Способ измерения коэффициента затухания акустических волн в резонаторной структуре и ее добротности



Способ измерения коэффициента затухания акустических волн в резонаторной структуре и ее добротности
Способ измерения коэффициента затухания акустических волн в резонаторной структуре и ее добротности
Способ измерения коэффициента затухания акустических волн в резонаторной структуре и ее добротности
Способ измерения коэффициента затухания акустических волн в резонаторной структуре и ее добротности

 


Владельцы патента RU 2477493:

Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (RU)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при физических исследованиях механизмов затухания акустических волн в твердых телах и в технике при разработке и производстве акустических ВЧ и СВЧ резонаторов и фильтров. Способ измерения коэффициента затухания акустических волн в резонансной структуре и ее добротности основан на измерении частотной зависимости импеданса резонаторной структуры. При этом измеряют частотную зависимость мнимой части электрического импеданса структуры для выбранного номера обертона. Фиксируют положения экстремумов на измеренной зависимости. Вычисляют разность между частотами экстремумов Δfn(Imz). Затем вычисляют значение коэффициента затухания αn и добротности Qn на частоте fn обертона с номером n. Технический результат - повышение точности измерения коэффициента затухания акустических волн в резонаторной структуре и ее добротности. 4 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при физических исследованиях механизмов затухания акустических волн в твердых телах и в технике при разработке и производстве акустических ВЧ и СВЧ резонаторов и фильтров.

Известен эхо - метод измерения затухания акустических волн в твердых телах (Р.Труэлл, Ч.Эльбаум, Б.Чик, Ультразвуковые методы в физике твердого тела. Издательство «Мир», Москва, 1972, глава 2). Этот метод основан на измерении и сравнении амплитуд акустических волн, совершающих многократные пробеги по кристаллу с плоскопараллельными отражающими гранями, с последующим вычислением коэффициента затухания. Недостаток метода - необходимость в использовании достаточно длинных образцов - от единиц мм до нескольких см, что необходимо для надежного временного разделения эхоимпульсов.

Известен способ измерения добротности резонатора (Патент РФ RU 2312368 (С2), дата публикации 2007.12.10). В этом способе измерения добротности в резонаторе возбуждают колебания с линейно изменяющейся частотой, измеряют резонансную частоту и ширину резонансной кривой на уровне половинной мощности и определяют добротность. Метод отличается тем, что при измерениях контролируют моменты равенства амплитуды колебаний в резонаторе ее заданному пороговому значению, меняют в эти моменты направление изменения частоты сигнала возбуждения на противоположное и измеряют среднюю частоту сигнала возбуждения fcp и частоту модуляции этого сигнала fм, а добротность резонатора определяют по формуле Q=Kfcpfм, где K - постоянный коэффициент. Недостаток метода состоит в необходимости создания для его реализации специализированной установки с достаточно сложным электронным узлом управления параметрами зондирующего сигнала, а также подбора коэффициента K.

При исследовании свойств пьезоэлектрических резонаторов, обладающих частотами резонанса и антирезонанса, для измерения добротности используется весьма точный, но технически громоздкий метод (С.Г.Алексеев, Г.Д.Мансфельд, Простой способ измерения добротности и затухания в акустических резонаторах. // Радиотехника и электроника. 2008. Т.53. №1, С.122). Он включает следующую последовательность действий: измеряют частотные зависимости действительной и мнимой частей электрического импеданса структуры, из измеренных значений импеданса в частотном промежутке между обертонами экстраполяцией находят значения импеданса, задаваемого емкостью преобразователя, эти значения вычитают из исходного массива экспериментальных данных. Результат вычитания в точности соответствует резонансным кривым соответствующего параллельного колебательного контура в электрической эквивалентной схеме резонатора. Далее полосу пропускания и, соответственно, добротность Q находят по уровню половинной мощности модуля импеданса этого контура, или по крутизне его фазово-частотной характеристики на резонансной частоте f. Зная добротность, коэффициент поглощения акустических волн в структуре находят стандартным способом по формуле α=πf/Q.

Наиболее близким к заявленному техническому решению (прототипом) является способ измерения коэффициента затухания акустических волн и добротности в резонаторной структуре, основанный на измерении разности Δn(φ) между частотами экстремумов на фазово-частотной характеристике коэффициента отражения электромагнитных волн от резонаторной структуры или пьезоэлектрического, например, кварцевого, резонатора (G.D.Mansfeld, A.D.Freik, M.Mourey Characterization of losses in quartz resonator using electromagnetic wave reflection coefficient measurements, Proc. Of European Frequency and Time Forum EFTF-95, 8-10 March, 1995, Besancon, France, Actes Proc., p.20-23).

Для определения добротности Qn и коэффициента затухания αn на частоте резонанса (или обертона с номером n) fn измеряют частотную зависимость фазы коэффициента отражения электромагнитной волны от резонаторной структуры, на частоте возбуждаемого в структуре обертона фиксируют частоты, соответствующие экстремумам на этой характеристике, и вычисляют разность Δn(φ) между этими частотами, измеряют частотную зависимость модуля импеданса для того же номера обертона и фиксируют величину сопротивления в точке минимума на кривой, которая равна последовательному сопротивлению резонаторной структуры Rn. Затем вычисляют добротность по формуле

где R - волновое сопротивление измерительного тракта.

В случае выражение для Qn упрощается:

При этом коэффициент затухания волн в структуре может быть определен по приближенной формуле:

αn≈π·Δfn(φ)

Недостатками прототипа являются:

- Недостаточно высокая точность измерений, поскольку на величину Rn могут влиять паразитные сопротивления подводящих проводов и электродов;

- Ограниченность метода - этот способ неприменим, в частности, для измерении при , что как раз часто имеет место на достаточно высоких частотах;

- Необходимость дополнительно измерять частотную характеристику модуля электрического импеданса структуры.

Целью изобретения является повышение точности измерения величины коэффициента поглощения акустических волн и добротности в резонаторных структурах на объемных акустических волнах, расширение области частот измерений, а также упрощение способа.

Данная цель достигается тем, что в предлагаемом способе измерения коэффициента поглощения акустических волн в резонаторной структуре и ее добротности, основанном на измерении частотной характеристики электрического импеданса резонаторной структуры, измеряют частотную зависимость мнимой части ее электрического импеданса для выбранного номера обертона, фиксируют положения экстремумов на измеренной зависимости, вычисляют разность между частотами экстремумов Δn(Im z). Затем производят вычисления коэффициента затухания αn и добротности Qn на частоте fn обертона с номером n по формулам:

αn=π·Δfn(Im z)

Здесь fn - частота обертона с номером n.

Новым в предложенном способе по сравнению с прототипом является измерение разности Δf(Imz) между частотами экстремумов на частотных зависимостях мнимой части электрического импеданса и определение Qn и αn по формулам, адекватно описывающим работу тонких слоев и пленок в резонаторной структуре.

Фиг.1 - структура составного акустического резонатора на объемных акустических волнах, состоящего из пластины - подложки (1) толщиной d, электродов (3, 4) толщиной t, пьезоэлектрика (2) толщиной l.

Фиг.2 - частотная зависимость модуля импеданса резонатора с резонансами и антирезонансами. n-1, n, n+1 - номера обертонов.

и - частоты резонанса и антирезонанса для обертона с номером n.

Фиг.3 - частотная характеристика мнимой части входного электрического импеданса резонаторной структуры. Δfn-1(Imz) и Δfn(Im z), Δfn+1(Im z) - разности частот между экстремумами на обертонах с номерами n-1, n, n+1.

и - частоты экстремумов для обертона с номером n.

Фиг.4 - пример экспериментальной частотной зависимости мнимой части электрического импеданса. f1 и f2 - частоты экстремумов для выбранного обертона.

Сущность изобретения состоит в следующем. С помощью электроакустического преобразователя, образованного пьезоэлектрической пленкой и электродами, в резонаторной структуре, показанной на Фиг.1, возбуждаются и регистрируются акустические волны. В случае, когда набег фазы акустической волны равен nπ, где n - целое число, амплитуды всех отраженных волн складываются в фазе, и имеет место стоячая акустическая волна, т.е. возникает резонанс. Спектр собственных резонансных частот структуры оказывается многочастотным, как это видно на частотной характеристике модуля импеданса, показанной на Фиг.2. Резонансы расположены в частотной области почти эквидистантно. Обычно резонансные пики наблюдаются в широком интервале частот, от долей до нескольких ГГц. В гигагерцовом диапазоне при толщине резонатора порядка единиц мм номера обертонов доходят до нескольких сотен и даже тысяч.

Выражения, используемые для вычисления коэффициента затухания акустических волн и связанной с ним добротности, получаются из анализа формул для входного электрического импеданса резонатора Ze, описывающего его уточненную полную эквивалентную схему (Т.Д.Мансфельд, С.Г.Алексеев, Н.И.Ползикова, Эквивалентная электрическая схема составного акустического резонатора для радиотехнических устройств СВЧ-диапазона, Акустический журнал, №4, том 54, год 2008, стр.552-558).

где

r=1+cosωnl/νl+sin(ωnl/νl+2ωnt/νt)

y=sinβl·(1-cos(ωnl/νl+2ωnt/νt))/πN,

ω=2πf - частота, N - номер обертона, ωn=2πfn - частота обертона с номером N, l - толщина пленки пьезоэлектрика, t - толщина верхнего электрода, С0 - статическая электрическая емкость между электродами, β - волновой вектор для волны в пьезоэлектрической пленке, νl и νt - скорости акустических волн в материалах электрода и пьезоэлектрической пленки, соответственно, Qn - добротность резонатора на частоте обертона с номером N, - эффективная константа электромеханической связи на частоте обертона.

Исследуя частотную зависимость мнимой части входного электрического импеданса на минимум и максимум, можно найти выражения для соответствующих частот и и затем найти их разности

Опуская громоздкие выкладки, приведем окончательные выражения для коэффициента поглощения акустических волн:

Используя стандартную связь между коэффициентом поглощения акустических волн и добротностью, получим:

Типичный ход частотной зависимости мнимой части импеданса, содержащей упомянутые экстремумы, показан на Фиг.3.

Способ осуществляется следующим образом. Электроды резонаторной структуры, содержащие пьезоэлектрическую пленку или пьезоэлектрический слой, подключаются к векторному измерителю импеданса, позволяющему измерять мнимую часть ее электрического импеданса. На экране прибора наблюдается частотная зависимость мнимой части электрического импеданса, как показано на Фиг.3. Из этой частотной зависимости находятся значения частот, соответствующих экстремумам. Вычисляется разность этих частот Δn(Im z). Далее с помощью вышеприведенных формул вычисляют αn и Qn

Пример реализации способа

Производились измерения добротности и коэффициента затухания для резонаторной структуры, схематически показанной на Фиг.1 со следующими размерами: толщина подложки из лангасита - 745 мкм, толщина пленки окиси цинка - 0.82 мкм, толщина электродов из алюминия - 150 нм, диаметр электродов - 150 мкм. Измерения производились с помощью СВЧ анализатора цепей HP 8753ES.

На Фиг.4 показан пример экспериментальной частотной зависимости мнимой части электрического импеданса структуры.

Получены следующие результаты: на частоте f=ω/2π=399900 кГц измеренная разность между частотами экстремумов мнимой части импеданса Δf=f2-f1=369,375кГц, коэффициент затухания, выраженный в дБ/мкс, равен α=8,68πΔf(Im Ze,) (МГц)=8,68·π·0,369375=9.95 дБ/мкс, соответственно, вычисленное значение добротности:

Значение добротности, полученное методом, описанным в работе С.Г.Алексеева, Г.Д.Мансфельда (Простой способ измерения добротности и затухания в акустических резонаторах. // Радиотехника и электроника. 2008. Т.53. №1, С.122), являющимся точным, но весьма технически сложным и громоздким, равно 10830. Таким образом, данные, полученные известным и предлагаемым способами, практически совпадают. В то же время способ-прототип оказывается вообще неприменимым, поскольку Rn составляет единицы Ом, a R=50 Ом, и условие применимости метода не выполняется.

Таким образом, технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности измерения поглощения и добротности в резонаторных структурах, обеспечении возможности измерений в более широком диапазоне частот и существенном упрощении способа, поскольку при использовании предлагаемого способа снимаются какие-либо ограничения на соотношение между Rn и R.

Предлагаемый способ позволяет проводить измерения в тонких слоях, когда прямое использование эхометода наталкивается на технические трудности.

Способ измерения коэффициента затухания акустических волн в резонаторной структуре и ее добротности, основанный на измерении частотной зависимости импеданса резонаторной структуры, отличающийся тем, что измеряют частотную зависимость мнимой части электрического импеданса структуры для выбранного номера обертона, фиксируют положения экстремумов на измеренной зависимости, вычисляют разность между частотами экстремумов Δfn(Imz) и вычисляют значения коэффициента затухания αn и добротности Qn на частоте fn обертона с номером n по формулам:
αn=π·Δfn(Imz),

где - разность между частотами экстремумов и на частотных зависимостях мнимой части импеданса, fn - частота обертона с номером n.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности может быть использовано в спектроскопии диэлектриков для исследования диэлектрических характеристик веществ, знание которых необходимо при дистанционном электромагнитном зондировании, диэлектрическом каротаже, изучении молекулярного строения вещества.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических величин. .

Изобретение относится к технической диагностике агрегатов машин, имеющих замкнутую систему смазки, и предназначено для анализа содержания продуктов загрязнения в работающем масле и экспресс-диагностики технического состояния машин.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения скорости потока газа или жидкости резистивными подогреваемыми датчиками. .

Изобретение относится к технике измерения электрических параметров полупроводниковых приборов и может быть использовано для контроля их качества. .

Изобретение относится к измерениям диэлектрической проницаемости материалов при воздействии внешних факторов, преимущественно к устройствам измерения диэлектрической проницаемости при нагреве.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению диэлектрической проницаемости материала опорных стержней для ламп бегущей волны. .

Изобретение относится к электротехническим измерениям, а именно к измерению диэлектрической проницаемости твердых диэлектрических материалов. .

Изобретение относится к электрическим измерениям неэлектрических величин. .

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения эквивалентных параметров CG-двухполюсников

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения сопротивления и индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора напряжения

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к устройствам для контроля качества изоляции, характеризуемого ее пробивным напряжением, и может быть использовано в средствах для диагностики состояния межвитковой изоляции обмотки асинхронного двигателя или трансформатора. Техническим результатом является управление током разрыва в цепи диагностируемой обмотки электродвигателя. Технический результат достигается благодаря тому, что микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по ЭДС самоиндукции содержит микроконтроллер 1, делитель напряжения 2, первый RC-фильтр 3, управляемый ключ 4, индикатор 5, второй RC-фильтр 6, источник тока 7 управляемый и диагностируемую обмотку 8 электродвигателя. При этом выход второго ШИМ микроконтроллера подключен к входу второго RC-фильтра 6, выход которого подключен к входу управления источника тока 7, первая клемма которого подключена ко второму выводу ключа 4, а вторая клемма подключена ко второму выводу диагностируемой обмотки 8. 1 ил.

Изобретение относится к СВЧ технике, а именно к способам определения коэффициента потерь tgδ диэлектриков методом объемного резонатора. Образец измеряемого диэлектрика помещают в область максимального электрического поля резонатора, возбужденного на моде Е010, измеряют добротность резонатора с образцом и без образца и по результатам измерений судят о значении tgδ диэлектриков. Заявленный способ характеризуется тем, что используют эффект роста добротности системы резонатор-диэлектрик при вводе образца диэлектрика. Если при вводе образца добротность системы увеличивается, собственную добротность резонатора увеличивают до такого максимального значения Q, при котором добротность системы при вводе диэлектрика не меняется, и tgδ образца измеряемого диэлектрика определяют из соотношения: tgδ=(ε-1)/εQ, где ε - диэлектрическая постоянная образца диэлектрика; Q - собственная добротность резонатора, при которой при вводе образца диэлектрика добротность системы резонатор-диэлектрик не меняется; а если при вводе образца добротность системы уменьшается, предварительно уменьшают добротность резонатора до такого значения, при котором при вводе образца добротность системы возрастает, и далее проводят измерения в соответствии с описанной выше процедурой. Технический результат заключается в расширении диапазона измеряемых добротностей и повышении точности измерения коэффициента потерь tgδ диэлектриков. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения активного сопротивления, и может быть использовано для измерения физических величин, контролируемых резистивными датчиками. Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления в двоичный код с генератором, управляемым напряжением, содержит первый резистор 1 (R1), второй резистор 2 (R2), третий резистор 3 (R3), четвертый резистор 4 (R4), управляемый напряжением и снабженный входом разрешения генерирования генератор 5 и МК 6. Первые выводы резисторов 1, 2, 3 и 4 подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому выходам МК 6, вторые выводы резисторов 1, 2, 3 и 4 подключены к входу управления напряжением генератора 5, выход которого подключен к счетному входу встроенного в МК 6 двоичного счетчика, пятый выход МК 6 подключен к входу разрешения генерирования генератора 5. Технический результат заключается в повышении чувствительности. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности может быть использовано в спектроскопии диэлектриков для исследования диэлектрических характеристик веществ, знание которых необходимо при дистанционном электромагнитном зондировании, диэлектрическом каротаже, изучении молекулярного строения вещества. В способе измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих тел в широком диапазоне частот в одной ячейке, используемой в диапазоне частот выше 100 МГц как отрезок коаксиальной линии, а в диапазоне ниже 1 МГц как цилиндрический конденсатор, при этом в диапазоне частот выше 100 МГц диэлектрическая проницаемость вычисляется через измеренные значения комплексного коэффициента передачи электромагнитной волны (параметра матрицы рассеяния S12), а в диапазоне частот ниже 1 МГц - через измерение полной проводимости, новым является то, что для измерений в диапазоне частот 0,3-100 МГц используется дополнительный отрезок коаксиальной линии волновым сопротивлением 50 Ом сечения, большего, чем у ячейки, внутренний диаметр внешнего проводника которой определяют по формуле D 1 = d 1 exp ( Z 01 60 ) , где d1 - внешний диаметр корпуса ячейки; Z01 - волновое сопротивление дополнительного отрезка коаксиальной линии, в которой размещена ячейка, при этом ячейку включают как цилиндрический конденсатор в разрыв внутреннего проводника дополнительного отрезка коаксиальной линии, имеющего два СВЧ разъема, к центральным проводникам которых подключены с одной стороны центральный проводник ячейки, а с другой стороны - корпус ячейки через согласующий переходник в виде отрезка конической линии волновым сопротивлением 50 Ом, и производят его калибровку, для чего определяют параметры эквивалентной схемы дополнительного отрезка коаксиальной линии с расположенной в ней пустой ячейкой, затем заполняют ячейку исследуемым веществом и в диапазоне частот 0,3-100 МГц измеряют комплексный коэффициент передачи (параметр матрицы рассеяния S12) и по формулам, связывающим КДП с параметром S12, определяют КДП. Данный способ измерения КДП обеспечивает ее измерение в одной ячейке с низкой погрешностью во всем частотном диапазоне от 1 кГц до 6000 МГц. 9 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения активного сопротивления, и может быть использовано в средствах для измерения и контроля неэлектрических величин резистивными датчиками. Микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста Уитстона методом широтно-импульсной модуляции содержит первый резистор 1, второй резистор 2 (он же резистивный датчик), третий резистор 3, четвертый резистор 4, пятый резистор 5, шестой резистор 6, RC-фильтр 7 и микроконтроллер 8. Резисторы 1 и 2 первыми выводами подключены к входу RC-фильтра 7, выход которого подключен к первому входу АК микроконтроллера 8, первый вывод резистора 5 подключен ко второму выводу резистора 2 и к первому выводу резистора 6, второй вывод резистора 5 подключен к выходу ШИМ микроконтроллера 8, первые выводы резисторов 3 и 4 подключены ко второму входу АК микроконтроллера 8, вторые выводы резисторов 1, 3, 4 и 6 подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому дискретным выходам микроконтроллера 8. Технический результат заключается в повышении точности микроконтроллерного измерительного преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к измерительной технике. Техническим результатом заявляемого устройства является повышение точности измерения. Устройство для измерения свойства диэлектрического материала содержит генератор электромагнитных колебаний, первый развязывающий элемент, соединенный выходом со входом фазовращателя, передающую и приемную антенны, детектор, подключенный выходом к блоку обработки информации, и аттенюатор. Для достижения технического результата введены первый и второй волноводные тройники и второй развязывающий элемент, причем выход генератора электромагнитных колебаний соединен с первым плечом первого волноводного тройника, второе плечо которого подключено к входу первого развязывающего элемента, выход фазовращателя через аттенюатор соединен с первым плечом второго волноводного тройника, второе плечо которого подключено к приемной антенне, третье плечо второго волноводного тройника соединено со входом детектора, третье плечо первого волноводного тройника через второй развязывающий элемент соединен с передающей антенной. 1 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано для измерения электрофизических параметров материалов. Технический результат заключается в повышении разрешающей способности до порядка 1 микрометра, а также повышении чувствительности до уровня, достаточного для определения параметров материалов с диэлектрической проницаемостью в диапазоне 1.5÷400 и проводимостью в диапазоне 2·10-2 Oм-1·м-1÷107 Ом-1·м-1.Заявленное устройство содержит СВЧ-генератор с подключенным к нему прямоугольным волноводом, имеющим измерительное устройство с волноводной резонансной системой в качестве оконечного устройства, причем оконечное устройство содержит емкостную металлическую диафрагму, согласно решению на емкостную металлическую диафрагму наложен плоскопараллельный образец диэлектрика с площадью, равной площади фланца волновода, а на образец диэлектрика наложен зонд в виде металлической проволоки с длиной от 12 до 20 мм и диаметром от 0,1 до 0,5 мм с заостренным концом, изогнутым под прямым углом, отрезок зонда большей длины расположен на диэлектрической пластине перпендикулярно щели в диафрагме, отрезок зонда с заостренным концом меньшей длины перпендикулярен плоскости образца диэлектрика, при этом толщина плоскопараллельного образца диэлектрика t выбрана из условия t ε 〈 〈 λ в , где λв - длина волны основного типа в волноводе, ε - диэлектрическая проницаемость пластины. 3 ил., 1 прим. .
Наверх