С точки зрения повышения рабочих частот наиболее предпочтительнее материалы с большим значением скорости. Линейные размеры устройств также связаны с длиной волны. Они на практике составляют величину порядка 100 длин волн. Следовательно для низкочастотных приборов на ПАВ (частоты менее 10-100 МГц) необходимо выбирать материалы с низкой скоростью распространения (1000-2000 м/с).

Уровень потерь энергии при распространении ПАВ (коэффициент затухания). Его определяют с помощью зависимости:

BM=αMf+βMf 2,(2.1)

где αM и βM – коэффициенты, характеризующие потери засчет воздушной нагрузки и вязкостных свойств материала, f – частота, ГГц.

Данная зависимость получена теоретически и подтверждена экспериментально для различных материалов и из срезов. Первое слагаемое вносит свой вклад лишь в том случае, если кристалл находится в воздухе или инертном газе и равно нулю в вакууме. Второе слагаемое обусловлено взаимодействием ПАВ с колебаниями кристаллической решетки.

При проектировании акустоэлектронных устройств, работающих на частотах менее 50 – 100 МГц потерями на распространение волн чаще всего пренебрегают. В то же время, на высоких частотах они вносят весомый вклад и обязательно должны быть учтены при выборе материала для АЭУ.

На рисунке 2.1 изображены зависимости величины вносимых потерь в зависимости от частоты работы устройства для некоторых материалов.

Рисунок 2.1 – Зависимости вносимых потерь от частоты при распространении ПАВ на поверхности монокристаллов ниобата лития, лангасита, ортофосфата галлия.

Затухание ПАВ также существенно зависит от состояния поверхности подложки Следовательно в процессе изготовления АЭУ подложки звукопроводов должны быть тщательно отшлифованы и очищены. Кроме того затухание ПАВ уменьшается и при охлаждении материала.

Параметры дифракции. Как и в оптических структурах, в приборах акустоэлектроники наблюдается явление дифракции звуковой волны (рисунок 2.2). Это приводит к расхождению пучка ПАВ и потере части энергии волны. Наибольшему влиянию дифракции подвержены устройства с аподизированными преобразователями (преобразователи с изменяющейся величиной перекрытия электродов).

Рисунок 2.2 – Дифракция пучка ПАВ

Так как монокристаллы анизотропны и их характеристики акустических волн зависят от выбранного направления распространения, то картина дифракции в них усложняется в сравнении с изотропными материалами. Скорость ПАВ при разных направлениях различна, что приводит к увеличению или уменьшению расходимости пучков. Последний эффект называется автоколлимацией, Она приводит к уменьшению дифракционных потерь и особо важна в линиях задержки с большим временем задержки и в устройствах с протяженными электродными структурами. Степень дифракции для каждого конкретного пьезоэлектрического материала фиксирована. В монокристаллах она оценивается параметром анизотропии γ. Величина и знак определяют степень дифракции поверхностных волн. В изотропной среде γ = 0; при γ > 0 дифракционные потери больше, чем в изотропной среде, при γ < 0 потери меньше, чем в изотропной среде. Если γ = –1, в анизотропной среде наблюдается автоколлимация, при которой расширение акустического пучка минимальное или отсутствует. Приведем значения параметров анизотропии и величины угла отклонения потока энергии для некоторых материалов.

Таблица 2.1 – Значения параметра анизотропии γ и величины угла отклонения потока энергии для некоторых материалов акустоэлектроники

По мере удаления от излучателя изменяются и профили интенсивности ПАВ. Как и в классической оптике можно ввести безразмерный параметр Френеля.

,

где λ - длина волны; D – расстояние от преобразователя до точки наблюдения; H - апертура преобразователя

Значение F < 1 соответствует зоне Френеля (или ближней зоне). В этой зоне наблюдается четко выраженный акустический луч и его энергия сосредоточена в полосе, «освещаемой» апертурой преобразователя. Значение F > 1 соответствует зоне Фраунгофера (или дальней зоне), в которой акустический луч «разваливается». Очевидно, что для того чтобы вся акустическая энергия, излученная входным преобразователем, была принята выходным, преобразователи должны быть расположены в ближней зоне друг относительно друга.

Величина угла отклонения потока энергии

Если направление распространения ПАВ не совпадает с так называемым направлением чистой моды (ее угловое положение задается углом ψ0), то наблюдается отклонение потока энергии от направления распространения на угол φ (рисунок 2.3). Угол φ определяется соотношением:

φ =γ(ψ - ψ0)

где γ – параметр анизотропии; ψ – угол, определяющий направление распространение волны.

Желательно выбирать материалы с φ=0, но данное условие не всегда выполнимо. В таком случае управлять отклонением потока энергии можно засчет изменения положения элементов друг относительно друга.

Рисунок 2.3 – Схематическое представление профилей ПАВ при их распространении по монокристаллической подложке

Потери, вызванные отклонением потока энергии существенны и могут достигать 2-6 дБ.

В заключении сформулируем общие требования к идеальному материалу:

- Большой КЭМС;

- Низкая скорость ПАВ;

- Низкий уровень потерь;

- Наличие направлений с нулевым ТКЗ;

В дальнейшем при выборе материала звукопровода будем руководствоваться данными требованиями.

2.1.2 Выбор материала подложки (звукопровода)

В таблице 2.2 в качестве сравнительной характеристики приведены основные параметры материалов акустоэлектроники.

Таблица 2.2 – Основные параметры материалов подложек

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24