Историческая справка

В 1980г. исполнилось 100 лет с тех пор, как братья Кюри обнаружили в кристалле турмалина поверхностный заряд, появляющийся при приложенной к кристаллу механической силы в определенном направлении. Это явление позднее было названо пьезоэлектрическим эффектом. Через год они продемонстрировали обратное явление – наличие механической деформации кристалла под действием электрического поля.

Первое практическое применение этого явления нашло только в 1917г., когда Ланжевен при создании гидролокатора использовал пьезоэлектрические свойства кварца для возбуждения ультразвуковых волн в морской воде. В 1921г. Кэди опубликовал работу о пьезоэлектрических резонаторах, которые позднее стали применятся для стабилизации частоты высокочастотных генераторов.

Это – время использования исключительно объемных колебаний в кристаллах.

В 60-х годах XX века возникла и быстро разрослась новая область применения пьезоэлектрических кристаллов основанная на использовании поверхностно акустических волн (ПАВ). Это, в основном, разнообразные фильтры (частотные, полосовые), линии задержки, позднее – устройства обработки оптических сигналов (модуляторы, дефлекторы).

В последние годы на основе пьезоэффекта созданы устройства МСТ – двигатели, насосы и прочие.

Все пьезоэлектрические устройства основаны на возбуждении упругих механических колебаний и их распространении в твердом теле. Простейшие устройства используют объемные волны, например, кварцевый резонатор (рис.16).

Рис. 16. Простейший кварцевый резонатор

Используется специфические свойства твердого тела:

1) Скорость распространения акустических волн значительно меньше (1 – 10 км/с), чем электромагнитных (и меньше размеры устройств).

2) Затухание невелико.

3) Стабильность частоты механических колебаний очень высока (зависит от направления среза у кварца).

В итоге стабильность кварцевых генераторов ~ 10^-6 /°С, при добротности контура порядка 10⁶ . Время задержки до 1 мс (в локации – для индикации движущихся целей, в телевидении задержка на 1 строку ~ 60 мкс).

Возможно также создание ультразвуковых линий задержки как с использованием объемных волн (рис. 17), так и на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Использование ПАВ предоставляет больше конструкторских и технологических возможностей.

Рис. 17. Пъезоэлектрическая линия задержки на объемных волнах

Устройства на ПАВ широко используются технологические возможности МЭ.

Главным элементом для использование ПАВ является встречно-штыревой преобразователь (ВШП). Он применяется как для возбуждения и приема ПАВ, но и для формирования частотной характеристики (рис.18).

ВШП состоит из группы идентичных электродов, которые подключены к полюсу генератора. В пьезоэлектрике возникает пространственно периодическое поле. Период преобразователя L должен быть близок (равен) длине поверхностной акустической волны. Это обуславливает и частоту возбуждающих колебаний.

Например: На частоте 100 МГц длина волны в воздухе 3м, в кварце длина акустической волны ~ 32 мкм, отсюда шаг металлизации и зазора в ВШП составляет ~ 8 мкм.

Такой симметричный ВШП возбуждает ПАВ в обоих направлениях. Если нужно однонаправленное излучение, с одной стороны ВШП формируют поглотитель.

Величина апертуры W определяет направленность излучения. Типичная толщина подложки ~ 1 мм. При этом ПАВ отличается тем, что практически 90% энергии распространяется в приповерхностном слое, толщиной порядка длины волны.

Рис.18. Структура встречно-штыревого преобразователя (ВШП)