Метода

1

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

1. Цель работы

Изучить назначение, конструкции и основы технологии фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), а также их основные характеристики. Исследовать амплитудно-частотные характеристики фильтров для УПЧИ и УПЧЗ современных телевизоров, влияние температуры на их характеристики.

2. Краткие сведения из теории

Одним из важных направлений функциональной электроники является акустоэлектроника, где значительное место занимают устройства и элементы на поверхностных акустических волнах (ПАВ). К ним можно отнести фильтры электрических сигналов, линии задержки, резонаторы, акустические фазовращатели, аттенюаторы, генераторы сигналов на ПАВ, устройства пространственно-временной обработки сигналов и др.

Во всех этих устройствах и элементах используются преобразователи ПАВ, служащие для преобразования электрических сигналов в акустические и наоборот. Известны преобразователи ПАВ, использующие трансформацию объемных акустических волн, и электродные, преобразователи ПАВ, причем последние более технологичны и обеспечивают возможность расширения частотного диапазона до сотен мегагерц - единиц гигагерц.

Принцип работы электродных преобразователей ПАВ основан на упругой деформации участков пьезоэлектрического кристалла под действием прикладываемого на электроды, находящиеся на его поверхности, переменного напряжения. В однофазном преобразователе (рис. 1.1) период расположения электродов выбирается равным длине поверхностной акустической волны λa подложке из заданного материала, а ширина их,

обычно составляет величину λa / 2 . Чем меньше толщина подложки, тем выше эффективность акустоэлектрического преобразования. На практике толщина подложки обычно превышает несколько единиц λa . В двухфазном преобразователе электроды имеют встречно-штыревую геометрию.

Рис. 1.1. Однофазный (а) и двухфазный (б) преобразователи поверхностных акустических волн; 1 - электроды; 2 - подложка (звукопровод)

1

2

Рабочая частота однофазного преобразователя при равном периоде расположения электродов a вдвое выше, чем двухфазного. Следует отметить также, что однофазный преобразователь может работать при более высоких рабочих напряжениях, чем двухфазный. Последний, однако, имеет некоторые конструкторско-технологические преимущества.

Преобразователи ПАВ характеризуются электрической и акустической добротностью:

Qэ =		π	,	(1.1)
		(4 кэм2 n)
	Qа = n ,			(1.2)

где кэм - коэффициент электромеханической связи звукопровода; п - число пар электродов двухфазного преобразователя.

Оптимальное значение n имеет место при Qэ =Qd , когда полоса пропускания

согласующего электрического контура, в котором используется последовательная индуктивность с целью компенсации статической емкости встречно-штыревого преобразователя, соответствует полосе акустического тракта, т.е. достигается электроакустическое согласование и низкий уровень отраженного сигнала.

Помимо рассмотренных существуют также однонаправленные преобразователи ПАВ, которые излучают и способны принимать акустическую волну только в одном направлении. Примером может служить преобразователь состоящий из двух встречноштыревых структур, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 90° или же на расстояние λa (m +1/ 4) , где m - целое число. Вблизи резонансной частоты волны,

излучаемые в одном направлении, складываются, а в другом - компенсируются.

В линии задержки на ПАВ также имеется два преобразователя на подложке - звукопроводе, расстояние между которыми задает величину задержки сигнала

τз = L /ϑn ,

(1.3)

где L - расстояние между преобразователями, преодолеваемое волной по звукопроводу; ϑn - скорость распространения ПАВ в данном материале.

На практике τз = 0,1мкс...1мс. С целью ослабления отражений и подавления

стоячих волн по обеим сторонам преобразователей в линии задержки наносится поглощающее покрытие.

Большое практическое значение имеют полосовые фильтры на ПАВ, применяемые в настоящее время, в частности, в телевизионных приемниках в трактах УПЧИ и УПЧЗ. Они отличаются небольшими габаритами, малыми потерями (10...20 дБ), подавлением отраженных сигналов до уровня 30...40 дБ, хорошей температурной и временной стабильностью, высокой воспроизводимостью параметров при использовании современных методов производства. Схематически простейший вариант фильтра на ПАВ показан на рис. 1.2. При таком симметричном расположении выходных преобразователей до отношению к входному используются обе части ПАВ, излучаемые по направлениям, показанным стрелками.

2

3

Рис. 1.2. Полосовой фильтр на ПАВ

Определяемая преобразователями полоса частот может изменяться в некоторых приделах при использовании промежуточных пассивных электродов. В известных преобразователях типа дифракционной решетки ряд пассивных электродов шириной λa / 2 , расположенных с шагом λa (рис. 1.3), относительная полоса частот зависит от

числа пассивных электродов. При этом зачастую улучшается форма частотной характеристики.

Рис1.3. Преобразователь ПАВ типа дифракционной решетки

Кроме того, для получения заданной частотной характеристики может применяться метод анодизации структур со встречно-штыревыми преобразователями, который заключается в изменении степени перекрытия штырей, достигаемом изменением их длины. Различают несимметричную анодизацию, когда изменена длина электродов лишь одной гребенки, и симметричную. При этом происходит амплитудная модуляция импульсного отклика, а также, как нежелательные явления, наблюдаются дифракция акустической волны, излучаемой участками с малыми перекрытиями штырей, и фазовые искажения фронта волны.

Учитывая разнообразные возможности формирования ПАВ, нетрудно понять достаточно широкое распространение других элементов на ПАВ: резонаторов, полосовых усилителей, генераторов, активных фильтров, ответвителей и других, о которых упоминалось ранее.

Рассмотрим теперь особенности конструкции и технологии фильтров УПЧИ и УПЧЗ современных телевизионных приемников.

Так, основными элементами конструкции фильтров являются платы, соединенные клеевым швом, и крышка (рис. 1.4). Платы изготавливаются по типовым методам, широко используемым в микроэлектронике. Используются, в частности, технологические процессы нанесения тонких пленок в вакууме, фотолитография, нанесение и вжигание паст, термокомпрессия и др. Кроме того, большое место в технологии занимают процессы прецизионной механической обработки деталей малых размеров.

3

4

п.1. Клей токопроводящий п.2. Клей ВТ-25-200, состав I, наполнитель - нитрид бора

ОСТ4 ГО.029.204

п.3. Сварка термокомпрессионная п.4. Грунтовка

Рис.1.4. Общий вид фильтра УПЧИ: 1 - плата из монокристаллического ниобата лития; 2 - керамическая плата; 3 - металлическая крышка

Плата поз.2 изготавливается методами толстопленочной технологии. Материалом подложки служит керамика, как правило, марки 22ХС. Процесс изготовления подложки удовлетворяет ТУ 11-76. Перед нанесением паст проводится подготовка поверхности подложек, которая включает промывку в теплой мыльной воде, а затем в проточной дистиллированной воде. Следующими операциями являются сушка и обжиг в конвейерной печи при 600°С. Проводящая и диэлектрическая пасты наносятся методом сеткографической печати с целью формирования заданного рисунка. Топология участка платы с контактной площадкой 1 показана на рис. 1.5. Проводящая плата представляет собой смесь мелкодисперсных порошков 6лагородных металлов, чаще всего Ag и Pd, окислов металлов и стекла, взвешенных в органической, например, скипидарноканифолевой связке.

1 - проводники и контактные площадки. Паста проводниковая марки 4350,

ρS ≤0,05 Ом/□

2 - изолирующий слой. Паста диэлектрическая марки 0025, Rèç ≥1012 Ом

Допускается замена на лак ЭП-730,

ГОСТ 20824-81

Рис. 1.5. Участок платы о проводниковым (1) и диэлектрическим (2) покрытием

4

5

Толщина слоя ~ 20 мкм. После печати пасты для постепенного удаления органической связки и исключения процесса появления пустот, раковин и других дефектов слоя проводится сушка, например, инфракрасная, при температуре 80...125°С в течение 15...20 мин. Последующая операция - вжигание проводящего слоя в инертной среде, например, в туннельной печи в атмосфере азота, при температуре 800°С в течение 900...100 мин. Скорость изменения температуры при этом не должна превышать 60...70°С/мин, а максимальная температура должна выдерживаться с погрешностью не более 1°С. Диэлектрическая пленка формируется однократной или двукратной печатью с промежуточной сушкой. Вжигание производится при температуре ~700°С.

Электроды на плате поз.1 изготавливаются по тонкопленочной технологии. При этом используется монокристаллическая подложка Пл-20-1,5-32 Нл из ниобата лития для фильтров УПЧИ и поликристаллическая подложка из пьезокерамики ЦГССт-5 для фильтров УПЧЗ. С целью борьбы с объемными волнами с тыльной стороны подложек под углом - 45° к оси y фрезеруются специальные пазы (рис. 1.6), которые заполняются свинцовым суриком для подложек фильтров УПЧИ и замазываются клеем для подложек фильтров УПЧЗ. Таким образом формируются акустопоглотители. Исключение составляет паз 4 под экраном, прозрачный по оси у, который замазывается проводящим клеем - контактолом. Преобразователи 1 и 2 имеют различное количество электродов в гребенке и различную их ширину. Так, ширина электродов во входном преобразователе ~20 мкм, а в выходном - около 100 мкм. Металлические электроды преобразователей со встречно-штыревой геометрией, экран и вспомогательные элементы на угловых участках подложки выполняются двухслойными: нижний слой толщиной 0,045±0,005 нм - из ванадия ТУ48-3-4-373-76, а верхний слой толщиной 1050±50 нм - из алюминия ЕТО.021.051 ТУ.

Рис.1.6. Плата фильтра УПЧИ; 1 - входной преобразователь ПАВ; 2 - выходной преобразователь ПАВ; 3 - экран; 4 -паз, заполненный контактолом

Слои наносятся на подложу после ее тщательной отмывки термическим испарением в вакууме не выше 10-3 Па в одном или двух вакуумных циклах. Температура подложки во время нанесения пленок составляет около 140°С. Слой ванадия может также наноситься методом ионно-плазменного распыления, обеспечивающим, как правило, более высокую адгезию пленки к подложке. Заданный рисунок двухслойной пленки получают методом фотолитографии при использовании фоторезиста ФП-383 или ФПРН-7, либо других марок и процесса химического травления в комплексном травителе (воздействующем на Al и V ) или последовательно в травителях для алюминия и ванадия. После промывки и сушки

5

6

следует контроль с целью отбраковки структур с короткими замыканиями гребенок обрывами вследствие возможного "перетрава" и другими дефектами, приводящими к ухудшению амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтров. Проводится как электрический, так и визуальный контроль под бинокулярным микроскопом. Платы фильтров УПЧЗ имеют иные размеры и топологию, но по технологии мало отличаются от фильтров УПЧИ. По концам платы УПЧЗ (по оси Х) краской наносятся каплевидные акустопоглотители, а посадка их на керамическую плату (поз.2) производится с помощью клея на эпоксидной основе, но не токопроводящего, как для фильтров УПЧИ.

Следует отметить, что конструкция и технология линий задержки на ПАВ в значительной степени аналогичны описанным фильтрам на ПАВ. Критичным является расстояние между преобразователями, рассчитываемое в первом приближении из выражения (1.3).

Пример применения фильтра на ПАВ в схеме УПЧИ современного цветного телевизора показан на рис 1.7.

Контроль фильтров на ПАВ в основном сводится к проверке на соответствие АЧХ требуемой. Полоса частот фильтра УПЧИ лежит в пределах 32,5...38 МГц разброс уровня сигнала а пределах полосы пропускания не шире 6±1 дБ, а подавление на соседних частотах (31,5 и 39,5 МГц) не более 36 дБ.

Рис.1.7. Часть принципиальной схемы УПЧИ, содержащей фильтр на ПАВ У1

Боковые всплески, например, в диапазоне частот 39,5...43 МГц подавляются относительно сигнала на центральной частоте или частоте 36,5 МГц не более чем на 34 дБ, Полоса частот фильтра УПЧЗ значительно более узкая - 250 кГц, а центральная частота составляет 6,5 МГц±0,5%.

3. Схема измерений

Рис.1.8. Схема снятия АЧХ фильтров

4.Приборы и оборудование, применяемые в работе

1.Генератор Г4 - 102.

2.Осциллограф С1-75.

3.Макет с 4 фильтрами и термостатом.

6

7

5.Порядок выполнения работы

5.1.Снять АЧХ трёх фильтров.

Для этого изменяя частоту сигнала генератора на 6 диапазоне (4-10 Мгц) для фильтров 1,3 и на 8 диапазоне(20-50 Мгц) для фильтра 2 снять зависимость амплитуды выходного сигнала фильтра от частоты.

5.2. Исследовать влияние температуры на форму АЧХ и уход центральной частоты. Для этого необходимо получить АЧХ фильтра 4, помещенного в термостат, при комнатной и повышенной температуре на 6 диапазоне (4-10 Мгц) генератора. 5.2.1.Снять АЧХ фильтра 4 при комнатной температуре.

5.2.2.Установить максимально возможную амплитуду на выходе фильтра 4. Записать значения центральной частоты и амплитуды сигнала. Тумблер "Нагрев" включить. Загорится лампочка на макете. Нагреть на 30°С от комнатной температуры (соответствует маленьким 5 делениям на встроенном индикаторе макета). Снова найти и записать значения центральной частоты и амплитуды сигнала на выходе фильтра.

5.2.3.Снять АЧХ фильтра 4 при повышенной температуре.

5.3.Методика получения данных.

Установить максимально возможную амплитуду на выходе фильтра изменением частоты на выходе генератора. Записать значения центральной частоты и амплитуды сигнала. Изменить частоту на генераторе в меньшую и большую сторону от центральной до момента получения амплитуды сигнала на выходе фильтра 0,707 от максимальной амплитуды. Записать значения этих частот. Эти данные используются для расчета добротности и полосы пропускания фильтра. Провести дополнительно 10-15 измерений в указанном диапазоне частот для качественного построения АЧХ фильтра.

6.Контрольные вопросы

6.1.Перечислите элементы функциональной электроники на ПАВ.

6.2.Какие существуют типы преобразователей ПАВ?

6.3.Как определяется время задержки сигнала линией задержки на ПАВ?

6.4.Изобразите схематически один из вариантов фильтра на ПАВ.

6.5.Из каких элементов конструкции состоит фильтр УПЧИ или УПЧЗ?

6.6.Как изготавливается активная плата фильтра?

6.7.Как изготавливается пассивная плата фильтра?

6.8.Каким образом изготавливаются акустопоглотители?

6.9.Объясните влияние температурных воздействий на характеристики фильтров.

7.Содержание практической части отчета

7.1 Функциональная схема лабораторного исследования. Приборы, их основные параметры и погрешности измерений. Конструктивные и электрические параметры исследуемых фильтров.

7.2.Таблицы экспериментальных и расчетных данных.

7.3Графики АЧХ фильтров.

7.4Расчет добротности и полосы пропускания фильтров.

7.5Выводы с анализом результатов.

8.Рекомендуемая литература

8.1.Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. - М.:Сов. радио, 1980.

8.2.Достанко А.П. Технология интегральных схем. - Минск: Вышэйшая школа, 1982,

8.3.Парфенов О.Д. Технология микросхем. - М.: Высшая школа, 1977.

7

8

Приложение 1.

Пьезоэлектрический эффект.

При механической деформации некоторых кристаллов в определенных направлениях на их поверхностях образуются электрические заряды противоположных знаков, а внутри кристалла возникает электрическое поле. При изменении направления деформации изменяются и знаки зарядов. Это явление называют пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрический эффект обратим, т. е. при помещении кристалла в электрическое поле он будет изменять свои линейные размеры. Заряд, возникающий при пьезоэлектрическом эффекте, определяется соотношением

Q = dij F

где F - величина силы, вызвавшей деформацию, dij - постоянные для данного кристалла коэффициенты, называемые пьезоэлектрическими модулями; dij зависят от типа кристаллической решетки, вида деформации и температуры.

8

9

Лабораторная работa № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Цель Работы: Ознакомление с конструктивными и технологическими особенностями и электрическими характеристиками пьезоэлектрических трансформаторов. Исследование основных характеристик пьезоэлектрических трансформаторов.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Пьезоэлектрический трансформатор представляет собой твердое тело, в котором электрическим напряжением возбуждаются механические колебания. Эти колебания на выходе трансформатора преобразуются снова в электрический сигнал. Прямое и обратное преобразование электрической энергии осуществляется за счет прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта, наблюдаемого в некоторых диэлектриках.

Отсутствие обмоток, невозгораемость, высокая надежность, простота конструкций, стойкость к радиации и большой диапазон конструктивных возможностей - все это явилось причиной широких исследований пьезоэлектрических трансформаторов.

Однако пьезоэлектрическим трансформаторам свойственны особенности, которые на первом этапе их внедрения создают определенные трудности. Прежде всего эти приборы явились неожиданными для самих разработчиков, поскольку для их изучения, кроме знаний электротехники и физики диэлектриков, необходимы знания физической акустики. С другой стороны, пьезоэлектрические трансформаторы не вписываются в схемы, разработанные на основе электромагнитных трансформаторов.

Конструктивно пьезотрансформатор представляет собой пьезоэлемент с нанесенными методом вжигания на участках его поверхности электродами из серебра и заключенный в корпус с контактами для защиты от влияния внешних воздействий.

Величина коэффициента трансформации по напряжению у пьезоэлектрических трансформаторов может достигать нескольких сотен. Частота подводимого к пьезоэлементу напряжения выбирается такая, чтобы для продольных колебаний, возникших в пластине, установился механический резонанс. Он может быть установлен на частотах, при которых длина волны λ и пластины l, будут находиться в следующем соотношении:

l=0,5λ•n, где n=1,2,3…

(1.1)

Пластина пьезоэлемента предварительно поляризуется, причем направление вектора поляризации в различных частях пластины может быть неодинаково. Оно соответствует расположению электродов и основному направлению колебаний акустических волн. При закреплении пьезоэлемента в корпусе, крепежные узлы необходимо располагать в местах минимальных значений скорости механических колебаний, чтобы не вносить дополнительных потерь в его механические колебания. При n=1 имеется лишь одна линия крепления, поэтому колеблющуюся пластину закрепить прочно не удается. Для более надежного крепления пьезоэлемента в кожухе рабочая частота выбирается такой, при которой длина пьезоэлемента в целое число раз больше, длины волны акустических колебаний или равна ей.

1.1. Классификация пьезоэлектрических трансформаторов.

Пьезоэлектрические трансформаторы можно классифицировать по многим признакам. По типу конструкции трансформаторы делятся на три основные группы:

9

10

продольно-продольную, поперечно-продольную или, при обратном включении, продольно-поперечную и поперечно-перечную (рис.1.1).

Элементарные конструкции пьезоэлектрических трансформаторов

а)продольно-продольная; б)поперечно-продольная; в)поперечно-поперечная Рис. 1.1

Коэффициент трансформации для электрических трансформаторов (в отличие от электромагнитных трансформаторов) необратим:

Кu ≠1/Ki ; Кu′ ≠1/ Ki′′;

где Кu - коэффициент трансформации по напряжению;

Ki - коэффициент

трансформации по току; Кu′ , Ki′′ - коэффициенты для прямого и обратного включения.

Эти отличия пьезоэлектрических трансформаторов от намоточных привели к условному делению их на пьезоэлектрические трансформаторы напряжения и тока.

К пьезоэлектрическим трансформаторам тока условно относятся конструкции с коэффициентом трансформации меньше 10.

Пьезоэлектрические трансформаторы делят также на узкополосные и широкополосные. Рабочие частоты узкополосных трансформаторов выбираются в окрестности одной из частот механического резонанса, т.е. в той области частот, где коэффициент трансформации достигает максимальной величины. Дня широкополосных конструкций пьезоэлектрических трансформаторов коэффициент трансформации в режиме холостого хода имеет постоянное значение от нуля до первой частоты механического резонанса.

Классификацию пьезоэлектрических трансформаторов можно продолжить по другим признакам: по типу колебаний (сдвига, изгиба, продольных радиальных); по форме механического резонатора (пластина, брусок, диск сплошной или с отверстием, сплошной или полый цилиндр) и т.д.

1.2. Обобщенная эквивалентная схема пьезоэлектрического трансформатора

После первого преобразования энергии в пьезоэлектрическом транс-форматоре, т.е. после того как электрический сигнал преобразуется в механическое колебание, вся энергия существует только в механической форме. На выходе происходит обратное преобразование. Исходя из этого, трансформатор можно представить как входную электрическую часть, механическую и выходную электрическую. Обобщенная схема пьезо-электрического трансформатора будет иметь вид, показанный на рис. 1.2.

10