Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 133
Текст из файла (страница 133)
Тснзор 7;, имеет четвертый ранг и содержит 3 = 81 элемент. Симь»етрия тензоров требует, чтобы компоненты были инвариантными относительно индексов 1 иУ или»1 и /. Все эти сложные математические соотношения призваны пояснить проогую идею: дина- мические неоднородности акустической природы определенными соотношениями связа- ны с динамическими неоднородностями электрической природы, и наоборот. В уравнениях (2.2) и (2.3) первые слагаемые соответствуют линейным составляющим, а остальные члены соответствуют нелинейным составляющим механического напряжения и индукции, Пьезоэлекгричсские материалы характеризуются рядом и других коэффициентов и пара- метров, без учета которых невозможно выбрать континуальную среду для приборов и устройств функциональной акустоэлектроники.
э Коэ»1»»1»»»»веня» электромеханической связи А„, определяется величиной И; И'к где й'г — генерируемая пьезоэлсктрпком электри»еская энергия, И'т = »и„+ И', — полная энергия, равная сумме механической энергии деформации И'„и электрической И;. бяг Часть IК Функциональная электроника Существует точка Кюри Г„, в которой отсутствует спонтанная поляризованность Р, пьезо электрика, а величина пьезомодуля определяется соотношением г) = Р,ся(е — 1) = О. добротность среды Д обеспечивает частотную избирательность изделий.
В настоящее время известно более ) 500 веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Охарактеризуем только некоторые из них. Классическими материалами являются пьезоэлектрические монокристаллы. Наиболее широко известный кристалл — кварц, представляюший собой кристаллическую модифи кацию безводной двуокиси кремния Я00 .
Наряду с природными кристаллами используются и синтетические, превосходящие природные по однородности, размерам, а также по стоимости изготовленных из них изделий. Определенные срезы кварца характеризуются своими параметрами и используются в различных устройствах. Кристаллы ниобата лития (ЫтяЬОз) и танталата лития ((лТаО,) обладают более высоким, чем кварц пьезомодулями и коэффициентами элелтромеханической связи. Во многих областях приборостроения эти кристаллы вытеснили кварц, особенно в СВЧ-технике. Пьезополупроводники (Сдб, Хпб, ХпО) используются для пленочных преобразователей электромагнитных колебаний вплоть до СВЧ-диапазона.
Технология их получения довольно хорошо отработана, и можно изготовить пленки с заданной симметрией. Определенный интерес представляют такие пьезополупроводники, как селениды металлов (Сдав), арсенид галлия (ОаАз), антнмоиид индия (!пбЬ), а также кристаллы иодата лития (ЫЮ,) и калия (К)0з), германата висмута (В!пбсОзь), Широкое распространение получили промышленные пьезокерамические материалы, как правило, представляющие собой твердые растворы. Свойства таких материалов задаются путем подбора соотношений компонентов, введением модифицированных добавок, а также технологией их изготовления. К пьезокерамическим материалам относятся титанат бария (ВаТ1О„), титанат свинца (РЬТ(Оз), НТС (РЬ(ХгьззТ)ья7)Оз) и др. Добавки, вводимые, например, в ЦТС, расширяют двухфазную область составов и усиливают нужные свойства пьезокерамики.
Модифи«ацию пьезокерамики можно осуществить в широком диапазоне свойств за счет введения добавок со скомпенсированной валентностью, другими словами, набора оксидов соответствуюгцего перовскитпому соединению. Следует особо подчеркнуть, что поверхность исполюуемых в акустоэлектронике континуальных сред должна быть тщательно обработана. Это диктуется тем, что звукопровод Расположен в приповерхностном слое и тшазельная полировка поверхности позвол~~ снизить рассеяние звука и избежать помех.
Анизотропность кристаллов приводит к резкой зависимости скорости распространен ения ПАВ от направления среза. Поэтому срезы необходимо выоирать так, чтосы добить выполнения условия коллинеарности векторов фазовой и групповой скоРостей. из ется Контннуальные среды могут проявлять нелинейные свойства. Такая ситуация реализуе е закон пРи достаточно больших смещениях частиц в акустических волнах. В этом случае з п оявГука имеет дополнительные компоненты тензора нелинейной упругости. Главныьз |зр как пением нелинейности среды является нарушение принципа суперпозиции волн и следствие, появление комбинационных частот колебаний, например (ез, Х шз).
ем что Нелинейность пьезоэлектрических сред порождает спзе один эффект. Он связан с тем о поля) акустическая волна сопровождается волналзи зарядовой плотности (электрического по. 2 гйункциональная акустозлектроннка 633 и при достаточно больших амплитудах электрических полей тоже возникают нелинейные явления. Этот эффект получил название нелинейный ггькзоэгйгЬект. В этом случае в уравнении для Тв компонент электрического поля не липеен. Этот эффект сопровождается диэлектрической нелинейностью, связанной с нелинейностью электрической индукцией 1), относительно компонентов электрического поля Е,. Для получения континуальных сред с заметной нелинейностью подбирают соответствующие параметры, определяемые тензорами высших порядков. 2.1.3.
Генераторы динамических неоднородностей Возбуждение динамических неоднородностей в виде акустической волны в пьезозлектрике осуществляется с помощью вложенных друг в друга групп электродов, которые получили название встречно-штырееык лреобразоващелеь (ВШП). Дру~ое название такой системы электродов -- двухфазный преобразователь ПАВ. Две группы чередующихся электродов соединены шинами, которые в свою очередь подключены к источнику напряжения (рис.
2.4). При тюдаче на ВШП напряжения каждая пара электродов возбуждает ПткВ. Если период преобразователя (а + Ь) равен длине ПАВ, возникает явление акустического синхронизма. В этом случае волны, возбуждаемые каждой парой электродов, имеют одинаковую фазу, и происходит когерентное сложение волн. Суммирование происходит за счет локальных деформаций, образующихся под промежутками между электродами. Образовавшаяся деформация начинает перемещаться в оба направления и достигает следующих промежутков как раз в тот момент, когда полуволна внешнего напряжения достигнет максимума и вызовет деформацшо под своими электродами.
Сложение деформаций происходит при выполнении условия ),— 2таеЫ вЂ” );,г); где )ч )х,у' — соответственно длина, скорость н частота звуковой волны. Такая картина происходит под каждой парой ВШП. Чем больше штырей содержит преобразователь, тем эффективней происходит преобразование электрической энергии в механическую, и наоборот. ! [елесообразно ввести топологнческие и технологические параметры структуры.
КоэгрфгггГненпг нетгьтлггзайигг определим как Н= а'Ь При а = Ь Н = 0,5. в) Рис. 2.ж Возбуждение Пяв с помощью ВШП в — тспопагия ВШП; б — схема возникновения акустических воин (сечение АА) Часть КА Функционгльная электроника 634 Черте па сяихронпзаяил или з)антрпзьная (рабочаи) частота определяется выражением, и, ,у„= —" = 2(а ь 6) (2.4) где Гз' =- 2(а ч б) — период структуры электродов. Большое значение имеет топологический параметр )т' или апертура, определяющая ст пень перекрытия ВШП. Обычно вьюирают значение апертуры И'- 100)..
Апертура опре деляет форму импульсного отклика ВШП. Конструктивно ВШП выполняются в виде тон копленочных металлических электродов (Аи, А!). Толщина электродов )з определяется технологией и обычно 6 < а. Коэффициент электромеханической связи )кк является технологическим параметром. Генерацией динамических неоднородностей можно эффективно управлять путем измене ния характеристик преобразователей ПАВ. Исследовано несколько способов управления генерацией ПАВ Первый способ предусматривает управление генерацией ПАВ путем изменения тополо гни ВШП, включая изменение числа штырей, их расстановку, варьирование функции аподизации или изменения длины отдельных электродов (штырей) или их групп, измене. ние полярности отдельных штырей или их групп.
Устройство с управляемой топологией электродов ВШП предусматривает изменение топологии путем перекоммутации отдельных электродов нли их групп относительно общих шин преобразователя. Устройства закого типа обладают достаточно широким диапазоном перестройки характеристик в частотной и временной областях. их параметры приближаются к предельно достижимым, Технологические приемы изменения топологии сводятся к проекционным методам, либо навешиванию дискретных элементов и проволочных межсосдинений. Другой способ управления генерацией ПАВ связан с операцией "взвешивания" электродов преобразователей, которая реализуется за счет нзлзенения количества активных пар ВП!П.
Это позволяет менять ширину полосы генерации ПАВ и, следовательно, изменять характеристики динамических неоднородностей. На рис, 2.5,а представлена конструкция дискретно-управляемой ВШП, позволяющая получить набор амплитудно-частотных характеристик генерируемых ПАВ с различной шириной пропускания, но одинаковой для всех центРальной частотой (Рис. 2.5, б).
ПРеобРазователь Разбит на секции еч !з, с с числоз' штырей 1, 2 и 4, соответственно. Количество каналов К определяется числом секций и и равно а) б) Рис. 2.5. Генерация пАВ с различными Ачх (а) и схема каммутации пар Вшп (а) В Функциональная акустоэлектроника 635 В схеме коммутации предусмотрены усилители, и обеспечивается контроль выходных параметров за счет применения электронных переключающих схем.
Устройство с управляемым "взвешиванием" электродов представляет собой целенаправленное изменение эффективности преобразования энергии, осуществляемого каждой парой электродов или их группой путем подключения к электродам управляемых импедансных элементов. Зто могут быть резистивные, емкостные или индуктивные элементы, а также их комбинации. Третий способ опирается на управление электрофизическими свойствами подложки под электродалць Мгновенная фаза ПАВ, генерируемая каждой парой ВШП, зависит от знака пьезоэлскзрического коэффициента.
В свою очередь знак пьезоэлектрического коэффициента мозкет быть изменен переполяризацисй в полном соответствии с гистерезисными свойствами материала. Такой прием позволяет управлять процессами генерации ПЛВ, создать адаптивные устройства с "памятью". На рис. 2.6, а приведена одна из таких конструкций. Рядом с электродами ВШП ) размещены электроды переключения поляризации 2, подключенные к источнику поляризующего напряжения Е < Гь„с Е". Зто позволяет менять знак поляризации материала звукопровода между металлическим электродом 3 и электродами 2 одновременно или путем перекоммутации локально под каждой парой ВШП.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
