А К У С Т О Э Л Е К Т Р О Н И К А

БАРСУКОВ Р.В.

А К У С Т О Э Л Е К Т Р О Н И К А

(КУРС ЛЕКЦИЙ)

Бийск 2005

Пьезорезонаторы. Параметры и режимы работы.

 

Пьезокерамические резонаторы (ПР) широко применяют для возбуждения различных колебаний; обычно они работают в резонансном режиме. Для определения параметров ПР используют схемы замещения и частотные характеристики представленные на следующем рисунке:

Рисунок 4 - Схема замещения резонатора и частотные зависимости его параметров

 

На оси абсцисс отмечен ряд характерных частот:

f_m — частота ПР, соответствующая |z|_min;

f_s — частота ПР при последовательном резонансе;

f_p — резонансная частота ПР;

f_x — частота, соответствующая Xs max;

F_a — антирезонансная частота ПР;

f_r — частота ПР при парралельном резонансе;

f_n — частота ПР, соответствующая |z|_max;

 

Кроме отмеченных характерных частот, ПР так же характеризуют следующими параметрами:

r=C_Э/C_M — емкостной коэффициент;

M=Q_M/r — коэффициент качества ПР;

Q_M=w_SL_M/R_M — добротность ПР;

 

Характреристические частоты определяют из следующих соотношений:

Значения характеристических частот близки друг к другу, т.к. а, поэтому на практике из шести характеристических частот используют обычно две f_p и f_a.

 

Поверхностные акустические волны

 

Рассмотрим волны Релея. Эти волны существуют только вблизи поверхности среды, отсюда название поверхностные. Поверхностные акустические волны находят широкое техническое применение в основном вследствие того, что их энергия сконцентрирована в сравнительно небольшом слое толщиной порядка одной длины волны вблизи поверхности.

Если среда является пьезоэлектрической, то электрические поля, связанные с такой волной, должны возрастать вблизи поверхности.

Скорость распространения поверхностной волны V_R меньше скорости распространения поперечной V_S и продольной V_l волн.

Скорость волны Релея V_R изменяется от 0, 87V_S до 0, 95Vs при увеличении коэффициента Пуансона от 0 до 0.5.

Поверхностные волны легли в основу устройств на ПАВ. В большинстве таких устройств основная часть энергии сосредоточена в приповерхностном слое толщиной 1-100 мкм.

Поверхностные волны легко возбудить в любой точке поверхности и удобно принимать в любой другой ее точке.

Поскольку волны распространяются по поверхности, в различных точках на пути распространения волны можно снимать сигналы с различной задержкой.

Для преобразования электрического сигнала в ПАВ и наоборот применяют встречно- штыревые преобразователи (ВШП).

 

 

 

 

Рисунок 5 - Механизм возбуждения поверхностной волны на поверхности пьезоэлектрической пластинки.

 

Рисунок 6 - Простой а) и многоэлектродный б) встречно-штыревые преобразователи.

 

В случае многоэлектродного ВШП каждая пара электродов возбуждает волну Релея, а расположение пар подбирается так, чтобы возбужденные волны усиливали друг друга. Это возможно если расстояние между соответствующими штырями соответствует длине волны.

ВШП имеют очень малые размеры. Например, для возбуждения волны на частоте 40 мГц - ширина каждого электрода будет составлять не более 20 мкм. Скорость волны Релея в используемых материалах (ниобат лития) составляет 3, 3 км/с, поэтому на частота 40 мГц длина волны 80 мкм. На частоты 1 Ггц расстояние между электродами составляет 0.8 мкм.

Для изготовления преобразователей таких размеров можно использовать хорошо освоенные методы фотолитографии, которые применяются в полупроводниковой промышленности.

 

Рисунок 13 - Эквивалентная электрическая схема ЛЗ ПАВ.

 

Входной и выходной преобразователи ЛЗ ПАВ представлены эквивалентными электрическими шестиполюсниками, характеризуемыми матрицами Y-параметров. Пьезоэлектрический звукопровод между входными и выходными преобразователями представлен на схеме электрическим аналогом - отрезком длинной линии с характеристическим сопротивлением Z₀ и длинной l. Отсутствие отражения от краев пьезоподложки учтено тем, что внешние акустические входы преобразователей нагружены на характеристическое сопротивление упругой среды Z₀.

Для эквивалентной схемы ЛЗ ПАВ (рис. 13) с использованием граничных условий на внешних акустических входах:

и связи между внутренними акустическими входами через отрезок длинной линии, можно получить матрицу Y параметров:

где

c - коэф-т, учитывающий в первом приближении потери при распространении ПАВ в пьезозвукопроводе м-у преобразователями из-за затухания и расхождения ПАВ, разюстировки преобразователей и т.д.

Задержка сигнала при распространении ПАВ между преобразователями учитывается в Y₁₂ сомножителем .

Используя данную модель необходимо помнить, что она не учитывает расхождение ПАВ при распространении вдоль ЛЗ и ВШП.

Исходя из полученных Y параметров можно получить выражения для коэффициентов передачи линии задержки по напряжению и току.

 

 

Рисунок 14 - Схема подключения генератора и нагрузки к ЛЗ ПАВ

 

Так, для схемы включения генератора и нагрузки изображенной на рисунке 14, коэффициенты передачи по напряжению и току с первого входа ЛЗ на ее второй вход имеют вид:

В ЛЗ на ПАВ имеются отражения от входного и выходного ВШП, что приводит к искажениям амплитудных и фазовых характеристик. Для уменьшения этих искажений применяют низкоомную нагрузку и источник с малым внутренним сопротивлением . В этом случае режим работы преобразователей близок короткому замыканию и при этом ПАВ не отражаются от преобразователей.

Для передачи максимальной мощности через ЛЗ ПАВ очевидны требования согласования генератора и нагрузки с входным и выходным сопротивлением ЛЗ ПАВ.

В первом случае от генератора во входной преобразователь ЛЗ ПАВ передается максимальная мощность сигнала, во втором – в нагрузку передается максимальная мощность, выделяемая приходящей на выходной преобразователь поверхностной акустической волной.

 

Условие согласования генератора и нагрузки имеет следующий вид:

 

Yн=(Y₂₂ – Y²₁₂/(1/z_r+Y₁₁))

Рисунок 15 - Линия задержки на ПАВ с разъюстированным преобразователем.

 

На рис. 15 показана ЛЗ ПАВ, у которой один из преобразователей повернут относительно другого на некоторый угол . Мощность основного сигнала Р_осн при малых падает незначительно. Это уменьшение можно характеризовать величиной , равной

 

W – апертура излучателя и приемника (длинна полосок ВШП).

 

Отражательные решетки

 

Отражательные решетки ПАВ являются основным элементом резонаторов на ПАВ. Они образуются периодическими нарушениями структуры поверхности пьезокристалла и представляют собой распределенный отражатель с пространственным периодом, равным обычно половине рабочей длины ПАВ. Каждый из его элементов отражает лишь малую часть падающей на него акустической волны. Однако за счет синфазного сложения большого числа отраженных частичных волн общий коэффициент отражения на рабочей частоте получается близким к единице, но и существенно частотно - зависящим, так как синфазное сложение возможно лишь вблизи рабочей частоты решетки.

Неоднородности структуры поверхности пьезокристалла, необходимые для реализации отражающих решеток, можно создать разными способами, например, нанесением на его поверхность проводящих или непроводящих полосок. В первом случае металлические полоски закорачивают электрическое поле в той части поверхности пьезокристалла, на которую они нанесены, что, в основном, и вызывает локальное изменение скорости ПАВ. Во втором случае неоднородность создается за счет внесения дополнительной массовой нагрузки на поверхность пьезокристалла. Нарушение структуры поверхности может быть также создано путем травления или фрезерования канавок.

 

 

Рисунок 16 - Пример отражающих элементов. 1 - проводящие полоски, 2 – непроводящие полоски, 3 – канавки.

Рассмотрим действие распределенного отражателя на модели отражательной решетки, выполненной в виде неоднородной линии передачи ПАВ, характеристическое сопротивление которой периодически скачком изменяется от Z₀₁ до Z₀₂.

 

 

 

Рисунок 17 - Модель отражательной решетки

 

Z=Z₀₂/Z₀₁=1+e; e - параметр рассогласования.

 

Данная отражательная решетка имеет модуль коэффициента отражения r равный:

r= ; b²= sh (N₀D) при h²> 0

b²= sin (N₀D) при h²< 0

D= ; h²=e²sin²(pt) -d² ; d=p(w-w₀)/ w_с;

N₀ – количество отражающих полосок;

w_с – центральная частота отражения (резонансная).

Выражения получены для расстроек, удовлетворяющим условию |d|< =0.4 и 0.3< t< 0.7

Рабочая частота отражательной решетки определяется выражением:

w_с= ( - )^-1 » p

d - период решетки;

V, V_m – скорости на свободной поверхности и металлизированной поверхности.

Максимальное значение (r₀) коэффициент отражения принимает, когда отражение от каждой полоски акустической волны складывается синфазно.

 

r₀=|th(N₀e sin(pt))|

 

 

Рисунок 18 - Зависимость модуля коэффициента отражения на центральной частоте от количества отражающих элементов при e=0.004

Конструкции резонаторов

 

Резонатор ПАВ представляет собой пьезозвукопровод, на концах которого располагаются две обычно одинаковые отражающие решетки.

Решетки действуют как распределенные отражатели, между которыми образуется резонансная полость. Энергия колебаний подводится и выводится из резонансной полости ВШП, которых может быть один или два. В первом случае резонатор называют одновходовым, а во втором - двухвходовым.

Добротность резонаторов на ПАВ достигает 5*10⁵ а рабочие частоты достигают 10 ГГц.

Рисунок 19 - Резонаторы на ПАВ:

а) одновходовой, б) двухвходовой; 1- отражательная решетка,

Рисунок 20 – Топологии резонаторов на ПАВ и их электрические эквивалентные схемы

а) одновходовой резонатор

б) двухвходовой резонатор

в) связный резонатор

Связанный резонатор (рис. 20.в) представляет собой два одновходовых резонатора, между которыми установлена слабая связь, позволяющая энергии колебаний проникать из одной резонансной структуры в другую.

Применение связанный резонаторов в управляемых генераторах позволяет расширить диапазон перестройки частоты их.

Рисунок 24 - Основные типы и конструкции ПТ.

 

Особенностью пьезокерамических транс­форматоров является резонансный характер преобразования энер­гии в сравнительно узкой полосе частоты механического резонан­са, когда амплитуда механических внутренних напряжений дости­гает максимального значения.

По типу возбуждения объемных волн деформаций в ПТ их условно подразделяют на сдвиговые, изгибные и продольные.

Пьезотрансформаторы сдвигового и изгибного типов нашли применение при передаче малых уровней электрических сигналов: ПТ на сдвиговых волнах используют в области частот от 0, 5 МГц и выше; ПТ на изгибных волнах используют в низкочастотной области — до единиц килогерц.

Наибольшее распространение получили ПТ пластинчатого типа с возбуждением объемных продольных колебаний в направлении ширины или длины пьезопластины.

В зависимости от направления вектора поля­ризации и направления распространения возбуждаемых колебаний пьезотрансформаторы подразделяют на поперечно-продольные, поперечно-поперечные, продольно-продольные и продольно-поперечные. В зависимости от назначения ПТ разделяют на повышающие и понижающие.

Одна из первых конструкций высоковольтных ПТ показана на рис. 1, а. Коэффициент трансформации такого ПТ достигает 100 в нагруженном состоянии и более 1000 при отсутствии нагрузки. На этом же рисунке даны распределение внутренних механических деформаций и смещение отдельных частей пьезоэлемента; такие ПТ эффективно работают как на основной, так и на второй гар­монике собственного механического резонанса.

 

Для преобразования повышенной мощности наиболее оптимальными являются ПТ с пьезоэлементом в виде цилиндра (рис. 1, г), отличающиеся высокой прочностью при работе в сильных динамических полях и моночастотностью амплитудно-частотных характеристик (АЧХ).

 

 

 

Рисунок 25 – Геометрические размеры пластинчатых ПТ

 

Зависимость скорости распространения упругих волн в ограниченной среде пьезопластины от ее геометрического (поперечного) размера может быть представлена выражением:

 

 

где σ — коэффициент Пуассона, b — поперечный размер, λ — длина продольной волны.

 

Рабочие частоты ПТ и его геометрические размеры можно определить из графика на рисунке 26.

 

 

Рисунок 26 – Зависимость изменения относительной скорости упругих волн от поперечного размера пьезопластины b.

 

К* - нормировочный коэффициент, равный отношению скорости звука в пьезопластине к скорости звука в неограниченной среде.

 

Зависимость коэффициента трансформации Ки для высоко­вольтного ПТ поперечно-продольного типа от его размеров b/l приведена на следующем рисунке:

 

Рисунок 27 – Экспериментальные графики изменения коэффициента трансформации ПТ поперечно-продольного типа от отношения ширины к длине.

 

1 – 2-я гармоника, Rн=200 Мом

2 – 1-я гармоника, Rн=200 Мом

3 – 2-я гармоника, Rн=50 Мом

4 – 1-я гармоника, Rн=50 Мом

 

 

Оптимальные геометрические соотношения для симметричного ПТ приведены на следующем рисунке:

 

Рисунок 28 – Области оптимальных соотношений геометрических размеров ПТ из пьезокерамики ПКД-124-1Т

 

Соотношения справедливы при условии слабых электрических полей и ненагруженном режиме (при Rн > 200 МОм).

 

Пьезопластина ПТ имеет конечные и соизмеримыеразмеры, поэтому возбуждение продольных волн сопровождается появлением дополнительных мод колебаний, например поперечных, изгибных и сдвиговых. Возникновение колебаний побочных типов и особенно изгибных приводит к дополнительным внутренним потерям и нередко к разрушению самой пьезопластины.

 

Выбор конструкции ПТ и его рабочей частоты определяется в основном требованиями его выходных электрических параметров (Ku, Pmax, КПД).

 

При разработке пьезоэлектронных ИВЭП необходимо обеспе­чить необходимую стабильность и устойчивость их работы в ши­роком диапазоне температур. Поэтому при разработке электрической схемы должна быть известна температурная нестабильность самого ПТ. Изменение выходных параметров ПТ в широком диапазоне температур зависит от стабильности электрофизических свойств материалов, из которых изготовлен ПТ.

 

Рисунок 28 – Зависимости изменения электрических параметров ПТ от температуры

Анализ результатов исследования температурных зависимостей показал, что:

резонансная частота ПТ изменяется не более чем на 1 %;

изменение коэффициента трансформации Ки не превышает20%;

КПД имеет максимум при комнатных температурах, а его изменение в диапазоне тем­ператур —60...+120° С не превышает 10%;

коэффициент электромеханической связи k₃₃ практически постоянен;

эффективная добротность Qэф повы­шается не более чем на 10%.

 

Значительно (примерно в 1, 5 раза) возрастает диэлектрическая проницаемость ε ^т_зз, увеличиваются и диэлектрические потери: tgδ (от 0, 2% до 2%, т. е. в 10 раз).

 

Рост диэлектрических потерь при повышенной температуре приводит к появлению дополнительных внутренних потерь в объеме диэлект­рика, что снижает, в свою очередь, эффективность энергетических показателей ПТ.

 

В диапазоне температур —60...+120° С изменения tgδ приводят к снижению КПД и выходной мощности Рвых не более чем на 3... 5%.

 

Одномерные.

1. Амплитудный способ управления базируется на изменении «амплитуды» напряжения возбуждения ПТ при работе на резонансной частоте.

2. Частотный способ управления основан на использовании резонансного характера АЧХ ПТ, рабочая точка выбирается на частотах (вблизи ) на квазилинейном участке АЧХ ПТ. Компенсация возмущающих воздействий в данных источника питания осуществляется путем смещения рабочей точки ПТ вдоль частотной оси АЧХ. Выбор рабочей точки осуществляется на правом склоне АЧХ (энергетически выгодный режим – максимум КПД ПТ).

3. Фазовый способ управления основан на изменениях фазового сдвига между входным и выходным переменными напряжениями (или токами) ПТ, при этом ПТ возбуждают на либо на частоте , либо на частотах (вблизи ).

 

Напряжение на выходе ПТ можно записать в следующем виде:

 

 

где - коэффициент трансформации ПТ;

- сдвиг фаз между механическими колебаниями ПТ и вынуждающими электрическими колебаниями.

 

Таблица – Способы управления работой ПТ

Одномерный	Двумерный	Многомерный

 

Трансверсальные фильтры

 

Всем знакомы простые фильтры нижних и верхних частот и полосовые фильтры, собранные из резисторов, конденсаторов и индуктивностей. Такие фильтры удобны для подавления сигналов нежелательных частот и для выделения сигналов в нужном частотном диапазоне, что необходимо, например, в радио- и телевизонной технике.

С развитием локационной техники и техники связи появился интерес к более сложным методам фильтрации, которые реализуются на основе трансверсалъных фильтров.

Трансверсальные фильтры представляют собой многоотводные линии задержки, в которых каждый отвод соединен с общей входной или выходной линией.

Если необходимо обнаружить сигнал, уровень которого ниже уровня шума, то большую помощь оказывает предварительное знание структуры нужного нам сигнала. Например, узкополосный фильтр выделяет определенный узкополосный сигнал и увеличивает его амплитуду по сравнению с шумом, исключая мешающие сигналы, за счет чего повышается отношение сигнал/шум. Это — хорошо известный пример фильтра, работающего в частотной области.

В случае если исходный сигнал содержит цифровой код или определенную структуру, то отношение сигнал/шум можно увеличить с помощью согласованного с этим кодом или структурой фильтра называемого корреляционным фильтром.

В общем случае такие фильтры позволяют вводить в согласованный трансверсальный фильтр длинный код и получать сжатый выходной импульс. Поскольку энергия входного и выходного сигнала одинакова, амплитуда сжатого выходного импульса будет значительно выше, чем у входного сигнала. Шум же преобразуется иначе, поскольку фильтр не согласован с ним; за счет этого увеличивается отношение сигнал/шум.

(код, сигнал определенной структуры, сложная модуляция и т.п.)

 

Пьезоэлектрические двигатели (ПЭД)

По принципу действия ПЭД можно подразделить на две основные группы:

- ударного действия с дискретным перемещением подвижной части;

- ПЭД волнового типа с непрерывным перемещением подвижной части.

 

В ПЭД ударного типа осуществляется ударное взаимодействие «статора» и «ротора» в зоне их сосредоточенного контакта, и подвижная часть приводится в движение под действием ударных импульсов, следующих с частотой колебаний ПЭ. Частота колебаний может доходить до МГц; следовательно, эти ПЭД при больших значениях f_р характеризуются высокой равномерностью движения, хотя в каждый период колебаний Т существует неравномерность. Эта группа ПЭД в определенном смысле аналогична электрическим двигателям постоянного тока, так как якорь последних получает высокочастотные периодические толчки от взаимодействия магнитных полей.

Рисунок 47 – Упрощенные конструкции ПЭД ударного типа

 

Рисунок 48 – Упрощенные конструкции ПЭД волнового типа: вращательного движения с аксиальной (а) и радиальной (б) поляризацией, их разрез (в), линейный ПЭД (г).

 

В ПЭД волнового типа с «распределенным» контактом осуществляется «непрерывное» фрикционное взаимодействие волнового движения упругого преобразователя (ПЭ) и подвижной части. (Бегущая волна). Эта группа ПЭД имеет некоторую аналогию с волновыми фрикционными передачами, а так же с электрическими двигателями переменного тока, у которых в этом случае происходит постоянное взаимодействие электромагнитных полей статора и ротора.

При работе ПЭД происходит «проскальзывание» подвижной части и ПЭ относительно друг друга, что приводит к их изнашиванию, снижению КПД, и точности отработки перемещений, нестабильности характеристик и параметров ПЭД при действии дестабилизирующих факторов (среды, нагрузки).

В диапазоне мощностей (1-10 Вт) ПЭД имеет ряд преимуществ:

- более высокие динамические свойства;

- высокую разрешающую способность по перемещению;

- в 1.5-2 лучшие массогабаритные показатели;

- повышенную технологичность изготовления (на 20-30%);

- отсутствие влияния на работу ПЭД электромагнитных полей.

Момент развиваемый низкоскоростными ПЭД достигает 10 Н*М.

КПД ПЭД может достигать 85%.

Частота вращения достигает 10⁵ мин^-1.

Мощность ПЭД лежит в пределах 3-50 Вт.

ПЭД ударного типа имеют большие момент вращения и КПД, чем ПЭД волнового типа.

Двигатели обоих типов могут быть как реверсивными так и не реверсивными.

 

На рисунке представлена конструкция пьезоэлектрического двухкоординатного привода для перемещения предметного столика оптического микроскопа.

1- предметная плита; 2- шариковые опоры; 3- основание; 4, 5 – пьезокерамические кольца, оси которых находятся под углом 90⁰; кольца 4 и 5 контактируют с плитой 1 посредством башмаков 6.

Кольца работают поочередно: интервал времени перемещения по одной оси соответствует интервалу холостого хода по другой координате.

Амплитуда импульсов питания привода определяет величину шага перемещения столика, частота следования импульсов определяет скорость перемещения столика.

 

Рисунок 49– Пьезоэлектрический двухкоординатный привод.

ПЬЕЗОПЛЕНКА ПВДФ

 

 

Пьезопленка из поливинилиден дифлюорида (ПВДФ) выпускается в листах разной площади и толщины. Это позволяет ее использовать непосредственно в различных типах датчиков или использовать целый лист, например для громкоговорителей.

Металлизация пьезопленки может быть выполнена с помощью эластичной серебряной краски, либо напыленным металлом. Пьезопленка с металлизацией на эластичной серебряной краске применяется тогда, когда пьезопленка используется в условиях механического воздействия. Такая металлизация также дает возможность изготавливать электроды по спецификации заказчика, и кроме этого, лучше приспособлена для крепления проводников. Тонкая напыленная металлизация более хрупка, и используется в тех случаях, когда требуемое соотношение сигнала к шуму диктует наличие очень маленькой массы электродов. Стандартный напыленный медно-никелевый сплав обладает хорошей проводимостью и стойкостью к оскидантам. По желанию заказчика может быть выполнено напылением золотом.

 

ТИП пьезопленки / каталог №	Размер (мм)	Толщина t (мкм)	Материал электрода
пленки	электрода
A	C	B	D
28μ m / 1-1003703-4						NiCu сплав
28μ m / 1-1003702-4						NiCu сплав
28μ m / 1-1004347-0						Silver ink
28μ m / 1-1004346-0						Silver ink
52μ m / 2-1003703-4						NiCu сплав
52μ m / 2-1003702-4						NiCu сплав
52μ m / 2-1004347-0						Silver ink
52μ m / 2-1004346-0						Silver ink
110μ m / 3-1003703-4						NiCu сплав
110μ m / 3-1003702-4						NiCu сплав
110μ m / 3-1004347-0						Silver ink
110μ m / 3-1004346-0						Silver ink

 

БАРСУКОВ Р.В.

А К У С Т О Э Л Е К Т Р О Н И К А

(КУРС ЛЕКЦИЙ)

Бийск 2005

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: