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.