Дипломная работа: Радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах
4) Электронный номер (паспорт) транспортного средства.
8) Бесконтактные датчики давления, температуры и т.п
Все вышеперечисленные сферы применения транспондеров на ПАВ по
своей сути являются наиболее требовательными к условиям эксплуатации систем
радиочастотной идентификации и, что не менее важно, к надежности изделия, чего
не может обеспечить чиповая метка.
Таким образом, проектируемая метка должна обеспечить максимально
возможную дальность считывания, оптимальную конструкции, большую емкость данных
и, вместе с этим, низкую стоимость. Кроме того, необходимо предусмотреть такую
конструкцию, которая бы имела незначительные потери сигнала при считывании, а
так же возможность считывания в поле действия ридера нескольких меток подобного
типа. Все это будет определяться технологией изготовления, точностью расчетов и
правильным подбором материалов.
2. Основная
часть
2.1
Выбор
исходных материалов
2.1.1
Основные
требования к материалам подложек устройств на ПАВ
В устройствах на ПАВ в качестве материала подложки, как правило, используются
пьезоэлектрики. Это связано со способом возбуждения звуковых волн с помощью
встречно-штыревых преобразователей [12].
Перечислим наиболее важные характеристики материалов для устройств на
ПАВ:
Квадрат коэффициента электромеханической связи (КЭМС) – дает количественное описание
пьезоэлектрического эффекта. Он определяет соотношение между электрической и
механической энергиями в пьезоэлектрике.
Данный параметр определяют экспериментально путем изменения времени
распространения ПАВ между входным и выходным ВШП до и после нанесения на
свободную поверхность между преобразователями металлической пленки.
Такие наиболее важные характеристики устройств на ПАВ, как относительная
ширина полосы пропускания и вносимые потери, могут быть представлены в виде
явных функций КЭМС. При заданном уровне вносимых потерь материал с большим
значением КЭМС позволяет реализовать более широкополосное устройство.
Температурный коэффициент задержки (ТКЗ) – относительное изменение времени
задержки, соответствующее изменению температуры на один градус. Значение ТКЗ определяют
экспериментально путем измерения температурной зависимости частоты
автогенератора с линией задержки на ПАВ.
Обычно материалы с большим значением КЭМС имеют худшую температурную
стабильность (т.е. большие значения ТКЗ). Большое значение КЭМС показывает, что
механические свойства более чувствительны к изменениям температуры.
Очевидно, что при жестких требованиях к температурной стабильности
устройств предпочтительнее использовать материалы с малым значением ТКЗ.
Скорость ПАВ. С этим параметром связаны такие технические характеристики
устройств, как рабочие частоты и габаритные размеры. Скорость ПАВ зависит от
плотности материала, его упругих и пьезоэлектрических свойств и от состояния
поверхности. Для эффективного возбуждения акустической волны и ее отражения от
отражательных структур пространственный шаг топологических элементов должен
быть равен длине такой волны.
Следует отметить, что фазовые скорости ПАВ на свободной и
металлизированной поверхности различны. Скорость на металлизированной
поверхности меньше. Это вызвано, прежде всего, закорачиванием электрической
составляющей поля и приводит к изменению характеристик акустической волны.
С точки зрения повышения рабочих частот наиболее предпочтительнее
материалы с большим значением скорости. Линейные размеры устройств также
связаны с длиной волны. Они на практике составляют величину порядка 100 длин
волн. Следовательно для низкочастотных приборов на ПАВ (частоты менее 10-100
МГц) необходимо выбирать материалы с низкой скоростью распространения
(1000-2000 м/с).
Уровень потерь энергии при распространении ПАВ (коэффициент
затухания). Его
определяют с помощью зависимости:
BM=αMf+βMf 2,(2.1)
где αM и βM – коэффициенты, характеризующие
потери засчет воздушной нагрузки и вязкостных свойств материала, f – частота, ГГц.
Данная зависимость получена теоретически и подтверждена экспериментально
для различных материалов и из срезов. Первое слагаемое вносит свой вклад лишь в
том случае, если кристалл находится в воздухе или инертном газе и равно нулю в
вакууме. Второе слагаемое обусловлено взаимодействием ПАВ с колебаниями
кристаллической решетки.
При проектировании акустоэлектронных устройств, работающих на частотах
менее 50 – 100 МГц потерями на распространение волн чаще всего пренебрегают. В
то же время, на высоких частотах они вносят весомый вклад и обязательно должны
быть учтены при выборе материала для АЭУ.
На рисунке 2.1 изображены зависимости величины вносимых потерь в
зависимости от частоты работы устройства для некоторых материалов.
Рисунок 2.1 – Зависимости вносимых потерь от частоты при распространении
ПАВ на поверхности монокристаллов ниобата лития, лангасита, ортофосфата галлия.
Затухание ПАВ также существенно зависит от состояния поверхности подложки
Следовательно в процессе изготовления АЭУ подложки звукопроводов должны быть
тщательно отшлифованы и очищены. Кроме того затухание ПАВ уменьшается и при
охлаждении материала.
Параметры дифракции. Как и в оптических структурах, в приборах акустоэлектроники
наблюдается явление дифракции звуковой волны (рисунок 2.2). Это приводит к
расхождению пучка ПАВ и потере части энергии волны. Наибольшему влиянию
дифракции подвержены устройства с аподизированными преобразователями
(преобразователи с изменяющейся величиной перекрытия электродов).
Рисунок 2.2 – Дифракция пучка ПАВ
Так как монокристаллы анизотропны и их характеристики акустических волн
зависят от выбранного направления распространения, то картина дифракции в них
усложняется в сравнении с изотропными материалами. Скорость ПАВ при разных
направлениях различна, что приводит к увеличению или уменьшению расходимости
пучков. Последний эффект называется автоколлимацией, Она приводит к уменьшению
дифракционных потерь и особо важна в линиях задержки с большим временем
задержки и в устройствах с протяженными электродными структурами. Степень
дифракции для каждого конкретного пьезоэлектрического материала фиксирована. В
монокристаллах она оценивается параметром анизотропии γ. Величина и знак определяют
степень дифракции поверхностных волн. В изотропной среде γ = 0; при γ
> 0 дифракционные потери больше, чем в изотропной среде, при γ < 0
потери меньше, чем в изотропной среде. Если γ = –1, в анизотропной среде
наблюдается автоколлимация, при которой расширение акустического пучка
минимальное или отсутствует. Приведем значения параметров анизотропии и
величины угла отклонения потока энергии для некоторых материалов.
Таблица 2.1 – Значения параметра анизотропии γ и величины угла
отклонения потока энергии для некоторых материалов акустоэлектроники
Материал |
Химическая формула |
Ориентация пластины и направление распространения ПАВ |
Параметр анизотропии γ |
Угол отклонения потока энергии φ, 0
|
Кварц |
SiO2
|
YXl/42045’ (00;132045’; 00)
|
0,378 |
0 |
Ниобат лития |
LiNbO3
|
YZ
|
-1,08 |
0 |
41,50-YX
|
-0,45 |
0 |
Танталат лития |
LiTaO3
|
YZ
|
-0,211 |
0 |
Германат висмута |
Bi12GeO20
|
(001), [100] |
-0,304 |
0 |
Берлинит |
ALPO4
|
(90;90;80,40)
|
0,901 |
0 |
По мере удаления от излучателя изменяются и профили интенсивности ПАВ.
Как и в классической оптике можно ввести безразмерный параметр Френеля.
,
где λ - длина волны; D – расстояние от преобразователя до точки наблюдения; H - апертура преобразователя
Значение F < 1 соответствует зоне Френеля (или ближней зоне). В
этой зоне наблюдается четко выраженный акустический луч и его энергия
сосредоточена в полосе, «освещаемой» апертурой преобразователя. Значение F
> 1 соответствует зоне Фраунгофера (или дальней зоне), в которой
акустический луч «разваливается». Очевидно, что для того чтобы вся акустическая
энергия, излученная входным преобразователем, была принята выходным,
преобразователи должны быть расположены в ближней зоне друг относительно друга.
Величина угла отклонения потока энергии
Если направление распространения ПАВ не совпадает с так называемым
направлением чистой моды (ее угловое положение задается углом ψ0),
то наблюдается отклонение потока энергии от направления распространения на угол
φ (рисунок 2.3). Угол φ определяется соотношением:
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 |