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

 

 

 

 

 

 

Исполнитель:	студент группы 113318 Володько Н. В.
Руководитель:	профессор Джилавдари И. З.

 

 

 

 

 

 

Минск 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………..……………………………………….		3
1	ПИП. Основные определения…………………………………………..	6
2	ПАВ. Виды ПАВ…………………………………………………………	9
	2.1 Общая характеристика  ПАВ-преобразователей…………………...	13
	2.2 Материалы для ПАВ-преобразователей……………………………	15
	2.3 Схемотехника ПАВ-датчиков………………………………………	15
3	Приборы обработки сложных  сигналов на ПАВ………………………	18
	3.1 Линии задержки на  ПАВ……………………………………………	18
	3.2 Резонаторы на ПАВ………………………………………………….	21
	3.3 Генераторы на ПАВ…………………………………………………	25
	3.4 Фильтры на ПАВ…………………………………………………….	26
	3.5 Датчики массы и  влажности………………………………………..	30
	3.6 Датчики магнитного поля…………………………………………...	32
	3.7 Применение ПАВ для автоматической радиоидентификации…...	33
	3.8 Химические и биохимические датчики на ПАВ.………………….	35
	3.9 Применение ПАВ в адаптивных композитных структурах………	36
4	Применение ПАВ-датчиков для измерения физических величин…...	39
Заключение…………..………………………………………..……………..		47
Литература……………………………………………...………………...….		48

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.