В качестве материала подложки выберем монокристалл ниобата лития. Как видно из таблицы 2.2 данный материал обладает довольно большим коэффициентом электромеханической связи, что позволит реализовать широкополосное устройство. На рисунке 2.1 наглядно проиллюстрирован тот факт, что величина вносимых потерь на частотах до 1ГГц в данном материале не превышает 0,5 дБ/мкс. Следовательно проектируемое устройство будет работать с минимальными потерями. К тому же, ниобат лития обладает приемлемыми скоростями распространения ПАВ в диапазоне 3000-4000м/с. Значения скорости, необходимые для устройства, работающего по принципу линии задержки на частотах более 100МГц, укладываются в данный интервал. Ввиду того что пьезоэлектрические материалы анизотропны, то важен становится не только сам выбранный материал, но и его срез и направление распространения акустических волн. Наиболее подходящим срезом для выбранного монокристалла ниобата лития является срез YZ, так как он обладает в этом направлении нулевым углом отклонения потока энергии φ и параметр анизотропии γ близок к -1 (таблица 2.1). Это означает, что будет обеспечена высокая направленность пучка ПАВ.

2.1.3 Выбор материала для металлизации поверхности

Как и для материалов звукопроводов акустоэлектронных устройств, для проводящего покрытия также существуют определенные требования:

1)                Минимальное электрическое сопротивление;

2)                Высокая адгезия;

3)                Однородность по структуре, составу, толщине;

4)                Коррозионная стойкость;

5)                Хорошая растворимость в травителе;

6)                Технологичность;

7)                Стабильность основных физико-химических свойств от партии к партии.

Дополнительными требованиями являются:

1)                Малое различие акустических сопротивлений материала металлизации и звукопровода;

2)                Низкая удельная плотность во избежание сильных отражений;

3)                Слабые дисперсионные свойства.

В таблице 2.3 указаны акустические и дисперсионные свойства выбранного в качестве материала звукопровода ниобата лития

Таблица 2.3 – Акустические и дисперсионные свойства ниобата лития среза YZ и материалов металлизации

При изготовления устройств на ПАВ для металлизации широко используются алюминий, серебро, золото, иногда медь с защитой никелем. В таблице 4 приведены акустические и дисперсионные свойства ниобата лития в сочетании с различными типами металлического покрытия.

Для фильтров на ниобате лития отражение за счет несоответствия акустических сопротивлений материалов звукопровода и покрытия минимальны при использовании серебра, но при этом велики дисперсионные искажения и увеличивается составляющая коэффициента отражения от границ электродов из за роста нагружающей массы. Дешевизна алюминия и возможность получения низкого сопротивления пленочных проводников, делает данный наиболее пригодным для нашего устройства.

2.2           Расчет основных элементов метки

2.2.1 Выбор приемо-передающего ВШП

Основным конструктивным элементом любого акустоэлектронного устройства на ПАВ является преобразователь. Наиболее простым и эффективным способом приема и возбуждения ПАВ является использование ВШП. Существует множество различных конструкций таких преобразователей. Наиболее оптимальным решением является однонаправленный ВШП, так как он обеспечивает распространение пакета ПАВ лишь в одном направлении, и тем самым потери на преобразование электромагнитного сигнала в поверхностные акустические волны минимальны. Рассмотрим типовые конструкции однонаправленных ВШП.

На рисунке 2.4 изображен однонаправленный ВШП, одна из половин которого смещена на половину длины волны и служит отражателями для обратной ПАВ. Основным достоинством данного преобразователя является высокочастотность. Поскольку для повышения эффективности отражения требуется большое количество электродов, этот тип преобразователей является узкополосным с большим уровнем боковых лепестков.

Решить эти проблемы позволяет модифицированный однонаправленный ВШП (рисунок 2.5). Однако верхняя граничная частота такого преобразователя ниже в 2 раза.

Рисунок 2.5 – Модифицированный однонаправленный ВШП

Эффективность возбуждения ПАВ зависит от ширины электродов, поэтому, изменяя ширину электродов вдоль направления распространения звуковой волны (рисунок 2.6), можно равномерно взвесить преобразователь в соответствии с заданной импульсной характеристикой. Этот метод взвешивания может рассматриваться как широтно-импульсная модуляция сигнала. Основным недостатком этого метода взвешивания является чувствительность к технологическим погрешностям и требование к высокой разрешающей способности фотолитографии при изготовлении. Кроме того, диапазон взвешивания амплитуд парциальных волн очень мал и не превышает 2,5:1, что существенно ограничивает класс реализуемых частотных характеристик.

Рисунок 2.6 – Однонаправленный ВШП со взвешиванием ширины электродов

Данный преобразователь обеспечивает однородность звукового пучка по апертуре.

Предлагается использовать следующий однонаправленный преобразователь (рисунок 2.7). Он обладает преимуществом предыдущего, но вместе с этим устраняет существенный недостаток – высокие требования к разрешающей способности фотолитографии, а следовательно и невозможность изготовления высокочастотного устройства из за наличия межэлектродных зазоров равных l/8. Это достигается тем, что в преобразователе, содержащем звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены элементарные секции, содержащие противофазные электроды и отражающие электроды, ширины электродов первой фазы выбраны равными l/4 и l/2 соответственно и расположены с периодом 2l, а между ними расположены электроды противоположной фазы и отражающие электроды шириной l/4 с периодом 2l таким образом, что ближайшими электродами для них являются электроды первой фазы, все зазоры выполнены равными 3l/16, l - длина ПАВ на средней частоте преобразователя [13].

1 – Электроды первой фазы; 2 – электроды второй фазы; 3 – отражатель.

Рисунок 2.7 – Однонаправленный ВШП с внутренними отражателями.

Преобразователь содержит пьезоэлектрический электроды первой фазы 1 с ширинами электродов l/4 и l/2 соответственно с периодом 2l, между ними расположены электроды противоположной фазы 2 и отражающие электроды 3 с ширинами l/4 и периодом 2l. Межэлектродные зазоры 5 выполнены равными 3l/16.

При подаче электрического сигнала на противофазные электроды 1 и 2 в подложке возбуждаются ПАВ, которые распространяются в противоположные стороны от парциальных встречно-штыревых преобразователей (ВШП), образованных широким (l/2) и узким (l/4) электродами первой фазы 1 и электродом 2 противоположной фазы, находящимися между ними. ПАВ отражаются парциальными ВШП образованными узким и широким электродами первой фазы 1 и отражающим электродом 3, находящимся между ними. Расстояние между центрами отражающих парциальных ВШП, находящихся справа и слева от излучающего ВШП равны 7l/8 и 9l/8 соответственно. При отражении от ВШП с тремя штырями меняет ПАВ фазу на p/2. Тогда фаза отраженной справа ПАВ равна 3p, а слева - 4p, т.е. отраженная слева ПАВ находится в противофазе с излученной ПАВ, а справа – в фазе. Так как отражательные парциальные ВШП расположены с периодом 2l, то все отраженные ПАВ будут складываться в фазе и при некотором числе отражателей амплитуда ПАВ , находящихся в противофазе с излученными ПАВ станет близка к их суммарной амплитуде, что приведет к преимущественному излучению ПАВ влево, т.е. к однонаправленному режиму. Так как коэффициент отражения от отражательных парциальных ВШП с числом электродов равным трем (Nk2эфф<<w0CT, СТ – статическая емкость парциального ВШП, k2эфф –квадрат коэффициента электромеханическрой связи, w0=2pf0, f0 – средняя частота преобразователя) равен 4k2эфф/p, то число отражающих парциальных ВШП равно M³p/(4k2эфф).

2.2.2    Расчет основных параметров приемо-передающего ВШП

Для осуществления дальнейших расчетов необходимо задаться начальными параметрами и выбрать частоту акустического синхронизма ВШП.

Пусть минимальное расстояние между отражательными ВШП составляет 15мкм. Зная скорость распространения звука на подложке ниобата лития и квадрат коэффициента электромеханической связи, можно приближенно вычислить скорость распространения ПАВ на металлизированной поверхности:

k2=2ΔV/V=2(V-Vm)/V,

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