Алексеев С.Г., Котелянский И.М., Ползикова Н.И., Мансфельд Г.Д. «Модификация метода СВЧ акустической резонаторной спектроскопии тонких слоев и пленок для измерений в широком частотном диапазоне» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Акустоэлектроника", с. 2-7 (2014)

Спектр составного акустического резонатора (HBAR) является многомодовым и может содержать несколько тысяч резонансных пиков. Нами разработан комплекс программ, позволяющий записывать сканы спектра с произвольным шагом по частоте во всем диапазоне измерителя S-параметров. Благодаря высокой степени автоматизации обработки сканов мы получаем данные о параметрах (частота и ширина) каждого резонансного пика. Предлагаемый метод увеличивает точность ранее известного метода измерения скорости акустической волны (АВ) в материале путем сравнения спектров HBAR до и после нанесения исследуемого слоя. Для слоев толщиной в несколько длин волн новый метод позволяет получать данные о скорости АВ лишь из одного спектра.

Анисимкин В.И., Кузнецова И.Е. «Особенности возбуждения и распространения акустических мод в пьезоэлектрических пластинах» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Акустоэлектроника", с. 8-14 (2014)

Теоретически и экспериментально показано, что в отличие от акустических волн иных типов коэффициент электромеханической связи К_n², угол отклонения потока энергии Ψ_n, чувствительность к внешним воздействиям и анизотропия всех характеристик акустических пластинчатых волн в пьезоэлектрических пластинах могут меняться без изменения кристаллографической ориентации материала пластины, только за счет изменения ее толщины. Характер указанных зависимостей различен для мод разных порядков. Число мод n в пьезоэлектрических пластинах намного превышает их число в изотропных пластинах той же толщины.

Сучков С.Г., Сучков Д.С., Николаевцев В.А., Россошанский А.В. «Модифицированный квазиполевой метод расчета характеристик встречно-штыревых преобразователей поверхностных акустических волн» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Акустоэлектроника", с. 15-21 (2014)

Для расчета фазовых и амплитудных характеристик встречно-штыревого преобразователя (ВШП) поверхностных акустических волн (ПАВ) существует множество методов. Метод эквивалентных схем Мэзона и метод COM-параметров позволяют с заданной степенью точности рассчитать характеристики ВШП в некотором диапазоне частот, но требуют знания феноменологических параметров. Известно также, что решение самосогласованной полевой задачи, в отличие от упомянутых методов расчета, не требует определения феноменологических параметров, однако практически не используется, поскольку требует больших вычислительных ресурсов и временных затрат. Предложенный в 2007 г. квазиполевой метод расчета позволяет с не меньшей, чем полевой метод, точностью рассчитывать электрические характеристики ВШП, не требуя больших вычислительных мощностей, однако содержит один феноменологический параметр, определяемый из сравнения расчетных и экспериментальных значений вносимых потерь. В работе предложен модифицированный квазиполевой метод расчета электрических характеристик ВШП, не использующий феноменологических параметров. Он позволяет с высокой точностью и оперативно производить расчет перспективных приборов на ПАВ в СВЧ диапазоне для любых конфигураций электродов ВШП с учетом конечной толщины электродов, в том числе с учетом слоистой структуры электродов, включающей адгезионный подслой. Результаты, полученные данным методом, хорошо согласуются с описанными в литературе экспериментальными данными.

Ползикова Н.И., Алексеев С.Г., Котелянский И.М., Лузанов В.А., Раевский А.О. «Магнитоупругие взаимодействия в составном акустическом СВЧ-резонаторе, содержащем ферромагнитные пленки» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Акустоэлектроника", с. 22-29 (2014)

Теоретически показано и экспериментально продемонстрировано, что в составной резонаторной структуре с ферромагнитными и пьезоэлектрическими пленками магнитные колебания могут возбуждаться и детектироваться непосредственно при помощи электроакустического преобразователя объемных акустических волн. «Немагнитное» возбуждение неоднородного ферромагнитного резонанса происходит на частотах, близких к частотам магнитоупругого резонанса в магнетике, и проявляется как резонансная по магнитному полю перестройка частот многомодового резонатора. Впервые экспериментально наблюдалась перестройка частот резонатора с пленками ZnO и ЖИГ (железо-иттриевого граната) во всем межмодовом интервале, который составляет ±3.6 МГц. Наблюдавшийся эффект представляет интерес для: а) практического применения в перестраиваемых частотозадающих элементах и СВЧ-фильтрах, б) изучения магнитной динамики в ферромагнитных пленках, в) новых применений СВЧ акустических резонаторов, например для создания акустической спиновой накачки в гибридных структурах.

Зайцев Б.Д. «Возможные применения пьезоэлектрических резонаторов с поперечным электрическим полем» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Акустоэлектроника", с. 30-37 (2014)

В последние годы в связи с разработкой различных акустоэлектрических датчиков исследователи стали обращать особое внимание на пьезоэлектрические резонаторы с поперечным электрическим полем. В работе рассматриваются их возможности для анализа свойств жидкости и для измерения микроперемещений. В литературе возможности этих резонаторов для создания жидкостных датчиков продемонстрированы достаточно убедительно. Традиционно исследовалось изменение резонансной частоты от вязкости и проводимости контактирующей жидкости. Однако вариации резонансной частоты при изменении свойств жидкости в широких пределах оказались очень незначительными. Например, максимальное изменение резонансной частоты составляет всего 1–2% при изменении вязкости от 1 до 10000 мПА×с и проводимости в пределах 100–10000 мкС/см. Однако, если в качестве информационного параметра взять модуль электрического импеданса или адмиттанса на фиксированной частоте вблизи резонанса, то чувствительность датчика можно существенно повысить. Изменение указанного параметра может достигать 30 и 70% при изменении вязкости и проводимости в указанных выше пределах. Второе применение основано на том факте, что электрическое поле резонатора проникает за пределы пьезоэлектрической пластины. Были проведены эксперименты по изучению влияния зазора между свободной стороной резонатора и электрически проводящей или диэлектрической пластиной на частоты параллельного и последовательного резонансов. Показано, что на этой основе возможно создание измерителей микроперемещений с температурной компенсацией, которые могут быть использованы для непрерывного контроля деформаций и раскрытия трещин различных конструкций, элементов мостов и зданий, а также для измерения небольших перемещений двух объектов относительно друг друга. Оказалось, что частота параллельного резонанса однозначно связана с шириной зазора в пределах 0–300 мкм при использовании проводящей пластины. Частота последовательного резонанса от зазора не зависит, но зависит от температуры. Таким образом, частота последовательного резонанса позволяет определить температуру и сделать необходимые корректировки. Если вместо проводящей пластины использовать диэлектрическую пластину, например из поликора, то диапазон измеряемых зазоров увеличивается до 0–2.5 мм. При этом частота последовательного резонанса также зависит только от температуры. Следовательно, меняя материал пластины, можно менять диапазон изменения ширины зазора.

Симаков И.Г. «Дисперсия поверхностных акустических волн в тонком слое жидкости на поверхности пьезоэлектрика» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Акустоэлектроника", с. 38-45 (2014)

Наличие тонкого слоя жидкости на поверхности пьезоэлектрического звукопровода приводит к возмущениям условий распространения поверхностных акустических волн (ПАВ). Получены аналитические выражения для описания затухания и относительного изменения скорости ПАВ в зависимости от нормализованной толщины жидкого слоя. Показано, что диэлектрическая и акустическая составляющие возмущений условий распространения ПАВ, вызванных слоем жидкости, могут быть учтены независимо.

Бородина И.А., Зайцев Б.Д., Кузнецова И.Е., Теплых А.А., Шихабудинов А.М. «Разработка матрицы резонаторов с поперечным электрическим полем на пьезоэлектрической пластине» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Акустоэлектроника", с. 46-52 (2014)

Пьезоэлектрические резонаторы с поперечным электрическим полем в настоящее время вызывают большой интерес разработчиков мультисенсорных акустических датчиков. Электроды такого резонатора наносятся на одну сторону пластины, что позволяет пространственно разделить резонаторы и анализируемые объекты (газочувствительные пленки, жидкостные ячейки, и т.д.), расположив их на разных сторонах пластины. Однако серьезной проблемой при разработке таких резонаторов является подавление паразитных колебаний, которые ухудшают резонансные свойства резонаторов и приводят к сильной акустической связи между ними при их расположении на одной пластине. Способ решения данной проблемы предложен в настоящей работе. Экспериментально исследовалась матрица, состоящая из 2 резонаторов, которые располагались на пластине ниобата лития X-среза толщиной 0.5 мм. Электроды имели прямоугольную форму с размерами 5×10 мм и зазором между ними 2 мм. Поперечное электрическое поле каждого резонатора было направлено вдоль кристаллофизической оси Y. Было показано, что устойчивый резонанс достигается на продольной акустической волне, распространяющейся вдоль оси X в пространстве между электродами. Для подавления паразитных колебаний, источником которых, в основном, являлись волны Лэмба, вокруг резонаторов был нанесен слой специального демпфирующего покрытия. Измерялись частотные зависимости реальной и мнимой частей электрического импеданса/адмиттанса каждого резонатора, по которым определялись резонансная частота и добротность при последовательном и параллельном резонансах. Были выявлены области изменения ширины покрытой части каждого резонатора, при которых обеспечивается хорошее качество резонансов. Затем измерялись частотные зависимости параметра S₁₂ который характеризуют степень акустической связи между резонаторами. Измерения показали, что величина параметра S₁₂ во всех случаях превышает 50 дБ. Это означает, что рассматриваемые резонаторы полностью акустически развязаны. Таким образом, показано, что демпфирующий слой обеспечивает не только достаточно хорошее качество резонанса каждого резонатора, но и приводит к полной их акустической развязке.

Кузнецова И.Е., Зайцев Б.Д. «Влияние электрических граничных условий на существование аномального резисто-акустического эффекта» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Акустоэлектроника", с. 53-59 (2014)

Как известно, аномальный резисто-акустический эффект является фундаментальным свойством слабо-неоднородных пьезоактивных волн (волны Гуляева–Блюстейна, волны Лява, утекающие волны). Он заключается в том, что при увеличении проводимости слоя, находящегося на поверхности пьезоэлектрика или структуры его содержащего, скорость слабо-неоднородных волн вначале увеличивается и только затем уменьшается. В работе продолжено исследование особенностей существования данного эффекта и исследуется влияние на его характеристики различных электрических граничных условий. Определены геометрические параметры структур, при которых он существует и исчезает. Показано, что при удалении слоя с произвольной проводимостью от поверхности пьезоэлектрика величина аномального резисто-акустического эффекта уменьшается. При удалении от структуры «пьезоэлектрик–слой с произвольной проводимостью» идеально проводящего экрана данный эффект увеличивается. Результаты работы полезны для более глубокого понимания физических основ распространения слабо неоднородных пьезоактивных акустических волн.

Зайцев Б.Д., Шихабудинов А.М., Теплых А.А., Кузнецова И.Е. «Разработка бесконтактного метода измерения проводимоститонких пленок с помощью линии задержки на SH₀ волнах» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Акустоэлектроника", с. 60-67 (2014)

Экспериментально показана возможность измерения поверхностной проводимости тонких проводящих пленок при помощи линии задержки с двумя встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) на основе пластины Y-X ниобата лития толщиной 0.2 мм, в которой распространялась акустическая волна с поперечно-горизонтальной поляризацией нулевого порядка (SH₀). Выбор ориентации пластины, ее толщины и рабочей частоты волны определялся необходимостью получения значительного коэффициента электромеханической связи _;30%. Указанная линия задержки подключалась к измерителю S–параметров типа E5071C, который позволял измерять полные потери и фазу выходного сигнала. Линия задержки имела линейную фазочастотную характеристику в полосе частот 3,28–3,41 МГц, и на центральной частоте 3.3 МГц полные потери составляли 24 дБ. Было установлено, что при расположении над поверхностью линии задержки между ВШП диэлектрической пластины с тонкой проводящей пленкой полные потери и фаза выходного сигнала менялись, причем степень изменения уменьшалась с ростом зазора между ними. Это связано с тем, что электрические поля акустической волны частично проникали в проводящую пленку, что приводило к уменьшению эффективного коэффициента электромеханической связи и, соответственно, к изменению скорости акустической волны и фазы выходного сигнала. В качестве исследуемых проводящих пленок использовались тонкие пленки хрома и алюминия, которые напылялись в вакууме на стеклянные пластинки толщиной 1.26 мм. Меняя толщину пленки металла можно было менять ее поверхностную проводимость. Проводимость получаемых проводящих пленок менялась в пределах 1–10^–6 С и определялась при помощи модернизированного четырех зондового метода. Экспериментальные данные позволили построить калибровочную зависимость разности фаз выходного сигнала от поверхностной проводимости пленки при величине зазора между стеклянной пластинкой и звукопроводом порядка 100 мкм. Калибровочная зависимость оказалась близкой к линейной с наклоном порядка 120 град/С. Очевидно, что изменить диапазон значений измеряемой поверхностной проводимости можно путем изменения величины указанного зазора. Рассмотренный метод может найти применение для измерения проводимости таких пленок, контакты к которым невозможно изготовить или эти контакты могут существенно повлиять на проводимость пленки.

Зайцев Б.Д., Шихабудинов А.М., Бородина И.А., Теплых А.А., Кузнецова И.Е. «Исследование пьезоэлектрических резонаторов с поперечным электрическим полем» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Акустоэлектроника", с. 68-74 (2014)

В последние годы в связи с разработкой и совершенствованием акустоэлектрических датчиков для исследования свойств различных жидкостей, включая биологические, исследователи стали обращать особое внимание на пьезоэлектрические резонаторы с поперечным электрическим полем. Основная трудность при конструировании таких резонаторов это подавление нежелательных колебаний с целью обеспечения четкой резонансной частотной зависимости реальной и мнимой частей электрического импеданса/адмиттанса. Для достижения этой цели существуют, по крайней мере, два варианта. Во-первых, это выбор оптимальной формы электродов и точная их ориентация относительно кристаллографических осей пластины. Однако форма и размеры электродов сильно зависят формы пластины и от ее поперечных размеров. Во-вторых, нанесение поглощающего слоя на определенную часть резонатора, включая часть электродов, который подавляет паразитные колебания и позволяет сформировать хорошее качество резонансов. В работе проведено экспериментальное исследование частоты и добротности для последовательного и параллельного резонансов, а также эффективного коэффициента электромеханической связи в зависимости от ширины зазора между электродами и ширины области покрытия электродов поглощающим слоем. Электроды резонатора располагались на пластине ниобата лития X-среза толщиной 0.5 мм и имели прямоугольную форму с размерами 5×10 мм, а величина зазора между ними менялась от 1 до 5 мм. Поперечное электрическое поле было направлено вдоль кристаллофизической оси Y. Было показано, что устойчивый резонанс достигается на продольной акустической волне, распространяющейся вдоль оси X в пространстве между электродами. Ширина области покрытия электродов менялась от 0 до 5 мм. В результате было установлено, что при изменении ширины зазора между электродами и ширины области покрытия электродов в указанных пределах частота последовательного и параллельного резонансов менялась в пределах 1%. При этом значения добротности последовательного и параллельного резонансов изменялись в пределах 500–13000 и 500–1800, соответственно. Эффективный коэффициент электромеханической связи менялся в пределах 1–4%.