ПИП на поверхностных акустических волнах

    Белорусский Национальный Технический  Университет

Приборостроительный факультет

Кафедра «Информационно-измерительная  техника и технологии»

Курсовая работа

по дисциплине «Первичные измерительные преобразователи»

ПИП НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Минск 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Вопрос о том, является ли человечество частью животного мира или оно уникально по своей  природе, занимал умы философов  на протяжении поколений. Такие человеческие черты, как способность к самоанализу, сочувствие, нравственность — все, что составляет разум и творческое начало, стали частью современной полемики вокруг создания искусственного разума. Что не подлежит сомнению, так это неутолимая жажда человечества познать себя и окружающую вселенную. Научные наблюдения проводились с незапамятных времен, и инструменты, использовавшиеся для этого, существуют уже тысячелетия. Тем не менее во второй половине XX века развитие измерительных технологий и в связи с этим, теории управления было стремительным.

Для отечественной отрасли измерительных систем является первостепенной задачей остаться в лидирующем положении на расширяяющихся рынках сенсоров. Вдобавок к общему усовершенствованию традиционных сенсорных устройств в течение последних двадцати лет появился ряд специфических областей, сконцентрировавших в себе новейшие измерительные технологии и материалы. Мировой рынок всех сенсорных устройств оценивается в 15-30 млрд евро/год. Текущий рост продаж обычных датчиков составляет примерно 4% в год в сравнении с 10% для сенсоров новейших конструкций.

В последнее десятилетие  датчикам на ПАВ уделяется все  более пристальное внимание, что  находит отражение в растущем потоке публикаций по этому вопросу. Поверхностные акустические волны (ПАВ) находят широкое применение при разработке фильтров и линий задержек, применяемых в радиотехнических устройствах. В последнее время ПАВ используются также при разработке измерительных преобразователей. Интерес к ПАВ-датчикам вызван двумя основными моментами:

— постоянно улучшаются электрические характеристики преобразователей на ПАВ, в первую очередь их добротность, температурная и временная стабильность, расширяется диапазон рабочих частот;

— технология приборов ПАВ  в значительной степени базируется на прогрессивных приемах, применяемых при производстве изделий микроэлектроники с использованием процессов фотолитографии, групповых процессов планарной обработки подложек и т.д. Это создает предпосылки для массового производства высококачественных преобразователей.

Возможность существования на свободной границе твердого тела упругих поверхностных волн была предсказана теоретически в 1885 г. лордом Рэлеем. На практике эти волны удавалось наблюдать при землетрясениях, они характеризовались слабым проникновением в глубь земли, локализуясь в тонком приповерхностном слое.

В приборостроении рэлеевские волны начали интенсивно применяться в 50-х годах прошлого века в качестве инструмента неразрушающего контроля состояния поверхностей и приповерхностных слоев материалов и конструктивных элементов. Это оказалось возможным вследствие высокой чувствительности скорости распространения и затухания ПАВ к физическим характеристикам приповерхностных зон исследуемого твердого тела.

Наличие этих эффектов в  принципе открывало возможности  реализации новых типов датчиков. Однако практическая целесообразность подобных приборов еще полтора-два десятилетия оставалась проблематичной — простых малогабаритных и высокоэффективных преобразователей для возбуждения и приема ПАВ тогда еще не существовало. В середине 60-х гг. в технике появились твердотельные электронные устройства на ПАВ. Конструктивно они представляли подложку из пьезокристаллического материала, на одной из плоских, обычно полированных поверхностей которой формировалась гребенка проводящих электродов, предназначавшаяся как для электрического возбуждения ПАВ, так и для их приема — обратного преобразования в электрический сигнал. Пьезоприборы на ПАВ получили широкое распространение в технике обработки радиосигналов диапазона 10-1000 МГц благодаря малым габаритам. На сегодня ПАВ применяются для построения линейных устройств-фильтров, линий задержки, резонаторов и генераторов на их основе. Современные методы субмикронной литографии позволяют создавать ПАВ-устройства с рабочими частотами до нескольких гигагерц.

Публикации по датчикам на ПАВ стали регулярно появляться начиная с 1974 г., что было связано с интенсивным развитием ПАВ-приборов в целом. Однако и сегодня еще рано говорить о становлении этого направления.

1 ПИП. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 В точном смысле  этого слова, определенном Оксфордским словарем, измерительный преобразователь является прибором, который преобразует изменение одной величины в изменение другой. В терминах электроники измерительный преобразователь определяется обычно как прибор, преобразующий неэлектрическую физическую величину (называемую измеряемой физической величиной) в электрический сигнал, или наоборот. Имеются, конечно, и исключения из этого правила.

Отсюда следует, что  измерительные преобразователи  используются в электронных системах, т.е. в технических устройствах с электрическим сигналом, отображающим результат измерений или наблюдений. С другой стороны, измерительный преобразователь может быть использован на выходе системы, чтобы, например, генерировать механическое движение в зависимости от электрического управляющего сигнала. Примером реализации преобразователей является справочная система, в которой микрофон (входной преобразователь) превращает звук (измеряемую физическую величину) в электрический сигнал. Последний усиливается, а затем поступает на громкоговоритель (выходной преобразователь), воспроизводящий звук существенно более громкий, нежели тот, который воспринимается микрофоном.

Довольно часто измеряемая величина согласно ее определению просто измеряется электронной системой, а полученный результат только отображается или запоминается. Однако в некоторых случаях измерения образуют входной сигнал управляющей схемы, которая служит либо для регулирования измеряемой величины относительно некоторого заранее установленного уровня, либо для управления переменной величиной в соответствии с измеряемой. Несмотря на очевидное частичное дублирование измерительных преобразователей в этих двух примерах, принято различать эти области использования преобразователей, называя их соответственно контрольно-измерительное оборудование и управляющее. В свою очередь, эти две области подразделяются на телеметрическое контрольно-измерительное оборудование (в котором измерительные системы используются совместно с радиолиниями связи между преобразователем и устройствами отображения информации), химический анализ (при котором система используется для того, чтобы определить и отобразить относительное содержание составляющих смесь веществ), процесс управления (в котором производственный процесс, например прокат стали, контролируется и управляется) и т.д.

На рисунке 1 (а) представлены основные составляющие типичной контрольно-измерительной системы.

Рисунок 1 – Структурные схемы контрольно-измерительной (а) и управляющей (б) систем

Безусловно, не все они  должны иметь место в каждом конкретном случае применения этих систем. На рисунке 1 (б) изображена в упрощенном виде типовая система управления. В сущности, часть системы управления является контрольно-измерительной системой. Рассматривая рисунок 1 следует остановиться на таком определении, как измеряемая величина.

Измеряемая величина – это подлежащая измерению физическая величина, например: ускорение, перемещение, сила, уровень, давление, механическое напряжение, температура, скорость и т. п. В некоторых случаях измеряемой может быть и электрическая величина, такая, как ток, напряжение или частота, которая преобразуется в электрический сигнал, пригодный для использования в других частях системы. При этом измерительный преобразователь является электрическим преобразующим элементом.

Входной преобразователь, преобразующий измеряемую величину в электрический сигнал, – это прибор, пригодный для использования в других частях системы.. Правда, хотя входные преобразователи генерируют электрический выход, существуют, однако, среди них и такие, которые имеют другую природу выходного сигнала, например давление воздуха, но таких преобразователей немного и они здесь не рассматриваются. Преобразователи с неэлектрическим выходом применяются в качестве чувствительных элементов измерительных преобразователей или служат для превращения неэлектрического сигнала в электрический. Все функции преобразователей являются аналоговыми, поэтому в общем случае (за некоторыми исключениями) их сигналы также аналоговые.

2 ПОВЕРХНОСТНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ  ВОЛНЫ (ПАВ). ВИДЫ ПАВ

Существует  большая группа сенсоров, в которых  используется распространение акустических волн по поверхности твердых тел  или в их приповерхностной области. Такие волны называют поверхностными акустическими волнами (ПАВ) и соответственно приповерхностными акустическими волнами (ППАВ). Поверхностные акустические волны – упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной поверхности твердого тела или вдоль границы твердого тела с другими средами и затухающие при удалении от границ.

 Для возбуждения и  детектирования ПАВ и ППАВ  используют прямой и обратный  пьезоэлектрический эффект. Чаще  всего с этой целью на поверхности  пьезокристалла, пьезокерамики или  на пьезоэлектрической пленке формируют так называемые встречно-штыревые преобразователи (ВШП). Это – электроды, имеющие форму гребенки, в которых длина каждого штыря намного больше ширины. В соответствии с рисунком 2, принцип действия сенсоров на ПАВ заключается в следующем: когда на ВШП 1 подается переменное напряжение, в пьезоэлектрическом материале возникают волны механического сжатия и растяжения с частотой переменного напряжения. Если расстояние между штырями равняется длине волны, то волны от всех штырей оказываются синфазными и усиливают одна другую. Возникает сильная резонансная поверхностная акустическая волна. Скорость распространения ПАВ в пьезоматериалах составляет 3,8-4,2 км/с. Поэтому ПАВ с частотой 1 ГГц имеет длину волны приблизительно 4 мкм. Распространяясь вдоль поверхности пьезоэлектрика, ПАВ проходит расстояние в 1 мм приблизительно за 250 нс. Когда волна доходит до электродов 2, она становится причиной возникновения между парой соседних штырей переменного электрического напряжения той же частоты. Колебания напряжения между соседними парами штырей, складываются. Поэтому напряжение на выходе ВШП оказывается наибольшим в случае совпадения их фаз, т.е. тогда, когда расстояние между штырями соседних пар равняется длине волны.

1 – встречно-штыревые  преобразователи электрического  сигнала в ПАВ; 2 – встречно-штыревые  преобразователи ПАВ в электрический  сигнал.

Рисунок 2 – Принцип действия сенсоров на ПАВ

Таким образом, геометрическая структура ВШП обеспечивает высокую  избирательность приборов на ПАВ. Если эта структура строго периодическая, то она функционирует как высокодобротный  частотный фильтр. Если же должны приниматься  лишь сигналы, определенным образом модулированные по амплитуде, частоте, фазе, то используется их соответствующая геометрическая структура ВШП. Прибор на ПАВ функционирует тогда как высокоэффективный коррелятор, выдающий на выходе пик напряжения только тогда, когда пространственно-временная структура поверхностной акустической волны точно совпадает с геометрической структурой ВШП. Прибор фазируется и синхронизируется с сигналом, который поступает на его вход, автоматически, т.е. сам, и только в момент полного совпадения структуры волны и структуры ВШП. Именно по этим причинам приборы на ПАВ широко используют в современной радиотехнике: и в мобильной радиосвязи, и в системе глобального ориентирования GSM, в системах цифровой и локальной беспроводной связи. С применением ВШП и ПАВ построены эффективные фильтры промежуточной частоты, выходные и многомодовые фильтры, калиброванные линии задержки с очень малым затуханием, фильтры Найквиста для цифрового телевидения и цифровой радиосвязи, линии задержки для кодового и временного разделения каналов, фильтры систем волоконно-оптической связи и т.д.

В соответствии с рисунком 3, поверхностные акустические волны (ПАВ) бывают двух типов: с вертикальной поляризацией, у которых вектор колебательного смещения частиц среды расположен в  плоскости, перпендикулярной к границе, и с горизонтальной поляризацией, у которых вектор смещения частиц среды параллелен границе и перпендикулярен направлению распространения волны.

а –  волна Рэлея  на свободной границе твёрдого тела; б –  затухающая волна Рэлея  на границе твёрдое тело - жидкость; в – незатухающая поверхностная волна на границе твёрдое тело - жидкость; г –  волна Стоунли на границе раздела двух твёрдых сред; д –  волна Лява на границе твёрдое полупространство - твёрдый слой. Сплошной штриховкой обозначены твёрдые среды, прерывистой –  жидкость

Рисунок 3 – Схематическое  изображение поверхностных волн различного типа

Простейшими и наиболее часто встречающимися на практике ПАВ  с вертикальной поляризацией являются волны Рэлея, распространяющиеся вдоль  границы твердого тела с вакуумом или достаточно разрежённой газовой средой.

Вдоль границы двух твердых  сред, плотности и модули упругости  которых не сильно различаются, может  распространяться ПАВ Стоунли, состоящая  как бы из двух рэлеевских волн.

Кроме ПАВ рэлеевского типа, существуют волны с горизонтальной поляризацией, которые могут распространяться на границе твердого полупространства с твердым слоем. Это волны Лява. Они чисто поперечные. Их фазовая скорость заключена в пределах между фазовыми скоростями поперечных волн в слое и полупространстве.

На границах кристаллов могут существовать все те же типы ПАВ, что и в изотропных твердых  телах, только движение частиц в волнах усложняется. Так, на некоторых плоскостях кристаллов, обладающих пьезоэлектрическими  свойствами, волны Лява подобно волнам Рэлея могут существовать на свободной поверхности (без твердого слоя). Это так называемые электрозвуковые волны. Наряду с обычными волнами Рэлея, в некоторых образцах кристаллов вдоль свободной границы может распространяться затухающая волна, излучающая энергию вглубь кристалла – псевдорэлеевская волна. Наконец, в пьезополупроводниковом кристалле возможно взаимодействие ПАВ с электронами проводимости, приводящее к усилению этих волн.

На свободной поверхности  жидкости упругие ПАВ существовать не могут, но на частотах УЗ диапазона и ниже там могут возникать поверхностные волны, в которых определяющими являются не упругие силы, а поверхностное натяжение (капиллярные волны). ПАВ ультра- и гиперзвукового диапазонов широко используются, например, в технике для всестороннего неразрушающего контроля поверхности и поверхностного слоя образца, для создания микроэлектронных схем обработки электрических сигналов.

2.1 Общая характеристика ПАВ-преобразователей

Как уже отмечалось выше, существует большое число разновидностей поверхностных акустических волн. Они могут распространяться вдоль плоской свободной границы твердого тела (волны Рэлея), вдоль границы твердого тела и твердого слоя (волны Лява), на границе двух жестко соединенных твердых тел (волны Стоунли).

Изучены особенности  распространения волн при контакте твердых тел с жидкостями, в  изотропных материалах и кристаллах, в диэлектриках, полупроводниках  и металлах при распространении волн как вдоль плоских поверхностей, так и вдоль криволинейных.

Расчет характеристик  волн Рэлея в монокристаллах требует  проведения значительного объема вычислительных работ. Основные особенности этих волн можно показать на примере изотропной  среды. 

Скорость ПАВ всегда чуть меньше скорости объемной сдвиговой волны в материале, так как для волны, распространяющейся вдоль поверхности, рэлеевская волна характеризуется двумя составляющими смещения. Одна из них – вдоль направления смещения, другая – в направлении нормали к плоскости распространения.

При смещениях частицы описывают эллипсы в направлении, обратном направлению распространения. Смещение имеет значительную амплитуду только на расстоянии от свободной поверхности не более нескольких длин волн. Энергия поверхностной волны, таким образом, сконцентрирована в узком подслое вблизи поверхности. Амплитуды смещений имеют порядок 10^-5 длины волны.

В анизотропных средах ПАВ  обладают теми же основными свойствами – эллиптической поляризацией, уменьшением амплитуды вглубь подложки, независимостью фазовой скорости от частоты. Однако анизотропия вносит ряд специфических моментов:

– фазовая скорость зависит  от направления распространения. Направление  вектора потока энергии может  не совпадать с направлением волнового вектора;

– плоскость эллиптической  поляризации не обязательно совпадает с плоскостью, содержащей волновой вектор и нормаль к поверхности (саггитальная плоскость);

– затухание вглубь подложки описывается суммой синусоид, затухающих по экспоненте (для изотропной подложки — суммой экспонент).

Если подложка обладает пьеэзосвойствами, то скорость распространения зависит от электрических условий на поверхности или вблизи нее. Относительная разность скоростей ПАВ

∆V/V = (V_m – V)V

на электрически закороченной (металлизированной) поверхности V_m и свободной поверхности V для волны в заданном направлении является одной из важнейших характеристик эффективности материала подложки – коэффициента электромеханической связи, который определяется следующим образом:

K_m = 2∆V/V.

Для характеристики ПАВ-преобразователя часто пользуются понятием акустической добротности:

Q_a = f_a / ∆f = N,

где  Q_a – акустическая добротность;

       f_a – частота;

       ∆f – полоса пропускания;

       N  – число штырей.

Таким образом получаем, что акустическая добротность характеризует число штырей в преобразователи на ПАВ.

2.2 Материалы для датчиков на ПАВ

В приборах на ПАВ нашли  применение пьезоэлектрические монокристаллы, пьезокерамика и слоистые системы, представляющие комбинацию из непьезоэлектрической подложки и пьезопленки, предназначенной  для возбуждения и приема ПАВ. Слоистые системы в виде пьезоподложки и диэлектрической пленки позволяют реализовать преобразователи с повышенной температурной стабильностью.

В традиционных применениях  ПАВ материалы должны иметь: малые  акустические потери, большую эффективность  электромеханического преобразования, высокую температурную стабильность, низкую скорость распространения ПАВ, которая достигается при определенных толщинах пленки.

На практике наиболее широкое применение получили пьезокварц, ниобат и танталат лития, германат висмута, берлинит, пленки нитрида алюминия, окиси цинка, сульфида кадмия.

В датчиках на ПАВ преимущественно  используется пьезокварц, а из сильных  пьезоэлектриков – ниобат лития. Перспективным представляется использование в качестве материалов подложек-звукопроводов для ПАВ монокристаллического кремния, технология формообразования для которого достигла в последние годы высокого уровня. В этом случае для возбуждения ПАВ применяют пьезоэлектрические пленки ZnО.

2.3 Конструкции сенсоров на ПАВ

Высокая избирательность  устройств на ПАВ, их устойчивость против шумов и помех, успешное применение для их создания микросистемных технологий обусловили то, что в последнее десятилетие активизировались разработки на их основе и других разнообразных высокочувствительных сенсоров. В соответствии с рисунком 4, используются несколько основных конструкций сенсоров на ПАВ: на поверхности толстой (кремниевой) основе и на тонкой мембране.

а – на толстой основе; б – на пьезоэлектрической пленке; в – с отражателем 

 
Рисунок 4 – Возможные конструкции сенсоров на ПАВ

Во втором случае мембрану 2 получают путем анизотропного  травления толстой основы 1. На поверхности  формируют встречно-штыревые электроды 3, поверх которых наносят пьезоэлектрические пленки 4. Над той частью поверхности, вдоль которой распространяются поверхностные акустические волны 5, возникает чувствительная зона 6. "Чувствительна" она в том смысле, что скорость распространения ПАВ, их амплитуда, фаза, частота оказываются очень подвержены влиянию многих факторов: давления, температуры, химического состава внешней среды. Появление в этой зоне даже незначительной дополнительной массы меняет скорость распространения волны 5, ее интенсивность, вследствие чего между переменным электрическим напряжением на входе и на выходе ВШП возникает дополнительная разность фаз и амплитуд. Измеряя эту разницу, можно определить величину дополнительной массы. Сенсоры на мембране оказались чувствительнее, чем сенсоры на толстой основе.

Вариантом конструктивного  исполнения сенсоров на мембране является формирование ВШП не с одной стороны пьезоэлектрической пленки, а с обеих, как это показано на рисунке 4 (в), и использование отражателя ПАВ 7. В этом варианте один и тот же пьезоэлектрический узел 3 используется и как излучатель, и как приемник ПАВ. Поскольку волна проходит расстояние к отражателю 7 и обратно, то при сохранении предыдущих размеров время распространения волны оказывается вдвое больше. Это дает выигрыш в чувствительности. Если же зафиксировать время распространения волны, то ПАВ элемент такой же чувствительности становится на 30-40% короче.

Нужно отметить то, что  периодичность расположения штырей прямо определяет частоту резонансной  несущей поверхностной волны. Чем  более высокую плотность расположения штырей может обеспечить применяемая  технология, тем более высокой частоты ПАВ можно использовать. При использовании нанотехнологии, обеспечивающей возможность формирования штырей с периодом 200 нм, можно работать, например, с ПАВ частотой порядка 20 ГГц. От этого можно получить значительный выигрыш в чувствительности, избирательности и быстродействии сенсоров на ПАВ.

3 ПРИБОРЫ ОБРАБОТКИ  СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ НА ПАВ

Приборы на основе поверхностных  акустических волнах осуществляют аналоговую обработку сигналов на основе взаимодействия акустических волн с электромагнитными полями и электронами проводимости. Они позволяют преобразовывать сигналы во времени (задержка, изменение длительности), по частоте и фазе (сдвиг фаз, преобразование частоты и спектра), по амплитуде (усиление), а также выполнять более сложные функциональные преобразования (интегрирование, кодирование и декодирование, модуляцию и демодуляцию, получение функции свертки, корреляционной функции и т. п.) в различных радиоэлектронных и вычислительных устройствах. Использование таких приборов по сравнению с традиционными обеспечивает меньшие габариты, массу, а иногда и стоимость.

3.1 Линии задержки на  ПАВ

Широкое применение в  РЭА получили линии задержки на ПАВ. В частности, они применяются  в современных экономичных радиолокационных станциях с разрешающей способностью по дальности 3...5 кГц, в сверхширокополосных анализаторах спектра с разрешающей способностью по частоте от 1 МГц до 25 кГц, в процессорах с быстродействием 10 двоичных операций в секунду, в системах связи с шумоподобными сигналами, в программируемых и многоканальных согласованных фильтрах, в накопителях радиосигналов. Линии задержки на ПАВ обеспечивают задержку сигналов от долей микросекунд до единиц миллисекунд в большом диапазоне частот.

Простейшая линия задержки изображена на рисунке 6. Она содержит входной и выходной ВШП (в соответствии с рисунком 5), находящиеся в общем акустическом потоке (в соответствии с рисунком 7, а). Задержка сигнала определяется отношением расстояния между ВШП к скорости ПАВ. Для ее увеличения используются многозаходная структура с разделяющими усилителями (в соответствии с рисунком 7, б), многократное переизлучение ПАВ на многополосковом ответвителе, распространяющееся по меандровому пути (в соответствии с рисунком 7, в), либо цилиндрические или дисковые звукопроводы, в которых ПАВ распространяется по сложной траектории. Применяется дисперсионные (ДЛЗ), многоотводные (МЛЗ) и реверберационные (РЛЗ) линии задержки.

Рисунок 5 – Встречно-штыревой преобразователь

Рисунок 6 – Принцип действия линии задержки ПАВ

Рисунок 7 – Структуры линий задержки на ПАВ

Дисперсионная акустоэлектронная  линия задержки обеспечивает время  задержки составляющих спектра входного сигнала, зависящее от их частот. Требуемый закон изменения задержки от частоты достигается соответствующим размещением электродов дисперсионного ВШП.

Многоотводные акустоэлектронные  линии задержки осуществляют задержку электрического сигнала на заданные интервалы времени. В них энергия  по пути распространения отводится с помощью дополнительных ВШП (в соответствии с рисунком 7, г). Этим достигается дискретная задержка. Такие МЛЗ применяются в устройствах обработки фазоманипулированных сигналов с помощью согласованных фильтров.

Реверберационная акустоэлектронная  линия задержки при подаче на ее вход одиночного сигнала обеспечивает на выходе последовательность сигналов с некоррелированными начальными фазами, временем задержки и амплитудами.

Конструкция датчика  линии задержки на ПАВ также приведена  на рисунке 8. Она включает в себя два одинаковых элемента, что делает возможным добавлять в конструкцию эталонную структуру, расположенную вблизи от чувствительной структуры на той же самой подложке. Линия задержки используется чаще в тех случаях, когда необходимо наличие эталонного устройства.

Рисунок 8 – Датчик на ПАВ на основе линии задержки

Фазовый сдвиг между  излучаемым и принимаемым сигналами, возникающий при распространении  ПАВ, определяется выражением:

φ = 2 π f₀ t,

где t — время распространения волны в подложке между электродами. Можно преобразовать это выражение к виду: