ПИП на поверхностных акустических волнах

φ = 2 π f₀ l / v,

где l — длина пути и v — скорость, меняющаяся под действием измеряемой величины. Для устройств с двойной линией задержки величина f₀.

Для сложения выходных сигналов эталонного и чувствительного каналов обычно используется аналоговый умножитель. Известное тригонометрическое тождество

sin A sin B = ½ cos(A-B) – ½ cos(A+B)

дает

sin(2πf₀t+∆φ) sin(2πf₀t) = ½ cos(∆φ) – ½ cos(2πf₀t+∆φ).

Фильтр низких частот на выходе выделяет только слагаемое ½ cos(∆φ). В некоторых случаях используются линии задержки без эталонного устройства. В этом случае производится умножение сигнала излучателя и сигнала, полученного на выходе линии задержки, что дает значение ½ cos(∆φ).

3.2 Резонаторы на ПАВ

Конструктивно резонаторы на ПАВ представляют собой подложку из пьезокристаллического материала, на поверхности которой располагаются гребенчатые токопроводящие электроды. Они называются встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) и предназначаются для преобразования электрической энергии в акустическую и наоборот. Входной ВШП преобразует входной сигнал в переменное в пространстве и времени электрическое поле, которое за счет обратного пьезоэффекта вызывает в подэлектродной области упругие деформации, распространяющиеся в виде поверхностных акустических волн до выходного ВШП, где происходит обратное преобразование волн в электрическое напряжение.

Чаще всего применяются  однофазные и двухфазные встречно-штыревые преобразователи. Однофазный преобразователь, изображенный на рисунке 9 (а), представляет собой пьезоэлектрическую пластину 2 с нанесенной на ее рабочую поверхность гребенкой металлических электродов 1, а на обратную сторону – сплошного электрода 3. Двухфазный преобразователь (рисунок 9, б) имеет на поверхности пьезопластины две гребенки электродов: 1 и 3.

 

а – однофазный ВШП; б – двухфазный ВШП.

 

Рисунок 9 – Электромеханические  встречно-штыревые преобразователи

 

Возбуждаемые за счет обратного пьезоэффекта две поверхностные  волны распространяются в противоположные стороны. Суммарная волна получается в результате сложения этих волн. Упругая деформация пьезоэлектрического материала при приложении к ВШП переменного напряжения частотой f возбуждает ПАВ той же частоты, если пространственный период решетки ВШП L равен длине ПАВ в среде λ_с. Работа двухфазного преобразователя соответствует условию L= λ_с/2. Обычно ширина электродов ВШП равна расстоянию между ними и является шагом ПАВ-структуры, который равен четверти длины волны ПАВ. Локальная деформация звукопровода, возникшая под парой соседних штырей, пройдя расстояние λ_с / 2 до следующего промежутка, оказывается там в тот момент, когда следующая полуволна внешнего напряжения достигает максимума и создает там новую деформацию, синфазную с пришедшей. При распространении ПАВ вдоль звукопровода этот процесс многократно повторяется, и в результате к концу ВШП амплитуда ПАВ, постепенно нарастая, достигнет максимума. Чем больше пар штырей, тем больше, амплитуда напряжения ПАВ частоты f₀=V/λ_с и сильнее подавляются ПАВ, частоты которых отличаются от f₀ (в этом случае нарушается синхронность движения ПАВ и изменения электрического поля между штырями). Это приводит к сужению полосы пропускания ВШП. Число пар штырей N и полоса пропускания ∆f связаны соотношением ∆f=f₀/N. Таким образом, частотно-селективные свойства ВШП определяются шагом штырей      и числом их пар.

Частота, на которой преобразование высокочастотного колебания в ПАВ  наиболее эффективна, называется частотой акустического синхронизма. При отклонении от нее частоты входного колебания эффективность преобразования падает тем больше, чем больше расстояние между штырями и дальше частота входного колебания отстоит от частоты акустического синхронизма. Этот фактор определяет частотные свойства прибора на ПАВ.

Кроме ВШП приборы на ПАВ содержат многополосковые ответвители (МПО), которые изображены на рисунке 10. Они представляют собой решетки изолированных металлических полосок, нанесенные между входным и выходным ВШП на поверхность пьезоэлектрического звукопровода на пути распространения ПАВ параллельно ее фронту. С помощью МПО можно расширять и сжимать фронт ПАВ, изменять их траекторию, осуществлять их отражение, производить частотную фильтрацию, переизлучать энергию ПАВ из одного пространственного канала в другой. Это позволяет, в частности, смещать входной и выходной ВШП относительно друг друга в поперечном направлении, размещая их в различных акустических потоках и уменьшая тем самым прямую электромагнитную связь между ВШП и влияние паразитных объемных волн. После многополоскового ответвителя энергия попадает на выходной ВШП или в акустический волновод, представляющий собой геометрическую структуру, расположенную вдоль направления распространения ПАВ и локализующую ее энергию в ограниченном по ширине участке звукопровода. Он может быть образован за счет формирования предельного выступа на поверхности звукопровода из того же материала, что и подложка, или другого, скорость распространения волны в котором меньше, чем в звукопроводе. Чаще используется волновод с металлической узкой продольной полоской.

Рисунок 10 – Прибор на поверхностных акустических волнах

 

Резонаторы на ПАВ  могут быть одновходовые и двухвходовые. В одновходовом резонаторе функции  ввода и вывода энергии осуществляются одним двухфазным ВШП (рисунок 11, а), в двухвходовом (рисунок 11, б) один ВШП  обеспечивает генерацию, второй – прием акустических волн и их преобразование в электрический сигнал.

а – одновходовые резонаторы; б – двухвходовые резонаторы.

 

Рисунок 11 – Резонаторы на поверхностных акустических волнах

Одновходовые резонаторы на ПАВ реализуются в виде протяженного ВШП с большим числом электродов. Частотные свойства резонаторов на ПАВ определяются в основном частотной зависимостью коэффициента отражения отражателей 4, ВШП же являются элементами связи с резонансной полостью.

Для уменьшения потерь используются многоэлементные ВШП с "расщепленными" электродами, подложки с малым коэффициентом электромеханической связи и распределенные отражатели с большим коэффициентом отражения.

Резонаторы на ПАВ  в зависимости от предъявляемых  требований по температурной нестабильности могут изготовляться на любом пьезоэлектрике. Чаще всего при их изготовлении применяют кварц, как наиболее температурно-стабильный.

При включении резонатора на ПАВ в электрическую цепь на его выход последовательно с сопротивлением нагрузки включают индуктивность, которая компенсирует статическую емкость ВШП.

Преимуществами резонаторов  на ПАВ являются: широкий диапазон частот, высокие стабильность и точность настройки частоты, высокая добротность, малые размеры и масса, высокая  устойчивость к механическим воздействиям, сочетаемость с микросхемами.

3.3 Генераторы на ПАВ

Для генерации напряжения стабильной частоты в диапазоне  СВЧ используются генераторы на ПАВ. Они находят применение в синтезаторах частоты, генераторах для датчиков температуры, давления, импульсных генераторах СВЧ. Генераторы на ПАВ в цепи положительной обратной связи имеют резонатор либо линию задержки на ПАВ.

Структурная схема генератора с резонатором на ПАВ приведена  на рисунке 12 (а). Резонатор, выполненный на пьезоэлектрической подложке 4 с нанесенными на нее встречно-штыревыми преобразователями 3 и отражательными решетками 2, включен в цепь положительной обратной связи усилителя 1. При наличии на подложке нескольких различных ВШП можно получать различные частоты генератора.

а – генераторы с резонатором; б – генераторы с линией задержки.

 

Рисунок 12 – Структурные  схемы генераторов на ПАВ

 

Структурная схема генератора на ПАВ с частотной модуляцией (рисунок 12, б) содержит линию задержки на ПАВ, включенную в цепь положительной  обратной связи усилителя. Торцы подложки линии задержки металлизируют и подают на них модулирующее напряжение, под действием которого (вследствие пьезоэффекта) изменяется длина линии задержки, что приводит к изменению времени задержки, а, следовательно, к изменению частоты генератора.

Изменение частоты генераторов  на ПАВ во времени из-за старения, обусловленное изменением параметров звукопровода (подложки), примерно на порядок больше изменения частоты генераторов с кварцевыми резонаторами, использующими объемную волну. Поэтому основной областью их применения следует считать устройства, где необходимы широкие пределы перестройки по частоте, а к стабильности частоты жестких требований не предъявляется.

3.4 Фильтры на ПАВ

Фильтры на ПАВ составляют особую группу приборов. Их работа основана на явлении избирательного приема и передачи акустических волн, бегущих вдоль поверхности пьезоэлектрической подложки.

Существенное влияние  на форму АЧХ фильтра оказывает  вид закона перекрытия штырей (аподизация) входного и выходного ВШП. Амплитудно-частотная характеристика ВШП с одинаковой глубиной вложения штырей изменяется по закону sin(x/x), в соответствии с рисунком 13. Эта характеристика имеет главный и боковые лепестки. С помощью аподизации можно уменьшить уровни боковых лепестков. При этом каждая пара штырей возбуждает ПАВ различной интенсивности. Закон перекрытия штырей должен соответствовать требуемой импульсной характеристике фильтра.

Рисунок 13 – Амплитудно-частотная  характеристика ВШП

 

Как известно, импульсная характеристика фильтра связана с его АЧХ преобразованием Фурье: при перекрытии штырей по закону е^-x2 АЧХ фильтра будет иметь колоколообразную форму; если штыри перекрываются по закону                                                                    sin(x/x), то АЧХ фильтра будет прямоугольной. Таким образом, изменяя закон перекрытия штырей ВШП, можно управлять импульсной и амплитудно-частотной характеристиками фильтра. Конструкции ВШП, обеспечивающие различные АЧХ, изображены на рисунке 14.

Рисунок 14 – Конструкции ВШП

Частотная характеристика фильтра определяется произведением  частотных характеристик входного и выходного ВШП. При идентичности обоих ВШП АЧХ каждого из них  соответствует квадратному корню  из АЧХ фильтра.

Полосовые фильтры на ПАВ реализуют на основе аподизированных и неаподизированных ВШП, многополосковых ответвителей, изображенных на рисунке 15. Топологию ВШП рассчитывают с использованием рядов Фурье, а затем переходят от временного сигнала к пространственному.

Рисунок 15 – Структуры  полосовых фильтров на ПАВ

 

Дисперсионные фильтры  реализуются на основе ВШП или  отражательных структур (рисунок 16, а, б).

Лучшие характеристики реализуются в дисперсионных  фильтрах на отражательных решетках, изображенных на рисунке 16 (в). Здесь дисперсионные свойства задаются геометрией наклонных отражательных решеток. Промежуток между элементами отражателей возрастает или убывает в зависимости от расстояния до ВШП. При равенстве этого промежутка длине ПАВ последняя отражается под углом 90°. Вторая решетка зеркально симметрична первой и обеспечивает движение ПАВ к выходному ВШП.

Для снижении влияния  температуры на характеристики фильтра  используют конструкцию (рисунок 16, г), в которой ПАВ, распространяясь  между входным и выходным ВШП, проходит равный путь в двух противоположных направлениях, в результате чего компенсируются температурные изменения угла отражения.

Рисунок 16 – Структуры  дисперсионных фильтров на ПАВ

 

На практике существуют различные эффекты, искажающие форму  частотной характеристики затухания: отражение волны от штырей электродов, от торцов пластины, возбуждение паразитной объемной волны. Подавляют эти эффекты применением ряда конструктивных мер. Так, расщепление электродов позволяет уменьшить отражение от штырей (за счет уменьшения вдвое периода акустической неоднородности отражение происходит на частоте выше резонансной в 2 раза и выходит за рабочий диапазон). Использование специальной топологии электродов с применением многополосковых ответвителей устраняет влияние отраженной от торцов пластины объемной волны на выходной преобразователь.

Фильтры на ПАВ находят  широкое применение в системах спутниковой  связи и телевидения, радиолокации. Они изготовляются на подложках  из высокостабильных монокристаллов кварца или ниобита лития и размещаются в плоских керамических и металлостеклянных герметичных корпусах для микросхем. Обладают высокой стабильностью, избирательностью. Могут быть широкополосными, среднеполосными и узкополосными. Широкополосные и среднеполосные фильтры используются для канальной или групповой селекции сигналов и частотно-избирательных элементов, перестраиваемых по частоте и полосе. Узкополосные фильтры используются для очищения спектра в селекторах гармоник синтезаторов, блоках формирования опорных частот и т. п.

3.5 Датчики массы и влажности

С использованием ПАВ элементов ныне выпускают  очень чувствительные микровесы. В  качестве примера на рисунке 17 показаны микровесы XP-Micro компании Метлер Толедо. С его помощью можно взвешивать массы до 52 г. Габаритные размеры 263 × 490 ×с322 мм.

 
Рисунок 17 –  Высокоточные микровесы компании Метлер Толедо.

 

Они имеют встроенный микрокомпьютер, электронный контроль горизонтального уровня, двойной термостатированный кожух с обеспыливанием, цветной сенсорный дисплей, возможность подсоединения к электронной информационной сети, беспроводной связи через интерфейс BlueTooth. Тщательно продуманы все нюансы взвешивания очень малых доз дорогостоящих веществ. Обычно взвешиваемую дозу кладут в "лодочку", боксу или на листик кальки, и при переносе возможны ее потери. В этих весах обеспечивается возможность дозирования навески сразу же в конечную тару через маленькое окошко в дверце, благодаря чему исключаются опасные движения воздуха внутри рабочего объёма весов при взвешивании. Достигается воспроизводимость результатов взвешивания лучше ±1,5 мкг, и значительно снижаются потери очень дорогих реагентов.