Акустоэлектронные датчики и компоненты

Министерство  образования и науки РФ

Рязанский Государственный  Радиотехнический университет

 

Кафедра Управление Качеством и Сертификации

 

 

 

 

 

 

 

 

АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЕ ДАТЧИКИ И КОМПОНЕНТЫ

Курсовой проект по дисциплине

 «Методы измерений, испытаний и контроля»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент группы 875

Лобанов Н.О.

 

Проверил:

доцент кафедры  УКС

Абрамов О.К.

 

 

 

 

 

Рязань, 2011

Содержание

Введение…….……………………………...………….……...…...…………...3

1. Кварцевые резонаторы и генераторы……………………..………….....4

1.1.Общие сведения о кварцевых резонаторах………………………….........4

1.2.Кварцевые генераторы.…………….............................................................9

2. Технико-теоретические основы и принципы действия акусто-электронных устройств………………………..……………………………...….....12

2.1.Акустические волны……………………………………………………...12

2.2.Общие параметры устройств  акустоэлектроники………………………15

2.3.Элементы акустоэлектроники…….……………...………………………16

2.4.Устройства акустоэлектроники.………………………………………….19

3.Линии задержки на ПАВ……………………………………..…...............23

3.1.Технические параметры…………………………………………………..23

3.2.Принцип устройства  линии задержки на ПАВ………………………….25

3.3.Метод возбуждения и  приема ПАВ с помощью ВШП…………………26

4.Датчик сейсмоускорений на ПАВ……………………………………….27

4.1.Основные метрологические и эксплуатационные характеристики датчика…………………………………………………………………………………27

4.2.Способы использования  информации……………………………….......28

4.3.Состав датчика……………………………………………………….........28

4.4.Конструкция датчика……………………………………………………..30

Заключение…………………………………………………………………...31

Библиографический список………………………………………………..32

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В настоящее  время акустоэлектроника является одним из активно развивающихся направлений функциональной электроники, основанной на пьезоэлектрическом эффекте. В основе работы устройств функциональной электроники лежат физические явления в различных средах.

Акустоэлектроника изучает вопросы, связанные с  возбуждением, распространением и приемом акустических волн в твердых телах, а также принципы построения устройств для обработки информации. Исходя из типа используемых акустических волн, различают устройства на объемных, поверхностных и приповерхностных акустических волнах. Наибольшее распространение для обработки сигналов имеют поверхностные акустические волны (ПАВ). ПАВ существуют на поверхности твердого тела, их энергия сосредоточена в тонком, сравнимом с длиной волны, слое поверхности [1].

Элементы и  устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ), реализующие многообразные  операции обработки радиосигналов, находят широкое применение в различных областях современной техники: радиоэлектронике, автоматике, телевидении и связи.

Начало развития техники поверхностных акустических волн относится к 60-м годам, когда  были проведены основные теоретические  исследования вопросов возбуждения, приема и распространения ПАВ, разработаны и исследованы конструкции первых элементов и устройств на ПАВ для обработки радиосигналов. Результаты этих исследований нашли широкое отражение в ряде фундаментальных теоретических монографий и работ, посвященных практической реализации отдельных элементов и устройств.

Особенностью  ПАВ устройств является совмещение функций преобразования электрической энергии в акустическую (и обратно) и различных изменений ПАВ в одном конструктивном элементе – подложке. В качестве среды распространения волн используются пьезоэлектрические твердые тела, среды, в которых возможен пьезоэлектрический эффект. Поэтому важным этапом проектирования акустоэлектронных устройств является выбор пьезоэлектрического материала. Этот этап очень важен, так как от свойств среды зависят характеристики распространяющихся в ней акустических волн и, следовательно, технические характеристики устройств.

Рабочий диапазон частот устройств на ПАВ составляет от 3–10 МГц до 3ГГц, а значение относительной ширины полосы пропускания 0,01–100%. Используя последние достижения технологии и специально разработанные конструктивные решения, удалось поднять верхнюю границу частотного диапазона до 5 ГГц и выше.

Целью данной курсовой работы является изучение основ и принципов действия акустоэлектронных датчиков и компонентов.

 

 

 

1. КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ И ГЕНЕРАТОРЫ.
1. Общие сведения о кварцевых резонаторах.

Ранее других в  составе РЭС начали применяться  кварцевые резонаторы. Под кварцевым резонатором понимается электромеханическая колебательная система, состоящая из пьезокварцевой пластины, электродов и держателя.

Пьезоэлектрические  пластинки, используемые в качестве электромеханических колебательных систем, изготовляются преимущественно из кристаллического кварца. Кварц представляет собой одну из разновидностей кремнезема Si0₂ и составляет около 12% земной коры. Пьезоэлектрическим эффектом обладает лишь так называемый «низкотемпературный» кварц, встречающийся в природе в виде кристаллов или бесформенной гальки. При нагреве свыше» 673°С кварц переходит в «высокотемпературную» разновидность и лишается пьезоэлектрических свойств. Кварц химически устойчив, он не растворяется ни в одной из кислот, за исключением плавиковой. Твердость кварца составляет 7 единиц десятибалльной шкалы [1].

Если кварцевую  пластину, вырезанную определенным образом из низкотемпературного кристалла, поместить между металлическими пластинками-электродами, закрепить посредством держателя и приложить к электродам переменную разность потенциалов, то вследствие пьезоэффекта в кварце возбудятся колебания.

Кварцевые резонаторы используют механические колебания изгиба, сжатия, кручения или сдвига всего объема кварцевой пластины. Чем меньше размеры кристалла, тем выше частота. Для частот основной механической гармоники 200...500 кГц кварцевый резонатор, работающий на изгиб, имеет толщину в десятые доли миллиметра, а в длину - несколько десятков миллиметров.

Резонаторы  такого типа, имеющие несколько механических степеней свободы, колеблются сразу в нескольких направлениях. При возбуждении кристалла в виде прямоугольной пластины имеют место колебания продольные (по длине или ширине) и поперечные (по толщине). Колебания по толщине используются на частотах выше  300 – 400 кГц, а колебания по длине – на более низких частотах. Использование поперечных колебаний на частотах ниже 300кГц нежелательно, так как на этих частотах размеры пластин, колеблющихся по толщине, чрезмерно велики, и расход сырья становится недопустимо большим. Использование продольных колебаний на частотах выше 400 кГц также не целесообразно, так как размеры пластин, колеблющихся по длине, на этих частотах слишком малы.

Кроме основных возможно появление побочных колебаний (чаще всего изгибных), что приводит к появлению дополнительных составляющих спектра частот резонатора. Наиболее ярко пьезоэлектрический эффект обнаруживается в кристаллах кварца (Рисунок 1.1) [2].

Сущность механического  резонанса в пластине состоит  в том, что в ней устанавливаются  стоячие упругие волны, причем размер кварцевой пластины, в направлении которого распространяются колебания, кратен половине длины этих волн. Длина упругой волны при данной частоте колебаний пропорциональна скорости распространения, которая, в свою очередь, определяется упругостью и плотностью кварца. Упругость и плотность кристаллического кварца таковы, что линейные размеры пластин, настроенных на радиочастоты, измеряются в миллиметрах и сантиметрах.

 

Рисунок 1.1 - Внешний вид кварцевых кристаллов

Если воспрепятствовать  возникновению колебаний в пластине путем механического зажатия, то она превратится в обычный конденсатор, емкость которого будет определяться площадью электродов, расстоянием между ними и диэлектрической проницаемостью кварца. Этот конденсатор создаст реактивную емкостную проводимость, существующую наряду с проводимостью, обусловленной пьезоэлектрическими свойствами кварца. Величина пьезоэлектрический проводимости для всех частот, за исключением резонансной, очень мала (во много раз меньше емкостной проводимости).

При резонансе, когда деформации кварца велики, электрическое сопротивление резонатора резко уменьшается, и величина пьезоэлектрической составляющей тока, проходящего через кварц, возрастает [1].

- о

В электрической цели переменного тока кварцевый резонатор проявляет себя как параллельно-последовательный колебательный контур (Рисунок 1.2), в котором сопротивление R_S обозначает потери внутреннего трения в пластине, индуктивность L_S пропорциональна массе кристалла, емкость С_S обратно пропорциональна показателю механической жесткости кристалла, С_р — паразитная электрическая емкость выводов и кристаллодержателя.

По сравнению  с колебательным контуром из-за сосредоточенных компонентов добротность кварцевого резонатора весьма высока, что позволяет использовать его для создания избирательных фильтров. Кроме того, высокая добротность позволяет обеспечить стабильность частоты электрических колебаний в автогенераторах с кварцем.

 

Рисунок 1.2 - Эквивалентная схема замещения

кварцевого  резонатора

Последовательная (пьезоэлектрическая) ветвь эквивалентной схемы может быть представлена в виде двух последовательно соединенных реактивных сопротивлений разных знаков, сопротивление индуктивности выражается формулой:

.                                                       (1)

А сопротивление емкости формулой:

.                                                    (2)

На рисунке 1.3 приведена зависимость реактивного сопротивления резонатора от частоты, приложенного к нему переменного напряжения. На низких частотах резонатор ведет себя как емкость, а на высоких частотах ведет себя как индуктивность.

Рисунок 1.3 - Изменение реактивного сопротивления

кварцевого  резонатора от частоты

С повышением частоты  емкостное сопротивление уменьшается, и на частоте последовательного резонанса (называемой резонансной частотой кварцевого резонатора) оно снижается до нуля. Резонатор проявляет свойства последовательного контура, его полное сопротивление минимально и равно активному сопротивлению R_S.

Частота последовательного резонанса, определяемая ветвью LS  и CS, может быть выражена формулой Томпсона:

                                      (3)

 

Частота параллельного резонанса, определяемая параллельным соединением  эквивалентной индуктивности L_S с последовательной цепочкой емкостей C_S  и  C_Р, выражается формулой:

                                                 (4)

 

 

Растет индуктивное  сопротивление резонатора и на частоте f_пар резонатор достигает резонанса параллельного колебательного контура. При дальнейшем повышении частоты начинает сказываться шунтирующее действие емкостей кварцедержателя и обкладок (резонатор действует как конденсатор малой емкости). Разность между резонансными частотами невелика и составляет приблизительно 0,4% от частоты последовательного резонанса [2].

Колебания кварцевых пластин на механических гармониках основного резонанса могут быть использованы для получения резонаторов на более высоких частотах. В случае поперечных колебаний половина длины волны первой гармоники колебаний расположена по толщине (Рисунок 1.4, а), а при нечетных гармониках - нечетное число полуволн (Рисунок 1.4, б). Знаки зарядов на противоположных плоскостях кварцевой пластины, где расположены сплошные электроды, различны. Поперечные колебания четной механической гармоники (Рисунок 1.4, в) вызывают одноименный заряд плоских частей пластины и отсутствие пьезоэффекта. Аналогичные свойства проявляются при продольных колебаниях.

Рисунок 1.4 - Упругие механические деформации кристалла

кварца по толщине  и знаки заряда его плоскостей

Применяя несколько электродов на плоскостях резонатора, удается путем их специального электрического соединения получить пьезоэффект на четных механических гармониках. Кварцевая пластина резонатора, используемого на высших гармониках, длиннее пластины резонатора основной механической гармоники [1].

Точность номинальной  частоты кварцевых резонаторов  достигается технологической подгонкой и составляет ±(0,5... 1,0)10^-7.

Поскольку добротность  кварцевых резонаторов весьма высока (как правило, 10⁴...10⁶ и выше), то в предварительных расчетах сопротивлением потерь R_S эквивалентной схемы замещения можно пренебречь.

К важнейшим  характеристикам кварцевых резонаторов  относятся температурная зависимость  резонансной частоты и уровень  старения.

Для получения  резонаторов с минимальным температурным коэффициентом частоты (ТКЧ) выбирают соответствующий срез кристалла (пространственный угол наклона плоскости разрезания исходного кристалла кварца).

Процесс необратимого изменения резонансной частоты  кварцевого резонатора обычно называют его старением, причины которого объясняются изменениями свойств материалов (прежде всего кварцевой пластины). Существенное влияние на старение оказывает качество обработки поверхностей кварца. При длительной эксплуатации для уменьшения скорости старения необходимо поддерживать уровень рабочих напряжений и токов в пределах милливольт и миллиампер.

Электроды кварцевых  резонаторов на поверхностях пластины изготавливают металлизацией, к которой предъявляются требования высокой прочности. Для металлизации в большинстве применений используют серебро и золото.

Крепление пластин  в корпусе резонатора зависит  от типа механических колебаний. В большинстве случаев пластину с поперечными колебаниями закрепляют специальными пружинными зажимами по ее клиновидному торцу (Рисунок 1.5, а). Подобный способ закрепления значительно увеличивает затухание, вносимое в резонатор, и сильно влияет на его частоту.

Кварцевые пластины продольных колебаний укрепляют  на проволочных выводах из бронзы, припаиваемых к воженным в узлах колебаний кварца серебряным площадкам (Рисунок 1.5, б). При таком креплении активное сопротивление кварцевого резонатора практически не зависит от давления.

Рисунок 1.5 - Применение крепления пластины

 кварцевого  резонатора с помощью выводов

Разновидности металлических и стеклянных корпусов кварцевых резонаторов представлены на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 - Разновидности корпусов кварцевых резонаторов

К современным  РЭС предъявляются все более  высокие требования по стабильности частоты сигналов. Обычно требуемая долговременная относительная нестабильность частоты должна быть не ниже 10^-6...10^-8, что можно обеспечить, применяя кварцевые резонаторы. Добротность кварцевых резонаторов во много раз превышает добротность резонаторов на LC-контурах [2].

 

1.2.  Кварцевые генераторы.

Кварцевый генератор — это генератор колебаний, синтезируемых кварцевым резонатором, входящим в состав генератора.

Кварцевые генераторы используют для измерения времени (кварцевые часы), в качестве стандартов частоты (Рисунок 1.7). Также они широко применяются в цифровой технике в качестве тактовых генераторов.

Рисунок 1.8 – Кварцевые часы

В кварцевых  часах помещена кварцевая пластинка, которая находясь в переменном электрическом поле, начинает совершать вынужденные механические колебания. При этом кристалл кварца, обладая маленькими размерами, может в значительно большей мере стабильно генерировать  колебания, имеющие высокую временную и температурную стабильность.

Кварцевая пластина в генераторе выполняет функции колебательной системы, поэтому нет принципиальной разницы между кварцевым генератором и генератором с обычным колебательным контуром.

На практике шире всего распространены два вида кварцевых генераторов:

а) генераторы, в которых кварцевый резонатор является частью колебательного контура и эквивалентен индуктивности;

б) генераторы, в которых кварцевый резонатор  включен в цепь обратной связи, используется как узкополосный фильтр и эквивалентен активному сопротивлению.

Кварцевые генераторы, в которых кварцевый резонатор используется в качестве элемента контура с индуктивной реакций, называют осцилляторными, а генераторы, в которых кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи, называют генераторами последовательного резонанса.

При работе в  осцилляторном режиме кварцевый резонатор служит основной, первичной колебательной системой генератора, и при его выключении из схемы генерация прекращается.

Осцилляторная схема кварцевого генератора с кварцем  между коллектором и базой, выполненная по схеме с заземленным эмиттером приведена на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 - Осцилляторная схема кварцевого генератора с кварцем

 между коллектором  и базой

Существует 2 вида стабильности частоты генератора с кварцевой стабилизацией:

• Стабильность частоты генератора по отношению к собственной частоте его колебательной системы. Стабильность такого рода тем выше, чем добротнее колебательная система генератора.
• Стабильность собственной частоты колебательной системы относительно какого-либо номинала (эталонной, абсолютно неизменной частоты).

Этот вид  стабильности определяется устойчивостью  параметров колебательной системы по отношению к влияниям различных внешних факторов (температуры, влажности, атмосферного давления, паразитных емкостей или индуктивностей). Важным показателем подобного рода стабильности служит температурный коэффициент частоты.

Таким образом, уход частоты генератора складывается из двух составляющих: из отклонения генерируемой частоты относительно резонансной частоты первичной колебательной системы и из отклонения резонансной частоты относительно заданного номинала, с которым она в начале совпадала.

Для того чтобы  суммарный уход частоты генератора был минимален, его колебательная система должна удовлетворять следующим двум требованиям:

1. Ее добротность  должна быть велика;

2. Ее резонансная частота не должна заметно изменяться со временем или под воздействием, каких- либо внешних факторов. Последнее условие нередко именуют «эталонностью» колебательной системы.

Одной из важных характеристик резонатора, предназначенного для работы в генераторных схемах, служит его активность или интенсивность колебаний. Активность — условная характеристика, математического определения она не имеет. Активность пропорциональна добротности кварца, но она зависит не только от свойств самого резонатора, но и от характера колебательной цепи. Поэтому в различных схемах одна и та же пластина может иметь различную активность.

В большинстве простых кварцевых генераторов, не имеющих автоматических регулировок амплитуды колебаний, напряжение высокой частоты на электродах пластины приблизительно пропорционально ее активности [3].

Появление программируемых кварцевых генераторов позволило вместо производства изделий с различными рабочими частотами, напряжениями питания и диапазонами рабочих температур, использовать всего несколько стандартных функционально законченных генераторов, а многочисленные их вариации по основным электрическим параметрам обеспечивать уже программным путем. В состав микросхем программируемых кварцевых генераторов входит собственно кварцевый генератор опорной частоты, делитель частоты с коэффициентом деления, фазовый детектор, генератор, управляемый напряжением (ГУН) и управляемые выходные каскады. Внешний вид кварцевых генераторов изображен на рисунке 1.9 [2].

Рисунок 1.9 – Внешний вид кварцевых генераторов

 

2. ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ.

2.1. Акустические  волны.

Волной называется любое изменение (возмущение) состояния среды, распространяющееся с конечной скоростью и несущее энергию.

Все волны можно  разделить на два типа: упругие  и электромагнитные. Упругие (другое название акустические) волны – это волны, связанные с колебаниями частиц при механической деформации упругой среды (жидкой, газообразной, твердой). При этом имеет место перенос энергии упругой деформации при отсутствии переноса вещества. Примером акустических волн являются звуковые волны, представляющие собой, чередующиеся области повышенного и пониженного давления воздуха, расходящиеся от источника звука [4].

В акустической волне частицы среды совершают колебания вокруг точки покоя. Волна, у которой вектор колебательной скорости параллелен направлению распространения, называется продольной волной. Если невозмущенную среду представить в виде регулярной структуры (рис. 2.1,а), то в случае продольной волны области сжатия и разрежения будут чередоваться вдоль направления распространения волны (рис. 2.1,б). Частицы среды колеблются в направлении, совпадающем с направлением распространения  волны. Примером продольной волны можно считать звуковую волну, расходящуюся от акустической системы усилителя звуковых частот. Если частицы среды под действием волновой энергии совершают колебания в направлении, перпендикулярном  распространению волны, такая волна называется поперечной или сдвиговой (рис.2.1,в). Колебание струны можно рассматривать как стоячую поперечную волну [5].

 

Рисунок 2.1 –  Среды: невозмущенная среда (а), среда  с продольной

упругой волной (б), среда со сдвиговой упругой  волной (в)

Из всех типов  упругих волн, которые могут распространяться в твердом теле, наибольший интерес с точки зрения практических применений представляют акустические поверхностные волны, распространяющиеся лишь в относительно тонком приповерхностном слое, толщина, которого — порядка длины акустической волны. Это позволяет эффективно управлять скоростью и направлением распространения волны с помощью различных неоднородностей на поверхности твердого тела.

В твердом теле может распространяться несколько типов поверхностных  упругих волн.

В изотропном твердом теле вдоль свободной поверхности кристалла могут распространяться рэлеевские поверхностные волны. Эти волны имеют два компонента упругих смещений, расположенные в сагиттальной плоскости, составленной нормалью и волновым вектором. Фазовая скорость рэлеевской поверхностной волны υ_a удовлетворяет следующему соотношению:

,    (5)

где C_l, C_t — скорости продольной и поперечной волн в твердом теле.

 .                                              (6)

Отношение C_t / C_l для различных веществ меняется в пределах от /2 до 0. При этом величина Е меняется от 0,874 до 0,955 [4].

Если между собой граничат две твердые среды (Рисунок 2.2), модули упругости и плотности которых не сильно отличаются, то вдоль границы распространяется волна Стоунли (или Стонели). Она состоит, как бы из двух рэлеевских волн каждая существует в своей среде, но они имеют одинаковую скорость распространения, меньшую, чем скорости объемных волн в обеих средах. В каждой среде волна локализована в слое толщиной порядка длины волны, имеет вертикальную поляризацию. Такие волны находят применение для контроля соединения биметаллов.

Рисунок 2.2 – Волна Стоунли на границе двух твердых тел

Поперечные  волны, распространяющиеся вдоль границы  раздела двух сред и имеющие горизонтальную поляризацию, называют волнами Лява. Они возникают, когда на поверхности твердого полупространства имеется слой из твердой материала скорость распространения, в котором поперечных волн меньше, чем в полупространстве (Рисунок 2.3).

 

Рисунок 2.3 – Волна Лява на границе твёрдого

полупространства  с твёрдым слоем

Глубина проникновения волны в полупространство возрастает с уменьшением толщины слоя. Из-за того что эти волны горизонтальные в них имеется только одна компонента смещения υ, а упругая деформация в волне представляет собой чистый сдвиг. Смещения в слое (υ₁) и в полупространстве (υ ₂) описываются следующими выражениями:

,                         (7)

,                                          (8)

где t - время,ω- круговая частота, S₁,S₂ вычисляют по формулам:

 ,                                          (9)

  ,                                        (10)

где К - волновое число волны Лява, k_t1 k_t2 - волновые числа поперечных волн в слое и полупространстве соответственно, h - толщина слоя,  А - произвольная постоянная.

Из выражений  для υ₁ и υ₂ видно, что смещения в слое распределены по косинусу, а в полупространстве – экспоненциально убывают с глубиной. Глубина проникновения волны в полупространство меняется от долей λ до многих λ в зависимости от толщины слоя h, частоты ω и параметров сред. Само существование волны Лява как ПАВ связано с наличием слоя на полупространстве: при h→0 глубина проникновения волны в полупространство, стремится к бесконечности волна переходит в объёмную, т. е. в плоскую, горизонтально поляризованную, поперечную волну. Волны Лява находят применение для контроля качества покрытий (плакировок), наносимых на поверхность объекта контроля.

Ультра- и гиперзвуковые ПАВ широко используются в технике для всестороннего неразрушающего контроля поверхности и поверхностного слоя образца, для создания микроэлектронных схем обработки электрических сигналов. Если поверхность твёрдого образца свободная, то применяются рэлеевские волны. В тех случаях, когда образец находится в контакте с жидкостью, с другими твёрдым образцом или твёрдым слоем, рэлеевские волны заменяются другим соответствующим типом ПАВ.

Появлению устройств, в которых применяются поверхностные акустические волны, предшествовал довольно длительный период развития техники объемных акустических волн. Этим объясняется тот факт, что в первых преобразователях поверхностных волн использовался опыт конструирования и эксплуатации пьезоэлектрических преобразователей объемных волн, в которых происходит взаимное преобразование электрического сигнала в объемную акустическую волну и трансформация объемной волны в поверхностную.

С середины 60-х  годов для возбуждения и приема поверхностных акустических волн используются в основном электродные однофазные и двухфазные преобразователи. Использование таких преобразователей явилось важным этапом развития техники ПАВ и привело к появлению целого ряда новых устройств. Для изготовления электродных преобразователей оказался пригодным хорошо разработанный к тому времени метод фотолитографии. Это позволило в значительной степени упростить технологию изготовления преобразователей и расширить диапазон частот устройств, в которых используются ПАВ. В настоящее время существуют устройства на ПАВ, работающие в диапазоне частот от мегагерц до единиц гигагерц [5].