CC BY
15
УДК 534.2;539.3;539.8
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ И УПРУГИХ ВОЛН В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ВОЛНОВОДАХ
Дмитрий Михайлович Шматов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры фотоники и приборостроения, тел. (965)820-71-78, e-mail: shmatovdmitry95@gmail.com
Представлена методика возбуждения упругих волн в свободных тонкопленочных волноводах, закрепленных над подложкой только концами. Решается проблема несогласованности акустических импедансов пьезоэлектрического преобразователя, являющегося генератором упругих волн и тонкоплёночного акустического волновода.
Ключевые слова: свободные тонкопленочные структуры, возбуждение упругих волн, микроэлектроника, микропрофилирование, ПАВ, оптоэлектроника, объёмные упругие из-гибные волны.
PIEZOELECTRIC EXCITATION OF OSCILLATIONS AND ELASTIC WAVES IN THIN-FILM WAVEGUIDES
D.M. Shmatov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Graduate, Department of Photonics and Device Engineering, phone: (965)820-71-78, e-mail: shmatovdmitry95@gmail.com
The technique of excitement of elastic waves in the free thin-film wave guides fixed over a substrate only the ends is presented. The acoustic impedances inconsistency of piezoelectric transducer, which is the generator of the elastic waves, and film acoustic waveguide is the main problem.
Key words: free thin-film structures, excitement of elastic waves, microelectronics, microprofiling, the integrated systems, macrodevices, optoelectronics, wavelength.
Классические технологии, используемые при изготовлении традиционных электромеханических устройств, характеризуются значительным увеличением себестоимости производства при снижении линейных размеров деталей механических систем и контролем точности их изготовления. В настоящее время достигнута совместимость технологий микроэлектроники и микропрофилирования кремния, что позволяет создавать макроприборы и интегрированные с микромеханическими структурами системы управления, применение которых наиболее перспективно в электронно-вычислительных устройствах, оптоэлек-тронике и в сенсорных микроэлектронных системах сбора и обработки информации о состоянии природной среды и промышленных объектах.[5]
Исследования физических основ применения поверхностных и объёмных упругих волн в твёрдых телах для обработки информации общеизвестны.[1,2,3] Для возбуждения упругих объёмных волн используют пьезоэлектрические преобразователи в виде закреплённых на поверхности монокристаллических или керамических пластин, обладающих пьезоэффектом, или, в высокочастотных
устройствах - в виде напылённых пьезоплёнок. В устройствах на поверхностных акустических волнах (ПАВ-ах) для возбуждения используют встречно-штыревые преобразователи, для функционирования таких устройств обязательным является наличие пьезоактивной подложки. Преимуществом устройств на ПАВ-ах является распространение акустической энергии в тонком, порядка длины акустической волны, приповерхностном слое подложки и интегральный планарный принцип их изготовления. В большинстве устройств на ПАВ-ах возбуждаются поверхностные волны Релея, хотя известно и использование волн Лява и волн Лэмба [4]. Последние, например, применялись в дисперсионных линиях задержки, изготовленных из тонких стальных или алюминиевых лент.
Дальнейшее уменьшение энергопотребления и размеров возможно при переходе на тонкоплёночные волноводы в виде полосок или свободных нитей, имеющих размер поперечника намного меньше длины акустической волны и использующих объёмные волны. В настоящей работе проводится исследование пьезоэлектрического возбуждения объёмных упругих изгибных волн в тонкоплёночных волноводах, закреплённых над подложкой своими концами.
На рис. 1 показано сочленение пьезоэлектрического генератора упругих продольных волн с тонкоплёночным волноводом изгибных упругих волн. В качестве генератора упругих волн используется пьезоэлектрический преобразователь.
Рис. 1. Схема сочленения тонкоплёночного волновода упругих изгибных волн и пьезоэлектрического генератора упругих волн
На рис. 2 показана мембрана 1, растянутая на опорной раме 2. Толщина мембраны может быть (0,1-5) мкм, поперечник (1-10) см. На поверхности мембраны закреплён возбудитель 3 изгибных волн, в качестве которого может выступать пьезоэлектрический элемент или электрод электростатического устройства возбуждения изгибных волн.
электроды
полоска
о
А А А А
Рис. 2. Схема возбуждения и распространения упругих волн в тонкоплёночной мембране
Колебания возбудителя приводят к возникновению упругих изгибных волн, бегущих в мембране, которые в ней распространяются с фазовой скоростью. Конфигурация фронта изгибной волны определяется формой края возбуждающего волну устройства 3. Волна может распространяться в мембране в виде прямолинейного луча, как показано рядом вертикальных штрихов 4 на рис. 2, а, или сходящимся пучком, если элемент возбуждения имеет форму дуги или кольца 5 (рис. 2, б), в последнем случае фронт 6 волны имеет форму дуги или окружности, и волна может сходиться в точку 7 на мембране, как в фокальную точку. Длина волны в мембране определяется частотой возбуждающего переменного электрического напряжения и механическим натяжением мембраны
На рис. 3 показана схема устройства электроперестраиваемой дифракционной решетки с фазовым рельефом, формируемым изгибной волной в мембране. Акустический импеданс мембраны много меньше импеданса пьезоэлемента, амплитуда изгибных волн в мембране равна амплитуде продольных деформаций пьезостолбика.
3 3 1
Рис. 3. Схема устройства электроперестраиваемой дифракционной решетки на изгибных волнах
На рис. 4 показаны различные способы сочленения пьезоэлемента с мембраной.
Рис. 4. Варианты сочленения пьезовозбудителя с мембраной
Рассмотренные методы возбуждения упругих волн в мембране требуют изготовления микроминиатюрных пьезоэлементов и их прецизионного монтажа в устройство.
Расчетные параметры пьезоэлемента при продольной моде колебаний
Пьезокерамика Е, В/м f, МГц ^пред = E ■ 1 , В l = Х/2, мкм a, нм А£, нм
ЦТС-23[8] 106 5 330 330 23,5 100
ЦТС-23[8] 106 6,6 250 250 17,8 76
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Э. Дьелесан, Д. Руайе. Упругие волны в твердых телах. Применение для обработки сигналов. Пер. с франц. / Под ред. В. В. Леманова. - М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1982. - 424 с.
2. Поверхностные акустические волны. Под ред. А Олинера. М. : Мир, 1981. - 390 с.
3. Кайно Г. Акустические волны: Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов: Пер. с англ. - М. : Мир, 1990 - 656 с
4. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. - М.: Наука, 1966. - 169 с.
5. Косцов Э. Г. Состояние и перспективы микро- и наноэлектромеханики // Автометрия. - 2009. - Т. 45, № 3. - С. 3-52.
6. Чесноков Д. В., Чесноков В. В., Никулин Д. М. Дифракция света на упругих волнах в тонкопленочных мембранных структурах // ГЕ0-Сибирь-2007. III Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 25-27 апреля 2007 г.). - Новосибирск : СГГА, 2007. Т. 4, ч. 1. - С. 201-203.
7. В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. М. Никулин. Электроуправляемое дифракционное устройство. Патент 2377702 РФ, МПК H 01 L 41/08, G 02 F 1/29. /- № 2008112955/28 ; заявл. 03.04.2008 ; опубл. 27.12.2009. Бюл. № 36.
© Д. М. Шматов, 2018
