CC BY
63
УДК 534.22.093
ДИНАМИКА ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ВРЕМЕНИ ЗАДЕРЖКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ВЛАЖНЫМ ВОЗДУХОМ
© Симаков Иван Григорьевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт физического материаловедения СО РАН Россия, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, e-mail: [email protected]. © Гулгенов Чингис Жаргалович, кандидат технических наук, научный сотрудник, Институт физического материаловедения СО РАН
Россия, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, e-mail: [email protected] © Карпов Роман Викторович, аспирант, Институт физического материаловедения СО РАН Россия, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6.
Рассмотрено изменение времени задержки поверхностных акустических волн в слоистой системе «ниобат лития - адсорбированная вода» при вариации температуры адсорбирующей поверхности и влажности газовой среды. Исследована зависимость температурного коэффициента времени задержки акустоэлектронного устройства от степени влажности газовой среды.
Ключевые слова: поверхностные акустические волны, температурный коэффициент, время задержки, адсорбция, акустоэлектронное устройство, звукопровод.
DYNAMICS OF TEMPERATURE COEFFICIENT DELAY OF SURFACE ACOUSTIC WAVES IN INTERACTION WITH HUMID AIR
Simakov Ivan G., candidate of physical and mathematical sciences, senior research, Institute of Physical Materials Science of SB RAS 6, Sakhyanovoy, Ulan-Ude, 670047, Russia
Gulgenov Chingis Zh., research, Institute of Physical Materials Science of SB RAS 6, Sakhyanovoy, Ulan-Ude, 670047, Russia
Karpov Roman V., postgraduate, Institute of Physical Materials Science of SB RAS, 6, Sakhyanovoy, Ulan-Ude, 670047, Russia
Change of delay time of surface acoustic waves in layered system « niobate lithium - the adsorbed water» was considered at a variation of temperature of adsorbing surface and humidity of gas medium. Dependence of temperature coefficient delay of an acoustic electronic device on the degree of humidity of gas medium was studied. Keywords: surface acoustic wave, temperature coefficient, delay time, adsorption, acoustoelectronic device, acoustic line.
Акустоэлектронные устройства позволяют производить различные операции над сигналами: преобразования во времени (задержка 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, корреляции сигналов и т. д.). Выполнение таких операций необходимо в радиолокации, технике дальней связи, системах автоматического управления, вычислительных и других радиоэлектронных устройствах. Основным элементом большинства акустоэлектронных устройств является линия задержки. Чаще всего линия задержки на поверхностных акустических волнах представляет собой пье-зокристаллическую пластину, на поверхность которой наносится два встречно-штыревых преобразователя, служащих для преобразования подводимой к ним электромагнитной энергии в энергию поверхностных акустических волн (ПАВ), и наоборот [1]. Электронные системы обработки сигналов, элементами которых являются акустоэлектронные устройства, часто работают в условиях дестабилизирующего воздействия окружающей газовой среды. На параметры акустоэлектронных устройств оказывают влияние влажность и температура внешней среды [2].
Под влиянием влажной газовой среды на рабочей поверхности звукопровода акустоэлектронного устройства в результате полимолекулярной адсорбции образуется тонкий слой воды. Наличие жидкого слоя на поверхности звукопровода приводит к изменению условий распространения ПАВ и, как следствие, к изменению параметров сигнала на выходе акустоэлектронного устройства.
Толщина адсорбционного слоя зависит от температуры и степени влажности парогазовой среды. Совместное влияние температуры и влажности газовой среды вносит изменения в условия распространения поверхностных акустических волн. Это проявляется в изменении затухания и скорости поверхностной волны. Кроме того, изменяются линейные размеры звукопровода.
Работа посвящена исследованию комплексного влияния температуры, и влажности окружающей газовой среды на температурный коэффициент времени задержки акустоэлектронного устройства.
Изменение скорости ПАВ и линейных размеров звукопровода в целом выражается в изменении такой важной характеристики акустоэлектронного устройства, как температурный коэффициент времени задержки (ТКЗ) ^ = т-1дт/дТ, который при отсутствии адсорбционного слоя воды имеет следующий вид:
1 д т 1 дЬ 1 5 V 1 5 V
с =--=-----= а ---,
т д Т Ь д IV д Т V д Т
где т - время задержки ПАВ, Ь - длина звукопровода, V- скорость ПАВ. Температурный коэффициент времени задержки включает в себя температурный коэффициент изменения скорости поверхностной волны дV/(V дТ) и температурный коэффициент линейного расширения а [3].
Исходя из определения температурного коэффициента времени задержки акустоэлектронного устройства, для исследования его зависимости от степени влажности парогазовой среды достаточно определить изменение времени задержки акустического сигнала при вариациях температуры подложки - звукопровода. В результате адсорбции на поверхности подложки образуется тонкий слой воды, который оказывает влияние на распространение поверхностных акустических волн. Это влияние проявляется в уменьшении скорости, следовательно, в изменении времени задержки. Толщина адсорбционного слоя увеличивается с уменьшением температуры адсорбирующей поверхности (подложки), и при равенстве температур парообразующей жидкости и подложки на поверхности последней начинается конденсация. Одновременно с уменьшением температуры подложки увеличивается скорость ПАВ и уменьшаются линейные размеры звукопровода. Динамика изменения зависимых от температуры параметров приводит к тому, что характер изменения скорости ПАВ и времени задержки усложняется. Для измерения затухания и скорости ПАВ использован метод, основанный на интерференции уравновешенных противофазных сигналов: прямого сигнала, подаваемого с генератора ВЧ, и сигнала, прошедшего ПАВ-линию задержки [3]. При изменении условий распространений ПАВ, например, при адсорбции воды на поверхность звукопровода, изменяется время задержки сигнала. Эти изменения пропорционально изменению частоты интерференционного минимума - А///= Ат/т.
Эксперименты проводились в специально разработанной измерительной ячейке. В конструкции измерительной ячейки была предусмотрена возможность регулирования температуры подложки и парообразующей жидкости для поддержания заданного давления пара [2]. Регистрация изменения частоты интерференционного минимума производилась при следующих условиях: подложка помещалась над поверхностью дважды дистиллированной воды, температура которой поддерживалась термостатом (Т0 = 293 К). Температуру подложки Т в начале эксперимента устанавливали выше температуры парообразующей жидкости (воды) на Т- Т0 = 30 К, затем в ходе эксперимента температуру подложки уменьшали до температуры парообразующей жидкости. Увеличение относительного давления пара в зоне адсорбции приводит к росту толщины адсорбционного слоя [2] и, соответственно, к изменению частоты интерференционного минимума [3]. При заданной разнице температур система выдерживалась в течение пяти минут до равновесного состояния. В установившемся режиме регистрировалась частота интерференционного минимума. Результаты эксперимента приведены на рис. 1.
Изменения частоты интерференционного минимума в случае свободной поверхности звукопровода линейно зависит от температуры (кривая 1). Наличие адсорбционного слоя усложняет характер данной зависимости (кривая 2), поскольку при охлаждении звукопровода на изменение времени задержки оказывают влияние два конкурирующих процесса. Время задержки уменьшается в результате увеличения скорости ПАВ и сокращения длины звукопровода при его охлаждении. Вместе с тем время задержки увеличивается вследствие уменьшения скорости ПАВ, обусловленного ростом толщины (с понижением температуры подложки) адсорбционного слоя.
20
25
д т, К
- I
-2
Л/7 /10"
^ 1
1 2
дг = Т —Та
Т0 = 293 К
/о= 128,325 МГц 1 1
Рис. 1. Температурная зависимость изменения частоты интерференционного минимума: 1 - подложки К-среза Г1ЫЪО3 (адсорбционный слой отсутствует), 2 - слоистой системы ниобат лития - адсорбированная вода
В процессе формирования адсорбционного слоя на первом этапе изменения времени задержки преобладает процесс ее уменьшения (в результате увеличения скорости ПАВ) (кривая 2). Далее, на втором этапе, действие адсорбционного слоя увеличивается настолько, что преобладающее влияние оказывает процесс увеличения времени задержки, обусловленный влиянием адсорбционного слоя.
При охлаждении подложки толщина адсорбционного слоя увеличивается, соответственно, уменьшается скорость ПАВ и при некоторой температуре изменение частоты интерференционного минимума достигает максимального значения. Очевидно, что в этом случае конкурирующие процессы уравновешены.
На основе экспериментальных данных температурной зависимости изменения частоты интерференционного минимума можно провести оценку изменения температурного коэффициента времени задержки динамически равновесной слоистой системы «адсорбированная вода - ниобат лития» из условия А// = Ах/х. Для этого достаточно взять производную по температуре от функции, описывающей кривую 2 (рис. 1). Из характера экспериментальной кривой 2 видно, что с ростом температуры ТКЗ слоистой системы увеличивается от отрицательного до положительного значения и стремится к значению ТКЗ материала подложки. Температура нулевого значения ТКЗ совпадает с температурой максимума кривой изменения частоты интерференционного минимума.
Используя известную зависимость относительного давления пара от температуры (например, уравнение Клапейрона - Клаузиуса), можно оценить влияние влажности газовой среды на ТКЗ аку-стоэлектронного устройства. Результаты анализа представлены на рис. 2. С ростом относительной влажности ТКЗ акустоэлектронного устройства уменьшается от положительного до отрицательного значения. При относительной влажности ~ 88 % принимает нулевое значение (кривая 2 рис. 2).
Рис. 2. Температурная зависимость ТКЗ акустоэлектронного устройства 1 - в сухой газовой среде; 2 - во влажной газовой среде
Таким образом, показано, что в условиях воздействия влажной газовой среды температурный коэффициент времени задержки акустоэлектронных устройств зависит как от степени влажности среды, так и от температуры этих устройств. Эта зависимость проявляется в том, что при увеличении влажности температурный коэффициент времени задержки ПАВ-устройства изменяется от положительного до отрицательного значения. Особенности динамики изменения параметров комплексного процесса проявляются в том, что изменение ТКЗ растет с увеличением степени влажности. Дестабилизирующее влияние температуры и влажности окружающей газовой среды необходимо учитывать при проектировании ПАВ-устройств.
Литература
1. Каринский С. С. Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах. - М.: Советское радио, 1975. - 176 с.
2. Симаков И. Г., Гулгенов Ч. Ж. Влияние полимолекулярной адсорбции воды на параметры акустоэлектронных устройств // Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика. - 2009. - Вып. 3. - С. 171-175.
3. Симаков И. Г., Гулгенов Ч. Ж. Влияние адсорбированной воды на параметры поверхностных акустических волн при вариациях температуры подложки // Вестник Тюменского государственного университета. - 2009. - № 6. - С. 52-59.
References
1. Karinskii S. S. Ustroistva obrabotki signalov na ul'trazvukovykh poverkhnostnykh volnakh [Signal processing devices on ultrasonic surface waves]. Moscow: Sovetskoe radio, 1975. 176 p.
2. Simakov I.G., Gulgenov Ch.Zh. Vliyanie polimolekulyarnoi adsorbtsii vody na parametry akustoelektronnykh ustroistv [Influence of water multilayer adsorption on parameters of acousto-electronic devices]. Vestnik Buryatskogo gosudarstvennogo universiteta. Khimiya. Fizika - Bulletin of Buryat State University. Chemistry. Physics. 2009. V. 3. Pp. 171-175.
3. Simakov I. G., Gulgenov Ch. Zh. Vliyanie adsorbirovannoi vody na parametry poverkhnostnykh akusticheskikh voln pri variatsiyakh temperatury podlozhki [Influence of adsorbed water on the parameters of surface acoustic waves at substrate temperature variations]. Vestnik Tyumenskogo gosudarstvennogo universiteta - Bulletin of Tyumen State University. 2009. No. 6. Pp. 52-59.
