Конспект лекций «Элементная база РЭС» (стр. 15 )

Акустоэлектронный эффект

РИС296

Акустоэлектронный эффект - Возникновение в металле или полупроводнике тока или ЭДС под действием электромагнитных волн. Ультразвуковая волна как бы увлекает за собой электроны. Ток протекает в направлении распространения звука. Если через полупроводник проходит ультразвуковая волна, между электродами 3 и 4 создаётся ЭДС. При этом в металлах, кремнии и германии этот эффект незначителен. Гораздо сильнее этот эффект выражен в пьезополупроводниках (CdS, ZnS, GaAs и некоторых других).

При интенсивности звуковой волны 1 ВТ/см2, ЭДС может достигать нескольких В на 1см расстояния между электродами. При воздействии накристал внешнего элетрисеского прооля, которое создаёт дрейф электродов в направлении распространения звуковой волны, возможно 2 случая взаимодействия электронов с волной:

1) если скорость электронов меньше волны, то энергия волны поглощается электроами и волна затухает

2) если скорость дрейфа электронов больше, то электроны отдают свою энергию волне и её амплитуда увеличивается, т. е. происходит усиление акустической волны. Поверхностные акустические волны – упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной поверхности твёрдого тела или вдоль границы сред. В качестве других сред может быть рассмотрена граница твёрдое тело – жидкость и твёрдое тело – твёрдое тело.

ПАВ бывают 2х типов:

1) с вертикальной поляризацией (вектор колебательного движения частиц расположен в плоскости, перпендикулярной поверхности пластины) – волны релея, распространяющиеся вдоль границы твёрдого тела с вакуумом или средой. Энергия волн релея локализована в поверхностном слое с толщиной до 2л, частицы в волне движутся по эллипсу. Большая полуось этих эллипсов перпендикулярна границе, а меньшая параллельна направлению распространения волны.

2) с горизонтальной поляризацией (вектор смещения частиц параллелен граничной поверхности и перпендикулярен направлению распространения волны) – волны Лава.

РИС297

Чаще всего используются ПАВ с вертикальной поляризацией (релея)

Одно из важнейших свойств ПАВ:

1) сравнительно небольшая скорость распространения (1,6..4км/с)

2) возможность взаимодействия с планарными структурами в виде плёнок на поверхности звукопровода.

Первые исследования – 1885г – Релей. ПАВ самые разрушительные при землетрясении

Для практических целей применяют пьезоэлектрики различной конфигурации: прямоугольные и круглые пластины, цилиндры и кольца. Вырезают, соблюдая ориентацию вдоль осей кристалла, т. к. скорость распространения волны и величина пьезоэффекта зависят от ориентации кристалла.

Вопрос 3. Устройства акустоэлектроники

Если поместить между обкладками или… то т. о. получается конденсато с пьезоэлектриком вместо диэлектрика. Если к такому элементу подвести переменное напряжение, то пьезоэлемент будет сжиматься и расширяться, совершая механические колебания. Энергия эл. колебаний превратится в энергию мех. Но пьезоэлемент обладает частотой собственных колебаний, соответственно может наблюдаться резонанс, когда амплитуда колебаний элемента совпадает с внешней ЭДС. Под действием внешней механической силы на пьезоэлементе возникает переменное напряжение той же частоты. В этом случае механическая энергия преобразуется в электрическую и пьезоэлемент становится генератором переменной ЭДС. Т. о. пьезоэлемент является колебательной системой, в которой могут происходить колебания.

Одним из первых акустоэлектрических приборов – кварцевый резонатор. Характеризуется высокой стабильностью колебаний. Применяется для стабилизации частоты генераторов, электронных часов, радиопередатчиков. Собственная резонансная частота зависит от его геометрических размеров. Добротность кварцевых резонаторов 104..106. Пьезорезонаторы можно делать из пьезокерамики, но в этом случае добротность значительно ниже. Кроме того, кварцевые резонаторы используются для изготовления полосовых электрических фильтров.

Определённую группу пьехоэлектрических приборов составляют различные пьезодатчики, реагирующие на температуру, давление или  ускорение. Работа таких датчиков основана на том, что даже небольшое изменение геометрических размеров, что может быть обусловлено внешними факторами, даёт заметное изменение его резонансной частоты. В этих случаях использут не резонатор на основе кварца, а на основе титаната бария (пьезоэффект выражен на 2 порядка сильнее, чем у кварца).

На использовании прямого пьезоэффекта работают пьезоэлектрические микрофоны и звукосниматели. Как правило в этих случаях используется пьезокерамика.

Пьезотрансворматор. В пьезотрансформаторах используются 3 или более электрода, подключенные к источнику переменного напряжения и к нагрузке. Могут усиливать сигнал как по напряжению, так и по току. Бывают:

- узкополсные, работающие на частотах, близких к резонансу;

- широкополосные

Состоит как правило из двух частей. Часть, подключенная к источнику переменного напряжения - возбудитель, а часть, подключенная к нагрузке – генератор.

В простейшем случае делается из 2х керамических брусков, но кроме брусковых используются и другие – дисковые, цилиндрические, кольцевые.

Недостатком можно считать отсутствие проводимости для постоянной составляющей тока.

Одним из приборов акустоэлектроники является электроакустический усилитель. Разделяют электроакустический усилитель:

- на объёмных АВ

- на ПАВ

Усилитель на объёмных волнах

РИС298

П – пьезоэлектрический преобразователь

К – омический контакт

З – звукопровод

Vэ,

При подаче на вход переменного напряжения, во входном преобразователе возбуждается акустическая волна, которая распространяется по звукопроводу. Взаимодействие волны с электронами, движущимися в попутном направлении, может обеспечивать её усиление. Механизм примерно такой. Объёмная акустическая волна представляет собой периодическое сжатие кристалла. В тех местах, где кристалл сжимается, пьезоЭДС замедляет движение электронов, а где расширяется – ускоряет. Возникают периодические сгустки электронов. Если скорость электронов больше скорости волны, сгустки электронов передают свою энергию волне, чем и обеспечивается эффект усиления. Подобные устройства

Недостаток – большая рассеиваемая мощность. Более перспективен электроакустический усилитель на базе ПАВ.

Второй вариант – электроакустический усилитель на ПАВ

РИС299

С помощью входного встречно-штырьевого преобразователя на поверхности кристалла возбуждается акустическая волна. На некотором участке поверхности пьезокристалл соприкасается с поверхностью полупроводника. На границе происходит взаимодействие волны и электронов. Происходит акустическое усиление сигнала, которое затем снимается с выходного преобразователя. Достоинства электроакустического усилителя поверхностного типа – материалы разные. Первый обладает хорошими пьезоэлектрическими свойствами, а второй высокая подвижность электронов.

Полупроводник – эпитаксиально выращенный кремний n-типа. Толщина рабочей части 10мм. Используются для усиления сигнала СВЧ диапазона.

Вопрос 4. Фильтры на ПАВ

Это акустоэлектронные фильтры, основанные на создании и движении динамических неоднородностей в виде дискретных упругих деформаций. Фильтры, использующие объёмные колебания, имеют следующие недостатки:

- конструкция таких фильтров требует механическую обработку с высокой точностью;

- ограничены верхние частоты до уровня десятков МГц;

- плохо согласуются с конструкциями интегральной микроэлектроники.

РИС300

1 – входное встречно-штырьевой преобразователь

2 - выходной

3 – поглотитель

4 – звукопровод

5 – штыри (напыленые металлические электроды толщиной 0,1..0,5мкм выполненные в вакууме ионно-плазменным методом, либо методом электронно-лучевого нагрева)

Основные разновидности:

- преобразователи с обинаковыми расстояниями между штырями

- с различными расстояниями между штырями

- с одинаковыми перекрытиями штырей (расстояние от конца одного до конца другого)

- с различной степенью перекрытия штырей

Если приложить к штырям входного высокочастотное напряжение, то под влиянием поля произойдёт деформация в пьезоэлектрике. Эта деформация со скоростью распространения поверхностной волны распространится по обе стороны от каждого промежутка. Если шаг встречно-штырьевого преобразователя согласован с длиной волны, то деформации, вызванные каждым промежутком, суммируются.

Суммирование происходит за счёт того, что локальная деформация, образовавшаяся под одним из промежутков, начинает перемещаться в противоположных направлениях и проходит расстояние л/2 до следующего промежутка. Она оказывается там тогда, когда следующая волна достигнет максимума и создаёт свою деформацию, которая, складываясь с пришедшей с соседнего промежутка, усиливается.

Оптимальное усиление:

Так происходит многократно под всеми промежутками и суммарная волна распространяется по звукопроводу. Чем больше штырей содержит преобразователь, тем он эффективнее и тем больше накапливается деформаций. Одновременно с этим более жёсткие требования предъявляются к прочности штырей. Суммирование будет эффективно только в случае, если шаг будет равен половине длины волны. Зависимость этого суммарного эффекта от частоты можно использовать для эффекта фильтрации.

Для подложки из ниобата лития LiNbO3 для частоты 100МГц, v=4км/с, шаг преобразователя – 20мкм. Чем больше пар штырей, тем более узкая полоса частот.

N – кол-во пар штырей

Дf – полоса частот

Соответственно, в первом приближении, число пар штырей эквивалентно добротности. Из этого принципа вытекает что они являются фильтрами со средней частотой.

Эквидистантные фильтры

Минимальная частота определяется размерами звукопровода, а также требованием к относительной полосе частот, т. е. кол-вом пар штырей.

Функции фильтрации разделены между фильтрами по-разному. Суммарная АЧХ фильтра определяется произведением частотных характеристик обоих преобразователей.