Лекция 13 Акустоэлектроника
Акустоэлектроника - раздел акустики, на стыке акустики твёрдого тела, физики полупроводников и радиоэлектроники. Акустоэлектроника занимается исследованием принципов построения УЗ-устройств для преобразования и обработки радиосигналов. Преобразование СВЧ-сигнала в звуковой, длина волны которого в 103 раз меньше, значительно облегчает его обработку. Для выполнения операций над сигналами используются взаимодействие УЗ с электронами проводимости ,ЭМ-полями, оптическим излучением, а также нелинейное взаимодействие акустических волн. Акустоэлектронные устройства позволяют производить различные операции над сигналами: преобразования во времени (задержку сигналов, изменение их длительности), частотные и фазовые (сдвиг фаз, преобразование частоты и спектра), изменение амплитуды (усиление, модуляция), а также более сложные функциональные преобразования (интегрирование, кодирование и декодирование, получение функций свёртки, корреляции сигналов и т. д.).
В устройствах акустоэлектроники используются УЗ-волны ВЧ-диапазона и гиперзвуковые волны (от 10 МГц до 10 ГГц), как объёмные (продольные и сдвиговые), так и поверхностные. Основным преимуществом поверхностных акустических волн (ПАВ) является доступность волнового фронта, что позволяет снимать сигнал и управлять распространением волны в любых точках звукопровода, а также управлять характеристиками устройств; поэтому большинство устройств выполняется на ПАВ.
Общие параметры устройств А.: рабочая частота f, полоса частот f, полные вносимые потери В и время обработки сигнала .
Всякое акустоэлектронное устройство состоит из простейших элементов - электроакустических преобразователей и звукопроводов. Кроме того, применяются отражатели, резонаторы, многополосковые электродные структуры, акустические волноводы, концентраторы энергии и фокусирующие устройства, а также активные, нелинейные и управляющие элементы.
Для возбуждения и приёма объёмных волн в акустоэлектронике. используются пьезоэлектрические преобразователи: пьезоэлектрические пластинки (на частотах до 100 МГц), пьезополупроводниковые преобразователи с запирающим или диффузионным слоем (в диапазоне частот 50-300 МГц), плёночные преобразователи (на частотах выше 100 МГц). Гиперзвуковые волны часто возбуждаются с поверхности пьезоэлектрического звукопровода, торец которого для этих целей помещают в зазор СВЧ-резонатора или замедляющую СВЧ-систему. Для возбуждения и приёма ПАВ используются встречно-штыревые преобразователи (рис. 1, а), представляющие собой периодическую структуру металлических электродов, нанесённых на пьезоэлектрический кристалл.
В качестве звукопроводов для устройств акустоэлектроники применяются монокристаллы диэлектриков, пьезоэлектриков, полупроводников - в зависимости от назначения и характеристик устройства (кварц, сапфир, ниобат лития и др.).
Рис. 1. Элементы акустоэлектроники: а - встречно-штыревой преобразователь ПАВ; б - металлическая отражающая решётка; в - система отражающих канавок.
Рис. 2. Резонансная структура на ПАВ с одним преобразователем: 1 - преобразователь; 2 - система отражателей (металлические электроды или канавки).
Для изменения направления распространения акустического пучка в УЗ-линиях задержки и др. устройствах применяются отражатели: для объёмных волн - хорошо отполированные свободные плоские поверхности звукопровода, для ПАВ - решётки с периодом d из металлич. или диэлектрич. полосок или канавок в звукопроводе (рис. 1, б, в), установленные перпендикулярно или наклонно к падающей волне. Интерференция ПАВ от большого числа отражателей позволяет получить высокий коэф. отражения Котр в узкой полосе частот, так, при 100 полосках Котр достигает 98% в узкой полосе с центральной частотой
f0=cп/d,
где сп - скорость ПАВ.
Отражение объёмных акустических волн от граней кристаллов позволяет создавать пьезокристаллические монолитные или плёночные резонаторы. Наиболее широко используются кварцевые резонаторы в диапазоне частот 0,5-30 МГц, их добротность достигает 106. Напылением тонких эпитаксиальных пьезоэлектрических плёнок CdS, ZnO или A1N на диэлектрич. подложку создают резонаторы на частоты до 10 ГГц.
Системы отражателей для ПАВ позволяют создавать резонаторы с добротностью ~105 и низкими вносимыми потерями (~5 дБ) в диапазоне частот 30- 1000 МГц. В этом случае между отражателями 2 (рис. 2) создаётся стоячая поверхностная волна, которая возбуждается и принимается преобразователем 1. Добротность такого резонатора определяется коэф. отражения ПАВ от отражателей и её поглощением в звукопроводе.
Рис. 3. Многоэлектродные структуры для ПАВ: а - направленный ответвитель; б - отражатель; 1 - входной преобразователь; 2 - выходной преобразователь; 3 - многоэлектродная структура, переводящая волну из канала I в канал II; 4 - многоэлектродная структура - отражатель.
Разновидностью отражателей для ПАВ являются многополосковые электродные структуры (МЭС), состоящие из однородной незамкнутой периодич. системы металлических полосок (рис. 3), расположенных перпендикулярно направлению распространения ПАВ. В МЭС падающая волна занимает лишь половину их апертуры (канал I). При достаточной длине МЭС это приводит к тому, что волна, распространяющаяся в канале I, возбуждает связанную с ней моду колебаний в канале II, чем достигается направленное ответвление волны. МЭС позволяют создавать направленные ответвители ПАВ, расширять и сжимать пучки ПАВ, изменять траектории пучков, создавать эфф. отражатели ПАВ, однонаправленные преобразователи и т. д.
Частным случаем звукопроводов являются акустические волноводы. На объёмных волнах они представляют собой полоски, ленты или проволоку, в к-рых возбуждаются определённые нормальные моды .Такие волноводы служат в качестве линий задержки на большие времена или в качестве дисперсионных линий задержки, если волноводы возбуждаются на модах, обладающих заметной дисперсией. В случае ПАВ волноводы представляют собой металлич. или диэлектрич. полоски (рис. 4) определ. размеров и сечений. Волноводы служат для канализации энергии ПАВ, изменения их направления распространения, увеличения времени задержки и т. д.
Концентраторы - звукопроводы переменного сечения, к-рые служат для увеличения плотности энергии УЗ-волн и для ввода энергии в акустич. волноводы. Для ПАВ - это металлич. или диэлектрич. полоска переменного сечения (рис. 5).
В качестве активных элементов А. используются пьезополупроводниковые монокристаллы, пьезополупроводниковые плёнки или слоистые структуры пьезоэлектрик - полупроводник. В активных элементах происходит взаимодействие УЗ с электронами проводимости, что позволяет их использовать для усиления и генерации волн, для управления их амплитудой и фазой.
В качестве нелинейных элементов применяются диэлектрич. звукопроводы с большими акус-тич. параметрами нелинейности, пьезополупроводниковые материалы и слоистые структуры.
Рис. 4. Типы акустических волноводов для ПАВ: а -выступ; б - канавка, в - металлическая пленка.
Рис. 5. Концентратор ПАВ для возбуждения волновода 1 -преобразователь; 2 - концентратор; 3 - волновод.
Их работа основана на использовании различных механизмов нелинейного взаимодействия: упругого, пьезоэлектрического, электрострикционного, и особенно акустоэлектронного. Кроме того, применяются системы полупроводниковых диодов, связанных с системой электродов, нанесённых на поверхность пьезоэлектрич. звукопровода. Нелинейные элементы позволяют перемножать акустич. сигналы, производить акустич. детектирование, преобразование частоты и другие более сложные преобразования сигналов.
В системе пьезоэлектрик - полупроводник осуществляют также сравнительно долговременное запоминание акустических сигналов; такие устройства наз. устройствами акустической памяти. Запоминание акустических. сигналов обусловлено наличием центров захвата электронов в полупроводнике. В результате нелинейного взаимодействия двух акустических волн одинаковой частоты, бегущих навстречу друг другу, в системе возникает электрическое поле с нулевой частотой и пространственным периодом, вдвое меньшим длины акустической волны.
Рис. 6. Схема устройства акустической памяти: 1 - входные преобразователи; 2 - выходной преобразователь; 3 - звукопровод - пластина LiNbO3, 4 - полупроводниковая пластина (Si или CdS) с электродом 5.
Перераспределение заряда под действием этого поля создаёт объёмный неоднородный заряд на примесных центрах захвата, который будет существовать до тех пор, пока тепловые процессы не выровняют это неоднородное распределение. Т. о., время памяти определяется временем релаксации для примесных состояний полупроводников. Использование легированного кремния позволяет запоминать акустические сигналы на время в несколько сотен мкс, а сернистого кадмия - до 10 мс. Охлаждение кристалла дополнительно увеличивает время памяти. Считывание запомненного сигнала осуществляется подачей на электрод 5 (рис. 6) сигнала на удвоенной частоте (короткого считывающего импульса). Считанный сигнал снимается выходным преобразователем 2. Кроме того, в устройствах акустической памяти используют взаимодействие акустич. сигнала частоты w с однородным электрическим полем той же частоты. В результате этого запоминается периодич. структура с периодом, равным длине акустич. волны. Считывание осуществляется подачей на электрод сигнала той же частоты w. Устройство памяти позволяет не только запоминать сигнал, но и проводить его корреляц. обработку.