Возбуждение поверхностных акустических волн в пьезозвукопроводе с неоднородной поляризацией Текст научной статьи по специальности «Физика»

Доклады БГУИР

2010 № 1 (47)

УДК 621.372.85

возбуждение поверхностных акустических волн в пьезозвукопроводе с неоднородной поляризацией

В.Г. БАСОВ

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь

Поступила в редакцию 2 марта 2009

Приводится решение задачи по определению амплитуд акустических 8-источников возбуждения поверхностной акустической волны, создаваемых встречно-штыревым преобразователем в пьезокерамическом звукопроводе с неоднородной поляризацией, выполненной путем создания периодических областей с взаимно перпендикулярными направлениями векторов поляризации.

Ключевые слова: поверхностные акустические волны, встречно-штыревой преобразователь, неоднородная поляризация, пьезозвукопровод, возбуждение, вектор поляризации.

При разработке акустоэлектронных устройств различного назначения для возбуждения ПАВ широко применяются однофазные и двухфазные встречно-штыревые преобразователи (ВШП) Однако они обладают рядом существенных недостатков, основным из которых является двунаправленное излучение [1]. Кроме того, применяемый в ВШП двухфазный способ возбуждения использует в структурах ВШП фазовые сдвиги, равные 0 или %, что снижает степень свободы в выборе метода формирования передаточной функции таких устройств.

Более технологичным, не сопровождающимся ростом габаритов преобразователя является способ получения многофазных структур с использованием пьезозвукопроводов с неоднородной поляризацией их в области расположения ВШП [2].

Неоднородная поляризация может быть получена путем создания локальной поляризации пьезокерамического звукопровода [2] в областях I (рис. 1,а) с вектором поляризации p1 и последующего наложения поляризующего напряжения непосредственно к электродам ВШП, формирующего в областях II поляризацию звукопровода с вектором поляризации p2, перпендикулярным к p1. Расположив ВШП так, чтобы электроды его находились одновременно в двух областях с различными направлениями векторов поляризации, как показано на рис. 1,а пунктирными линиями, получим возможность формировать акустические источники Ап и Вп с начальными фазами 0, 90 и 180° (рис. 1,6), т.е. трехфазный ВШП.

Определение амплитуд акустических источников, создаваемых ВШП на звукопроводе с неоднородной поляризацией, может быть получено путем решения уравнений состояния пье-зосреды, которыми описывается пьезокерамический звукопровод с расположенными на нем ВШП (рис. 1 ,а), с учетом матриц упругих постоянных относящихся к кристаллографическому классу дат [3]. Пусть возбуждение ПАВ осуществляется напряжением U с частотой ю в направлении х1. При этом под электродами ВШП в приповерхностном слое глубиной l возникает электрическое поле с составляющими E1 и E3, которое за счет пьезоэффекта приводит к возникновению упругих деформаций S1 и S3 с механическими напряжениями T1 и T3. Составляющую электрического поля E2 полагаем равную нулю, что дает соответственно S2=0 и T2=0. В результате получим

Рис. 1. Структура ВШП с локальной поляризацией звукопровода (а) и расположение векторов акустических источников (б)

Тг = с,Д +с13^3 —е31Е3 Т3 I Сзз^з ^зз-£/3

Г5=с4455-е15£1 (1)

А

А — ^зз^з *ззЕ3'

где Их и /)3 — составляющие электрической индукции, связанные с составляющими электрического поля Е\ и /'Л: сц; с13, с33, с44 — компоненты тензора упругой постоянной; е1ь е33 — компоненты тензора диэлектрической проницаемости; е31, е33, е15 — компоненты тензора пьезоэлектрической постоянной.

Амплитуды механических колебаний и^ связаны с упругими напряжениями Ту волновым уравнением

( Л

о и

дг

,=1 дх, '

(2)

где р„, — удельная плотность материала.

Совместное решение (1) и (2) в предположении, что

с - ^ • с - • е -1

1 л'Э Л- 3 О

дх1 дх3 2

Г он, да. —1 +—-

уЗх3 дхх J

(3)

позволяет найти генерируемые каждой парой электродов ВШП механические колебания и1 и и3 амплитудные значения, которых определяются соотношениями

//, = Е^РМхе ; щ = К3 1\М3;

(4)

где

а

1 2ЪЬ '

р2 =

33

Мз = РзУп-УзА . Уп = С44к2а2 _ ^2 _ . ^ = ^ _ р12 . = е М .

У12У21 У11У22

= Ут! = с44к2а + сгк2а ; у,,,, = сик2 - с33к2а2 - р„,ю2; к - 2л/Х; X — длина акустической волны; М0(к г) — функция Макдональда, описывающая поведение электрического поля

М0\к £-г ] 2М, к! '

в У12

Уп Уп

ш

в области 0<г<1 при изменении угла Э от нуля до 180°, Лф=90°; к — коэффициент связи двух механических колебаний с амплитудами U\ и t/3.

Как правило, необходимо обеспечить равные значения акустических а-источников А\ и В\ (рис. 1,6), которые пропорциональны амплитудам парциальных акустических волн, т.е. а значения их зависели бы только от длины электродов ВШП. Из анализа соотношений (4) следует, что это возможно получить, если

а =

1 + сп /с44

1 + / С44

при этом коэффициент F3 равен

еъъа I

ei5 1 + a G

(5)

(6)

где

G =

N с'44 ^ ^44 c33a

1 -F2

; N = -

2 Сц + c13

2 2

а

^ f r

Ф = —; jc — частота

fс

1 + сп-сиа 1+ Р2

синхронизма ВШП для звукопровода с однородной поляризацией. Коэффициент металлизации А=2а/£; определится как

( 1--л

К+К , (7)

Д = К

где Ь=2а+2Ь. На рис. 2 показан график зависимости коэффициента А от относительной частоты Ф, рассчитанный для пьезокерамики типа ЦТС-19 [3], для которой сс=1,04.

Рис. 2. Зависимости коэффициента металлизации А от относительной частоты Ф

Поскольку коэффициент связан с коэффициентами и ¥2 (4), которые определяются отношением ширины электродов а (рис. 1 ,а) к зазору между ними в 1<\ и распределением электрического поля Е под электродами в Е2 ВШП, то, зная для заданного значения Ф, можно однозначно определить геометрию пьезопреобразователя, при которой акустические источники А„ и В„ будут одинаковыми (рис. 1,6) по амплитуде и сдвинутыми по фазе на 90°. Это позволяет достаточно просто синтезировать ЧХ избирательных устройств на ПАВ.

Наличие таких акустических источников, эквивалентных трехфазным ВШП [1], позволяет создавать структуры ВШП, характеризующиеся определенной направленностью излучения ПАВ с меньшими вносимыми потерями в сравнении с ВШП, расположенным на звукопроводе с однородной поляризацией. Последний вносит дополнительные потери, равные 6 дБ, связанные с двунаправленностью излучения.

excitation of surface acoustic waves in piezosoundconductor with inhomogeneous polarization

V.G. BASOV

Abstract

The solution of a problem on definition of amplitudes acoustic created interdigital transducer in piezoceramic sound lead with inhomogeneous executed by a way of creation of periodic areas with mutual by perpendicular directions of polarization vectors polarization 5-sources of excitation of a surface acoustic wave has obeyed.

Литература

1. Речицкий В.И. Радиокомпоненты на поверхностных акустических волнах. М., 1984.

2. Басов В.Г., Синица В.Н., Лайков Г.Д. // Радиотехника и электроника. 1987. Вып. 16.

3. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология, конструкция, применение / Пер. с чешск. М., 1990.