Радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах (стр. 6 из 24)
2.1.3 Выбор материала для металлизации поверхности
Как и для материалов звукопроводов акустоэлектронных устройств, для проводящего покрытия также существуют определенные требования:
1) Минимальное электрическое сопротивление;
2) Высокая адгезия;
3) Однородность по структуре, составу, толщине;
4) Коррозионная стойкость;
5) Хорошая растворимость в травителе;
6) Технологичность;
7) Стабильность основных физико-химических свойств от партии к партии.
Дополнительными требованиями являются:
1) Малое различие акустических сопротивлений материала металлизации и звукопровода;
2) Низкая удельная плотность во избежание сильных отражений;
3) Слабые дисперсионные свойства.
В таблице 2.3 указаны акустические и дисперсионные свойства выбранного в качестве материала звукопровода ниобата лития
Таблица 2.3 – Акустические и дисперсионные свойства ниобата лития среза YZ и материалов металлизации
| Материал | Удельное электричес-кое сопротивление ×106 Ом·см | Плотность ρ, г·см-3 | Акустическое сопротивление Z, ×106, г·см-2с-1 | Коэффициент дисперсииγд |
| Ниобат лития | - | 4.7 | 16.4 | +0.06 |
| Алюминий | 2,7 | 2,7 | 7,15 | |
| Ниобат лития | - | 4.7 | 16.4 | -0,46 |
| Серебро | 1,63 | 10,5 | 15,2 | |
| Ниобат лития | - | 4.7 | 16.4 | -1,05 |
| Золото | 2,3 | 19,3 | 22,0 |
При изготовления устройств на ПАВ для металлизации широко используются алюминий, серебро, золото, иногда медь с защитой никелем. В таблице 4 приведены акустические и дисперсионные свойства ниобата лития в сочетании с различными типами металлического покрытия.
Для фильтров на ниобате лития отражение за счет несоответствия акустических сопротивлений материалов звукопровода и покрытия минимальны при использовании серебра, но при этом велики дисперсионные искажения и увеличивается составляющая коэффициента отражения от границ электродов из за роста нагружающей массы. Дешевизна алюминия и возможность получения низкого сопротивления пленочных проводников, делает данный наиболее пригодным для нашего устройства.
2.2 Расчет основных элементов метки
2.2.1 Выбор приемо-передающего ВШП
Основным конструктивным элементом любого акустоэлектронного устройства на ПАВ является преобразователь. Наиболее простым и эффективным способом приема и возбуждения ПАВ является использование ВШП. Существует множество различных конструкций таких преобразователей. Наиболее оптимальным решением является однонаправленный ВШП, так как он обеспечивает распространение пакета ПАВ лишь в одном направлении, и тем самым потери на преобразование электромагнитного сигнала в поверхностные акустические волны минимальны. Рассмотрим типовые конструкции однонаправленных ВШП.
На рисунке 2.4 изображен однонаправленный ВШП, одна из половин которого смещена на половину длины волны и служит отражателями для обратной ПАВ. Основным достоинством данного преобразователя является высокочастотность. Поскольку для повышения эффективности отражения требуется большое количество электродов, этот тип преобразователей является узкополосным с большим уровнем боковых лепестков.
Решить эти проблемы позволяет модифицированный однонаправленный ВШП (рисунок 2.5). Однако верхняя граничная частота такого преобразователя ниже в 2 раза.
Рисунок 2.5 – Модифицированный однонаправленный ВШП
Эффективность возбуждения ПАВ зависит от ширины электродов, поэтому, изменяя ширину электродов вдоль направления распространения звуковой волны (рисунок 2.6), можно равномерно взвесить преобразователь в соответствии с заданной импульсной характеристикой. Этот метод взвешивания может рассматриваться как широтно-импульсная модуляция сигнала. Основным недостатком этого метода взвешивания является чувствительность к технологическим погрешностям и требование к высокой разрешающей способности фотолитографии при изготовлении. Кроме того, диапазон взвешивания амплитуд парциальных волн очень мал и не превышает 2,5:1, что существенно ограничивает класс реализуемых частотных характеристик.
Рисунок 2.6 – Однонаправленный ВШП со взвешиванием ширины электродов
Данный преобразователь обеспечивает однородность звукового пучка по апертуре.
Предлагается использовать следующий однонаправленный преобразователь (рисунок 2.7). Он обладает преимуществом предыдущего, но вместе с этим устраняет существенный недостаток – высокие требования к разрешающей способности фотолитографии, а следовательно и невозможность изготовления высокочастотного устройства из за наличия межэлектродных зазоров равных l/8. Это достигается тем, что в преобразователе, содержащем звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены элементарные секции, содержащие противофазные электроды и отражающие электроды, ширины электродов первой фазы выбраны равными l/4 и l/2 соответственно и расположены с периодом 2l, а между ними расположены электроды противоположной фазы и отражающие электроды шириной l/4 с периодом 2l таким образом, что ближайшими электродами для них являются электроды первой фазы, все зазоры выполнены равными 3l/16, l - длина ПАВ на средней частоте преобразователя [13].
1 – Электроды первой фазы; 2 – электроды второй фазы; 3 – отражатель.
Рисунок 2.7 – Однонаправленный ВШП с внутренними отражателями.
Преобразователь содержит пьезоэлектрический электроды первой фазы 1 с ширинами электродов l/4 и l/2 соответственно с периодом 2l, между ними расположены электроды противоположной фазы 2 и отражающие электроды 3 с ширинами l/4 и периодом 2l. Межэлектродные зазоры 5 выполнены равными 3l/16.
При подаче электрического сигнала на противофазные электроды 1 и 2 в подложке возбуждаются ПАВ, которые распространяются в противоположные стороны от парциальных встречно-штыревых преобразователей (ВШП), образованных широким (l/2) и узким (l/4) электродами первой фазы 1 и электродом 2 противоположной фазы, находящимися между ними. ПАВ отражаются парциальными ВШП образованными узким и широким электродами первой фазы 1 и отражающим электродом 3, находящимся между ними. Расстояние между центрами отражающих парциальных ВШП, находящихся справа и слева от излучающего ВШП равны 7l/8 и 9l/8 соответственно. При отражении от ВШП с тремя штырями меняет ПАВ фазу на p/2. Тогда фаза отраженной справа ПАВ равна 3p, а слева - 4p, т.е. отраженная слева ПАВ находится в противофазе с излученной ПАВ, а справа – в фазе. Так как отражательные парциальные ВШП расположены с периодом 2l, то все отраженные ПАВ будут складываться в фазе и при некотором числе отражателей амплитуда ПАВ , находящихся в противофазе с излученными ПАВ станет близка к их суммарной амплитуде, что приведет к преимущественному излучению ПАВ влево, т.е. к однонаправленному режиму. Так как коэффициент отражения от отражательных парциальных ВШП с числом электродов равным трем (Nk2эфф<<w0CT, СТ – статическая емкость парциального ВШП, k2эфф –квадрат коэффициента электромеханическрой связи, w0=2pf0, f0 – средняя частота преобразователя) равен 4k2эфф/p, то число отражающих парциальных ВШП равно M³p/(4k2эфф).
2.2.2 Расчет основных параметров приемо-передающего ВШП
Для осуществления дальнейших расчетов необходимо задаться начальными параметрами и выбрать частоту акустического синхронизма ВШП.
Пусть минимальное расстояние между отражательными ВШП составляет 15мкм. Зная скорость распространения звука на подложке ниобата лития и квадрат коэффициента электромеханической связи, можно приближенно вычислить скорость распространения ПАВ на металлизированной поверхности:
k2=2ΔV/V=2(V-Vm)/V,
где V- скорость ПАВ на свободной поверхности; Vm –скорость ПАВ на металлизированной поверхности; k2 – квадрат коэффициента электромеханической связи.
Тогда согласно выражению (2.4):
Vm=V - k2V/2=3488-0.045*3488/2=3409,52(м/с)
Зная скорость распространения звуковой волны и минимальное расстояние между отражателями можно вычислить время задержки импульса:
τз=S/VПАВ=15*10-6/3409,52=4,40(нс),
где VПАВ – скорость звука на подложке с учетом металлизации (для ниобата лития VПАВ =3409,52(м/с).