Возбуждение поверхностной акустической волны в системах электронной идентификации

Если приложить напряжение к электродам такого пьезоэлектрического кристалла, как ниобат лития или танталат лития, в кристаллической решетке в результате пьезоэффекта возникают механические напряжения. Этот эффект используют для генерации на кристалле поверхностных акустических волн. Чтобы добиться этого, к полированной поверхности пьезоэлектрического кристалла в форме электроакустического преобразователя прикладываются электродные структуры, сделанные из тонкого алюминия толщиной 0,1мкм. Когда к этому электроакустическому преобразователю прикладывается переменное напряжение, по поверхности кристалла распространяются поверхностные акустические волны - так называемые волны Рэлея. Отражения в кристаллической решетке экспоненциально убывают по мере возрастания глубины.


Соответственно большая часть наведенной акустической энергии концентрируется на поверхности кристалла в тонком слое глубиной, равной примерно одной длине волны. Распространение поверхностной акустической волны по полированной поверхности подложки является почти незатухающим и не рассеивающимся. Скорость распространения v равна примерно от 3000 до 4000 м/с, то есть около 1/100000 от скорости света. В электронной аппаратуре, использующей поверхностные акустические волны, для возбуждения и детектирования этих волн служат встречно-штыревые преобразователи (ВШП).

На пьезоэлектрическую подложку нанесены два металлических элемента, имеющих вид вставленных друг в друга гребенок (из штырей электродов). Встречно-штыревые электродные структуры позволяют создать эффективные электроакустические преобразователи. Именно такого типа преобразователи были использованы нами при внедрении RFID системы идентификации продукции для компании "Оптилон", которая производит искусственную траву из различных типов волокна, причем в составе системы используется более 88 шт. радиочастотных меток. При подаче напряжения на встречно ­ штыревые электродные структуры возникает электростатическое поле.

Электрический Л-образный импульс, приложенный к шине встречно-штыревого преобразователя ВШП, преобразуется благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту в механическую деформацию поверхности подложки между пальцами разной полярности. Эта деформация пропорциональна электрическому полю и распространяется как поверхностная акустическая волна в обоих направлениях, перпендикулярных электродам, на скорости v. Возбуждение ПАВ происходит только в области между электродами, которые подключены к разным контактным клеммам. Длина взаимно перекрывающихся частей электродов w определяет ширину пучка возбуждаемой ПАВ. Изменение ширины электродов оказывает относительно незначительное влияние на свойства преобразователя. Поверхностная волна, входящая обратно в преобразователь ВШП, генерирует на его шине в результате прямого пьезоэлектрического эффекта электрический сигнал.


Расстояние между двумя пальцами одинаковой полярности называется электрическим периодом q встречно-штыревого преобразователя. Максимальное электроакустическое взаимодействие получается на частоте /0, равной рабочей частоте преобразователя. Большим достоинством ВШП является возможность изменения в широких пределах характеристических свойств возбуждаемых ПАВ путем изменения его геометрических размеров. В устройствах на ПАВ это проявляется в виде изменения формы импульсного отклика и частотной характеристики.

Особенно сильно влияют на свойства возбуждаемых ПАВ изменения следующих параметров:
1. длины электродов;
2. расстояния между ними;
3. полярности электродов;
4. отношения ширины электродов к периоду ВШП.

В специальных преобразователях используют электроды более сложной формы. Если расстояние между электродами меняется в соответствии с определенным соотношением, то такой преобразователь носит название дисперсионного; для него характерна большая ширина полосы пропускания. Расщепление каждого электрода, как правило, на два электрода позволяет в значительной степени подавить отражения ПАВ и получить несимметричную передаточную функцию. Такой преобразователь называют преобразователем с расщепленными (двойными) электродами. Все остальные, относительно редко используемые, типы ВШП можно с определенной степенью точности отнести к одному из этих основных типов.