|
|
|
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ДЕТЕКТОРЫТакие датчики используются для измерения перемещений, концентраций компонентов, механического напряжения, силы, температуры и т.д. твердотельные детекторы часто входят в состав более сложных сенсоров, к примеру, химических анализаторов, акселерометров, сенсоров давления и т.д. В химических и биологических датчиках акустические каналы, по которым распространяются механические волны, иногда покрываются специальными составами, вступающими в реакцию только с исследуемым веществом. 
Рис. 12.7. твердотельные акустические датчики: мембранного
типа (А) и на ПАВ (Б)
Генераторы (обычно пьезоэлектрические) заставляют атомы
твердых тел совершать вибрационные движения вокруг положения равновесия. Соседние атомы, за счет действия восстанавливающих сил, стремятся возвратить
смещающиеся атомы в их исходное положение. В акустических датчиках внешние
воздействия влияют на такие параметры распространяющихся волн, как фазовая
скорость и/или коэффициент ослабления. к примеру, механические напряжения в теле
акустических сенсоров изменяют скорость распространения в них звука. В других
датчиках, называемых гравиметрическими, сорбция молекул или прикрепление к ним
бактерий ведет к уменьшению скорости акустической волны. А в акустических
датчиках вязкости при контакте вязкой жидкости с активной зоной детектора
упругих волн происходит уменьшение амплитуды этих волн.
Акустические волны, распространяющиеся в твердых телах, широко
используются в электронных устройствах, таких как фильтры, линии задержки,
микроприводы и т.д. Основным преимуществом акустических волн по сравнению с
электромагнитными является их низкая скорость. Диапазон скоростей
распространения акустических волн в твердых объектах лежит в пределах
1.5х103...12х103м/с,
Рис. 12.8. Дифференциальный ПАВ датчик
а устройства на ПАВ используют интервал 3.8х103...4.2х103м/с
[12]. Из этих цифр видно, что скорости распространения акустических волн в пять
раз меньше скоростей электромагнитных волн. Это дает возможность изготавливать
миниатюрные датчики, работающие на частотах до 5 ГГц.
При проектировании твердотельных акустических сенсоров
необходимо корректно согласовывать электронную часть схемы с механической
структурой, где распространяются волны. Такие датчики чаще всего реализуются на
основе пьезоэлектрического эффекта. Этот эффект носит обратимый характер
(раздел 3.6 главы 3); это означает, что существует в двух направлениях:
Механическое напряжение индуцирует электрические заряды, а приложенное
электрическое поле вызывает напряжение в пьезоэлектрических кристаллах. В
состав твердотельных акустических сенсоров обычно входят два пьезоэлектрических
преобразователя: один на передающем конце — для возбуждения акустических волн,
другой на принимающем — для преобразования акустических волн в электрические
сигналы.
Поскольку сам кремний не обладает пьезоэлектрическими
свойствами, на его поверхность наносится тонкий слой из таких материалов, как
оксид цинка (ZnO), нитрид алюминия (A1N) и оксиды титаната-цирконата свинца
(Pb(Zr,Ti)03, часто называемые PZT керамикой. При нанесении тонких пленок на
полупроводниковый материал необходимо учитывать следующие факторы:
1. Адгезионные свойства подложки
2. Устойчивость к внешним факторам (таким как жидкости и
газы, контактирующие с чувствительной поверхностью сенсоров во время их работы)
3. Условия окружающей среды (влажность, температура,
механические удары и вибрации)
4. Величину коэффициента электромеханической связи с
подложкой
5. Технологию нанесения пленок и последующую работу сними
6. Стоимость
Сила пьезоэлектрического эффекта в твердотельных
акустических датчиках зависит от конфигурации электродов. В датчиках на ПАВ
используются гребенчатые электроды, а в преобразователях, работающих на
объемных акустических волнах, проходящих через все поперечное сечение
устройства, — электроды достаточно большой площади, расположенные на
противоположных сторонах детектора.
Существует несколько конфигураций акустических твердотельных
сенсоров, различающихся по типу распространения волн в материале. На рис. 12.7
отображены схемы двух вариантов сенсоров: на основе волны изгиба (рис. 12.7А) и
на ос—
нове ПАВ (рис. 12.7Б). В первом случае за счет напряжения,
приложенного клевой паре электродов, происходит изгибная деформация очень
тонкой мембраны. Вертикальное отклонение мембраны преобразуется в электрический
сигнал, снимаемый с правой пары электродов. Как правило, толщина мембраны
значительно меньше длины волны колебаний. Во втором случае акустические волны формируются
на поверхности относительно толстой подложки. И в том, и в другом случае
пространство между парами электродов является чувствительной зоной сенсоров,
реагирующей на внешние воздействия, такие как давление, вязкость жидкости,
молекулы газа и микроскопические частицы.
ПАВ-сенсоры входят в состав многих приборов, к примеру, они
используются в генераторах в качестве времязадающих устройств Поскольку на
распространение акустических волн оказывают влияние много внешних и внутренних
факторов, полученные результаты измерений (изменения частоты выходного сигнала)
могут быть неоднозначными и обладать крупными погрешностями. Для решения этой
проблемы применяют дифференциальные датчики, построенные на основе двух
идентичных ПАВ преобразователей: один из которых является эталонным, а другой —
чувствительным устройством, реагирующим на изменения внешних воздействий (рис. В настоящее время использование акустических сенсоров
гораздо шире, чем просто детектирование звука. Наибольшей популярностью сейчас
пользуются микровесы и устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ),
реализованные на принципе детектирования механических вибраций в твердых телах. 12.8) Эталонный преобразователь экранируется от внешних сигналов, но
подвергается воздействию таких общих факторов, как температура, старение и т д
Частота выходного сигнала, равная разности частот двух ПАВ преобразователей,
определяется только измеряемым сигналом и не зависит от влияния других
посторонних факторов.
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
