Акустоэлектронные датчики и компоненты

 

2.2.Общие параметры устройств акустоэлектроники.

Акустоэлектроника - раздел науки и техники на стыке  акустики твердого тела, физики полупроводников  и радиоэлектроники. Акустоэлектронные  устройства позволяют производить различные операции над сигналами: преобразования во времени (задержку сигналов, изменение их длительности), частотные и фазовые (сдвиг фаз, преобразование частоты и спектра), изменение амплитуды (усиление, модуляция), а также более сложные функциональные преобразования (интегрирование, кодирование и декодирование, получение функций свёртки, корреляции сигналов и т. д.).

В устройствах  используются УЗ-волны ВЧ - диапазона  и гиперзвуковые волны (от 10 МГц  до 10 ГГц), как объёмные (продольные и сдвиговые), так и поверхностные.

Основное преимуществом  поверхностных акустических волн (ПАВ) является доступность волнового фронта, что позволяет снимать сигнал и управлять распространением волны в любых точках звукопровода, а также управлять характеристиками устройств, поэтому большинство устройств выполняется на ПАВ.

Общие параметры: рабочая частота f, полоса частот ∆f, полные вносимые потери  Β и время  обработки сигнала τ. Значения f и  ∆f определяются основными характеристиками электроакустических преобразователей, τ – размерами звукопровода и скоростью звука в нём, а Β - потерями на двойное преобразование, отражение и поглощение звука. Важным параметром устройств акстоэлектроники является информационная ёмкость, определяемая как τ∆f.

По физическим принципам, лежащим в основе работы, и по назначению акустоэлектронные устройства можно разделить на пассивные линейные устройства, в которых производится линейное преобразование сигнала (линии задержки, фильтры), активные линейные устройства (усилители и генераторы сигналов) и нелинейные устройства, где происходят генерация, модуляция, перемножение и другие преобразования сигналов [6].

 

2.3.Элементы акустоэлектроники.

Всякое акустоэлектронное  устройство состоит из простейших элементов - электроакустических преобразователей и звукопроводов (Рисунок 2.4). Кроме того, применяются отражатели, резонаторы, многополосковые электродные структуры, акустические волноводы, концентраторы энергии и фокусирующие устройства, а также активные, нелинейные и управляющие элементы.

Для возбуждения  и приёма объёмных волн используются пьезоэлектрические преобразователи: пьезоэлектрические  пластинки (на частотах до 100 МГц), пьезополупроводниковые преобразователи с запирающим или диффузионным слоем (в диапазоне частот 50-300 МГц),  плёночные преобразователи (на частотах выше 100 МГц). Гиперзвуковые волны часто возбуждаются с поверхности пьезоэлектрического звукопровода, торец, которого для этих целей помещают в зазор СВЧ-резонатора или замедляющую СВЧ-систему. Для возбуждения и приёма ПАВ используются главным  образом встречно-штыревые преобразователи, представляющие собой периодическую структуру металлических электродов, нанесённых на пьезоэлектрический кристалл.

Рисунок 2.4 - Элементы акустоэлектроники:

а - встречно-штыревой преобразователь ПАВ;б - металлическая отражающая решётка;

 в - система  отражающих канавок

Для изменения  направления распространения акустического  пучка в УЗ-линиях задержки и других устройствах применяются отражатели: для объёмных волн - хорошо отполированные свободные плоские поверхности звукопровода, для ПАВ - решётки с периодом d из металлических или диэлектрических полосок или канавок в звукопроводе, установленные перпендикулярно или наклонно к падающей волне. Интерференция ПАВ от большого числа отражателей позволяет получить высокий коэффициент отражения  К_отр в узкой полосе частот, так, при 100 полосках К_отр достигает 98% в узкой полосе с центральной частотой:

,                                                    (11)

где C_п - скорость ПАВ.

Отражение объёмных акустических волн от граней кристаллов позволяет создавать пьезокристаллиеские  монолитные или плёночные резонаторы. Наиболее широко используются кварцевые резонаторы в диапазоне частот 0,5-30 МГц, их добротность достигает 10⁶. Напылением тонких эпитаксиальных пьезоэлектрических плёнок CdS, ZnO или A1N на диэлектрическую подложку создают резонаторы на частоты до 10 ГГц.

Системы отражателей для  ПАВ позволяют создавать резонаторы с добротностью ~10⁵ и низкими вносимыми потерями (~5 дБ) в диапазоне частот 30 - 1000 МГц. В этом случае между отражателями 2 (Рисунок 2.5) создаётся стоячая поверхностная волна, которая возбуждается и принимается преобразователем 1. Добротность такого резонатора определяется коэффициентом отражения ПАВ от отражателей и её поглощением в звукопроводе.

Рисунок 2.5 - Резонансная структура на ПАВ с одним

преобразователем: 1 - преобразователь; 2 - система отражателей 

(металлические электроды  или канавки)

Разновидностью  отражателей для ПАВ являются многополосковые электродные структуры (МЭС), состоящие из однородной незамкнутой периодической  системы металлических полосок (Рисунок 2.6), расположенных перпендикулярно направлению распространения ПАВ. В МЭС падающая волна занимает лишь половину их апертуры (канал I). При достаточной длине МЭС это приводит к тому, что волна, распространяющаяся в канале I, возбуждает связанную с ней моду колебаний в канале II, чем достигается направленное ответвление волны. МЭС позволяют создавать направленные ответвители ПАВ, расширять и сжимать пучки ПАВ, изменять траектории пучков, создавать эффективные отражатели ПАВ, однонаправленные преобразователи.

Рисунок 2.6 - Многоэлектродные структуры для ПАВ:

а – направленный ответвитель; б - отражатель;

1 - входной преобразователь; 2 - выходной преобразователь;

3- многоэлектродная  структура, переводящая волну из канала I в канал II;

4 - многоэлектродная  структура – отражатель

Частным случаем  звукопроводов являются  волноводы  акустические. На объёмных волнах они  представляют собой полоски, ленты или проволоку, в которых возбуждаются определённые нормальные моды. Такие волноводы служат в качестве линий задержки на большие времена или в качестве дисперсионных линий задержки, если волноводы возбуждаются на модах, обладающих заметной дисперсией. В случае ПАВ волноводы представляют собой металлические или диэлектрические полоски (Рисунок 2.7) определенных размеров и сечений. Волноводы служат для канализации энергии ПАВ, изменения их направления распространения и увеличения времени задержки.

Рисунок 2.7 - Типы акустических волноводов для ПАВ

а - выступ; б - канавка, в - металлическая пленка

Концентраторы - звукопроводы переменного сечения, которые служат для увеличения плотности  энергии УЗ-волн и для ввода  энергии в акустические волноводы. Для ПАВ - это металлические или диэлектрические полоска пере-менного сечения (Рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 - Концентратор ПАВ для возбуждения волновода:

1 - преобразователь; 2 - концентратор; 3 – волновод

В качестве активных элементов акустоэлектроники используются пьезополупроводниковые монокристаллы, пьезополупроводниковые плёнки или слоистые структуры пьезоэлектрик - полупроводник. В активных элементах происходит взаимодействие УЗ с электронами проводимости, что позволяет их использовать для усиления и генерации волн, для управления их амплитудой и фазой.

В качестве нелинейных элементов применяются диэлектрические  звукопроводы с большими акустическими  параметрами нелинейности, пьезополупроводниковые материалы и слоистые структуры.

Их работа основана на использовании различных механизмов нелинейного взаимодействия: упругого, пьезоэлектрического, электрострикционного, и особенно акустоэлектронного.

Кроме того, применяются  системы полупроводниковых диодов, связанных с системой электродов, нанесённых на поверхность пьезоэлектрического звукопровода. Нелинейные элементы позволяют перемножать акустические сигналы, производить акустическое детектирование, преобразование частоты и другие, более сложные преобразования сигналов [6].

 

2.4.Устройства акустоэлектроники.

На основе перечисленных  элементов создаются различные  устройства акустоэлектроники. К линейным пассивным устройствам относят  устройства частотной фильтрации (фильтры), акустические линии задержки, согласованные (оптимальные) фильтры, или дисперсионные  линии задержки, кодирующие и декодирующие устройства.

Наибольшее  распространение получили акустические фильтры (пьезоэлектрические, электромеханические, фильтры на объёмных волнах и ПАВ). Они применяются в различных  системах связи от радиовещания и  телевидения до космической связи и радиолокации для выделения полезного сигнала на фоне помех, для интегрирования (накапливания) сигнала с определенными характеристиками, для изменения частотного спектра сигнала.

Акустические  линии задержки изготавливаются  на времени задержки от нескольких нс до десятков мс с рабочими частотами от нескольких МГц до нескольких ГГц. Дисперсионные линии задержки, в которых время задержки зависит от частоты, применяются в качестве оптимальных фильтров для обработки линейно частотно-модулированных сигналов. Включение активных элементов в акустические линии задержки позволяет усиливать акустические сигналы и превращает их в активные устройства.

Усиление УЗ-сигнала  может осуществляться сверхзвуковым  дрейфом носителей. Режим усиления при определенных условиях может быть переведён в режим генерации УЗ-волны. Этот эффект используется для создания акустоэлектронных генераторов монохроматических сигналов и сигналов со сложным спектром.

Наибольшее  распространение получили генераторы сигналов (осцилляторы), в которых резонатор на ПАВ включён в цепь обратной связи транзисторного усилителя. Такие генераторы достаточно просты, малогабаритны и работают в диапазоне частот от 20 МГц до нескольких ГГц. В них возможна электронная перестройка частоты, или частотная модуляция.

Управление  фазовой скоростью ПАВ при  приложении к кристаллу электрического поля или при изменении его  проводимости лежит в основе акустоэлектронных  фазовращателей.

Основные  нелинейные устройства - приборы аналоговой обработки  сигналов - конвольверы (или конволюторы) и корреляторы, а также устройства акустической памяти.

Конвольвер  — вычислительное устройство для  определения свертки.

В основе работе данного прибора лежит принцип  нелинейного взаимодействие бегущих  навстречу друг другу акустических волн одинаковой частоты. В результате нелинейного взаимодействия возникает электрический сигнал на удвоенной частоте, снимаемый интегрирующим электродом. Амплитуда результирующего сигнала пропорциональна интегралу свёртки сжатому в два раза во времени, вследствие встречного распространения акустических волн.

.                           (12)

В конвольверах используется также взаимодействие волн с различными частотами. В этом случае интегрирующий электрод выполняется  в виде периодической структуры с периодом, определяемым пространственными биениями нелинейного сигнала на суммарной или разностной частоте.

.                          (13)

Для выполнения операции свёртки используется нелинейное взаимодействие ПАВ в слоистой структуре пьезоэлектрик - полупроводник (Рисунок 2.9). Преобразователи 1 и 2 излучают сигналы на частоте ω навстречу друг другу.

Рисунок 2.9 - Устройство свёртки на ПАВ в слоистой

структуре пьезоэлектрик - полупроводник: 1, 2 - входные преобразователи;

3 - пьезоэлектрический  звукопровод; 4 - полупроводниковая  пластина;

5 - параметрический  электрод; 6 - выходная цепь.

При этом электрические поля, сопровождающие ПАВ в пьезоэлектрическом звукопроводе 3, создают в граничащей с ним полупроводниковой пластине 4 поперечный ток. Этот ток интегрируется электродом 5, и сигнал с частотой  поступает в приёмное устройство. Аналогичным образом осуществляется работа конвольвера на основе взаимодействия ПАВ в пьезодиэлектриках, обусловленного упругим и пьезоэлектрическим механизмом нелинейности.

 В случае  прямоугольной формы огибающих  взаимодействующих сигналов результирующий сигнал имеет треугольную форму (Рисунок 2.10,а), а при взаимодействии двух пар прямоугольных импульсов - форму трезубца (Рисунок 2.10,б). В случае симметричных сигналов свёртка совпадает с автокорреляционной функцией.

Рисунок 2.10 - Форма выходного сигнала V3 при свёртке: 

а - двух прямоугольных, б - двух пар прямоугольных импульсов V₁ и V₂

Устройство, показанное на рисунке 2.9, позволяет производить обращение сигнала F₁(t)во времени. На входной преобразователь 1 подаётся сигнал F₁(t)и в момент, когда он проходит под электродом 5, на последний подают δ - импульс (или очень короткий радиоимпульс). В результате нелинейного взаимодействия в направлении к преобразователю 1 распространяется обратная волна, представляющая собой обращённый во времени сигнал F₂(t)=F₁(-t). Если сигнал F₁(t) представляет собой пару из короткого и длинного импульсов, то в сигнале F₂(t)короткий и длинный импульсы меняются местами (Рисунок 2.11).

Рисунок 2.11 - Обращение акустического сигнала во времени

в устройстве свертки:  а - входной сигнал; б - накачка - δ-импульс;