Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1. Динамические неоднородности и континуальные среды акустоэлектроники.
Функциональная электроника - представляет собой область интегральной электроники, в которой изучается возникновение и взаимодействие динамических неоднородностей в континуальных средах в совокупности с физическими полями, а также созд. приборы и устройства на основе динамических неоднородностей для обработки генерации и хранения информации.
Континуальная среда - объем твердого тела все точки пространства которого обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами.
Динамическая неоднородность – представляет собой локальный объем на поверхности или внутри среды с отличительными от ее окружения свойствами, которые не имеют внутри себя статических неоднородностей и генерируется в результате физико-химических процессов.
Ансамбли заряженных частиц – объединения в группы носителей заряда.
Домены – область химически однородной среды, отличающиеся электрическими, магнитными или упругими свойствами, либо упорядоченное расположение частиц.
Динамическая неоднородность акустической природы.
Акустическая волна представляет собой упругое возмущения вследствие деформации материала. Такие деформации имеют место при движении отдельных атомов и сопряжены с изменением расстояний между ними, при этом возникают внутренние упругие силы стремящиеся вернуть исходный сигнал в исходное состояние.
Скорость распространения акустической волны va= (1,5-4)10^3м/c.
В устройствах на ПАВ используется ультразвуковые волны от 10МГц – 10Ггц.
Если размер звукопровода намного больше длины акустической волны, то могут распространяться ОАВ.
Если же среда является ограниченной со свободными плоскими поверхностями, то в ней распространяется ПАВ.
ПАВ – направленная волна, ее амплитуда убывает экспоненциально с глубиной, поэтому 90% энергии волны сосредоточено на глубине не превышающей длину акустической волны.
По вектору поляризации АВ бывают:
- с вертикальной поляризацией (характерно расположение вектора колеб. смещения частицы среды перпендикулярно границе плоскости).
- с горизонтальной поляризацией (вектор смещения частицы параллельно границе и перпендикулярно направлению распространения волны).
1) волны Рэлея
- волны с вертикальной поляризацией не обладающие дисперсией. Глубина проникновения при поверхностном слое не более длины волны.
2) Волны Лява
– волны с горизонтальной поляризацией обладающие дисперсией.
3) Волны Гуляева-Блюштейна
– волны с горизонтальной поляризацией не обладающие дисперсией.
Области применения:
- сенсорные системы;
- в устройствах частотного разделения сигнала;
- в анализаторах спектра радиосигнала.
Применение ПАВ различных устройств вызвано особенностями этих волн:
1) Возможность вывести звуковой сигнал из любой точки поверхности образца.
2) Удачное сочетание поверхностной волны с планарностью
3) Относительно большая концентрация энергии в волне, вследствие малости слоя локализации волны.
4) Возможность генерации динамических неоднородностей различной природы:
- вследствие явления акусто-электронного воздействия акустической волны с электронами проводимости в твердых телах.
- в акусто-оптических средах акустические электромагнитные волны связаны электроупругим эффектом. Акустическая волна изменяет показатель преломления среды, что ведет к образованию динамических неоднородностей оптической среды.
- в пьезомагнитной среде акустическая волна порождает динамические неоднородности магнитной природы.
Континуальные среды.
Основные требования:
- минимизация уровня потерь;
- максимальная температурная стабильность;
Основные параметры:
- скорость ПАВ;
- коэффициент электромеханической связи: Км^2 = Wэ/Wсуммар; Wэ – электрическая энергия,
Wсуммар – суммарная энергия;
- акустическая добротность: Q=f0/дельтаf;
Группы континуальных сред:
1) Пьезоэлектрические монокристаллы ( SiO2, LiNbO3);
2) Пьезополупроводники (GaAs, CdSe);
3) Промышленные пьезокерамические материалы (BfTiO3, PbTiO3);
Достоинства пьезокерамики:
- дешевые;
- свойства легко управляются изменением химического состава или введением добавок;
- возможность изготавливать звукопровод различной конфигурации.
Недостатки:
- затухание ПАВ, которое резко увеличивается с частотой;
2. Генераторы и детекторы ПАВ.
Генерирование и детектирование ПАВ осуществляется с помощью вложенных друг в друга групп металлических электродов.
При подаче на ВШП напряжения каждая пара электродов создает на поверхности континуальной среды переменное электрическое поле. Под действием обратного пьезоэффекта это электрическое поле возбуждает упругие деформации в виде ПАВ.
Детектирование ПАВ осуществляется процессом обратным генерации. Используется прямой пьезоэффект. При подаче на ВШП напряжения каждая пара электродов возбуждает акустическую волну. Волны имеют одинаковую фазу и происходит когерентное сложение волн при условии a+б = ЛЯМБДАа; a+б – пространственный шаг электродов.
Параметры ВШП:
- центральная (рабочая частота) f0=Va/ЛЯМБДА;
- апертура преобразователя W – максимальное значение перекрытия электродов преобразователя: W ~100 ЛЯМБДА;
- h – толщина электрода; h БОЛЬШЕ ИЛИ РАВНО а;
Конструкции:
Эквидестантивные – имеют равномерное расположение штырей (1и3);
Неэквидестантивные – (2);
Неаподизированные – одинаковая апертура перекрытия (1и 2);
Аподизированные – (3);
Конструкция ВШП
Количество штырей определяет полосу пропускания.
Чем больше количество штырей, тем уже полоса пропускания ВШП. Для управления напряжения ПАВ используют многофазные преобразователи.
3. Устройства управления ПАВ (МПО) и их основное назначение.
Для управления акустической волной используют:
- интерференцию;
- дифракцию;
- отражение;
- преломление;
- переизлучение;
Можно изменять электрофизические параметры континуальной среды различными полями (электрическими, магнитными, электромагнитными), тем самым изменять параметры ПАВ (скорость, дисперсия, удельное затухание).
Основная задача УУ – организация сложных разветвленных траекторий распространения волны в пределах континуальной среды, а также локализация акустической волны в узком потоке.
1) Многополосковые ответвители (МПО) – система одинаковых, проводящих, пленочных, металлических электродов нанесенных на поверхность континуальной среды.
Функции:
- переизлучение;
- разветвление;
- изменение направления ПАВ;
2) Отражательные структуры – основная функция – изменение направления ПАВ.
Бывают топографические и в виде диэлектрических и металлических полос.
3) Акустические волноводы – основная функция – локализация энергии волны в узком пространстве канала.
Все приборы можно разделить на 2 группы:
- линейные (В них используются линейные свойства твердых тел при прохождении акустической волны. Это Линии задержки, устройства частотной селекции, генераторы, усилители).
- нелинейные.
4. Линии задержки
Предназначены для временной задержки сигнала без заметных искажений. Их основными преимуществами перед электрическими линиями задержки:
- небольшие габариты;
-широкий диапазон частот;
- хорошая температурная стабильность;
(5 это поглотители);
Работа ЛЗ:
На вход подаем радиоимпульс, рабочая частота которого совпадает с рабочей частотой ПАВ. Данный радиоимпульс обладает единичной амплитудой и бесконечно малой длительностью. Он возбуждает все электроды генератора и под действием обратного пьезоэффекта образуется ПАВ.
Длительность ПАВ То=Lo/Vпав.
Акустический импульс доходит до детектора и на основании прямого пьезоэффекта преобразуется под детектором в радиоимпульс, огибающая которого имеет форму ромба (при условии, если конструкция генератора и детектора одинакова). Задержка нашего радиоимпульса обозначается T и определяется формулой T=L/Vпав, и зависит от расстояние между генератором и детектором.
Основные параметры ЛЗ:
- время задержки (T,с);
- полоса пропускания (дельтаf,Гц);
- вносимое затухание (Вz,дБ);
- уровень ложных сигналов (Влс,дБ).
Уровень ложных сигналов определяется акустическими волнами 2 и 3.
Основные конфигурации:
1) линии с закругленными краями;
2) линии со сложной траекторией распространения волны.
К 1 относятся цилиндрические и дисковые ЛЗ.
К 2 относятся:
Многоотводные ЛЗ предназначены для регулировки и увеличения времени задержки. Тау з= (10-1000)мкс.
Матричная структура:
Дисперсионные ЛЗ предназначены для формирования зависимости задержки сигнала от частоты.
5. Устройства частотной селекции. Полосовые фильтры.
Представляют собой процессоры предназначенные для выделения необходимых сигналов на фоне шумов и помех (фильтры).
Достоинства ПАВ фильтров:
- небольшая масса и габариты;
- возможность реализации достаточно сложных по форме амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и фазо-частотных характеристик (ФЧХ).
- возможность применения стандартных технологических процессов в микроэлектронике.
- хорошая сопрягаемость с блоками микроэлектронной аппаратуры.
- высокая стабильность параметров и надежность в работе.
Недостатки:
- повышенная стоимость;
- повышенный уровень вносимых потерь;
Классификация:
По виду частотной характеристики:
- полосовые (пропускает определенную полосу частот);
- режекторные (подавляет определенную полосу частот);
- фильтры нижних частот;
- фильтры верхних частот
По физическому принципу:
- резонансные (по акустическому или электрическому);
- трансверсальные (по ФЧХ);
- не трансверсальные (по АЧХ);
По виду обрабатываемого сигнала:
- аналоговые (непрерывная функция);
- цифровые (дискретная функция).
ПОЛОСОВЫЕ ФИЛЬТРЫ
Классификация:
По относительной полосе пропускания:
- сверхузкополосые (0,01%<дельтаf/fo<0,1%);
- узкополосые (0,1%<дельтаf/fo<1%);
- среднеполосые (1%<дельтаf/fo<10%);
- широкополосые 10%<дельтаf/fo<50%);
- сверхширокополосые (50%<дельтаf/fo<100%);
Конструкция фильтра:
Особенности данного фильтра:
- расположение генератора и детектора на небольшом расстоянии друг от друга (для исключения искажения АЧХ);
- в качестве генератора выбирается многоэлектродный ВШП. Он является полосозадающим дельтаf=fo/N, N – количество штырей.
6. ПАВ резонаторы и фильтры на их основе
Используются для сверхзкукополосных фильтров. Используя резонаторные области удается получить узкую полосу пропускания без увеличения размеров устройства.
1) ВШП в качестве генератора и детектора.
2) Резонаторные полости, представляют собой набор акустических отражателей (используются для формирования акустического резонанса).
Недостатком данного резонаторного фильтра является высокий уровень прямого прохождения сигнала между началом и окончанием работы.
Одним из достоинств является возможность перестраивать частоту. Для этого между генератором и детектором помещается дополнительный ВШП с регулируемой нагрузкой. Изменяя сопротивление нагрузки мы меняем скорость акустической волны, что ведет к изменению частоты нашего фильтра.
7. Акустоэлектронные генераторы и усилители.
Генераторы на ПАВ – это акустоэлектр устройство предназначенное для генерации непрерывных, монохроматических , акустических сигналов.
2 типа генераторов:
- на основе ЛЗ
Достоинство - возможность изменения частоты генерации за счет изменения скорости акустической волны в результате фазового сдвига во внешней цепи.
- на основе резонаторных полостей
Недостаток – невозможность изменять частоту.
Достоинство – лучшие шумовые характеристики этого генератора.
Оба типа работают на частотах 10^7-10^9 Гц.
Усилители – акустоэлектронные устройства предназначенные для усиления сигнала.
Если Vдр<Vпав происходит передача энергии акустической волны электронам проводимости. Амплитуда падает, сигнал ослабевает.
Если Vдр>Vпав энергия электрона передается акустической волне. Амплитуда увеличивается – происходит усиление акустической волны.
Усилитель работает как в импульсном так и в непрерывном режиме и изготавливается по технологиям микроэлектроники.
8. Нелинейные устройства на ПАВ
Нелинейные явления в твердых телах сводится в двум типам взаимодействия:
- взаимодействие различных акустических волн;
- взаимодействие акустических волн с электрическим полем.
Акустическое запоминающее устройство.
Операция записи информации осуществляется путем нелинейного взаимодействия акустической несущей волны с электрическим сигналом, при этом формируется пространственный рельеф из зарядов.
Данный метод называется импульсным и заключается в создании потенциально рельефа плотности заряда в приповерхностном слое полупроводника с последующей его фиксацией. Под ПАВ происходит перераспределение заряда в полупроводниковой пластине 3, располог вблизи поверхности пьезоэлектрика 2, в результате между верхним контактом “а” в полупроводниковой пластине и металлическим электродом ВШП “b” возникает разность потенциалов, пропорциональная интенсивности ПАВ.
Радиочастотный электромагнитный сигнал поступает из ридера 5 на антену 2, ВШП соединенный с антенной преобразует полученный сигнал в ПАВ посредством обратного пьезоэффекта. ПАВ распространяется по направлению к отражателям, а затем обратно к ВШП, где под действием прямого пьезоэффекта преобразуется в электромагнитный сигнал, излучающийся посредством антенны назад к ридеру.
Сенсор содержит информацию о характеристиках распространения акустической волны.
Экраны ПАВ