Основные виды взаимодействия
Акустоэлектроника является разделом электроники и изучает взаимодействие акустических волн с электронами проводимости в твердых телах. Она сформировалась в 60-х годах 20-го века, поставив своей целью создание простых, надежных и миниатюрных устройств обработки радиосигналов для РЭС. В ряде случаев акустоэлектронные (АЭ) методы преобразования сигналов являются более простыми по сравнению, например, с электронными методами, а иногда и единственно возможными.
АЭ взаимодействие обусловлено тем, что при распространении акустических волн в кристаллическом твердом теле происходит деформация его кристаллической решетки, и соответственно возникают внутрикристаллические силы, действующие на электроны. Оно сопровождается взаимным обменом энергией между акустической волной и электронами проводимости, что приводит к ряду эффектов.
Так, в пьезоэлектрических материалах (пьезоэлектриках) деформация, возникающая при распространении акустической волны, сопровождается (вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта) появлением переменного электрического поля. В свою очередь это поле (вследствие обратного пьезоэффекта) вызывает деформацию кристаллов пьезоэлектрика и соответственно изменение характера распространения акустической волны.
ПАВ и их типы
В АЭ устройствах (АЭУ) чаще всего используются поверхностные акустические волны (ПАВ), которые распространяются вдоль свободной поверхности твердого тела или вдоль границы твердого тела с другими средами и затухают при удалении от границ. Распространение ПАВ в заданном направлении сопровождается переносом энергии и одновременно их затуханием. ПАВ характеризуются амплитудой колебательного смещения частиц среды и его направлением, частотой колебаний, длиной волны, фазовой и групповой скоростями, а также законом распределения смещений по фронту волны.
Выделяют два типа ПАВ: с вертикальной и с горизонтальной поляризацией. У ПАВ с вертикальной поляризацией вектор смещения частиц среды в волне и направление распространения волны лежат в плоскости, перпендикулярной к граничной поверхности. У ПАВ с горизонтальной поляризацией вектор смещения частиц среды параллелен плоскости границы и перпендикулярен направлению распространения волны.
Пассивные и активные линейные устройства
По физическим принципам, положенным в основу их функционирования, различают линейные (пассивные и активные) и нелинейные АЭУ. К пассивным линейным АЭУ относятся устройства частотной фильтрации (фильтры) и стабилизации частоты (резонаторы), линии задержки, кодирующие и декодирующие устройства. Группу активных линейных АЭУ составляют усилители, генераторы, активные линии задержки, активные отражатели акустических волн и другие функциональные узлы, содержащие элементы, осуществляющие АЭ усиление (так называемые активные АЭ элементы). К нелинейным АЭУ относятся управляемые линии задержки, преобразователи частоты, фазовращатели, параметрические усилители, детекторы и другие устройства, принцип действия которых основан на нелинейном АЭ взаимодействии.
Материалы для устройств на ПАВ
Для создания АЭУ в качестве исходных используются материалы, основными характеристиками которых являются скорость распространения акустической волны, коэффициент затухания акустической волны, температурный коэффициент задержки акустической волны, коэффициент электромеханической связи, плотность, а для активных АЭУ также удельная электропроводность и подвижность носителей заряда.
Акустоэлектронные фильтры и ВШП
Акустоэлектронный фильтр (АЭФ) – это электрический фильтр, в котором для селекции электромагнитных колебаний по частоте их преобразуют в акустические колебания и обратно, разделяя при этом акустические колебания различной частоты. Простейший АЭФ (рис. 2.18) состоит из двух (входного и выходного) встречно-штыревых преобразователей (ВШП), выполненных (путем напыления металлической пленки) на отполированной поверхности звукопровода из пьезоэлектрического материала.
Если приложить к штырям входного ВШП электрическое напряжение высокой частоты и обеспечить согласование частоты fo c шагом ВШП, то под влиянием поля произойдет деформация в пьезоэлектрике, которая со скоростью υпов распространится в обе стороны от каждого промежутка. Если а – ширина штырей, h – расстояние между штырями, то шаг ВШП
b = a + h.
Если шаг ВШП согласован с длиной волны, то деформации, вызванные каждым промежутком, суммируются, образуя суммарную ПАВ.
Суммирование происходит за счет того, что локальная деформация, образовавшаяся под одним из промежутков, начинает перемещаться в противоположных направлениях и проходит расстояние λпов/2 до следующего промежутка. Она оказывается там в тот момент, когда следующая полуволна внешнего напряжения достигнет максимума и создаст свою деформацию, которая, складываясь с пришедшей от соседнего промежутка, создаст суммарную деформацию. Это имеет место при выполнении равенства
2b = λпов= υпов/ fo,
где λпов – длина ПАВ.
Так происходит многократно под всеми промежутками, и суммарная волна распространяется по звукопроводу. Эта волна достигает выходного ВШП, где происходит обратное преобразование деформаций в электрическое напряжение. Обратное преобразование обусловлено тем, что деформации пьезоэлектрика, вызванные ПАВ, приводят к появлению электрического напряжения на штырях выходного ВШП, причем знак напряжения, наведенного на соседних парах штырей при согласовании ВШП с частотой, будет противоположным из-за обратного чередования штырей. Это позволяет сформировать в выходном ВШП двуполярное переменное электрическое напряжение с частотой входного сигнала.
Чем больше штырей содержит ВШП, тем он эффективнее и тем большая накапливается деформация. Одновременно с этим более жесткие требования предъявляются к точности выполнения штырей на звукопроводе, к стабильности скорости распространения поверхностной волны и частоты сигнала.
Деформации, возникающие под промежутками при других частотах, не будут эффективно суммироваться. Зависимость отклика от частоты можно использовать для получения эффекта фильтрации.
Из принципа действия АЭФ очевидно, что если штыри и промежутки выполнить точно и согласованно с частотой, то полоса пропускания (ПП) частот определяется числом пар штырей. Действительно, при малом числе пар штырей отклонение частоты от средней (расстройка) приводит к уменьшению эффективности преобразования и, следовательно, к частотно-избирательному эффекту, но уменьшение коэффициента передачи с расстройкой происходит медленно. Если же использовать много пар штырей, то каждая пара будет вносить свою долю в уменьшение относительного коэффициента передачи, т. е. в этом случае ПП АЭФ будет более узкая.
Минимальное число ВШП в АЭФ два: входной, куда поступает фильтруемый сигнал, и выходной, который воспринимает отфильтрованный сигнал. Функции фильтрации могут быть распределены между ними по-разному. Наиболее часто основные функции по формированию амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) АЭФ выполняет входной ВШП, а выходной ВШП является широкополосным (имеет минимальное число пар штырей). Как показывает опыт, при этом меньше проявляются искажения АЧХ.
Конструирование АЭФ
При конструировании АЭФ необходимо решить ряд вопросов, связанных с вторичными эффектами, к числу которых в первую очередь следует отнести эффекты отражения ПАВ от штырей ВШП, от краев звукопровода и т. д. Наиболее существенное влияние оказывает отражение от штырей.
В АЭФ эффект отражений стремятся уменьшить путем использования очень тонких напыленных штырей толщиной примерно 100 – 200 нм, а также подбором соотношения между величинами а и h. Установлено, что целесообразно выбирать отношение а/(а+h) равным примерно 0,5 – 0,6 при материалах с небольшим значением kм и 0,7 – 0,8 – с большим kм.
При конструировании АЭФ сначала в зависимости от требований к ПП и средней частоте выбирается материал звукопровода, в качестве которого могут быть использованы как монокристаллические, так и поликристаллические (пьезокерамические) материалы.
В АЭФ с соотношением ∆fп/fo до 0,05 – 0,06 наиболее широко используется кварц SiO2 различных срезoв. В этом случае малый коэффициент электромеханической связи позволяет получить низкий уровень отраженных от штырей сигналов даже при числе штырей более 300 – 500. Кварц также отличается высокой температурной стабильностью, и поэтому могут быть получены кристаллы, позволяющие создавать звукопроводы длиной 100 – 200 мм.
Для АЭФ с относительной ПП ∆fп/fo ≈ 0,5 – 0,6 применяется в основном ниобат лития LiNbO3, который благодаря большому коэффициенту электромеханической связи позволяет уменьшить затухание в АЭФ, но при небольшом числе пар штырей (примерно 10).
К числу перспективных материалов для звукопроводов можно отнести танталат лития LiТаО3 и германат висмута Вi12GeО20. Танталат лития является единственным материалом, в котором высокие пьезоэлектрические свойства сочетаются с хорошей термостабильностью. Германат висмута применяется для линий задержки на большие длительности из-за низкой скорости распространения ПАВ, а также для АЭФ со сложными ВШП. Это объясняется тем, что можно получить относительно большие размеры кристаллов.
Одним из основных требований к звукопроводам является высокий класс обработки поверхности. Толщина звукопровода выбирается около 20λпов для уменьшения влияния объемных акустических волн. Затем осуществляется синтез топологии ВШП, исходя из требований к АЧХ, т. е. выбирается количество пар штырей и закон изменения их перекрытия при аподизации.
На следующем этапе решаются конструкторско-технологические вопросы формирования штырей, контактных шин и поглотителей. При осаждении металлической пленки на поверхность звукопровода происходит изменение упругих свойств металлизированной поверхности, что способствует изменению скорости ПАВ, а также появлению отражений.
Можно сформулировать следующие требования к материалам, применяемым для металлизации: минимальное электрическое сопротивление, высокие адгезия, коррозионная стойкость, стабильность основных физико-химических свойств. Наиболее широко для этих целей используются алюминий, серебро, золото.
Изготовление структур АЭФ сводится к формированию заданной конфигурации металлических штырей и контактных шин. В диапазоне частот 15 – 300 МГц ширина электродов меняется от 50 до 1 мкм. Длина штырей составляет 3 – 10 мм, а общее число их изменяется от 50 – 100 до 400 – 600.
Число ВШП на одном звукопроводе составляет обычно два, но может достигать шести. Общее поле, занимаемое ВШП, составляет от 5×15 до 30×100 (200) мм2. Чтобы получить хорошую электропроводность и надежное присоединение проводников, толщину пленки контактных шин следует выбирать в пределах 250 – 300 нм.
Следующий этап конструирования АЭФ – расчет элементов согласования, а также расчет отклонений АЧХ, ее температурной стабильности и стабильности во времени. Заключительным является выбор корпуса для АЭФ из числа стандартных для ГИС, а также конструирование размещения, креплений, соединений, выводов (вход, выход) и герметизация. Для корпусов обычно используются металлостеклянные прямоугольные корпуса со штырьковыми выводами, отвечающие по типоразмерам стандартному ряду.