаючи на дані на виході. Нижче наведені деякі найбільш загальні способи застосування датчиків акустичних хвиль.

Термодатчик будується на термозалежності швидкості поверхневих хвиль, яка визначається напрямком і типом кристалічного матеріалу, використовуваного для виробництва датчика. Термодатчики на базі генераторів лінії запізнювання ПАХ володіють міліградусною роздільною здатністю, гарною лінійністю й низькою інерцією. Вони до того ж досить чутливі до навантаження маси від власної ваги й тому повинні бути герметично упаковані. 124 Мгц термодатчик кварцу ST-зрізу приповерхньої об'ємної хвилі, як недавно стало відомо, має температурний коефіцієнт 32 ppm/ C і чутливість 0.22 C. Він також продемонстрував на три порядки меншу чутливість до навантаження маси від власної ваги, чим датчик на ПАХ. Час відповіді становить 0.3 с, що в 103 рази швидше ніж датчик ПАХ. Перевага термодатчиков також полягає в тому, що вони не вимагають елементів і вони є бездротовими, що робить їх придатними для використання у віддалених місцях.

Датчики тиску стали першою заявленою технологією використання ПАХ у сфері застосування датчиків, у 1975 році . На швидкості ПАХ сильно впливає напруга, що подається на п'єзоелектричну підкладку, по якій поширюється хвиля. У такий спосіб датчик тиску на ПАХ створений шляхом перетворення пристрою в діафрагму (див. рис. 3.2).




Рисунок 3.2 Датчик тиску на ПАХ

Частоти ПАХ змінюється разом з напругою. Коли діафрагма прогинається під тиском, датчик ПАХ змінює дані на виході.

Невідшкодовані температурні коливання, які заважають роботі датчиків тиску на ПАХ може бути мінімізований шляхом приміщення зразкового пристрою виміру на ПАХ поруч із що вимірює ПАХ на ту ж підкладку й змішуючи два сигнали. Один датчик працює як термодатчик, чия близькість до датчика тиску гарантує, що обоє з них піддані однієї й тій же температурі. Однак температурний датчик на ПАХ повинен бути ізольований від напруги, якому піддається ПАХ.

Датчики тиску на ПАХ пасивні (не вимагають елементів живлення), бездротові, дешеві, витривалі, дуже компактні й легені, і відповідно добре пристосовані для виміру тиску в об'єктах, що рухаються (наприклад, шини машин або вантажівок). Ці характеристики забезпечують перевага над такими технологіями як ємнісні й п’єзорезистивні датчики, яким необхідні елементи живлення і які не є бездротовими. Датчик тиску на ПАХ вагою <1м з дозволом 0.73 фунт на квадратний дюйм недавно був інтегрований у шину автомашини з відмінними результатами. Така система дозволяє операторові спостерігати тиск у кожній із шин з комфортної кабіни. Правильно надуті шини сприяють поліпшенню безпеки, більшої ощадливості палива й до більше довгого строку експлуатації самих шин. Ця технологія особливо цікава для нового ринку шин зі спущеним тиском (також називаних з нульовим тиском або розширеною маневреністю).

Датчик крутного моменту на пристрої з ПАХ, нерухомо прикріпленого до плоского місця на валу, й вал піддається крутному моменту, цей крутний момент піддає напрузі датчик і перетворює його в бездротової, пасивний, легкий датчик крутного моменту. Якщо вал обертається в одну сторону, тоді датчик перебуває в стані натягу, при обертанні в іншому напрямку датчик перебуває в стані стиску. У практичному застосуванні два датчики обертаючого моменту використаються таким чином, що їх центральні (осьові) лінії перебувають під прямим кутом один до одного. Таким чином, коли один датчик перебуває в стані стиску, інший - у стані натягу. Тому що обидва датчики піддаються одній температурі, сума двох сигналів мінімізує будь-які ефекти виходу параметрів під впливом температури.



Рисунок 3.3 Диференціальний датчик тиску на ПАХ

Додавання другого ПАХ ефективно мінімізує температурні коливання датчика тиску на ПАХ.

У порівнянні з іншими датчиками крутного моменту, включаючи резистивні датчики опору, оптичні перетворювачі, торсони, датчик крутного моменту на ПАХ є дешевим, має високу надійність і до того ж бездротової. Відстеження крутного моменту на вантажівках й автомашинах значно поліпшить керування й гальмування, тому що крутний момент вимірює зчеплення коліс набагато краще, ніж датчики обертів двигуна, використовувані в цей час.

Датчики маси. Із всіх оцінюваних тут пристроїв, датчики на ПАХ найбільш чутливі до навантаження від власної маси, що можна використати при створенні датчика часток і датчика товщини плівки. Якщо датчик покритий адгезивом, то він стає датчиком часток: будь-яка частка, що попадає на поверхню там і залишається й змінює поширення хвилі. Повідомляється, що дозвіл по масі становить 3 pg на 200 Мгц кварцу ST-зрізу ПАХ, що в 1000 3 чувствительней протестированного 10 Мгц TSM резонатора. Датчики часток використаються у виробничих приміщеннях, моніторах якості повітря, і моніторах атмосфери.

Датчик товщини працює в основному по тім же принципі що й датчик часток, за винятком того, що на ньому немає покриття. Вимірюване зрушення частоти пропорційне масі обложеної плівки, так що датчик одержує дані по товщині шляхом виміру щільності плівки й акустичного опору. Цей метод точний тільки в тому випадку, якщо плівка тонка (в ідеальному випадку не більше чим кілька відсотків акустичної довжини хвилі). Найбільш доступні в продажі датчики товщини базуються на TSM резонаторах. Не будучи такі ж чутливими, як датчики на ПАХ, ці пристрої проте легкі у використанні й мають достатню чутливість.

Датчик конденсації/вологості. Якщо датчик на ПАХ піддається температурному контролю й прямому впливу навколишнього середовища, то вода буде конденсуватися на ньому при температурі конденсації, що робить його ефективним датчиком крапки конденсації. Існуючі комерційні інструменти для високоточних вимірів крапки конденсації засновані на оптичних методах, які є досить дорогими, і не мають достатню чутливість, точністю й довгостроковою стійкістю. Був розроблений 50 МГц датчик конденсації YZ-зрізу ниобата літію на ПАХ, що стійкий до основних забруднюючих речовин, має дозвіл ±0.025°C (порівн. ±0.2°C для оптичного датчика), дешевий, і значно більше стабільний.



Рисунок 3.4 Датчик обертання

Напруга у валу передається на датчик на ПАХ, що через напругу міняє свою робочу частоту й, відповідно, що крутить момент. Додаткове використання ще однієї ПАХ мінімізує температурний ефект.

З датчиків акустичних хвиль із пружним гігроскопічним полімерним покриттям виходять відмінні датчики вологості. Три складові механізму становлять чутливість датчика: навантаження від власної маси, електроакустичні ефекти й в‘язкоеластичні ефекти. Кожний із цих механізмів можна ефективно контролювати й робити дешевий, точний датчик вологості. 50 Мгц датчик YZ-зрізу ниобата літію на ПАХ, покритий polyXIO був продемонстрований як датчик вологості з діапазоном відносної вологості 0%-100% й областю неоднозначності порядку 5%. Додатково, 767 Мгц датчик AT-зрізу кварцу на SH-ПАХ був недавно продемонстрований як датчик вологості із чутливістю 1.4 ppm/% відносної вологості й областю неоднозначністю в 5%. Як з'ясувалося, він є більше чутливим пристроєм, чим 14 Мгц TSM резонатор, покритий тим же полімером.

У тій же категорії 434 Мгц датчик YZ-зрізу ниобата літію на ПАХ був використаний як вилучений датчик води, а 86 Мгц датчик XY-зріз кварцу на хвилях Лаві був продемонстрований як датчик льоду.

Хімічний датчик випарів із покриттям і без покриття. Уперше про датчик хімічних випарів було заявлено в 1979 році. Більшість із них ґрунтується на чутливості мас-детектора, у взаємодії з хімічно вибірним покриттям, що абсорбує задані випари, що приводить до збільшення навантаження від власної ваги пристрою. Як й у випадку з термокомпенсувальними датчиками тиску, одна з ПАХ використається як крапка відліку, ефективно мінімізуючи ефект коливань температури.



Рисунок 3.5 ПАХ аналізатор

Комерційно доступний портативний ПАХ аналізатор (рис. 3.5), що розпізнає хімічні випари складається з 4 датчиків на ПАХ, на кожний з яких нанесене різне полімерне покриття.

При виборі хімічно сорбціонного покриття необхідно приймати в розрахунок деякі особливості будови пристрою. В ідеальному випадку, покриття повинне бути повністю двостороннім, що означає, що воно буде абсорбувати, а потім повністю десорбирувати випару при прочищенні свіжим повітрям. Швидкість, при якій покриття абсорбує й десорбирує, повинна бути досить великим, наприклад. Покриття повинне бути досить міцним, щоб витримувати корозійні випари. Воно повинне бути селективні, абсорбуючі тільки певні випари й не усмоктуючи інших. Покриття повинне працювати при розумних температурах. Воно повинне бути стійким, відтвореним, чутливим, І нарешті, дуже важлива його товщина й однорідність.

Коли кілька датчиків на ПАХ, кожний з унікальним хімічним специфічним покриттям розміщені в певному порядку, тоді кожний з них буде давати різний результат при впливі даного випару. Програмні засоби по розпізнаванню структур допускають різноманітний список легкопаруючих органічних сполук, які можуть бути виявлені й ідентифіковані, що утворить дуже потужний хімічний аналізатор. Комерційно доступний аналізатор з поруч із 4 датчиками на ПАХ показаний на рис.3.5.

TSM резонатори успішно були використані для виміру хімічних випарів, але вони значно менш чутливі чим їх ПАХ аналоги. Також ПАХ датчики хімічних випарів були зроблені без покриттів. У цей методі використається колонка газового хроматографа для відділення елементів хімічних випарів і термоконтролююча ПАХ, що конденсує випари й вимірює відповідне навантаження від власної маси.

Якщо на пристрій на ПАХ нанести хімічно сорбційний полімер, вийде датчик хімічних випарів. Додавання ще одного пристрою на ПАХ дозволить мінімізувати коливання температури й забезпечить контрольовану різницеву частоту.

Біодатчик. Подібно датчикам хімічних випарів, біодатчики визначають наявність хімічної речовини, але скоріше в рідинах, чим у парах. Як було замічено раніше, пристрій на ПАХ у цьому випадку не підходить, тому що вертикальний компонент поширення хвилі буде придушуватися рідиною. Біодатчики вироблялися з використанням TSM резонатора, SH-APM й SH-ПАХ датчиків. Із всіх відомих акустичних датчиків для виміру рідини, найбільшою чутливістю володіє датчик хвиль Лові, спеціального класу горизонтальний^-горизонтальних-горизонтальні-поперечно-горизонталАЕих ПАХ. Для того щоб створити датчик хвилі Лові, волноводное покриття міститься на пристрій на SH-ПАХ таким чином, що енергія поперечно-горизонтальних хвиль фокусируется на цьому покритті. Потім біорозпізнавальне покриття міститься на волнопроводное покриття, утворюючи повний біодатчик. Було досягнуто успішне розпізнавання anti-goat Ig у концентрації 3 3 10-8-10-6 moles при використанні 110 Мгц yz-зріз SH-ПАХ з полімерним покриттям провідну хвилю Лява.


^ 4. КОНСТРУКЦІЯ ТА ПРИНЦИП ДІЇ термодатчика НА АКУСТИЧНИХ ХВИЛЯХ

4.1. Принцип дії та функціональна схема термодатчика


Швидкість V акустичних поверхневих хвиль чутлива до температури пропорційно kV коефіцієнту першого порядку та залежить від коефіцієнтів більш високого порядку (квадратичного, кубічного), які для різних видів матеріалу детально визначено в науково-технічній літературі. Для кварцу У- зрізу ця залежність є зручною – лінійною


V =kV Т V.


Крім того, кварц є найстабільнішім з доступних в Україні матеріалів. Зорієнтуємось на кварц у побудові пасивного термодатчика.

Час затримки хвилі в лінії затримки на термодатчику змінюється Tі відповідно зі зміною цією швидкості


Tі=Lі/ V.


Термодатчик є пасивним, оскільки він не містить елементів живлення. Опитуваня термодатчику здійснюється за допомогою радіолокаційної системи (РЛС) 1 середньої точності та середньої потужності. На самому термодатчику знаходиться антена (рис.4.1), яку з‘єднано зі зустрічно-штирьовим перетворювачем (ЗШП) 3. Посланий РЛС сигнал проходить відстань L0 близько 4 м до термодатчика, приймається антеною та за допомогою ЗШП 3 перетворюється у ПАХ, яка біжить по підложці спочатку до відбивачів (їх повинно бути не менше двох), відбивається від них і прямує назад до ЗШП . Втрати потужності при цьому складають не менше 3дБ. Відбитий ослаблений сигнал антеною термодатчика повертається назад до РЛС , проходячи знову відстань L0. Час Tі, який проходить від випромінення сигналу РЛС до його приймання тою ж РЛС від термодатчика


T1= L1/V+T0,


T2= L2/V+T0.


В цій системі рівнянь є дві невідомі: T0 – початковий час затримки радіосигналу, та V, які визначаються після її розв‘язання. Оскільки швидкість ПАХ залежить від температури, то і зміна часу затримки Tі буде залежати від температури

TіLі/ (kV Т V) +T0



Tі=Lі/ (kV VТ)+T0


T0= Lі/ V+2L0/cсв







kTкоефіцієнт термочутливості часу затримки


kV – коефіцієнт термочутливості фазової швидкості


L0 – відстань від антени передавача до антени приймача (до 4 м)


Lі – відстань від ЗШП до одного з відбивачів (біля 9 мм)


cсв – швидкість світла (300 тис.км/с)


V – фазова швидкість ПАХ (біля 3 км/с)


Tі – зміна часу затримки відбитого сигналу


Т – вимірювана температура


Рисунок 4.1 Функціональна схема термодатчика


Хоча ця залежність нелінійна, однак kV настільки малий, що нелінійністю можна знехтувати.





Рисунок 4.2 Термодатчик на ПАВ

а - конструкція ТЧР; б - ТЧХ датчика LST-Зрізу; 1 - кварцова подложка; 2 - ВШП; 3 - корпус; 4 - гермоввод; 5 - кераміка; 6 - посріблена кришка; 7 - герметизирующее ущільнення; 8 - епоксидний клей


^ 4.2. Конструкція термодатчика


Основним елементом конструкції є (рис.4.1, 4.2) чутливий елемент у вигляді лінії затримки на кварцовій підложці У-зрізу. Лінію затримки виконано у вигляді рознесених ЗШП 3 із п‘яти пар штирів та відбивачів 5 по 1 штирю в кожному, сформованих методом фотолітографії на поверхні кварцу шарами хром-мідь-нікель.

Чутливий елемент за допомогою спеціального адгезійного клеючого складу встановлено в діелектричній прокладці , яка не дозволяє електричним наводкам у корпусі впливати на чутливий елемент. Прокладку в свою чергу приклеєну до корпусу. Оскільки температурні покази не залежать від якості кріплення чутливого елементу, єдиними вимогами до клейового з’єднання є його термостійкість та надійність.

Термодатчик має дуже малі габаритні розміри - його висота лише декілька міліметрів. Приєднання гвинтами для таких малих приладів стає складним, майже неможливим. Тому для того, щоб приєднати до корпусу кришку, сформовано в обох елементах декілька виступів , які з попреднім натягом входять один в інший і вклеюються.

В нижній частині корпусу сформовано виступи з отворами, які по-перше, дозволять міцно приєднати термодатчик до об‘єкту контролю, по-друге дозволяють на днищі корпусу вклеїти антену термодатчику. Кінці цієї спіральної антени підключаються через отвір у підкладці та корпусі до ЗШП лінії затримки. Отвір у корпусі герметизується.


^ 5. ВИЗНАЧЕННЯ НЕОБХІДНИХ ПАРАМЕТРІВ, ЯКІ ВПЛИВАЮТЬ НА ПОВЕРХНЕВІ АКУСТИЧНІ ХВИЛІ В ПАСИВНИХ ЕЛЕМЕНТАХ

Датчики на акустичних хвилях - надзвичайно універсальні пристрої, чий комерційний потенціал тільки починають усвідомлювати. Вони конкурентноздатні за ціною, міцні, дуже чутливі, і надійні, тому ж деякі з них є бездротовими й/або не вимагають елементів живлення. Бездротові датчики досить зручні для використання їх на об'єктах, що рухаються, наприклад, для виміру тиску покришок на машинах або крутному моменті вала. Датчики яким не потрібна енергія бажані для вилученого спостереження за хімічними випарами, вологістю й температурою. Інші застосування включають вимір сили, прискорення, ударної хвилі, кутової швидкості, в'язкості, зсуву й потоку, як доповнення до характеристики плівки. Датчики також володію електроакустичною чутливістю, що дозволяє їм визначати рівень р, іонних домішок й електричні поля. Датчики поверхневої акустичної хвилі показали себе як самі чутливі загалом, що є результат їхньої великої щільності енергії на поверхні. Для виміру рідин самими чутливими показали себе датчики хвиль Лові, спеціального класу поперечно-горизонтальних поверхневих хвиль. Триває робота з розробки даних датчиків для застосування їх в інших областях.

Деякі важливі властивості елементів, виготовлених з п'єзоелектричних матеріалів, у тому числі елементів на ПАХ, визначаються не абсолютними значеннями матеріальних констант, а їхнім взаємним співвідношенням Одним з таких параметрів є коефіцієнт електромеханічного зв‘язку. При визначенні коефіцієнта електромеханічного зв'язку в елементів на ПАХ у першу чергу становить інтерес динамічний стан. Пружний рух спостерігається лише в тонкому поверхневому шарі підкладки, уздовж якого поширюється ПАХ, що необхідно враховувати при розгляді відповідних видів енергії. Коефіцієнт електромеханічного зв'язку з урахуванням цього положення, описувався б складним вираженням, а його величина була б функцією глибини середовища. Тому за аналогією з об'ємними хвилями коефіцієнт електромеханічного зв'язку для елемента на ПАХ визначається звичайно як відношення зміни швидкості поширення хвилі в неп'єзоелектричному середовищі до швидкості в п’єзоелектрику.

Позначимо фазову швидкість поширення поздовжньої хвилі в неп'єзоелектричному середовищі Vо, а фазову швидкість поширення цієї ж хвилі в п’єзоелектрику V. Можна записати



де — щільність середовища. Для коефіцієнтів жорсткості с11 і с11(р) можна записати співвідношення



де k1-коефіцієнт електромеханічного зв'язку для поздовжньої хвилі. Із цих рівностей можна одержати:




Таким чином, відносна зміна фазової швидкості ідеальної об'ємної поздовжньої хвилі, викликана п'єзоелектричним ефектом, пропорційна квадрату коефіцієнта електромеханічного зв'язку для цієї хвилі.

У випадку ПАХ її швидкість зміниться, якщо вільну поверхню п’єзоелектрика покрити ідеально провідним шаром, товщиною якого можна зневажити. Зміна швидкості ПАХ викликано тією обставиною, що провідний шар закорочує складову електричного поля, що паралельна поверхні. Це явище має велике значення для практичних застосувань, особливо при збуренні ПАХ за допомогою перетворювача. У зв'язку із цим теоретично й експериментально були визначені швидкості ПАХ на вільній і металізованій поверхнях для різних напрямків поширення хвиль і різної орієнтації поверхні. Якщо позначити через v різницю між швидкістю на вільній поверхні v й і швидкістю на металізованій поверхні v о, то величину v / v о можна вважати мірою зв'язку.

Коефіцієнт електромеханічного зв'язку k для ПАХ, як і для поздовжньої хвилі, визначається співвідношенням



Це співвідношення підтверджене експериментально. Також в інший спосіб визначено коефіцієнт електромеханічного зв'язку:



Тут ΔV = VVo, при цьому V — фазова швидкість ПАХ у випадку «вільних» граничних умов [тобто поверхневий імпеданс Zp прилягаючого середовища нескінченний і діелектрична проникність для даного середовища дорівнює нулю, що практично важко здійсненно] й Vo — фазову швидкість при «закороченных» граничних умовах (Zp = 0, що прилягає середовище провідна). Зв'язок з визначенням задається співвідношенням



де



Для рішення завдання про поширення ПАХ необхідно знати інтенсивність і напрямок потоку енергії. Перенос енергії у випадку гармонійної зміни в часі всіх величин при квазистатическом наближенні електричного поля можна характеризувати в будь-якій крапці середовища (використовуючи електроакустичну аналогію) за допомогою комплексного вектора Пойнтинга р — поняття, широко використовуваного в теорії електромагнітного поля. Інтенсивність ПАХ в напрямку осі Х обумовлена як середнє значення потужності, що пройшла через одиницю поверхні перпендикулярно осі, є дійсною складовою i-ої компоненти комплексного вектора Пойнтинга:





де символ Re позначає дійсну складову, а зірочкою відзначені комплексно-сполучені величини. Наведені величини дані в масштабі амплітуд. У випадку непьезоелектрического середовища відсутній член Di* у виразі для р і п'єзоелектричний внесок ekijEk у виразі для Tij.

Інтенсивність ПАХ в обраному напрямку, обумовлений формулою для р, зменшується в напрямку вглиб середовища. В елементах електроніки на ПАХ нас, як правило, цікавить інтегральна величина - загальний потік енергії ПАХ в даному напрямку, що лежить у площині границі двох середовищ. При цьому маємо на увазі середню енергію, що ПАХ переносить на поверхні в смузі шириною 1 м:



За винятком випадків псевдоповерхневих хвиль, які будуть описані нижче, величина P3 = 0, і потік енергії ПАХ паралельний поверхні.

В анізотропному середовищі в загальному випадку напрямок потоку енергії ПАХ не паралельний напрямку її поширення. Відхилення потоку енергії від напрямку поширення можна характеризувати відношенням величин Р1/P2 заданих останнім виразом. Випадок коли напрямок, поширення ПАХ, обумовлений хвильовим вектором, збігається з напрямком потоку енергії ПАХ, називається чистою модою ПАХ.



Рисунок 5.1 Криві повільності для ПАХ, що поширюються в площині (110) у нікелі

Оскільки нас цікавить напрямок потоку енергії, можна також використати таке поняття, як крива повільності (рис. 5.1). Цю криву одержимо, відкладаючи в напрямку поширення ПАХ значення, обернено пропорційні її швидкості.

Напрямок групової швидкості, тобто напрямок потоку енергії (вектора Р), для даного напрямку поширення ПАХ, певного хвильовим вектором, задано напрямком нормалі до кривої повільності. На рис. 5.1 кут t визначає напрямок поширення й Ф — кут між векторами Р и к, тобто кут відхилення потоку енергії від напрямку поширення. Із кривої на рис. 5.1 можна визначити напрямку, уздовж яких поширюються чисті моди ПАХ (вони позначені кружечками), що характеризуються тим, що вектори Р и к колінеарні. Наприклад, для напрямків, близьких до кута υ = 90° (рис. 5.1), потік енергії ПАХ відхиляється в напрямку υ = 90°, отже, пучок ПАХ фокусується.

Для ПАХ в ізотропному середовищі Використаємо загальне рішення, наведене в попередніх розділах, для випадку поширення ПАХ в ізотропному неп'єзоелектричному напівпросторі. Із властивостей вектора поляризації треба, щоб механічні змішання в цьому випадку мають місце лише в сагітальній площині. Пружні коливання назвемо поверхневою хвилею Релея. Запишемо рівняння для розрахунку фазової швидкості vr, які виходять з вікового рівняння системи:



де vt й vi являють собою відповідно швидкість поперечних й повздовжніх об'ємних хвиль, що завжди більше швидкості ПАХ Релея vj . Для складових змішань при поширенні уздовж осі Xi дійсні співвідношення мають позитивні дійсні значення, з -пр вільна константа, що залежить від інтенсивності ПАХ. З формули слідує, що поздовжня (U) і поперечна (V) складові змішання зсунуто по фазі на 90°, що є причиною еліптичного руху часток. На рис. 5.2 показана залежність амплітуд коливань хвиль Релея від відстані до поверхні. З малюнка видно, що хвиля торкає шар під поверхнею товщиною лише кілька довжин хвиль.



Рисунок 5.2 Залежність складових ПАХ Релея від глибини, вираженої в одиницях довжин хвиль

Крива 1 — поздовжня складова з негативним знаком, крива 2 — поперечна складова; криві нормовані відносно амплітуди поперечної складової на поверхні ізотропного твердого тіла.

Вектор Пойнтинга паралельний напрямку поширення хвилі й швидко зменшується із глибиною (-х3). Рух середовища, викликане ПАХ Релея, наочно зображено на 5.3, де показана деформація прямокутної сітки в сагиттальній площини. Дійсні зсуви становлять величини порядку 10-5 довжини хвилі ПАХ.



Рисунок 5.3 Залежність інтенсивності хвиль Релея

Залежність інтенсивності хвиль нормованої по одиничній амплітуді на поверхні ізотропного твердого тіла, від глибини, вираженої в одиницях довжин хвиль .



Рисунок 5.4 Деформація прямокутної сітки в сагітальній площини, викликана ПАХ Релея в ізотропному середовищі

А — незбурена поверхня, В — рух поверхні, викликаний ПАХ

Інтервали позначають зсув у різних крапках твердого тіла.

Деякі основні властивості ПАХ в анізотропному середовищі аналогічні властивостям ПАХ Релея. Вони мають еліптичну поляризацію, перенос хвильової енергії відбувається в приповерхньому шарі й фазовій швидкості не залежить від частоти. Однак анізотропія може вносити ряд відмінностей. Наприклад, фазова швидкість залежить від напрямку поширення, і потік енергії не обов'язково паралельний хвильовому вектору. Площина еліптичної поляризації хвилі може не збігатися із сагітальною площиною, і в тих випадках, коли вона збігається з нею, головні осі еліпса (рис. 5.4) не обов'язково паралельні осям Х1 н Х3. Загасання амплітуди хвилі в загальному випадку відбувається не за експонентним законом, а по синусоїді з експоненциально загасаючою амплітудою. Якщо анізотропне середовище має п'єзоелектричні властивості, то крім трьох складових механічних змішань існує й електричний потенціал, завдяки чому швидкість поширення ПАХ стає залежної від електричних умов на поверхні або поблизу її. У цьому випадку ПАХ супроводжується електричним полем з еліптичною поляризацією в сагітальної площини.

Підкладки для ПАВ можна вибирати із цілого ряду комбінацій орієнтації поверхні, напрямку поширення хвилі й кристалографічної симетрії середовищ. Найбільш широке поширення одержали матеріали з відносно високою кристалографічною симетрією. Це пов'язане з тим, що напрямок потоку енергії в них паралельно хвильовому вектору. Ці напрямки відповідають екстремумам криво повільності (рис. 5.1). Деякі екстремуми визначаються значенням пружних і п'єзоелектричних констант, інші тільки кристаллографічною симетрією середовища. Необхідною й достатньою умовою для існування чистої моди є задоволення однієї з наступних умов:

^ А) Якщо сагітальна площина (Х1, Х3) є площиною дзеркальної симетрії, то вісь X1 являє собою напрямок поширений чистої моди. Рішення розпадається на дві незалежні частини: одна містить складову змішання и2, друга — складові и1, и3, .

Б) Якщо сагітальна площина перпендикулярна осі симетрії другого порядку кристалу, та вісь Х1 є напрямком поширення чистої моди. Рішення розпадається на дві незалежні частини, одна з яких містить складові и1 й и3, друга — иг , .

Наведені випадки, коли детермінанти систем рівнянь розпадаються на дві незалежні частини, називають вирожденими. Нижче розглянуті три випадки, коли задовольняються обоє умови або одне з них.

Напрямку поширення чистої моди, що задовольняють умовам А и Б

Середовище, у якій обоє умови задовольняються одночасно, не може бути п'єзоелектричним, тому що має центр симетрії. Як приклад можна привести поширення ПАВ у напрямку кристалографічної осі уздовж базової площини неп'єзоелектричного кристала з кубічною симетрією. У цьому випадку рішення рівняння розпадається на дві незалежні частини. Складова и2 приводить до появи об'ємної поперечної хвилі, що задовольняє граничним умовам на поверхні. Із другої частини рішення одержимо дві константи b(т), які на відміну від ізотропного середовища не обов'язково будуть розташовуватися на негативній мнимій осі, тому що 44c11-c12. Дійсні частини констант b(т) приводять до осциллирующей амплітуди змішання, у той час як мнимі частини характеризують загасання.

Направлення поширення чистої моди, що задовольняють умові А.Цей випадок з найпоширеніших, він відповідає орієнтації поширення ПАХ уздовж осі Х3 на поверхні Х1Х2 кристала ниоба-та літію (клас 3т). Оскільки для вираження дійсно Г12 = Г23 = Г24 = 0, рішення розпадається на дві незалежні частини. Одне рішення, що задовольняє граничним умовам, містить лише складову змішання й, отже, приводить до об'ємної хвилі, по-Ризованной перпендикулярно сагітальній площини. Ця об'ємна на відрізняється від хвилі, розглянутої в попередньому випадку, тим, що хвильовий вектор відхилений від поверхні (у напрямку усередину середовища). У той час як напрямок потоку енергії паралельно осі Х1. Друге рішення, що містить потенціал і дві складові и1 і и3, представляють собою ПАХ Релея в п’єзоелектрики.



Рисунок 5.5 Залежності поздовжніх (криві 1) і поперечних (криві 2) складового змішання ПАХ, що поширюється на зрізі YZ кристала ніобата літію, від глибини, вираженої в одиницях довжин хвиль

Суцільні криві відповідають вільній поверхні, переривчасті - скороченій; криві нормовані щодо амплітуди поперечної складової на поверхні.

Значення швидкості й форма залежать від електричних граничних умов. Приймаючи, що X3 > 0 простір заповнений середовищем з діелектричної постійної Ео (вільна поверхня) і складові електричної індукції D3, а також потенціал безперервні, одержимо для наведеного приклада значення швидкості ПАХ, рівне 3485 м/с. Якщо поверхня покрита тонким провідним шаром, то тангенціальна складова електричного поля ПАХ на поверхні дорівнює нулю, а фазова швидкість зменшиться до величини 3405 м/с. Залежності складові змішання й потенціалу для цих двох випадків зображені на рис. 5.5 .

Електрично скорочені поверхні особливо впливають на хід кривих електричного потенціалу (рис. 5.6). Так само, як й в ізотропному середовищі, рух часток відбувається лише в тонкому шарі під поверхнею підкладки товщиною в кілька довжин хвиль. Потік енергії Рі, має лише складову Р1, отже, його напрямок паралельно вектору поширення хвилі.

Коефіцієнт електромеханічного зв'язку, обумовлений вираженням для наведеної орієнтації підкладки з ниобата літію у випадку поширення чистої моди ПАХ має одне з найбільших досяжних значень к2 = 0,046, для кварцу 0.001.

Вимірювані значення швидкості поширення ПАХ на вільній і металізованій частинах поверхні підкладки з ниобата літію, паралельної площини XZ, залежно від кута, утвореного напрямом поширення ПАХ і віссю Z, наведені на рис. 5.7. Електричне скорочення поверхні здійснено шаром алюмінію товщиною h =23Онм.

Крива повільності для кутів в околиці осі Z представлена рис. 28. Якщо кут відхилення хвильового вектора від осі Z становить 10 град., той напрямок потоку енергії відхилено від хвильового вектора на 3 град.



Рисунок 5.6. Залежність електричного потенціалу від глибини.



Рисунок 5.7 Залежність швидкості ПАХ, що поширюється уздовж У-зрізу кристала ниобата літію, від кута відхилення хвильового вектора (в інтервалі кутів д = ± 10°) від осі Z, обмірювана за допомогою лазерного інтерферометра

Суцільна крива відповідає вільній поверхні, переривчаста – скороченій шаром алюмінію товщиною 68 мм, штрих пунктирна – скороченим шаром алюмінію товщиною 230 мм.



Рисунок 5.8 Криві повільності для ниобата літію YZ зрізу (суцільна крива) і для ізотропного середовища (переривчаста крива)

Більш складний характер ПАХ в порівнянні із плоскими об'ємними хвилями особливо яскраво проявляється в явищі, пов'язаному з відбиттям хвиль. Об'ємна хвиля описується одним хвильовим фронтом, тому, вибравши необхідну частоту, можна домогтися, щоб на плоскому розділі змішання або його похідна (акустична швидкість) були дорівнюють нулю. При цьому умові відбувається повне відбиття об'ємної хвилі від вільної або закріпленої поверхні. Прикладом може служити п'єзоелектричний резонатор у формі пластини.

Для ПАВ характерним є еліптичний рух часток у сагітальній площині. У зв'язку із цим поверхневу акустичну хвилю можна розкласти на дві хвилі: поздовжню й поперечну, поляризовані в сагітальній площини й зсунуті по фазі на 90° (вплив анізотропії середовища враховувати не будемо).

Фазовий зсув приводить до того, що неможливо знайти таку частоту, при якій у певнім місці (наприклад, на ідеальному ребрі) амплітуди обох хвиль виявилися б одночасно рівними нулю або максимальними. Отже, не можна одержати повне відбиття, можливо лише часткове відбиття.

Зсув, що відповідає ПАХ, задовольняє граничній умові нульовому значенню механічної напруги на плоскій поверхні досить далека від ідеального ребра. Однак при нульовій амплітуді хвилі на ребрі й у безпосередній близькості від нього граничні умови не виконуються. Для їхнього виконання необхідно припустити існування об'ємних хвиль поблизу ребра.

Це можна пояснити сприянням деформації еліптичним рухом часток у хвилі, в результаті чого виникає лінійно поляризована хвиля типу об‘ємної хвилі. Наслідком такого ефекту є те, що відбивається лише мала частина ПАХ. Мале значення коефіцієнта відбиття привело до того, що елементі, що здійснюють відбиття ПАХ , більше, ніж елементів, що перетворюють ПАХ. В частині, де стрибком змінюються пружні властивості або граничні умови, частково відбивається також і об‘ємна хвиля. Доцільно припустити, що часткове відбиття відбулося на початку системи координат. Розповсюджені випадки відбиття від сходинки показані на рис.5.9.




Рисунок 5.9 Ідеалізоване подання стрибкоподібних змін властивостей поверхні, викликаних частковим відбиттям ПАХ:

а — сходинка, утворена видаленням самого матеріалу; б — сходинка, утворена нанесенням металевого або діелектричного шару.

d — амплітуда падаючої ПАХ, Ar— амплітуда відбитої ПАХ, Аt — амплітуда попередньої ПАХ й Аv амплітуда виниклої об'ємної хвилі.)

Відбиття ПАХ можна описати комплексним коефіцієнтом відбиття



Тут Ad = Ао — амплітуда падаючої ПАХ; Аr – Гoе — амплітуда відбитої ПАХ, причому г-фазове зрушення при відбитті; k -хвильове число, рівне 2 /; Го, Гr, Гi відповідно амплітуда, реальна й мнима частини коефіцієнта відбиття. Фазове зрушення, викликаний наявністю об'ємних хвиль у місці стрибкоподібної зміни фізичних величин, як правило, є малою величиною й у першому наближенні їм можна знехтувати, тобто

|Г| = Го = Гг.

Визначення коефіцієнта відбиття ПАХ представляє дуже складне теоретичне завдання. На відміну від коефіцієнта електромеханічного зв'язку коефіцієнт відбиття не можна визначити виходячи тільки із властивостей ПАХ. Теоретично його можна записати у вигляді наступного ряду



де go, gi, gi — коефіцієнти, отримані експериментальним шляхом, h - висота сходинки,  - довжина хвилі ПАХ. При цьому висота сходи величина позитивна, якщо сходинка спрямована нагору. Як правило можна обмежитися лінійною частиною виразу.

Це співвідношення є основним при проектуванні пристроїв з відбивачами ПАХ, оскільки дозволяє, задавшись висотою сходи, передбачити величину коефіцієнта відбиття ПАХ. Коефіцієнт g0 не дорівнює нулю лише у випадку провідного шару й у першому наближенні його можна записати в такий спосіб:




де v_швидкість ПАХ на вільній поверхні, vo — швидкість на металізованій поверхні й gокоефіцієнт електромеханічного зв'язку. Однак можуть бути відхилення від цього виразу.

У випадку А < 0 (сходинка утворена вибіркою матеріалу або нанесенням діелектричного шару), як правило, |Л| <t 2 і коефіцієнт відбиття пропорційний висоті сходи, тобто Г, = giAA. Для сходинки, спрямованої вниз (А < 0), коефіцієнт відбиття має негативний знак, тобто на такій сходинці ПАХ відбивається з фазовим зсувом 180°.

Для мнимої частини коефіцієнта відбиття дійсне вираження, аналогічне, однак фізичний зміст має тільки квадратичний член



Через те що коефіцієнт відбиття від однієї елементарної неоднорідності має малу величину, у пристроях на ПАХ використають рефлектори (відбивачі), яких багато, що мають відбиваючих елементів порядку декількох сотень. Звичайно відбивач реалізується за допомогою системи канавок (рис. 5.10, а), які формують шляхом травлення, або системи провідних смужок на п'єзоелектричній підкладці (рис. 5.10, б). Металеві смужки можуть бути або ізольований одна від одної (вільні), або взаємно скорочені. У деяких випадках елементи відбивача створюються у вигляді діелектричних шарів з використанням методу іонної імплантації або дифузії металу.




Рисунок 5.10 Відбивач ПАХ:

а - система канавок, б - система смужок

Основними характеристиками рефлектора є довжина d, тобто період і коефіцієнт відбиття. Умова відбиття ПАХ від рефлектора наступна

kd + km=kr

Тут kd і kr - хвильові вектори падаючих і відбитої хвиль, які дорівнюють

kd=nd2/d , kr=nr2/r


Вектор km запишемо у вигляді

km=no2 n/d,


де no — одиничний вектор, перпендикулярний ребрам рефлектора й спрямований від нього до його входу, а ціле число п — порядок відбиття. Співвідношення є точним лише для відбивача з нескінченним числом елементів. Якщо число елементів кінцеве, то варто визначити напрямок, у якому відбита ПАХ має максимальну амплітуду.

^ Температурна залежність швидкості ПАХ подібно температурної залежності резонансної частоти резонаторів на об'ємних хвилях виражають за допомогою перших трьох членів статичного ряду




де V - різниця значень швидкості ПАХ при температурах 0 та поточній, a Т(n)— температурний коефіцієнт і-го порядку швидкості ПАХ




Через те, що швидкість ПАХ є функцією пружних, п'єзоелектричних і діелектричних постійних підкладок, температурний коефіцієнт швидкості ПАХ також буде функцією цих постійних й їхніх температурних залежностей.

При виборі орієнтації підкладки прагнуть, щоб температурний коефіцієнт швидкості ПАХ першого порядку був якнайближче до нуля, а температурні коефіцієнти більше високого порядку як можна меншої величини. І хоча при проектуванні елементів на ПАХ насамперед виходять із температурного коефіцієнта швидкості ПАХ, слід зазначити, що необхідно враховувати й теплове розширення самої підкладки.

при поширенні ПАХ від місця порушення хвилі до місця її приймання частина енергії хвилі губиться (втрати енергії пучка ПАХ). Розрізняють втрати, викликані геометрією, і втрати, викликані загасанням ПАХ. Причинами втрат першого типу є:

1) відхилення напрямку поширення енергії від напрямку фазової швидкості;

2) дифракція пучка ПАХ (рис. 5.11, б), т. з розмиті границі пучка й зміна його профілю.

Втрати, пов'язані із загасанням, проявляються зменшенням інтенсивності пучка зі збільшенням відстані від вхідного перетворювача (рис. 5.11, в). На загасання ПАХ впливають наступні фактори:

1) взаємодія з тепловими коливаннями ґрат;

2) розсіювання на нерівностях поверхні;

3) розсіювання на дефектах кристалічних ґрат (дислокаціях, домішках і т.д.);

4) взаємодія поверхні із зовнішнім середовищем,


]

Рисунок 5.11 Відображення втрат енергії пучка за допомогою профілів відносної амплітуди ПАХ, що поширюється між вхідним і вихідним перетворювачами:

а — ідеальний випадок; 6 — дифракція пучка; в — дифракція пучка й загасання

Окремі складові загасання ПАХ різним образом залежать від температури, частоти, геометрії й властивостей середовища (рис.5.12).




Рисунок 5.12 Залежність втрат від температури


Відповідно до теорії твердого тіла ПАХ можна розглядати (особливо в області високих частот і низьких температур) як поверхневі фонони й пояснювати загасання ПАВ як взаємодія поверхневих фононів з дефектами кристалічних ґрат. Із цієї теорії сліду ст, що загасання фононів ПАХ відбувається аналогічно загасанню об'ємних фононів. Температурні залежності коефіцієнта загасання а дл ПАХ при різній частоті зображені на рис. 5.12.

В області низьких температур (нижче 10 К) коефіцієнт загасання постійний, потім при підвищенні температури різко зростає. При високій температурі (300 К) його залежність від температури слабка. Границя між цими областями залежить від частоти. При низьких температурах головну роль грає розсіювання ПАВ на нерівностях поверхні, примісних атомах і дислокаціях. Загасання не залежить від температури, але залежить від частоти. При переході до більше високих температур починає проявлятися розсіювання на теплових фононах ґрат, і різко зростає (пропорційно четвертого ступеня температури), причому проявляється й частотна залежність. При кімнатній температурі ос росте пропорційно квадрату частоти й слабко залежить від температури.

Інтерес представляє вплив прилягаючого середовища, що складає з напівпровідникового шару, у якому діє постійне електричне поле. У цьому випадку відбувається взаємодія між носіями, що рухаються, зарядів у напівпровіднику й хвилею, що рухається. Якщо швидкість зарядів перевищить швидкість ПАХ, то останні можуть підсилюватися. У літературі описаний ряд успішних спроб посилення ПАХ. Однак поки не досягнуть той результируюший ефект, що дає пасивний елемент на ПАХ з послідовно включеним активним підсилювачем. Тому описані вище активні елементи на ПАХ поки не знаходять практичного застосування.

1   2   3



Скачать файл (2379.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации