20. Понятие функциональной электроники. Принцип действия основных приборов пьезо- и акустоэлектроники. Приборы на основе поверхностно-акустических волн. Акустоэлектрические усилители.

Работа пьезоэлектронных приборов основана на пьезоэффекте. Прямой пьезоэлектрический эффект – возникновение электрического сигнала при механическом воздействии на материал, обратный пьезоэффект – сжатие или растяжение пьезоэлектрика под действием электрического поля. Простейший пьезоэлемент представляет собой определенным образом ориентированную монокристаллическую пластину, помещенную между двумя металлическими обкладками. Каждый пьезоэлемент эквивалентен колебательному контуру, в котором механическая энергия периодически переходит в электрическую.

Простейшим пьезоэлектрическим прибором является кварцевый резонатор, собственная частота колебаний которого зависит от размеров пластины. Этот прибор широко используется для стабилизации частоты различных генераторов электромагнитных колебаний в промышленной и бытовой радиоаппаратуре, в качестве эталонов частоты, приборах измерения частоты, полосковых электрических фильтрах.

Пьезотрансформаторы работают на основе прямого и обратного пьезоэффектов с использованием пьезокерамик. Преобразование энергии из электрической в механическую на входе осуществляется посредством упругих (акустических) волн. На выходе механическая энергия вновь преобразуется в электрическую. Поэтому пьезотрансформатор представляет собой монолитный твердотельный резонатор с электродами, число которых не менее трех.

Пьезодвигатели ударного типа основаны на преобразовании электрических колебаний, создаваемых в пьезоэлементе (статоре) за счет обратного пьезоэффекта, в шаговое или непрерывное движение ротора. При этом ротор приводится в движение ударными импульсами, следующими с частотой колебаний пьезоэлемента. Частота может достигать нескольких мегагерц.

Пьезоэлектрические позиционирующие устройства предназначены для перемещения объектов на малые расстояния с высокой точностью. Чувствительность устройств такого типа достигает 1 нм/В, диапазон перемещений от нескольких микрометров до нескольких миллиметров.

Акустоэлектрический эффект. Приборы на основе поверхностно-акустических волн. Акустоэлектрические усилители.

Возникновение в металле или полупроводнике тока или ЭДС под действием ультразвуковых волн называют акустоэлектронным эффектом. Акустоэлектронный эффект представляет собой взаимодействие ультразвуковых волн частотой от 10^7 до 10^13 Гц с электронами проводимости в металлах или полупроводниках.

Действие ультразвуковых волн состоит в том, что они вызывают колебания кристаллической решетки, а это приводит к изменению напряженности внутрикристаллических полей, которые, в свою очередь, изменяют свое действие на электроны проводимости, поэтому акустоэлектронное взаимодействие называют электрон-фононным взаимодействием.

При воздействии на кристалл внешнего электрического поля, создающего дрейф электронов в направлении распространения звуковой волны, возможны два случая преобразования: если скорость дрейфа электронов меньше скорости волны, то её энергия поглощается электронами и волна затухает, а если больше, то электроны отдают свою энергию волне и её амплитуда возрастает, т. е. происходит усиление волны. Коэффициент усиления может достигать десятков дБ.

Приборы на основе акустоэлектрического эффекта могут использоваться для преобразования и обработки сигналов (задержка сигналов во времени или изменение их длительности, частотные и фазовые преобразования, усиление и модуляция амплитуды, кодирование, декодирование, интегрирование и т.д.). На их основе создаются пассивные элементы (линии задержки, фильтры) и активные (усилители, генераторы, модуляторы). Такие устройства на пьезокерамике (ниобат лития, перманганат висмута) позволяют получать в ряде случаев лучшие результаты, чем обычно.

Акустоэлектрический преобразователь - это устройство, преобразующее акустическую энергию (т. е энергию упругих волн в воздушной среде) в электромагнитную энергию в схемах тех устройств, в которых находятся акустоэлектрические преобразователи(или наоборот, энергию электромагнитных волн в акустическую).