Акустооптические устройства и их применение - Магдич Л.Н.
Скачать (прямая ссылка):
6. Изготовление пьезопреобразователей
6.1. Холодная диффузионная сварка в вакууме
В последнее время разработаны пьезоэлектрики, обладающие высокими пьезоэлектрическими и механическими свойствами, что позволяет использовать их для изготовления эффективных ультразвуковых пьезопреобразователей. Наибольшее распространение из пьезоматериалов получил ниобат лития LiNbOa, преобразова-
93
тели из которого в настоящее время полностью вытеснили пленочные преобразователи, получаемые распылением в вакууме.
Конструктивно такие преобразователи представляют собой тонкие, соответствующим образом ориен/гиро-ванные пластинки ниобата лития, присоединенные/с помощью связующего слоя к поверхности звукопров(Ьда.
Технология изготовления широкополосного преобразователя с малыми потерями определяется свойствами материалов пьезокристалла и связующего слоя; и их геометрией. Желательно использовать относительно толстые пластинки пьезокристалла, которые тем или иным способом соединяются со звукопроводом, и затем последующей шлифовкой и полировкой доводить их до необходимой толщины. Такая процедура общепринята, так как толщина пластинки пьезопреобразователя, работающего на основной гармонике, равна половине длины звуковой волны в пьезокристалле и для преобразователя, работающего на частотах порядка 1 ГГц, не превышает нескольких микрон.
Наиболее существенным этапом в изготовлении преобразователя является соединение пластинки пьезокристалла со звукопроводом. Слой связующего материала вносит дополнительные потери и приводит к акустическому рассогласованию, что в конечном счете ведет к сокращению рабочей полосы частот. Влияние связующего слоя на частотную характеристику преобразователя можно уменьшить, понижая его толщину и выбирая для этой цели подходящие материалы и соответствующую технологию.
Среди различных способов соединения пьезокристалла со звукопроводом наиболее перспективным представляется вакуумная сварка, использующая в качестве связующего материала индий [61, 62]. Холодная сварка обладает рядом преимуществ перед другими способами соединения. Клеевые соединения достаточно эффективны, но обеспечивают необходимую полосу только на низких частотах (до 100 МГц). Их единственное преимущество перед индиевым соединением-низкая стоимость, связанная с отсутствием вакуумной технологии.
Определенного внимания заслуживает ультразвуковая термическая сварка (термокомпрессия) [63], обеспечивающая малые потери на преобразование. Однако она рассчитана на соединение материалов с незначитед^-
94
ной разницей в коэффициентах линейного расширений. В пртгивном случае при охлаждении изготовленного преобразователя до комнатной температуры возможно его разрушение. Холодная сварка этими недостатками не обладает. Пьезопреобразователи, изготовленные с ее помошкю, сохраняют достаточно высокую эффективность широкополосность до частот ^1-2 ГГц.
Изьестно, что коэффициент поглощения ультразвука в индии достаточно высок [63]. Кроме того, • акустический импеданс piV\ индия, равный p1t/i=16,4-105 г/см2-с, в два \раза меньше акустического импеданса ниобата лития, для которого р2^2=33,4• 105 г/см2*с. Эти обстоятельства обусловливают стремление иметь возможно более тонкий связующий слой индия. С другой стороны, уменьшение толщины связующего слоя ограничивается ухудшением акустического контакта и механической прочности преобразователя. Установлено, что минимальная толщина слоя индия составляет 0,4-0,8 мкм. Дальнейшее уменьшение его толщины не обеспечивает хорошего акустического контакта. В некоторых случаях для обеспечения необходимого согласования со звукопрово-дом толщина индиевого слоя выбирается равной четверти длины звуковой волны. Следует отметить, что при использовании индия весь процесс необходимо осуществлять в вакууме, так как образование окисного слоя препятствует получению качественной сварки.
Недостатком тонких пленок индия является малая электропроводность и низкая механическая прочность, что затрудняет их непосредственное использование в качестве одного из электродов в системе возбуждения преобразователя. Для устранения этих недостатков используется соединение из последовательно наносимых слоев золота и индия [62].
Подготовленные таким образом поверхности преобразователя и звукопровода приводятся в соприкосновение и спрессовываются под давлением в несколько сотен атмосфер.
Типичный преобразователь, возбуждающий продольную акустическую волну, изготовленный по приведенной методике на частоту 300 МГц, изображен на рис. 6.1. Звукопроводом служил монокристаллический германий. Ориентация кристаллов ниобата лития и германия показана на рисунке. Там же показаны размеры, характеризующие толщины пластинки ниобата лития и слоев зо-
95
лота и индия. После изготовления на поверхность пьезокристалла напыляется слой серебра с хрсжом, выполняющий роль второго электрода.
На рис. 6.2 приведена экспериментальная частотная зависимость потерь на двойное преобразование для это-
30°
Ш /
Ge
-
> 1 § ^ V о
Аи 0,2мкм -Гп 0,45мкм In 0,45мим
