Збудження, виявлення і затухання пружних поверхневих хвиль

 

Пружні поверхневі хвилі розповсюджуються по поверхні підкладки, розповсюджуючись на глибину декількох довжин хвиль. Збудження таких хвиль має свої особливості.

В наш час відома велика кількість різноманітних методів збудження ППХ. Ці методи розділяються на два типи: механічний метод збудження ППХ з допомогою відповідної форми п’єзоперетворювачів об’ємних хвиль, котрий застосовується як для п’єзоелектричних, так і неп’єзоелектричних підкладок; метод тонкоплівкових перетворювачів безпосередньо ППХ, який застосовується тільки для п’єзоелектричних підкладок.

Для збудження ППХ першим методом використовують механічні перетворювачі двох основних типів – клиновидні рис. а) і гребенчасті рис. б)

а)

б)

Клиновидний перетворювач складається з клина, виготовленого з органічного скла або іншого матеріалу. Цей клин встановлюється на поверхню підкладки, у котрій розповсюджуються ППХ. Між клином і підкладкою створюють масляний прошарок для кращого акустичного контакту. На іншій похилій грані клину закріплюють п’єзоелектричний перетворювач з п’єзокварцу, LiNbO₃, або п’єзокераміки. Від п’єзоперетворювача по клину розповсюджується обємна хвиля, яка падає на поверхню розділу клин–підкладка під кутом θ. Якщо виконується умова

(1)

де –швидкість об’ємної хвилі у матеріалі клина,

–швидкість ППХ в підкладці, то в підкладці виникає ППХ, яка розповсюджується на підкладці в одному напрямку. При , ППХ не буде збуджуватись.

Якщо кут θ більше кута повного внутрішнього відбивання як для поперечних хвиль, так і для поздовжніх об’ємних хвиль у клині, хвилі, які доходять до підкладки, сильно неоднорідні і проникають вглиб підкладки.

При оптимальному підборі кута падіння потоку об’ємних хвиль можна в любій підкладці збуджувати ППХ достатньо великої інтенсивності.

Для збудження ППХ гребенчатої структури об’ємні хвилі падають перпендикулярно на поверхню розділу і ППХ утворюється в гребінці. Для того, щоб збуджувались ППХ, необхідно, щоб відстань між двома сусідніми „зубцями” дорівнювала довжині хвилі.

Перевага цього методу у тому, що до матеріалу гребінки не ставиться ніяких вимог. Недоліком є високий рівень паразитних сигналів і технологічних ускладнень виготовлення гребінки, особливо для високих частот.

Метод тонкоплівкових перетворювачів є найбільш зручним для збудження ППХ на пєзоелектричних підкладках. При цьому на поверхні пєзоелектрика створюється система електродів на базі металевих плівок, котрі дозволяють утворювати на ній змінне у часі електричне поле. Це поле, утворює локальні механічні напруження, які розповсюджуються по поверхні підкладки у вигляді ППХ. Існує два основних типи тонкоплівкових перетворювачів:

– однофазні тонкоплівкові перетворювачі;

– багатофазні тонкоплівкові перетворювачі, з котрих найбільш відомі зустрічно-штиреві перетворювачі.

У однофазних тонкоплівкових перетворювачів всі металеві полоски, нанесені на поверхню підкладки, яка знаходиться під одним і тим же потенціалом. З іншої сторони підкладки наноситься тонкоплівковий металевий суцільний електрод. Змінний електричний сигнал, прикладений між полосковим і суцільним електродом, збуджує ППХ, яка розповсюджується на поверхні підкладки.

 

Недоліком є значна ємність, яка зменшує добротність пристрою на більших частотах, а також необхідність обробки і доступу до обох сторін підкладки.

Зустрічно-штиреві перетворювачі не мають відмічених недоліків.

 

Проблеми при виготовленні виникають для частоти вище 1 ГГц.

Для збудження ППХ з допомогою зустрічно-штирових перетворювачів на поверхні непєзоелектричних підкладок використовують тонкий проміжковий шар п’єзоелектрика типа ZrO, CdS та інших напівпровідникових п’єзоелектриків нанесених на розповсюдження ППХ.