Акустоэлектронные датчики и компоненты

в - выходной сигнал.

Корреляторы предназначаются  для получения функции корреляции V_КОР(t) двух сигналов:

                            (14)

Функцию корреляции сигналов можно получить с помощью устройства свёртки, если один из сигналов предварительно обратить во времени. При этом встречное взаимодействие приводит к тому, что сигнал корреляции снова будет сжат в два раза.

В системе пьезоэлектрик - полупроводник наряду с операцией  свёртки или корреляции осуществляют также сравнительно долговременное запоминание акустических сигналов; такие устройства называют устройствами акустической памяти. Запоминание акустических сигналов обусловлено наличием центров захвата электронов в полупроводнике. В результате нелинейного взаимодействия двух акустических волн одинаковой частоты, бегущих навстречу друг другу, в системе возникает электрическое поле с нулевой частотой и пространственным периодом, вдвое меньшим длины акустической волны.

Перераспределение заряда под действием этого поля создаёт объёмный неоднородный заряд  на примерных центрах захвата, который будет существовать до тех пор, пока тепловые процессы не выровняют это неоднородное распределение. Таким образом, время памяти определяется временем релаксации для примесных состояний полупроводников

Использование легированного кремния позволяет  запоминать акустические сигналы на время в несколько сотен мкс, а сернистого кадмия - до 10 мс. Охлаждение кристалла дополнительно увеличивает время памяти. Считывание запомненного сигнала осуществляется подачей на электрод 5 (Рисунок 2.12) сигнала на удвоенной частоте (короткого считывающего импульса). Считанный сигнал снимается выходным преобразователем 2. Кроме того, в устройствах акустической памяти используют взаимодействие акустического сигнала частоты ω с однородным электрическим полем той же частоты.

В результате этого запоминается периодическая структура с периодом, равным длине акустической волны. Считывание осуществляется подачей на электрод сигнала той же частоты ω. Устройство памяти позволяет не только запоминать сигнал, но и проводить его корреляционную обработку.

Рисунок 2.12 - Схема устройства акустической памяти:

1 - входные преобразователи; 2 - выходной преобразователь;

3 - звукопровод  - пластина LiNbO₃, 4- полупроводниковая

пластина (Si или CdS) с электродом 5.

Сигнал свёртки, как и сигнал акустической памяти, зависит от проводимости полупроводника. Неоднородность проводимости изменяет форму выходного сигнала, поэтому по его форме можно акустическими методами контролировать однородность электрических параметров полупроводниковых материалов, а по сигналу памяти - измерять время релаксации примесных состояний.

Нелинейные  акустоэлектронные устройства применяются также для сканирования оптических изображений и преобразования их в электрический сигнал. Так, при освещении фоточувствительного полупроводника в устройстве свёртки распределение освещённости оптических изображений задаёт распределение проводимости. Если в такой структуре производить свёртку короткого и длинного акустических импульсов, то короткий сигнал будет сканировать распределение освещённости. В результате форма выходного сигнала конвольвера будет соответствовать распределению освещённости вдоль акустического пучка [6].

3.ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ НА ПАВ.

3.1.Технические параметры.

К линейным пассивным  акустоэлектронным 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 объемных 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 времена 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 переведен в режим генерации УЗ-волны. Этот эффект используется для создания акустоэлектронных генераторов монохроматических сигналов и сигналов со сложным спектром [7].

Основные параметры линий задержки на ПАВ - вносимое затухание, входное и выходное сопротивление, частотная избирательность, полоса пропускаемых частот. Все эти параметры зависят главным образом от устройства встречно-штыревого преобразователя (ВШП).

Важной проблемой при создании высокоэффективных акустоэлектронных компонентов является уменьшение вносимого затухания путем рационального конструирования ВШП. Необходимо также, чтобы преобразование электрических сигналов в акустические и обратно происходило в заданной полосе частот. Это особенно важно для широкополосных линий задержки.

Геометрические  размеры и форма входного ВШП  определяют эффективность преобразования электрического сигнала в акустическую волну. Для каждой частоты наиболее эффективное преобразование получается при определенных размерах ВШП. Число штырей ВШП определяет относительную полосу пропускаемых частот. Самая широкая полоса будет при ВШП, состоящему из двух штырей. Чем больше штырей, тем меньше ширина полосы пропускания. Работа преобразователей на ПАВ ухудшается из-за различных вторичных явлений, к которым, к примеру, относится отражение волн от границ электродов.

Это отражение - главная причина искажений выходного  сигнала и ухудшения параметров прибора. Вредным следует также считать прямое прохождение электрического сигнала с входа на выход и передачу сигнала объемной акустической волной. При снижении затухания и уменьшении отражений за счет особых конструкций ВШП достигается однонаправленная передача.  Линии задержки на ПАВ обычно вносят затухания 0,5-1,5 дБ. Верхняя частота, на которой работают такие линии, достигает 2 ГГц. Относительная полоса пропускания может быть весьма различной: от долей процента до 100%. Длительность задержки в зависимости от расстояния между ВШП и от конструкции составляет единицы-сотни микросекунд. Задержка может быть фиксированной или регулируемой. На торцы звукопровода обычно наносят звукопоглощающие покрытия, чтобы уменьшить отражение волн [8].

Динамический  диапазон линий задержки 80-120 дБ. Для  хорошей работы линии задержки важна температурная стабильность её параметров. Температурный коэффициент задержки (ТКЗ), близкий к нулю, получают, либо, применяя специальный материал для звукопровода (например, кремний с примесями фосфора), либо делая звукопровод из двух частей, имеющих ТКЗ разного знака, что создает взаимную компенсацию.

Диапазон рабочих  температур линий задержки составляет десятки градусов. Для увеличения времени задержки путь волны делают в виде ломаной линии, либо соединяют последовательно несколько линий задержки. Регулируемые линии задержки имеют несколько ВШП, расположенных на разных расстояниях. Включая тот или иной ВШП, можно изменять время задержки. В бытовой РЭА линии задержки на ПАВ используют для задержки сигнала цветности в телевизионных приемниках (Рисунок 3.1).

 

Рисунок 3.1 -  Линии задержки сигнала цветности

 в телевизионных  приемниках

Условное обозначение  типа линии задержки состоит из трех элементов:

а) три (четыре) буквы: "УЛЗ" - ультразвуковая линия задержки; "ЛЗЯ" - линия задержки яркостная; "ЛЗЯС" - линия задержки яркостного сигнала;

б) две (три) цифры, означающие время задержки в мкс;

в) цифра (несколько цифр): для УЛЗ - порядковый номер разработки; а для ЛЗЯ (ЛЗЯС) - волновое сопротивление в Омах.

Для обозначения  линий задержки зарубежные фирмы применяют собственную маркировку. Фирма "PHILIPS" обозначает двумя буквами "DL" (delay lines), что означает "линия задержки" и двумя (тремя) цифрами, указывающими на порядковый номер разработки.

Основные параметры  приборов на ПАВ:

а) время задержки Т, определяемое длиной пути L, проходимого упругими волнами в звукопроводе от входного преобразователя до выходного, и скоростью распространения УЗ;

б) рабочая частота f₀, приблизительно равная резонансной частоте преобразователей, причем частота задерживаемого радиосигнала должна совпадать с f₀, а в случае задержки видеосигнала его надо сначала преобразовать в радиосигнал с частотой заполнения f₀, а затем выделить огибающую (продетектировать);

в) полоса пропускания f, определяемая добротностью преобразователей и частотной характеристикой потерь в звукопроводе;

г) уровень ложных сигналов - отношение амплитуды наибольшего из ложных сигналов к амплитуде задержанного сигнала;

д) температурный коэффициент задержки, определяемый зависимостью скорости распространения упругих волн в звукопроводе от температуры.

 

3.2.Принцип устройства линии задержки на ПАВ.

Наиболее широкое  применение получают акустоэлектронные  приборы на ПАВ. К ним относятся  линии задержки, полосовые фильтры, резонаторы, различные датчики. Принцип устройства приборов показан на рисунке 3.2.

 В качестве звукопровода 1 обычно применяется пластина, или стержень, или провод из пьезоэлектрического материала (например, ниобат лития LiNbO₃, пьезокварц SiO₂, германат висмута Bi₁₂GeO₂₀, пьезокерамика) с тщательно отполированной поверхностью, на которой расположены электромеханические преобразователи: входной 2 и выходной 3.

Рисунок 3.2 - Принцип устройства электронного прибора на ПАВ

Эти преобразователи  обычно выполняются в виде гребенчатых  электродов из тонкой металлической пленки толщиной 0,1-0,5 мкм. Их называют встречно-штыревыми преобразователями (ВШП). К входному ВШП подключен источник электрического сигнала, и в звукопроводе возникает ПАВ. А в выходном преобразователе, к которому подключена нагрузка, возникает электрический сигнал. Края на обоих концах пластинки искажаются или нагружаются абсорбционной резиной для подавления отражения в направлении распространения первичной волны. Если на одну из систем ВШП подается высокочастотное напряжение, то на поверхности пластинки за счет обратного пьезоэффекта генерируется поверхностно-акустическая волна. Эта волна затем распространяется вдоль поверхности пластинки до тех пор, пока не попадет на другую систему ВШП, где она преобразуется обратно в высокочастотное напряжение.

Время задержки t₃ между входным и выходным электрическими сигналами определяется по формуле:

t₃ = l/ν ,                                                     (15)

где l - среднее расстояние между системами ВШП, ν – скорость распространения поверхностно-акустической волны.

Максимальное  акустоэлектрическое взаимодействие систем ВШП имеет место при  характеристической частоте f₀, определяемой следующим соотношением:

f₀ = ν/h ,                                                     (16)

где h – шаг ВШП.

 

3.3.Метод возбуждения и приема ПАВ с помощью ВШП.

Линия задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) является твердотельным функциональным устройством и представляет собой подложку из пьезоэлектрика, на поверхность которой методом фотолитографии наносятся системы токопроводящих элементов.

Одна из таких  систем – излучающий преобразователь ПАВ – подключается к источнику входного сигнала, другая – приемный преобразователь ПАВ – к нагрузке. Под действием высокочастотного электрического напряжения источника сигнала в зазорах между смежными электродами излучающего преобразователя возникает переменное электрическое поле, которое вследствие пьезоэффекта материала подложки вызывает механические колебания в ее поверхностном слое. Эти колебания распространяются в тонком приповерхностном слое подложки в направлениях, перпендикулярных электродам в виде поверхностных акустических волн. Между смежными электродами приемного преобразователя вследствие обратного пьезоэффекта механические колебания ПАВ обуславливают появление электрического напряжения, которое и является выходным сигналом. С целью устранения нежелательных отражений ПАВ от торцов подложки, а также с целью ослабления других типов акустических волн, которые могут быть возбуждены излучающим преобразователем ПАВ, все нерабочие грани и ее торцы покрываются специальным звукопоглощающим покрытием.

В зависимости  от характера включения линий задержки на ПАВ могут работать “на проход” (Рисунок 3.3 а) или “на отражение” (Рисунок 3.3 б), причем во втором случае один и тот же преобразователь выполняет функции как излучателя, так и приемника ультразвука (УЗ).

Для электромеханического преобразования сигнала в линиях задержки на ПАВ используют в основном пьезоэлектрические, реже магнитострикционные преобразователи. Звукопроводом в линии задержки на ПАВ служит твердая среда, в которой упругие волны распространяются с относительно малыми потерями.