Сенсоры на поверхностных акустических

Волнах

До сих пор мы рассматривали сенсоры, которые используют акустические вол­ны в объеме газов, жидкостей или твердых тел. Но есть еще и большая группа сенсо­ров, которые работают с распространением акустических волн по поверхности твер­дых тел или в их приповерхностной области. Такие волны называют поверхностными акустическими волнами (ПАВ)и соответственно приповерхностными акустическими волнами (ППАВ). Для возбуждения и детектирования ПАВ и ППАВ используют пря­мой и обратный пьезоэлектрический эффект, который будет описан в следующем разделе. Чаще всего с этой целью на поверхности пьезокристалла, пьезокерамики или на пьезоэлектрической пленке формируют так называемые встречно-штыревые преобразователи (ВШП).Это электроды, имеющие форму гребенки, в которых дли­на каждого штыря намного больше ширины (рис. 7.11).

Рис. 7.11.Принцип действия сенсоров на ПАВ: 1 — встречно-штыревые преобразователи электрического сигнала в ПАВ; 2 — встречно-штыревые преобразователи ПАВ в электрический сигнал

Когда на ВШП 1 подается переменное напряжение, в пьезоэлектрическом ма­териале возникают волны механического сжатия и растяжения с частотой перемен­ного напряжения. Если расстояние между штырями равняется длине волны, то вол­ны от всех штырей оказываются синфазными и усиливают одна другую. Возникает сильная резонансная поверхностная акустическая волна. Скорость распространения ПАВ в пьезоматериалах составляет 3,8—4,2 км/с, поэтому ПАВ с частотой 1 ГГц име­ет длину волны приблизительно 4 мкм. Распространяясь вдоль поверхности гтьезо-электрика, ПАВ проходит расстояние в 1 мм приблизительно за 250 не. Когда волна доходит до электродов 2, она становится причиной возникновения между парой со­седних штырей переменного электрического напряжения той же частоты. Колеба­ния напряжения между соседними парами штырей суммируются, поэтому напряже-

Лекция 7_______________________ Интеллектуальные акустические сенсоры для УЗИ

ние на выходе ВШП оказывается наибольшим в случае совпадения их фаз, т. е. тог­да, когда расстояние между штырями соседних пар равняется длине волны.

Таким образом, геометрическая структура ВШП обеспечивает высокую изби­рательность приборов на ПАВ. Если эта структура строго периодическая, то она функционирует как высокодобротный частотный фильтр. Если же должны прини­маться лишь сигналы, определенным образом модулированные по амплитуде, час­тоте, фазе и т. п., то используется и соответствующая геометрическая структура ВШП.В этом случае прибор на ПАВ функционирует как высокоэффективный кор­релятор, выдающий на выходе пик напряжения только тогда, когда пространствен­но-временная структура поверхностной акустической волны точно совпадает с гео­метрической структурой ВШП. Прибор фазируется и синхронизируется с сигналом, который поступает на его вход, автоматически, т. е. сам (!) и только в момент полно­го совпадения структуры волны и структуры ВШП. Именно по этим причинам при­боры на ПАВ широко используют в современной радиотехнике: и в мобильной ра­диосвязи, и в системе глобального ориентирования GSM, в системах цифровой и локальной беспроводной связи и т. п. [30, 115, 161, 169, 229, 261]. С применением ВШП и ПАВ построены эффективные фильтры промежуточной частоты, выходные и многомодовые фильтры, калиброванные линии задержки с очень малым затухани­ем, фильтры Найквиста для цифрового телевидения и цифровой радиосвязи, линии задержки для кодового и временного разделения каналов, фильтры систем волокон­но-оптической связи, синхронные и асинхронные конвольверы и т. д.

С учетом множественных применений ВШП разработаны и успешно использу­ются специальные пакеты программного обеспечения для моделирования и проекти­рования приборов на ПАВ, для расчета их индивидуальной геометрической структу­ры и каскадных соединений. Ныне около 100 промышленных компаний ежегодно создают свыше 1000 типономиналов акустоэлектронных приборов на ПАВ. Благода­ря эффективным пакетам автоматизированного проектирования, ряд фирм сравни­тельно недорого и быстро изготавливает сенсоры на ПАВ по спецзаказам

__________________________________________ Курс Интеллектуальные сенсоры

Поиск по сайту: