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
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. І.І.МЕЧНИКОВА
На правах рукопису
Для службового користування
Прим. № _______
УДК 621.37/39:534
ЛЕПІХ Ярослав Ілліч
ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ТА АДСОРБЦІЙНІ ЯВИЩА В КРИСТАЛІЧНИХ ДІЕЛЕКТРИКАХ ТА ШАРУВАТИХ СТРУКТУРАХ ПРИ ПОШИРЕННІ ПОВЕРХНЕВИХ АКУСТИЧНИХ ХВИЛЬ
Спеціальність 01.04.10 —
Фізика напівпровідників та діелектриків
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора фізико-математичних наук
Одеса —2000
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Одеському державному університеті ім. І.І.Мечникова.
Науковий консультатнт доктор фізико-математичних наук, професор Сминтина Валентин Андрійович, Одеський державний університет ім. І.І.Мечникова, ректор університету.
Офіційні опоненти доктор фізико-математичних наук, професор, член.-кор. НАН України Литовченко Володимир Григорович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, керівник відділення фізики поверхні напівпровідників та мікроелектроніки;
доктор фізико-математичних наук, професор, Кучеров Іван Якович, Київський Національний університет ім. Тараса Шевченка, професор кафедри фізики;
доктор фізико-математичних наук, професор, Курмашов Шаміль Джамашович, Одеський державний університет ім. І.І.Мечникова, завідувач лабораторією.
Провідна установа Львівський національний університет ім. Івана Франка, фізичний факультет, Міністерства освіти і науки України, м.Львів.
Захист відбудеться 27 квітня 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.051.01. Одеського державного університету ім. І.І.Мечникова (65026, м.Одеса, вул. Дворянська, 2).
З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Одеського державного університету ім. І.І.Мечникова.
Автореферат розісланий 10 жовтня 2000 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 41.051.01
кандидат фіз.-мат. наук Федчук О.П.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Різноманітність фізичних явищ, що виникають в процесі генерації, поширення та детектування поверхневих акустичних хвиль (ПАХ) в кристалічних діелектриках та шаруватих структурах, взаємодія їх з хвилями іншої фізичної природи є важливим об'єктом наукових досліджень і джерелом значного числа методів створення високоефективних за виконуваними функціями і унікальних за технічними характеристиками акустоелектронних пристроїв (АЕП). Розробка і удосконалення фізико-математичних моделей зустрічно-штирьового перетворювача (ЗШП), дослідження властивостей деяких п'єзодіелектриків дозволили досягнути в лабораторних розробках окремих типів АЕП рекордних параметрів. Однак, незважаючи на грунтовну проробку окремих проблем, в даний час багато явищ і фізичних механізмів в області акустоелектроніки залишаються не вивченими, що не дозволяє повною мірою реалізувати великі потенційні можливості цього наукового напрямку. Досягнуті на даний час наукові успіхи в акустоелектроніці стосуються головним чином розробок пасивних пристроїв. Дослідження ж останніх років показали, що значні перспективи акустоелектроніки пов'язані із створенням керованих функціонально гнучких АЕП. Це дозволить суттєво збільшити кількість виконуваних АЕП функцій, забезпечить виконання ними більш складних функцій за менший проміжок часу при мінімальних масогабаритних параметрах, збільшивши таким чином їх "інформаційну ємність" та функціональну гнучкість.
Дослідження в цьому напрямку, що почались в 70-х роках, одержали бурхливий розвиток в останнє десятиліття, що обумовлено також обгрунтованими прогнозами отримання значних практичних результатів по створенню нового покоління інтелектуальних сенсорів, котрі в загальному випадку також можуть бути віднесені до класу керованих АЕП. В перших роботах по керуванню характеристиками АЕП використовувалось явище каналювання ПАХ за допомогою створюваних на поверхні звукопровода хвильоводів з меншою, ніж в звукопроводі, швидкістю поширення ПАХ [1 — 3]. Найбільш успішним виявилось використання хвильоводу типу DV/V. Згодом Діас і Kappeр [3] дослідили тензоефект в монокристалічному п'єзозвукопроводі, а Ю.В. Гуляєв із співробітниками [4] з метою управління характеристиками і створення акустоелектронних підсилювачів дослідив вплив електричного поля на поширення ПАХ. Представники мінської школи акустоелектроніки під керівництвом В.М. Дашенкова [5] дослідили принцип керування акустичним пучком, застосувавши акустичний дефлектор з керуючою наругою U=±230В. В дисертації Е.К. Грищенка [6] досліджувалось керування, що базується на явищі вторинної п'єзоелектричної взаємодії. Керування акустичною взаємодією в шаруватій структурі напівпровідник - п'єзоелектрик - напівпровідник досліджувалось вченими Київського національного університету ім. Тараса Шевченка під керівництвом І.Я.Кучерова [7].
Однак до початку роботи над дисертацією навіть граничні можливості досліджених фізичних методів не дозволили досягнути рівня їх практичного використання в конкретних виробах. Недостатньо велике керування робочою частотою (в кращому випадку в межах 3%) не дозволило їм успішно конкурувати з пристроями, побудованим на інших фізичних принципах.
Одночасно з дослідженнями фізичних методів керування велись роботи по дослідженню властивостей нових кристалографічних зрізів традиційних п'єзомонокристалів і створенню нових моно- і полікристалічних діелектриків, електрофізичні властивості яких дозволили б суттєво збільшити ступінь керування параметрами акустичних хвиль і внаслідок цього - характеристиками АЕП.
Серед останніх досить перспективними вважаються матеріали нового класу - монокристалічні полідоменні сегнетоеластики-сегнетоелектрики, насамперед молібдат гадолінія (GMO) [8]. В цьому випадку ефект керування досягається шляхом зміни фундаментальних властивостей матеріалу — перебудовою доменної структури під дією зовнішніх фізичних полів. Однак розвиток цього напрямку робіт стримується суттєвими відмінностями експериментальних даних різних авторів та значними складнощами теоретичного аналізу процесу акустодоменної взаємодії в структурах GMO під дією зовнішніх полів (такі роботи фактично відсутні).
Крім GMO перспективи акустоелектроніки пов'язуються із створенням більш досконалих складів п'єзокераміки, шаруватих структур, комплексних сполук германію, п'єзонапівпровідникових шаруватих структур класу А2В6, а також мономолекулярних шарів Ленгмюра-Блоджетт (Л-Б).
Досягнуті в дослідницьких роботах успіхи і надії на мистецтво технологів заслонили одну із важливих наукових проблем, що стосується забезпечення розрахункових характеристик АЕП в умовах серійного виробництва, відмінність яких від реально одержуваних обумовлена дією електрофізичних явищ, пов'язаних з неминучими технологічними похибками топології ЗШП. Більша частина рішень цієї проблеми має або поодинокий характер, або має смисл вибору обхідних шляхів, наприклад, збільшенням значень електричних параметрів з урахуванням технологічного запасу. Складність проблеми обумовлена тим, що число параметрів топології, які підлягають впливу похибок у загальному випадку переважають кілька десятків і вони не можуть бути скомпенсовані ні вибором фізичних методів, ні конструктивно-технологічними рішеннями внаслідок їх випадкового характеру.
Найбільш розвиненим у вирішенні цієї проблеми в даний час є підхід [9], що використовує метод Монте-Карло. Однак такий підхід має обмеження по оптимізації конструкції ЗШП, обумовлені відсутністю зв'язку результатів статистичної обробки з фізичними джерелами похибок, відсутністю чітких критеріїв достатньості накопиченої статистики та значним обсягом обчислювальних витрат.
Таким чином, 1) дослідження властивостей перспективних для акустоелектроніки діелектричних матеріалів та шаруватих структур; 2) вивчення електрофізичних та адсорбційних явищ при поширенні в них ПАХ; 3) пошук і розробка на їх основі ефективних фізичних методів керування параметрами АЕП; 4) забезпечення відповідності їх експериментальних параметрів розрахунковим є актуальними задачами фізики напівпровідників та діелектриків, які також мають важливе практичне значення з точки зору більш широкої реалізації потенційних можливостей акустоелектроніки.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Постановка задачі і результати досліджень пов'язані з науково-тематичними планами пріоритетних наукових напрямків Одеського державного університету ім. І.І. Мечникова, затвердженими наказом № 181-18 від 08.02.93 р., НДР "Дослідження електронно-молекулярних явищ на поверхні напівпровідникових шарів і розробка наукових основ фізико-хімічних процесів в напівпровідникових сенсорах", № ДР 0194U044420; НДР "Розробка технології отримання люмінесцентних матеріалів для оптоелектроніки на основі сполук А2В6" № ДР 0197U44415; Координаційним планом Міністерства освіти України "Фізика конденсованого стану, включаючи метали, напівпровідники, діелектрики і рідини. Вплив зовнішніх факторів на електронні, йонні і молекулярні явища і процеси в об'ємі, на поверхні та межах розділу напівпровідників і діелектриків", затвердженим наказом Міністра № 37 від 13.02.97 р., НДР "Дослідження електронно-молекулярних явищ на поверхні напівпровідників і створення наукових основ розробки сенсорів для реєстрації складу газового середовища", № ДР 0197U008970; з Комплексною цільовою науково-технічною програмою "Наука - 2000", затвердженою наказом Міністра машинобудування військово-промислового комплексу і конверсії № 470 від 17.03.94 р., НДР "Розробка і дослідження газочутливих сенсорів, побудованих на останніх досягненнях акустоелектроніки і молекулярної електроніки", № ДР 0194U030528; з Міжгалузевою науково-технічною "Програмою розвитку найбільш конкурентоспроможних напрямків мікроелектроніки в Україні", розробленою за дорученням Президента України від 24.06.98 р. № 1 - 14/473 і КМ України від 30.06.98 р. № 12586/2, в розробці якої брав участь здобувач і членом Координаційної ради якої він є.
Мета і задачі дослідження.
Метою дисертаційної роботи є встановлення закономірностей електрофізичних і адсорбційних явищ в кристалічних діелектриках та шаруватих структурах, що виникають при поширенні в них ПАХ, і розробка на їх основі фізичних методів ефективного керування характеристиками акустоелектронних пристроїв.
Досягнення поставленої мети здійснювалось проведенням досліджень за трьома взаємопов'язаними напрямками:
- дослідження нових класів та тих, які традиційно використовуються для перетворювачів і звукопроводів кристалічних діелектриків і шаруватих структур;
- дослідження електрофізичних і адсорбційних явищ при поширенні ПАХ і фізичних методів керування параметрами акустоелектронних пристроїв на ПАХ;
- розробка методів аналізу і врахування впливу випадкових відхилень топології ЗШП на характеристики акустоелектронних пристроїв.
У відповідності до поставленої мети і означених напрямків досліджень вирішувались наступні задачі:
. Дослідження структурних і електрофізичних параметрів, акустичних властивостей ряду перспективних для акустоелектроніки моно- і полікристалічних діелектриків, комплексних сполук германію, а також шаруватих структур типу А2В6/п'єзоелектрик, Л-Б плівка / п'єзоелектрик, їх температурних і частотних залежностей.
. Дослідження електрофізичних і адсорбційних явищ при поширенні ПАХ в кристалічних діелектриках і шаруватих структурах за умов:
- впливу анізотропії пружних параметрів і акустичних властивостей в кристалах кварцу на процеси збудження, поширення і детектування ПАХ;
- генерації, поширення і перетворення акустичних хвиль в дискретно шаруватій структурі тверде тіло — рідина — тверде тіло;
- селективної поляризації сегнетокераміки;
- тензоефекта в структурах ПАХ з п'єзокерамічним звукопроводом;
- оптоакустичної взаємодії у фоточутливих п'єзонапівпровідникових шаруватих структурах CdS/LiNbO3, InSb/LiNbO3.
. Побудова фізико-математичних моделей, які визначають взаємозв'язок зовнішніх факторів при поширенні ПАХ в шаруватих структурах з характеристиками пристроїв.
. Розробка методів аналізу і врахування впливу на розрахункові характеристики АЕП на ПАХ електрофізичних явищ, обумовлених випадковими відхиленнями топології ЗШП і оптимізація методики їх синтезу.
. Розробка і дослідження перспективних конструктивно-технологічних рішень, які базуються на результатах досліджень електрофізичних властивостей діелектричних матеріалів, фізичних методів керування характеристиками ПАХ і аналізі впливу похибок топології ЗШП, що забезпечують створення конкурентоспроможних керованих функціонально гнучких акустоелектронних пристроїв і сенсорів.
Методи досліджень. Для досліджень структурних характеристик і фазового складу поверхневих шарів кристалічних діелектриків і шаруватих структур використовувалась система рентгеноспектрального мікроаналізу і електронної мікроскопії Сamebax Micro фірми Сameca (Франція). Оптичні характеристики шаруватих структур комплексонатів германію досліджувались з допомогою спектрофотометра Perkin-Elmer. Електрофізичні параметри діелектриків і шаруватих структур вимірювались за допомогою ємнісного методу і методу чотирьох зондів з використанням стандартних вимірювальних приладів. Коефіцієнт електромеханічного зв'язку п'єзоелектриків, залежність фазової швидкості ПАХ від кута між хвильовим вектором і кристалографічною віссю п'єзомонокристала, швидкість поширення ПАХ, вносимі втрати сигналу для ПАХ Релея, вимірювались за допомогою розробленого в рамках дисертації оригінального методу і автоматизованої вимірювальної установки на основі безконтактного способу збудження і детектування ПАХ. Експериментальні дослідження амплітудних і фазових профілів ПАХ проводились з допомогою оптичного зондування поверхні звукопроводів на оптоакустичній установці. Температурні і частотні залежності електрофізичних параметрів матеріалів досліджувались на спеціально розроблених установках з використанням стандартної контрольно-вимірювальної апаратури. Оцінка результатів теоретичних досліджень проводилась методами машинного моделювання на ЕОМ і співставленням їх з результатами експериментальних досліджень характеристик дослідних зразків пристроїв.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:
. Встановлено взаємозв'язок між структурою, електрофізичними параметрами і акустичними характеристиками кристалічних діелектриків та шаруватих структур. Одержано і систематизовано нові дані про електрофізичні параметри, акустичні характеристики для ПАХ Релея (коефіцієнт електромеханічного зв'язку, діелектрична проникність, швидкість поширення ПАХ, коефіцієнт згасання ПАХ, залежність швидкості ПАХ від кута між хвильовим вектором і кристалографічною віссю), їх температурні і частотні залежності ряду перспективних для акустоелектроніки діелектриків та шаруватих структур - кристалів кварцу, п'єзокераміки системи цирконату - титанату свинцю (ЦТС) різних марок, структур А2В6/ п'єзоелектрик, плівка Ленгмюра-Блоджетт / п'єзоелектрик, плівки комплексонатів германію, які в сукупності є основою для створення нового класу керованих функціонально гнучких акустоелектронних пристроїв.
. Виявлені особливості і встановлені закономірності генерації, поширення і детектування ПАХ Релея в шаруватих структурах п'єзопасивний діелектрик з ЗШП - вакуум - анізотропний п'єзоелектрик, які пов'язані з міханізмом взаємодії електромагнітного поля з п'єзоелектриком і залежністю в ньому швидкості ПАХ від кута між хвильовим вектором та кристалографічною віссю.
. На основі одержаних результатів досліджень закономірностей збудження і детектування ПАХ Релея в шаруватій структурі п'єзопасивний діелектрик - вакуум - анізотропний п'єзоелектрик запропоновано і обгрунтовано новий метод керування параметрами ПАХ, який став базовим для нового класу функціонально гнучких керованих пристроїв на ПАХ.
. Встановлені фізичні механізми збудження, поширення та детектування акустичних хвиль і керування їх характеристиками в шаруватих структурах тверде тіло - рідина - тверде тіло, фоточутливий п'єзонапівпровідник - п'єзоелектрик, в тензочутливій структурі ЗШП на п'єзокераміці, а також в селективно поляризованій п'єзокераміці, які дозволили в 2-3 рази підвищити ступінь керованості характеристиками акустоелектронних пристроїв у порівнянні з аналогами.
. Розроблена і обгрунтована математична модель, яка відображає закономірність взаємодії процесів адсорбції - десорбції і поширення ПАХ в інтегральних шаруватих структурах, що складаються з елементів на ПАХ і адсорбційних шарів, в тому числі плівок Ленгмюра - Блоджетт, і на її базі розвинуто метод створення інтелектуальних сенсорів газу нового покоління.
. Вперше виявлено, досліджено і пояснено явище осциляції електричної провідності при температурах 80 °С, 110 °С і 140 °С нижче температури фазового переходу (295 °С ) в сегнетокераміці ЦТССт-5. Фізичний механізм явища обумовлений релаксаційними процесами 90-градусних доменів та роллю крапкових дефектів, які стимулюються дією температурного поля.
. Розроблено і апробовано новий метод аналізу і врахування, а також встановлені закономірності впливу випадкових відхилень топології зустрічно - штирьових перетворювачів на характеристики пристроїв на ПАХ. Визначена ступінь чутливості класичної структури пристрою на ПАХ до випадкових відхилень топології ЗШП для 16 найбільш часто використовуваних при аподизації вагових функцій.
. Одержана і досліджена нова вагова функція, яка базується на теоремі Котельникова і зв'язку імпульсної характеристики зустрічно - штирьового перетворювача ПАХ з його передаточною характеристикою, яка враховує дискретизацію і обмеженість імпульсної характеристики і забезпечує досягнення більш високих параметрів, ніж традиційно використовувані вагові функції.
Практичне значення одержаних результатів.
Результати досліджень електрофізичних і адсорбційних явищ в кристалічних діелектриках і шаруватих структурах, дослідження ЕФП і акустичних властивостей діелектриків, а також їх температурних і частотних залежностей дозволяють суттєво розширити реалізацію потенційних можливостей акустоелектроніки за рахунок створення нових класів керованих функціонально гнучких акустоелектронних пристроїв.
Розроблений метод керування характеристиками пристроїв на ПАХ, що базується на анізотропії фазової швидкості в п'єзомонокристалах і безконтактному збудженні ПАХ, є базовим для нового класу керованих функціонально гнучких акустоелектронних пристроїв з уніфікованим перетворювачем і з суттєво більш високим (в 6 - 8 разів) ступенем керованості параметрами в порівнянні з аналогами.
Запропонований і розроблений аналітичний метод аналізу і врахування випадкових похибок топології ЗШП дозволяє мінімізувати чутливість до них характеристик пристроїв і визначити необхідний і достатній рівень вимог до використовуваної технології.
Результати досліджень ступеню чутливості до похибок топології ЗШП для 16 найбільш широко використовуваних при аподизації вагових функцій затабульовані і використовуються в стандартних програмах проектування.
Практична значимість одержаних результатів досліджень підтверджується також створенням низки оригінальних і принципово нових конструктивно-технологічних рішень акустоелектронних перетворювачів, дослідних зразків керованих акустоелектронних пристроїв на ПАХ та сенсорів різного призначення. Значна частина результатів впроваджена на підприємствах України і Росії. Зокрема ВАТ "НВО "Хартрон" (м. Харків) передано для організації серійного виробництва фільтра на ПАХ комплект конструкторської (СКИГ.431141.001) і технологічної документації (СКИГ. 40101. 00029) (акт передачі від 19.07.1995 р.). Підприємству НТЦ "Сенсофт" (м. Москва, Росія) передані для впровадження зразки модулів датчиків тиску на ПАХ (акт здачі-приймання від 26.12.1991 р.). В НДІРВ (м. Харьків) впроваджено з II кв. 1995 р. установку поляризації п'єзокераміки "Полюс" (акт від 01.03.99 р.). ВАТ "СКТБ "Елемент" (м. Одеса) впровадило в ряді розробок датчиків фізичних величин метод керування характеристиками пристроїв на ПАХ і метод аналізу впливу випадкових похибок топології ЗШП в системі автоматизованого проектування фільтрів на ПАХ (акт від 14.07.99 р.). МНВВП "Дієз" (м. Львів) впровадило методи керування характеристиками пристроїв на ПАХ з анізотропними звукопроводами при створенні датчиків тиску (акт від 10.04.99 р.).
Впровадження результатів дисертації забезпечило досягнення позитивних техніко-економічних показників.
Особистий внесок здобувача.
Більша частина опублікованих наукових праць, в яких відображено основний зміст дисертації, виконана здобувачем самостійно [2, 6, 8, 11-20, 22, 24, 26, 28, 37-41, 43-47]. Здобувачем особисто вперше була запропонована та обговорювалась на Республіканській конференції "Акустоелектронні та фотоакустичні методи дослідження речовин" [6] і Всесоюзній науково-технічній конференції "Акустоелектронні пристрої обробки інформації на поверхневих акустичних хвилях " [38] ідея використання для керування характеристиками АЕП на ПАХ анізотропії фазової швидкості ПАХ в монокристалічних п'єзо-електриках з використанням безконтактного методу генерації і детектування ПАХ, який розроблявся в подальших роботах самостійно і в співавторстві, як методологія створення нового класу функціонально гнучких керованих АЕП.
Здобувачем особисто виявлено і досліджено явище осциляцій електричної провідності в сегнетокераміці при певних температурах і дано йому пояснення [13, 20]. Ним самостійно було запропоновано і обгрунтовано методи керування характеристиками АЕП на ПАХ, які базуються на оптоакустичній взаємодії [18], тензоефекті в п'єзокерамічному звукопроводі [19], селективній поляризації сегнетокераміки [14, 28], а також метод підвищення селективності газочутливих сенсорів з шаруватими структурами i елементами на ПАХ [22].
В співавторстві з академіком РАН Ю.В.Гуляєвим і провідним інженером П.А.Снегуром здобувачем було запропоновано, досліджено і реалізовано метод керування характеристиками АЕП, який базується на явищі перетворення ПАХ в дискретно шаруватій структурі тверде тіло-рідина-тверде тіло [31, 33].
В спільних роботах [1, 4, 5, 7, 9, 10, 21, 23, 25, 37, 43] особистий внесок здобувача полягає в постановці задач, участі в розробці методик досліджень, аналізі результатів, формулюванні висновків і підготовці матеріалів до публікації. В спільній роботі [3] здобувач приймав участь у виготовленні експериментальних зразків сенсорів, проведенні досліджень і аналізі їх результатів.
В спільних роботах [27, 28, 30 -36] особистий внесок здобувача полягає в участі у розробці суттєвих відмінностей винаходів, проведенні експериментальної перевірки рішень, складанні формули та опису винаходу, а також в участі у експертних засіданнях патентного відомства.
Апробація результатів дисертації. Основні результати диссертації доповідались і обговорювались на XIII Всесоюзній конференції по акустоелектроніці та квантовій акустиці (м. Київ, 1986 р.); XII Всесоюзній науковій конференції по мікроелектроніці (м. Тбілісі, 1987 р.); Виїздній науковій сесії Наукової ради по проблемі "Акустика" відділення загальної фізики і астрономії АН СРСР (м. Одеса, 1987 р.); Всесоюзній школі-семінарі "Пристрої акустоелектроніки" (м. Москва, 1988 р.); Всесоюзній науково-технічній нараді "Шляхи удосконалення напівпровідникових і діелектричних матеріалів електронної техніки" (м. Одеса, 1988 р.); Всесоюзній науково-технічній конференції "Дослідження і розробка сучасних радіоелектронних елементів і пристроїв" (м. Рига, 1989 р.); XIV Всесоюзній конференції "Акустоелектроніка і фізична акустика твердого тіла" (м. Кишинів, 1989 р.); Республіканській науковій конференції "Акустоелектричні і фотоакустичні методи дослідження речовини" (м. Київ, 1989 р.); Міжнародній конференції по електронній кераміці "ЕСРР-90" (м. Рига, 1990 р.); Всесоюзній науково-технічній конференції "Акустоелектронні пристрої обробки інформації" (м. Черкаси, 1990 р.); 35 Міжнародному науковому колоквіумі (Німеччина, Ільменау, 1990 р.); XV Всесоюзній науковій конференції "Акустоелектроніка і фізична акустика" (м. Ленінград, 1991 р.); XI Всесоюзній акустичній конференції (г. Москва, 1991 г.); Всесоюзній науково-технічній конференції "Кераміка в народному господарстві" (м. Суздаль, 1993 р.); Міжнародній науковій конференції по молекулярній електроніці і біокомп'ютерам (США, м. Батерсбірг, 1993 р.); XVI Всесоюзній науковій конференції "Акустоелектроніка і фізична акустика" (м. Сиктивкар, 1994 р.); Міжнародній науково-практичній конференції "Фундаментальні проблеми сучасної п'єзоелектроніки" (м. Ростов-на-Дону, 1995 р.); Міжнародному науковому семінарі "Фізика сегнетоелектриків-напівпровідників (IMSF-7)" (м. Ростов-на-Дону, 1996 р.); Міжнародному науковому симпозіумі "Акустоелектроніка, керування частотою і генерація сигналів" (м. Москва, 1996 р.); V Міжнародній науково-практичній конференції "Фундаментальні проблеми п'єзоелектричного приладобудування" (м. Барнаул, 1996 р.); IV Міжнародній конференції "Сенсори для контролю випромінювань" (м. Одеса, 1997 р.); III Міжнародній науковій конференції по телекомунікаціям (м. Одеса, 1997 р.); Міжнародній конференції "Весна сенсорів в Одесі" (м. Одеса, 1998 р.).
Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано в 47 наукових працях, в тому числі: 26 статей в наукових журналах і збірниках наукових праць, 11 доповідей та тез доповідей в збірниках матеріалів наукових конференцій, симпозіумів і семінарів, 10 авторських свідоцтв на винаходи, список яких наводиться в кінці автореферату.
Структура і об'єм дисертації. Дисертація скадається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списка використаних літературних джерел з 280 найменувань і 3-х додатків на 25 сторінках. Вона викладена на 336 сторінках, включає 109 рисунків та 24 таблиці.
Основний зміст роботи
У вступі дана загальна характеристика работи: обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, формулюється мета і задачі досліджень, наводяться наукова новизна і практичне значення результатів роботи, приводяться відомості про апробацію результатів досліджень, структуру та обсяг дисертації. Огляд літератури дається безпосередньо у вступній частині кожного розділу дисертації. Там же формулюються мета і задачі досліджень, результати яких складають зміст розділів.
Перший розділ дисертації присвячений дослідженням структурних і електрофізичних параметрів, акустичних і оптичних властивостей ряду моно- і полікристалічних діелектриків — кварцу ST- і Y-зрізів, п'єзокераміки системи ЦТС марок ЦТССт-5, ЦТС-42, ПКР - 53М, PZT-2 (фірми Murata, Японія), комплексних сполук германію з багатоосновними органічними кислотами.
Дослідження швидкості і профілю фронту ПАХ проводились за допомогою фотоакустичної установки з лазерним зондом з довжиною хвилі . Скануванням лазерного променю по нормалі до вектора фазової швидкості були визначені профілі фронту ПАХ, а зміщення такого зрізу від генеруючого ЗШП — форму пучка і дифракцію. Встановлена суттєва залежність фазової швидкості ПАХ від кута між кристалографічною віссю SiO2 і хвильовим вектором.
Для експериментальних досліджень ЕФП п'єзоелектриків для хвиль Релея запропоновано і розроблено оригінальний метод та автоматизований прилад, що базуються на безконтактному способі збудження та детектування ПАХ. Необхідність нового методу полягає, зокрема, в тому, що в існуючій практиці (міжнародні стандарти) коефіцієнт електромеханічного зв'язку Кр - основний параметр п'єзоматеріалів, визначають методом "резонанса - антире-зонанса" для одного з напрямків п'єзотензора, частіше за все е33, що відповідає п'єзомодулю d33. В ряді випадків, коли, наприклад, вектори поляризації мате-ріала і збуджуючого акустичні коливання електричного поля не співпадають по напрямку, такий метод не дає необхідної точності значень Кр. Така ситуація має місце при використанні п'єзоелектричних пластин з поляризацією по товщині в акустоелектронних пристроях на ПАХ Релея з ЗШП. В запро-понованому методі визначення V, а через неї Кр, як відносну зміну швидкості поширення ПАХ на вільній і металізованій поверхні п'єзоелектрика - , базується на тому, що між її величиною і частотою збудження існує однозначний зв'язок.
Оскільки для еквідистантного ЗШП період розташування електродів ЗШП постійний, то зміна може бути викликана тільки однозначною зміною V і, таким чином, значення V можна одержати шляхом вимірювання . Конструкцією безконтактного перетворювача ПАХ передбачена можливість зміни орієнтації поздовжньої осі системи ЗШП відносно кристалографічної осі чи геометричної грані звукопроводу. Використовуючи резонансну структуру ЗШП можна визначати діелектричну константу п'єзоматеріалу. Експериментально одержана залежність величини фазової швидкості Vф від кута між її хвильовим вектором і кристалографічною віссю для SiO2 ST- і Y-зрізів показана на рис. 1 (ліва симетрична частина). Видно, що діапазон зміни Vф достатньо великий, перевищує одержаний Дж.Фарнеллом для ніобату літія (для LiNbO3 YZ-зрізу - 8,2 %, а для SiO2 ST-зрізу - 12,7 %) і відзначається більшою лінійністю і відсутністю крапки, в якій її перша похідна графіка залежності міняє свій знак (~70°). Характер залежності та її параметри дозволили нам запропонувати (1989 р.) ідею використання анізотро-пії фазової швидкості ПАХ для керування характеристи-ками АЕП на ПАХ. Дослід-ження метода керування, який базується на анізотропії Vф і безконтактному способі генерації і детектування ПАХ, описані в розділах 2 і 4 дисертації.
Рис. 1. Графік залежності фазової швидкості ПАХ Релея від кута між хвильовим вектором і кристалографічною віссю для SiO2 ST-зрізу (1) і Y-зрізу (2).
Далі наводяться результати комплексних досліджень п'єзокераміки марок ЦТССт-5, ЦТС-42, ПКР-53М, PZT-2. Визначені ЕФП для ПАХ Релея - коефіцієнт електромеханічного зв'язку Кр, швидкість поширення ПАХ V, діелектрична проникність , коефіцієнт згасання ПАХ, а також їх частотні та температурні залежності.
Встановлено, що в п'єзокераміці має місце неоднорідність значень ЕФП по площі пластини. Зокрема величина V може відрізнятися до 5% між партіями пластин, а на різних ділянках однієї пластини стандартного розміру 60х48 мм може сягати 3%. Для вивчення причин такої розбіжності ЕФП були проведені дослідження мікроструктури і стехіометричності приповерхневого шару п'єзокерамік з допомогою рентгеноспектрального мікроаналізу і електронної мікроскопії. Дослідження показали наявність в приповерхневому шарі мікровключень (рис.2) випадковим чином розташованих по поверхні пластини. Структура мікровключень близька до структури типу перовскиту, що дало підстави для припущення про те, що вони являють собою сегнетоелектричну фазу PbTiО3. Аналіз елементного складу вкраплень підтвердив припущення. Однак в силу випадкового розташування по поверхні підкладки, а також суттєвої різниці між розмірами вкраплень і площі, яку займає ЗШП надійної кореляції між розбіжностями значень V, і фазовим складом приповерхневого шару ЦТС не встановлено.
Рис. 2. Мікроструктура поверхневого шару п'єзокераміки ЦТС-42. 1 - мікровключення фази PbTiO3 (х400)
Слід зазначити, що хімічний склад п'єзокерамік допускає можливість існування різних по структурі і складу кристалічних фаз, співвідношення між якими визначається умовами отримання матеріалу (темпера-тура, тиск, склад атмосфери). Кожна фаза має свій енергетичний розподіл електронного і йонного стану, що може відзначатись на ЕФП матеріалу. Наявність аморфної фази ускладнює картину.
В п'єзокераміці велику роль відіграють також міжзеренні межі. Всі ці обставини ускладнюють інтерпретацію результатів досліджень, однак можна вважати, що розбіжності стехіометричності складу і фазової неоднорідності призводять до відмінності пружних констант по осі поляризації та інших напрямках, наслідком чого є утворення локальної анізотропії акустичних властивостей, яка може мати макроскопічний характер в залежності від співвідношення довжини акустичної хвилі і характерного розміру аномалій. Разом з тим очевидними є відмінності між ЦТС і PZT-2 по густині і пористості (див. рис. 2 і рис. 3), що може бути однією з причин розбіжності ЕФП. Підтвердженням цього слугують результати дослід-жень частотних і температурних залежностей ЕФП п'єзокерамік.
Рис. 3. Мікроструктура поверхневого шару п'єзокераміки PZT-2 (х400)
Структура п'єзокераміки вносить основний вклад в загальні втрати сигналу, які обумовлені розсіянням на межах зерен і пор, на відміну від монокристалів, де втрати на поширення ПАХ обумовлені головним чином дифракцією фронту хвилі. Дослідження частотних залежностей внесених втрат сигналу в звукопроводі ПКР-53М, зокрема, показали, що для неї має місце різке зростання їх біля 30 МГц, яке досягає 10 дБ/см. Для PZT-2 таке зростання наступає вище 50 МГц. Залежність втрат від відносної смуги пропускання ЗШП Df/f для п'єзокерамік в межах від 1% до 10% носить лінійний характер. Одержані частотні залежності втрат сигналу можуть бути використані при виборі матеріалу звукопроводу для АЕП на ПАХ.
Дослідження температурних властивостей п'єзокерамік показали, що по температурній стабільності ЕФП вони перевищують ряд широко використовуваних в акустоелектроніці п'єзокристалів, зокрема, температурний коефіцієнт частоти (ТКЧ) для п'єзокераміки ПКР-53 М і PZT-2 не превищує 60Ч10-6 °С-1, що в 1,5 рази менше ніж для LiNbO3 YZ-зрізу.
В процесі досліджень температурної залежності електричного опору у п'єзокераміки ЦТССТ-5 виявлено явище осциляцій її провідності, виражене періодичними коливаннями величини опору поблизу температур 80 °С, 110 °С і 140 °С і далеко від температури фазового переходу даної п'єзокераміки (295 °С). Явище спостерігається без гістерезису і відзначається стабільністю при багаторазових циклах "нагрів-охолодження" (рис. 4).
Рис.4. Графіки залежності електричного опору п'єзокераміки від температури. 1 - ПКР-53 (М), 2 - ЦТС-42, 3 - ЦТССт-5, 4 - PZT-2
Фізичний механізм осциляцій провідності п'єзоке-раміки полягає в наступному. В процесі поляризації під дією зовнішнього електричного поля (напруженість 5 кВ/мм) і температури
(140 °С) доменна структура сегнетокераміки виводиться із стану рівноваги, перебудовується і приймає в результаті руху 90-градусних доменів і доменних меж нове положення, яке однак венергетичному відношенні є нестійким.
Пружні повертаючі сили врівноважуються статичним електричним полем перерозподілених під дією зовнішнього поля зарядів крапкових дефектів і 180-градусних доменів. Нестійкість такого стану призводить до того, що при дії більш сильного зовнішнього поля будь якої природи, в даному випадку теплового, 90-градусні домени релаксують і при певних умовах, які мають місце в даному випадку, їх зворотній рух до положення мінімуму термодинамічного потенціалу системи настільки сильний, що вони проскакують стійке положення, а потім знову, повертаючись назад, проскакують його за рахунок енергетичного підживлення зовшінього поля. 90-градусні домени являють собою жорсткі диполіі з вектором спонтанної поляризації Р. Зміна Р в часі приводить до виникнення електричного струму провідності, обумовленого рухом зв'язаних зарядів, густина якого дорівнює
. (1)
Це і спричиняє осциляції електричної провідності сегнетокераміки, виявленої нами в ЦТССт-5.
Величина такого струму визначається кількістю і розмірами доменів, які приймають участь в коливальному процесі.
Описаний механізм осциляцій підтверджуєтся методом акустичної емісії, за допомогою якого зареєстровано акустичні сигнали, що супроводжують процес перебудови внутрішньої структури сегнетокераміки.
Концептуально фізична модель осциляцій електричної провідності сегнетокераміки при певній температурі відповідає експериментальним даним Літтла і Фоусека, які встановили, що рух 90-градусних доменів носить релаксаційний характер і суттєво залежить від крапкових дефектів.
Далі в першому розділі наводяться результати досліджень методу селективної поляризації п'єзокераміки. Метод дозволяє створювати в звукопроводі поляризовані області з різними геометричними формами і різними по модулю і напрямках векторами поляризації, проводити зважування ЗШП з постійною довжиною електродів і таким чином керувати характеристиками АЕП в процесі їх виготовлення. При цьому досягається більш висока точність реалізації розрахункових характеристик пристроїв на ПАХ за рахунок зниження впливу вторинних ефектів, обумовлених нерівномірністю металізації робочої поверхні звукопроводу по фронту ПАХ. Поперечно-поздовжна поляризація забезпечує також зниження внесених втрат сигналу, а також сигналу прямого проходження.
Далі наводяться результати досліджень нового класу матеріалів на основі комплексних сполук германію з багатоосновними органічними кислотами — комплексонатів германію (КГ). Вони здатні утворювати з водних розчинів при кімнатній температурі оптично прозорі плівки. Виміри спектрів пропускання, зокрема, матеріалів Ba-Ge-Dtpa і Ge-Oedph-NН4FЧHF показали, що у видимій і ближній інфрачервоній (ІЧ) областях спектру їх плівки мають коефіцієнт пропускання близький до 100%. Структурні дослідження і електричні вимірювання підтверджують наявність в плівках КГ при певних товщинах доменної будови і п'єзоелектричних властивостей.
Електричний опір оптично прозорих плівок КГ при наявності в них тільки Ge і Oedph або Dtpa перевищує 1010 Ом. Введення в розчин деяких сполук, наприклад NH4FЧHF, винної чи янтарної кислот дозволяє знизити опір до 1,5Ч108 Ом, а введення неорганічних домішок, наприклад BaCO3, приводить до збільшення опору. Діелектрична проникність плівок КГ досить мала і для різних складів лежить в межах 3 — 8, що свідчить про високу симетрію молекулярної будови сполук.
Виявлені сорбційні властивості плівок КГ до деяких хімічних елементів газового середовища, що детально показано в розділі 4 дисертації.
Другий розділ присвячений дослідженням електрофізичних явищ в діелектриках та шаруватих структурах, які виникають в них при поширенні ПАХ, а також фізичним методам керування характеристиками АЕП на їх основі. Досліджуються генерація, поширення і детектування ПАХ в структурах: п'єзоелектрик - вакуум - п'єзопасивний діелектрик; тверде тіло - рідина - тверде тіло; фоточутливий напівпровідник на п'єзоелектрику, а також тензоефект в структурі ЗШП на п'єзокерамічному звукопроводі.
Як показано в першому розділі, кутова залежність фазової швидкості ПАХ Релея в SiO2 ST-зрізу є досить суттєвою і сягає в межах змін кута ±35° більше ніж 12%. Для використання анізотропії фазової швидкості в п'єзомонокристалах з метою керування характеристиками АЕП запропоновано застосувати метод безконтактного збудження і детектування ПАХ.
Проведені теоретичні та експериментальні дослідження безконтактного збудження і детектування ПАХ в структурі із звукопроводом SiO2 ST-зрізу. Задача розв'язувалась в постановці, що геометрично представлена на рис.5.
Рис. 5. Геометрія задачі безконтактного збудження ПАХ. 1 - напівпростір п'єзоелектрика, 2 - діелектрична пластина, 3 - електроди ЗШП, 4 - силові лінії електромагнітного поля.
П'єзозвукопровід, по якому поширюється ПАХ Релея представлено у вигляді напівпростору із ізотропного лінійного матеріалу. Система координат вибрана таким чином, щоб поверхня напівпростору, що межує з вакуумом, співпадала з площиною уz, а напівпростір знаходився в напрямку х<0. На висоті h над поверхнею
напівпростору розташовано розподілене джерело електромагнітного поля, яке характеризується векторами Е, В і збуджуює в ньому ПАХ Релея, яка поширюється в напрямку z>0. Внаслідок п'єзоелектричної взаємодії хвиля Релея породжує як в п'єзоелектрику, так і в вакуумі неоднорідне електромагнітне поле, що поширюється вздовж межі. Розглядається випадок чистої хвилі Релея, що досить точно реалізується при не надто високих частотах, які доцільно використовувати в таких структурах. Припускається, що конструкція приймального перетворювача така, що може без спотворення реєструвати електромагнітне поле хвилі Релея за межами п'єзоелектричного середовища.
Розв'язуючи систему рівнянь, яка складається з рівнянь механічних зміщень, рівнянь стану і рівнянь Максвела для квазістатичного наближення при умові нерозривності на межі розділу потенціалу j і електричного зміщення D, а також рівності нулю компонент механічних наружень для відносної ефективності перетворення ПАХ Релея від нормованої відстані між площиною структур ЗШП і поверхнею п'єзозвукопровода одержано
, (2)
де Евп - відносна амплітуда перетвореного сигналу на відстані ЗШП від
п'єзозвукопровода h і h=0 відповідно;
k - хвильове число.
На рис.6 приведено графік відносної ефективності перетворення ПАХ розрахованої для п'єзокварца - 1. На цьому ж рисунку приведено графік такої ж залежності одержаний експериментально - 2, а також, розрахований для п'єзоелектрика з діелектричною проникністю e в ~10 разів більшою ніж у SiO2, але з тією ж швидкістю ПАХ Релея. З рис. 6 видно задо-вільне співпадання розрахункової та експериментально одержаної залежності (з врахуванням e повітря). Видно також, що для сильних п'єзо-електриків величина проміж-ку між ЗШП та п'єзоелектри-ком є більш критичною ніж для слабих п'єзоелектриків.
Одержано також залеж-ність ефективності перетворення ПАХ від напруженості електричного поля на ЗШП.
Рис. 6. Графіки залежності ефективності збудження ПАХ від величини проміжку між ЗШП і п'єзоелектриком. 1 - розрахунок для SiO2 (e=4,58), 2 - експеримент для SiO2, 3 - розрахунок (e=50).
Використання кутової залежності фазової швидкості в анізотропному п'єзозвукопроводі і безконтактного методу збудження ПАХ, що дозволяє в 6-8 разів в порівнянні з аналогами збільшити керованість характеристиками пристроїв на ПАХ, покладено в основу створення нового класу керованих акустоелектронних пристроїв на ПАХ різного функціонального призначення.
Далі в дисертації розглянуто явище поширення і перетворення акустичних хвиль в дискретношаруватій структурі тверде тіло - рідина - тверде тіло. Геометрично задача поширення акустичних хвиль в такій структурі подібна до зображеної на рис. 5 з заповненням рідиною проміжку між напівпростором п'єзоелектрика і діелектричною пластиною.
В загальному випадку швидкість поширення ПАХ в п'єзоелектричній пластині має величину V1, в рідині – Vр і верхній пластині –V2. Характеристики поширення акустичних хвиль можна одержати визначивши для кожного середовища фізичні константи: для твердого середовища знизу l1, m1, r1, для рідини lр і rр, і для верхнього – l2, m2, r2, а також взявши до уваги залежність швидкості акустичної хвилі в рідині від товщини її шару.
Задачу можна суттєво спростити, допускаючи величини V1, Vр, V2, а точніше їх співвідношення відомим. За тверде тіло верхнього і нижнього напівпросторів прийнято кварц, а в якості рідини - воду, що задовольняє більшості практичних задач.
Вибравши початок координат в середині рідкого шару товщиною 2h, розглядаючи випадок поширення плоскої хвилі в напрямку х, швидкість поширення V незалежною від у, але залежною від товщини шару в довжинах хвиль kh, її значення можна одержати з дисперсійного рівняння, яке для даного випадку має вигляд:
(3)
де Y і F - параметри, що визначаються фізичними та акустичними власти-
востями відповідно верхньої та нижньої пластин шаруватої
структури.
Результати досліджень представлені на рис.7. По осі ординат відкладені значення швидкості нормованої по швидкості акустичних хвиль у воді, а по осі абсцис - нормована по l товщина шару води. Суцільними лініями показані результати числових розрахунків, а результати експериментальних досліджень показані кружечками, з чого видно їх добру узгодженість.
Дослідження тензоефекта для управління характеристиками ПАХ прово дились в структурі ЗШП на п'єзокерамічному звукопроводі ЦТС-42. При теоретичних дослідженнях враховувалась залежність змі-ни частоти ПАХ-елемента, обумовленої зміною пружних властивостей і густини матеріалу, і нехтувалось зміною лінійних розмірів звукопроводу.
Рис. 7. Дисперсія швидкості акустичної хвилі для різних товщин шару рідини в структурі кварц - вода - кварц
Справедливість такого підходу підтверджена хорошою відповідністю експериментальних і теоретичних результатів. Одержано більш високу ефективність перетворення механічного навантаження в електричний сигнал в такій структурі порівняно з монокристалічними звукопроводами (~ в 2 рази). При цьому залежність робочої частоти елемента від величини діючої сили для оптимальної товщини звукопровода рівній 1 мм має більшу лінійну ділянку, а крутизна залежності, відповідна тензочутливості, становить 70 Гц/Н.
Встановлено також, що оптимальною з точки зору співвідношення сигнал/шум відстанню ЗШП від місця консольного закріплення звукопроводу є відстань, яка визначається виразом
, (4)
де W — апертура ЗШП;
n — просте непарне число;
l — довжина хвилі.
В цьому ж розділі дисертації описані результати досліджень метода керування характеристиками АЕП, який базується на явищі оптоакустичної взаємодії вшаруватій структурі фоточутливий напівпровідник - п'єзо-електрик. В запропонованому методі (рис. 8) генерація ПАХ здійснюється в шаруватій структурі (CdS/SiO2) шляхом послідовного перетворення в фоточутливому шарі п'єзона-півпровідника CdS модульованого світла в фотострум, а фотоструму в ПАХ. Модульований на робочій частоті пучок світла, випромінюваний джерелом 1 через фокусуючий пристій 2, падає на прозорий металевий електрод 6, який утворює з шаром 7 випрямляючий контакт, збіднений носіями заряду. По суті елементи 5, 6 і 7 утворюють фотодіод з бар'єром Шоттки, який має контакт 8 з п'єзонапівпровідником 5. В фоточутливому п'єзонапівпровіднику 5 світло збуджує фотоелектрони і фотодірки. Електричне поле в бар'єрі Шоттки, яке формуєтся джерелом зміщення розділяє фотоелектрони і фотодірки, генеровані в шарі, в результаті чого виникає фотострум, який протікає між омічним контактом 8 і електродом 6 через напівпровідник 5 і шар 7 і зовнішній мережі 9. Частота фотоструму відповідає частоті модуляції світла, що падає на п'єзонапівпровідник, а фотострум збуджує ПАХ з частотою фотоструму. Зміна інтенсивності освітлення фотодіода приводить до зміни товщини шару 7, збідненого носіями заряду, який є акустично активним шаром. Освітлення здійснювалось на довжині хвилі l=0,53 мкм. Пікова інтенсивність змінювалась в межах від 1 до 105 Вт/см2.
Рис. 8. Схема керування генерацією ПАХ на основі оптоакустичної взаємодії. Пояснення в тексті
Третій розділ дисертації присвячено дослідженням впливу випадкових відхилень топології ЗШП на характеристики пристроїв на ПАХ.
Розроблений нами аналітичний метод, на відміну від використовуваних підходів на базі метода Монте-Карло, дозволяє чітко визначити статистичні параметри характеристик фільтрів в залежності від характеру похибок топології ЗШП і в десятки разів скоротити обчислювальні витрати при їх розрахунках. Дослідження проведені на прикладі вузькосмугових фільтрів, що містять класичну систему двофазних ЗШП на п'єзозвукопроводі, які є найбільш чутливими до вторинних ефектів, обумовлених ЕФП і похибками топології. У відповідності до запропонованого методу для математичної моделі ЗШП з двома d-функціями комплексна перехідна характеристика (ПХ) при наявності випадкових похибок по апертурі електродів і періоду їх розташування має вигляд:
, (5)
де W – апертура ЗШП;
N – число d-джерел;
ai – коефіцієнт аподизації (амплітуда d-джерела, рівна довжині перекрит- тя сусідніх електродів);
w – кругова частота;
xi – координата d-джерела;
sх – середньоквадратичне відхилення координат виготовленої структури від розрахункових;
V – швидкість ПАХ;
Sai, Sti – незалежні нормально розподілені випадкові числа [0;1].
Показано, що при wStisx/V<<1, що має місце на практиці, для ЗШП з розрахунковою симетричною імпульсною характеристикою (ІХ) у випадку нормального розподілення похибок квадратурні складові ПХ мають нормальне розподілення і справедливо:
, (6)
де Н0 – розрахункова комплексна ПХ ЗШП;
sRE і sIM — середньоквадратичне відхилення дійсної і уявної частин ПХ відповідно, їх величини визначаються по значеннях параметрів струк- тури і sх;
SRE, SIM – незалежні нормально розподілені випадкові числа [0;1].
Показано, що за межами головної пелюстки ПХ для ЗШП з симетричною ІХ для широкого діапазону частот виконується:
(7)
При цьому двомірне розподілення ПХ на комплексній площині переходить в узагальнене розподілення Релея для модуля ПХ, параметри якого визначаються значеннями Н0 і sRE, що дозволяє замінити подвійне чисельне інтегрування однократним і суттєво знизити обчислювальні витрати.
Обчислення моментів статистичного розподілу ПХ, використовуваних для побудови меж поля допуска проводилось по правилу 3s. Аналіз значень sRE і sIM показує, що вони збільшуються з ростом частоти, і відхилення координат викликають більші відхилення ПХ, ніж коефіцієнтів аподизації, що аналітично пояснює результати, одержані методом Монте-Карло.
Співставлення точності і ефективності запропонованого аналітичного методу і методу Монте-Карло проведено на прикладі еквідистантного аподізованого по функції Кайзера і розрідженого з періодом 3Чl/2 ЗШП. Довжина хвилі становила l=2,06Ч102sх, а апертура W=104sх, що відповідає частотному діапазону до десятків МГц і двохступеневому способу виготовлення пристроїв на ПАХ. Співставлення результатів, одержаних двома методами при розрахунку перехідної характеристики, показує їх ідентичність в межах заданої похибки, що демонструє гістограма її першої бокової пелюстки (рис. 9). Однак розрахунки на ЕОМ по аналітичному методу потребували менше 1 хвилини, а методом Монте-Карло — більше 55 хвилин. Шляхом обчислення верхньої межі поля допуску визначена ступінь стійкості до похибок найбільш широко використовуваних при аподизації ЗШП вагових функцій Дирихле, Фейєра, Ланцоша, Гауса-Вейєрштраса, Барсилона-Темеша, Хемінга, Кайзера і Дольфа-Чебишева. Крім того, використовувались різні значення їх параметрів, що дозволило розглянути 16 різних функцій аподизації. Встановлено, що найменш чутливою до випадкових похибок є функція Дольфа-Чебишева, за нею - функція Кайзера, а потім Барсилона-Темеша. Однак функція Дольфа-Чебишева має викиди на краях, що важко реалізувати на практиці, тому оптимальною з точки зору мінімальної чутливості ПХ до випадкових похибок слід вважати функцію Кайзера. Одержані дані затабульовані і використовуються в якості довідкового матеріалу при проектуванні пристроїв на ПАХ різного призначення.
З метою покращення характеристик пристроїв на ПАХ, в яких
використовується аподизований ЗШП на основі теореми Котельникова і з врахуванням зв'язку імпульсної характеристики з перехідною через перетворення Фур'є одержана і досліджена нова віконна (вагова) функція, яка враховує дискретизацію і обмеженість імпульсної характеристики.
Рис. 9. Гістограма модуля перехідної характеристики для першої бокової пелюстки зліва від центральної. 1 - аналітичний метод, 2 - метод Монте - Карло. Р - ймовірність неперевищення Н(w) заданого рівня бокових пелюсток.
Функція має вигляд:
, (8)
де Si - інтегральний синус;
а - параметр, причому 0<a<1;
n - кількість електродів ЗШП, розташованих з кожного боку від цент- рального;
- коефіцієнт, рівний відстані між сусідніми парами електродів у до- вжинах хвилі.
Показано, що ця функція забезпечує досягнення більш щвидкого згасання сигналу за смугою пропускання ПХ (на 7 дБ) і значнішого зменшення бокових пелюсток (на 5 дБ) ніж функція Кайзера.
Четвертий розділ дисертації присвячений проблемам практичної реалізації одержаних в попередніх розділах результатів досліджень.
З метою реалізації метода керування характеристиками пристроїв на ПАХ, що базується на анізотропії фазової швидкості ПАХ в п'єзоелектриках і безконтактному збудженні та детектуванні ПАХ розроблено уніфікований перетворювач , що став базовим елементом для нового класу керованих функціонально гнучких АЕП.
Він складається (рис. 10) з пластини 1 з анізотропного п'єзоелектрика, розташованої з можливістю повороту відносно своєї осі симетрії, перпендикулярної її робочої поверхні, двох ідентичних пластин 2 і 3 із п'єзопасивного діелектрика, розташованих паралельно і симетрично відносно пластини 1, систем ЗШП 4 і 5, розташованих відповідно на пластинах 2 і 3. Системи ЗШП 4 і 5 зорієнтовані під кутом один до одного. При повороті пластини 1 закріпленої в обоймі 6, проміжок між перетворювачами 4 і 5 і поверхнею пластини 1 залишається постійним, апертура ЗШП перекривається пластиною 1 при заданому
Рис. 10. Схема безконтактного уніфікованого перетворювача для датчиків фізичних величин. 1 - пластина з п'єзоелектрика, 2, 3 - діелектричні пластини, 4, 5 - ЗШП, 6 - обойма
кутовому переміщенні. Системи ЗШП на пластинах 2 і 3 зроблені таким чином, що разом з п'єзопластиною утворюють елемент на ПАХ тотожний вузькосмуговому фільтру. Фільтри ввімкнені в якості частотозадаючих елементів в диференційну схему, що має два генератори і формувач сигналів різницевої частоти. В початковому стані пластина 1 зорієнтована таким чином, що її вісь z є бісектрисою кута між поздовжніми осями ОО1 і ЕЕ1 системи ЗШП на пластинах 2 і 3. В цьому випадку швидкості поширення ПАХ, збуджуваних ЗШП в пластині 1 однакові, і, отже, елементи на ПАХ мають однакові центральні частоти f0. При повороті пластини 1 швидкості поширення в ній ПАХ внаслідок анізотропії стають різними в напрямку поздовжніх осей ЗШП, що призводить до зміни f0 елементів таким чином, що f0 одного елемента збільшується, а другого зменшується, в результаті чого вихідний сигнал всього акустоелектронного перетворювача стає рівним різниці частот автогенератора. Очевидно, що за допомогою простого елемента, перетворюючого будь-яку фізичну дію (механічну, електромагнітну, теплову) в відносне переміщення пластин 1, 2, 3 можливо створювати керовані АЕП різного призначення і класів.
Крім високих параметрів пристроїв (переналагоджування робочої частоти фільтра, наприклад, сягає більш ніж 9%, що приблизно на порядок більше ніж у аналогів) досягається їх висока уніфікація за рахунок застосування безконтактного перетворювача, а також інтелектуалізація сенсорів різного призначення внаслідок простого спряження (частотний вихід) з ЕОМ.
Прикладом практичного використання явища перетворення акустичних хвиль в дискретно-шаруватій структурі тверде тіло - рідина - тверде тіло є створені на його основі датчики тиску і вимірювання товщини плівок.
Температурні залежності ЕФП діелектричних матеріалів і шаруватих структур лягли в основу створених сенсорів температури. Так велике значення від'ємного температурного коефіцієнта опору сегнетокераміки в області високих температур (120 — 600 °С) дозволило створити сенсор температури з високими чутливістю (більше 5 мкАЧ°С -1) і динамічною реакцією на зміну температури (менше 1 с).
На основі комбінованого використання оптичних, п'єзоелектричних і температурних властивостей п'єзонапівпровідникових матеріалів в шаруватій структурі InSb/LiNbO3 з резонансною зустрічно-штирьовою системою створено сенсор ІЧ випромінювань в області довжин хвиль l=3,0-5,0 мкм. В ньому чутливий до ІЧ променів у вказаному діапазоні хвиль шар InSb наноситься на прозорий для ІЧ променів LiNbO3 в області зустрічно-штирьової резонансної структури. ІЧ промені при попаданні на ІnSb поглинаються ним, розігрівають його і разом з тим розігрівається LiNbO3.
Рис. 11. Шарувата структура елемент на ПАХ - сорбційна плівка. 1 - п'єзозвукопровід, 2 - ЗШП, 3 - сорбційна плівка, h - товщина плівки
Внаслідок високого ТКЧ LiNbO3, рівного для YZ-зрізу 87Ч10-6°С-1, змінюється швид-кість ПАХ і, відповідно, час-тота резонансної структури.
В цьому ж розділі проведено аналіз і оцінку акустичних ефектів, що виникають в шаруватих структурах елемент на ПАХ - сорбційна плівка (рис. 11) під дією фізико-хімічних процесів взаємодії її з компонентами газового середовища. Показано, що в залежності від співвідношення товщини і ширини плівки з довжиною хвилі, величини зміни її акустичних характеристик в процесі такої взаємодії і співвідношення їх з акустичними характеристиками звукопроводу можуть мати місце трансформації звичайно використовуваних ПАХ Релея в інші типи хвиль, властивості і параметри яких суттєво відрізняються. В такому випадку на зміні параметрів ПАХ-відгуку може відбитися не прямий вплив, наприклад, зміни маси сорбційної плівки чи пружних констант, а акустичний ефект трансфорамації одного типу хвиль в інший, що може призвеcти до неадекватної інтерпретації одержаних результатів.
Розроблена фізико-математична модель взаємодії ПАХ з адсорбуючим шаром, яка базується на тому, що в загальному випадку зміна параметрів сорбційного шару викликає відносну зміну швидкості поширення ПАХ відповідно співвідношенню
(9)
де m - маса плівки;
с - жорсткість матеріалу плівки;
eр - діелектрична проникність матеріалу плівки;
s - електропровідність плівки;
Т - температура плівки;
Р - тиск зовнішнього середовища.
Для тонкої (kh<<1, де k - хвильове число, h - товщина плівки) полімерної ізотропної діелектричної плівки при фіксованих Р і Т, що практично легко забезпечити, одержано для відносної зміни частоти вихідного сигналу сенсора
, (10)
де - центральна частота сенсора без плівки;
- густина матеріалу плівки.
q - константа, що характеризує властивість матеріала звукопроводу.
Для матеріалів плівок у яких суттєво міняються при взаємодії з газовими компонентами діелектричні властивості і з використанням в сенсорі ЗШП одержано для електричної ємності сенсора
, (11)
де - ємність пари електродів на одиницю їх довжини без плівки;
N - число електродів;
r - коефіцієнт металізації ЗШП, рівний r=d/2b;
- товщина електрода; d - ширина електрода, b - відстань між ними;
Експериментальні дослідження проводились з шаруватими структурами, в котрих використовувались плівки на основі каучуків, селікогеля, солей масних кислот і комплексонатів германію з товщинами від мономолекулярних шарів до 5 мкм.
Рис. 12 Кінетика адсорбції - десорбції пари аміаку на Л-Б плівці CH3(CH2)17COONa. * - впуск газу, ** - початок відкачки газу.
Рис. 13. ПАХ - відгук сенсора з Л-Б плівкою CH3(CH2)17CООNa на дію аміаку * - впуск газу, ** - початок відкачки газу
Показана можливість суттєвого підвищення селективності сенсорів формуванням структур типу "сен-двіч" з комбінацією фізико-хімічних і структурних властивостей матеріалів. По такому принципу створено сенсор водню, в якому один шар виконує роль молекулярного сита, а другий проявляє до нього високу здатність розчинності, чим забезпечується подвійна селективність.
Досягнута вибірковість водню рівна 10-2 по відно-шенню до таких супутніх газів як кисень, азот, двоокис вуглецю і чутливість до 0,01 в межах концентрацій 0 - 100 ppm. Одержані високі параметри сенсорів побудованих на основі Л-Б плівок. На рис.12 показана кінетика адсорбції - десорбції пари аміаку на Л-Б плівці солі - натрію стеаринової кислоти, а на рис. 13 типовий ПАХ - відгук сенсора з тією ж плівкою на короткочасну дію пари аміаку.
Суттєво, що представлені на рис. 12, 13 залежності одержані при температурі Т=20 °С без підігріву на стадії десорбції.
В кінці дисертації містяться висновки, в яких викладені найбільш важливі наукові результати роботи і показана їх практична значимість.В Додатках до дисертації містяться описи вимірювальних установок, таблиці розрахункових значень меж полів допуску модуля перехідної характеристики при моделюванні на ЕОМ випадкових похибок топології ЗШП, а також документи, що підтверджують практичне використання результатів дисертаційної роботи.
ВИСНОВКИ
В дисертації отримано якісно нові науково обгрунтовані результати в області акустоелектроніки, які в сукупності розв'язують важливу наукову проблему, пов'язану з генерацією, поширенням та детектуванням поверхневих акустичних хвиль в кристалічних діелектриках та шаруватих структурах. Встановлено механізми фізичних явищ, що виникають в них при поширенні ПАХ і реалізовано на їх базі новий методологічний підхід у створенні високоефективних керованих акустоелектронних пристроїв на ПАХ та інтелектуальних сенсорів нового покоління, що суттєво розширює реалізацію потенційних можливостей акустоелектроніки. Основні результати дисертаційної роботи полягають в наступному.
. Одержано і систематизовано нові дані про електрофізичні параметри та акустичні характеристики для ПАХ Релея (коефіцієнт електромеханічного зв'язку, діелектрична приникність, швидкість поширення ПАХ, залежність швидкості ПАХ від кута між хвильовим вектором і кристалографічною віссю, коефіцієнт згасання ПАХ), їх температурні і частотні залежності ряду перспективних для акустоелектроніки діелектриків та шаруватих структур - кристалів кварцу, п'єзокераміки системи ЦТС, структур А2В6/п'єзоелектрик, плівка Л-Б/ п'єзоелектрик, комплексонати германію. Для конкретних марок п'єзокераміки системи ЦТС визначені граничні значення частотного діапазону ПАХ і ширини полоси пропускання сигналу по критерію вносимих втрат, що складає, зокрема, для п'єзокераміки ПКР-53 (М) відповідно 30 Мгц і 5%, а для PZT-2 відповідно 50 Мгц і 7%. Сукупність одержаних даних по ЕФП досліджених матеріалів є достатньою основою для створення високоефективних керованих функціонально гнучких акустоелектронних пристроїв.
. В сегнетокераміці при температурах 80 °С, 110 °С і 140 °С, що значно нижче температури фазового переходу (295 °С), виявлено явище осциляцій електричної провідності. Встановлено, що явище обумовлене релаксацією 90-градусних доменів внаслідок суттєвої нестійкості їх стану, набутого в процесі поляризації, прискореного зворотнього їх руху стимульованого дією теплового поля до стану стійкої рівноваги (мінімуму термодинамічного потенціалу), проскакування його і наступного повернення до нього під дією внутрішнього електростатичного поля 180-градусних доменів і крапкових дефектів, сформованого зовнішнім поляризуючим полем.
. Встановлено, що новий клас діелектричних матеріалів - комплексонати германію в діапазоні довжин оптичних хвиль 310-1200 нм володіє спектральними характеристиками, аналогічними по коефіцієнту пропускання спектральним характеристикам натрієвого скла, а на деяких ділянках, які можна задавати при синтезі матеріалів, досягається перевищення на 1 - 6%. Крім того, виявлена суттєва адсорбційна здатність плівок комплексонатів германію по відношенню до певних хімічних компонентів газового середовища (аміак, пари спиртів та кислот, волога). Показана можливість створення на їх основі газових сенсорів нового покоління.
. Встановлено, що в монокристалах кварцу Y- і ST-зрізів має місце суттєва залежність величини швидкості поширення ПАХ від кута між хвильовим вектором і кристалографічною віссю. Для кварцу ST-зрізу в межах зміни кута ±35° швидкість поширення ПАХ змінюється на 12,7 % і має високу лінійність характеристики, що дозволило використати кутову залежність ПАХ для керування характеристиками акустоелектронних пристроїв.
. Анізотропія фазової швидкості ПАХ та безконтактний спосіб її збудження і детектування в шаруватій структурі п'єзопасивний діелектрик з ЗШП - вакуум - анізотропний п'єзоелектрик дозволяють досягти якісно нового ступеня керованості параметрами ПАХ і характеристиками АЕП. Зокрема, при використанні в структурі SiO2 ST-зрізу можна досягти зміни робочої частоти пристроїв на ПАХ до 10 %, що в 6 - 8 разів перевищує аналоги.
На основі даної структури розроблено високоефективний метод керування характеристиками, який є базовим для нового класу керованих функціонально гнучких акустоелектронних пристроїв на ПАХ.
. В дискретно шаруватій структурі тверде тіло - рідина - тверде тіло має місце суттєва дисперсія швидкості акустичних хвиль, параметри яких залежать від нормованої по l товщини шару рідини. Показано, що на базі такої структури можуть бути створені високоефективні керовані акустоелектронні пристрої, які по ступеню керованості характеристиками в 2 - 3 рази перевищують аналоги.
. Встановлені фізичні механізми генерації, поширення та детектування ПАХ і керування їх параметрами в шаруватій структурі фоточутливий напівпровідник - п'єзоелектрик та в селективно поляризованій п'єзокераміці та тензочутливій структурі ЗШП з п'єзокерамічним звукопроводом. На їх основі створено керовані акустоелектронні пристрої, що в 2-3 рази переважають аналоги по ступеню керованості характеристиками.
. Розроблена фізико-математична модель взаємодії ПАХ з адсорбуючою плівкою в шаруватій структурі, яка відображає закономірності зміни вихідного сигналу сенсора газу адекватно зміні концентрації газового компонента. Показано, що для тонкої (kh<<1) полімерної плівки основний механізм взаємодії обумовлений масовим навантаженням адсорбованого газового компоненту. На основі розробленої моделі розвинено метод створення газових сенсорів нового покоління з елементами на ПАХ і адсорбуючими шаруватими структурами, в тому числі з плівками Ленгмюра-Блоджетт.
. Розроблений метод аналізу впливу на розрахункові характеристики пристроїв на ПАХ випадкових відхилень топології ЗШП має ряд переваг перед методом Монте-Карло. Він дозволяє, зокрема, чітко визначити статистичні параметри характеристик ПАХ-пристроїв в залежності від характеру похибок топології ЗШП і в десятки разів скоротити обчислювальні витрати. Даним методом встановлена ступінь чутливості параметрів перехідної характеристики класичної структури фільтра на ПАХ до похибок періоду розташування електродів ЗШП і їх перекриття для 16 найбільш часто використовуваних при аподизації вагових функцій. Показано, що по критерію чутливості параметрів характеристики до вказаних похибок оптимальною для зважування ЗШП є функція Кайзера. Визначені фактори, які обмежують досягнення заданих точностей.
. Одержана і досліджена нова вагова функція, що базується на теоремі Котельникова і зв'язку імпульсної характеристики з передаточною характеристикою через Фур'є перетворення і враховує дискретизацію та обмеженість імпульсної перехідної характеристики ЗШП. Показано, що функція дозволяє в порівнянні з ваговою функцією Кайзера одержати кращі параметри пристроїв - згасання сигналу за полосою пропускання на 5 дБ і зменшення бокових пелюсток на 7 дБ.
Основні публікації за темою дисертації
Статті в наукових журналах
. Гуляев Ю.В., Лепих Я.И., Калашников А.Н. Исследование характеристик фильтров на поверхностных акустических волнах аналитическим методом. // Радиотехника и электроника. -1988.-Т.33.- №11.-С.2395-2399.
. Лепих Я.И. Применение пьезокерамики системы ЦТС в устройствах на поверхностных акустических волнах // Электронная техника. Сер.10. Микроэлектронные устройства. – 1988.- вып. 5(71). - С.48-50.
. Смынтына В.А., Лепих Я.И., Римашевский А.А., Чистяков В.П. Полупроводниковые пленочные элементы, адсорбционно-чувствительные к кислороду // Приборы и системы управления. – 1989.- №2.-С.32-34.
. Лепих Я.И., Снегур П.А. Автоматизированный измеритель электрофизических параметров пьезоэлектрических звукопроводов // Приборы и техника эксперимента.- 1989.-№ 1.-С.245-246.
. Лепих Я.И. Исследование угловой зависимости скорости ПАВ в кварце различных кристаллографических срезов // Акустоэлектрические и фотоакустические методы исследования вещества. Тематический сборник.-К. – 1989.-С.102-104.
. Lepikh Ya.I. Kalashnikov A.N. Optimization of Apodized Interdital Transducers of SAW Devices // Telecom. and Rad. Eng. - 1990.-V. 44.-Pt.-10.-P.107-108.
. Лепих Я.И., Протопопов С.Р. Исследование зависимости вносимых потерь в устройствах на ПАВ от частоты // Техника средств связи. Сер. ОТ. – 1990.- Вып. 1.-С.78-83.
. Лепих Я.И. Акустопоглощающий материал для массового производства устройств на поверхностных акустических волнах // Техника средств связи. Сер ТПО.-1990.-Вып. 1.-С.78-79. ДСП.
. Калашников А.Н., Лепих Я.И., Назаренко А.Ф. Анализ чувствительности параметров комплексной частотной характеристики устройств на поверхностных акустических волнах к воздействию технологических факторов // Известия вузов. Радиоэлектроника. – 1994. - №1. -С.18-25.
. Калашников А.Н., Лепих Я.И., Литвинов В.Ф., Назаренко А.Ф. Сравнительный анализ АЧХ LC-фильтров Баттерворта и АЧХ фильтров на ПАВ с учетом технологических факторов // Известия вузов. Радиоэлектроника. – 1996. -Т.39. - №1.- С.55-62.
. Лепих Я.И. Датчик с элементом на поверхностных акустических волнах для измерения толщины пленок // Приборы и техника эксперимента. – 1996. - №6.- С.145.
. Лепих Я.И. Автоматизированная установка поляризации пьезокерамики // Приборы и техника эксперимента. – 1996. - №6. -С.146.
. Лепих Я.И. Температурные осцилляции проводимости пьезокерамики // Письма в ЖТФ. – 1996.- Т.22.- Вып.14. -С.65-67.
. Lepikh Ya. I. Selective polarization of ferroelectrics in Functional electronics // Semicond. Phys. Quant. Electron. Optoelectron..-1999.-V. 2.-№ 3.-P.38-40.
. Лепих Я.И. Метод оптимизации импеданса преобразователей поверхностных акустических волн // Радіоэлектроніка та інформатика. - 1999. - № 1.-С.10-11.
. Лепіх Я.І. Особливості проектування вузькосмугових фільтрів на ПАХ з п`єзокерамічним звукопроводом // Радіоелектроніка та інформатика.-1999.-№ 2.-С.17-18.
. Lepikh Ya. I. High-temperature ferroelectric ceramic sensor with increased sensitivity and dunamic response // Thermoelectricity.-1999.- № 4.-P.26-30.
. Лепих Я.И. Фотоуправляемый акустоэлектронный преобразователь // Фотоэлектроника.-1999.-Вып. 8.-С.121-122.
. Lepikh Ya. I. Strain effect in surface acoustic wave elements with a piezoelectric acoustic line and sensors based on this effect // Semicond. Phys. Quant. Electron. Optoelectron.-2000.-V. 3.-№ 1.-P.91-93.
. Lepikh Ya. I. Physical mechanism of ferroceramic electrical conductivity temperature oscillations // Semicond. Phys. Quant. Electron.Optoelectron.-2000.-V. 3.-№ 3.-P.16-17.
. Lepikh Ya.I., Smyntyna V.A., Pronichkin V.D. Sensing properties of sodium stea-rate Langmuir-Blodgett films // Funktional Materials.-2000.-V.7.-№ 1.-P.176-178.
. Lepikh Ya. I. The procedure to increase selectivity of acoustoelectronic gas sensors with film elements // Funktional Materials.-2000.-V. 7.-№ 2.-P. 356-357.
. Лепих Я.И., Смынтына В.А. Функциональные материалы на основе комплексных соединений германия // Письма в ЖТФ. - 2000. - Т. 26. - Вып.4.-С.72-76.
. Лепих Я.И. Весовая функция, учитывающая дискретность и ограниченность импульсной характеристики фильтров на поверхностных акустических волнах // Радіоелектроніка та інформатика.-2000.-№ 1.-С. 4-8.
. Лепіх Я.І., Сминтина В.А. Адсорбційні властивості плівкових структур комплексонатів германію // Науковий вісник Чернівецького держ. ун-ту ім. Ю.А.Федьковича.-2000.-№ 79.-С. 98-100.
. Лепіх Я.І. Дослідження газосенсорних властивостей елементів на поверхневих акустичних хвилях з плівковими структурами // Науковий вісник Чернівецького держ. ун-ту ім. Ю.А.Федьковича.-2000.-№ 86.-С.96-100.
Авторські свідоцтва
. Фильтр на поверхностных акустических волнах. А.с. №1235442. СССР МКИ Н ОЗ Н. 9/64 / Я.И.Лепих, Л.С.Прохоров (СССР).-Опубл.01.02.86. ДСП
. Устройство для контроля пьезоэлектрических звукопроводов. А.с. № 1420382. СССР. МКИ G 01 Н 5/00. Опубл. 30.08.88. / Я.И. Лепих, П.А. Снегур (СССР). Бюл. № 32.
. Преобразователь поверхностных акустических волн. А.с. №1545917. СССР МКИ Н ОЗ Н. / Я.И. Лепих (СССР).13.07.87. ДСП.
. Фильтр на поверхностных акустических волнах. Решение о выдаче А.с. СССР по заявке № 4319074/22 (156809) от 20.10.87. МКИ Н 03 Н 9/64 / Я.И.Лепих, П.А. Снегур (СССР).
. Устройство для измерения параметров пьезоэлектрических звукопроводов. А.с. №1501685. СССР. МКИ G 01 Н 5/00. Я.И. Лепих, П.А. Снегур (СССР). 15.04.89. ДСП.
. Управляемое акустоэлектронное устройство. А.с. №1627048. СССР. МКИ Н ОЗ Н. 8.10.90. / Я.И. Лепих, Ю.В. Гуляев, П.А. Снегур (СССР). Заявлено 5.06.88. ДСП.
. Поглотитель поверхностных акустических волн. А.с. № 1586471 СССР, МКИ Н 01 L 41/18 / Я.И. Лепих, С.Р.Протопопов (СССР) Заявлено 22.08.88. ДСП.
. Преобразователь давления на ПАВ. А.с. №1722140. СССР. МКИ Н ОЗ Н. 9/64. Ю.В. Гуляев, Я.И. Лепих, П.А.Снегур (СССР). Заявлено 05.12.89. ДСП.
. Материал для поглощения поверхностных акустических волн. А.с. № 1713404. СССР. А1 МКИ Н 03 Н 3/08 / Я.И. Лепих, С.Р.Протопопов (СССР). Заявлено 05.12.89. ДСП.
. Фильтр на поверхностных акустических волнах. А.с. №1731023. СССР МКИ Н ОЗ Н. Я.И. Лепих, П.А. Снегур (СССР). 28.01.91. ДСП.
Доповіді і тези доповідей на наукових конференціях
. Лепих Я.И., Калашников А.Н. Определение зависимости характеристик фильтров на ПАВ от технологических погрешностей // В кн.: Тезисы докладов XIII Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике.-1986.-Ч. 2.-С.323-324.
. Лепих Я.И. Исследование температурных зависимостей электрофизических параметров пьезокерамики ЦТС. // В кн.: Тезисы докладов XII Всесоюзной научной конференции по микроэлектронике. -Тбилиси. Изд. Тбилисского госуниверситета. -1987. Ч.III.- С.3-4. ДСП.
. Лепих Я.И. Устройство на ПАВ с управляемой АЧХ. // В кн.: Материалы Всесоюзной научно-технической конференции "Акустоэлектронные устройства обработки информации на поверхностных акустических волнах". - Черкассы. – 1990. -С.165-166.
. Lepikh Ya.I. Studies of piezoceramic materials for acoustoelectronics // Electronics ceramics production and properties: Proceeding of the Internаt/ Confer. / Edited by A.Krumins. – R.: LU, 1990. – Part II. P.31033.
. Лепих Я.И. Датчики механических величин на поверхностных акустических волнах // 35. Internationales Wissenschaftliches Kollogvium technische Hochschule Ilmenau. DDR. – 1990. Vortragsreine. B9. S.80-82.
. Лепих Я.И. Изменение импеданса встречно-штыревого преобразователя ПАВ секционированием // В кн.: Аннотации докладов ХІ Всесоюзной акустической конференции.-М.-1991.-С. 32.
. Kalashnikov A.N., Lepikh Ya.I., Nazarenko A.F. The comparison between the theoretical and experimental analysis results of the SAW device fabrication error influence // Proc. Internat. symp. Acoustoelectronics, freguency control and signal generation. Moscow. MREI publishers. – 1996. pp.327-331.
. Lepikh Ya. I. Controlled acousto-optical SAW generator // Proc. Internat. symp. Acoustoelectronics, frequency control and signal generation. Moscow. MREI publishers.-1996.-P. 192-193.
. Лепих Я.И. Датчик для измерения усилия натяжения упругих поверхностей // Сб. докл. V Международной конф. "Пьезотехника-96". -Россия.-Бар-наул. Изд-во Алтайского гос. ун-та, им. И.И. Ползунова. – 1996.- С.74-75.
. Lepikh Ya.I. The unified surface acoustic wave transducer for the physical value sensors // IV-th NEXUSPAN Workshop on sensors for control of irradiation. – 30-31 May. – 1997. Odessa. pp.75-76.
47. Lepikh Ya.I. New procedure to increase selectivity of acoustoelectronic gas sensors with film elements // Workshop "Sensors springtime in Odessa". Odessa. – 29-30 May. – 1998. p.48.
Цитована література
1. TirstenH.F. Elastic wave guieded by thin films // J.Appl. Phys.-Feb.1969.-Vol.40.-№ 2.-pp.770-789.
2. Siedel H., White D.L. Ultrasonics surface waveguides. U.S. Patent 3488602. Jan. 6. 1970
3. Dias J.F., Karrer H.E. Stress effects in acoustic surface wave circuits and applications to pressure and force rtansducers // IEEE Int/ Solid-State Circuits Conf., Did. Tech. Papers.-1974.Vol. XVII.-PP.166-187.
4. Гуляев Ю.В., Карбанов А.Ю., Кмита А.М., Медведь А.В. и др. К теории электронного поглощения и усиления поверхностных звуковых волн в пьезокристаллах // ФТТ.-1970.-Т.12.-№ 9.-С.2595-2601.
5. Дашенков В.М., Кавченко В.И., Юрьевич И.Г. Фильтры на ПАВ с управляемыми частотными характеристиками // Письма в ЖТФ. – 1983. Т.9. Вып.8. С.493-496.
6. Грищенко Е.К. Вторичное пьезоэлектрическое взаимодействие в ограниченных твердых телах и управление акустическими полями. Автореферат диссерт. доктора физ.-мат. наук. 01.04.06. - М. – 1989. -С.35.
7. Бурлий П.В., Кучеров И.Я, Левченко А.А. Управление акустоэлектронным взаимодействием при встречном распространении ультразвука в слоистых структурах // Укр. физ. журн.-1986.-Т.34.-№ 6.-С.924-927.
8. Алексеев А.Н., Злоказов М.В. Управляемые устройства обработки сигналов на ПАВ // Зарубежная электронная техника.-1980.-№ 10.-С.3-63.
9. Рупкус С.С. Акустоэлектронные селективные радиотехнические устройства. Автореф. дис. д-ра техн. наук. 05.12.17. Каунасск. политехн. ин-т.-Каунас, 1990.-41 с. ДСП.
Дисертація присвячена встановленню закономірностей електрофізичних та адсорбційних явищ, в кристалічних діелектриках і шаруватих структурах, що виникають в них при поширенні поверхневих акустичних хвиль (ПАХ) і розробці на їх основі ефективних фізичних методів керування характеристиками акустоелектронних пристроїв (АЕП).
Одержано нові дані електрофізичних параметрів та акустичних характеристик для хвиль Релея, їх температурні та частотні залежності ряду перспективних діелектриків, що можуть бути використані в акустоелектроніці.
Запропоновано новий аналітичний метод аналізу впливу випадкових відхилень топології зустрічно-штирьових перетворювачів (ЗШП) на характеристики АЕП на ПАХ. Виведена і досліджена вагова функція для аподизації ЗШП.
Диссертация посвящена установлению закономерностей электрофизических и адсорбционных явлений в кристаллических диэлектриках и слоистых структурах, которые возникают в них при распространении поверхностных акустических волн (ПАВ) и разработке на их основе эффективных физических методов управления характеристиками акустоелектронных устройств (АЭУ).
Получены и систематизированы новые данные об электрофизических параметрах и акустических характеристиках для волн Релея (коэффициент электромеханической связи, диэлектрическая проницаемость, скорость распространения ПАВ, зависимость скорости ПАВ от угла между волновым вектором и кристаллографической осью, коэффициент поглощения ПАВ), их температурных и частотных зависимостях для ряда кристаллических диэлектриков, которые могут быть использованы в акустоэлектронике. В их числе кварц Y- и ST- срезов, пьезокерамика системы цирконата-титаната свинца (ЦТС), новый класс материалов на основе координационных соединений германия (КСГ), слоистые структуры полупроводников класса А2В6 и пленок Ленгмюра-Блоджетт на пьезоэлектриках.
Исследованы оптические характеристики и адсорбционные свойства пленочных структур ряда КСГ. Установлено, в частности, что в области длин волн 310 - 1200 нм по коэффициенту пропускания их спектральные характеристики аналогичны натриевому стеклу.
Предложен, исследован и реализован для управления характеристиками АЭУ на ПАВ метод, основанный на анизотропии фазовой скорости волны Рэлея в монокристаллических пьезоэлектриках и безконтактном способе возбуждения и детектирования ПАВ. Для практической реализации метода предложен и разработан унифицированный безконтактный преобразователь ПАВ, являющийся базовым элементом нового класса управляемых АЭУ различного функционального назначения. Достигнута в 6 -8 раз большая в сравнении с аналогами управляемость их характеристиками.
Предложены, исследованы и разработаны другие новые физические методы управления характеристиками АЭУ: на основе явления преобразования акустических волн в дискретно слоистой системе твердое тело - слой жидкости - твердое тело, на основе оптоакустического взаимодействия в слоистой структуре фоточувствительный пьезополупроводник / пьезоэлектрик, на основе тензоэффекта в элементе на ПАВ с пьезокерамическим звукопроводом, а также метод селективной поляризации сегнетоэлектриков.
Обнаружено и исследовано явление температурных осцилляций электрической проводимости в сегнетокерамике ЦТССт-5, имеющее место при температуре значительно ниже точки фазового перехода. Дано пояснение физического механизма явления с позиций релаксационных процессов 90-градусных доменов и роли точечных дефектов.
Разработана физико-математическая модель взаимодействия ПАВ с адсорбирующим слоем, которая отображает закономерности изменения выходного сигнала сенсора адекватно изменению концентрации газового компонента и на ее основе развит метод создания интеллектуальных сенсоров газа с элементами на ПАВ и слоистыми структурами, в том числе пленками Ленгмюра - Блоджетт.
Предложен новый аналитический метод анализа влияния случайных отклонений топологии встречно-штыревых преобразователей (ВШП) на характеристики устройств на ПАВ, который имеет ряд существенных преимуществ в сравнении с использующимся другими авторами методом Монте-Карло. Метод позволяет выделить вклад влияния на характеристики АЭУ на ПАВ отдельных источников и примерно на порядок сократить вычислительные затраты. Исследована степень чувствительности к случайным отклонениям топологии 16 наиболее часто используемых при аподизации ВШП весовых (оконных) функций. Результаты исследований затабулированы и используются в стандартных программах проектирования в качестве справочных.
На основе теоремы Котельникова и с учетом связи импульсной характеристики с передаточной через Фурье преобразование получена и исследована новая весовая функция для аподизации ВШП, учитывающая ограниченность и дискретизацию импульсной характеристики. Показано, что она имеет преимущества в сравнении с другими весовыми функциями, в частности, с функцией Кайзера.
Предложен ряд оригинальных конструктивно-технологических решений акустоэлектронных преобразователей, пассивных и управляемых устройств на ПАВ, датчиков физических величин, интеллектуальных газовых сенсоров нового поколения, которые имеют ряд существенных отличий и преимуществ перед аналогами, что подтверждено авторскими свидетельствами и заявками на изобретения.
The Dissertation is aimed at definition of the laws of electrical-and-physical and adsorption phenomena arising in the crystalline dielectrics and laminated structures in the result of the surface acoustic waves (SAW) expansion, as well as at developing on their basis the efficient physical control methods for the acoustic-and-electronic devices (AED) characteristics.
Obtained and systematized were the new data on the electrical-and-physical parameters and acoustic characteristics for Relay waves, their temperature and frequency dependence on a number of promising dielectrics which may be used in acoustic electronics.
New analytical method for analyzing the influence of the anti-post converters (APC) occasional topologic deviations on the SAW and AED characteristics is proposed. A new gravimetric function for the APC apodization was deducted and investigated.