Сенсоры на поверхностных акустических волнах

До сих пор мы рассматривали сенсоры, которые используют акустические волны в объеме газов, жидкостей или твердых тел. Но есть еще и большая группа сенсоров, в которых используется распространение акустических волн по поверхности твердых тел или в их приповерхностной области. Такие волны называют поверхностными акустическими волнами (ПАВ) и соответственно приповерхностными акустическими волнами (ППАВ). Для возбуждения и детектирования ПАВ и ППАВ используют прямой и обратный пьезоэлектрический эффект, который будет описан в следующем разделе. Чаще всего с этой целью на поверхности пьезокристалла, пьезокерамики или на пьезоэлектрической пленке формируют так называемые встречно-штыревые преобразователи (ВШП). Это – электроды, имеющие форму гребенки, в которых длина каждого штыря намного больше ширины (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Принцип действия сенсоров на ПАВ: 1 – встречно-штыревые преобразователи электрического сигнала в ПАВ; 2 – встречно-штыревые преобразователи ПАВ в электрический сигнал

Когда на ВШП 1 подается переменное напряжение, в пьезоэлектрическом материале возникают волны механического сжатия и растяжения с частотой переменного напряжения. Если расстояние между штырями равняется длине волны, то волны от всех штырей оказываются синфазными и усиливают одна другую. Возникает сильная резонансная поверхностная акустическая волна. Скорость распространения ПАВ в пьезоматериалах составляет 3,8-4,2 км/с. Поэтому ПАВ с частотой 1 ГГц имеет длину волны приблизительно 4 мкм. Распространяясь вдоль поверхности пьезоэлектрика, ПАВ проходит расстояние в 1 мм приблизительно за 250 нс. Когда волна доходит до электродов 2, она становится причиной возникновения между парой соседних штырей переменного электрического напряжения той же частоты. Колебания напряжения между соседними парами штырей, складываются. Поэтому напряжение на выходе ВШП оказывается наибольшим в случае совпадения их фаз, т.е. тогда, когда расстояние между штырями соседних пар равняется длине волны.

Таким образом, геометрическая структура ВШП обеспечивает высокую избирательность приборов на ПАВ. Если эта структура строго периодическая, то она функционирует как высокодобротный частотный фильтр. Если же должны приниматься лишь сигналы, определенным образом модулированные по амплитуде, частоте, фазе и т.п., то используется и соответствующая геометрическая структура ВШП. Прибор на ПАВ функционирует тогда как высокоэффективный коррелятор, выдающий на выходе пик напряжения только тогда, когда пространственно-временная структура поверхностной акустической волны точно совпадает с геометрической структурой ВШП. Прибор фазируется и синхронизируется с сигналом, который поступает на его вход, автоматически, т.е. сам (!) и только в момент полного совпадения структуры волны и структуры ВШП. Именно по этим причинам приборы на ПАВ широко используют в современной радиотехнике: и в мобильной радиосвязи, и в системе глобального ориентирования GSM, в системах цифровой и локальной беспроводной связи и т.п.. С применением ВШП и ПАВ построены эффективные фильтры промежуточной частоты, выходные и многомодовые фильтры, калиброванные линии задержки с очень малым затуханием, фильтры Найквиста для цифрового телевидения и цифровой радиосвязи, линии задержки для кодового и временного разделения каналов, фильтры систем волоконно-оптической связи, синхронные и асинхронные конвольверы и т.д.