Влияние полимолекулярной адсорбции воды на параметры акустоэлектронных устройств

трическую проницаемость и диэлектрические потери в полярных жидкостях, которые при взаимодействии с твердой поверхностью образуют граничные слои. Поверхностные акустические волны являются чувствительным инструментом изучения процесса диэлектрической релаксации в слоистых структурах, образованных тонкими жидкими слоями. Акустоэлектронный метод позволяет исследовать изменение физических свойств (главным образом вязкоупругих и диэлектрических) полярных жидкостей в граничной фазе в зависимости от температуры, угла смачивания и толщины жидкого слоя.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 08-02-98006, 08-02-98008_р_сибирь_а).

ЛИТЕРАТУРА

1. Анисимкин В.И., Гуляев Ю.В., Анисимкин И.В. Метод поверхностных акустических волн: новые аналитические возможности // Поверхность. - 2000. - №8. - С. 3-9.

2. Бирюков С.В., Гуляев Ю.В., Крылов В.В., Плесский В.П. Поверхностные акустические волны в неод-

нородных средах. - М.: Наука, 1991. - 416 с.

3. Чураев Н.В. Тонкие слои жидкостей // Коллоид. журнал. - 1996. - Т.58, №6. - С. 725-737.

4. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. - М.: Наука, 1985. - 123 с.

5. Викторов И. А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. - М.: Наука, 1981. - 288 с.

6. Доржин Г.Б., Симаков И.Г. Акустическое исследование адсорбированных слоев жидкостей // Акуст.

журнал. - 2002. - Т.48, №4. - С. 499-503.

7. Ландау Л. Д., Лившиц Е.М. Статистическая физика. - М.: Наука, 1964. - 551 с.

8. Симаков И.Г., Доржин Г.Б. Определение малых изменений скорости и затухания поверхностных аку-

стических волн. // Сб. трудов XIII сессии РАО. - М., 2003. - Т.1. - С. 113-116.

УДК 534.28 + 532.62 ББК 22.32

ВЛИЯНИЕ ПОЛИМОЛЕКУЛЯРНОЙ АДСОРБЦИИ ВОДЫ НА ПАРАМЕТРЫ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

И.Г. Симаков, Ч.Ж. Гулгенов

Бурятский научный центр Сибирского отделения РАН, Улан-Удэ. E-mail: lmf@ofp srv. bsc. bury atia.ru

Исследовано влияние полимолекулярной адсорбции на изменение скорости и затухание поверхностных акустических волн в системе адсорбционный слой воды — подложка ниобата лития. Найдены значения температурного коэффициента времени задержки в акустическом тракте, нагруженном слоем адсорбированной воды. Показано, что при наличии адсорбционного слоя температурный коэффициент времени задержки данной системы уменьшается с ростом толщины и проходит нулевое значение. Появление нулевого значения температурного коэффициента времени задержки в системе «адсорбированная вода — ниобат лития» дает возможность точно определить толщину адсорбционного слоя и построить изотерму адсорбции пара воды на поверхности ниобата лития.

Ключевые слова: поверхностные акустические волны, температурный коэффициент времени задержки, адсорбционный слой.

INFLUENCE OF POLYMOLECULAR ADSORPTION OF WATER ON PARAMETERS OF ACOUSTIC ELECTRONIC DEVICES

I.G. Simakov, Ch.Zh. Gulgenov Buryat Scientific Centre, Siberian Branch of RAS, Ulan-Ude

Influence of polymolecular adsorption on change of speed and attenuation of surface acoustic waves in system layer of adsorbed water — a substrate of niobates lithium is investigated. Values of temperature factor of time of a delay are found in the acoustic path loaded with a layer of adsorbed water. It is shown, that at presence adsorbed layer the temperature factor of time of delay of the given system decreases with growth of a thickness and there passes zero value. In system «the adsorbed water - niobates lithium» gives the chance to define occurrence of zero value of temperature factor of time of a delay precisely a thickness adsorbed layer and to construct an isotherm of adsorption of steam of water on surface of niobates lithium.

Key words: surface acoustic waves, temperature factor of time of a delay, adsorbed layer.

В современных радиоэлектронных системах широко применяются акустоэлектронные устройства, которые могут быть подвержены воздействию влажной газовой среды. Основным элементом аку-стоэлектронных устройств является линия задержки, представляющая собой подложку, вырезанную из пьезоэлектрического кристалла, на полированной поверхности которой нанесены два (или больше) встречно-штыревых преобразователя. Влияние температуры и влажности окружающей среды на аку-

стоэлектронное устройство является основной причиной, дестабилизирующей ее параметры. Содержание влаги в атмосфере и адсорбционные процессы на поверхности подложки зависят от температуры. В настоящее время влияние температуры в основном изучено. Имеются также работы, в которых исследуются вопросы влияния влажности [1, 2]. Комплексное влияние температуры и влажности на условия распространения поверхностных акустических волн, следовательно, на параметры акусто-электронных устройств практически не изучено.

Под влиянием влажности на поверхности подложки образуется слой адсорбированной воды, параметры которой зависят от температуры и степени влажной парогазовой среды. Совместное влияние температуры и влажности вносит изменения в условия распространения поверхностных акустических волн (ПАВ), что приводит к изменению затухания и скорости акустической волны. Все это выражается в изменении такой важной характеристики акустоэлектронного устройства, как температурный коэффициент времени задержки С, (ТКЗ), который при отсутствии жидкого слоя имеет следующий вид:

„ 1 д т 1 д Ь 1 д Уч 1 д Уч

£=--------=------------------ = а-----------,

т д Т Ь д Т ^ч д Т ^ч д Т К ’

где т - время задержки ПАВ, Ь - длина звукопровода, У8 - скорость ПАВ. Температурный коэффициент времени задержки включает в себя температурный коэффициент изменения скорости поверхностной волны дУз/(Уз ЭТ) и температурный коэффициент линейного расширения а [3].

При взаимодействии поверхностных акустических волн со слоем воды, адсорбированной на поверхности подложки, влияние слоя жидкости на параметры ПАВ сводится к возмущениям условий распространения волны, имеющим механическую А и электрическую В природу [4, 5]. При малой толщине слоя механическую и электрическую природу возмущения условий распространения ПАВ можно учитывать независимо. Выражение связывает относительное изменение скорости ПАВ с толщиной слоя

^ ргУг жЁ 2гРгг ^

tgв +----------р-4-

Ру* (£Р +1)2

У

где Pf и рз - плотность жидкости и твердого тела, соответственно; 0 = агссо8 (У//Уз) — угол, под которым звуковые волны распространяются в жидкости; У/ - скорость звука в жидкости; Уз — скорость поверхностной волны; вр, в/- относительные диэлектрические проницаемости, соответственно, пьезоэлектрика и жидкости; К - коэффициент электромеханической связи пьезоэлектрика.

Для измерения затухания и скорости ПАВ использовали фазоинтерференционный метод. Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. На излучающий преобразователь 1' линии задержки подается сигнал с выхода генератора высокой частоты 1. Задержанный сигнал с приемного преобразователя 2' поступает на вход усилителя 4. Одновременно на вход усилителя подается сигнал, ослабленный аттенюатором 3, амплитуда которого уменьшена до амплитуды задержанного сигнала. Прямой и задержанный сигналы интерферируют. Суммарный сигнал, пройдя усилитель 4, попадает на вход осциллографа или другого регистрирующего устройства 5 (рис.1). В результате интерференции величина суммарного сигнала зависит, как от соотношения фаз взаимодействующих сигналов, так и соотношения их амплитуд. Баланс амплитуд достигается регулировкой аттенюатора, а баланс фаз перестройкой частоты генератора. Генератор настраивается на частоту интерференционного минимума.

Любое изменение состояния поверхности и приповерхностной области подложки приведет к изменению условий распространения ПАВ. В общем случае изменится скорость и амплитуда ПАВ, следовательно, изменится частота интерференционного минимума. Ее новое значение регистрируется частотомером. Изменение скорости ПАВ определяется из условия Ау /у = А/ / / , а изменение времени задержки дт/т = —д/// . Затухание определяется по величине остаточного, после подстройки частоты минимума, сигнала. Величина изменения затухания определяется аттенюатором.

Измерения производились при следующих условиях: подложка помещалась над поверхностью дважды дистиллированной воды, температура которой 20°С; температура подложки варьировалась в пределах 18-30°С. Измеряемыми акустическими параметрами были изменение затухания ПАВ в результате адсорбции пара и изменение частоты интерференционного минимума, которое пересчитывалось в изменение времени задержки.

I МГц 43,65

43,64

43 63

43,62

43,61

43,59

43,57

Рис. 2. Зависимость частоты интерференции сигналов

1'

2'

і

Частота интерференционного минимума (1 рис. 2) при охлаждении подложки от 30°С вначале достаточно плавно увеличивается, доходит до максимума и затем стремительно уменьшается. Область возрастания занимает больший температурный интервал (около 8°С), а температурный интервал области уменьшения частоты интерференционного минимума чуть больше 2°С. Кривая напоминает параболу в повернутой системе координат с характерным максимумом при ~22°С. На изменение времени задержки оказывают влияние жидкий слой и сама подложка.

Рис. 3. Блок-схема установки для измерения скорости поверхностных акустических волн. 1 - генератор, 2 - усилитель, 3 - осциллограф, 1', 2', 3' - встречно-штыревые преобразователи.

На начальном участке охлаждения преимущественное влияние оказывает подложка. В точке максимума, изменение времени задержки, вызванное изменением линейного размера подложки и скорости поверхностной волны в зависимости от температуры, компенсируется изменением скорости ПАВ в результате воздействия слоя. В этом случае ТКЗ линии задержки с адсорбционным слоем равен нулю. При дальнейшем понижении температуры система проходит точку росы, т.е. такую температуру, при которой начинается конденсация. Затухание при наличии пленки конденсата увеличивается в десятки раз.

Толщину адсорбционного слоя при нулевом значении ТКЗ можно определить, приравнивая изменение скорости ПАВ, под влиянием слоя

ЛAT дт Z -Л-DT .

m = т

Относительное давление пара связанно с изменение температуры уравнением Клайперона - Клаузиуса.

H T, - T 2 H A T ln j =-------------------1--------— -----------------------

Я Т1Т 2 Я Т 2

где Н - скрытая теплота испарения воды , Я - газовая постоянная, (р- относительная влажность.

Таким образом, используя уравнение Клайперона - Клаузиуса и уравнение (3), можно определить толщину адсорбционного слоя воды, при некоторой величине относительного давления пара. Найденное таким образом значение толщины может служить в качестве реперной точки, что позволяет прокалибровать изотерму адсорбции, построенную из зависимости относительного изменения скорости ПАВ от степени влажности. При изменении температуры подложки происходит изменение времени задержки и толщины адсорбционного слоя. Скорость ПАВ в слоистой структуре также зависит от температуры подложки и толщины адсорбционного слоя. В результате, при некоторой толщине адсорбционного слоя изменение температурного коэффициента времени задержки самой подложки компенсируется изменением скорости ПАВ в слоистой структуре и имеет место нулевое ТКЗ.

Наличие нулевого ТКЗ в системе «адсорбированная вода - ниобат лития» является замечательным свойством рассматриваемой слоистой системы. Так как позволяет точно определить толщину адсорбционного слоя, определенного при температуре, соответствующей нулевому ТКЗ.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 08-02-98006, 08-02-98008__р_сибирь_а).

ЛИТЕРАТУРА

1. Слободник А. Материалы и их влияние на характеристики устройств // Поверхностные акустические волны / под ред. А. Олинера. - М.: Мир, 1981. - С. 270-358.

2. Доржин Г.Б., Симаков И.Г. Акустическое исследование адсорбированных слоев жидкостей // Акуст. журн. - 2002. - Т.48, №4. - С. 499-503.

3. Симаков И.Г., Гулгенов Ч.Ж. Взаимодействие поверхностных акустических волн с адсорбционным слоем воды при вариациях температуры подложки // Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике: материалы междунар. науч.-техн. школы-конференции. - М.: МИРЭА, 2006. - С. 96-100.

4. Викторов И. А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. - М.: Наука, 1981. - 288 с.

5. Бирюков С.В., Гуляев Ю.В., Крылов В.В., Плесский В.П. Поверхностные акустические волны в неоднородных средах. - М.: Наука, 1991. - 416 с.