Твердотельные акустические детекторы

В настоящее время использование акустических датчиков гораздо шире, чем просто детектирование звука. Наибольшей популярностью сейчас пользуются микровесы и устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ), реализованные на прин­ципе детектирования механических вибраций в твердых телах. Такие датчики исполь­зуются для измерения перемещений, концентраций компонентов, механического напряжения, силы, температуры и т.д. Твердотельные детекторы часто входят в со­став более сложных датчиков, например, химических анализаторов, акселерометров, датчиков давления и т.д. В химических и биологических датчиках акустические кана­лы, по которым распространяются механические волны, иногда покрываются спе­циальными составами, вступающими в реакцию только с исследуемым веществом.

Генераторы (обычно пьезоэлектрические) заставляют атомы твердых тел со­вершать вибрационные движения вокруг положения равновесия. Соседние атомы, за счет действия восстанавливающих сил, стремятся возвратить смещаю­щиеся атомы в их исходное положение. В акустических датчиках внешние воздействия влияют на такие параметры распространяющихся волн, как фазовая скорость и/или коэффициент ослабления. Например, механические на­пряжения в теле акустических датчиков изменяют скорость распространения в них звука. В других датчиках, называемых гравиметрическими, сорбция молекул или прикрепление к ним бактерий ведет к уменьшению скорости акустической волны. А в акустических датчиках вязкости при контакте вязкой жидкости с активной зо­ной детектора упругих волн происходит уменьшение амплитуды этих волн.

Акустические волны, распространяющиеся в твердых телах, широко исполь­зуются в электронных устройствах, таких как фильтры, линии задержки, микро­приводы и т.д. Основным преимуществом акустических волн по сравнению с элек­тромагнитными является их низкая скорость. Диапазон скоростей распростране­ния акустических волн в твердых объектах лежит в пределах 1.5х10³...12х10³м/с,

а устройства на ПАВиспользуют интервал 3.8х10³...4.2х10³м/с [12]. Из этих цифр видно, что скорости распространения акустических волн в пять раз меньше скоростей электромаг­нитных волн. Это дает возмож­ность изготавливать мини­атюрные датчики, работающие на частотах до 5 ГГц.

При проектировании твердотельных акустических датчиков необходимо коррек­тно согласовывать электрон­ную часть схемы с механичес­кой структурой, где распрост­раняются волны. Такие датчики чаще всего реализуются на основе пьезоэлектри­ческого эффекта. Этот эффект носит обратимый характер (раздел 3.6 главы 3); это означает, что существует в двух направлениях: Механическое напряжение ин­дуцирует электрические заряды, а приложенное электрическое поле вызывает на­пряжение в пьезоэлектрических кристаллах. В состав твердотельных акустичес­ких датчиков обычно входят два пьезоэлектрических преобразователя: один на передающем конце — для возбуждения акустических волн, другой на принимаю­щем — для преобразования акустических волн в электрические сигналы.

Поскольку сам кремний не обладает пьезоэлектрическими свойствами, на его поверхность наносится тонкий слой из таких материалов, как оксид цинка (ZnO), нитрид алюминия (AlN) и оксиды титаната-цирконата свинца (Pb(Zr,Ti)O₃, часто называемые PZT керамикой. При нанесении тонких пленок на полупро­водниковый материал необходимо учитывать следующие факторы:

1. Адгезионные свойства подложки

2. Устойчивость к внешним факторам (таким как жидкости и газы, контактиру­
ющие с чувствительной поверхностью датчиков во время их работы)

3. Условия окружающей среды (влажность, температура, механические удары и
вибрации)

4. Величину коэффициента электромеханической связи с подложкой

5. Технологию нанесения пленок и последующую работу сними

6. Стоимость

Сила пьезоэлектрического эффекта в твердотельных акустических датчиках зави­сит от конфигурации электродов. В датчиках на ПАВ используются гребенчатые электроды, а в преобразователях, работающих на объемных акустических волнах, проходящих через все поперечное сечение устройства, — электроды достаточно боль­шой площади, расположенные на противоположных сторонах детектора.

Существует несколько конфигураций акустических твердотельных датчиков, различающихся по типу распространения волн в материале. На рис. 12.7 показа­ны схемы двух вариантов датчиков: на основе волны изгиба (рис. 12.7А) и на ос-

нове ПАВ (рис. 12.7Б). В первом случае за счет напряжения, приложенного кле­вой паре электродов, происходит изгибная деформация очень тонкой мембраны. Вертикальное отклонение мембраны преобразуется в электрический сигнал, сни­маемый с правой пары электродов. Как правило, толщина мембраны значитель­но меньше длины волны колебаний. Во втором случае акустические волны фор­мируются на поверхности относительно толстой подложки. И в том, и в другом случае пространство между парами электродов является чувствительной зоной дат­чиков, реагирующей на внешние воздействия, такие как давление, вязкость жид­кости, молекулы газа и микроскопические частицы.

ПАВ-сенсоры входят в состав многих приборов, например, они используют­ся в генераторах в качестве времязадающих устройств Поскольку на распростра­нение акустических волн оказывают влияние много внешних и внутренних фак­торов, полученные результаты измерений (изменения частоты выходного сигна­ла) могут быть неоднозначными и обладать большими погрешностями. Для ре­шения этой проблемы применяют дифференциальные датчики, построенные на основе двух идентичных ПАВ преобразователей: один из которых является эта­лонным, а другой — чувствительным устройством, реагирующим на изменения внешних воздействий (рис. 12.8) Эталонный преобразователь экранируется от внешних сигналов, но подвергается воздействию таких общих факторов, как тем­пература, старение и т д Частота выходного сигнала, равная разности частот двух ПАВ преобразователей, определяется только измеряемым сигналом и не зависит от влияния других посторонних факторов.

Литература

1 Hohm, D and Hess, G A submimature condenser microphone with silicon nitrite membrane
and silicon back plate 7 Acoust Soc Am 85,476-480, 1989

2 Bergqvist, J and Rudolf, F A new condenser microphone m silicon Sensors Actuators, A21-A23,
123-125, 1990

3 Sprenkels, A J , Groothengel, R A , Venoop and A J , Bergveld, P Development ofanelectret
microphone in silicon Sensor Actuators, 17(3&4), 509-512,1989

4 van der Donk, A G H , Sprenkels, A J , Olthuis, W, and Bergveld, P Preliminary results of a silicon

condenser microphone with internal feedback In Transducers'91 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators Digest of Technical Papers, IEEE, New York, 1991, pp 262-265

5 Wong S К and Embleton T FW, eds AIP Handbook of Condenser Microphones i AIP Press,
New York, 1995

6 Hellbaum, R F et al An experimental fiber optic microphone for measurement of acoustic pressure

levels in hostile environments In Sensors Expo Proceedings, Helmers Publishing, Peterborough, NH, 1991

7 Piew Film Sensors Technical Manual Measurement Specialties, Inc , Norns-town, PA, 1999,
availabel at wwwmsiusa com

8 Nishikawa, S and Nukijama, S Proc Imp Acad Tokyo 4, 290, 1928

9 Sessler, G M , ed Electrets Springer-Verlag Berlin, 1980

10 Morse, PM Vibration and Sound McGraw-Hill, New York, 1948

11 Gnese, H J , Proc 9th International Conference on Acoustics, 1977, paper Q29

12 Motamedi, M E and White, RM Acoustic sensors In Semiconductor Sensors S M Sze,
ed John Wiley & Sons, New York, 1994, pp 97-151

ГЛАВА 13

Поиск по сайту: