Влияние полимолекулярной адсорбции воды на параметры акустоэлектронных устройств

В современных радиоэлектронных системах широко применяются акустоэлектронные устройства, которые могут быть подвержены воздействию влажной газовой среды. Основным элементом аку-стоэлектронных устройств является линия задержки, представляющая собой подложку, вырезанную из пьезоэлектрического кристалла, на полированной поверхности которой нанесены два (или больше) встречно-штыревых преобразователя. Влияние температуры и влажности окружающей среды на аку- стоэлектронное устройство является основной причиной, дестабилизирующей ее параметры. Содержание влаги в атмосфере и адсорбционные процессы на поверхности подложки зависят от температуры. В настоящее время влияние температуры в основном изучено. Имеются также работы, в которых исследуются вопросы влияния влажности [1, 2]. Комплексное влияние температуры и влажности на условия распространения поверхностных акустических волн, следовательно, на параметры акусто-электронных устройств практически не изучено.

Под влиянием влажности на поверхности подложки образуется слой адсорбированной воды, параметры которой зависят от температуры и степени влажной парогазовой среды. Совместное влияние температуры и влажности вносит изменения в условия распространения поверхностных акустических волн (ПАВ), что приводит к изменению затухания и скорости акустической волны. Все это выражается в изменении такой важной характеристики акустоэлектронного устройства, как температурный коэффициент времени задержки ζ (ТКЗ), который при отсутствии жидкого слоя имеет следующий вид:

1 ∂ τ 1 ∂ L 1 ∂ V 1 ∂ V ζ =      =       - ^s = α - ^s ,

τ ∂T   L ∂T V ∂T V ∂T где τ – время задержки ПАВ, L – длина звукопровода, Vs – скорость ПАВ. Температурный коэффициент времени задержки включает в себя температурный коэффициент изменения скорости поверхностной волны ∂Vs/(Vs ∂T) и температурный коэффициент линейного расширения α [3].

При взаимодействии поверхностных акустических волн со слоем воды, адсорбированной на поверхности подложки, влияние слоя жидкости на параметры ПАВ сводится к возмущениям условий распространения волны, имеющим механическую A и электрическую B природу [4, 5]. При малой толщине слоя механическую и электрическую природу возмущения условий распространения ПАВ можно учитывать независимо. Выражение связывает относительное изменение скорости ПАВ с толщиной слоя

∆ V         h

-    = ( A + B ) =

V λ

( PfV£ p, V ss

tg θ +

п Ё 2 EpE f ) h ( E p + 1) 2 ) 2

где ρ f и ρ _s – плотность жидкости и твердого тела, соответственно; θ = arccos ( V f / V_s ) - угол, под которым звуковые волны распространяются в жидкости; V f – скорость звука в жидкости; V_s - скорость поверхностной волны; ε p , ε f – относительные диэлектрические проницаемости, соответственно, пьезоэлектрика и жидкости; К – коэффициент электромеханической связи пьезоэлектрика.

Для измерения затухания и скорости ПАВ использовали фазоинтерференционный метод. Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. На излучающий преобразователь 1 ′ линии задержки подается сигнал с выхода генератора высокой частоты 1. Задержанный сигнал с приемного преобразователя 2 ′ поступает на вход усилителя 4. Одновременно на вход усилителя подается сигнал, ослабленный аттенюатором 3, амплитуда которого уменьшена до амплитуды задержанного сигнала. Прямой и задержанный сигналы интерферируют. Суммарный сигнал, пройдя усилитель 4, попадает на вход осциллографа или другого регистрирующего устройства 5 (рис.1). В результате интерференции величина суммарного сигнала зависит, как от соотношения фаз взаимодействующих сигналов, так и соотношения их амплитуд. Баланс амплитуд достигается регулировкой аттенюатора, а баланс фаз перестройкой частоты генератора. Генератор настраивается на частоту интерференционного минимума.

Любое изменение состояния поверхности и приповерхностной области подложки приведет к изменению условий распространения ПАВ. В общем случае изменится скорость и амплитуда ПАВ, следовательно, изменится частота интерференционного минимума. Ее новое значение регистрируется частотомером. Изменение скорости ПАВ определяется из условия ∆ v / v = ∆ f / f , а изменение времени задержки ∂ τ / τ = -∂ f / f . Затухание определяется по величине остаточного, после подстройки частоты минимума, сигнала. Величина изменения затухания определяется аттенюатором.

Измерения производились при следующих условиях: подложка помещалась над поверхностью дважды дистиллированной воды, температура которой 20°С; температура подложки варьировалась в пределах 18–30°С. Измеряемыми акустическими параметрами были изменение затухания ПАВ в результате адсорбции пара и изменение частоты интерференционного минимума, которое пересчитывалось в изменение времени задержки.

f, МГц 43,65

43,64

43 63

43,62

43,61

43,59

43,57

Рис. 2. Зависимость частоты интерференции сигналов ( 1 ) и затухания ПАВ ( 2 ) от температуры подложки, расположенной над поверхностью воды, температура которой 20 ° С, 3 - частотная зависимость, определяемая ТКЗ подложки ( YZ -LiNbO₃)

Частота интерференционного минимума (1 рис. 2) при охлаждении подложки от 30°С вначале достаточно плавно увеличивается, доходит до максимума и затем стремительно уменьшается. Область возрастания занимает больший температурный интервал (около 8°С), а температурный интервал области уменьшения частоты интерференционного минимума чуть больше 2°С. Кривая напоминает параболу в повернутой системе координат с характерным максимумом при ~22°С. На изменение времени задержки оказывают влияние жидкий слой и сама подложка.

Рис. 3. Блок-схема установки для измерения скорости поверхностных акустических волн. 1 - генератор, 2 - усилитель, 3 - осциллограф, 1', 2 ' , 3 ' - встречно-штыревые преобразователи.

На начальном участке охлаждения преимущественное влияние оказывает подложка. В точке максимума, изменение времени задержки, вызванное изменением линейного размера подложки и скорости поверхностной волны в зависимости от температуры, компенсируется изменением скорости ПАВ в результате воздействия слоя. В этом случае ТКЗ линии задержки с адсорбционным слоем равен нулю. При дальнейшем понижении температуры система проходит точку росы, т.е. такую температуру, при которой начинается конденсация. Затухание при наличии пленки конденсата увеличивается в десятки раз.

Толщину адсорбционного слоя при нулевом значении ТКЗ можно определить, приравнивая изменение скорости ПАВ, под влиянием слоя (2) и изменение частоты минимума как проявление температурных коэффициентов самой подложки (1)

λ ⋅∆ T ⋅∂ τ    ζ ⋅ λ ⋅∆ T

h =                   =              .

^m τ ⋅ ( A + B ) ⋅∂ T ( A + B )

Относительное давление пара связанно с изменение температуры уравнением Клайперона – Клаузиуса.

H ∆ T ^,

R T ²

H T - T ln ϕ =        ^{1    2}

R   T ₁ T ₂

где Н – скрытая теплота испарения воды , R – газовая постоянная, ϕ – относительная влажность.

Таким образом, используя уравнение Клайперона – Клаузиуса и уравнение (3), можно определить толщину адсорбционного слоя воды, при некоторой величине относительного давления пара. Найденное таким образом значение толщины может служить в качестве реперной точки, что позволяет прокалибровать изотерму адсорбции, построенную из зависимости относительного изменения скорости ПАВ от степени влажности. При изменении температуры подложки происходит изменение времени задержки и толщины адсорбционного слоя. Скорость ПАВ в слоистой структуре также зависит от температуры подложки и толщины адсорбционного слоя. В результате, при некоторой толщине адсорбционного слоя изменение температурного коэффициента времени задержки самой подложки компенсируется изменением скорости ПАВ в слоистой структуре и имеет место нулевое ТКЗ.

Наличие нулевого ТКЗ в системе «адсорбированная вода – ниобат лития» является замечательным свойством рассматриваемой слоистой системы. Так как позволяет точно определить толщину адсорбционного слоя, определенного при температуре, соответствующей нулевому ТКЗ.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ ( проект 08-02-98006, 08-02-98008_ р _ сибирь _ а ).