СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ПЬЕЗОПОДЛОЖКЕ
METHOD FOR MEASURING THE SPEED OF SURFACE ACOUSTIC WAVES IN A PIEZO-SUBSTRATE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении для измерения скорости распространения поверхностных акустических волн (ПАВ) в пьезоподложке.
Во многих разработках устройств на ПАВ требуется знание скорости распространения акустической волны в подложке с высокой точностью, позволяющей рассчитать и использовать такую топологию, которая обеспечит максимальную эффективность устройства при прочих заданных характеристиках. В частности, на практике, подложки, используемые при изготовлении чувствительных элементов (ЧЭ) на ПАВ, могут иметь величину скорости распространения ПАВ, отличную от справочной, и это отличие приводит к изменению параметров готовых изделий.
Из уровня техники известны некоторые способы измерения скорости ПАВ.
В частности, известен способ с использованием интерферометрической методики измерения скорости ПАВ [1]. Предлагаемая методика основана на оптическом зондировании ПАВ одновременно в двух точках поверхности пьезоподложки и использовании при измерениях двухлучевого оптического интерферометра. Два пространственно разнесенных оптических пучка дифрагируют на ПАВ, затем смешиваются и создают интерференционную картину. По измерению периода осцилляций этой картины вследствие изменения частоты ПАВ находится групповая скорость волны. Для проведения расчета требуется программное обеспечение эксперимента, включающее в себя: 1) накопление данных со статистической обработкой и с автокоррекцией дрейфа фазы интерферометра, вызванного изменением внешних условий; 2) Фурье-анализ спектра сигнала с использованием обобщенных переменных и учетом дисперсии ПАВ; 3) вычислительный алгоритм определения групповой скорости ПАВ. При этом точность определения скорости зависит от условий эксперимента и составляет 3 м/с для групповой скорости.
-6
Известен также способ измерения скорости ПАВ основанный на интерференции входного и задержанного электрических сигналов [2]. В одном из каналов двухканальной измерительной схемы использована линия задержки (ЛЗ), выполненная на пьзоподложке с неизвестной скоростью ПАВ. Для уменьшения влияния сигнала тройного прохода в ЛЗ авторы используют импульсный метод измерения, что повышает требования к амплитудам входного и задержанного радиосигналов. При этом нужно учитывать фазовые сдвиги в усилителях. Сигналы в обоих каналах должны быть когерентными для устранения влияния случайной начальной фазы между радиоимпульсами в измерительных каналах на точность измерения. В предложенном методе не исследуется влияние электрической наводки на выходном встречно-штыревом преобразователе (ВШП). Авторы метода оценивают точность измерения скорости -10. Однако, точность будет в большой степени зависеть от погрешностей используемой аппаратуры.
Известен способ измерения скорости ПАВ [3], основанный на дифференциальном методе вычисления. Способ реализуется за счет выбора диапазона измерения частоты возбуждения ПАВ и разности расстояний от излучателя до приемников. Способ заключается в том, что излучатель и приемники устанавливаются на поверхности исследуемого материала с учетом максимального и минимального возможных значений скорости ПАВ в исследуемом материале и относительной погрешности измерения. Диапазон погрешности измерения выбирается с учетом разности расстояний от излучателя до приемников, абсолютной ошибки измерения, разности расстояний от излучателя до приемников и максимального и минимального возможных значений скорости ПАВ в исследуемом материале, при этом в каждом диапазоне измерения частоты возбуждения ПАВ находится один минимум амплитуды суммарного сигнала приемников. Скорость ПАВ определяется по частоте возбуждения ПАВ, соответствующей минимуму амплитуды суммарного сигнала.
0
Еще один известный способ измерения скорости ПАВ [4], основанный на дифференциальном методе вычисления, заключается в том, что в устройстве устанавливают излучающий и приемные ВШП на определенном расстоянии, возбуждают излучающий ВШП в диапазоне частот Δƒ, удовлетворяющем неравенству  где ƒ - центральная частота излучающего ВШП; N - число пар штырей ВШП. Затем определяют минимальное значение сигнала, полученного путем сложения принятых приемными ВШП сигналов, измеряют частотомером частоту, соответствующую минимальному значению суммарного сигнала, по которой с учетом разности расстояний от излучающего преобразователя до двух приемных ВШП определяют искомый параметр.
Основным недостатком уровня техники является низкая точность измерения скорости распространения ПАВ в пьезоподложке, обусловленная тем, что существующие методы требуют использования соответствующей дополнительной аппаратуры, вносящей погрешности в результаты измерения, кроме того для нахождения скорости ПАВ требуется дополнительно производить специальные вычисления.
Наиболее близким по существу аналогом к предлагаемому способу измерения скорости ПАВ является техническое решение [4]. Однако, кроме недостатков общего уровня техники, в указанном прототипе отмечаются следующие особенности: в выбранной структуре выходные ВШП подвержены влиянию электрических наводок, также в области на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ), близкой к центральной частоте, вследствие взаимодействия двух ВШП, находящихся на одной линии, наблюдается снижение уровня сигнала, при этом добавляется погрешность от выбранного расстояния между входным и выходными ВШП. Все эти недостатки в совокупности дают достаточно большую погрешность измерений скорости ПАВ.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности высокоточного определения фактической скорости распространения ПАВ в пьезоподложке для расчета топологии устройств на ПАВ при снижении производственных затрат.
Технический результат, соответственно, заключается в повышении точности измерения скорости распространения ПАВ в пьезоподложке.
1ПАВ
ПАВ
1
p
Указанная задача с достижением заявленного технического результата решается способом измерения скорости ПАВ, заключающимся в том, что излучающим ВШП возбуждают в контролируемой пьезоподложке ПАВ и осуществляют прием отраженного сигнала. При этом на пьезоподложке формируют топологию, соответствующую ее заданной рабочей частоте, в которой возбуждение ПАВ и прием сигнала осуществляются ВШП, расположенным между группами отражающих структур (ОС). При этом ОС с одной стороны от ВШП смещены относительно ВШП на значение  где N - количество отражателей в ОС; λ - длина ПАВ в пьезоподложке. Кроме того, параметры ВШП и ОС выбираются такими, чтобы обеспечить условие акустического синхронизма. Затем принятый отраженный сигнал подают в векторный анализатор, обеспечивающий его представление в виде зависимости сопротивления от частоты, определяют область с наибольшим количеством амплитудных всплесков и выявляют участок кривой, имеющий максимальный размах. По минимальному значению этого участка путем проекции определяют значение фактической рабочей частоты пьезоподложки и вычисляют фактическую скорость распространения ПАВ в пьезоподложке как  где V - фактическая скорость распространения ПАВ в пьезоподложке; V - справочная скорость распространения ПАВ в данном материале пьезоподложки; ƒ - фактическая рабочая частота пьезоподложки; ƒ - заданная рабочая частота пьезоподложки.
Использование в предлагаемом способе топологии с одним ВШП позволяет исключить погрешности влияния наведенных сигналов, а также избежать снижения сигнала в области на АЧХ, близкой к центральной частоте, возникающего из-за взаимодействия двух находящихся рядом ВШП. Расположение ОС выбирается таким, чтобы при осуществлении измерений отраженные с двух сторон сигналы не накладывались друг на друга, образуя на выходе непрерывный сигнал, несущий полезную информацию. При этом исключается погрешность, вносимая несколькими измерительными приборами, т.к. для полного цикла измерений используется только один прибор - векторный анализатор, который также используется для представления сигнала в виде зависимости сопротивления от частоты, на основе которого впоследствии и происходит вычисление фактической рабочей частоты и, соответственно, скорости распространения ПАВ в пьезоподложке с точностью, определяемой только точностью самого векторного анализатора.
Настоящее изобретение поясняется чертежами.
Предлагаемый способ реализуется с использованием устройства на ПАВ (чувствительного элемента (ЧЭ)), топология которого приведена на фиг. 1.
На фиг. 2 приведены графики частотной зависимости активного и реактивного сопротивлений ЧЭ.
На фиг. 3 показано графическое представление векторным анализатором зависимости сопротивления от частоты обрабатываемого сигнала (фиг. 3А - общий вид, фиг. 3Б - укрупненный вид).
На фиг. 4 приведены результаты измерения ЧЭ, топология которого показана на фиг. 1, на векторном анализаторе «Rohde & Schwarz ZNB 4» (фиг. 4А - общий вид, фиг. 4Б - укрупненный вид).
Способ измерения скорости ПАВ в пьезоподложке заключается в следующем.
На образце пьезоэлектрической пластины 1 (в качестве материала пьезоподложки может быть выбран ниобат лития, кварц и др.) формируется топология, состоящая из одного ВШП 2 и ОС 3 (фиг. 1), выполненных по обе стороны от ВШП 2 и состоящих из групп отражателей 4 (отражатели выполняются в виде канавок или штырей). Количество отражателей 4 в каждой ОС 3 равно N. ОС 3 с одной стороны от ВШП 2 смещены относительно ВШП 2 на значение  где N - количество отражателей в ОС; λ - длина ПАВ в пьезоподложке. Пьезоэлектрическая пластина 1 с указанной топологией образует ЧЭ. Внешние электрические измерительные приборы подключаются к ВШП 2 полученного ЧЭ. В качестве измерительного прибора используется векторный анализатор цепи с высокой разрешающей способностью по частоте.
Bx
Вх
Bx
Bx
Bx
Вx
ПАВ
p
ЧЭ, с точки зрения электрических цепей, представляет собой двухполюсник, входное сопротивление которого составляет  где R(ω) - активная составляющая, Х(ω) - реактивная составляющая Z(jω). На основании метода эквивалентных схем можно вычислить и построить графики зависимости R(ƒ) и X(ƒ) (фиг. 2). Плавный и медленный характер изменения указанных функций определяется топологией и параметрами ВШП 2, а амплитудные всплески выходного сигнала - топологией и параметрами ОС 3. Для каждой рабочей частоты параметры ВШП 2 и ОС 3 выбираются такими, чтобы на этой частоте R составляла 50 Ом (условие согласования устройств). При изготовлении ЧЭ размеры элементов топологии выбираются исходя из условия акустического синхронизма ВШП 2 и ОС 3: ширина электрода ВШП 2 и ширина отражателя 4 ОС 3 равны  а расстояния между соседними электродами ВШП 2 и между соседними отражателями 4 ОС 3 равны  при этом длина ПАВ X в пьезоподложке имеет значение  где V - справочная скорость распространения ПАВ в данном материале пьезоподложки; ƒ - заданная рабочая частота пьезоподложки. Таким образом, при расчете ширина каждого электрода ВШП 2 и ширина каждого отражателя 4 ОС 3 составит значение  Все вышеперечисленные параметры рассчитываются исходя из справочной скорости распространения ПАВ для конкретного материала пьезоподложки.
В исследуемом образце полученного ЧЭ излучающим ВШП 2 возбуждают ПАВ и им же осуществляют прием отраженного от ОС 3 сигнала. Т.к. ЧЭ подключен к векторному анализатору, отраженный сигнал подается на него. Векторный анализатор обеспечивает обработку данного сигнала и его представление в виде зависимости сопротивления от частоты (фиг. 3).
1
На полученном графическом представлении определяют область с наибольшим количеством амплитудных всплесков и выявляют участок кривой, имеющий максимальный по оси сопротивления размах. Выбирают минимальное значение этого участка, и проецируют значение этого участка на ось частот, определяя, таким образом, значение фактической рабочей частоты пьезоподложки ƒ.
Bx
Вх
1
На практике, величина скорости распространения ПАВ в подложке, используемой при изготовлении ЧЭ, может отличаться от справочной. Это отличие приводит к изменению параметров реальных образцов, выражающемуся на графике в смещении минимума амплитудных всплесков на кривой R(ƒ), и, как следствие, к изменению величины R. Таким образом, условие акустического синхронизма и, следовательно, фактическая рабочая частота пьезоподложки ƒ, на которую приходится минимум участка кривой, имеющего максимальный размах, в реальном ЧЭ изменится.
1ПАВ
1
1ПАВ
Так как ширина р в изготовленном ЧЭ определяется расчетом, то, исходя из соотношения  можно определить  где V - фактическая скорость распространения ПАВ в данной пьезоподложке. Выяснив с помощью векторного анализатора значение фактической рабочей частоты пьезоподложки ƒ можно с высокой точностью вычислить фактическую (реальную) скорость распространения ПАВ пьезоподложки V.
3
ПАВ
1
На фиг. 4 приведены результаты измерения R(ƒ) ЧЭ, топология которого показана на фиг. 1, на векторном анализаторе «Rohde & Schwarz ZNB 4». Расчет произведен для ЧЭ, выполненного на подложке из LiNbO 128° Y-X. Скорость распространения ПАВ в таком срезе кристалла по данным справочника составляет V=3997,9 м/с, а минимум участка с амплитудными всплесками должен находиться на частоте 433 МГц. При наблюдении минимума кривой характеристики R(ƒ) на изготовленном образце, с возможной для данного анализатора точностью, была зафиксирована частота ƒ=430,597021 МГц. Используя вышеприведенную формулу можно определить реальную скорость ПАВ в данной пьезоподложке  и скорректировать в дальнейшем расчет топологии для устройств на ПАВ, изготавливаемых из данного кристалла.
Проведенные расчеты показывают, что при наличии инструмента, позволяющего измерять R(ƒ) изготовленного ЧЭ с предлагаемой топологией, возможно определить с высокой точностью реальную скорость распространения ПАВ в образцах пьезоподложки. А поскольку фирма-производитель обычно гарантирует направление главной оси вырезаемой пьезоподложки, то, уточнив скорость распространения ПАВ в одном образце, можно распространить результат на всю партию пьезоподложек.
Применение в производстве данного способа высокоточного определения фактической скорости распространения ПАВ в пьезоподложке позволит точнее рассчитать топологию ЧЭ для каждого конкретного кристалла подложки, и, таким образом, повысить эффективность создания устройств на ПАВ при снижении производственных затрат.
Источники информации:
1. Е.А. Колосовский, А.В. Царев, И.Б. Яковкин. "Улучшенная методика измерения скорости ПАВ в анизотропных структурах". Акустический журнал, 1998, т. 44, №6, стр. 793-800.
2. И.Г. Симаков, Ч.Ж. Гулгенов. "Регистрация изменения амплитуды и скорости релеевских волн на поверхности пьезоэлектрика. Вестник Бурятского Государственного Университета, 2011, №3, стр. 216-220.
3. Авторское свидетельство СССР №1490501 на изобретение "Способ измерения скорости поверхностных акустических волн", опубл. 30.06.1989, МПК G01H 5/00.
4. Авторское свидетельство СССР №1298549 на изобретение "Способ измерения скорости поверхностных акустических волн", опубл. 23.03.1987, МПК G01H 5/00.