close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Balysheva

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
О. Л. Балышева
АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
НА ПОВЕРХНОСТНЫХ
АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ.
Функциональные и конструктивные
элементы
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2016
УДК621.3
ББК 32.87
Б20
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор С. В. Кулаков;
доктор технических наук, профессор П. Н. Петров
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Балышева О. Л.
Б20 Акустоэлектронные устройства на поверхностных акустических
волнах. Функциональные и конструктивные элементы: учеб. пособие / О. Л. Балышева. – СПб.: ГУАП, 2016. – 123 с.
ISBN 978-5-8088-1125-6
С позиций функциональной электроники рассмотрены принцип
действия, назначение, конструктивные и топологические элементы акустоэлектронных устройств на поверхностных акустических
волнах. Материал, изложенный в пособии, охватывает часть дисциплины «Акустоэлектроника», которая может являться как самостоятельной дисциплиной, так и составной частью более общей
дисциплины «Функциональная электроника», ориентированной на
подготовку магистров по направлению «Радиотехника». Пособие
может быть полезно студентам вузов, обучающимся по направлениям бакалавриата, специалитета и магистратуры всех направлений
подготовки в рамках укрупненной группы направлений «Электронная техника, радиотехника и связь».
УДК 621.3
ББК 32.87
ISBN 978-5-8088-1125-6
©
©
Балышева О. Л., 2016
Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2016
Список сокращений
АЭ
АЭУ
БИС
ВПАВ
ВСППАВ
ВШО
ВШП
ДЛЗ
ДН
ИМС
КЭМС
ЛЗ
ЛЧМ
МПО
ОАВ
ОС
ПАВ
ППАВ
РЧИД
СБИС
ТКЗ
ТКС
ТКЧ
УОПЭ
ФЭ
акустоэлектроника, акустоэлектронный
акустоэлектронное устройство
большая интегральная схема
вытекающая поверхностная акустическая волна
высокоскоростные псевдоповерхностные акустические волны
встречно-штыревой ответвитель
встречно-штыревой преобразователь
дисперсионная линия задержки
динамическая неоднородность
интегральная микросхема
коэффициент электромеханической связи
линия задержки
линейная частотная модуляция
многополосковый ответвитель
объемная акустическая волна
отражательная структура
поверхностная акустическая волна
псевдоповерхностная акустическая волна
радиочастотная идентификация
сверхбольшая интегральная схема
температурный коэффициент задержки
температурный коэффициент скорости
температурный коэффициент частоты
угол отклонения потока энергии
функциональная электроника
3
Предисловие
Теория и практическое применение волновых процессов представляет собой большую часть современной физики и техники.
В последние десятилетия с развитием информационно-коммуникационных систем устройства волновой электроники получили значительный скачок в развитии. Акустоэлектроника, использующая
явление распространения акустических волн в твердых телах, относится к так называемым междисциплинарным областям и лежит
на стыке акустики твёрдого тела, физики полупроводников и радиоэлектроники [1].
Развитие современных технологий производства микроэлектронной аппаратуры и потребности общества стимулировали появление множества акустоэлектронных устройств различного назначения от фильтров с уникальными техническими характеристиками для телекоммуникационной аппаратуры до датчиков в системах мониторинга окружающей среды и охраны здоровья человека.
Разнообразие функционального назначения акустоэлектронных
устройств, широкие возможности по обработке сигналов, различные конструктивные решения, единые подходы при анализе и проектировании в сочетании с хорошо отлаженной технологией массового производства позволяют говорить о современной акустоэлектронной элементной базе. Постоянное расширение областей применения и круга решаемых задач, улучшение технических характеристик свидетельствует о перспективности этого класса устройств
функциональной электроники.
Акустоэлектроника – область волновой электроники, где российский опыт и достижения признаны мировой научной общественностью. Многие материалы и устройства созданы впервые в России или
создавались независимо от работ зарубежных коллег, ряд разработанных приборов не имеют аналогов. Задача подготовки специалистов
в этой области для российских предприятий чрезвычайно актуальна.
Переход на федеральные государственные образовательные
стандарты третьего поколения и внедрение инновационных образовательных программ высшего образования требует и обновления
учебно-методического обеспечения дисциплин, преподаваемых
в вузах. Материал, изложенный в пособии, охватывает часть дисциплины «Акустоэлектроника», которая может являться как самостоятельной дициплиной, так и составной частью более общей
дисциплины «Функциональная электроника», ориентированой на
подготовку магистров по направлению «Радиотехника».
4
Хотя акустоэлектроника является перспективной, динамично
развивающейся научной областью, современной учебной литературы, доступной широкому кругу читателей, не так много. Как
видно из приведенного в конце пособия библиографического списка основная часть литературы датируется 80-ми 90-годами. Материал этих изданий рассчитан, как правило, на определенный уровень подготовки в этой специальной области электроники. Также,
к большому сожалению, значительная часть современной литературы по акустоэлектронике и многие актуальные периодические
научные публикации доступны лишь в англоязычном варианте.
Данное пособие призвано способствовать решению проблемы недостатка русскоязычной учебной литературы.
На основе системных положений функциональной электроники в пособии рассмотрены акустоэлектронные устройства –
устройства, в основе которых лежат акустоэлектронные эффекты
в твердых телах. В соответствии с названием, затронут ограниченный круг вопросов, связанных с физическими основами функционирования и конструктивными особенностями акустоэлектронных устройств. Без большого количества математических формул
и громоздких выкладок автор попытался изложить принципы
работы устройств, пояснить связь характеристик устройств с их
конструктивными особенностями. Основное внимание уделено устройствам на поверхностных акустических волнах (ПАВ).
Рассмотрены типы, конструкции и топологические особенности
устройств. Не претендуя на полноту описания всех разработанных
к настоящему времени конструктивных и топологических решений, в пособии показаны некоторые из них. Приведенные примеры демонстрируют конструктивное разнообразие и потенциальные
возможности этих устройств. Целью написания пособия явилось
желание, объяснив принцип действия, показать возможности данного класса устройств, а также помочь читателю ориентироваться
в огромном разнообразии современных конструктивных и топологических решений.
Вопросы математического моделирования, теоретического анализа и применения устройств для обработки сигналов более подробно изложены в монографиях и учебных пособиях, приведенных
в библиографическом списке.
Несмотря на то, что пособие адресовано магистрам, полезную
информацию в нем могут найти все студенты, обучающиеся по
любому из направлений укрупненной группы направлений «Электронная техника, радиотехника и связь».
5
В первой главе дана краткая характеристика современной функциональной электроники как одного из направлений электроники.
Показано место и особенности функциональной акустоэлектроники. Вторая глава посвящена физическим основам функционирования акустоэлектронных устройств. Приведены краткие сведения
из теории распространения акустических волн в твердых телах,
дана классификация типов волн. В третьей главе подробно рассмотрены все функциональные и конструктивные элементы акустоэлектронных устройств на ПАВ. В четвертой главе описаны основные структурные схемы построения устройств на ПАВ, приведены
примеры топологических решений. Материал пятой главы посвящен эффектам второго порядка. В заключительной шестой главе
кратко описаны современные тенденции, перспективы и возможности развития устройств на ПАВ.
Пособие рассчитано на читателей, прослушавших курсы общей
физики, высшей математики, теоретических основ электроники,
радиотехнических цепей и сигналов. Каждый раздел учебного пособия содержит контрольные вопросы, ответы на которые помогут
читателю в успешном освоении и закреплении представленного теоретического материала. В конце пособия предложен примерный
список тем рефератов. По понятным причинам сведения, изложенные в данном пособии, являются далеко не исчерпывающими. Читателя, интересующегося более подробной информацией, следует
адресовать к литературе, указанной в списке использованных источников, а также к периодическим изданиям (например, журналам «Успехи физических наук», «Датчики и системы», «Акустический журнал», «Радиотехника»), трудам ежегодного симпозиума
по ультразвуку института IEEE и материалам других конференций
по схожей тематике.
Автор выражает благодарность Ю. Г. Смирнову за поддержку
идеи написания данного пособия, плодотворные дискуссии и научные консультации, которые внесли существенный вклад и, несомненно, улучшили содержание пособия.
6
Введение
Научно-технический прогресс современного общества во многом определяется уровнем развития в нем электроники. Электроника уверенно вошла во все сферы человеческой деятельности и
существенно расширила возможности по накоплению, хранению
и обмену информацией. Последние достижения электроники позволили резко увеличить объем, скорость и дальность передачи информации.
Функциональная электроника (ФЭ) как самостоятельное научное направление сформировалась в последней четверти 20 века, и
в настоящее время является одним из перспективных направлений
электроники. Устройства ФЭ основаны на физических явлениях
в различных средах. По мере того, как растет круг физических явлений и сред, где они наблюдаются, растет и число направлений
ФЭ. Носителями информации в устойствах ФЭ служат так называемые динамические неоднородности. К динамическим неоднородностям относятся волны в различных средах, зарядовые пакеты
электронов, квазичастицы, домены и т. д. Ключевым принципом
построениея устройств функциональной электроники является
принцип физической интеграции, при котором алгоритмы обработки сигналов и различные схемотехнические решения реализуются
путем использования физических явлений в различных средах.
Идея использования динамических неоднородностей волновой
природы для целей обработки и хранения информации явилась
основополагающей для зарождения целого направления функциональной электроники – волновой электроники. К волновой электронике относятся акустоэлектроника, оптоэлектроника, акустооптика. В устройствах волновой электроники на одном кристалле
возможно интегрировать не только однотипные элементы, но и физические явления и эффекты. Наряду со схемотехническим и технологическим применяется принцип физической интеграции [2].
Одна из причин широкого распространения устройств ФЭ – сохранение групповой технологии изготовления и совместимость технологии изготовления устройств ФЭ с традиционными технологиями
микроэлектроники.
Термин «Акустоэлектроника» (АЭ) появился во второй половине 20 века. Сначала под этим термином подразумевали исследование эффектов, связанных со взаимодействием акустических
волн со свободными электронами в твердых телах. Позже АЭ стали считать область науки и техники, занимающуюся изучением и
7
использованием взаимодействия высокочастотных акустических
волн с электрическими полями и электронами в твердых телах [3].
Согласно действующему ГОСТ [4] акустоэлектронным изделием
называется сборочная единица, выполняющая в составе радиоэлектронной аппаратуры определенную функцию на основе процессов возбуждения, распространения и пребразования акустических
волн в упругой среде и (или) на взаимодействии их с электромагнатными полями. В последнее время получил распространение термин
«микросистемотехника». Под микросистемотехникой понимают
комплексное технологическое направление электроники, использующее первичные чувствительные элементы в микроэлектронном
исполнении, позволяющие получать информацию о физических,
химических, биологических свойствах среды в электронном виде
для последующего направленного управления средой или исполнительными приборами и механизмами [5]. К акустоэлектронным изделиям микросистемотехники относят изделия с чувствительными
элементами, основанными на акустоэлектронных явлениях и выполненные в микроэлектронном исполнении.
Современные акустоэлектронные устройства (АЭУ) – принципиально незаменимые базовые элементы всех телекоммуникационных, радиолокационных, навигационных систем, систем мониторинга, робототехники. Они позволяют обеспечить обработку сложных сигналов высокочастотного диапазона в реальном времени
с высокой чувствительностью, помехозащищенностью в широком
динамическом диапазоне. АЭУ нового поколения наряду с высокими техническими характеристиками обладают низким энергопотреблением, хорошими массогабаритными показателями и невысокой стоимостью.
Наибольшее распространение среди АЭУ имеют устройства на
поверхностных акустических волнах (ПАВ). Так, например, по
данным исследовательской фирмы BCC Recearch [6] глобальный
мировой рынок устройств на ПАВ в 2010 г составил 997,7 млн долларов и примерно 1,1 млрд долларов в 2011 г., а к 2016 г. ожидается, что он достигнет цифры 1,8 млрд долларов.
8
1. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА КАК НАПРАВЛЕНИЕ
РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
1.1. Направления развития электроники.
Микроэлектроника
В настоящее время твердотельная электроника развивается по
двум основным направлениям: это интегральная электроника, или
микроэлектроника, и функциональная электроника (рис. 1.1).
Кратко остановимся на уровне развития, достижениях и проблемах этих направлений.
Первое направление – микроэлектроника – предполагает интеграцию элементарных электронных приборов (резисторов, катушек индуктивности, конденсаторов, диодов и др.) в электронную схему, выполняющую определенную операцию по обработке
сигнала. Иногда термин «интегральная электроника» заменяется
термином микроэлектроника. Это связано с современными микрометровыми размерами элементов интегральной электроники.
Исходя из двух названий направления следуют и две основные
концепции его развития: концепция микроминиатюризации и
концепция функциональной интеграции. Обе тенденции имеют
технологическую направленность и не затрагивают принципы
функционирования элементов. В целях интеграции осуществляется разработка интегральных микросхем (ИМС), больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).
Постоянной тенденцией развития микроэлектроники служит
уменьшение размеров элементарных электронных приборов до
субмикронных и переход в нанометровый масштаб измерений [7].
Современная микроэлектроника в своем развитии достигла такого
уровня, что дальнейшая миниатюризация и повышение степени
функциональной интеграции, связано с принципиальными физическими и технологическими ограничениями. Существует следующие трудности и проблемы.
1. Проблема межсоединений. Эту проблема становится все более
актуальной с ростом числа элементов на кристалле ИМС, межсоединения занимают все большую плошадь по отношению к «полезной» площади, занимаемой непосредственно элементами.
2. Проблема пробоя, вызванная уменьшением размеров транзисторов и увеличением плотности мощности. В связи с этим появляется необходимость переходить на более низкие уровни используемых напряжений.
9
3. Проблема отвода рассеиваемой тепловой мощности, возникающая как следствие уменьшения размеров элементов и увеличения сопротивления межсоединений.
4. Проблема конструкции. Эта проблема вызвана ростом числа
элементов и необходимостью использования специального многослойного печатного монтажа для их соединения. Такая технология
изготовления уменьшает надежность изделий и процент выхода
годных ИМС.
5. Проблема потери элементами своих свойств. С уменьшением
размеров элементы могут терять свои первоначальные свойства,
например, металлические токоведущие дорожки из проводников
могут превратиться в емкостные или индуктивные элементы. На
пути дальнейшей миниатюризации наблюдаются и физико-технические ограничения, так, например, проблема сохранения работоспособности основной транзисторной структуры.
Следствием отмеченных проблем служит некий предел в миниатюризации элементов ИМС. Кроме того, миниатюризация требует
усложнения, а значит, и удорожания технологии изготовления. Учитывая тот факт, что все элементы ИМС изготавливаются в едином
технологическом цикле, а также требования массового производства, уместно говорить об определенном технологическом пределе.
Уменьшение размеров активных областей до величин порядка сотен нанометров влечет за собой возникновение квантоворазмерных
эффектов. Поэтому на смену микроэлектронике, как следующий логически очевидный этап развития, пришла наноэлектроника. Однако наноэлектронике также свойственен ряд проблем и ограничений.
Интегральная электроника основана на статических неоднородностях – потенциальных барьерах, а функциональная электроника – на динамических неоднородностях (ДН). Под статической неоднородностью понимают локальную область на поверхности или
в объеме среды с отличными от ее окружения свойствами [7]. Это
металлические и диэлектрические участки кристалла, полупроводниковые области активных компонентов (диодов, транзисторов). Традиционная транзисторная структура содержит несколько
статических неоднородностей. Статические неоднородности формируются в результате определенных технологических операций
в процессе изготовления элементов. Свойства статических неоднородностей таковы, что позволяют формировать потенциал, заряд
или ток, осуществляя операции генерации, обработки и хранения
информации. Потеря статической неоднородностью своих первоначальных свойств (ее изменение или разрушение) неизбежно приво10
Интегральная
электроника
Принцип
технологической
интеграции
статических
неоднородностей
Твердотельная
электроника
Функциональная
электроника
Принцип
физической
интеграции
динамических
неоднородностей
Рис. 1.1. Два направления в твердотельной электронике
дит к изменению характеристик структур, реализованных на основе неоднородностей и, как следствие, сбоям в работе или потере
работоспособности всего устройства.
В микроэлектронике используется принцип технологической
интеграции статических неоднородностей на основе схемо- и системотехнических решений (см. рис. 1.1).
1.2. Особенности и основные направления развития
функциональной электроники
Вторым направлением развития твердотельной электроники, появившимся как самостоятельное направление в 70-х годах
20 века, является функциональная электроника (ФЭ). Физическую
основу ФЭ составляют физические процессы и явления в различных средах. Число физических явлений практически неограничено, поэтому ФЭ, в отличие от микроэлектроники, имеет принципиально больше возможностей по созданию устройств приема, обработки и хранения информации.
Направления развития ФЭ и классификация устройств определяются физическими процессами и явлениями, положенными
в основу функционирования. Так, например, квантовая электроника основывается на квантовых явлениях, магнитоэлектроника
на магнитоэлектрических и магнитооптических явлениях, биоэлектроника на явлениях живой природы. По мере увеличения
применяемых в электронных системах явлений для решения задач
приема, хранения и обработки информации, растет и число направлений ФЭ. Основные направления ФЭ приведены на рис. 1.2.
11
Оптоэлектроника
Акустоэлектроника
Магнитоэлектроника
Функциональная
электроника
Квантовая электроника
Криоэлектроника
Биоэлектроника
Рис. 1.2. Основные направления ФЭ
Носителями информации в устройствах ФЭ служат ДН, существующие в физической среде. Под ДН понимают локальный объем на поверхности или внутри среды с отличными от ее окружения
свойствами, который не имеет внутри себя статических неоднородностей и возникает в результате определенных физико-химических
процессов [7]. Физическая природа неоднородностей разнообразна
и связана с используемым физическим явлением. В зависимости
от принципа действия устройства это могут быть электрические и
магнитные домены, упругие (акустические или оптические) волны, зарядовые пакеты, магнитные вихри и др.
В процессе функционирования устройств ДН под действием
внешних факторов могут возникать, исчезать, изменяться и перемещаться по объему среды, а также взаимодействовать друг с другом. Причем, исчезновение или изменение свойств неоднородностей
не связаны с изменением технических характеристик устройств и
не приводят к сбоям в их работе или потере работоспособности. Напротив, за счет изменения свойств ДН в процессе работы обеспечивается возможность обработки информации. Поскольку изменения
ДН в целом не изменяют характеристик физической среды, поэтому устройства ФЭ принципиально более надежны при эксплуатации, чем устройства интегральной электроники. Статистические
неоднородности также существуют в устройствах ФЭ, но выполняют вспомогательную роль, обычно при вводе и выводе информации.
ФЭ основана на физическом принципе интеграции ДН, возникающих в среде в процессе эксплуатации устройства. Осуществляется
так называемая параметрическая интеграция, т. е. интегрируются
уже функции преобразования, в отличие от схемотехнической ин12
теграции компонентов и элементов в интегральной электронике.
Иначе говоря, в самом устройстве ФЭ (за счет его конструктивнотопологического решения) уже может быть заложено определенное
преобразование информационного сигнала. В интегральной электронике для этого преобразования необходима интеграция определенных элементов. По этой причине устройства ФЭ часто рассматривают как процессоры, выполняющие определенную операцию
по обработке сигнала.
К отличительным чертам устройств ФЭ, диктующим их актуальность, относятся: возможность обработки широкополосных
сигналов на высоких частотах, высокое быстродействие (работа
в реальном времени), хорошие массогабаритные характеристики.
Перечисленные особености обеспечивают преимущества устройствам ФЭ перед цифровыми устройствами. В некоторых случаях
выполнение задач обработки сигналов возможно только с помощью устройств и методов ФЭ. Обычно в современных сложных радиоэлектронных системах устройства ФЭ используются в качестве
элементной базы совместно с другими устройствами электроники и
микроэлектроники.
Наряду с большими возможностями и рядом преимуществ перед
интегральной электроникой, дальнейшее развитие функциональной электроники требует решения большого круга теоретических,
технологических и практических задач. Среди этих задач:
• поиск физических явлений, практическое применение которых позволит создать новые устройства ФЭ;
• получение качественных (свободных от примесей и бездефектных) материалов – физических сред существования ДН;
• поиск и синтез новых материалов, в которых возможно формирование ДН;
• разработка методов измерения физических характеристик ДН;
• разработка инженерных методов расчета и проектирования
устройств ФЭ.
1.3. Модель устройства функциональной электроники
Для всех устройств ФЭ вне зависимости от физических явлений,
лежащих в основе их работы, можно использовать единую общую
модель [8]. Такой подход позволяет рассматривать разнообразные устройства с единых позиций, выявляя сходства и различия.
Использование единой модели позволяет также легко объяснить
13
Генератор
ДН
Входной
сигнал
Устройство ФЭ
Считыватель ДН
Информационный канал с ДН
Устройство управления ДН
Выходной
сигнал
Континуальная среда
Рис. 1.3. Общая модель устройства ФЭ
функциональное назначение конструктивных элементов различных устройств ФЭ, совершенствовать их исполнение и разрабатывать новые устройства. Перечислим элементы общей модели:
• ДН – носители информации;
• континуальная среда – среда существования носителей информации;
• генератор ДН;
• устройство управления ДН;
• считыватель ДН.
На рис. 1.3. приведена условная схема, поясняющая модель
устройства ФЭ.
Генератор ДН под действием входного сигнала обеспечивает
возникновение ДН в континуальной среде. Устройство управления
позволяет осуществлять продвижение ДН по информационному
каналу, расположенному в среде, и изменение свойств ДН. Считыватель обеспечивает преобразование ДН в выходной сигнал.
Далее, принцип действия акустоэлектронных устройств (раздел 2 настоящего пособия) и элементы акустоэлектронных устройств
(раздел 3) будут рассмотрены с позиций этой общей модели.
Обработка информации в устройствах ФЭ осуществляется
в континуальной среде, причем выполняется она в аналоговом
виде, весь информационный массив обрабатывается сразу и одновременно. При таком способе обработки нет необходимости в передаче информации по линиям соединений, что принципиально
не ограничивает скорость и обеспечивает возможность обработки
в реальном времени.
14
1.4. Функциональная акустоэлектроника
Исторически началом акустоэлектроники как самостоятельного
направления является пьезотехника – область техники, использующая пьезоэлектрический эффект. Впоследствии, по мере развития
микроэлектроники и физики твердого тела область науки и техники,
связанную с пьезо и акустоэлектронными устройствами, стали называть акустопьезоэлектроникой, или акустоэлектроникой (АЭ) [9].
Пионерской работой, положившей начало развитию АЭ, является работа Ю. В. Гуляева и В. И. Пустовойта [10], в которой впервые предложено использовать поверхностные акустические волны
для обработки сигналов. Одни из первых прикладных исследований были выполнены в 60-х годах 20 века сотрудниками Ленинградского института авиационного приборостроения (ныне ГУАП)
Г. К. Ульяновым, Ю. Г.Смирновым.
Современная АЭ – это направление ФЭ, в котором исследуются
акустоэлектронные эффекты и явления в различных твердых континуальных средах, а также возможность создания устройств обработки, передачи, хранения информации с использованием ДН
акустической и (или) электромагнитной природы [7].
К акустоэлектронным явлениям и эффектам относятся:
• генерация, распространение, преобразование и детектирование различных типов акустических волн;
• преобразование электрического сигнала в акустический и обратно;
• электронное поглощение и усиление акустических волн;
• нелинейные акустоэлектронные эффекты: генерация гармоник, акустоэлектронные домены, параметрическое и супергетеродинное усиление звука.
АЭУ, как класс устройств ФЭ, обладают как общими свойствами,
характерными для устройств ФЭ, так и своими отличительными
чертами. Носителем информации в АЭУ являются упругие (акустические) волны, возбуждаемые в твердых телах. Особенности АЭУ
связаны с закономерностями процессов возникновения, исчезновения, изменения и движения акустических волн. Так, волны, как
носители информации, имеют качественные отличия от электрических сигналов. Меньшая (на несколько порядков) скорость распространения, присущие волновые эффекты (отражение, преломление,
дифракция) обеспечивает большие потенциальные возможности при
применении в устройствах обработки. Наряду с полезными физическими явлениями, на которых основана работа устройств, практи15
Генерации
опорных
моночастотных
колебаний
Обнаружения и
измерения
Идентификации
физических
объектов
Формирования
колебаний
специальной
формы
Акустоэлектронные
устройства
Хранения
информации
Усиления
колебаний
Обработки
информации
Рис. 1.4. Классификация акустоэлектронных устройств
по функциональному назначению
чески всегда существуют и ряд мешающих факторов, ухудшающих
характеристики устройств. Учет, правильная оценка степени влияния этих факторов может обеспечить в процессе проектирования
хорошее совпадение теоретических расчетов с экспериментальными
данными и получение заданных технических характеристик.
Системное изложение сведений о функциональных и конструктивных особенностях АЭУ предполагает их классификацию. Можно выбрать различные классификационные признаки и дать соответствующие классификации устройств функциональной АЭ. Если
следовать принципу от общего к частному, то наиболее общий признак – функциональное назначение устройств – дает представление
об областях применения АЭУ и круге решаемых задач. На рис. 1.4
предложена классификация АЭУ по функциональному назначению. В каждом из классов указанных устройств можно выделить
подклассы. Так, например, устройства формирования колебаний
специальной формы различаются как по виду колебаний, так и по
способу построения. Измерительные устройства и датчики делятся
по виду измеряемых величин, характеру размещения относительно
объекта, способу исполнения, активному или пассивному построению и т. д. Наибольшее конструктивное разнообразие наблюдается
в устройствах обработки информации, что определяется большим
числом выполняемых операций.
С помощью устройств функциональной АЭ выполняются следующие наиболее важные алгоритмы обработки сигналов:
• корреляционная обработка и операции свертки сигналов;
16
• фильтрация и согласованная фильтрация;
• спектральный анализ;
• преобразование временного масштаба;
• задержка сигналов;
• операции умножения и возведения в степень и т. д.
Кроме назначения АЭУ различаются функциональной сложностью, адаптивностью, уровнем и степенью интеграции, конструктивным исполнением. По функциональной сложности различают
однофункциональные, т.е выполняющие одну операцию, и многофункциональные устройства. К однофункциональным можно отнести, например, линии задержки, фазовращатели, сумматоры.
Несколько однофункциональных устройств различными способами могут объединяться в многофункциональные. К многофункциональным устройствам можно отнести акустоэлектронные процессоры. Под адаптивностью понимается способность устройства
изменять свои параметры в процессе работы. Простейшими примерами адаптивных АЭУ служат линии задержки с регулируемой
задержкой или многоканальные фильтры с несколькими коммутируемыми выходами. По степени интеграции можно выделить
элементарные АЭУ (или акустоэлектронные элементы) и модули
(блоки устройств). Причем интегрироваться могут как устройства
целиком, так и элементы усройств.
На АЭУ реализуются следующие элементы и устройства: линии
задержки (бездисперсионные, дисперсионные и регулируемые),
фильтры различного назначения (полосовые, заградительные, режекторные, согласованные и т. д.), резонаторы, автогенераторы и
синтезаторы частот, корреляторы, процессоры сложной обработки
сигналов, устройства нелинейной обработки сигналов (например,
конвольверы).
Областью применения АЭУ являются радиоэлектроника, приборостроение, информационно-телекоммуникационные системы, навигационное и телеметрическое оборудование, специальная техника. АЭУ служат основой для создания принципиально новых типов
приборов, устройств, систем и перспективных технологий.
Контрольные вопросы к разделу 1
1. Каковы направления развития современной твердотельной
электроники?
2. Как Вы понимаете термины «микроэлектроника» и «наноэлектроника»?
17
3. Перечислите основные проблемы развития микроэлектроники.
4. В чем различие между интегральной и функциональной электроникой?
5. Что такое статические и динамические неоднородности? Приведите примеры.
6. Какие континуальные среды Вы знаете?
7. Что представляет собой модель устройства функциональной
электроники? Каково назначение ее элементов?
8. Какие направления функциональной электроники Вы знаете?
9. Что лежит в основе устройств функциональной электроники?
10. Что такое функциональная акустоэлектроника? Перечислите акустоэлектронные эффекты.
11. Приведите классификацию и поясните функциональное назначение АЭУ.
12. Какие понятия используются при классификации АЭУ?
18
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АЭУ
2.1. Акустические волны – динамические неоднородности
функциональной акустоэлектроники
Носителями информации (динамическими неоднородностями)
в устройствах функциональной АЭ являются упругие волны в твердых телах. В твердых телах акустические волны появляются, распространяются и изменяются. Известно, что при отсутствии каких
либо возмущений среды (без приложения к ней механических напряжений) любая точка или бесконечно малый объем внутри объема твердого тела находятся в равновесном положении. При приложении механических сил, или деформации среды, возникают
упругие силы, стремящиеся вернуть среду в исходное состояние.
При деформации движение элементарных частиц среды определяется упругими силами и силами инерции и приобретает вид распространяющейся волны. Таким образом, упругие волны представляют собой некоторые возмущения среды, связанные с деформациями. Распространение упругих волн всегда сопровождается изменением положения элементарных частиц среды относительно их
равновесного состояния. В большинстве материалов упругие силы
пропорциональны деформации при условии малости деформации.
Такие материалы называются упругими, а распространяющиеся
в них волны – упругими волнами. Часто вместо термина «упругие
волны» используется понятие «акустические волны».
В АЭУ при рассмотрении распространения акустических волн
в твердых телах среда считается непрерывной и сплошной, поскольку длины используемых волн на несколько порядков превышают
межатомные расстояния, и дискретной природой среды можно пренебречь. Скорость распространения акустических волн находится в пределах от 1000 до 12000 м/с, а в большинстве практически
применяемых материалов от 1500 до 6000 м/с. Распространение
акустических волн сопровождается переносом энергии. Анализ распространения акустических волн в твердых телах основан на законе
Гука, который связывает механические напряжения и деформации,
и уравнениях механического движения. Если твердое тело обладает
пьезоэлектрическими свойствами, то возникающие в нем деформации приводят к появлению локальных электрических полей, распространяющихся одновременно с акустической волной. Поэтому
в теории распространения акустических волн в пьезоэлектрических
средах используются уравнения, вытекающие из законов механики,
19
и уравнения Максвелла для электромагнитного поля. В анизотропных средах, т. е. средах, свойства которых зависят от выбранного
направления, анализ распространения акустических волн усложняется необходимостью учета направления распространения волны.
2.1.1. Акустические волны в упругих
пьезоэлектрических средах
Рассматривая основы теории распространения волн в упругих
средах необходимо ввести понятия «механическое напряжение» и
«механическая деформация». В случае одномерной картины, например, при рассмотрении напряжений и деформаций в стержне,
используются скалярные величины напряжения (T) и деформации
(S). Так, деформацию стержня, при наличии в нем механического
напряжения, можно рассматривать как относительное изменение
длины стержня (l): S = Δl/l. Тогда
(2.1)
T = CS, где C – коэффициент пропорциональности.
В общем случае, в трехмерном пространстве, картина усложняется, и для описания напряжения, существующего в элементарном
объеме внутри твердого тела, необходимо использовать уже векторные величины. Рассмотрим некий элементарный объем внутри
однородного твердого тела в выбранной трехмерной системе координат (рис. 2.1). Приложенные к элементарному объему твердого тела
X3
T33
T31
T13
T11
T1
T3
T32
T23
T21
T2
T22
X2
T12
X1
Рис. 2.1. Составляющие тензора упругих напряжений,
действующие на элементарный объем твердого тела
20
силы описываются с помощью понятия «механическое напряжение», а вызванные этими силами смещения характеризуются понятием «деформация». Под упругим напряжением будем понимать поверхностную силу, действующую на единицу площади поверхности,
и обозначим его T. Для определения упругого напряжения вблизи
выбранной точки поверхности необходимо знать векторы напряжений Ti в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих
через выбранную точку. Каждый из этих векторов можно разложить
на три составляющие, параллельные осям используемой системы
координат. Таким образом, напряжение задается в общем случае
9 составляющими, образующими тензор упругих напряжений.
Приложенное к упругому телу напряжение вызывает деформацию, для задания которой также необходимо знание 9 составляющих. Тензоры напряжений и деформаций являются симметричными тензорами второго порядка и для их компонентов справедливы
следующие соотношения:
Tij = Tji , Sij = Sij (i, j = 1,2,3). (2.2)
В упругих средах напряжение пропорционально деформации
(при условии малости деформаций) и упругие свойства тела характеризуются соотношением:
Tij = cijkl Skl
(i, j, k, l = 1,2,3), (2.3)
где cijkl – компоненты тензора упругих модулей четвертого ранга
(или коэффициенты жесткости).
Тензор четвертого ранга содержит 81 элемент, но только 21 из
них являются независимыми. Часто удобно пользоваться сокращенной записью для индексов и вместо четырех индексов можно
использовать два. Тогда тензор упругих постоянных можно представить в виде симметричной матрицы вида 6х6. Если учесть кристаллографическую симметрию конкретного твердого тела, то
число независимых составляющих может быть еще уменьшено.
Так, например, для кристаллов тригональной сингонии класса 32
(к этому классу относится, например, кварц и другие кварцеподобные кристаллы) число независимых постоянных равно 6, а для
кристаллов с кубической симметрией их число сокращается до 3.
Изотропные материалы имеют только две независимых составляющих матрицы упругих постоянных.
Поведение твердого тела в электромагнитном поле описывается
уравнением, связывающим вектор электрического смещения D и
вектор напряженности электрического поля E
21
(2.4)
Di = εij Ej , где εij – компоненты тензора диэлектрической проницаемости.
Тензор диэлектрической проницаемости может быть представлен в виде симметричной матрицы 3х3 и содержит, в общем случае,
9 составляющих.
Для пьезоэлектрических сред, т. е. сред, обладающих пьезоэлектрическим эффектом, упругие и диэлектрические свойства оказываются связанными между собой. Соотношения, описывающие
состояние кристаллов с учетом их упругих, диэлектрических и пьезоэлектрических свойств, называются уравнениями состояния. Их
можно записать в виде системы совместных уравнений:
S
Ti = cijE Sj - eki Ek , Dk = ekj Sj + εkl
El E
T
(2.5)
Si = sij Tj + dkj Ek , Dk = dkjTj + εkl El , (2.6)
где переменные Ti и Sj – являются компонентами тензоров упругих
напряжений и деформаций (i, j = 1,2,…6), а переменные Dk и El –
компонентами векторов электрического смещения и напряженности электрического поля (k, l = 1,2,3) соответственно. При этом
коэффициенты cijE называют упругими модулями (или коэффициентами жесткости), коэффициенты sijE – упругими константами
(или коэффициентами податливости), коэффициенты ekj называют пьезоэлектрическими константами, dkj – пьезоэлектрическиS
ми модулями, а εkn
и εT
kn – коэффициентами диэлектрической
проницаемости. Верхний индекс в обозначениях материальных
констант показывает условия их определения, как это и следует из
уравнений состояния (постоянство напряженности электрического
поля для упругих коэффициентов и постоянство напряжений или
деформаций для диэлектрической проницаемости).
Пьезоэлектрический тензор, используя свойства симметрии и
сокращенную запись для индексов, может быть представлен в виде
матрицы из трех строк и шести столбцов. Например, для кристаллов тригональной сингонии число независимых ненулевых элементов этой матрицы равно двум, а для кристаллов кубической сингонии одному. Упругие, пьезоэлектрические и диэлектрические постоянные часто называют материальными константами.
Часто для характеристики свойств пьезоэлектрических сред
рассматривают так называемую упругопьезодиэлектрическую матрицу, составленную из элементов матриц упругих, пьезоэлектри22
ческих и диэлектрических постоянных. Схемы таких матриц для
отдельных классов кристаллов и значения констант для различных кристаллов можно найти в справочной литературе, например,
в [11, 12].
Для практического применения акустических волн среды,
в которых они распространяются, должны иметь материальные
константы, отличающиеся высокой временной и температурной
стабильностью. В АЭУ наибольшее распространение получили искусственно выращенные пьезоэлектрические монокристаллы. Наличие пьезоэлектрических свойств существенно упрощает процесс
возбуждения акустических волн с помощью приложения электрического поля.
Для существования пьезоэлектричества необходимо чтобы
твердое тело имело определенную кристаллографическую ассимметрию. Другими словами, все пьезоэлектрические материалы
анизотропны. В отличие от изотропных сред, где характеристики
среды не зависят от выбранного направления, в анизотропных от
направления зависят не только упругие и диэлектрические, но и
пьезоэлектрические свойства.
Точные решения для поверхностных и объемных акустических
волн в анизотропных пьезоэлектрических средах могут быть получены в результате решения следующих 6 линейных уравнений
[13, 14]:
первое – уравнения движения, связывающего механические напряжения со смещениями (u), вызванными деформациями
¶Tij
=ρ
¶2uj
, (i, j = 1,2,3),
(2.7)
¶xi
¶t2
где ρ – удельная плотность материала среды;
второе – уравнения Максвелла (квазистатическое приближение),
учитывающее отсуствие свободных электрических зарядов в объеме материала
¶Di
=0
(i = 1,2,3);
(2.8)
¶xi
третье – уравнения для напряженности электрического поля
Ei = -
¶Φ
¶xi
где Φ электрический потенциал; 
(i = 1,2,3),
(2.9)
23
четвертое и пятое – это уравнения (2.5) и (2.6), связывающие упругие и диэлектрические свойства в пьезоэлектрических средах;
шестое – уравнения связи деформации и линейных механических
смещений
¶u ö
1 æ ¶u
Skl = çç k + l ÷÷÷.
ç
2 è ¶xl ¶xk ø÷ (2.10)
В результате решения названных 6 уравнений с учетом граничных условий можно получить [13] систему четырех связанных волновых уравнений для электрического потенциала и трех составляющих упругого смещения в пьезоэлектрических средах.
2.1.2. Основные понятия
волновой теории
Распространение акустических волн – один из возможных видов волнового движения. Несмотря на различную природу волн
(механические, оптические, электромагнитные волны), существуют общие черты, характерные для всех волн. Для исследования и
описания разных волновых процессов используются одинаковые
физико-математические модели и единый подход.
Волной называется любое изменение (возмущение) состояния
среды, распространяющееся с конечной скоростью и переносящее
энергию. Для волнового процесса характерна периодичность во
времени и пространстве. Основное свойство волн любой природы
состоит в том, что при волновом движении осуществляется перенос
энергии без переноса вещества.
Волны существуют в твердых телах, жидкостях и газах. В жидкостях и газах, в отличие от твердых тел, упругие силы возникают
только при сжатии и не возникают при сдвиге.
Акустические, или упругие, волны в твердых телах представляют собой изменение состояния среды, вызванное деформацией
среды, и связанное с колебательными движениями частиц среды.
Свойства самой среды при этом не изменяются. Акустические волны, также как другие типы волн, подчиняются единым волновым
закономерностям. Волны могут возбуждаться источником, отражаться и преломляться, рассеиваться, изменять траекторию распространения, дифрагировать, поглощаться средой распространения и затухать. Однако, упругим волнам в твердых телах присущи
и особенности. Так, например, процесс отражения волн в твердых
телах сложнее, чем в жидкостях. По сравнению с жидкостями, при
24
отражении в твердых телах увеличивается количество отраженных волн и происходит преобразование типов волн.
Кратко остановимся на основных понятиях, необходимых для
описания волн любой природы. Волновым фронтом называется геометрическое место точек, до которых доходят колебания к некоторому моменту времени. Волновой фронт постоянно перемещается.
По виду волнового фронта различают плоские, цилиндрические,
сферические волны. На достаточно большом удалении от источника излучения небольшой участок волнового фронта можно условно
считать плоским. Если известно положение волнового фронта в некоторый момент времени и скорость волны, то положение волнового фронта в любой последующий момент можно определить с помощью принципа Гюйгенса. Согласно этому принципу каждая точка
среды, вовлеченная в волновое движение, становится источником
новой волны. Огибающая этих волн дает положение волнового
фронта в последующий момент времени.
Выражение для волны в общем виде может быть сложной зависимостью от времени и пространственных координат, и описание
волн общего вида не всегда разрешимая задача. В случае одномерной волны – волны, характеристики которой зависят от времени и
одной пространственной координаты, задача упрощается.
В теории волновых процессов основным является понятие плоской гармонической волны, это одна из важнейших идеализаций
волновой теории. Гармонические волны называются монохроматическими. Важность понятия гармонической волны обусловлена
следующими положениями:
• большинство источников колебаний создают волны, близкие
к гармоническим;
• многие типы волн вдали от источника излучения можно условно считать плоскими;
• немонохроматическое колебание можно рассматривать как суперпозицию гармонических;
• для гармонических колебаний существует удобный математический аппарат, позволяющий описывать волновые процессы.
Волна, излучаемая плоским излучателем, совершающим синусоидальные колебания (рис. 2.2, а) имеет вид
æ
xö
u(x,t) = A cos ωçççt - ÷÷÷ = A cos(ωt - kx).
(2.11)
è
Vø
где A – амплитуда волны, k = ω/V = 2p/λ – волновое число, ω = 2pf –
круговая частота колебания, λ – длина волны. Величина kx в любой
25
а)
Волновые фронты
б)
Лучи
Рис. 2.2. Волны, излучаемые а – плоским
и б – точечным источниками
момент времени показывает фазовый сдвиг (набег) в точке x. Скорость распространения волны V = ω/k называется фазовой скоростью. Это скорость, с которой должен перемещаться наблюдатель,
чтобы видеть в каждый момент времени колебание в одной фазе
(ω(t–x/V) = const). Длиной волны λ называется минимальное расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебания T.
Для плоской синусоидальной волны часто применяется комплексная форма записи
u(x,t) = A exp( j(kx - ωt)).
(2.12)
В общем случае волновое число является комплексной величиной, равной отношению действительной круговой частоты к комплексной скорости. Действительная часть волнового числа определяет фазовую скорость волны, а мнимая описывает затухание волны в направлении распространения. Очевидно, что смещение для
волны фактически равно действительной части выражения (2.12).
Волновой поверхностью называется геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе. Можно провести бесчисленное множество волновых поверхностей. Иначе говоря волновой
фронт представляет собой одну из возможных волновых поверхностей. Направление распространения плоской волны перпендикулярно к волновой поверхности в любой точке
Так, например, волновые поверхности от точечного источника
представляют собой концентрические сферы с общим центром в источнике. На рис. 2.2, б изображены волновые поверхности волны,
распространяющейся на поверхности от точечного излучателя, представляющие собой окружности. Направления, в которых распространяются колебания, называют лучами. Фазовая скорость – это
26
скорость перемещения фронта волны. Фронт плоской волны в пространстве представляет собой плоскость, распространяющуюся
в направлении волнового вектора. Абсолютное значение волнового
вектора называется волновым числом, а направление вектора определяет направление распространения волны (направление фазовой
скорости). Кроме фазовой скорости в анализе волновых процессов
используется понятия скорости переноса энергии волны. Скорость
распространения потока энергии назовем лучевой скоростью. Угол
между направлением фазовой скорости и направлением лучевой
скорости называется углом отклонения потока энергии (УОПЭ).
Анизотропию свойств среды можно наглядно пояснить с помощью точечного излучателя (рис. 2.3). В изотропных средах волновая поверхность волны, излученной точечным источником, представляет собой окружность, в любой точке направление фазовой
а)
б)
V
V
Vл
Vл
Волновые
поверхности
Рис. 2.3. Векторы фазовой (V) и лучевой скорости (Vл) волны,
излученной точечным источником а – в изотропных
и б – анизотропных средах
Волновой вектор
ψ
Вектор потока
энергии
Рис. 2.4. К явлению отклонения луча: направления волнового вектора
и вектора распространение потока энергии
плоской акустической волны
27
скорости (направление распространения волны) совпадает с направлением лучевой скорости (скорости переноса энергии). В анизотропных (плоских) средах различие свойств среды приводит
к отличию волновой поверхности от окружности, и направление
фазовой скорости (перпендикуляр к волновому фронту) не совпадает с направлением лучевой скорости. Угол ψ между направлением
фазовой и лучевой скоростью называется УОПЭ (рис. 2.4).
2.1.3. Типы акустических волн в твердых телах.
Поверхностные акустические волны
Акустические волны могут распространяться в жидких, газообразных средах и твердых телах. В твердом теле в изотропной неограниченной среде в зависимости от характера движения частиц
среды возможны только два типа волн: продольные волны (или волны сжатия) и поперечные волны (сдвиговые волны) (см. рис. 2.5).
В продольной волне смещение частиц среды происходит параллельно направлению распространения, распространение такой волны
связано с изменением объема, приходящегося на заданное количество частиц. В поперечной волне смещение частиц перпендикулярно направлению распространения, такое распространение не
связано с изменением объема заданного количества частиц среды.
Поляризация волны также связывается с направлением смещения
частиц. Плоскость, проведенная через вектор смещения частиц и
вектор, определяющий направление распростанения волны, на-
a)
Продольные волны
Направление
смещения
частиц
б)
Поперечные волны
Направление
смещения
частиц
Направление распространения
волны
Рис. 2.5. Акустические волны в твердых телах: а – продольные
и б – поперечные
28
зывается плоскостью поляризации. Если вектор смещения, изменяясь по величине, не меняет направления, то говорят о линейной
поляризации. В общем случае конец вектора смещения описывает
эллипс (так называемый поляризационный эллипс) и волна является эллиптически поляризованной. Продольная волна – это горизонтально поляризованная волна, а поперечная – вертикально поляризованная волна.
Термин «неограниченная среда» относится к среде, размеры которой велики по сравнению с размерами волнового пучка, и краевыми эффектами можно пренебречь. Понятие «объемная волна»
используется для волн, не связанных с поверхностью. Объемные
акустические волны (ОАВ) могут распространяться в твердых телах, размеры которых много больше длины акустической волны.
Чем более «сложными» становятся условия (т. е. чем больше ограничений накладывается на среду) распространения, тем большее
число типов волн принципиально возможно в этой среде. Существование волн в ограниченных средах (например, на границе твердого
тела и вакуума) связано с выполнением так называемых граничных
условий. Волны, распространяющиеся вблизи границ раздела сред
с различными свойствами, в общем случае, не являются простыми
и содержат продольную и одну или две поперечные составляющие.
В однородной среде твердого тела с плоской поверхностью возможно распространение поверхностных акустических волн (ПАВ).
Поверхностные волны можно определить как неоднородные плоские волны, распространяющиеся в твердом теле вдоль границы
раздела сред и затухающие вдоль нормали к этой границе. Они расходятся от источника только в двух направлениях, и поэтому их
энергия, убывающая обратно пропорционально расстоянию от источника, уменьшается медленнее, чем энергия объемных продольных или поперечных волн, чья энергия убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Применительно к поверхностным
волнам часто говорят о поляризации относительно поверхности распространения волны. Так составляющая поперечной волны, у которой вектор колебательного смещения частиц лежит в плоскости,
перпендикулярной поверхности распространения, называется поперечной вертикально поляризованной волной (shear-vertical) или
SV-волной. Составляющая поперечной волны, у которой вектор
колебательного смещения частиц лежит в плоскости параллельной
поверхности распространения (и перпендикулярен направлению
распространения волны) называется горизонтально поляризованной поперечной волной (shear-horizontal) или SH-волной.
29
На рис. 2.6 приведена условная классификация типов акустических волн, данная в зависимости от пространственных ограничений среды распространения и особенностей волн.
В однородной неограниченной среде твердого тела в общем случае различают три вида объемных волн: продольную, быструю поперечную и медленную поперечную волну. Причем в анизотропных средах эти волны не являются ни чисто продольными, ни чисто
поперечными, это так называемые: квазипродольная волна; быстрая квазипоперечная волна и медленная квазипоперечная волна. Плоскости поляризации этих трех типов волн всегда взаимно
перпендикулярны, а векторы скоростей переноса энергии образуют
разные углы с волновыми векторами.
В полуограниченых средах (на границе плоской поверхности твердого тела и воздушной среды) существуют ПАВ (surface
acoustic waves (SAW)). Они подразделяются на, так называемые,
истинно поверхностные волны, или волны Релея, волны ГуляеваБлюштейна и псевдоповерхностные волны (ППАВ) (pseudo-SAW).
Волны Релея распространяются на поверхности (в полуограниченных средах) твердых изотропных и анизотропных тел. Амплитуда
релеевских волн убывает с глубиной по экспоненциальному закоПродольные волны
Быстрые поперечные
волны
Объемные волны
(в неограниченных
средах)
Медленные
поперечные волны
Волны Релея (SAW)
Поверхностные волны
(в полуограниченных
средах)
Волны в слоях
(в средах
с двумя границами)
Волны
Гуляева-Блюштейна
Вытекающие
(LSAW)
Псевдоповерхностные
волны
Приповерхностные
Волны Лява
Поперечные (STW)
Волны Лэмба
Волны Стоунли
Рис. 2.6. Типы акустических волн
30
ну, а 90% переносимой этой волной энергии сосредоточено в приповерхностном слое глубиной не более одной длины волны. Смещение
частиц становится равным нулю на глубине примерно двух длин
волн. В изотропных средах релеевская волна содержит две компоненты – продольную и поперечную, сдвинутые по фазе друг относительно друга на p/2 и расположенные в саггитальной плоскости,
т. е. плоскости, образованной нормалью к поверхности и волновым
вектором (рис. 2.7). Траектория движения (вектор смещения) частиц имеет форму эллипса. В анизотропных средах характеристики релеевских волн несколько отличаются от характеристик для
изотропных сред. Фазовая скорость волны зависит от направления
распространения и, в общем случае, ее направление не совпадает
с направлением лучевой скорости. Вектор смещения частиц описывает эллипс, который может лежать в плоскости, не совпадающей
с саггитальной плоскостью. В случае, если эллипс и расположен
в саггитальной плоскости, то его главные оси могут быть не параллельны осям X и Z (см. рис. 2.7). Затухание таких волн также отличается от затухания релеевских волн в изотропной среде.
При анализе распространения волн Релея в анизотропных пьезоэлектрических материалах (все монокристаллы являются анизотропными) необходимо учитывать электрические граничные
условия на поверхности. Свойства акустических волн зависят от
направления распространения и ориентации кристаллической решетки монокристалла. Если саггитальная плоскость не является
плоскостью симметрии упругих свойств, то в распространяющейся
Саггитальная плоскость
Направление
распространения
волны
Воздушная
среда
Z
Y
X
Твердое тело
Рис. 2.7. Распространение релеевской волны в изотропной среде
31
волне существуют три компоненты, и вектор смещения описывает
эллипс в плоскости, лежащей под углом к саггитальной плоскости.
Кроме того, существует связанный с волной электрический потенциал. Чаще рассматривается решение, для которого вектор смещения параллелен или практически параллелен саггитальной плоскости. Это решение, содержащее связанное электрическое поле,
называется пьезоактивной релеевской волной. В некоторых случаях пьезоактивная релеевская волна может иметь вектор смещения
в сагиттальной плоскости, в таких случаях говорят о распространении так называемой чистой моды. Волны Рэлея не обладают дисперсией, т. е. их скорость не зависит от частоты. В настоящее время среди поверхностных волн волны Релея получили наибольшее
практическое применение для реализации устройств.
На плоской поверхности пьезоэлектрической среды может существовать волна Гуляева-Блюштейна. Это поперечная горизонтально поляризованная волна (SH-волна), необладающая дисперсией.
Вектор смещения в этой волне перпендикулярен саггитальной плоскости. Эта волна похожа на плоскую поперечную горизонтально
поляризованную волну в изотропной среде, но в ней существует
связь с электрическим потенциалом на поверхности. Волна Гуляева-Блюштейна имеет большее, чем релеевская волна, проникновение в толщу среды и локализуется на глубине нескольких длин
волн. Смещение частиц среды еще существует на расстоянии примерно 100 длин волн от поверхности, а глубина проникновения тем
меньше, чем сильнее пьезоэлектрические свойства среды. Причем глубина проникновения для свободной и металлизированной
поверхности отличается в десятки раз, следствием чего является
потеря энергии волны при переходе со свободной поверхности на
металлизированную и наоборот. Это факт накладывает некоторые
ограничения при практической реализации устройств на волнах
Гуляева-Блюштейна. Амплитуда такой волны убывает по экспоненциальному закону с глубиной, а поверхность твердого тела при
распространении волны остается плоской. Следствием распространения волн вдали от поверхности служит их малая чувствительность к поверхностным дефектам. В качестве звукопроводов для
волн Гуляева-Блюштейна необходимо выбирать толстые подложки
в целях устранения связи с нижней поверхностью.
Псевдоповерхностные акустические волны (ППАВ) можно условно разделить [15] на вытекающие поверхностные акустические
волны (ВПАВ) (leaky surface acoustic waves – LSAW), приповерхностные волны, или волны перетекающие с поверхности в объем
32
(surface skimming bulk waves –SSBW), и поперечные поверхностные волны (surface transverse wave – STW).
Вытекающие поверхностные волны получили свое название
благодаря особенности одной из составляющих волн уносить энергию от поверхности распространения вглубь твердого тела. Волны
имеют комплексное волновое число и их затухание отличается от
затухания релеевских волн. Интенсивность вытекающих волн увеличивается с увеличением глубины проникновения. Скорость этих
волн может быть много выше скорости релеевских волн, поэтому
устройства, реализованные на вытекающих волнах, работают на
более высоких частотах (примерно в 1,6 раз), чем устройства с аналогичной топологической структурой на релеевских волнах [14, 15].
Приповерхностные волны (SSBW) и поперечные (STW) волны
можно рассматривать как мелкие объемные волны. Причем, при
наличии на поверхности структур, запасающих энергию (например периодической решетки металлических отражателей), мелкие
объемные волны являются связанными с поверхностью и считаются поперечными поверхностными волнами. Если таких структур
на поверхности нет, то волны рассматриваются как волны, перетекающие в объем. Распространение перетекающих в объем волн
можно проиллюстрировать остронаправленной лучевой диаграммой, луч которой направлен вглубь среды под небольшим углом
к плоской поверхности твердого тела.
Представление различий между типами ППАВ и релеевскими
волнами можно получить рассматривая траектории движения частиц среды и электрический потенциал, сопровождающий распространение волн в пьезоэлектрических средах [14]. На рис. 2.8 для
пояснения распространения различных типов волн условно показаны направления смещения частиц среды.
Следует заметить, что различные типы поверхностных волн существуют в определенных срезах кристаллов. Есть срезы, наиболее
благоприятные, или вообще только возможные для возбуждения
конкретного типа волн.
Среди ПАВ и ППАВ в последнее время большое внимание уделяется вытекающим и приповерхностным волнам, поскольку, имея
скорости выше чем скорости релеевских волн, они позволяют создавать более высокочастотные устройства. Так скорости поперечных
поверхностных волн (STW) близки к скоростям медленных поперечных объемных волн, а скорости вытекающих поверхностных –
к скоростям быстрых объемных поперечных волн. Наибольшие
значения скоростей среди ППАВ имеют так называемые высоко33
в)
a)
г)
б)
д)
Рис. 2.8. К распространению различных типов акустических волн:
а – горизонтально-поляризованная волна (SH-волна);
б – поверхностная волна Рэлея; в – вытекающая поверхностная
акустическая волна (ВПАВ); г – волна, перетекающая в объем (SSBW);
д – поперечная (STW) волна
скоростные псевдоповерхностные акустические волны (ВСППАВ)
(High velosity pseudo surface acoustic waves – HVPSAW). Их скорости примерно в 1,8 раз выше, чем у релееских волн, и приближаются к значениям скоростей квазипродольных объемных волн. На
рис. 2.9 приведена качественная диаграмма скоростей некоторых
типов объемных, поверхностных и псевдоповерхностных волн.
Особые типы волн наблюдаются и в слоистых твердых телах
вблизи границы плоских твердых сред с различными свойствами.
К волнам в слоистых изотропных телах относятся волны Лява, волны Стоунли, волны Лэмба.
1
2
Полуогр
аниченн
Неогра
5
3
6
ая сред
а
ниченн
ая среда
4
7
Скорость
Рис. 2.9. Качественная диаграмма скоростей различных типов волн:
1 – ПАВ (волны Релея); 2 – ППАВ (STW-волны); 3 – ВПАВ
(LSAW волны); 4 – ВСППАВ; 5 – медленные объемные поперечные;
6 – быстрые объемные поперечные; 7 – квазипродольные объемные
34
В полуограниченной среде с нанесенным на ее плоскую поверхность слоем вещества с другими упругими свойствами существуют
волны Лява – поверхностные волны сдвигового типа с горизонтальной поляризацией (SH-волны). Волны распространяются в тонком
слое твердого тела, глубина которого соизмерима с длиной волны,
если скорость поперечной волны в нем меньше, чем в полуограниченной среде. Такой слой на поверхности, фактически являющийся
волноводом, иногда называют замедляющим. Волны Лява обладают
дисперсией, т. е. скорость их распространения зависит от частоты.
Вдоль плоскости раздела двух изотропных полубесконечных
сред возможны волны Стоунли. Смещение частиц в волне Стоунли
происходит в сагиттальной плоскости, а амплитуда волны убывает
по обе стороны от плоскости раздела. В плоскопараллельной пластине, толщина которой сравнима с длиной волны могут распространятся волны Лэмба.
2.2. Особенности АЭУ на поверхностных
и псевдоповерхностных акустических волнах
Как уже отмечалось, ПАВ (здесь речь идет о релеевских волнах)
и ППАВ имеют отличительные черты, однако принципы построения и методы описания устройств на этих волнах схожи. В последнее время, благодаря ряду преимуществ перед релеевскими волнами, область применения ППАВ активно расширяется [14, 15].
В устройствах на ПАВ и ППАВ для возбуждения и приема волн
используются преобразователи одинаковых конструкций. В большинстве случаев работа с тем или другим типом волны в монокристаллах определяется только выбором в нем определенного среза
и направления распространения волны. Устройства на ВПАВ имеют ряд преимуществ по сравнению с устройствами на релеевских
волнах. Скорость вытекающих волн может быть больше (примерно
в 1,6 раз) скорости ПАВ. Этот факт обеспечивает возможность изготавливать устройства, работающие на более высоких частотах, при
том же пространственном разрешении технологического оборудования. Более высокая скорость -это основная причина применения
ВПАВ для радиочастотных фильтров входных каскадов приемопередатчиков систем мобильной и спутниковой связи, работающих
в гигагерцовом диапазоне.
Пьезоэлектрические кристаллы, в которых существуют вытекающие волны, как правило, обладают более выраженным пьезоэ35
лектрическим эффектом. Некоторые срезы кристаллов (например,
кварца), в которых существуют вытекающие волны, имеют лучшую температурную стабильностью по сравнению со стабильностью срезов, поддерживающих ПАВ.
Поскольку распространение вытекающих волн происходит
дальше от поверхности, то АЭУ на их основе менее чувствительны
к дефектам и повреждениям поверхности (хотя это не относится
к преобразователям).
ВПАВ проникают глубже в толщу материала, чем релеевские
волны, поэтому устройства на вытекающих волнах способны выдерживать большие уровни мощности.
2.3. Принципы функционирования
акустоэлектронных устройств. Пьезоэлектрический эффект
В устройствах интегральной электроники носителями информации являются электрические сигналы, а в устройствах функциональной акустоэлектроники – акустические волны. Поэтому при включении АЭУ в общий радиотехнический тракт необходимо осуществить
преобразование электрических сигналов в акустические и обратно.
На рис. 2.10 показана обобщенная функциональная схема АЭУ. В соответствии с общей моделью устройства ФЭ, описанной в разделе 1.3
настоящего пособия, функционирование АЭУ связано с преобразованием электрического сигнала в акустическую волну с помощью
специального электроакустического преобразователя – генератора
динамических неоднородностей. Волна излучается, распространяется, отражается, изменяет свои свойства, а затем считывается и вновь
преобразуются в электрический сигнал с помощью акустоэлектрического преобразователя – считывателя. Как уже отмечалось, процесс
возникновения, изменения и исчезновения акустических волн не изменяет физических свойств среды распространения.
S1(t)
Электроакустический
преобразователь
Акустический тракт
Акустоэлектрический
преобразователь
Акустоэлектронное устройство
Рис. 2.10. Обобщенная функциональная схема
акустоэлектронного устройства
36
S2(t)
Взаимные преобразования можно легко осуществить, если использовать в качестве среды распространения среды, в которых возможен
пьезоэлектрический эффект. Таким образом, твердые тела, обладающие пьезоэффектом, совмещают условия распространения волн с возможностью взаимного преобразования электрических и акустических сигналов, обеспечивая уникальные возможности по практическому применению акустических волн для обработки сигналов.
Пьезоэлектрический эффект состоит в возникновении электрического поля под действием механического напряжения (прямой
пьезоэффект). Для материалов, обладающих данным эффектом,
справедливо и обратное: возникновение деформации под действием
приложенного электрического поля (обратный пьезоээффект). Механизм прямого пьезоэффекта объясняется появлением или изменением дипольного момента элементарной ячейки кристаллической
решетки в результате смещения зарядов под действием механических напряжений. При обратном пьезоэффекте под действием электрического поля происходит перемещение зарядов ячеек и, следовательно, изменение расстояний между ними, т. е. деформация.
Для количественной оценки способности пьезоэлектрической
среды осуществлять взаимные преобразования электрической и
механической энергии используется понятие коэффициента электромеханической связи (КЭМС). КЭМС показывает степень связи
электрических и механических свойств, чем он больше, тем сильнее выражен пьезоэффект.
Необходимым условием существования пьезоэффекта в кристаллах является отсутствие у них центра симметрии. Известно
[11], что все кристаллы по свойствам симметрии делятся на 32 класса, из них 20 классов не имеют центра симметрии и обладают пьезоэлектрическими свойствами. Однако из достаточно большого
количества кристаллов (около 2400) только несколько десятков по
совокупности параметров, подходят для практических применений в электронной технике. Все кристаллы, обладающие пьезоэлектрическим эффектом, являются анизотропными. Анизотропия
является следствием упорядоченной структуры кристаллов.
Сформулируем основные принципы функционирования АЭУ.
• Носителями информации в АЭУ являются акустические волны. Обработка и хранение информации осуществляется за счет изменения характеристик акустических волн и электрических сигналов в процессе функционирования устройства.
• Для возбуждения и считывания акустических волн используются специальные преобразователи. Наиболее распространены
37
преобразователи в виде электродов, нанесенных на поверхность
твердых тел – звукопроводов – с пьезоэлектрическими свойствами.
• Характеристики акустических волн в АЭУ зависят от свойств
среды распространения и от параметров преобразователей.
• Особенностью АЭУ на поверхностных и псевдоповерхностных
волнах служит доступность волн и управление ими с поверхности
твердого тела. Характеристики акустических волн и принимаемые
электрические сигналы полностью определяются геометрическими размерами и конфигурацией преобразователей и других конструктивных элементов на поверхности звукопровода.
• Характеристики АЭУ зависят от физических свойств материала звукопровода и нанесенных на него конструктивных элементов
и не могут быть изменены после изготовления устройства.
2.4. Возбуждение и считывание акустических волн
Известно множество способов возбуждения и считывания объемных и поверхностных акустических волн [16, 17]. В основе всех
способов лежит идея формирования пространственно неоднородных переменных механических деформаций под действием приложенного электрического сигнала (при возбуждении волн) или
электрических полей определенной структуры под действием механических деформаций (при считывании волн). Так, например,
для звукопроводов любого типа, как пьезоэлектрических, так и
непьезоэлектрических, ПАВ могут возбуждаться механическими
способами (с помощью клиновидных и краевых преобразователей,
специальных гребенчатых структур и др.) [16].
Наиболее эффективными способами возбуждения и считывания, получившими широкое распространение, являются электрические. В этом случае используются пьезоэлектрические материалы в качестве звукопроводов и токопроводящие полоски – электроды, находящиеся в акустическом контакте со звукопроводом.
Остановимся на электрическом возбуждении и считывании
ПАВ с помощью электродных преобразователей ПАВ. Среди электродных преобразователей наибольшее распространение получил
встречно-штыревой преобразователь (ВШП) ПАВ, предложенный
Уайтом и Вольтмером в 1965 г. [18]. ВШП представляет собой систему (гребенку) пространственно разнесенных элементов – электродов на поверхности звукопровода. ВШП технически просто обеспечивает возможность возбуждения и считывания ПАВ с поверх38
ности звукопровода. Причем изменение конфигурации электродов
на поверхности звукопровода позволяет управлять характеристиками как возбуждаемых акустических волн, так и принимаемых
электрических сигналов. По этой причине изобретение ВШП кроме
решения задачи взаимного преобразования электрических и акустических сигналов открыло огромные возможности по обработке
сигналов и положило начало активному развитию АЭУ на ПАВ и
их широкому внедрению в электронную технику.
Конфигурация преобразователя (число электродов, их форма,
геометрические размеры и взаимное расположение) называется
топологией преобразователя. Топология характеризует только геометрический рисунок, образуемый конструктивными элементами
на звукопроводе. Элементы с одинаковой топологией могут различаться материалом и способом нанесения на звукопровод.
Традиционный двухфазный ВШП представляет собой две решетки электродов, «вложенных» одна в другую и подключенных
к шинам с электрическими напряжениями противоположной полярности. На рис. 2.11 изображен фрагмент ВШП с паралельными
электродами, последовательно подключенными к разным шинам
преобразователя и расположенными с одинаковым пространственным шагом (т. е. эквидистантно). Ширина всех электродов (a) одинакова и равна ширине зазоров между ними (d). Величина перекрытия
электродов называется апертурой преобразователя (H). Преобразователем эффективно возбуждается акустическая волна, длина которой λ0 совпадает с пространственным периодом преобразователя lп
(расстоянием между однофазными электродами преобразователя).
d
+
H
–
a
lп= λ 0
Рис. 2.11. Фрагмент ВШП ПАВ: a – ширина электрода ВШП;
d – ширина зазора между электродами;
lп – пространственный период ВШП; H – апертура
39
На рис. 2.12 изображено поперечное сечение подложки с нанесенными на нее электродами. Принцип работы ВШП состоит в следующем. Под действием высокочастотного гармонического электрического напряжения в зазорах между соседними электродами
излучающего преобразователя возникает переменное электрического поле. Вследствие обратного пьезоэффекта электрическое поле
вызывает появление упругих колебаний, распространяющихся на
поверхности звукопровода в направлениях, перпендикулярных
электродам преобразователя, и взаимодействующих с приложенным электрическим полем. Эти упругие колебания и представляют собой ПАВ.
В целом, в режиме излучения в многоэлектродном ВШП при
подведении к электродам электрического напряжения в звукопроводе под электродами происходят сложные процессы возникновения, распространения и взаимодействия с электродной структурой
парциальных ПАВ, возбужденных каждой парой электродов. Результатом этих процессов являются суммарные ПАВ, излучаемые
вправо и влево от преобразователя.
Строго говоря, для возбуждения ПАВ достаточно одной пары
электродов противоположной полярности. Однако амплитуда такой волны мала, и излученная волна не пригодна для практического использования. Применение ВШП с несколькими парами электродов позволяет увеличить суммарную амплитуду излучаемых
ПАВ за счет акустического синхронизма в результате когерентного сложения парциальных волн. Причем наибольшую амплитуду
имеет ПАВ, длина волны которой совпадает с пространственным
периодом преобразователя λ0 = lп = 2(a + d). Частота f0 = V0/λ0
(V0 – скорость распространения ПАВ в звукопроводе) называется
частотой акустического синхронизма. При отклонении частоты
подводимого к преобразователю гармонического напряжения от
частоты акустического синхронизма акустические волны, возбужlп= λ0
ПАВ
ПАВ
–
+
–
+
–
Пьезоэлектрическая подложка
Рис. 2.12. К принципу действия ПАВ
40
даемые каждой парой электродов, уже не складываются синфазно,
и амплитуда результирующей ПАВ уменьшается. Топология преобразователя служит эффективным средством управления характеристиками излучаемых им ПАВ. В частности, двухфазный эквидистантный ВШП, фрагмент топологии которого изображен на
рис. 2.12, в общем случае излучает ПАВ одинаковой интенсивности
в двух направлениях: вправо и влево от преобразователя. В последующих разделах настоящего пособия будет показано, что изменяя
топологию можно получить как однонаправленное излучение, так
и добиться отсутствия излучения вообще. В последнем случае ВШП
является неизлучающим и представляет собой резонатор. Далее будут рассмотрены факторы, влияющие на выбор топологических параметров преобразователя.
Излученная входным преобразователем акустическая волна распространяется по поверхности звукопровода до выходного преобразователя. В считывающем преобразователе, вследствие прямого
пьезоэффекта, упругие колебания поверхности звукопровода под
преобразователем вызывают появление электрического поля между смежными электродами, а значит, и выходного электрического
сигнала. Электрический сигнал выходного преобразователя также
определяется его топологией и характеристиками принятой ПАВ.
Контрольные вопросы к разделу 2
1. Дайте понятие упругой среды и упругой волны.
2. Какова скорость акустических волн?
3. Что такое материальные константы и что они определяют?
4. Перечислите основные понятия теории волновых процессов.
5. Приведите примеры и модели колебаний и волновых процессов.
6. Какие волны существуют в твердых телах?
7. Что такое анизотропные среды?
8. Дайте классификацию поверхностных акустических волн,
в чем особенности различных типов волн?
9. Что такое прямой и обратный пьезоэлектрический эффект?
10. Каковы принципы функционирования АЭУ?
11. Как осуществляется возбуждение и считывание ПАВ с помощью ВШП?
12. От чего зависят характеристики ПАВ, распространяющихся
в звукопроводе?
13. Каково назначение пьезоэлектрических звукопроводов в АЭУ?
41
14. Какие волновые эффекты и явления лежат в основе функционирования АЭУ?
15. Что представляет собой среда распространения ПАВ?
16. Как осуществляется управление характеристиками ПАВ?
17. Что такое топология преобразователя ПАВ?
42
3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ АЭУ
3.1. Конструкция АЭУ. Устройство на ПАВ:
функциональное назначение
и конструктивное исполнение элементов
Конструктивно АЭУ представляет собой подложку (звукопровод) с расположенными на ее рабочей поверхности преобразователями и другими элементами, предназначенными для управления
акустическими волнами. В устройствах на ОАВ и ПАВ конструктивное исполнение элементов с одинаковым функциональным назначением может отличаться. Различия связаны со способом возбуждения и считывания волн, а также с особенностями распространения и возможностью управления волнами в толще (для объемных
волн) или на поверхности (для поверхностных волн) звукопровода.
Так, например, простейшая линия задержки на ОАВ представляет
собой звукопровод, на торцах которого расположены входной и выходной пьезопреобразователи ОАВ (рис. 3.1).
Далее рассмотрим конструктивно-топологические особенности
устройств на ПАВ (включая и устройства на ППАВ).
Простейшее устройство на ПАВ, представленное на рис. 3.2,
состоит из пьезоэлектрической подложки, или звукопровода, на
рабочей поверхности которой расположены входной и выходной
преобразователи. Между входным и выходным преобразователями
могут располагаться другие элементы топологии, обеспечивающие
вместе с преобразователями заданные характеристики устройства.
Входной преобразователь подключается к источнику электрического сигнала, выходной – к нагрузке. Между источником сигнала
и входным преобразователем, а также между выходным преобразователем и нагрузкой могут включаться специальные согласующие
Звукопровод
ОАВ
Входной
пьезопреобразователь
Выходной
пьезопреобразователь
Рис. 3.1. Линия задержки на ОАВ
43
Входной преобразователь
Выходной преобразователь
Вход
ПАВ
Пьезоэлектрическая подложка
Выход
Акустический поглотитель
Рис. 3.2. Линия задержки на ПАВ
цепи. На краях и торцах подложки наносится акустический поглотитель – специальный слой материала, обеспечивающий эффективное поглощение акустических волн.
Устройство помещается в корпус и далее монтируется аналогично другим микроэлектронным устройствам с помощью техники печатного монтажа ИМС.
Основными конструктивными элементами устройства на ПАВ
являются:
• подложка (звукопровод);
• топологические элементы, расположенные на подложке;
• пленочные и другие покрытия подложки;
• корпус.
К топологическим элементам относятся: преобразователи, отражатели и ответвители ПАВ. Топологические элементы могут
наносится на подложку (например, металлические электроды)
или могут образовываться в подложке (например, отражательные
канавки). Устройства изготавливаются по планарной технологии,
металлические структуры наносятся на поверхность подложки
с помощью методов фотолитографии. Для изготовления устройств
с высокими рабочими частотами применяется оптическая литография, имеющая максимальное разрешение. Упаковка осуществляется в металлические, пластиковые или керамические корпуса.
Кроме герметизации и защиты активной поверхности подложки от
внешних воздействий размещение подложки в корпусе обеспечивает электрическое соединение преобразователей с внешними контактами корпуса. Современные миниатюрные фильтры высоких
частот, размеры которых составляют порядка 1×1 мм, выполнены
по специальным технологиям изготовления и упаковки [19].
Подложка устройства является одновременно и звукопроводом,
и частью преобразователей, и несущим элементом конструкции.
Толщина подложки должна быть много больше длины волны, по44
этому на низких частотах (менее 3 МГц) возрастают габариты и стоимость требуемых подложек.
Преобразователи выполняют функцию возбуждения и считывания акустических волн, т. е. обеспечивают преобразование электрической энергии в акустическую и обратно. Кроме того, преобразователи специальных конструкций позволяют реализовать заданные частотные характеристики и осуществлять согласование
устройства с источником сигнала и нагрузкой.
Преобразователь ПАВ представляет собой систему расположенных на подложке электродов, определенным образом подключенных к возбуждающему генератору (во входном преобразователе)
или к нагрузке (в выходном преобразователе). Изменяя топологию
преобразователя можно управлять характеристиками возбуждаемых и считываемых ПАВ. В линии задержки, изображенной на
рис. 3.2, в качестве преобразователей используются двухфазные
эквидистантные встречно-штыревые преобразователи (ВШП). Существует несколько десятков конструкций преобразователей, подробнее они будут рассмотрены в п. 3.3.
Отражатели предназначены для отражения и преломления
волн, изменения траектории распространения и характеристик
волн. Отражатели также участвуют в формировании частотных характеристик устройства. Элементарными отражателями ПАВ являются любые неровности и неоднородности поверхности подложки. Коэффициент отражения от элементарных единичных неоднородностей достаточно мал и не оказывает заметного влияния на амплитуду ПАВ. Большой коэффициент отражения и существенное
изменение амплитуды ПАВ обеспечивают многоэлементные системы пространственно распределенных отражателей – отражательные структуры (ОС), в которых расстояние между элементарными
отражателями согласовано с длиной акустической волны.
Ответвители обеспечивают смещение и отклонение акустической волны от начальной траектории распространения и участвуют
в формировании частотных характеристик. Для эффективного смещения или разделения акустических потоков применяются многополосковые ответвители (МПО), фактически представляюшие собой волновод ПАВ. С помощью МПО можно осуществить однонаправленное излучение и полное отражение акустических волн.
Наряду с основной подложкой в АЭУ часто применяются пленочные покрытия. Обычно их толщина составляет от 0,01…0,1λ
(тонкие пленки) до 0,5…1λ (толстые пленки). Пленочные покрытия
могут быть диэлектрическими, пьезоэлектрическими и металли45
ческими. Любое из этих покрытий может быть непрерывным (наносится на всю подложку) или структурным (наносится на часть
подложки, например, только на электроды преобразователя). Покрытие всей рабочей поверхности подложки позволяет управлять
основными параметрами акустических волн и изменять характеристик устройств по сравнению с вариантом без пленки. Такой способ используется, в частности, для температурной стабилизации.
Частичное покрытие поверхности вызывает изменение характеристик акустических волн при их распространении под пленкой. Нанесение пленок на концах и торцах подложек обеспечивает поглощение акустических волн.
Пьезоэлектрические пленки используются для возбуждения и
считывания различных типов поверхностных акустических волн,
а также изменения их характеристик. Нанесение диэлектрических
пленок позволяет защитить и изолировать поверхность подложки,
изменить характеристики устройства. Наличие металлических
пленок приводит к изменению (замедлению) скорости и затухания
ПАВ. Структурные металлические пленки селективно изменяют
направление и амплитуду ПАВ, что позволяет создавать металлические ОС и МПО. Химически чувствительные пленки применяются в чувствительных элементах датчиков. Свойства пленочных покрытий, а также их влияние на характеристики ПАВ существенно
зависят от толщины пленки и способа ее нанесения на поверхность
звукопровода. Следует заметить, что применение дополнительных
пленочных покрытий, предоставляя дополнительные возможности, одновременно усложняет процесс изготовления устройств.
3.2. Подложки устройств на ПАВ
3.2.1. Общие требования
Выбор типа и материала подложки АЭУ – один из первых и
важнейших этапов проектирования АЭУ. Изготовление подложки
(в частности выращивание сложных по составу монокристаллов) часто определяет основную часть затрат в стоимости всего устройства.
От правильного выбора материала подложки во многом зависит успех
проектирования всего устройства. Важно подчеркнуть, что подложка устройства выполняет не вспомогательную роль, а является неотьемлемой и принципиально необходимой для функционирования
устройства частью – средой распространения акустических волн.
46
На сегодняшний день не существует единой «универсальной»
подложки, используемой для всех устройств на ПАВ. Каждый раз
задача выбора подложки решается индивидуально с учетом многих
факторов, таких, например, как: назначение и технические характеристики устройства, условия эксплуатации, требования к повторяемости и стабильности характеристик, стоимость изделия и т. д. Унификация выбора возможна в рамках одного класса устройств с типовыми характеристиками, например, фильтров или резонаторов.
Общие требования к материалам подложек диктуются технологией производства устройств. Материал должен быть механически
прочным, химически устойчивым, допускать необходимую в процессе изготовления механическую обработку и иметь стабильные
и повторяющиеся от образца к образцу параметры, что необходимо
в условиях массового производства.
Подложка, представляя собой звукопровод акустических волн,
одновременно и является несущим элементом всего устройства.
Поэтому подложка устройства на ПАВ должна обеспечивать технологически удобный и надежный способ расположения на своей
рабочей поверхности топологических элементов (электродов, канавок). Как среда распространения волн материал должен быть однородным, с малым поглощением акустических волн (что особенно
важно при работе на высоких частотах), иметь малую диэлектрическую проницаемость, обеспечивая возбуждение и считывание акустических волн, а также стабильную работу устройства в процессе
эксплуатации. Толщина подложки для ПАВ устройств выбирается
много больше длины волны, а габаритные размеры подложки определяются топологией устройства, которая, в свою очередь, зависит
от назначения и технических характеристик устройства.
3.2.2. Типы подложек
Все подложки целесообразно разделить по структуре и виду применяемых материалов (рис. 3.3). Различают простые (однородные) и
сложные (слоистые) по структуре подложки. В однородных подложках используется только один вид материала. Сложные подложки
состоят из двух, трех или большего количества слоев. Слои различаются толщиной и материалом. В качестве слоя часто используется
пленочное покрытие (в отличие от слоя его толщина, как правило,
не превышает одной длины волны). Для подложек используются
синтетические монокристаллы и поликристаллические пьезокерамические материалы. Применяются синтетические монокристаллы,
47
Подложки
Монокристаллические
Пьезокерамические
Из комбинированных
материалов
Подложки
Однородной структуры
Сложной слоистой структуры
Рис. 3.3. Условная классификация подложек устройств
на ПАВ по типу и структуре материалов
как обладающие, так и не обладающие пьезоэффектом. В последнем
случае на такой монокристалл наносится слой пьезоэлектрического
материала или пленка, обладающая пьезоэффектом.
Дешевые пьезокерамические подложки значительно подвержены
эффектам старения и изменения свойств в процессе эксплуатации.
Основным фактором, существенно ограничивающим их применение,
является значительное затухание ПАВ на частотах выше 25–30 МГц.
Среди материалов наибольшее распространение получили искуственно выращенные монокристаллы. Основным преимуществом
монокристаллов служит постоянство всех материальных констант,
на которые практически не оказывают влияние эффекты старения.
Недостатком является относительно высокая стоимость. Технологической проблемой остается выращивание сложных по составу
кристаллов хорошего качества и больших размеров. Причем набор монокристаллов, пригодных для применения в устройствах на
ПАВ, ограничен.
Рассматривая монокристаллы с точки зрения их применения
для подложек устройств на ПАВ целесообразно выделить ряд параметров, имеющих основное влияние на характеристики устройств
и определяющих возможности их практического использования.
Оцениваются следующие параметры:
• скорость акустических волн;
• коэффициент электромеханической связи (КЭМС);
• температурные характеристики: температурные коэффициенты задержки (ТКЗ), температурные коэффициенты скорости (ТКС),
температурные коэффициенты частоты (ТКЧ);
48
• угол отклонения потока энергии (УОПЭ) от направления фазовой скорости;
• параметры, характеризующие дифракцию;
• коэффициенты затухания акустических волн в материале;
• диэлектрическая проницаемость материала и погонная емкость электродной структуры;
При выборе материала принимаются во внимание такие факторы как
• степень подавления паразитных мод;
• наличие собственной однонаправленности свойств материала;
• топологическая структура и технологические особенности
устройства (тип металлизации, толщина электродов преобразователей ПАВ и т. д.).
Более подробные сведения о перечисленных параметрах, а также информацию о применяемых монокристаллах, способах обозначения срезов монокристаллов можно найти в учебном пособии [20]
и монографии [19].
В табл. 1 приведены некоторые из основных параметров для нескольких монокристаллических подложек устройств на ПАВ и ВПАВ.
Все пьезоэлектрические монокристаллы анизотропны, т. е. их
свойства зависят от среза и выбранного в нем направления распространения волн. Необходимо учитывать различные значения скорости распространения волн, КЭМС и температурные характеристики. Существуют срезы монокристаллов, в которых невозможно
распространение того или иного типа акустических волн.
В устройствах с многоэлементными протяженными преобразователями и ОС следует обязательно учитывать дифракционные эфТаблица 1
Подложка
ST-SiO2
15,7°Х-SiO2
YZ-LiNbO3
128°X-LiNbO3
64°YX-LiNbO3
41°YX-LiNbO3
YZ-LiTaO3
36°YX-LiTaO3
La3Ga5SiO14 (90°;40°;–6°)
Тип
Скорость
акустических акустических
волн
волн, м/с
ПАВ
ВПАВ
ПАВ
ПАВ
ВПАВ
ВПАВ
ПАВ
ВПАВ
ПАВ
3158
3948
3488
3992
4742
4379
3230
4212
2535
Квадрат
КЭМС,
%
ТКЗ,
ppm/°C
0,11
0,11
4,8
5,3
11,3
17,2
0,66
4,7
0,44
0
0
94
75
79
80
35
35
–19
49
фекты. Так как монокристаллы анизотропны, то дифракционная
картина в них существенно усложняется по сравнению с изотропными средами. Различные изменения скорости акустических волн
при изменениях направления приводят к уменьшению или увеличению расходимости акустического пучка по сравнению с изотропной средой. Для уменьшения дифракционных искажений
применяются специальные меры, среди которых использование
специальных методов взвешивания преобразователей и применение фокусирующих преобразователей [21]. Существуют срезы монокристаллов с минимальной дифракцией [19].
В зависимости от назначения устройства, важнейшее значение
может иметь стабильность или, наоборот, чувствительность его
характеристик к изменению таких внешних факторов, как температура, влажность и др. Так, в устройствах с повышенными требованиями к температурной стабильности (например, линиях задержки в автогенераторах или фильтрах антенного дуплексора)
определяющими параметрами материала подложки являются малые значения температурных коэффициентов и высокая точность
воспроизведения скорости. Для материалов, используемых в чувствительных элементах датчиков, необходима зависимость характеристик распространяющихся в них акустических волн от температуры, давления, газового состава или других факторов.
В устройствах с большим уровнем мощности ПАВ следует учитывать влияние нелинейных эффектов. В таких устройствах кроме
основной гармоники генерируются волны на частотах высших гармоник. При этом происходит непрерывное взаимодействие основной и высших гармоник, сопровождающееся обменом энергией,
что приводит к дополнительному затуханию основной гармоники.
Кроме того, в процессе функционирования устройств на ПАВ генерируются паразитные объемные акустические волны
Очевидно, что перечень важнейших параметров монокристаллов, подлежащих оцениванию при выборе монокристаллов для
устройств на ПАВ, достаточно большой. Число монокристаллов, по
совокупности параметров подходящих для применения, не превышает двух десятков. Существенно расширить число используемых
материалов позволяют комбинированные слоистые подложки,
в которых наряду с монокристаллическими материалами применяются поликристаллические.
Сложные по структуре подложки из различных материалов позволяют дополнить перечень применяемых монокристаллических
подложек. Многослойные подложки сложнее и дороже в изготов50
лении, однако наличие нескольких слоев увеличивает число степеней свободы, позволяя управлять параметрами акустических волн
за счет изменения порядка нанесения и толщины слоев различных
материалов и пленок. Применение в устройствах на ПАВ сложных
по структуре подложек, обычно, обусловлено определенными факторами. К таким факторам можно отнести:
• технологические требования использования некристаллических материалов или непьезоэлектрических монокристаллов, возникающие, например, в процессе интеграции компонентов на ПАВ
с другими микроэлектронными компонентами;
• необходимость изменения технических характеристик
устройств (в частности, повышение рабочих частот за счет использования высокоскоростных материалов);
• создание устройств с управляемыми характеристиками;
• применение пленочных покрытий в устройствах специального
назначения, например, чувствительных элементах датчиков.
Сложные по структуре подложки, имея достоинства, обладают
и рядом недостатков. Среди них: технологические трудности изготовления многослойных и пленочных структур (надежное соединение различных слоев, нанесение ориентированных пленок и т. д.),
изменение условий распространения волн и многомодовое распространение и, как следствие, трудности предварительного расчета
характеристик и моделирования устройств.
В многослойных подложках с пленками свойства распространяющихся ПАВ существенно зависят от взаимного расположения
электродов преобразователей, подложки, и пленочных слоев. На
рис. 3.4 в качестве примера показаны варианты расположения оса)
б)
в)
г)
Подложка
ВШП
Пленка
Металлический слой (пленка)
Рис. 3.4. Варианты расположения слоев различных материалов
и электродов в многослойных подложках устройств на ПАВ
51
ZnO
AlN
Алмаз
ВШП
Металл
Рис. 3.5. Варианты расположения слоев различных материалов
в сложных по структуре подложках
новной подложки, электродов и пленочных покрытий в двух (а, б)
и трехслойной (в, г) подложках. Так, в структурах, изображенных
на рис. 3.4, в и г, благодаря наличию металлизированного слоя,
который можно рассматривать как дополнительный электрод, преобладает поперечная составляющая электрического поля, а в двух
остальных структурах – продольная.
На рис. 3.5 в качестве примера приведены 4 возможных варианта расположения электродов преобразователя, тонкого металлического слоя и двух пленочных покрытий на основной подложке. На
основную подложку- алмаз- нанесены два пленочных слоя – нитрид
алюминия (AlN) и оксид цинка (ZnO). Число возможных материалов основной подложки, а также наносимых слоев и пленок составляет несколько десятков, и вариантов их взаимного расположения может быть множество. Однако для подобных многослойных
подложек, наряду с усложнением изготовления, возрастает число
физических эффектов, влияющих на работу устройства, и которые
следует учитывать при проектировании устройств.
В целом, несмотря на отмеченные недостатки, совершенствование
технологических процессов изготовления и развитие методов компьютерного моделирования устройств, позволило активно использовать многослойные подложки в современных ПАВ устройствах.
3.3. Преобразователи ПАВ
3.3.1. Топологические параметры преобразователя.
Встречно-штыревой преобразователь
как трехпортная структура
Выполняя основную функцию – преобразования электрического
сигнала в акустический и наоборот – преобразователь ПАВ может
работать как в режиме приема, так и в режиме излучения. За счет
прямого и обратного пьезоэффекта осуществляется взаимное преобразование электрических полей и упругих волн. Конструктивно
52
преобразователь представляет собой многоэлементную структуру
пространственно распределенных электродов, нанесенных на поверхность подложки. При этом пространственные (геометрические) характеристики этой структуры оказываются связанными
как с характеристиками электрических сигналов, подводимых
к преобразователю или считываемых с него, так и с характеристиками формируемых или считываемых акустических полей. Следствием этого являются большие потенциальные возможности изменения электрических сигналов (а значит и обработки информации)
за счет изменения топологических и технологических (например,
толщины электродов) параметров преобразователей.
Возбуждение и считывание ПАВ может выполняться однофазным преобразователем в виде решетки параллельных и объединенных общей шиной электродов, расположенных на рабочей поверхности подложки, и общего электрода, расположенного на тыльной
стороне подложки (рис. 3.6). Шина и общий электрод подключаются
к генератору или к нагрузке (при необходимости через согласующие
цепи). При равенстве пространственного периода расположения
электродов длине ПАВ обеспечивается максимальная эффективность преобразования электрических и акустических сигналов.
Основными топологическими параметрами преобразователя являются: число электродов (N), апертура (H), ширина электродов (a),
ширина зазоров (d). Для стандартного однофазного преобразователя
ширина электродов и зазоров одинакова и равна половине пространственного периода расстановки электродов a = d = lп/2 = λ0/2. Апертура большинства преобразователей обычно составляет несколько
десятков длин волн (H≈10…100λ).
(+)
(+)
(+)
(+)
(–)
Рис. 3.6. Однофазный преобразователь ПАВ
53
При возбуждении ПАВ однофазным преобразователем электроды наносятся на верхнюю (рабочую) и нижнюю (тыльную) поверхности подложки. В технике ПАВ широкое распространение получили двухфазные преобразователи, чаще называемые встречноштыревыми преобразователями (ВШП). Такой ВШП представляет
собой две гребенки параллельных электродов, «вложенных» одна
в другую, и размещенных только на рабочей стороне подложки.
Каждая из гребенок объединена шинами, имеющими противоположную полярность. Шины подключаются к генератору или к нагрузке. Пространственный шаг электродов в каждой из гребенок
равен длине ПАВ. При этом ширина электродов и зазоров также
одинакова и равна четверти длины волны.
При проектировании устройства кроме задания перечисленных
топологических параметров ВШП (N, H, a, d, lп) необходимо обеспечить согласование преобразователей с генератором и нагрузкой.
Входное сопротивление ВШП зависит как от его топологических параметров, так и от свойств пьезоэлектрической подложки.
Поэтому задача согласования преобразователей с генератором и нагрузкой может быть решена либо с помощью специальных согласующих цепей, либо подбором топологических параметров преобразователя (апертуры или числа пар электродов) с учетом конкретного материала подложки.
Существуют соотношения [16,22–24], определяющие оптимальное число электродов преобразователя, с точки зрения максимальной эффективности преобразования и полосы пропускания при заданном электрическом сопротивлении преобразователя. Однако на
практике число пар электродов обычно выбирается исходя из требований формирования заданной частотной характеристики.
С функциональной точки зрения преобразователь ПАВ удобно
рассматривать как трехпортную структуру (шестиполюсник) с двумя акустическими и одним электрическим портом (рис. 3.7). При
наличии сигнала на электрическом порту, ПАВ излучается из двух
акустических портов. При подведении акустического сигнала на
один из акустических портов, акустическая волна излучается вторым акустическим портом и возникает электрический сигнал на
электрическом порту.
Представление ВШП в виде шестиполюсника имеет важное значение по следующим причинам. Для описания ВШП удобно использовать детально разработанный в теории электрических цепей математический аппарат описания многополюсников, в том числе с применением матричного исчисления. Такое представление позволяет,
54
Акустический
порт 2
Акустический
порт 1
Двунаправленный
преобразователь
ПАВ
ПАВ
Электрический
порт
Рис. 3.7. Представление преобразователя ПАВ
в виде трехпортной структуры
не рассматривая внутреннее устройство и принцип действия, получать соотношения между величинами электрической и акустической природы, действующими на зажимах шестиполюсника. Кроме того, подход к ВШП, как к шестиполюснику, позволяет в дальнейшем легко описывать характеристики устройств, состоящих из
нескольких преобразователей и других топологических элементов.
С использованием известных в теории цепей систем параметров
шестиполюсника легко вводятся такие важнейшие характеристики преобразователя как коэффициент передачи, вносимые потери,
применяемые для описания любых элементов радиотехнического
тракта.
Из теории электрических цепей известно [25], что линейный четырехполюсник описывается системой двух уравнений, в которых
одна пара переменных выражается в зависимости от другой пары.
Вводятся так называемые Y, H, A, B, Z параметры. Выбирая в качестве независимых и зависимых переменных токи или напряжения,
можно ввести коэффициенты передачи четырехполюсника по току
и напряжению, входную проводимость и другие характеристики.
Так, Y параметры имеют смысл проводимости относительно одной
пары полюсов при коротком замыкании другой пары. В шестиполюснике возможны два выхода и один вход или один выход и два
входа. В режиме излучения у ВШП один электрический вход и два
акустических выхода, а в режиме считывания два акустических
входа и один электрический выход.
По аналогии с четырехполюсниками для электрических шестиполюсников можно записать основные уравнения, связывающие
комплексные амплитуды токов и напряжений для трех контуров
(рис. 3.8, а). Для акустоэлектронных устройств чаще используются системы Y и H параметров.
55
I1
а)
б)
I2
a1
b2
b1
a2
U2
U1
I3
U3
b3
a3
Рис. 3.8. Шестиполюсник, на входах которого действуют
комплексные амплитуды токов и напряжений (а);
и обобщенные волновые колебания (б)
ïìï I1 = y11U1 + y12U2 + y13U3
ïï
í I2 = y21U1 + y22U2 + y23U3
ïï
ïïîI3 = y31U1 + y32U2 + y33U3 ,
ïìï U1 = h11U2 + h12 I2 + h13U3
ïï
í I1 = h21U2 + h22 I2 + h23U3 (3.1)
ïï
ïïîI3 = h31U2 + h32 I2 + h33U3 .
Выражения (3.1) более компактно записываются в матричном
виде:
[ I ] = [Y ] [U ],
[UII ] = [ H ] [UIU ]. (3.2)
Матрица [Y] называется матрицей проводимости, матрица [H] –
каскадной матрицей проводимости. Выбор той или иной системы
определяется только удобством записи, а переход от одной к другой
системе возможен с помощью несложных алгебраических преобразований [25]. При этом, по аналогии с четырехполюсниками, коэффициенты матрицы [Y] имеют смысл входных проводимостей, а а
коэффициенты матрицы [H] передаточных проводимостей в одном
из контуров шестиполюсника при условии короткого замыкания
второго и третьего контуров.
При анализе акустоэлектронных устройств часто удобно пользоваться матрицой рассеяния [S]. В этом случае для шестиполюсников вводятся понятия не токов и напряжений, а так называемое обобщенное волновое колебание. По аналогии с уравнениями
(3.1) записываются уравнения для нормированных амплитуд отраженных волн (b1, b2, b3) в зависимости от падающих (a1, a2, a3)
(рис. 3.8, б). В таком случае вводимый безразмерный коэффициент
матрицы рассеяния
56
b
S21 = 2
a1
(a2 = a3 = 0)
(3.2)
имеет смысл коэффициента передачи, а параметр
b
S11 = 1
a1
(a2 = a3 = 0)
(3.3)
имеет смысл входного коэффициента отражения.
Современная аппаратура позволяет непосредственно измерять
коэффициенты матрицы рассеяния, в частности коэффициент S21.
Поскольку преобразователь ПАВ представляет собой шестиполюсник с одним электрическим и двумя акустическими портами,
то при его описании удобно оставлять переменные a1, a2, b1, b2 для
акустических колебаний, а вместо переменных a3 и b3 оставлять
напряжение U и ток I для электрических колебаний. В этом случае
записывается так называемая P (или смешанная) матрица, по сути
являющаяся смесью матрицы рассеяния для акустических портов
и матрицы проводимости для электрического порта. С помощью
коэффициентов этой матрицы переменные b1, b2, I выражаются
в зависимости от переменных a1, a2, U.
Трехпортная структура преобразователя приводит к появлению
множества эффектов, которые необходимо контролировать. Наиболее значимыми из них являются потери 3 дБ за счет двунаправленности излучения и наличие сигнала тройного прохода.
Наиболее простой математической моделью преобразователя
является модель δ-функций. Такая модель не учитывает вторичные эффекты, но позволяет достаточно хорошо пояснить принцип
действия преобразователя и получить выражение (в относительных единицах) для частотной характеристики преобразователя.
В модели δ-функций реальное распределение зарядов вдоль поперечного сечения каждого электрода заменяется одной или двумя δ-функциями. В зависимости от выбраного приближенного распределения силовых линий электрического поля (так называемая
модель «продольного» или «поперечного» поля) δ-функции располагаются в центре электрода или по его краям. Положительные
или отрицательные амплитуды источников учитывают полярность
подключения электродов в преобразователе. В приближенной модели частотная характеристика H(f) стандартного эквидистантного ВШП с числом электродов N вблизи частоты акустического
синхронизма f0 = V0/λ0 приближенно описывается функцией вида
sinX/X, где
2Np(f - f0 )
X=
.
(3.4)
f0
57
Из выражения (3.4) следует, что ВШП с малым числом электродов является широкополосным, а с большим – узкополосным.
Более подробные сведения о различных моделя преобразователей ПАВ, их особенностях и условиях применения можно найти
в литературе, например, в [13, 23].
3.3.2. Типы преобразователей. Базовые конструкции
Любой преобразователь представляет собой систему электродов,
определенным образом расположенных на поверхности подложки
и подключенных к суммирующим шинам. Число электродов в системе составляет от нескольких единиц (в малоэлектродном преобразователе) до нескольких тысяч (в многоэлектродном преобразователе). В преобразователе можно выделить элемент топологии –
элементарную группу электродов (в простейшем случае это два
электрода, подключенных к шинам различной полярности), которая периодически повторяется в многоэлементной структуре. Далее, если не будет оговорено специально, будут рассмотрены двухфазные преобразователи. Для обеспечения требуемых свойств преобразователя элементарные группы электродов отличаются друг от
друга топологическими параметрами (геометрическими размерами
электродов и (или) их взаимным расположением внутри группы),
способом подключения и технологическими параметрами (например, толщиной металлизированого слоя). Если у всех электродов
группы соответствующие параметры одинаковы и группы повторяются периодически, то преобразователь называется однородным.
Если элементарные группы электродов отличаются какими либо
параметрами или нарушается периодичность их следования в многоэлементной структуре, то такой преобразователь называется неоднородным и имеет весовую обработку.
Все преобразователи также условно делятся на преобразователи базовых конструкций и специальных конструкций. Основной
задачей преобразователей базовых конструкций является преобразование электрических сигналов в акустические. Кроме того,
с помощью подбора числа электродов и апертуры преобразователя
обеспечивается согласование преобразователя с внешними цепями.
Как правило, преобразователи базовых конструкций это однородные преобразователи.
Преобразователи специальных конструкций, кроме функции
преобразования электрических сигналов в акустические, предназначены для получения специальных частотных или импульсных
58
характеристик, уменьшения вносимых потерь устройства или выполнения других специальных требований. Чаще такие задачи решаются с помощью неоднородных преобразователей.
В зависимости от того, какая группа электродов выбрана за элементарную (например, два или три электрода на длину волны, поочередно подключенных к шинам), по-разному могут классифицироваться взвешенные преобразователи.
В качестве преобразователей базовых конструкций рассматриваются следующие: ВШП с одиночными электродами, с двойными
(расщепленными) электродами, с тремя электродами на период и
ВШП с плавающими электродами (рис. 3.9).
В стандартных преобразователях с одиночными электродами
(рис. 3.9, а) элементарной группой служит пара электродов, присоединенных к разным шинам. Эта группа периодически повторяется с периодом преобразователя lп. Причем ширина электрода равна
ширине зазора между электродами и составляет четверть длины
а)
d = λ 0 /4
б)
d = λ 0 /8
H
a = λ 0 /4 ln= λ0
в)
a = λ 0 /8
ln= λ0
г)
ln= λ0
ln= λ0
Рис. 3.9. Преобразователи базовых конструкций: а – ВШП
с одиночными электродами, б – ВШП с расщепленными электродами,
в – ВШП с тремя электродами на период, г – ВШП
с плавающими электродами
59
волны. В ВШП такого типа коэффициент передачи максимален
на частоте пространственного синхронизма, на которой пространственный период lп совпадает с длиной волны и обеспечивается
эффективное излучение или прием ПАВ. Однако такая структура
с двумя электродами на длину волны подвержена влиянию отражений, ухудшающих характеристики преобразователя. Это объясняется тем, что электроды преобразователя, образуя периодическую
систему неоднородностей, являются одновременно и отражателем
ПАВ. При этом коэффициент отражения максимален для структуры, у которой пространственный период равен половине длины
волны. Поэтому стандартный преобразователь с одиночными электродами при большом количестве электродов имеет значительный
коэффициент отражения и оказывается малоэффективным с точки
зрения излучения ПАВ. Аналогичные рассуждения справедливы
и для считывающего преобразователя. Уменьшить влияние нежелательных отражений позволяет разнесение частот максимального
преобразования (излучения) и отражения ПАВ. Это достигается,
например, в преобразователелях, имеющих более двух электродов
на длину волны (рис. 3.9 б, в, г). Подобный эффект разнесения частот преобразования и излучения обеспечивается и в преобразователях с плавающими электродами.
В преобразователе с расщепленными электродами (рис. 3.8, б)
отдельным элементом является группа из четырех электродов, попарно присоединенных к разным шинам. Однако расстояние между соседними электродами вдвое меньше, чем в преобразователе
с одиночными электродами. Максимальная рабочая частота такого
преобразователя при таком же пространственном шаге как в преобразователе с одиночными электродами, будет вдвое меньше.
В преобразователе, изображенном на рис. 3.9, в, элементом топологии является группа из трех электродов, а в преобразователе,
изображенном на рис. 3.9, г, группа из четырех электродов, два из
которых присоединены к шинам, а два электрически разомкнуты и
условно называются плавающими..
В основу классификации всех преобразователей можно положить различные классификационные признаки, относящиеся
к назначению, топологии, технологии изготовления или особенностям работы. Представление о конструктивном разнообразии
современных преобразователей позволяют получить указанные на
рис. 3.10 классификационные признаки и выделенные типы преобразователей. Приведенную классификацию можно продолжить
как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Под60
Тип электродов
С простыми
электродами
С расщепленными
электродами
Эквидистантные
Пространственный
шаг электродов
Неэквидистантные
С выборочным
удалением
Прямые
Форма электродов
Изогнутые
Ступенчатые
«Горизонтальные»
Взаимное
расположение
электродов
С параллельными
электродами
Наклонные
Веерные
К одной шине
Подключение
электродов
К разным шинам
Без подключения
Рис. 3.10. Классификационные признаки
и типы преобразователей ПАВ
робнее с различными типами преобразователей можно познакомиться в литературе, например, [21–23].
3.3.3. Преобразователи специальных конструкций.
Весовая обработка
Преобразователи специальных конструкций обычно имееют весовую обработку. Под весовой обработкой принято понимать изменение конструкции преобразователя c целью формирования заданной импульсной характеристики [25].
61
Однородный ВШП (без весовой обработки) представляет собой
многоэлементную (в общем случае) пространственно распределенную структуру – гребенку периодически расположенных одинаковых в пределах всего преобразователя или в пределах группы электродов. Общая идея взвешивания наглядно поясняется на основе
представления преобразователя в виде трансверсального фильтра
[27] (рис. 3.11). Выходной сигнал фильтра формируется путем суммирования сигналов с отводов идеальной линии задержки, умноженных на соответствующие весовые коэффициенты. В режиме
излучения акустическую волну, излученную элементарным излучателем, можно ассоциировать с сигналом в одном из отводов линий
задержки. В этом случае параметры каждого электрода (длина активной части, ширина электрода и т. д.) определяют весовой множитель, на который умножается входной задержанный сигнал, а пространственное расположение электрода определяет время задержки.
Аналогичные рассуждения справедливы и для преобразователя
в режиме считывания: электрический сигнал, снимаемый с преобразователя, представляет собой сумму элементарных сигналов,
пропорциональных длине активной части электрода и его ширине.
Задержки элементарных сигналов определяются временным положением электродов в преобразователе. Для введения взвешивания
имеются следующие «степени свободы» и соответствующие методы
обработки:
• длина электрода;
• ширина электрода и ширина зазора между электродами;
• подключение электрода (величина подводимого напряжения и
его электрическая фаза);
• толщина электрода;
• положение электрода внутри группы электродов;
T1
Входной
сигнал a1
T2
T3
a2
TN–1
a3
a N–1
TN
aN
∑
Выходной
сигнал
Рис. 3.11. Структурная схема транверсального фильтра
62
• пространственный период расположения соседних электродов;
• наличие или отсутствие электрода внутри многоэлементной
структуры.
Условно все методы весовой обработки делятся на две группы
(см. рис. 3.12): с аподизацией и без аподизации. Под аподизацией
будем понимать изменение геометрических размеров электродов:
длины и ширины. В литературе чаще под аподизацией понимают
способ взвешивания путем изменения только длины электродов.
На рис. 3.12 перечислены методы взвешивания, часть из которых
относится к топологическим, часть можно условно назвать «схемотехническими», поскольку они не затрагивают топологию (т. е.
«рисунок» металлических электродов на подложке), а связаны
со способом электрического соединения электродов между собой
и суммирующими шинами. Изменение толщины металлических
электродов, материала электродов, нанесение на них пленок (например, для изменения электрического сопротивления или отражательной способности) относится к технологическим методам весовой обработки.
Взвешивание
аподизацией
Изменение длины
электродов
Изменение ширины
электродов
Изменение
пространственного
периода
Селективное удаление
электродов
Топологические
методы
Групповое
взвешивание
Взвешивание
без аподизации
Емкостное
взвешивание
Изменение
напряжения
Схемотехнические
методы
Фазовое кодирование
Изменение толщины
или материала
электродов
Технологические
методы
Рис. 3.12. Методы весовой обработки преобразователей ПАВ
63
Принципиально, все перечисленные методы взвешивания можно применить к преобразователям всех четырех описанных выше
базовых конструкций. Кратко остановимся на назначении, преимуществах и недостатках преобразователей, полученных с помощью различных методов весовой обработки.
Однородный многоэлектродный эквидистантный ВШП без взвешивания (рис. 3.13, а) имеет импульсную характеристику в виде
прямоугольного радиоимпульса с частотой заполнения, равной частоте пространственного синхронизма ВШП. А АЧХ, (связанную
с импульсной характеристикой преобразованием Фурье) близкую
к огибающей спектра прямоугольного радиоимпульса, т. е. функцию вида sinX/X. Для уменьшения уровня боковых лепестков
этой функции применяется аподизация – взвешивание путем изменения длины электродов. Длины перекрытия соседних электродов задаются пропорционально импульсной характеристике. На
рис. 3.13, б приведен пример такого преобразователя. В этом случае
амплитуды парциальных ПАВ пропорциональны длине перекрытия электродов, а импульсная характеристика ВШП будет представлять собой радиоимпульс с огибающей, форма которой повторяет закон перекрытия электродов. При этом АЧХ имеет меньший
уровень боковых лепестков [21, 28]. Этот вид взвешивания можно
рассматривать как амплитудно-импульсную модуляцию сигнала.
Преимуществами данного типа весовой обработки являются простота и легкость регулирования каждого полупериода импульсной
характеристики, высокая разрешающая способность. Основной недостаток этого метода заключается в росте влияния дифракционных эффектов. Поскольку точное задание малых амплитуд связано
с очень малыми длинами электродов, в преобразователе возрастает
влияние дифракционных эффектов, что приводит к искажениям фаа)
б)
Рис. 3.13. Эквидистантный многоэлектродный ВШП
а – без аподизации; б – с аподизацией
64
зового и амплитудного фронтов волны. Эти искажения, в частности,
не позволяют использовать два аподизованных таким способом преобразователя в одном устройстве. Кроме того, амплитуда колебаний
в центральной части акустического луча больше за счет большего
количества активных электродов, что также приводит к неравномерности распределения амплитуд вдоль апертуры. Неактивные
электроды (электроды, не участвующие в процессе преобразования
электрических сигналов в акустические), как правило, оставляют
внутри площади преобразователя для сохранения плоского фазового фронта. На рис. 3.13, б для наглядности неактивные электроды
не показаны. Дело в том, что при удалении неактивных электродов
в различных сечениях преобразователя нарушается соотношение
между длинами свободной и металлизированной поверхностей, и изза различия скоростей фазовый фронт деформируется. Еще одним
недостатком многоэлектродного аподизованного таким способом
ВШП является рост числа отражений при большом количестве электродов (а оно необходимо для более точного задания огибающей импульсного отклика). Для снижения числа нежелательных отражений применяются преобразователи с расщепленными электродами
или преобразователи с периодическим прореживанием электродов.
Поскольку эффективность возбуждения ПАВ преобразователем
зависит от длины и от ширины электродов, возможно взвешивание
импульсной характеристики путем изменения ширины электродов. Этот метод можно рассматривать как широтно-импульсную
модуляцию сигнала. Основной недостаток метода – чувствительность к технологическим дефектам и требование высокой разрешающей способности оборудования при изготовлении преобразователя. Обычно этот метод используется только для низкочастотных
устройств. Кроме того, диапазон изменения ширины электродов достаточно мал, и набор получаемых таким способом АЧХ ограничен.
Большое распространение в устройствах обработки сигналов
имеют взвешенные многоэлектродные ВШП с изменением пространственного периода электродов. Причем возможно изменение
простанственного периода как вдоль направления распространения
ПАВ, так и поперек. Преобразователи первого типа называются
неэквидистантными или дисперсионными. Важной особенностью
преобразователей второго типа, по сравнению с эквидистантными,
является отсутствие зависимости между шириной полосы пропускания и числом электродов. Неэквидистантные (или дисперсионные) преобразователи позволяют существенно расширить полосу
пропускания по сравнению с полосой эквидистантных ВШП.
65
Простейший неэквидистантный ВШП и его дисперсионная характеристика (зависимость группового времени задержки от частоты) изображены на рис. 3.14. Следует заметить, что импульсная характеристика неэквидистантного неаподизованного ВШП
представляет собой радиоимпульс с внутриимпульсной частотной
модуляцией, например, линейной частотной модуляцией (ЛЧМ).
Недостатками таких преобразователей служит значительная изрезанность частотных характеристик и отличие ФЧХ от линейной зависимости. Уменьшение этих эффектов возможно за счет введения
дополнительного взвешивания с помощью аподизации.
В неэквидистантном ВШП, изображенном на рис. 3.14, все электроды одинаковой длины, их середины расположены в одну горизонтальную линию. Все соседние электроды имеют имеют одинаковое перекрытие, и преобразователь излучает плоскую волну с практически равномерным распределением амплитуды вдоль апертуры.
Модификацией преобразователя, изображенного на рис. 3.14, служит наклонный неэквидистантный преобразователь (рис. 3.15, а).
б) f
а)
t
Рис. 3.14. Неэквидистантный ВШП (а)
и его дисперсионная характеристика (б)
а)
б)
Рис. 3.15. Преобразователи, обеспечивающие
частотно-пространственное разделение: а – наклонный
неэквидистантный ВШП и б – веерный ВШП
66
В нем при сохранении паралельности электродов и практически
равномерного распределения амплитуд вдоль парциальной апертуры удается за счет смещения электродов по вертикали осуществить
пространственное разнесение ПАВ различных частот. Так, ПАВ
более высоких частот излучаются в верхнем канале, а ПАВ более
низких – в нижнем канале. Хотя число получаемых при этом пространственно независимых каналов не велико (обычно 2–3), в многоэлектродных преобразователях это оправдано возможностью снизить переотражения между электродами.
Принципиально другая картина амлитудных распределений наблюдается в веерных ВШП, электроды которых расположены так,
что измененяется их пространственный период в направлении, перпендикулярном направлению распространения ПАВ (рис. 3.15, б).
В таких преобразователях амплитуда излучаемой или считываемой
ПАВ максимальна в том сечении, в котором пространственный период совпадает с длиной волны. Поэтому ширина акустического луча
такого ВШП значительно меньше размера апертуры. При изменении
частоты возбуждения луч смещается вдоль апертуры параллельно
самому себе. Веерные преобразователи, также как наклонные, обеспечивают частотно-пространственное разделение и могут сочетаться в устройствах только с преобразователями такого же типа. Угол
раскрыва веерных преобразователей обычно не превышает 3…5 градусов, а в апертуре укладывается 3…4 акустических луча. Веерные
ВШП позволяют получить значение относительной ширины полосы
пропускания до 100%. Достоинствами таких преобразователей является высокая прямоугольность АЧХ, а недостатком увеличение
нежелательных отражений при большом количестве электродов.
Все рассмотренные выше преобразователи, включая веерные,
имеют прямые электроды. Существуют конструкции преобразователей с криволинейными электродами. Это так называемые фокусирующие преобразователи, обеспечивающие необходимое пространственное положение акустического луча. Известны, например, веерные преобразователи с криволинейными электродами.
Еще один из способов взвешивания – емкостной способ. Он обеспечивает сравнительно плоский фронт излучаемой акустической
волны. Фактически, каждая пара металлических электродов ВШП
образует конденсатор. Идея взвешивания состоит в изменении амплитуд парциальных волн за счет изменения напряжения, подаваемого на отдельные электроды преобразователя. Изменение напряжения осуществляется разделением каждой пары электродов
на секции (две на рис. 3.16, б и три на рис. 3.16, в) с образованием
67
а)
б)
в)
Рис. 3.16. Электроды стандартого преобразователя (а)
и ступенчатые электроды секционированных (б, в) преобразователей
электродов ступенчатой формы. При этом напряжение между соседними электродами понижается пропорционально числу секций.
Иногда такой метод называют методом последовательной весовой
обработки [13].
Управление амплитудами парциальных ПАВ, генерируемых отдельными электродами, возможно с помощью емкостного делителя. Электроды при этом имеют стандартную форму, но заканчиваются специальными площадками, расположенными над поверхностью суммирующих шин и образующих нагрузочную емкость [17].
Однако такой способ взвешивания усложняет технологический
процесс изготовления преобразователя.
Фазовое кодирование в преобразователе выполняется посредством изменения фаз напряжений, подводимых к электродам
в преобразователе. В двухфазном ВШП легко выполнить фазовое
кодирование по закону бинарной последовательности, изменяя полярность подключения электродов к шинам. Этот способ кодирования пояснен на рис. 3.17.
1
0
1
1
0
1
1
0
1
Рис. 3.17. ВШП с фазовым кодированием
68
1
1
Рис. 3.18. ВШП с весовой обработкой путем
селективного удаления электродов
В многоэлектродных преобразователях используются методы
взвешивания путем селективного удаления электродов и группового взвешивания. Преобразователь с селективным удалением
электродов изображен на рис. 3.18. Идея метода состоит в различной плотности электродов на небольшом участке преобразователя
и, как следствие, различной интенсивности ПАВ, возбуждаемой
в этой части преобразователя. Такой способ взвешивания является достаточно приближенным, так как весовая функция меняется
скачкообразно. Его применение оправдано при медленно меняющейся весовой функции и достаточно большом количестве электродов. Для фильтров с относительной шириной полосы пропускания
более 20% такой метод не применим, поскольку необходимое число
электродов преобразователя становится недопустимо малым [13].
Достоинством метода служит простота реализации при изготовлении преобразователя и равномерность амплитуды ПАВ вдоль апертуры преобразователя.
Следует отметить, что метод селективного удаления электродов
нашел широкое практическое применение с развитием численных
методов анализа и расчета устройств. Современные компьютерно
ориентированные алгоритмы позволяют рассчитывать оптимальное
положение каждого электрода внутри многоэлектродного преобразователя по заданному критерию с учетом нескольких факторов.
При технологических способах взвешивания электроды преобразователей изготавливаются из различных материалов или имеют
различную толщину, что позволяет управлять процессом преобразования и отражения ПАВ внутри преобразователя. Однако процесс изготовления устройства усложняется.
В одном преобразователе, как правило, одновременно применяются не более двух методов взвешивания. Чаще сочетается аподизация электродов по длине, как наиболее простой метод, с каким-либо
другим методом. Так, например, электроды, аподизованные по дли69
не, используются в веерных, неэквидистантных преобразователях
или преобразователях с селективным удалением электродов.
3.3.4. Однонаправленные преобразователи
Значительную группу среди преобразователей занимают однонаправленные преобразователи, применение которых в устройствах позволяет уменьшить вносимые потери.
Как уже отмечалось, стандартные ВШП, электроды которых поочередно подключены к различным шинам, обладают симметрией
и излучают ПАВ одинаковой интенсивности влево и вправо от преобразователя. Такие преобразователи называются двунаправленными. Двунаправленность работы стандартого преобразователя
объясняется фазовой симметрией относительно геометрического
центра преобразователя, поэтому однонаправленность можно получить путем искусственного введения ассимметрии.
Однонаправленный преобразователь излучает и принимает ПАВ
преимущественно в одном направлении. К настоящему времени известно множество конструкций однонаправленных преобразователей [15, 17, 22, 29], которые можно условно разделить на две группы: многофазные и однофазные преобразователи.
Многофазный преобразователь состоит из двух или более (в общем случае n) секций (или отдельных преобразователей), смещенных в пространстве таким образом, что их фазовые центры акустически разнесены на 2p/n радиан. Электроды преобразователя запитываются многофазным напряжением (3-х фазным, если n = 3,
4-х фазным для n = 4 и т. д.). В результате достигается взаимная
компенсация ПАВ в одном из направлений. Однако, однонаправленность действия существует в ограниченной полосе частот, ширина которой обратно пропорциональна пространственному смещению секций преобразователя. При большом количестве электродов в каждой из секций возможно взаимное пространственное
перекрытие электродов разных секций, что требует электрической
изоляции и ограничивает возможные топологии преобразователей.
Одним из первых предложен так называемый квадратурный
ВШП, состоящий из двух одинаковых преобразователей, расположенных со смещением друг относительно друга (рис. 3.19). Такой
комбинированный преобразователь фактически состоит из двух,
каждый из которых в отдельности является двунаправленным. Оба
преобразователя расположены в одном акустическом канале и смещены друг относительно друга на расстояние λ(n + 1/4), где n –целое
70
λ0 (n + 1/4)
ПАВ
∆ϕ = 90°
Рис. 3.19. Однонаправленный преобразователь,
состоящий из двух ВШП
число. При этом ПАВ, излученные каждым из ВШП на основной
частоте возбуждения, складываются в одном направлении в фазе,
а в противоположном взаимно компенсируются. Необходимое сложение обеспечивается при сдвиге фаз электрического напряжения,
подводимого к парциальным преобразователям, на 90°. При этом
потери преобразования на один преобразователь составляют около
2 дБ [17, 29]. К недостаткам подобных однонаправленных преобразователей можно отнести усложнение технологии изготовления изза необходимости фазосдвигающих цепей и ограниченную полосу
пропускания.
Развитием данной конструкции стал 3-х фазный однонаправленный преобразователь [28]. В целом, 3-х фазный преобразователь принципиально не обладает фазовой симметрией. Расстояние
между электродами одинаковой фазы (пространственный период
преобразователя) в таком ВШП равно λ0/3, а электрические напряжения, подаваемые на соседние электроды, имеют фазовый сдвиг
друг относительно друга 120° (т.е имеют начальные фазы 0°, 120°,
240°). Недостатками 3-х фазных преобразователей является необходимость фазовращателей и электрической изоляции в местах
пересечения соединительных шин и электродов, и, как следствие,
усложнение технологии изготовления.
Существуют конструкции 4-х фазных преобразователей [30],
которые содержат 4 электрода шириной λ/8 на период и запитываются четырьмя напряжениями, либо двумя напряжениями, находящимися в квадратурах.
71
Таким образом, однонаправленный характер излучения и приема всех рассмотренных выше преобразователей достигается определенной комбинацией подключения электродов при двух или
многофазном подводимом напряжении. При таком подключении
за счет сложения парциальных ПАВ компенсируется действие преобразователя в одном из направлений.
Следующим преобразователем однонаправленного действия
служит двухфазный преобразователь так называемого группового типа (рис. 3.20). Он состоит из двух двунаправленных ВШП
с общим заземленным электродом зигзагообразной (меандровой)
формы. Каждый из преобразователей взвешивается путем селективного удаления нескольких последовательных электродов таким
образом, что оказывается состоящим из отдельных групп электродов по Ng пар. Группы электродов одного преобразователя размещаются в свободных от электродов промежутках второго преобразователя. Преобразователи запитываются напряжениями одинаковой амплитуды отличающимися по фазе на 90°. Центры групп
электродов, принадлежащих к разным преобразователям, последовательно подключаются к противоположным шинам и смещаются
друг относительно друга на расстояния (Ng + 1/4)λ и (Ng + 1–1/4)
λ. В преобразователях группового типа ширина полосы пропуска2
∆ϕ =90°
1
λ0/2 λ0 /4
λ0
3
Группа
электродов
Рис. 3.20. Двухфазный однонаправленный преобразователь
группового типа: 1 –активные электроды первого ВШП;
2 – активные электроды второго ВШП; 3 –общий меандровый электрод
72
ния может быть увеличена при использовании меньшего числа пар
электродов в группе, а вносимые потери уменьшены за счет увеличения числа групп. В такой конструкции не требуется электрическая изоляция электродов [15, 30].
Еще один способ получения однонаправленной работы – использование геометрически несимметричных электродных структур. В этом случае сама топология преобразователя обеспечивает
однонаправленность действия даже при однофазном подводимом
напряжении (одном напряжении противоположной полярности,
как в стандартном ВШП). Преобразователи получили название
однофазные однонаправленные. В таких преобразователях однонаправленность достигается за счет суммарного эффекта как излучения (преобразования) ПАВ, так и отражения, причем эффективные центры излучения и отражения ПАВ внутри преобразователя
пространственно разнесены.
На рис. 3.21 представлен фрагмент одного из вариантов однофазных однонаправленных преобразователей – преобразователя
с плавающими электродами. Особенностью данного типа преобраλ0
1
2
λ0
3
Рис. 3.21. Фрагмент однофазного однонаправленнного преобразователя
с плавающими электродами: 1 – активные электроды;
2 – плавающие электрически свободные электроды;
3 – плавающие электрически закороченные электроды
73
зователей служит наличие внутри секции отражателей двух видов:
электрически разомкнутых и электрически закороченных металлических электродов. На рис. 3.21 показана группа электродов
преобразователя, на периоде которого расположены 3 плавающих
электрода, один из которых свободен, а два других электрически
закорочены. В основе работы преобразователя также лежит идея
пространственного разнесения центров преобразования и отражения за счет существующих различий в механизмах отражений от
свободных и электрически закороченных электродов [15].
Известен и ряд других конструкций однонаправленных преобразователей, использующих отличные от рассмотренных выше
идеи достижения однонаправленной работы [15]. Например, преобразователь с так называемой внутренней однонаправленностью,
имеет стандартную геометрически симметричную топологию. Однонаправленность действия достигается за счет ассимметричных
свойств анизотропной подложки в выбранном направлении.
Однонаправленность работы обеспечивается и технологическими способами. Поскольку электроды различной толщины имеют
различный коэффициент отражения, то в преобразователях возможно пространственно разнести центры эффективного преобразования и отражения ПАВ.
3.4. Отражательные структуры
3.4.1. Отражение акустических волн.
Элементарные отражатели ПАВ
Рассматривая процесс отражения акустических волн следует
учитывать два основных положения. С одной стороны, акустические волны, как любые волны, подчиняются общим законам волнового движения. Так, например, известно, что на границе раздела двух сред в общем случае происходит отражение и преломление
волн. С другой стороны, существует специфика отражения каждого из типов волн в конкретных случаях. Так, например, отражение
поверхностных волн существенно отличается от отражения плоских объемных волн. Для объемной волны возможно полное отражение. Для поверхностной волны, представляющей собой суперпозицию продольной и поперечной волн с фазовым сдвигом друг относительно друга, возможно лишь частичное отражение. Кроме того,
неполное отражение ПАВ при скачкообразном изменении условий
74
распространения сопровождается частичным перераспределением
энергии ПАВ в энергию других типов волн, в частности, объемных.
Точный анализ процесса отражения ПАВ предполагает не только рассмотрение граничных условий на поверхности анизотропных
материалов, но и учет экспоненциального затухания амплитуды
ПАВ при удалении от поверхности.
Рассмотрение процесса отражения в устройствах на ПАВ и
ППАВ обычно разделяют на два этапа. На первом анализируется
отражение от элементарного отражателя в предположении слабого
отражения, а на втором – суммарный эффект отражения от системы отражателей.
Поскольку энергия поверхностных и псевдоповерхностных волн
сосредоточена в приповерхностном слое звукопровода, толщина
которого соизмерима с длиной волны, состояние поверхности влияет на характеристики распространяющихся акустических волн.
Как уже отмечалось, любая неоднородность поверхности вызывает
отражение и затухание волн. С одной стороны, отражение может
быть мешающим фактором. Так, например, возбуждаемая многоэлектродным преобразователем ПАВ претерпевает многократные
переотражения от электродов при распространении в пределах
преобразователя. Нежелательные отражения искажают расчетные
характеристики устройства. Эти отражения достаточно сложно
учесть при моделировании и проектировании устройств. Однако,
с другой стороны, отражения волн в отражательных структурах
организуется преднамеренно и используется для формирования
частотных и импульсных характеристик устройства.
В устройствах на ПАВ существует три типа элементарных отражателей (рис. 3.22): ступенька из материала основного звукопровода (рис. 3.22, а), ступенька, образованная материалом, отличным
от материала звукопровода (это может быть тонкий слой другого
нетокопроводящего материала) (рис. 3.22, б), и отражатель в виде
ступеньки из токопроводящего материала (металлической пленки)
(рис. 3.22, в).
В случае неметаллического слоя на поверхности отражение происходит вследствии эффекта «нагружением массой», в случае тонкой металлической пленки отражение вызвано закорачиванием
электрической составляющей поля, и часто называется отражением типа ΔV / V , ( ΔV = V0 - Vì – относительное изменение скорости
ПАВ на металлизированной поверхности). Причем величина коэффициента отражения не зависит от толщины проводящей пленки
(h) и постоянна даже при стремлении отношения h/λ к нулю.
75
а)
ПАВ
h
Подложка
б)
Тонкий слой
ПАВ
h
Подложка
в)
Металлическая пленка
ПАВ
h
Подложка
Рис. 3.22. Элементарные отражатели ПАВ: а – ступенька
из основного материала звукопровода; б – ступенька
из нетокопроводящего материала; в – проводящая пленка
на поверхности звукопровода
Для ступеньки, образованной материалом звукопровода или
другим нетокопроводящим материалом, коэффициент отражения
при небольшой величине ступеньки (h) линейно зависит от отношения h/λ. Этот факт позволяет просто регулировать коэффициента
отражения изменяя высоту ступеньки.
Наибольшее распространение в АЭУ получили протяженные
(размером много больше длины волны) отражатели в виде канавки,
образованной в поверхности, или в виде металлической полоски,
нанесенной на поверхность звукопровода (рис. 3.23). Отражатели
ориентированы перпендикулярно или наклонно по отношению
к падающей волне. Очевидно, что эти неоднородности можно рассматривать как совокупность двух элементарных отражателей –
ступенек с направлением «вниз» и «вверх», образованных либо
76
а)
б)
в)
ρ0 , K0
Y
ρ1, K1
Y
ρ0 , K0
Рис. 3.23. Элементы отражательных структур: а – канавка
в подложке; б – металлическая полоска на подложке
и в – их эквивалентная схема
удалением основного материала подложки, либо нанесением металлизированного слоя.
Для различных типов отражателей (канавок или металлических полосок) характеристики волновых процессов в окрестностях
элементарных неоднородностей схожи. Достаточно просто процесс
отражения ПАВ моделируется с помощью физико-математической
модели эквивалентных схем. Эквивалентная схема элементарного
отражателя, расположенного перпендикулярно направлению распространения волны, представлена на рис. 3.23, в. Каждая ступенька моделируется двумя отрезками электрических линий передачи и сосредоточенной проводимостью. Один отрезок электрической линии с характеристическим сопротивлением ρ0 и волновым
числом K0 соответствует пространству подложки до неоднородности, другой, с параметрами ρ1 и K1, соответствует пространству
подложки после неоднородности. Различные значения волновых
сопротивлений отображают рассогласование волновых полей, а
различные волновые числа соответствуют значениям скоростей
волн до и после отражения. Граница неоднородности моделируется
сосредоточенной комплексной проводимостью Y = Aý + jBý . Ее вещественная часть (Aэ) отображает потери энергии ПАВ вследствие
генерации объемных волн, а мнимая (Bэ) – реактивную энергию,
запасенную на неоднородности.
77
Для выполнения расчетов необходимы количественные значения параметров эквивалентной схемы, которые определены экспериментально для каждого из типов неоднородностей и различных
материалов подложки. Для неоднородности в виде ступеньки значения параметров существенно зависят от высоты ступеньки, т. е.
от соотношения h/λ. Для невысоких ступенек (h/λ<0,1) справедливы следующие соотношения
K1 / K0 = 1
ρ1 / ρ0 = 1 - C1h / λ .
(3.12)
Aý ρ0 = 0,011h / λ Bý ρ0 = 42(h / λ)2 . (3.13)
Используемый в формулах коэффициент С1 зависит от материала подложки (например, С1 = 0,54 для кварца, С1 = 0,66 для ниобата
лития). Если неоднородность представляет собой тонкий электрод,
то параметры эквивалентной схемы практически не зависят от толщины металлизированного слоя, который обычно много меньше
длины волны. Основное влияние на коэффициент отражения имеет
плотность металлических электродов и пьезоактивность подложки,
на которой расположены электроды. Для широко используемых
алюминиевых электродов справедливы следующие соотношения
K1 / K0 = 1 + ΔV / V
Aý ρ0 = 0
ρ1 / ρ0 = 1 - C2 ΔV / V .
(3.14)
Bý ρ0 = ΔV / V .
(3.15)
Коэффициент C2 зависит от протяженности (a) электрода в направлении распространения ПАВ. Если a/λ<2, то С2 = a/λ, если
a/λ>2, то С2 = 2.
Используя приведенные соотношения и известную из теории
электрических линий передачи формулу для коэффициента отражения можно получить, что коэффициент отражения отдельной
неоднородности приближенно равен для ступеньки
r1 = 0,5C1h / λ и для металлической полоски
r1 = 0,5ΔV / V .
(3.16)
(3.17)
Если металлическая ступенька имеет высоту, сравнимую с длиной волны, то отражательная способность определяется, в основном, нагрузкой массой, и зависит от толщины слоя.
Еще одним типом элементарных отражателей являются точечные отражатели. Используются металлические точечные отража
78
тели, имеющие форму прямоугольника, ромба или круга, размеры
которых сравнимы с длиной волны. Существуют точечные отражатели в виде отверстий в подложке или примесей других материалов, имплантируемых в основную подложку. При анализе структур с точечными отражателями необходимо оценивать зависимость
отражательной способности от формы и геометрических размеров
элементарных отражателей. В целом, точечные отражатели не получили широкого распространения в АЭУ.
Отражательная способность одиночных отражателей очень
мала, однако многоэлементные структуры способны вызывать значительные отражения за счет сложения волн и успешно применяются в устройствах.
3.4.2. Многоэлементные отражательные структуры
Контролируемое отражение в устройствах на ПАВ и ППАВ удается получить используя системы из большого числа элементарных
пространственно распределенных отражателей. Эти системы называются отражательными структурами (ОС) или отражательными
решетками (ОР). Также как расстояния между электродами преобразователей, расстояния между элементарными отражателями
в ОС связаны с длиной волны на рабочих частотах.
ОС различаются типом элементарных отражателей, способом их
изготовления, ориентацией к направлению падения ПАВ, пространственным расположением элементарных отражателей в системе. На
рис. 3.24 представлена классификация ОС по этим признакам.
В устройствах на ПАВ чаще используются ОС в виде канавок или
тонких металлических полосок. ОС в виде металлических полосок
предпочтительнее с технологической точки зрения, поскольку наносятся на подложку в едином технологическом цикле с электродами преобразователей. Процесс изготовления канавок несколько
сложнее, однако преимуществом таких структур, как уже упоминалось, служит возможность регулировки коэффициента отражения в пределах ОС путем изменения глубины канавок. Много элементные ОС из точечных отражателей применяются, например,
в дисперсионных линиях задержки [31].
Наибольшее рапространение в устройствах имеют три вида ОС:
система короткозамкнутых электродов с прямым падением акустических волн, (рис. 3.25, а), система отражателей с прямым (рис. 3.25, б)
и наклонным (рис. 3.25, в) падением акустических волн. Причем в ОС,
изображенных на рис. 3.25, б и в, в качестве элементарных отражате79
Отражательные структуры
Размеры
элементарных
отражателей
Протяженные
Точечные
Из материала основной
подложки
Материал
отражателей
Из нетокопроводящего
материала
Из токопроводящего
материала
Напыленные
Способ
изготовления
Вытравленные
Ионноимплантированные
Ориентация
к направлению
падения ПАВ
С нормальным падением
С наклонным падением
Рис. 3.24. Классификация ОС
а)
б)
ПАВ
ПАВ
в)
ПАВ
Рис. 3.25. ОС а, б – с прямым
и в – наклонным падением акустических волн
80
лей применяются как полоски (металлические или неметаллические),
так и канавки. В ОС с прямым падением обеспечивается отражение
волны на 180°, а в ОС с наклонным падением отражатели, как правило, ориентируются так, чтобы обеспечить отражение ПАВ на 90°.
Для анализа многоэлементной ОС с отражением на 180° можно построить общую эквивалентную схему, последовательно соединив эквивалентные схемы элементарных неоднородностей
(рис. 3.23, в). На основе известных из теории электрических длинных линий формул рассчитывается комплексный коэффициент
отражения такой системы неоднородностей. Несложно показать,
что модуль коэффициента отражения системы любого количества
периодически расположенных отражателей достигает максимума
если их пространственный период совпадает с половиной длины
волны. Поскольку длина волны однозначно связана с частотой, то
коэффициент отражения является частотно зависимой функцией.
Это объясняется эффектом синфазного сложения волн от многих
отражателей. В частности, можно показать [32], что система большого количества мелких канавок позволяет получить больший
коэффициент отражения, чем система меньшего количества более
глубоких канавок. На частотах, отличающихся от частоты пространственного синхронизма, коэффициент отражения всей системы пренебрежимо мал.
В целом, применение в устройствах ОС позволяет решать следующие задачи:
• осуществлять накопление энергии акустических волн;
• формировать необходимые частотные или импульсные характеристики;
• изменять направление распространения волн и осуществлять
пространственную и частотную селекцию;
• улучшать технические характеристики устройств.
Подобно весовой обработке в преобразователях, используется
взвешивание ОС. Частотные характеристики устройств формируются не только с помощью аподизованных преобразователей, но и
с помощью аподизованных ОС. Чаще применяется изменение длины элементарных отражателей или весовая обработка изменением
пространственного шага элементарных отражателей в пределах ОС.
3.4.3. Весовая обработка в ОС
По сравнению с весовой обработкой ВШП, в отражательных
структурах различных способов введения весовой обработки мень81
ше. Это объясняется тем, что в отличие от преобразователя, ОС является элементом акустического тракта, и для них отсутствуют методы взвешивания, связанные с изменением величины и фазы подводимого электрического напряжения. Кроме того, определенная
конфигурация ОС диктуется топологией применяемых совместно
с ними преобразователей ПАВ. Так, например, в устройствах с преобразователями, формирующими плоский фронт излучаемой ПАВ,
могут применяться различные ОС. Тогда, как преобразователи
с частно-пространственным разделением (например, веерные) формируют неравномерный фронт волны вдоль апертуры и предполагают использование ОС соответствующего типа, также с частотнопространственным разделением.
Все способы взвешивания ОС разделяются на две группы (рис. 3.26):
первая группа связана с изменением отражательной способности элементарного отражателя в ОС, а вторая с изменением пространственного положения отражателя в пределах системы отражателей. «Степенями свободы» служат: геометрические размеры элементарного отражателя (длина и ширина полоски или канавки, толщина полоски и
глубина канавки); его материал, расположение отражателя.
Изменение отражательной способности канавки достигается изменением ее глубины, а металлической полоски изменением ширины полоски. В ОС с толстыми металлическими полосками (h/λ<0,1)
применяется и увеличение толщины металлического слоя. В этом
случае увеличение отражательной способности объясняется добавВесовая обработка ОС
Изменением отражательной
способности элементарного
отражателя
Изменением формы и
геометрических размеров
Изменением структуры
или материала
отражателя
Изменением
пространственного
расположения отражателей
в группе
Изменением
пространственного шага
Селективным удалением
отражателей
Рис. 3.26. Методы весовой обработки ОС
82
лением к эффекту отражения за счет изменения скоростей (эффекту ΔV / V ) и эффекта «нагружением массой». В ОС с точечными отражателями коэффициент отражения зависит не только от геометрических размеров, но и от формы отражателей. Кроме этого, при
одинаковых размерах возможно регулировать отражательную способность за счет применения других материалов (например, другого
металла или комбинаций нескольких металлов).
Подобно неравномерному расположению электродов в преобразователях применяют неравномерное расположение отражателей
в ОС. С помощью таких неэквидистантных ОС осуществляется частотно-пространственное разделение составляющих и формируется
частотная характеристика устройства. С точки зрения частотно-пространственного разделения возможностей в ОС даже больше, чем
в преобразователях, т. к. это не связано с «запиткой» электродов.
3.5. Ответвители ПАВ
3.5.1. Конструкция и принцип работы МПО
МПО представляет собой систему электрически не связанных
между собой параллельных токопроводящих полосок (электродов),
расположенных на поверхности пьезоэлектрической подложки.
Расстояния между соседними электродами выбирается меньшим
длины волны (d0 = 0,1…0,25l), поэтому отражение ПАВ от МПО
пренебрежимо мало. Основное назначение МПО это пространственное перераспределение мощности падающей ПАВ в определенных
пропорциях. Принцип действия основан на прямом и обратном
пьезоэлектрическом эффекте.
Рассмотрим ответвитель, изображенный на рис. 3.27. Пусть на
МПО слева падает пучок ПАВ шириной, меньше чем длина электродов. Будем считать падающую ПАВ плоской (даже при возможной аподизации входного ВШП некоторое отличие падающей ПАВ
от плоской не оказывает существенного влияния на конечный результат). Вследствие прямого пьезоэффекта на каждом электроде
индуцируются переменные электрические заряды. Они равномерно растекаются по всей длине металлических электродов со скоростью электромагнитной волны, которая гораздо больше скорости
акустических волн, и фронт излучаемой ПАВ остается плоским.
Вследствие обратного пьезоэффекта каждый электрод излучает
вторичные акустические волны, распространяющиеся вправо и
83
d0
ПАВ
ПАВ
Канал 1
ПАВ
Канал 2
L0
Рис. 3.27. Многополосковый ответвитель
влево. В многоэлементной структуре волны от элементарных излучателей складываются. В целом МПО излучает вторичную волну,
ширина пучка которой равна длине электродов.
·
Если A1 комплексная амплитуда падающей на МПО акустической волны, то прошедшая через МПО ПАВ в первом и втором
·
·
каналах имеют комплексные амплитуды B1 и B2 соответствен·
но. Причем ПАВ в первом канале с комплексной амплитудой B1
образована суперпозицией прошедшей через ответвитель без отражения падающей (первичной) ПАВ и вторичной ПАВ, а ПАВ во
·
втором канале с комплексной амплитудой B2 представляет собой
только вторичную ПАВ. Для комплексных амплитуд справедливы
соотношения [33]
·
·
·
æ pL ΔV ö ·
æ pL ΔV ö
B1 » A1 cosççç 0 ÷÷÷, B2 » -j A1 sin ççç 0 ÷÷÷,
è 2λV ø
è 2λV ø
(3.18)
где L0 – протяженность МПО в направлении распространения ПАВ;
λ – длина ПАВ; ΔV/V – относительное изменение скорости ПАВ на
свободной и металлизированной поверхности.
При полной передаче энергии падающей ПАВ из верхнего кана·
·
·
ла 1 в нижний канал 2 B1 = 0, B2 = -j A1, а протяженность МПО
составляет L0 = λV/ΔV.
Поясним процесс полной «перекачки» ПАВ из верхнего канала
в нижний. Рассмотрение основано на том предположении, что аку84
Падающая ПАВ
Преобразованная ПАВ
LM
симметричная
антисимметричная
Рис. 3.28. МПО: к пояснению полной передачи падающей ПАВ
стическая волна, падающая на МПО в верхнем канале, вызывает две
парциальные акустические моды: симметричную и антисимметричную (рис. 3.28). По аналогии с механическими колебаниями полоски, симметричная мода соответствует случаю, когда каждый конец
полоски зажат и полоска колеблется симметрично. Антисимметричная мода соответствует ситуации, когда центр полоски закреплен,
а два ее конца свободно колеблются в противоположных направлениях. Поскольку ширина полосок много меньше их длины, можно
считать, что движение электронов происходит только вдоль полосок.
Поэтому система электродов имеет нулевую проводимость в направлении распространения волны и бесконечную проводимость в перпендикулярном направлении. При прохождении через МПО симметричная мода не вызывает перераспределения заряда в электродах.
При прохождении антисимметричной моды из-за фазовых сдвигов
происходит перераспределение зарядов на электродах. При определенной длине МПО фазовые распределения в антисимметричной
моде меняются на противоположные. Таким образом, в результате
сложения прошедших через МПО парциальных мод образуется результирующая волна только в нижнем канале.
При падении ПАВ на МПО начальные фазы элементарных вторичных волн таковы, что суммарная волна излучается только впра85
во от МПО (т. е. в том же направлении, что и падающая на МПО первичная волна). Поэтому МПО можно считать однонаправленным
излучателем вторичных волн. Причем справа от МПО существует
суперпозиция двух волновых пучков: пучка падающей первичной
волны шириной меньше, чем длина полосок, и пучка вторичной
волны шириной, равной длине полосок. Можно считать, что произошло пространственное разделение каналов.
На практике наибольший интерес представляют МПО, обеспечивающие полную или половинную передачу энергии из одного канала в другой. Полная передача энергии из канала в канал уменьшает влияние дифракционных эффектов на характеристики ПАВ
устройств, что важно при использовании аподизованных по длине
электродов преобразователей ПАВ. Дело в том, что переизлучение
волны в другой канал связано с усреднением зарядов и обеспечивает равномерное распределение амплитуды волны в поперечном
сечении акустического пучка. В таком случае возможно применять совместно с аподизованным излучающим преобразователем
считывающий преобразователь аналогичного типа. Одновременное
применение МПО и разнесение входного и выходного преобразователей по разным пространственным каналам исключает влияние
паразитных объемных волн на выходной преобразователь.
3.5.2. Конструкции ответвителей и их применение
в устройствах на ПАВ
В АЭУ ответвители ПАВ используются для следующих основных целей:
• изменение (в частности, смещение) направления распространения ПАВ;
• перераспределение энергии акустических волн по различным
пространственным каналам;
• изменение ширины (сужение или расширение) пучка ПАВ;
• фокусировка пучка ПАВ;
• однонаправленное излучение ПАВ;
• акустическая связь различных пространственных каналов или
подложек.
Возможностей для применения весовой обработки в МПО немного. Как уже отмечалось, пространственный шаг электродов
в направлении падения ПАВ выбирается из условия минимального
отражения (d0 = 0,1…0,25l), а длина электродов должна быть много
больше длины волны. Поэтому возможно лишь незначительное из86
менение пространственного шага электродов в пределах их длины.
Существующее топологическое разнообразие МПО обеспечено возможностью изменения конфигурации металлических полосок при
сохранении их параллельности в системе. На рис. 3.29, а–д изображены некоторые из возможных МПО. Изображенный на рис. 3.27
линейный МПО, является широкополосным. На рис. 3.29, а изображен МПО с различным пространственным шагом электродов
в каналах, позволяющая сузить полосу пропускания. Подобные
ответвители потенциально пригодны для полосовых фильтров [23].
Ответвители, приведенные на рис. 3.29, б и д, имеют смещение
нижнего канала относительно верхнего. Если МПО имеет смещение электродов на половине их длины на рассстояние λ/4 влево
(рис. 3.29, б), то при падении волны в двух каналах обеспечивается ее переизлучение вправо от МПО только в нижнем канале. МПО
с электродами J-образной формы (рис. 3.29, д) переизлучает ПАВ
из канала в канал с их пространственным разнесением, причем направление переизлученной волны противоположно направлению
падающей. Такой ответвитель используется как элемент акустической связи различных каналов. В ответвителе, изображенном на
рис. 3.29, в, оба канала пространственно совмещены, а в ответвителе
на рис. 3.28, г, расположены во взаимно перпендикулярных направлениях. Фокусировку пучка ПАВ может осуществлять МПО, один
из каналов которого имеет электроды закругленной формы [17].
а)
б)
в)
д)
г)
Рис. 3.29. МПО с различной конфигурацией электродов:
а – узкополосный; б – со смещением нижнего канала
относительно верхнего; в – U-образной формы;
г – Г-образной формы; д – J-образной формы
87
Кроме одиночных ответвителей в АЭУ используются комбинации МПО различных конфигураций, например, линейного МПО и
двух МПО U-образной формы. Применение совместно с преобразователями нескольких МПО позволяет, в частности, организовать
сложную траекторию распространения ПАВ, длина которой в разы
превышает линейные размеры подложки, и существенно увеличить время задержки сигнала. Однако следует заметить, что в МПО
с электродами сложной (изогнутой) конфигурации нерабочие изогнутые участки, предназначенные только для электрической связи
рабочих участков, также излучают ПАВ, что приводит к частичной потере мощности. Поэтому в МПО длина рабочей части должна
быть значительно больше длины изогнутой (нерабочей) части.
Комбинация МПО U-образной формы и двунаправленного ВШП
обеспечивает однонаправленное излучение ПАВ (рис. 3.30). ВШП
размещается внутри МПО со смещением на четверть длины волны
относительно оси симметрии МПО. При этом достигается однонаправленное излучение ПАВ в сторону, совпадающую с направлением смещения. Заметим, что такая конструкция «ВШП плюс МПО»
с технологической точки зрения предпочтительнее, чем рассмотренная ранее конструкция из двух ВШП с внешней фазосдвигающей цепью (рис. 3.19). В варианте топологии, изображенной на
рис. 3.30, при определенном расположении ВШП может быть реализован так называемый «безотражательный» преобразователь
ПАВ [17].
λ/4
λ/4
Рис. 3.30. Однонаправленный
преобразователь на базе МПО
88
Рис. 3.31. Встречно-штыревой
ответвитель
Комбинации двунаправленных ВШП и МПО используются для
построения фильтров с малыми потерями. На базе МПО строятся
линии задержки, фильтры, в том числе и адаптивные, с возможностью управления различными частотными составляющими, демультиплексоры, различные устройства пространственной обработки сигналов.
Наиболее подходящие подложки для МПО – сильные пьезоэлектрики с большим значением коэффициента электромеханической
связи, например, ниобат или танталат лития. Для пьезоэлектрических материалов с высоким коэффициентом связи число металлических полосок составляет порядка ста, в то время как для кварца (слабого пьезоэлектрика) оно увеличивается до нескольких тысяч. При
большом количестве электродов существенно возрастает влияние переотражений ПАВ внутри МПО и эффективность его работы падает.
Кроме МПО в АЭУ применяются встречно-штыревые ответвители (ВШО). ВШО представляет собой две «вложенные» друг в друга решетки электродов (топология аналогична топологии ВШП),
между которыми электрически параллельно включается переменное сопротивление (рис. 3.31).
3.6. Акустические волноводы
В АЭУ на ПАВ при работе в дальней зоне от преобразователей (на
расстоянии l≥H2/λ, где Н – апертура преобразователя) возрастает
влияние дифракционных эффектов, которые приводят к энергетическим потерям и искажению характеристик устройств. Уменьшить энергетическую расходимость и локализовать энергию ПАВ
в узком луче позволяют специальные элементы акустического
тракта – акустические волноводы.
Акустический волновод представляет собой пространственно
протяженную структуру, ориентированную вдоль направления
распространения волны. Ширина волновода обычно соизмерима
с длиной волны. Выделяют три типа волноводов [17]: топографические, плоские слоистые волноводы и волноводы с локальным изменением свойств.
Волноводы первого типа образованы единичной неоднородностью в плоской поверхности подложки, прямоугольной или треугольной формы в поперечном сечении (рис. 3.32, а, б).
Плоский слоистый волновод образуется при нанесении на подложку слоя материала со свойствами, отличными от свойств под89
а)
б)
в)
г)
Рис. 3.32. Акустические волноводы: а, б – топографические;
в, г – плоские слоистые
ложки (рис. 3.32, в, г). Такой волновод имеющий в поперечном
сечении прямоугольную форму, представляет собой полоску материала (рис. 3.32, в) или щель (рис. 3.32, г), образованную между
слоями нанесенного материала. Причем для локализации энергии
волны в области щели материал наносимого на подложку слоя выбирается таким, чтобы фазовая скорость акустической волны в слоистой подложке была выше, чем фазовая скорость на свободной поверхности подложки. Разновидностью полоскового волновода может служить металлическая полоска, нанесенная на поверхность
подложки и ориентированная вдоль направления распространения
волны. Волноводы полоскового типа наиболее технологичны.
Для создания волноводов третьего типа в плоской поверхности
подложки каким-либо способом (например, с помощью ионной
имплантации) по заданной траектории осуществляется изменение
свойств материала подложки. Изменение свойств подложки приводит к изменению скорости волны и обеспечивает возможность ее
локализации.
Следует отметить, что волноводы не получили широкого распространения в устройствах на ПАВ. Развитие топологических и конструктивных решений идет по пути использования специальных
конструкций преобразователей с фокусирующими свойствами и применения пьезоэлектрических подложек, обладающих коллимирующими свойствами и минимизирующих дифракционные эффекты.
Контрольные вопросы к разделу 3
1. Перечислите функциональные элементы АЭУ на ПАВ. Как
конструктивно они выполняются?
90
2. Какую структуру могут иметь подложки АЭУ?
3. Что такое топология устройства на ПАВ?
4. Для каких целей в устройствах используются пленочные покрытия?
5. Какие типы пленок применяются?
6. Почему устройство на ПАВ необходимо помещать в корпус?
7. Какие базовые конструкции преобразователей ПАВ Вы знаете?
8. Чем могут различаться преобразователи ПАВ?
9. Что такое весовая обработка и для каких целей она вводится?
10. Какие способы весовой обработки преобразователей ПАВ Вы
знаете?
11. Поясните принцип работы однонаправленного ВШП.
12. Какие конструкции однонаправленных ВШП Вы знаете?
13. Назовите функциональное назначение и опишите конструктивное исполнение отражателей ПАВ.
14. Что представляют собой ОС? Какие типы структур Вы знаете?
15. Для каких целей в устройствах на ПАВ применяются ОС?
16. Какие способы весовой обработки возможны в ОС?
17. Каковы особенности веерного преобразователя ПАВ?
18. Каково назначение и конструкция многополоскового ответвителя?
19. В чем различие МПО и ОС?
20. Какие типы МПО Вы знаете?
21. Что такое акустический волновод? Какие бывают волноводы?
91
4. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ УСТРОЙСТВ НА ПАВ. ВАРИАНТЫ
ТОПОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
4.1. Структурные схемы устройств на ПАВ
С помощью элементов электроакустического и акустического тракта, рассмотренных в предыдущих главах, строятся структурные схемы устройств. Для устройств с одинаковой структурой
возможно несколько топологических решений. Структура и топология устройства зависят от многих факторов: требуемых частотных и временных характеристик, функционального назначения
устройства, используемого типа акустических волн и т. д.
Среди АЭУ на ПАВ наибольшее распространение получили
фильтры различного типа, линии задержки и резонаторы. Ниже
будут рассмотрены варианты построения этих устройств.
При описании существующего разнообразия устройств можно
отталкиваться от разных факторов, например, от числа применяемых в устройстве преобразователей, наличия ОС и МПО. В основу
приведенного ниже описания структурных схем положено число
используемых акустических каналов (трактов). Под акустическим
каналом будем понимать число пространственно разнесенных акустических потоков (или направлений), в которых распространяются ПАВ при следовании от входного к выходному преобразователю.
Рассмотим одно-, двух- и многоканальные устройства.
Одноканальное устройство с так называемой структурой «в линию» в простейшем случае состоит из двух преобразователей
ПАВ – входного и выходного (рис. 4.1, а – в). ПАВ распространяются в одном направлении слева направо от входного до выходного
преобразователя. На рис. 4.1 обозначены: НП – невзвешенный преобразователь; ВП – взвешенный преобразователь. В такой структуре частотная характеристика формируетс либо только одним,
входным или выходным, или сразу двумя преобразователями. При
формировании частотной характеристики одним преобразователем
в нем используется весовая обработка, и он имеет большое число
электродов, а второй, как правило, имеет небольшое количество
электродов и является широкополосным. Иногда целесообразно
применять взвешивание в двух преобразователях, и оба участвуют
в формировании частотной характеристики. Следует заметить, что
при одноканальной структуре не любые способы весовой обработки
используются одновременно в излучающем и считывающем преобразователях. Так, например, взвешивание путем изменения длины
92
а)
Вх
НП
НП
Вых
б)
Вх
ВП
НП
(НП)
(ВП)
ВП
ВП
Вых
в)
Вх
Вых
ПАВ
Рис. 4.1. Структурные схемы одноканальных устройств
с двумя преобразователями: а – преобразователи без весовой обработки;
б – один из преобразователей взвешен; в – оба преобразователя имеют
весовую обработку
электродов применяется только в одном преобразователе (входном
или выходном), а второй при этом имеет электроды одинаковой
длины. Это объясняется тем, распределение интенсивности ПАВ,
излученной таким аподизованным преобразователем, отличается
от равномерного, и аналогичная аподизация выходного преобразователя не приведет к нужному взвешиванию. Весовая обработка изменением пространственного шага не приводит к неравномерному
распределению интенсивности ПАВ в пределах апертуры и может
применяться в двух преобразователях одновременно.
На рис. 4.2 приведены структуры устройств, содержащих три
преобразователя: входной, расположенный в центре, и два выходных, расположенных слева и справа от входного. При этом входные
(рис. 4.2, а) или выходные (рис. 4.2, б) преобразователи соединены
параллельно. Хотя ПАВ распространяются вдоль подложки и влево и вправо, но расположение всех трех преобразователей таково,
что также, как и в предыдущем варианте, пространственно они размещены «в одну линию». Такую структуру также условно можно
рассмативать как одноканальную. Схемы с тремя преобразователями применяются для фильтров с симметричными импульсными ха93
Вх
а)
НП1
ВП
ПАВ
Вых
НП2
ПАВ
Вх
ПАВ
ПАВ
б)
НП1
НП2
ВП
∑
Вых
Рис. 4.2. Структурная схема устройства с тремя преобразователями:
а – входные преобразователи соединены параллельно;
б – выходные преобразователи соединены параллельно
рактеристиками, в них уменьшаются вносимые потери и при определенном расположении преобразователей практически полностью
подавляются сигналы тройного прохождения [28].
На рис. 4.3 приведена структура «в линию» одноканального
устройства с одним входным преобразователем и несколькими расположенных друг за другом выходными. Таким образом строятся
разветвители сигналов и многоотводные линии задержки. Однако,
при таком расположении велико взаимное влияние преобразователей друг на друга. Для увеличения развязки между каналами
ПАВ
НП
НП 1
НП 2
Вх
Вых
Вых
НП N
……
Вых
Рис. 4.3. Структурная схема устройства с одним входным
и несколькими выходными преобразователями
94
ОС
НП
ПАВ
ОС
ПАВ
Рис. 4.4. Структура «в линию»
с одним преобразователем и двумя ОС
предпочтительнее использовать многоканальные устройства и располагать выходные преобразователи в не в одном, а в различных
пространственных акустических каналах.
В устройствах со структурой «в линию» кроме преобразователей применяются ОС с прямым падением ПАВ (отражением ПАВ
на 180°). На рис. 4.4 приведен простейший вариант структуры
с одним преобразователем (в центре) и двумя ОС, размещенными
справа и слева симметрично относительно преобразователя. Такие
структуры используются в резонаторах на ПАВ, представляющих
собой двухполюсник.
Между двумя ОС могут располагаться два преобразователя:
входной и выходной. По такой схеме строятся резонаторные фильтры. Резонаторный фильтр имеет структуру с двумя преобразователями и несколькими ОС, образующими одну или несколько резонаторных полостей. При этом связь между резонаторными полостями
может осуществляться акустическим или электроакустическим
способом (с помощью ВШП).
В простейшем варианте с одной резонаторной полостью два
преобразователя могут размещаться в центре, а ОС симметрично
по краям (рис 4.5, а), или наоборот (рис. 4.5, б). В варианте, изображенном на рис. 4.5, б связь между резонаторными полостями и
ВШП осуществляется с помощью линии задержки с нулевой длиной, а в варианте, изображенном на рис. 4.5, в – прямая акустическая связь с помощью ОС.
Простые резонаторные фильтры с одной резонансной полостью
(вариант а и б на рис. 4.5) имеют недостатки: низкое затухание в полосе заграждения и невозможность настраивать частотные характеристики в полосе пропускания фильтра [11]. Улучшить характеристики фильтров позволяют более сложные структуры с большим
95
а)
НП
ОС
НП
ОС
б)
НП
ОС
ОС
НП
ОС
НП
в)
ОС
НП
ОС
г)
ОС
НП
ОС
ОС
ОС
НП
ОС
Рис. 4.5. Варианты структуры «в линию» а, б, в – с одной
и г – четырьмя резонаторными полостями
числом резонансных полостей. Варьируя длину полости, длину отражателей и управляя степенью связи полостей можно получить
необходимые частотные характеристики в полосе пропускания, а
каскадное соединение полостей обеспечивает повышение затухания в полосе заграждения [11]. Например, в структуре фильтра,
изображенной на рис. 4.5, г, всего 4 резонаторных полости, а ВШП
расположены в крайних полостях. При этом достигается повышенное затухание вблизи полосы пропускания.
Особым вариантом построения структуры «в линию» (рис. 4.1, в)
служит схема с двумя взвешенными преобразователями, обеспечивающими частотно-пространственное разделение. Это могут быть,
например, веерные ВШП или наклонные неэквидистантные ВШП.
Строго говоря, в таких устройствах ПАВ различных частот распространяются не в одном, а в нескольких пространственно разнесенных акустических каналах (обычно не более чем в 3–4). Однако
весь акустический поток, формируемый входным преобразователем в целом, перекрывается выходным преобразователем, поэтому
такое устройство также условно можно отнести к одноканальному
со структурой построения «в линию».
96
В одноканальных устройствах кроме ВШП и ОС могут использоваться ВШО и МПО изогнутой конфигурации (например,
U-образной формы) оба канала которых совмещены в одном акустическом тракте.
Разнообразны и структурные схемы двухканальных устройств.
Чаще такие схемы организованы двумя способами: с параллельными или взаимно перпендикулярными каналами. В двухканальных
устройствах, часто помимо преобразователей, используют и элементы акустического тракта: ОС и МПО.
На рис. 4.6, а изображена структурная схема двухканального
устройства с параллельными каналами, состоящего из двух преобразователей и МПО. Такая структура, в частности, применяется
при необходимости использовать взвешивание изменением длины
электродов в двух преобразователях – входном и выходном. На
МПО в верхнем канале падает ПАВ, излученная входным аподизованным ВШП. При этом падающая ПАВ имеет неравномерное
распределение интенсивности вдоль поперечного сечения верхнего
канала из-за различной длины электродов ВШП. МПО полностью
«перекачивает» ПАВ из верхнего канала в нижний одновременно
а)
Вх
б)
НП
(ВП)
Вх
ПАВ М
П
О
ОС
НП
ПАВ
НП
(ВП)
НП
Вых
в)
Вх
Вых
г)
НП
(ВП)
Вх
ОС
ПАВ
ОС
НП
(ВП)
Вых
НП
(ВП)
НП
(ВП)
ОС
ПАВ
ОС
Вых
Рис. 4.6. Варианты двухканальных структур: а – с преобразователями
и МПО; б, в, г – с преобразователями и ОС
97
осуществляя выравнивание интенсивности ПАВ вдоль поперечного сечения нижнего канала. Поэтому и в выходном ВШП можно
применить аналогичную аподизацию.
В двухканальных устройствах могут использоваться ОС разных
типов: с прямым и наклонным падением ПАВ (обеспечивающих отражение ПАВ под произвольным углом, чаще 90°). Причем в одном
устройстве одновременно могут применяться ОС различных типов.
На рис. 4.6, б, в и г приведены варианты структурных схем с преобразователями и ОС. Во всех схемах используются ОС с наклонным
падением ПАВ. В устройстве, структура которого изображена на
рис. 4.6 в, ПАВ распространяется по подложке в двух направлениях,
а ее траектория напоминает две последовательно соединенные буквы Г. Очевидным недостатком такой структуры служит нерациональное использование пространства подложки. Наибольшее распространение получили структуры с Г-образной (рис. 4.6, б) и U-образной
(рис. 4.6, г) траекториями распространения ПАВ. В устройствах, построенных в соответствии с такими структурными схемами, могут
использоваться взвешенные преобразователи и взвешенные ОС.
В двухканальных устройствах применяются МПО с различной
конфигурацией электродов. Так, на рис. 4.7 изображена структура
двухканального устройства с двумя преобразователями и четырьмя
МПО. Фильтр с такой структурой имеет небольшие энергетические
потери [17]. Все ответвители в нем имеют Г-образную (уголковую)
форму и обеспечивают передачу ПАВ, излученных входным двунаправленным преобразователем, из верхнего канала в нижний.
Вх
М
М
НП
П
О
П
ПАВ
М
О
М
П
НП
О
П
О
Вых
Рис. 4.7. Структурная схема двухканального устройства
с двумя преобразователями и четырьмя МПО
98
В представленном фильтре в четыре МПО можно заменить четырьмя ОС с отражением ПАВ на 90°.
В многоканальных устройствах акустические каналы могут
быть параллельны или располагаться в произвольных ориентациях. Простейший вариант многоканальной структуры, приведеный
на рис. 4.8, представляет собой объединение нескольких одинаковых одноканальных структур с одним входным и одним выходным
преобразователями. По такой схеме строятся, например, многоканальные фильтры (банки фильтров), чувствительные элементы
датчиков. На рис. 4.9 изображены структурные схемы двух много-
Вх
НП
НП
Вых
НП
Вых
ПАВ
Вх
НП
ПАВ
Вх
…
…
НП
НП
Вых
ПАВ
Рис. 4.8. Структурная схема многоканального устройства
с параллельными каналами.
а)
Вх
б)
НП1
НП2
НПN
Вых
ПАВ
НП
(ВП)
НП1
Вх
∑
Вых
НП2
НП
ПАВ
НПN
Рис. 4.9. Структурная схема многонакального устройства:
а – с акустическим разделением каналов;
б – с акустическим суммированием каналов
99
канальных устройств с параллельно расположенными каналами,
осуществляющих акустическое суммирование (рис. 4.9, а) и акустическое разделение сигналов (рис. 4.9, б). При этом в первом случае выходной, а во втором случае входной преобразователь имеют
электроды такой длины, чтобы «освещать» все преобразователи,
размещенные в параллельных каналах. По такой схеме строятся
многочастотные сумматоры (мультиплексоры) и многочастотные
разветвители сигналов (демультиплексоры) [17]. Если многоканальные устройства содержат несколько резонаторных полостей,
то связь между ними возможна с помощью МПО [11].
В особых случаях в многоканальных устройствах может использоваться и радиальное расположение каналов. На рис. 4.10 изображена структура 8-ми канального устройства, каналы которого
расположены радиально и не перекрываются. При таком расположении входных и выходных преобразователей при обработке сигналов учитываются различия сигналов разных каналов, вызванные неодинаковыми условиями распространения волн в разных
каналах, например, из-за анизотропных свойств подложки. ПриВых
НП
НП
П
В
Н
А
П
НП
НП
П
Н
ПАВ
НП
НП
Вх
НП
НП
Вых
Вых
НП
НП
НП
ПА
В
НП
НП
НП
Вых
Рис. 4.10. Структура многоканального устройства
с радиальным расположением каналов
100
Вых
НП2
ПАВ
НП1
НП1
Вых
Вх
НП2
Вх
Рис. 4.11. Структурная схема двухканального устройства
с взаимно перпендикулярными акустическими каналами
чем в разных каналах могут распространяться различные типы
акустических волн. На рис. 4.11 приведен более простой вариант
решения – схема двухканального устройства с взаимно перпендикулярным расположением перекрывающихся каналов. Недостатками многоканальных устройств с взаимно-перпендикулярным
и радиальным расположением акустических каналов являются
большие размеры необходимых подложек.
4.2. Примеры топологических решений
За этапом выбора структурной схемы следует разработка топологии устройства. Устройства одного функционального назначения (например, фильтры) могут строиться как по разным структурным схемам, так и при одинаковой структуре иметь различные
топологические решения.
На рис. 4.12 приведены топологии двух одноканальных устройств
со структурой «в линию»: резонатора на ПАВ (рис. 4.12, а) и резонаторного фильтра на ПАВ (рис. 4.12, б). Резонатор состоит из одного преобразователя и двух периодических (эквидистантных) ОС.
В данном случае ОС выполняют задачу накопления энергии образуя
резонаторную полость, внутрь которой помещен преобразователь.
Резонаторный фильтр также имеет одну резонаторную полость
с расположенными внутри нее входным и выходным ВШП.
101
а)
б)
Рис. 4.12. Топология а – резонатора
и б – резонаторного фильтра на ПАВ
Например, дисперсионный фильтр сжатия (или дисперсионную
линию задержки) можно построить используя различные структурные схемы и разные топологии. В варианте одноканального исполнения со структурой «в линию» и двумя преобразователями (рис. 4.1, б)
дисперсионный фильтр может содержать один эквидистантный широкополосный ВШП с малым числом электродов и многоэлектродный
неэквидистантный ВШП, формирующий дисперсионную характеристику (рис. 4.13). Оба преобразователя могут быть неэквидистантными и участвовать в формировании дисперсионной характеристики
(соответствует структурной схеме, изображенной на рис. 4.1, в). На
рис. 4.14 изображена топология фильтра с двумя взвешенными ВШП
– наклонными неэквидистантными преобразователями.
На рис. 4.15 представлены дисперсионные фильтры в двухканальном варианте. Фильтр на рис. 4.15, а содержит два малоэлек-
Рис. 4.13. Топология дисперсионного фильтра
с одним неэквидистантным преобразователем
102
Рис. 4.14. Топология дисперсионного фильтра
с двумя наклонными неэквидистантными ВШП
а)
б)
Рис. 4.15. Топология дисперсионного фильтра
с двумя ВШП и двумя ОС: а – с ОС типа «шеврон»;
б – с веерными ВШП и аподизованными ОС
103
тродных широкополосных ВШП и две ОС, формирующие дисперсионную характеристику. Фильтр, изображенный на рис. 4.15, б
построен с использованием веерных ВШП. У каждого из приведенных структурных и топологических решений есть свои достоинства и недостатки, на основе анализа и сопоставления которых
в каждом конкретном случае выбирается наиболее предпочтительный вариант реализации устройства.
Так, например, для наиболее простой одноканальной схемы с одним дисперсионным преобразователем характерно высокое вносимое затухание и большие пульсации автокорелляционной функции. Преимуществом фильтра с двумя наклонными дисперсионными преобразователями служат меньшие переотражения между
электродами преобразователей за счет частотно-пространственного
разделения. ПАВ определенной частоты в таком ВШП эффективно
излучается и принимается не всем преобразователем, а только той
его частью, для которого расстояния между электродами согласованы с длиной волны (т. е. на определенной частоте задействован
не весь акустический тракт, а только парциальный пространственный канал). В таком устройстве, по сравнению с предыдущим вариантом, улучшается автокорреляционная функция, однако его
недостатком является большие размеры необходимой подложки.
В двухканальном варианте дисперсионного фильтра используются
два ВШП и протяженные неэквидистантные ОС. Большое распространение получили дисперсионные фильтры с ОС типа «шеврон»,
топология которого приведена на рис. 4.15, а. Усложнение структуры и технологии изготовления фильтра компенсируется рядом
его преимуществ перед более простыми вариантами. В фильтрах,
топология которых изображена на рис. 4.15, существует возможность компенсации фазовых ошибок. Компенсация осуществляется введением фазового экрана – специальной фазокорректирующей
пленки, наносимой на пути распространения ПАВ между верхней
и нижней ОС. По сравнению с устройствами, содержащими только
ВШП, в устройствах с ОС за счет разнесения входного и выходного преобразователей и усложнения траектории ПАВ обеспечивается подавление паразитных объемных волн. Кроме того, в устройствах с ОС при таких же размерах подложки можно получить вдвое
большее время задержки, поскольку волна дважды проходит путь
вдоль подложки: в прямом и в обратном направлениях. Устройства
с ОС, по сравнению с устройствами только на преобразователях,
менее критичны к возможным технологическим дефектам. В веерных преобразователях ширина полосы пропускания не связана
104
с числом электродов (как в традиционных эквидистантных ВШП
с параллельными электродами). Веерный ВШП формирует акустический луч ПАВ, изменяющий свою ширину и положение вдоль
апертуры преобразователя в зависимости от частоты, поэтому совместно с ними используются наклонные ОС с отражателями разной длины. Подобная конфигурация ОС обеспечивает уменьшение
нежелательных переотражений между отдельными отражателями, характерных для ОС типа «шеврон».
Приведенные примеры наглядно демонстрируют большие возможности построения устройств на ПАВ с использованием различных структурных схем и комбинаций топологических элементов.
Контрольные вопросы к разделу 4
1. С применением каких функциональных и конструктивных
элементов строятся структурных схемы устройств на ПАВ?
2. Назовите обязательные элементы любой структурной схемы
фильтра на ПАВ.
3. Соответствует ли каждой структурной схеме единственная топология устройства? Справедливо ли обратное утверждение?
4. Предложите варианты структурных схем устройств с расположением «в линию».
5. По каким структурным схемам строятся многоканальные
устройства на ПАВ?
6. Какие элементы акустического тракта используются в многоканальных устройствах на ПАВ?
7. Опишите возможные структуры линии задержки на ПАВ. Поясните принцип работы.
8. Приведите пример топологии дисперсионной линии задержки на ПАВ.
9. Что представляет собой резонатор на ПАВ?
10. Предложите структурную схему резонатора на ПАВ.
11. Для каких целей в структурных схемах используются МПО?
12. Поясните структуры устройств с акустическим разделением
и суммированием сигналов.
13. Возможно ли применение одной ОС в схемах фильтров и резонаторов на ПАВ?
105
5. ЭФФЕКТЫ ВТОРОГО ПОРЯДКА И ИХ УЧЕТ
В КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ УСТРОЙСТВ НА ПАВ
5.1. Физическая сущность
и виды эффектов второго порядка
Рассматривая физические принципы функционирования АЭУ на
ПАВ нельзя не упомянуть так называемые эффекты второго порядка. Как уже отмечалось, носителями информации в АЭУ являются
акустические волны. Под эффектами первого порядка, или «полезными» эффектами, понимают те физические эффекты, на которых
основана работа устройства. Это, например, целенаправленное возбуждение акустических волн, их распространение в качестве носителей информации, полезное отражение, считывание. Однако все
указанные процессы сопровождаются физическими явлениями,
специально не создаваемыми и не являющимися полезными для
работы устройства. Они называются эффектами второго порядка.
Одни из таких явлений существуют всегда, и принципиально не
устранимы. Другие возникают в процессе изготовления или функционирования устройств, и могут быть устранены или ослаблены.
Предварительный расчет характеристик АЭУ осуществляется
с помощью методов математического моделирования. Существуют математические модели, учитывающие только эффекты первого порядка, есть модели, учитывающие ряд эффектов второго порядка. Очевидно, что ни одна модель не учитывает все вторичные
эффекты. Поэтому полученные в ходе моделирования расчетные
характеристики всегда будут отличаться от реальных. Разработка
устройств высокого качества предполагает использование моделей,
учитывающих большинство эффектов второго порядка, а также
применение способов их компенсации в процессе проектирования
и изготовления. Хотя тематика данного пособия не затрагивает вопросы математического моделирования и расчета характеристик
устройств на ПАВ, кратко остановимся на эффектах второго порядка, поскольку с ними связаны функциональные и конструктивные
особенности устройств.
В монографии [21] предложено разделить эффекты второго порядка на шесть групп:
1. Эффекты, вызванные электростатическими явлениями: неоднородностью распределений электрических зарядов вдоль ширины и длины электродов, зависимостью зарядов от конфигурации
электродов.
106
2. Эффекты, вызванные взаимодействием ПАВ с электродами преобразователей и внешними электрическими цепями. Это
эффекты, связанные с двунаправленностью излучения ПАВ, неоднородностью фазовых фронтов излучаемых ПАВ, регенерацией,
нежелательными отражениями от краев электродов, несогласованием с источником сигнала и нагрузкой, сигналы многократного
прохождения, омические потери в электродах и шинах преобразователей.
3. Эффекты, связанные с распространением ПАВ: дифракция,
затухание, дисперсия, нелинейные эффекты.
4. Эффекты, вызванные влиянием паразитных сигналов: электромагнитной и электростатической наводкой, объемными волнами и другими паразитными акустическими модами, отражением паразитных акустических мод от конструктивных элементов
устройства.
5. Искажения, являющиеся следствием технологических погрешностей при изготовлении устройств (неточности ориентаций
подложки, ошибки угловых ориентаций топологических элементов и их взаимного расположения, размеров, обрывы и закорачивания электродных структур).
6. Эффекты, вызванные влиянием на конструктивные элементы
внешних факторов: температуры, давления, вибрации, влажности
и т. д.
Эффекты, выделенные во второй и третьей группах, можно рассматривать совместно, поскольку все они появляются в акустическом тракте и связаны с акустическими волнами. Паразитные
сигналы в четвертой группе имеют различную природу: электромагнитную, электростатическую или акустическую и проявляются
во всех трактах. Возможные технологические дефекты носят как
системный, так и случайный характер.
Как видно из приведенного перечня, вторичные эффекты, различаются по причинам возникновения и по проявлению в устройстве.
Качественное и количественное влияние каждого из перечисленных эффектов на характеристики устройств зависит, в том числе,
от типа устройства и его конструктивно-топологического исполнения. Многие из них можно исключить на этапах проектирования.
На характеристики устройств наибольшее влияние оказывают
эффекты волновой природы, связанные с распространением ПАВ:
затухание и дифракция, отклонение направления фазовой скорости от направления переноса энергии, паразитные переотражения
ПАВ внутри преобразователей и ОС. Из нежелательных сигналов
107
ПАВ
1
2
Вход
Выход
Рис. 5.1. К пояснению сигнала тройного прохода: 1 – основной сигнал;
2 – сигнал тройного прохода
наибольший уровень имеет сигнал прямого тройного прохода, условно показанный на рис. 5.1. Этот сигнал считывается выходным
преобразователем наряду с основным сигналом.
При разработке устройства учесть и скомпенсировать все вторичные эффекты практически невозможно, поэтому обычно выделяют ряд эффектов, оказывающих наиболее существенное влияние, и используют способы их компенсации.
5.2. Способы учета и компенсации вторичных эффектов
Методы борьбы с эффектами второго порядка делятся на конструктивные и расчетно-аналитические [21]. Расчетно-аналитические методы применяются при уже разработанной (или заранее известной) конструкции или топологии устройства. Нежелательные
эффекты анализируются с помощью расчетов и математического
моделирования и осуществляется их компенсация путем корректировки топологии (например, изменения размеров топологических
элементов, нанесения дополнительных фазокорректирующих пленок и т. д.). Возможно направленное введение в характеристики
устройства предыскажений, действие которых противоположно
влиянию нежелательного эффекта.
Конструктивные методы позволяют исключить или уменьшить
влияние вторичных эффектов еще на этапе проектирования устройства. Так, на одном из первых этапов проектирования правильный
выбор тип и материала подложки позволяет исключить или ослабить влияние нежелательных факторов. Далее, на этапе разработ108
ки использование специальных структурных схем построения и
специальных конструктивных и топологических решений, также
уменьшает проявление вторичных эффектов.
Известно, что генерация паразитных объемных волн приводит
к уменьшению затухания в полосе заграждения фильтров, вызывает пульсации АЧХ и ФЧХ и дополнительные потери энергии.
Паразитные сигналы ОАВ, возбуждаемые и считываемые наряду
с полезными сигналами преобразователями, уменьшаются различными методами. Один из них – выбор материала подложки (или
среза и направления распространения ПАВ в монокристалле), обеспечивающего минимальное возбуждение этих волн. Другим методом служит применение МПО, который передает из канала в канал
только полезную ПАВ. Для подавления ОАВ также применяется
фазовращатель в виде металлической пленки, поворачивающий
фазовый фронт только полезной ПАВ. Кроме того, объемные волны эффективно подавляются в двухканальных устройствах с двумя наклонными ОС.
Еще один вторичный эффект, дифракционные искажения, ослабляется также несколькими способами. С помощью конструктивных методов выбирается материал подложки, обладающий минимальной чувствительностью к дифракции. Применение фокусирующих преобразователей и специальных топологических решений
снижают влияние дифракции.
Контрольные вопросы к разделу 5
1. Поясните название, физическую сущность и причины возникновения эффектов второго порядка.
2. Почему необходим учет и компенсация вторичных эффектов?
3. Приведите примеры эффектов второго порядка и их влияния
на характеристики устройств.
4. Какие Вы знаете способы борьбы с вторичными эффектами?
5. На каких этапах разработки устройств на ПАВ можно выполнить оценку влияния вторичных эффектов?
109
6. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
КАК РЕСУРС РАЗВИТИЯ УСТРОЙСТВ НА ПАВ
6.1. Тенденции развития современных
акустоэлектронных устройств
Активное исследование и широкое практическое применение
устройств на ПАВ началось с середины 60-х годов 20 века. К настоящему времени промышленно производится широкий ассортимент
ПАВ компонентов, разработано множество конструктивных, топологических и технологических решений, значительно улучшились
технические характеристики и надежность устройств, расширилось
их функциональное назначение и область применения. Устройства
прошли путь от первых специальных, преимущественно военных,
применений для задач радиолокации до современного повсеместного использования в бытовой радиоэлектронной аппаратуре, инфокоммуникационных системах, системах промышленного мониторинга и технической диагностики.
Объем производства ПАВ компонентов постоянно растет. Исследовательская фирма BCC Recearch представила данные по требуемому мировому объему производства ПАВ устройств [6]. На
рис. 6.1 приведены сравнительные численные данные (в млн долларов) по регионам мира.
Для акустоэлектронных устройств, также как для всей современной радиоэлектронной аппаратуры, характерны следующие основные тенденции развития:
• повышение рабочих частот;
• улучшение технических храктеристик при одновременном
снижении стоимости;
• миниатюризация и функциональная интеграция;
• повышение функциональности и расширение областей применения;
• использование новых материалов и технологий производства.
Важнейшей тенденцией развития АЭУ является продвижение
вверх по частотному диапазону с одновременным снижением массогабаритных показателей. Верхняя граница рабочих частот для
большинства современных устройств на ПАВ составляет 3–5 ГГц.
В последние годы с бурным развитием систем мобильной связи рабочие частоты фильтров на ПАВ и ППАВ для этих систем активно продвигаются в область выше 5 ГГц. Применение специальных
подложек и топологий позволяет поднять вехнюю границу рабочих
110
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
2010
Азия
2011
2016
Америка Европа Южная Азия Остальной мир
Рис. 6.1. Требования объема производства ПАВ устройств
(в млн долларов) по регионам мира [6]
частот до 7–10 ГГц. Для широкополосных устройств с повышением
рабочих частот характерно увеличение относительной ширины полосы пропускания. Реализованы дисперсионные фильтры на ПАВ
с относительной полосой пропускания до 100%. Устройства на ОАВ
работают на частотах до 12–15 ГГц.
На рис. 6.2 условно показаны диапазоны частот и достигаемые
относительные полосы пропускания различных типов фильтров,
в том числе фильтров на ПАВ. [34]. Представленная диаграмма
демонстрирует обширный диапазон перекрываемых фильтрами
на ПАВ рабочих частот и значений полос пропускания. Имея дополнительные преимущества в надежности, стабильности и повторяемости характеристик, малых габаритах и энергопотреблении,
фильтры на ПАВ составляют успешную конкуренцию другим типам фильтров, а в ряде случаев не имеют аналогов.
Массовое внедрение АЭУ на ПАВ в современную радиоэлектронную аппаратуру объясняется и большими возможностями миниатюризации и функциональной интеграции. Планарная технология
производства совместимая с технологией производства ИМС позволяет легко интегрировать ПАВ устройства с другими компонен111
10 –2
Отностельная полоса
пропускания, ∆f/fс ,%
1
10 1
2
3
10 0
5
10 –1
10 –2
6
10 –3
106
107
108
4
109
1010
1011
Рабочая частота f, Гц
Рис. 6.2. Диапазоны рабочих частот и относительных полос
пропускания различных типов фильтров. 1 – ПАВ фильтры;
2 – керамические; 3 – спиральные; 4 – диэлектрические;
5 – микрополосковые; 6 – кварцевые
тами в микроэлектронном исполнении и размещать их на единой
подложке. Крупносерийное производство позволяет существенно
снизить стоимость ПАВ компонентов.
Отличные технические характеристики и достигнутый уровень
интеграции расширяет и области применения устройств на ПАВ.
Наряду с уже отмеченными в данном пособии традиционными областями применения, такими как радиолокация, радионавигация,
телекоммуникация, устройства на ПАВ применяются в системах
радиочастотной идентификации (РЧИД), логистики, мониторинга состояния технических объектов и окружающей среды, системах охраны здоровья человека. В последние десятилетия одним из
активно развивающихся направлений является применение акустоэлектронных устройств в составе датчиков для систем РЧИД.
Пассивными датчиками с чувствительными элементами на ПАВ
при беспроводной передаче данных успешно решаются задачи измерения различных физических параметров объектов (температуры, влажности, давления и др.) с одновременной идентификацией
объекта. Современные высокочувствительные датчики для распознавания состава газов, паров и жидкостей перспективны для создания систем «искуственного интеллекта».
112
6.2. Функциональные и конструктивные возможности
устройств на ПАВ
Несмотря на огромный накопленный опыт разработки, практического применения и производства, нет оснований говорить
о достигнутом «потолке» в технике ПАВ устройств. Практика последних лет доказывает наличие больших потенциальных возможностей в развитии этих устройств. Отвечать современным требованиям и тенденциям развития устройствам на ПАВ позволяют существующие ресурсы: ресурс «качественной новизны», конструктивный и технологический ресурс (рис. 6.3). По соответствующим
трем направлениям и развиваются устройства. Новизна предполагает применение новых, ранее не использованных материалов,
акустических волн, принципиально новых конструкций или топологий. Одно из актуальных направлений развития -использование
новых материалов для подложек устройств, например, вновь синтезированных монокристаллов, обладающих лучшим сочетанием
свойств. Ярким примером данного направления служит развитие
ПАВ устройств после синтеза нового монокристалла – лангасита.
Применение этого кварцеподобного монокристалла, обладающего
лучшим набором свойств, позволило значительно улучшить технические и эксплуатационные характеристики устройств, расширить
их функциональные возможности и области применения.
Второй ресурс, конструктивный, подразумевает как совершенствование существующих конструкций и топологических решений, так и разработку на их основе новых решений для устройств
Развитие акустоэлектронных
устройств
Технологический
ресурс
Конструктивный
ресурс
Ресурс «новизны»
Рис. 6.3. Ресурсы развития
акустоэлектронных устройств
113
того же назначения. Например, использование вместо одноканальной двухканальной структуры, позволяющей устранить нежелательные искажения, применение специальных видов корректирующих преобразователей и отражательных структур и т. д.
Благодаря третьему ресурсу – технологическим возможностям
устройства на ПАВ в последние годы получили огромный скачок
в развитии. Современные методы изготовления и упаковки, обеспечивающие миниатюризацию и интеграцию, применение специальных материалов для изготовления электродов, новые способы
соединения конструктивных элементов и т. д. позволили создать
современные высококачественные устройства.
Задача повышения рабочих частот устройств на ПАВ решается,
в основном, двумя способами. Первый связан с технологическим
ресурсом и предполагает увеличение разрешающей способности
технологического оборудования при изготовлении электродных
структур. Второй использует ресурс «новизны» и предполагает
применение новых подложек с более высокими скоростями ПАВ.
В устройствах на ПАВ тенденция повышения рабочих частот связана с наблюдаемым смещением в применении от поверхностных
волн релеевского типа к вытекающим и псевдоповерхностным волнам, имеющим более высокие скорости распространения.
Миниатюризация ПАВ устройств имеет особенности по сравнению с миниатюризацией других микроэлектронных компонентов.
Учитывая принцип действия и существующую связь геометрических размеров топологических структур с рабочими частотами,
в ПАВ устройствах невозможно простое масштабирование топологических элементов. Уменьшить шаг топологических структур и их
размеры при одинаковых рабочих частотах позволяют подложки
с низкими значениями скоростей распространения ПАВ. Уменьшение размеров необходимых подложек и габаритов устройств на ПАВ
достигается за счет применения специальных компактных топологий устройств. Миниатюризация возможна за счет уменьшения
размеров как самого кристалла с нанесенной на нем электродной
структурой, так и за счет совершенствования технологии упаковки кристаллов [19]. Совершенствование технологий изготовления и
упаковки ПАВ фильтров позволило существенно уменьшить габаритные размеры и приблизиться к принципиальному ограничению
– размерам самих кристаллов с нанесенной электродной структурой.
Одним из мировых лидеров производства ПАВ компонентов
фирмой EPCOS запатентованы технологии упаковки, позволяющие значительно уменьшить размеры готовых устройств. Иллю114
страцией возможностей по миниатюризации служит уменьшение
размеров корпусов дискретных радиочастотных фильтров и дуплексоров на ПАВ, достигнутое в ходе совершенствования технологии изготовления и упаковки (рис. 6.4) [35].
Разработанная технология производства DSSP (die-sized SAW
packaging ) обеспечивает высшую степень миниатюризации, достигнутую в настоящее время в промышленном производстве компонентов.
Миниатюризация узлов и блоков с применением АЭУ достигается в том числе и за счет функциональной интеграции и перехода
к модульному принципу построения аппаратуры. АЭУ допускают
интеграцию на различных уровнях (см. рис. 6.5): на уровне топологических структур, подложки, корпуса и на уровне устройства
(акустоэлектронных компонентов) [19].
Примером интеграции на уровне топологии являются многодиапазонные фильтры на ПАВ. Для их изготовления в течении
Дискретные фильтры на ПАВ
2,0×1,6 мм2
(3,2 мм)2
1,4×1,1 мм2
1,1×0,9 мм2
(1,54 мм)2
(0,99 мм) 2
–52%
–36%
0,8×0,6 мм2
(0,48 мм) 2
–52%
Миниатюризация
Дуплексоры на ПАВ
3,8×3,8 мм2
3,0×2,5 мм2
2,5×2,0 мм2
(14,44 мм2 )
(7,5 мм2 )
(5,0 мм2 )
–48%
–33%
2,0×1,6 мм2 1,8×1,4 мм2
(3,2 мм2 )
–36%
(2,5 мм2 )
–21%
Миниатюризация
Рис. 6.4. Уменьшение размеров дискретных ПАВ фильтров
и ПАВ дуплексоров
115
Акустоэлектронные
компоненты
Уровень
интеграции
Корпус
Подложка
Топологическая
структура
Рис. 6.5. Уровни интеграции
в устройствах на ПАВ 
Рис. 6.6 Миниатюрный ПАВ
модуль фирмы Kyocera
нескольких технологических циклов на подложке наносятся несколько пространственно совмещенных электродных структур,
предназначенных для работы в различных диапазонах частот. При
интеграции на уровне подложки на одном кристалле могут размещаться топологические элементы нескольких устройств. В одном
корпусе объединяются несколько фильтров, изготовленных на отдельных подложках, и создаются банки фильтров. Данному уровню интеграции соответствуют АЭУ, выполненные на многослойных подложках, в слоях которых интегрирутся различные дискретные элементы. Развитие технологий производства устройств
на ПАВ на многослойных подложках существенно расширяют их
функциональные возможности. Высший уровень интеграции имеют функциональные модули, объединяющие несколько АЭУ, или
АЭУ с устройствами и электронными компонентами, основанными
на других принципах. Пример такого подхода к интеграции – современные функциональные модули с встроенными ПАВ и ОАВ
компонентами. В качестве примера на рис. 6.6 представлен внешний вид миниатюрного ПАВ модуля для терминалов связи стандарта WCDMA/LTE, разработанный фирмой Kyocera. Модуль имеет
размеры 2,5×2,5×1,1 мм и предназначен для использования в мобильных телефонах и смартфонах.
Функциональные и конструктивные возможности свидетельствуют о дальнейших перспективах разработки и использования
устройств на ПАВ при создании современной высокотехнологичной радиоэлектронной аппаратуры.
116
Контрольные вопросы к разделу 6
1. Каковы тенденции развития современных акустоэлектронных устройств?
2. На каких частотах работают устройства на ПАВ и ОАВ? За
счет чего возможно повышение рабочих частот?
3. В чем различие между отдельной линией задержки на ПАВ и
функциональным модулем с встроенной линией задержки на ПАВ?
4. Перечислите и поясните возможные уровни интеграции в ПАВ
устройствах.
5. Каковы ресурсы развития АЭУ на ПАВ?
6. В каких радиоэлектронных устройствах и системах возможно
применение АЭУ?
7. Поясните возможные способы миниатюризации ПАВ устройств.
117
Примерный перечень тем рефератов
• Современные материалы для АЭУ.
• Лангасит – материал для акустоэлектронных устройств.
• Миниатюрные фильтры на ПАВ.
• Дисперсионные линии задержки на ПАВ.
• Компоненты на ПАВ и ОАВ в сотовых телефонах.
• АЭУ формирования и сжатия сложных сигналов.
• Акустоэлектронные Фурье-процессоры.
• Нелинейные устройства на ПАВ.
• Математические модели преобразователей ПАВ.
• Технология изготовления устройств на ПАВ.
• Устройства на ПАВ в системах радиочастотной идентификации.
• Датчики с чувствительными элементами на ПАВ.
Заключение
Акустоэлектроника – научная область, в которой открытые физические явления и эффекты нашли широкое практическое применение. Акустоэлектронные устройства выполняют обработку сложных сигналов в реальном времени при высокой чувствительности
и помехозащищенности в широком динамическом диапазоне. При
этом они требуют низкого энергопотребления, имеют уникально
малые массогабаритные характеристики и невысокую стоимость.
Являясь специфической областью электроники и базируясь на технологиях интегральных схем, акустоэлектроника предоставляет
уникальную возможность создания гибридных устройств, сочетающих в себе свойства полупроводниковых интегральных микросхем и акустоэлектронных приборов. Акустоэлектронная элементная база в настоящее время широко востребована современными
радиоэлектронными системами, системами идентификации и искусственного интеллекта, системами мониторинга технических
объектов и окружающей среды. Несмотря на большое число разработанных к настоящему времени акустоэлектронных устройств
и широкий круг решаемых ими задач, дальнейшие перспективы
применений акустоэлектроники, по-прежнему, многообещающие.
118
Библиографический список
1. Физическая энциклопедия. URL: http://dic.academic.ru.
2. Щука А. Электроника четвертого поколения – функциональная электроника? Новости микроэлектроники. URL: http://
chipnews.gaw.ru/html.cgi/arhiv_i/99_04/stat-51.htm
3. Гуляев Ю. В. Акустоэлектроника (исторический обзор). Успехи физических наук. 2005. Т. 175, № 8, с. 887–895.
4. ГОСТ 28170-89: Изделия акустоэлектронные. Термины и
определения. Москва. Стандартинформ. 2007.
5. Шубарев В. Микросистемотехника инновационное направление развития электроники. Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 5/2010. С. 98–109.
6. Surface Acoustic Wave (SAW) Devices: Technologies and Global
Markets. URL: http://www.bccresearch.com/market-research/instrumentation-and-sensors/surface-acoustic-wave-sensors-technology-markets-ias039a.html. (Дата обращения 03.03.14).
7. Щука А. А. Функциональная электроника. Успехи современной радиоэлектроники. 2004, № 5–6, с. 149–169.
8. Щука А. А. Электроника: учеб. пособие / под ред. проф.
А. С. Сигова. СПб.: БХВ-Петербург, 2006. 800 с.
9. Мостяев В. А., Поздняков П. Г. Российская пьезо-акустоэлектроника (История развития и современное состояние) / под ред.
академика Ю. В. Гуляева. М.: Радиотехника, 2008. 328 с.
10. Гуляев Ю. В., Пустовойт В. И. Усиление поверхностных
волн в полупроводнике // ЖЭТФ. 1964, Т. 46, с. 1386.
11. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных
и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология,
конструкция, применения: пер. с чешск. М.: Мир, 1990. 584 с.
12. Дьелесан Э., Руайе Д. Упругие волны в твердых телах. Применение для обработки синалов; пер. с франц. / под ред. В. В. Леманова. М.: Наука, 1982, 424 с.
13. Фильтры на поверхностных акустических волнах (расчет,
технология и применение): пер. с англ. /под ред. Г. Мэттьюза. М.:
Радио и связь, 1981. 472 с.
14. Campbell C. K. Surface Acoustic Wave Devices for Mobile and
Wireless Communications. Elsevier Science. Boston: Academic Press,
Inc. 1998.
15. Ken-ya Hashimoto. Surface Acoustic Wave Devices in Telecommunicatios: modeling and simulation. Springer, 2000 (Engineering
online library).
119
16. Морозов А. И., Проклов В. В., Станковский Б. А. Пьезоэлектрические преобразователи для радиоэлектронных устройств. М.:
Радио и связь, 1981. 184 с.
17. Речицкий В. И. Акустоэлектронные радиокомпоненты: элементы и устройства на поверхностных акустических волнах. М.:
Сов. радио, 1980. 264 с.
18. White R. M. and Voltmer F. W. Direct piezoelectric coupling to
surface elastic waves // Appl. Phys. Lett., 1965. V. 17. P. 314–316.
19. Акустоэлектронные устройства обработки и генерации сигналов. Принципы работы, расчета и проектирования / О. Л. Балышева, В. И. Григорьевский, Ю. В. Гуляев, В. Ф. Дмитриев,
Г. Д. Мансфельд; под ред. академика РАН Ю. В. Гуляева. М.: Радиотехника, 2012. 576 с.: ил.
20. Балышева О. Л. Материалы для акустоэлектронных устройств:
учеб. пособие. СПб.: ГУАП. 2005. 50 с.
21. Орлов В. С., Бондаренко В. С. Фильтры на поверхностных
акустических волнах. М.: Радио и связь, 1984. 272 с.
22. Malocha D. C. Evolution of the SAW Transduser for Communication Systems. 2004 IEEE Ultrasonics Symposium, p. 302–310.
23. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных
акустических волнах; пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990. 416 с.
24. Каринский С. С. Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах. М.: Советское радио, 1975. 176 с.
25. Атабеков Г. И. Основы теории цепей: учебник. СПб.: Лань,
2009. 432 с.
26. ГОСТ 28170-89. Изделия акустоэлектронные. Термины и определения.
27. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. для
вузов по спец. «Радиотехника». М.: Высш. шк., 2000. 200 с.
28. Функциональные устройства обработки сигналов (основы
теории и алгоритмы): учеб. пособие для вузов / под ред. Ю. В. Егорова. М.: Радио и связь, 1997, 288 с.
29. Речицкий В. И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. Схемы, топология, конструкции. М.: Радио и связь, 1987. 192 с.
30. Reddy A. R. and Lahiri S. K. Surface Acoustic Wave Unidirectional Transducers- A Brief Reviw. IETE Technical Reviw, Vol. 4,
N. 2, 1987, p. 41–51.
31. Дисперсионные линии задержки с отражательными структурами. Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники / О. Л. Балышева, Л. П. Коновалова, С. В. Кулаков,
Ю. Г. Смирнов. Москва, 1997. № 6. С. 52–61.
120
32. Балышева О. Л. Дисперсионные линии задержки на поверхностных акустических волнах с отражательными решетками.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических
наук. С-Петербург, СПГУАП, 1998, 150 с.
33. Поверхностные акустические волны /под ред. А. Олинера;
пер. с англ. под ред. И. С. Реза. М.: Мир, 1981. 392 с.
34. Стандарт 60862-2/FDIS IEC. URL: http://members.upcpoczta.
pl/m.pasternak46/books/SAW_filters_book.pdf. (Дата обращения
01.03.2013).
35. A new dimension in miniaturization. URL: http://www.
epcos.com/epcos-en/374108/tech-library/articles/products--technologies/products---technologies/a-new-dimension-inminiaturization/172924. (Дата обращения 26.04.14).
121
СОДЕРЖАНИЕ
Список сокращений..................................................................... Предисловие.............................................................................. Введение.................................................................................... 1. Функциональная электроника как направление развития
современной электроники............................................................ 1.1. Направления развития электроники. Микроэлектроника........ 1.2. Особенности и основные направления развития
функциональной электроники................................................... 1.3. Модель устройства функциональной электроники.................. 1.4. Функциональная акустоэлектроника................................... Контрольные вопросы к разделу 1................................................. 2. Физические основы функционирования АЭУ............................... 2.1. Акустические волны – динамические неоднородности
функциональной акустоэлектроники......................................... 2.1.1. Акустические волны в упругих пьезоэлектрических
средах................................................................................. 2.1.2. Основные понятия волновой теории............................. 2.1.3. Типы акустических волн в твердых телах. 
Поверхностные акустические волны........................................ 2.2. Особенности АЭУ на поверхностных и псевдоповерхностных
акустических волнах................................................................ 2.3. Принципы функционирования акустоэлектронных устройств. 
Пьезоэлектрический эффект..................................................... 2.4. Возбуждение и считывание акустических волн...................... Контрольные вопросы к разделу 2................................................. 3. Функциональные и конструктивные элементы АЭУ..................... 3.1. Конструкция АЭУ. Устройство на ПАВ: функциональное
назначение и конструктивное исполнение элементов.................... 3.2. Подложки устройств на ПАВ............................................... 3.2.1. Общие требования..................................................... 3.2.2. Типы подложек........................................................ 3.3. Преобразователи ПАВ........................................................ 3.3.1. Топологические параметры преобразователя. Встречноштыревой преобразователь как трехпортная структура.............. 3.3.2. Типы преобразователей. Базовые конструкции............. 3.3.3. Преобразователи специальных конструкций. Весовая
обработка............................................................................. 3.3.4. Однонаправленные преобразователи............................ 3.4. Отражательные структуры.................................................. 3.4.1. Отражение акустических волн. Элементарные
отражатели ПАВ................................................................... 3.4.2. Многоэлементные отражательные структуры............... 3.4.3. Весовая обработка в ОС.............................................. 3.5. Ответвители ПАВ.............................................................. 122
3
4
7
9
9
11
13
15
17
19
19
20
24
28
35
36
38
41
43
43
46
46
47
52
52
58
61
70
74
74
79
81
83
3.5.1. Конструкция и принцип работы МПО ......................... 3.5.2.Конструкции ответвителей и их применение
в устройствах на ПАВ............................................................ 3.6. Акустические волноводы.................................................... Контрольные вопросы к разделу 3................................................. 4. Структурные схемы устройств на ПАВ. Варианты топологических
решений.................................................................................... 4.1. Структурные схемы устройств на ПАВ.................................. 4.2. Примеры топологических решений...................................... Контрольные вопросы к разделу 4.............................................. 5. Эффекты второго порядка и их учет в конструктивных элементах
устройств на ПАВ....................................................................... 5.1. Физическая сущность и виды эффектов второго порядка......... 5.2. Способы учета и компенсации вторичных эффектов................ Контрольные вопросы к разделу 5.............................................. 6. Функциональные и конструктивные элементы как ресурс
развития устройств на ПАВ.......................................................... 6.1. Тенденции развития современных акустоэлектронных
устройств................................................................................ 6.2. Функциональные и конструктивные возможности устройств
на ПАВ................................................................................... Контрольные вопросы к разделу 6................................................. Примерный перечень тем рефератов.............................................. Заключение............................................................................... Библиографический список.......................................................... 83
86
89
90
92
92
101
105
106
106
108
109
110
110
113
117
118
118
119
123
Учебное издание
Балышева Ольга Леонидовна
АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
НА ПОВЕРХНОСТНЫХ
АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ.
Функциональные и конструктивные
элементы
Учебное пособие
Публикуется в авторской редакции.
Компьютерная верстка С. Б. Мацапуры
Сдано в набор 26.06.16. Подписано к печати 28.09.16.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 7,21.
Уч.-изд. л. 7,75. Тираж 50 экз. Заказ № 356.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
8
Размер файла
5 342 Кб
Теги
balysheva
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа