Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 1 05;07;08 Поляризационный эффект в кристаллах лангасита й И.А. Андреев Всероссийский научный центр ДГосударственный оптический институт им. С.И. ВавиловаУ, 199034 Санкт-Петербург, Россия e-mail: andi.17@bk.ru (Поступило в Редакцию 31 января 2005 г. В окончательной редакции 23 мая 2005 г.) Изменение частоты резонанса пьезоэлектрических резонаторов, вызванное приложенным постоянным электрическим полем, изучено на продольных колебаниях стержней кристалла лангасита La3Ga5SiO14 в интервале температур от 60 до +80С. Для стержней с направлением длины, составляющей угол с кристаллографической осью [1010] в плоскости осей [1010] и [0001], изменение частоты пропорционально напряженности поля и зависит от угла. При поле 1 106 V/m и угле +15 относительное изменение частоты равно 120 10-6. Показано, что по совокупности физических параметров кристаллы La3Ga5SiO14 являются наиболее эффективным материалом для создания акустоэлектронных устройств, управляемых электрическим полем или работающих на эффекте нелинейного взаимодействия акустических волн.

PACS: 72.20.Jv Введение щинно-сдвиговых резонаторов Y-срезов лангасита до 100 тыс. [13], в 1986 г. было обнаружено влияние постоянного электрического поля на частоту резонансВлияние постоянного электрического поля на частоту ных продольных колебаний резонаторов XYs/-срезов резонансных колебаний или фазовую скорость упругих ЛГС [14,15].

волн в пьезоэлектрических кристаллах позволяет определить нелинейные свойства кристаллов и используется в различных пьезо- и акустоэлектронных устройствах Ч Интерпретация поляризационного резонаторах и линиях задержки с перестройкой параэффекта метров, генераторах гармоник, смесителях, фазовращателях, параметрических усилителях и датчиках [1,2].

При приложении постоянного (поляризующего) поля Приоритет в обнаружении поляризационного эффек3 к возбуждающим электродам сдвиг резонансной чата Ч влияния поля на резонансную частоту пьезоэлекстоты механических продольных колебаний пьезоэлектрических кварцевых резонаторов контурных колебаний трического резонатора в виде бруска обусловлен изменеGT -среза принадлежит Толману [3]. Хрушка первый иснием размеров образца за счет обратного пьезоэффекта следовал эффект на кварцевых резонаторах продольных и изменением эффективной упругой податливости за колебаний различных ориентаций и пришел к выводу, счет нелинейного пьезоэффекта. В системе координат, что эффект нельзя объяснить изменением линейных связанной с ребрами бруска (рис. 1), относительное размеров резонаторов за счет обратного пьезоэффекта и изменение резонансной частоты f / f имеет вид [4] электрострикции, но необходимо учитывать изменение от поля упругих постоянных кристалла за счет нелиней- f 1 g = (d322 + d333 - d111) - 3, (1) ного пьезоэффекта [4].

f 2 s Поиск новых пьезоэлектрических монокристаллов, согде di jk Ч пьезомодули, s 1111 Ч упругая податливость четающих в себе сильную зависимость упругости от в направлении длины кристалла, g 11113 Ч коэффициент электрического поля, малые акустические потери и слаполяризационной поправки, компонента тензора пятого бую зависимость упругости от температуры, является ранга, симметричного по двум парам индексов и по актуальным направлением акусто- и пьезоэлектроники.

перестановке пар.

К 1986 г. было исследовано более десяти пьезокристаллов [5Ц11], но ни один кристалл не обладал совокупностью указанных свойств. Кристаллы имели большие акустические потери (ADP, KDP, LiIO3) или сильную зависимость упругости от температуры (LiNbO3, Cd2(MoO4)3, Bi12SiO20, Bi12GeO20), либо слабую зависимость упругости от электрического поля (-кварц, LiTaO3).

После обнаружения автором в 1983 г. термостабильных упругих свойств кристалла лангасита La3Ga5SiO14 Рис. 1. Установка пьезоэлектрического резонатора в системе (ЛГС) [12] и высокой акустической добротности тол- координат, связанной с ребрами стержня.

Поляризационный эффект в кристаллах лангасита Позже было показано [16], что коэффициенты g, представляющие изменения упругой податливости, обусловленные геометрической нелинейностью среды, не подчиняются материальной симметрии компонент тензора пятого ранга. Для получения точной ориентационной зависимости поляризационного эффекта необходимо учитывать не только влияние физической нелинейности, но и геометрическую нелинейность как следствие статически деформированного состояния кристалла.

При термодинамическом рассмотрении поперечного поляризационного эффекта уравнение состояния пьезоэлектрического резонатора в слабом возбуждающем переменном поле как механической системы имеет вид [8] eff 1 = s eff 1 + d31 3, Рис. 2. Форма и кристаллографическая ориентация исследуе ef ef D 3 = d31 f 1 + 33 f 3, (2) мых образцов ЛГС.

где ds ef f = s E 1 + 3, Эксперимент S E В данной работе исследовалась зависимость частоQ ef d31 f = d31 1 + 3, ты последовательного резонанса резонаторов ЛГС от dвнешнего приложенного поля E. Изучался поперечный поляризационный эффект (т. е. направление приложен ef 33 f = 33 1 + ного поля совпадало с направлением слабого возбуждающего переменного поля и было перпендикулярно Ч эффективная упругая податливость, пьезомодуль и направлению длины пьезоэлектрического резонатора).

диэлектрическая проницаемость кристалла, d311, 333 и Исследовались 15 резонаторов ЛГС трех ориентаций:

Q 31 Ч нелинейные пьезоэлектрические, диэлектриче- XYs/0, XYs/+10 и XYs/+15. Резонаторы имели чаские и электрострикционные коэффициенты;, D и Ч стоту продольных колебаний 115 kHz при размерах деформация, индукция и механическое напряжение. 20 mm по оси Y (направление [1010]); 3.5 mm по оси Z Фазовая скорость v продольных волн вдоль длины (направление [0001]) и 0.5 mm по оси X (направление [1120]) (рис. 2). Погрешность геометрии образцов не элемента пьезорезонатора может быть записана в виде более 10-2 mm, погрешность ориентации не более V () =1/s ef f, (3) 15 угловых минут. При металлизации YZ-граней пластин никелем резонаторы имели механическую добротность где плотность кристалла = 0[1 - (d31 + d32 + d33)3], не менее 3 104. Образцы ЛГС включались в схему техa 0 Ч плотность кристалла при E = 0. Тогда уравнение нологического генератора ТГК-1, работающего в режидвижения стержня может быть записано в виде ме последовательного резонанса, через разделительные конденсаторы по 4 F для защиты генератора от высоких напряжений до 750 V. Измерения проводились в ин - V () 1 = 0, (4) тервале температур от 60 до +80C. Чувствительность где 1 Ч гармоническая составляющая механиче- к относительному изменению частоты составляла 10-2 ского смещения, а V () =V [1 +(d31 + d32 + d33 - при времени измерения 10 c. Мощность переменного возбуждающего сигнала, рассеиваемая на резонаторах, -d311/s E)3].

не превышала 0.1 mW.

Из (4) видно, что частота механического резонанса f стержня зависит от поля Результаты d32 + d33 - d31 1 df (3) = f 1 + - 2 2 s E 1. Поляризационный эффект в резонаторах ЛГС при температуре +20C = f (1 + 3), (5) Обнаружено, что изменение частоты продольных когде Ч коэффициент электростатического управления лебаний в тонких пьезоэлектрических стержнях кричастотой резонатора. сталлов ЛГС является линeйной функцией прилоЖурнал технической физики, 2006, том 76, вып. 126 И.А. Андреев женного постоянного поля. Эффект достаточно велик и при напряжении на электродах стержней до 750 V (т. е. в электрических полях напряженностью до 1.5 106 V/m) достигает значения 120 10-6 для стержней с ориентацией XYs/ + 15 (рис. 3). Ориентационная зависимость поляризационного эффекта продольной моды в стержнях ЛГС выражена значительно Ч изменение направления распространения продольной моды на 15 вызывает увеличение поперечно f го поляризационного эффекта = в 4 раза, от E f 20 10-12 m/V до 80 10-12 m/V.

2. Влияние температуры на поляризационный эффект в резонаторах ЛГС Обнаружено, что изменение температуры резонаторов в интервале от -60 до +80C приводит к изменению величины поляризационного эффекта различному для стержней с разной ориентацией (рис. 4).

Температурная зависимость поляризационного эффек та, определяемая коэффициентом = , достаточ T но мала и в зависимости от угла принимает значения от -2 до -5 10-5.

Наблюдаемая линейная зависимость поляризационного эффекта в ЛГС от температуры является доказательством того, что в эффект кроме зависимости эффективной упругой податливости от поля вносят вклад и зависимости от поля пьезомодулей и диэлектрической проницаемости. В частности, в стержнях XYs/0 - +температурная зависимость частоты продольной моды Рис. 3. Линейная зависимость относительного изменения не является линейной, а описывается параболой второго частоты f / f в постоянном электрическом поле напряженпорядка с экстремумом при 10-30C [15].

ностью E для трех ориентаций стержней ЛГС, совершающих Подобное изменение с температурой коэффициента колебания сжатияЦрастяжения по длине.

управляемости частотой, пропорционального эффективному нелинейному пьезомодулю 1 f di jk = 2(sE ) d31 - f Eнаблюдалось ранее для продольной моды в кристаллах KDP и NaNH4SeO4 2H2O [18], но температурная зависимость поляризационного эффекта в исследованных кристаллах выражена на порядки сильнее, чем в кристаллах ЛГС.

Эффективность ЛГС в управляемых и нелинейных устройствах акустоэлектроники Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы: обнаруженная сильная зависимость упругих свойств ЛГС от поля вместе с малым внутренним трением и наличием кристаллографических ориентаций ЛГС с нулевым ТКЧ для продольных и толщинных мод делает кристаллы ЛГС наиболее перспективными Рис. 4. Линейная зависимость относительного изменения средами для управляемых и нелинейных устройств акукоэффициента управления частотой / в интервале темпестоэлектроники. После работы [14] зависимость упругих ратур для трех ориентаций XYs/0, XYs/ + 10 и XYs/ + 15.

свойств ЛГС от поля исследовалась в [17,18]. Авторами Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Поляризационный эффект в кристаллах лангасита Параметры кристаллов для управляемой и нелинейной акустовисмута является большое затухание звука и значительэлектроники ная отрицательная величина всех температурных коэффициентов первого порядка упругих модулей, поэтому Показатель LiNbO3 Bi12SiO20 La3Ga5SiOу Bi12SiO20 отсутствуют сечения с нулевыми темпераТип волны L L S L S турными коэффициентами скорости распространения и Направление рас- [001] [110] [210] [010] [100] времени задержки ОАВ и ПАВ (TKC = -1.5 10-4/C).

пространения ОАВ Кристаллы ЛГС, имея коэффициент управления знаНаправление поля- [001] [110] [120] [010] чительно больший, чем у LiNbO3 и сравнимый с ризации ОАВ Bi12SiO20, в силу малого акустического затухания и Направление [100] [100] [001] [100] [100] наличия ориентации с нулевым TKC являются более поля E предпочтительными для создания управляемых пьезо, 1011 m/V 5 15 14 8 10[17] электронных устройств. Основные параметры кристалg, C/m2 4 16 7 5[17] лов LiNbO3, Bi12SiO20 и La3Ga5SiO14 приведены в табQ2, 1012 m3/J 0.7 80 7 лице.

ТКЧ, 10-6/C -80 -150 -100 0 первого порядка 2. Кристаллы для нелинейных устройств Затухание, dB/cmGHz2 04 4 6 0.5 акустоэлектроники Скорость звука, km/s 7.1 3.3 2.0 5.7 2.Эффективность нелинейных взаимодействий акустичеПлотность 4.7 9.2 5.ских волн в акустоэлектронных устройствах определяеткристалла, (g/cm3) ся нелинейными свойствами пьезоэлектрического криДиэлектрическая 40 36 сталла Ч звукопровода. В соответствии с уравнением проницаемость, движения для волны деформации S в пьезоэлектрике во внешнем электрическом поле [4] при переменном поле имеет место параметрическое взаимодействие упругой волны S с электрическим полем накачки EH. При равенработы [17] было обнаружено, что скорость сдвиговой стве частоты поля накачки удовенной частоте упругой моды вдоль направления [100] в ЛГС зависит от поля в волны наступает параметрический резонанс, вследбольшей степени, чем скорости продольных мод, а полу1 V ствие чего в результате взаимодействия генерируется ченное значение = = 108 10-12 m/V является E V упругая волна S2 той же частоты, направленная рекордным для кристаллов с малым затуханием звука.

навстречу волне S. При определенной мощности сигнала 1. Управляемые полем устройства акуснакачки наблюдается усиление волны S. Oтношение тоэлектроники мощностей исходной и обратной волны P2/P1 проВ акустоэлектронике зависимость упругих свойств от порционально эффективности параметрического взаинапряженности электрического поля используeтся при модействия Q2 определяемой комбинацией физических создании резонаторов, фильтров и линий задержки на параметров кристалла Q2 = g2/c2 [19], где c Чмодуль объемах упругих волнах (ОАВ) и на поверхностных упругости.

упругих волнах (ПАВ).

В таблице приведена оценка параметров g и Q криИзменение времени задержки управляемой полем сталлов LiNbO3, Bi12SiO20 и La3Ga5SiO14. Из данных линии задержки или изменение фазы фазовращателя на таблицы видно, что по совокупности таких параметров, ОАВ или ПАВ определяется соотношением как эффективность параметрического взаимодействия, t малое поглощение звука и высокая температурная ста= = - .

бильность, кристаллы лангасита являются перспективt0 ной средой для реализации нелинейных акустоэлекДо 1986 г. два кристалла Ч ниобат лития (LiNbO3) и тронных устройств, особенно в диапазоне частот выше силикат висмута (Bi12SiO20) рассматривались как среды 100 MHz.

для создания управляемых полем устройств акустоэлектроники. В фазовращателе на LiNbO3 с использованием ПАВ частотой 40 MHz при длине кристалла 1 cm и на- Заключение пряженности электрического поля 8 106 V/m достигнут фазовый сдвиг = 16. Оценка параметров фазовра- Проведенные исследования показали несомненную щателя на ОАВ частотой 40 MHz с использованием си- актуальность разработки и исследований пьезоэлекликата висмута Bi12SiO20 длиной 1 cm и поле 8 106 V/m трических кристаллов лангасита. Наиболее интересговорит о достижении фазового сдвига = 80 [11]. ные и принципиально важные результаты могут быть Поскольку абсолютный и относительный фазовый получены при исследовании нелинейных электромесдвиг пропорционален рабочей частоте, то для достиже- ханических свойств кристаллов, изоморфных лангасиния максимально необходимого фазового сдвига 0-180 ту, но имеющих упорядоченную структуру и поэтому необходимо увеличивать рабочую частоту и (или) на- очень малые акустические потери, например кристаллов пряженность управляющего поля. Недостатком силиката Ca3NbGa3Si2O14 и Ca3TaGa3Si2O14 [20].

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 128 И.А. Андреев Автор искренне благодарит профессора А.А. Бережного за полезные критические замечания по данной работе, специалиста ОАО ДМорионУ Г.И. Надточий за возможность изучения работ [18,20].

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам