Поверхностные акустические волны (ПАВ) находят широкое применение при разработке фильтров и линий задержек, применяемых в радиотехнических устройствах. В последнее время ПАВ используются также при разработке измерительных преобразователей.
Известно несколько видов ПАВ, наиболее часто на практике применяют волны Релея. Смещение частиц твердого тела при распространении волны Релея в направлении оси Х иллюстрируется рис. 2-22, а. Как видно из рис. 2-22, а, волны распространяются вблизи границы твердого тела и затухают почти полностью на расстоянии z от поверхности, примерно равном длине волны l. Одной из основных причин возрастающего интереса к ПАВ является именно сосредоточенность энергии в тонком слое, так как благодаря этому к технологии изготовления ПАВ-элемента предъявляется лишь одно требование – тщательная обработка рабочей поверхности, по которой распространяется акустическая волна.
Для возбуждения ПАВ на поверхность пьезоэлемента наносятся гребенки встречно включенных электродов (рис. 2-22, б), представляющие собой встречно-штыревой преобразователь (ВШП), имеющий шаг l 0= l. При подключении напряжения к электродам ВШП под ними вследствие обратного пьезоэффекта происходят смещения частиц и возникает ПАВ, распространяющаяся в обе стороны. Если при этом длина волны совпадает с шагом ВШП, то вследствие суперпозиции колебаний, возникающих под каждой парой электродов, суммарная энергия ПАВ достигает максимума; если длина волны не совпадает с шагом ВШП, энергия ПАВ уменьшается и при определенном соотношении между l и l 0 волна за пределами ВШП может полностью погаситься.
|
|
Для приема энергии ПАВ используется второй ВШП, также имеющий шаг, равный длине волны. На электродах приемного ВШП вследствие прямого пьезоэффекта возникают заряды и появляется напряжение. Линия задержки состоит из входного и выходного ВШП. В первом приближении оба ВШП можно рассматривать как локальные электроды, расположенные на расстоянии L, равном расстоянию между геометрическими центрами ВШП. Время задержки t равно времени прохождения акустической волны между ВШП, т. е.
t = L/u,
где u = – скорость распространения ПАВ; Eij – константа упругости; r – плотность материала.
В кварце Y -среза скорость распространения ПАВ равна u= 3159 м/с; таким образом, при L = 10 мм время задержки составляет около 3 мкс. Длина волны l определяется скоростью распространения uичастотой возбуждения волн и составляет l= u /f. Современная технология обеспечивает возможности создания ВШП с шагом до l 0 = 10 мкм; таким образом, рабочие частоты ПАВ могут лежать в диапазоне до 300 МГц.
|
|
Рис. 2-22
ПАВ-структура может быть использована в качестве частотозадающего элемента автогенератора (рис. 2-22, в); при этом, как следует из условия баланса фаз (фазовыми сдвигами в электрических цепях пренебрегаем), на длине L должно укладываться целое число волн. Фазочастотная характеристика линии задержки определяется как j (w)= –wt. Значение эквивалентной добротности определяется формулой:
и составляет Q экв= pw0t L /(2l).
Длина L ограничена размерами ПАВ-структуры и затуханием энергии ПАВ и не превышает L = 500l; таким образом, добротность равна Q экв»103.
Изменение времени задержки ПАВ-структуры под воздействием внешних факторов используется в измерительных преобразователях с частотнымвыходом. При изменении t относительное изменение частоты генератора составляет
Dw/w0=–Dt/t0.
Изменение времени задержки t = L/u определяется изменением длины L и фазовой скорости uи равно
Dt/t= D LIL–DЕij/ (2Eij) + Dr/(2r).
Изменение времени задержки может происходить при механических деформациях ПАВ-структуры, под воздействием температуры, при нагружении поверхности тонкими пленками (толщина пленки h' < 0,1 l), при изменении зазора d между поверхностью распространения ПАВ и токопроводящим экраном (d < 1). Соответственно на базе ПАВ-структур могут быть созданы преобразователи для измерения механических величин (Dt/t–до 1%), температуры (Dt/t–до 1%), микроперемещений, для микровзвешивания и исследования параметров тонких пленок (Dt/t–до 10%). При бесконтактной системе возбуждения ПАВ-преобразователи могут быть использованы также для измерения перемещения объекта, вызывающего перемещение одного из ВШП и приводящего к изменению L.
Рис. 2-23 |
Возможности построения на ПАВ-структурах преобразователей для измерения механических величин подробно исследованы в МИФИ В.М. Макаровым и В.В. Маловым, ими же разработан ряд преобразователей для измерения сил, давлений и ускорений. Схематическая конструкция акселерометра на ПАВ-структуре показана на рис. 2-23. На консольной балке 2 закреплена инерционная масса 3. Балка выполнена из кварца, и на верхней поверхности балки методами планарной технологии нанесены ВШП с числом электродов N возб = 150 и N прием = 50. На пластине 1 размещены электронные элементы измерительной цепи. Собственная частота балки f 0» 750 Гц, чувствительность акселерометра S» 0,1 (кГц·с2)/м, предел измерения до 350 м/с2, погрешность g» 0,5%.
2.4. Электростатические преобразователи
Принцип действия и область применения электростатических преобразователей. Использование в вольтметрах и датчиках уравновешивания. Емкостные преобразователи. Измерительные цепи емкостных преобразователей
Простейший электростатический (ЭС) преобразователь содержит два электрода площадью S, параллельно расположенных на расстоянии d в среде с диэлектрической проницаемостью e.
С электрической стороны преобразователь характеризуется напряжением U между пластинами, зарядом q = CU, где С – ёмкость, равная при плоскопараллельном расположении пластин С = e S /d (без учета краевого эффекта), током i = dq/dt, энергией электрического поля WЭ = qU/ 2= CU2/ 2. Если одна из пластин (или диэлектрик между ними) имеет возможность перемещаться, то с механической стороны преобразователь характеризуется жесткостью подвеса подвижной пластины w, перемещением ее х, скоростью перемещения u=dx/dt и электростатической силой притяжения f эс= dWэ/dx [1].
Взаимосвязь механической и электрической сторон преобразователя отражается уравнениями:
dF=wx+E 0 C 0 u; dq=E 0 C 0 x+C 0 u.
Эквивалентная схема ЭС преобразователя, схематическая конструкция которого показана на рис. 2-24, а, приведена на рис. 2-24, б. В эквивалентной схеме учитываются емкость С 0 между электродами 1 и 2, сопротивление R ут изоляции между электродами, сопротивление r и индуктивность L кабеля К и его заземленным экраном Э.
|
|
Влияние отдельных элементов схемы учитывается в зависимости от конкретных обстоятельств. Так, при работе на низкой частоте сопротивление конденсатора велико и влияние индуктивности и сопротивления ввода не сказывается. При работе на высоких частотах сопротивление конденсатора падает и большую роль начинают играть индуктивность и сопротивление ввода, в то время как шунтирующее действие сопротивления утечки перестает сказываться. В этом случае удобнее последовательная эквивалентная схема преобразователя (рис. 2-24, в), где r экв= r и С экв= С 0+ С п. Влияние сопротивления утечки может быть учтено соответствующей добавкой в сопротивлении r экв= r +1/(w2 C 2экв R ут). Действие индуктивности токоподводов начинает сказываться обычно на частотах свыше 10 МГц.
В эквивалентной схеме ЭС преобразователя с диэлектриком должны быть учтены потери в последнем. Из-за потерь в ЭС преобразователе сдвиг фаз между напряжением и током оказывается меньше p/2 на угол потерь d. Последовательная и параллельная схемы, учитывающие потери в диэлектрике, представлены на рис. 2-27, г. Эквивалентные сопротивления для этих схем выражают часто через приводимый в справочных данных тангенс угла потерь d как r 1экв=tgd/(w C 1экв) или R 2экв=1/(w2эквtgd). Емкости С 1экв и С 2экв связаны между собой зависимостью С 2экв= С 1экв/(1+tgd), и, так как обычно tgd<<1, их можно считать приблизительно равными: С 1экв» С 2экв» С экв. В образцовых воздушных конденсаторах tgd не превышает 5·10-5, так как определяется только потерями в изоляции между электродами и в материале электродов.
В конденсаторах с диэлектриком угол потерь значительно больше и, кроме того, может зависеть от напряжения на конденсаторе, частоты, температуры и влажности. В частности, зависимость от влажности настолько существенна, что на этом принципе строятся измерители влажности зерна и некоторых других сыпучих материалов.
В некоторых случаях при наличии диэлектрика между электродами преобразователя приходится считаться с тем, что после поляризации диэлектрики еще в течение какого-то времени (0,1 – 2 с) сохраняют заряд (абсорбция), что приводит к остаточным напряжениям, достигающим нескольких процентов от значения приложенного напряжения. Влияние абсорбции в эквивалентной схеме конденсатора в первом приближении можно учесть включением параллельно емкости С 0 цепочки, состоящей из емкости С а, и сопротивления R а. Поэтому полная эквивалентная схема ЭС преобразователя может быть представлена в виде рис. 2-24, д.
|
|
Рис. 2-24
При работе ЭС преобразователей на постоянном токе нужно учитывать существующую между электродами контактную разность потенциалов (КРП), включаемую в эквивалентной схеме последовательно с емкостью. КРП зависит от природы материалов, свойств и чистоты поверхности и существует даже между электродами, выполненными из одного и того же материала. Так, между электродами, выполненными из алюминия высокой чистоты, КРП может достигать 1 В. Лишь применение специальных мер позволяет снизить КРП до значения 10— 20 мВ.
Допустимое напряжение на конденсаторе определяется значением напряженности, при которой наступает пробой воздушного промежутка. Для воздуха при нормальном давлении и зазорах между пластинами 0,1 – 10 мм эта напряженность составляет 2 – 3 кВ/мм. При зазорах, меньше 0,1 мм можно не снижать напряжения, так как при напряжениях, меньше 350 В воздушный промежуток вообще не пробивается независимоот длины зазора.
В ряде случаев напряжение питания ограничивается допустимыми силами электростатического притяжения между пластинами. В одинарном преобразователе при диаметре пластины d = 25 мм, зазоре d = 0,1 мм и напряжении U = 50 В значение электростатической силы достигает f эс =U2 e S/ (2d)2 = 6·10-4 Н.
В дифференциальном преобразователе с переменным зазором (см. рис. 2-24, д), силы, действующие между парами пластин, направлены встречно и компенсируют друг друга. Однако полная компенсация возможна только, если входное сопротивление цепи, включенной в диагональ моста, бесконечно велико и рабочие емкости ничем не шунтируются. В этом случае уменьшение или увеличение зазора вызывает пропорциональное уменьшение или увеличение напряжения между соответствующими пластинами; сила, действующая между ними, остается неизменной, т.е. разность сил равна нулю независимо от перемещения средней пластины.
Зависимость емкости от внешних условий. Относительное изменение емкости С= e S /d определяется как gC=ge+g S –gd. Площадь S, как правило, определяется линейными размерами, составляющими 10 – 100 мм, и изменение этих размеров на 0,1 – 1 мкм вызывает пренебрежимо малое изменение площади S и емкости С.
Зазор d в ЭС преобразователях составляет 10 мкм – 1 мм, и его изменения даже на 0,1 мкм могут вызвать существенную погрешность. Поэтому при конструировании ЭС преобразователей должны быть тщательно продуманы вопросы крепления электродов и защиты от выпадения на рабочих плоскостях электродов каких-либо осадков (герметизация, вакуумирование и т.д.). Одной из основных причин изменения зазора является изменение геометрических размеров, вызываемых линейным расширением материалов под действием температуры.
Диэлектрическая проницаемость воздуха весьма стабильна и мало меняется под действием внешних условий: при изменении температуры на 10 °С ge = 0,002%, при изменении влажности от 30 до 40% ge=0,01%, при изменении давления на 105 Н/м2 ge = 0,06%. Стабильными диэлектриками являютсятакже плавленый кварц (ge= 5·10-6 K-1) и стекло.
Диэлектрическая проницаемость ряда керамик, в особенности сегнетокерамик, наоборот, сильно зависит от напряженности приложенного электрического поля, температуры и гидростатического давления. На основе сегнетокерамических материалов выпускаются различные типы варикондов — переменных конденсаторов с нелинейной зависимостью емкости от приложенного напряжения, используемых в схемах допускового контроля напряжения, а также сегнетокерамические преобразователи реле контроля температуры. Достоинства сегнетокерамических преобразователей – малое потребление мощности (сопротивление между электродами на постоянном токе 108 – 109 Ом) и, следовательно, малый самонагрев. Недостатками, мешающими их широкому использованию в измерительных цепях, являются плохая воспроизводимость характеристик у различных образцов и критичность к влиянию внешних факторов. Например, характеристики варикондов зависят от температуры, а температурные характеристики реле контроля температуры зависят от напряженности поля.