MATERIALE UTILIZATE ÎN MECATRONICĂDISPOZITIVE CU UNDĂ ELASTICĂ DE SUPRAFAŢĂ

Dispozitivele cu undă elastică de suprafaţă reprezintă o categorie speciala de dispozitive la interfata mecanică-electronică. Din zona mecanicii, dispozitivele folosesc proprietatea unor materiale solide de a transmite vibratii mecanice prin volumul lor. Oscilaţiile elastice sînt supuse unor fenomene specifice: transmisie cu atenuare, transmisie selectivă datorată caracteristicilor sistemului mecanic (frecvenţe proprii de rezonanţă ale sistemului de atomi modelat ca un ansamblu de mase şi resorturi), reflexie la suprafaţa de separaţie dintre două medii.

Semnalul mecanic este generat de un dispozitiv de tip piezolelectric (a se revedea lucrarea cu acest tip de dispozitive), ce transforma o tensiune electrică sinusoidală într-o mişcare oscilatorie longitudinală (direcţia de oscilaţie este paralelă cu direcţia de propagare). Dispozitivul este plasat pe una din feţele laterale ale monocristalului. După ce oscilaţia se propagă în condiţiile descrise mai sus, este recepţionată de un dispozitiv similar plasat pe o alta faţă a monocristalului şi transformată înapoi în semnal electric, cu caracteristici modificate (atenuare, filtrare, întîrziere, etc.).

Figura 1. Structura unui dispozitiv cu unda elastica de suprafaţa.

Figura 2. Structura unei linii de întîrziere cu undă acustică.

1

Pot fi astfel realizate dispozitive larg folosite în industria electronică şi anume: filtre trece-bandă, linii de întîrziere, codoare şi decodoare pentru semnale modulate în fază, dispozitive pentru realizarea integralei de corelaţie între două semnale.

Fenomene fizice în dispozitiverle cu undă elastică de suprafaţă

Dintre tipurile de undă de suprafaţă se folosesc aproape în exclusivitate undele Rayleigh (unde polarizate eliptic, atenuate în adîncime). Amplitudinea acestor unde tinde către zero după aproximativ (1 ... 2)λ, unde:

- este lungimea de undă a undelor de suprafaţă;

v — viteza de propagare a undelor de suprafaţă;f — frecvenţa undelor de suprafaţă.

Materiale utilizate

In tabelul 1.15 sint indicate principalele cristale piezoelectrice utilizate pentru dispozitivele cu undă de suprafaţă, indicîndu-se ca performanţe ale acestora viteza de propagare v, coeficientul de temperatură al vitezei de propagare αv, coeficientul de cuplaj piezoelectric k2 şi atenuarea undelor de suprafaţă la frecvenţa de 1 GHz (atenuarea datorită pierderilor în reţeaua cristalină ac, atenuarea datorită excitării unor unde de volum în mediul în contact cu suprafaţa liberă a cristalului aa, atenuarea datorită direcţiei razei adr şi atenuarea datorită difracţiei ad).

Dintre aceste cristale, cuarţul este utilizat pentru dispozitivele cu undă de suprafaţă, în special pentru valoarea foarte redusă a coeficientului de temperatură a vitezei de propagare (valoare nulă pentru secţiunea ST). Viteza de propagare are valori medii, iar coeficienţii de cuplaj piezoelectric sunt în general mici (cea mai mare valoare pentru cuarţ se obţine în cazul secţiunii HC).

Figura 1. Celula elementară a cuarţului – vedere de ansamblu si proiectii pe diverse direcţii.

2

Figura 2. Structura cristalină a niobatului de litiu.

Niobatul de litiu monocristalin are cel mai mare coeficient de cuplaj piezoelectric pentru undele de suprafaţă şi cea mai mică atenuare, pentru propagarea acestora reprezentind din aceste motive un substrat foarte utilizat. Principalul său dezavantaj îl reprezintă valoarea prea mare a coeficientului de temperatură, ceea ce impune, pentru obţinerea unor performanţe ridicate, termostatarea dispozitivelor.

Germaniatul de bismut (monocristal aparţinînd clasei de simetrie 23) are valori medii ale coeficientului de cuplaj piezoelectric şi ale atenuării, coeficienţi de temperatură mari, însă viteză de propagare foarte mică a undelor de suprafaţă, rezultînd linii cu întîrziere mare şi dimensiuni geometrice acceptabile şi traductoare interdigitale realizabile la frecvenţe de ordinul zecilor de megaherţi.

Dintre substraturile piezoelectrice, cele mai mari viteze de propagare ale undelor de suprafaţă prezintă oxidul de beriliu (monocristal hexagonal) şi nitratul de aluminiu crescut epitaxial pe safir. Deşi tehnicile de obţinere a acestor cristale sunt mai delicate, ele se utilizează pentru frecvenţe mari (de ordinul gigaherţilor) pentru a obţine traductoarele prin tehnologii mai simple.

Ceramicile piezoelectrice (dintre care se remarcă titanat-zirconatul de plumb) au coeficienţi de cuplaj piezoelectrici de valori relativ mari, însă nu pot fi utilizate decât până la frecvenţe de ordinul zecilor de megaherţi deoarece structura policristalină nu permite o prelucrare superioară a suprafeţelor, iar atenuările datorită propagării au valori foarte mari care cresc practic cu pătratul frecvenţei de lucru.

In cazurile în care dispozitivele cu undă de suprafaţă, se folosesc împreună cu dispozitivele semiconductoare realizate în varianta integrată, se recomandă utilizarea substraturilor de oxid de zinc sau nitrat de aluminiu crescute epitaxial pe acelaşi substrat de safir pe care se creşte şi siliciul necesar realizării integratului monolitic. In acest mod se obţine o mare flexibilitate în realizarea unor circuite complexe ca linii de întîrziere programabile, codoare şi decodoare cu modulaţie în fază. memorii recirculante.

3

4

Determinări experimentale

Avînd la dispoziţie un dispozitiv cu undă elastică de suprafaţă desfăcut precum şi eşantioane ale diverselor materiale utilizate în confecţionarea acestui tip de dispozitiv, se vor realiza următoarele operaţii:

- folosind metode de analiză a microscopului electronic (vezi lucrarea 5, îndrumar STUDIUL MATERIALELOR, C. Munteanu ş.a. ) se determină compoziţia chimică şi tipul cristalului folosit în dispozitiv.

- folosind metoda difracţiilor radiaţiei X din (vezi lucrarea 6, îndrumar STUDIUL MATERIALELOR, C. Munteanu ş.a) se determină structura cristalină şi indicii Miller ai suprafeţei monocristalului. Cunoscînd structura cristalină a acestuia, se determină indicii Miller ai direcţiilor de propagare a oscilaţiilor elastice în cristal.

- se ridică schiţa mecanică a dispozitivului (dimensiunea cristalului, poziţia elementelor generatoare şi receptoare de semnal).

- cunoscînd frecvenţa semnalului electric introdus şi cunoscînd relaţia pentru lungimea de undă propagată în monocristal, se calculează valoarea lungimii de undă şi se compară analitic cu dimensiunile monocristalului (se calculează atenuarea pînă la fiecare suprafaţă de reflexie, numărul de reflexii, lungimea totală a drumului parcurs de oscilaţia mecanică şi defazajul între semnalul de intrare şi cel de ieşire).

- se cuplează dispozitivul în circuitul de testare electronică. Se aplică semnal de intrare pe frecvenţa indicată pe placa de test şi se analizează semnalul de ieşire.

- se determină rolul maselor de acordare aplicate pe suprafaţa cristalului.

5