Разработка матрицы резонаторов с поперечным электрическим полем на пьезоэлектрической пластине
Разработка матрицы резонаторов с поперечным электрическим полем на пьезоэлектрической пластине
И.А. Бородина, Б.Д. Зайцев, И.Е. Кузнецова, А.А. Теплых, А.М. Шихабудинов
Пьезоэлектрические резонаторы с поперечным электрическим полем вызывают большой интерес разработчиков многоканальных акустических датчиков. Электроды такого резонатора наносятся на одну сторону пластины, что позволяет пространственно разделить резонаторы и анализируемые объекты. Серьезной проблемой при разработке матрицы резонаторов является подавление паразитных колебаний, которые ухудшают резонансные свойства и приводят к сильной акустической связи между ними. Способ решения данной проблемы предложен в настоящей работе. Экспериментально исследовалась матрица из 2 резонаторов, которые располагались на пластине ниобата лития X - среза толщиной 0.5 мм. Электроды прямоугольной формы с размерами 5×10 мм и зазором 2 мм создавали поперечное электрическое поле, направленное вдоль оси Y. Было показано, что резонанс достигается на продольной акустической волне, распространяющейся вдоль оси X между электродами. Для подавления паразитных колебаний область вокруг резонаторов и частично электроды были покрыты демпфирующим слоем. Измерялись частотные зависимости реальной и мнимой частей электрического импеданса/адмиттанса каждого резонатора и определялись резонансная частота и добротность при последовательном и параллельном резонансах. Измерялись также частотные зависимости параметра S12, который во всех случаях не превышал 50 дБ. Это означает, что рассматриваемые резонаторы были полностью акустически развязаны. Таким образом, показано, что демпфирующий слой обеспечивает хорошее качество каждого резонатора и приводит к полной их акустической развязке.
Показать АннотациюРазработка бесконтактного метода измерения проводимости тонких пленок
Разработка бесконтактного метода измерения проводимости тонких пленок
Б.Д. Зайцев, А.М. Шихабудинов, А.А. Теплых, И.Е. Кузнецова
Экспериментально показана возможность измерения поверхностной проводимости тонких проводящих пленок при помощи линии задержки с на основе пластины Y-X ниобата лития, в которой распространялась акустическая волна с поперечно-горизонтальной поляризацией нулевого порядка (SH0). Указанная линия задержки, включающая два встречно-штыревых преобразователя (ВШП), подключалась к измерителю S – параметров типа E5071C, который позволял измерять полные потери и фазу выходного сигнала. Было установлено, что при расположении над поверхностью линии задержки между ВШП диэлектрической пластины с тонкой проводящей пленкой полные потери и фаза выходного сигнала меняются, причем степень изменения уменьшается с ростом зазора между ними. В качестве исследуемых проводящих пленок использовались тонкие пленки хрома и алюминия. Проводимость получаемых проводящих пленок менялась в пределах 1 – 10-6 С и определялась при помощи модернизированного четырехзондового метода. На основе экспериментальных данных была построена калибровочная зависимость разности фаз выходного сигнала от поверхностной проводимости пленки при величине зазора между стеклянной пластинкой и звукопроводом порядка 100 мкм. Калибровочная зависимость оказалась близкой к линейной с наклоном порядка 120 град/С. Рассмотренный метод может найти применение для измерения проводимости таких пленок, контакты к которым невозможно изготовить или эти контакты могут существенно повлиять на проводимость пленки.
Показать АннотациюТеоретическая модель резонатора с поперечным возбуждающим электрическим полем
Теоретическая модель резонатора с поперечным возбуждающим электрическим полем
А.А.Теплых, Б.Д.Зайцев, И.Е.Кузнецова
Разработан метод расчета характеристик акустических колебаний, возникающих в пьезоэлектрическом резонаторе с поперечным возбуждающим электрическим полем. Резонатор представляет собой тонкую пластину из пьезоэлектрического материала, на одну сторону которой нанесены два прямоугольных электрода. Разработанный метод основан на методе конечных элементов и позволяет находить распределение компонент механического смещения в пьезопластине и электрического потенциала в пьезопластине и окружающем ее вакууме при определенной частоте колебаний возбуждающего поля. Кроме того, данный метод позволяет учитывать различные граничные условия на различных областях поверхности пластины, в том числе присутствие демпфирующих слоев. Это позволяет рассчитывать величину реального и мнимого электрического импеданса резонатора в зависимости от частоты. Исследуемый резонатор представлял собой пластину ниобата лития $X$-среза толщиной 0.5 мм, на верхней стороне которой расположены два электрода шириной 5 мм, ориентированные таким образом, что возбуждающее поле было направлено вдоль кристаллографической оси $Y$. Были проведены расчеты при различном расстоянии между электродами, в пределах 1 - 3 мм. Показано, что при увеличении расстояния между электродами резонансная частота незначительно увеличивается, и использование демпфирующего покрытия на внешней стороне электродов позволяет существенно повысить добротность резонатора. Полученные результаты находятся в удовлетворительном соответствии с экспериментальными данными.
Показать АннотациюИсследование пьезоэлектрических резонаторов с поперечным электрическим полем
Исследование пьезоэлектрических резонаторов с поперечным электрическим полем
Б.Д.Зайцев, А.М.Шихабудинов, И.А.Бородина, А.А.Теплых, И.Е.Кузнецова
В последние годы разработчики акустических жидкостных датчиков обращают особое внимание на пьезоэлектрические резонаторы с поперечным электрическим полем. Основная трудность при их создании это подавление нежелательных колебаний. Для достижения этой цели существуют, по крайней мере, два варианта. Во-первых, это выбор оптимальной формы электродов и точная их ориентация относительно кристаллографических осей пластины. Однако форма и размеры электродов зависят от формы пластины и от ее размеров. Во-вторых, нанесение поглощающего слоя вокруг резонатора, включая часть электродов. В работе экспериментально исследовано влияние ширины зазора между электродами и ширины области покрытия электродов поглощающим слоем на частоту и добротность последовательного и параллельного резонансов и на коэффициент электро-механической связи. Электроды прямоугольной формы с размерами 5 $\times$ 10 мм располагались на пластине ниобата лития - среза толщиной 0.5 мм. Ширина зазора между электродами и ширина области их покрытия менялись от 1 до 5 мм. Поперечное электрическое поле было направлено вдоль оси $Y$. Было показано, что резонанс достигается на продольной акустической волне, бегущей вдоль оси $X$ между электродами. Было установлено, что изменение ширины зазора между электродами и ширины области покрытия электродов меняет частоту последовательного и параллельного резонансов в пределах 1\%. При этом добротности последовательного и параллельного резонансов изменяются в пределах 500 - 13000 и 500 - 1800, соответственно. Изменение коэффициента электро-механической связи лежит в пределах 1 - 4\%.
Показать АннотациюПрактические применения пьезоэлектрических резонаторов с поперечным электрическим полем
Практические применения пьезоэлектрических резонаторов с поперечным электрическим полем
Б.Д. Зайцев, А.М. Шихабудинов, А.А. Теплых, И.А. Бородина,И.Е. Кузнецова
Рассматриваются возможности применения пьезоэлектрических резонаторов с поперечным электрическим полем для анализа свойств жидкости и для измерения микроперемещений. Показано, что если в качестве информационного параметра взять модуль электрического импеданса или адмиттанса на фиксированной частоте вблизи резонанса, то чувствительность датчика можно существенно повысить. Изменение указанных параметров может достигать 30% и 70% при изменении вязкости от 1 до 1000 мПa×с и проводимости в пределах 100 -10000 мкС/см. Второе применение основано на том факте, что электрическое поле резонатора проникает за пределы пьезоэлектрической пластины. Были проведены эксперименты по изучению влияния зазора между свободной стороной резонатора и электрически проводящей или диэлектрической пластиной на частоты параллельного и последовательного резонансов. Показано, что на этой основе возможно создание измерителей микроперемещений, которые могут быть использованы для непрерывного контроля деформаций и раскрытия трещин различных конструкций, элементов мостов и зданий, а также для измерения небольших перемещений двух объектов относительно друг друга. Оказалось, что частота параллельного резонанса однозначно связана с шириной зазора в пределах 0 – 0.3 мм и 0 – 2.5 мм при использовании проводящей пластины и пластины из поликора, соотвественно. Частота последовательного резонанса от зазора не зависит, но зависит от температуры. Таким образом, частота последовательного резонанса позволяет определить температуру и сделать необходимые корректировки.
Показать АннотациюВлияние электрических граничных условий на существование аномального резисто-акустического эффекта
Влияние электрических граничных условий на существование аномального резисто-акустического эффекта
И.Е. Кузнецова, Б.Д. Зайцев
Аномальный резисто-акустический эффект является фундаментальным свойством слабо-неоднородных пьезоактивных волн (волны Гуляева-Блюстейна, волны Лява, утекающие волны). Он заключается в том, что при увеличении проводимости слоя, находящегося на поверхности пьезоэлектрика или структуры его содержащего, скорость слабо-неоднородных волн вначале увеличивается и только затем уменьшается. В настоящей работе продолжено исследование особенностей существования данного эффекта и исследуется влияние на его характеристики различных электрических граничных условий. Определены геометрические параметры структур, при которых он существует и исчезает. Показано, что при удалении слоя с произвольной проводимостью от поверхности пьезоэлектрика величина аномального резисто-акустического эффекта уменьшается. При удалении от структуры «пьезоэлектрик – слой с произвольной проводимостью» идеально проводящего экрана данный эффект увеличивается. Исследования проводились для ниобата калия. Результаты работы полезны для более глубокого понимания физических основ распространения слабонеоднородных пьезоактивных акустических волн.
Показать АннотациюАкустооптический эффект в средах с сильной акустической анизотропией
Акустооптический эффект в средах с сильной акустической анизотропией
В.И. Балакший, А.С. Волошин
Представлены результаты теоретического и экспериментального исследования влияния сноса энергии акустического пучка на характеристики акустооптического эффекта в кристалле парателлурита. Проанализированы варианты изотропной и анизотропной дифракции. На основе модифицированных уравнений Рамана–Ната выполнен расчет угловых и частотных характеристик акустооптического взаимодействия в широком диапазоне углов Брэгга и частот ультразвука. Установлено, что снос акустического пучка может существенно изменять ширину диапазонов акустооптического взаимодействия, и поэтому его необходимо учитывать при разработке акустооптических приборов. Экспериментальная проверка численных расчетов проведена с использованием акустооптической ячейки из кристалла парателлурита 10.5-градусного среза.
Показать АннотациюАнизотропия затухания акустических волн в кристаллах парателлурита
Анизотропия затухания акустических волн в кристаллах парателлурита
Ф.Р. Ахмеджанов, З.Т. Азаматов, А.Ф. Болтабаев, Э.Т. Рахимов
Методом брэгговской дифракции света измерены скорость распространения и коэффициент затухания акустических волн в кристаллах парателлурита в частотном диапазоне 0.4-1.6 ГГц. На основе полученных данных рассчитаны действительные и мнимые компоненты комплексного тензора упругих постоянных. Проведен анализ анизотропии затухания акустических волн с различной поляризацией, распространяющихся в кристаллографических плоскостях, ортогональных осям симметрии второго и четвертого порядка. Показано, что сильная анизотропия акустического затухания, наблюдаемая для поперечной волны, распространяющейся в плоскости (1-10), обусловлена в основном анизотропией ее фазовой скорости.
Показать АннотациюИсследование влияния ультразвука на процесс химического травления алюминия
Исследование влияния ультразвука на процесс химического травления алюминия
А.Н.. Ливанский, Р.И. Нигметзянов, А.С. Чендаров
Основной из задач стоящих перед машиностроительной отраслью является снижение массы и удельной материалоемкости изделий. Основным способом достижения данной цели является производство деталей и узлов из алюминия. Однако промышленное применение алюминия ограниченно вследствие его низких прочностных характеристик и низкой износостойкости. Анализ существующих проблем в данной области, а также результаты исследования ультразвукового воздействий на различные процессы обработки металлов показали, что в настоящее время основным способом повышения свойств деталей из алюминия является изменение свойств поверхностного слоя деталей путем травления. Работа описываемая в этой статье направлена на изучение перспектив применения ультразвука для повышения эффективности химической обработки алюминия.
Показать АннотациюАкустическая микроскопия многослойных кристаллов микроэлектроники
Акустическая микроскопия многослойных кристаллов микроэлектроники
Ю.С. Петронюк, Е.С. Мороков, В.М. Левин, В.И. Зеленов
Показано, что методами импульсной акустической микроскопии, можно обнаруживать скрытые дефекты при производстве многослойных кристаллических чипов в процессе постепенного наращивания системы микрокристаллов. Предложенные методы позволяют выявлять дефекты адгезии, на границе между кристаллами, дефекты ультразвуковой пайки контактов, распределение и деформацию теплоотводящего слоя (полиимидной сетки), скрытые внутренние трещины кристаллов. Рабочая частота 50-100 МГц позволяет уверенно выполнять акустическую визуализацию с разрешением 30-50 мкм на глубине двух кристаллических слоев (2690 мкм). Отображение структуры на большей глубине затруднительно из-за сильного преломления в кремнии наклонных компонент зондирующего фокусированного пучка, а также из-за многочисленных элементов внутренней структуры, образующих тень на изображениях нижерасположенных слоев.
Показать Аннотацию