Актуальность ПАВ-устройств. Выводы

1.5 Актуальность ПАВ-устройств. Выводы

Таким образом мы выяснили, что преимущества RFID систем делают возможным применение её в различных сферах торговли, производства, логистики и безопасности:

1)         системы контроля и управления доступом;

2)         управление производством и технологическими циклами;

3)         беспроводные платежные системы;

4)         учет и контроль грузовых перевозок;

5)         автоматизация складирования;

6)         электронная маркировка товаров в торговле;

7)         электронная маркировка книг в библиотеках.

Для наглядного примера того, что РЧИД-метки на ПАВ способны составить конкуренцию чиповым меткам, произведем сравнение наиболее ярких представителей каждого класса, представив их характеристики в виде таблицы 1.3.

Таблица 1.3 – Сравнительная характеристика пассивных РЧИД- меток, работающих в диапазоне частот 850 – 960 МГц

Из всего вышеизложенного определим возможные сферы применения меток на ПАВ:

1) Системы управления и контроля для транспортных средств.

2) Учет и регистрация автомобильных, железнодорожных и морских контейнеров.

4) Электронный номер (паспорт) транспортного средства.

8) Бесконтактные датчики давления, температуры и т.п

Все вышеперечисленные сферы применения транспондеров на ПАВ по своей сути являются наиболее требовательными к условиям эксплуатации систем радиочастотной идентификации и, что не менее важно, к надежности изделия, чего не может обеспечить чиповая метка.

Таким образом, проектируемая метка должна обеспечить максимально возможную дальность считывания, оптимальную конструкции, большую емкость данных и, вместе с этим, низкую стоимость. Кроме того, необходимо предусмотреть такую конструкцию, которая бы имела незначительные потери сигнала при считывании, а так же возможность считывания в поле действия ридера нескольких меток подобного типа. Все это будет определяться технологией изготовления, точностью расчетов и правильным подбором материалов.

2. Основная часть

2.1      Выбор исходных материалов

2.1.1   Основные требования к материалам подложек устройств на ПАВ

В устройствах на ПАВ в качестве материала подложки, как правило, используются пьезоэлектрики. Это связано со способом возбуждения звуковых волн с помощью встречно-штыревых преобразователей [12].

Перечислим наиболее важные характеристики материалов для устройств на ПАВ:

Квадрат коэффициента электромеханической связи (КЭМС) – дает количественное описание пьезоэлектрического эффекта. Он определяет соотношение между электрической и механической энергиями в пьезоэлектрике.

Данный параметр определяют экспериментально путем изменения времени распространения ПАВ между входным и выходным ВШП до и после нанесения на свободную поверхность между преобразователями металлической пленки.

Такие наиболее важные характеристики устройств на ПАВ, как относительная ширина полосы пропускания и вносимые потери, могут быть представлены в виде явных функций КЭМС. При заданном уровне вносимых потерь материал с большим значением КЭМС позволяет реализовать более широкополосное устройство.

Температурный коэффициент задержки (ТКЗ) – относительное изменение времени задержки, соответствующее изменению температуры на один градус. Значение ТКЗ определяют экспериментально путем измерения температурной зависимости частоты автогенератора с линией задержки на ПАВ.

Обычно материалы с большим значением КЭМС имеют худшую температурную стабильность (т.е. большие значения ТКЗ). Большое значение КЭМС показывает, что механические свойства более чувствительны к изменениям температуры.

Очевидно, что при жестких требованиях к температурной стабильности устройств предпочтительнее использовать материалы с малым значением ТКЗ.

Скорость ПАВ. С этим параметром связаны такие технические характеристики устройств, как рабочие частоты и габаритные размеры. Скорость ПАВ зависит от плотности материала, его упругих и пьезоэлектрических свойств и от состояния поверхности. Для эффективного возбуждения акустической волны и ее отражения от отражательных структур пространственный шаг топологических элементов должен быть равен длине такой волны.

Следует отметить, что фазовые скорости ПАВ на свободной и металлизированной поверхности различны. Скорость на металлизированной поверхности меньше. Это вызвано, прежде всего, закорачиванием электрической составляющей поля и приводит к изменению характеристик акустической волны.

С точки зрения повышения рабочих частот наиболее предпочтительнее материалы с большим значением скорости. Линейные размеры устройств также связаны с длиной волны. Они на практике составляют величину порядка 100 длин волн. Следовательно для низкочастотных приборов на ПАВ (частоты менее 10-100 МГц) необходимо выбирать материалы с низкой скоростью распространения (1000-2000 м/с).

Уровень потерь энергии при распространении ПАВ (коэффициент затухания). Его определяют с помощью зависимости:

B_M=α_Mf+β_Mf ²,(2.1)

где α_Mи β_M – коэффициенты, характеризующие потери засчет воздушной нагрузки и вязкостных свойств материала, f – частота, ГГц.

Данная зависимость получена теоретически и подтверждена экспериментально для различных материалов и из срезов. Первое слагаемое вносит свой вклад лишь в том случае, если кристалл находится в воздухе или инертном газе и равно нулю в вакууме. Второе слагаемое обусловлено взаимодействием ПАВ с колебаниями кристаллической решетки.

При проектировании акустоэлектронных устройств, работающих на частотах менее 50 – 100 МГц потерями на распространение волн чаще всего пренебрегают. В то же время, на высоких частотах они вносят весомый вклад и обязательно должны быть учтены при выборе материала для АЭУ.

На рисунке 2.1 изображены зависимости величины вносимых потерь в зависимости от частоты работы устройства для некоторых материалов.

Рисунок 2.1 – Зависимости вносимых потерь от частоты при распространении ПАВ на поверхности монокристаллов ниобата лития, лангасита, ортофосфата галлия.

Затухание ПАВ также существенно зависит от состояния поверхности подложки Следовательно в процессе изготовления АЭУ подложки звукопроводов должны быть тщательно отшлифованы и очищены. Кроме того затухание ПАВ уменьшается и при охлаждении материала.

Параметры дифракции. Как и в оптических структурах, в приборах акустоэлектроники наблюдается явление дифракции звуковой волны (рисунок 2.2). Это приводит к расхождению пучка ПАВ и потере части энергии волны. Наибольшему влиянию дифракции подвержены устройства с аподизированными преобразователями (преобразователи с изменяющейся величиной перекрытия электродов).

Рисунок 2.2 – Дифракция пучка ПАВ

Так как монокристаллы анизотропны и их характеристики акустических волн зависят от выбранного направления распространения, то картина дифракции в них усложняется в сравнении с изотропными материалами. Скорость ПАВ при разных направлениях различна, что приводит к увеличению или уменьшению расходимости пучков. Последний эффект называется автоколлимацией, Она приводит к уменьшению дифракционных потерь и особо важна в линиях задержки с большим временем задержки и в устройствах с протяженными электродными структурами. Степень дифракции для каждого конкретного пьезоэлектрического материала фиксирована. В монокристаллах она оценивается параметром анизотропии γ. Величина и знак определяют степень дифракции поверхностных волн. В изотропной среде γ = 0; при γ > 0 дифракционные потери больше, чем в изотропной среде, при γ < 0 потери меньше, чем в изотропной среде. Если γ = –1, в анизотропной среде наблюдается автоколлимация, при которой расширение акустического пучка минимальное или отсутствует. Приведем значения параметров анизотропии и величины угла отклонения потока энергии для некоторых материалов.

Таблица 2.1 – Значения параметра анизотропии γ и величины угла отклонения потока энергии для некоторых материалов акустоэлектроники

По мере удаления от излучателя изменяются и профили интенсивности ПАВ. Как и в классической оптике можно ввести безразмерный параметр Френеля.

,

где λ - длина волны; D – расстояние от преобразователя до точки наблюдения; H - апертура преобразователя

Значение F < 1 соответствует зоне Френеля (или ближней зоне). В этой зоне наблюдается четко выраженный акустический луч и его энергия сосредоточена в полосе, «освещаемой» апертурой преобразователя. Значение F > 1 соответствует зоне Фраунгофера (или дальней зоне), в которой акустический луч «разваливается». Очевидно, что для того чтобы вся акустическая энергия, излученная входным преобразователем, была принята выходным, преобразователи должны быть расположены в ближней зоне друг относительно друга.

Величина угла отклонения потока энергии

Если направление распространения ПАВ не совпадает с так называемым направлением чистой моды (ее угловое положение задается углом ψ₀), то наблюдается отклонение потока энергии от направления распространения на угол φ (рисунок 2.3). Угол φ определяется соотношением:

φ =γ(ψ - ψ₀)

где γ – параметр анизотропии; ψ – угол, определяющий направление распространение волны.

Желательно выбирать материалы с φ=0, но данное условие не всегда выполнимо. В таком случае управлять отклонением потока энергии можно засчет изменения положения элементов друг относительно друга.

Рисунок 2.3 – Схематическое представление профилей ПАВ при их распространении по монокристаллической подложке

Потери, вызванные отклонением потока энергии существенны и могут достигать 2-6 дБ.

В заключении сформулируем общие требования к идеальному материалу:

- Большой КЭМС;

- Низкая скорость ПАВ;

- Низкий уровень потерь;

- Наличие направлений с нулевым ТКЗ;

В дальнейшем при выборе материала звукопровода будем руководствоваться данными требованиями.