Емкостный приемник акустических сигналов с тонкопленочным диэлектриком

Растет спрос на гибкие, миниатюрные ультразвуковые преобразователи в приложениях медицинской диагностики и биометрической аутентификации. По сравнению с обычными ультразвуковыми технологиями такие устройства могут соответствовать сложным формам и геометрии, интегрироваться с портативной электроникой, работающей при низком управляющем напряжении, и получать доступ к небольшим апертурам, представляющим интерес для визуализации. Например, миниатюрные устройства ультразвукового преобразователя были бы особенно полезны в технологии ультразвуковой визуализации на основе катетера и облегчили бы разработку формирователей изображения переднего или бокового обзора, в которых преобразователь наматывается на центральную опору диаметром ~ 1 мм.

Различные типы емкостных преобразователей для регистрации смещения и скорости известны, как правило они представляют собой два электрода, между которыми находится либо воздушный промежуток, либо диэлектрические пластины из различных материалов (слюды, фторопласта и т.д.).

К недостатком емкостных преобразователей с воздушным зазором можно отнести невысокую чувствительность, которая, как правило, не превышает 10⁶ В/м и определяется низкой электропрочностью воздушного промежутка [1]; сложностью конструкции, которая возникает из-за необходимости точного выставления и поддержания величины воздушного зазора в самых разных условиях эксплуатации этих датчиков.

В ультразвуковых измерениях емкостные преобразователи с диэлектрическими пластинами (например: из слюды или фторопласта) находят преимущественное применение, поскольку они обладают большей чувствительностью и более удобны в эксплуатации. Однако чувствительность этих преобразователей существенно меняется со временем в результате накопления объемного заряда (из-за миграционной поляризации), создающего обратное поле в диэлектрике [2]. Так, например, чувствительность преобразователя со слюдяной пластиной уменьшается в 20 раз в течение 30 мин. И в дальнейшем монотонно убывает, что не позволяет проводить долговременные измерения. Аналогичные результаты получаются при использовании фторопластовых пленок. Различные методы по предварительной подготовке слюдяных пластинок и фторопласта не устраняют нестабильность преобразователя.

Для устранения отмеченного недостатка желательно в качестве диэлектрика использовать химически чистый материал с несложной структурой. Этим требованиям в полной мере удовлетворяет диэлектрический слой, который получается при анодировании на поверхности алюминия или его сплавов. Оксидные пленки, полученные таким путем, эластичны, износостойки, механически и электрически прочны и составляют с электродом одно целое. Технология получения этих пленок хорошо изучена, проста и доступна [1].

Использование оксидных пленок в качестве диэлектрика емкостного преобразователя позволило создать датчик акустических сигналов, обладающий высокими техническими и эксплуатационными характеристиками. При этом электрод преобразователя изготавливался из алюминия или его сплавов, диэлектрический слой получался анодированием этого электрода, а вторым электродом служил исследуемый объект.

В качестве материала электрода преобразователя использовались сплавы алюминия АД, АМГ-2, АМГ-5. Электрод изготавливался в форме цилиндра диаметром 3, 5, 10, 15, 20 мм и высотой 4 мм. Один из его торцов притирался до 12-го класса чистоты. Анодная пленка на электрод наносилась по широко известной методике [3], пленки выбирались толщиной
(10-20)∙10^-6 м, что связано с тем, что в этом диапазоне толщин они обладают наибольшей электропрочностью при высокой механической прочности [3]. Экспериментальная проверка электропрочности подобных пленок показала, что она равна ~ 30 В/мкм, а в отдельных случаях превышает эту величину в 2-3 раза.

Кроме того, контролировалась величина емкости полученных емкостных преобразователей. Для пленок толщиной d = 20 мкм и диаметра электрода Æ = 3, 5, 10, 20 она составляла соответственно 18, 50, 200, 800 пФ.

Расчет технических характеристик емкостного датчика: рабочей полосы частот, чувствительности, порога чувствительности, динамического диапазона представлены ниже.

1. Полоса рабочих частот, Гц           0-10¹²

2. Чувствительность, В/м                           2 ∙ 10⁸

3. Порог чувствительности, м/Гц1/2          2 ∙  10 ^-19

4. Динамическая диапазон, дБ                   120

Экспериментальные исследования технических характеристик самоустанавливающегося тонкопленочного емкостного датчика проводились на двух установках.  Схема одной из них представлена на рис. 1.

Рис 1. Схема экспериментальной установки для исследования технических характеристик емкостного датчика с тонкопленочным диэлектриком. U₀ - высоковольтный источник тока, R_зар - зарядное сопротивление, r - накопительная линия, P - искровой разрядник, R_Н - согласованная нагрузка, 1 - алюминиевый электрод, 2 - анодная пленка, 3 - исследуемый образец, 4 - приемное устройство.

Акустические импульсы в образце 3 из алюминиевого сплава Д16 толщиной 10 мм возбуждались емкостным преобразователем, состоящим из алюминиевого электрода 1 диаметром Æ = 20 мм с диэлектрическим покрытием 2, и образца 3, являющегося вторым электродом. Источником электрического сигнала служил генератор высоковольтных импульсов, включающий длинную линию с волновым сопротивлением r, нагрузочное сопротивление R_Н = r. Источником постоянного тока U₀ служил высоковольтный блок ВС-22. Зарядное сопротивление R_зар. равнялось 1 МОм. Амплитуда акустического сигнала на свободной поверхности образца достигала величины 2∙10^-9 м и контролировалась оптическим интерферометром 4 [3] с помощью которого количественно оценивались параметры акустического поля. При проведении исследований вместо оптического интерферометра ставился емкостный датчик. Электрический сигнал с приемного датчика подавался на вход усилителя У3-29 с регулируемым коэффициентом усиления, при этом сигнал с интерферометра усиливался в 200 раз, а сигнал с емкостного датчика в 2 раза. Усиленный сигнал визуализировался на осциллографе С1-70, при этом его развертка составляла 1 мкс/см, а чувствительность - 50 мВ/см.

Результаты измерений показали, что уменьшение диаметра электрода с диэлектрическим покрытием от 20 мм до 5 мм не приводит к уменьшению чувствительности. Это позволяет с хорошим приближением использовать емкостный датчик как точечный приемник. Некоторое снижение чувствительности емкостного датчика с диаметром электрода 5 мм обусловлено влиянием входной емкости усилителя. Схема второй экспериментальной установки представлена на рис.2.

Рис.2 Схема экспериментальной установки для исследования технических характеристик емкостного датчика. 1- твердотельный лазер на рубине ОГМ-20; 2- образец; 3- исследуемый емкостный датчик; 4- усилитель УЗ-33; 5- осциллограф С7-10Б.

Акустические импульсы в образце 2 из алюминиевого сплава или кварца возбуждались лучом твердотельного импульсного лазера ОГМ-20 1 работающим либо в режиме активной модуляции добротности, либо в режиме активной синхронизации продольных мод. Количественные оценки параметров акустического поля осуществлялись с помощью оптического интерферометра. Длительность акустических сигналов составляла 3∙10^-8 с и 3∙10^-9 с соответственно, а амплитуда могла меняться от 10 до 200 ангстрем.

Акустические сигналы принимались емкостным датчиком 3, преобразовывались в электрический сигнал, который поступал на вход последовательно включенных усилителей 4 типа У3-33 с коэффициентом усиления 400 и собственными шумами на входе ~ 5∙10^-5 В. Визуализация сигнала осуществлялась на осциллографе 5 типа С7-10Б.

Экспериментальные исследования показали, что чувствительность емкостного преобразователя по смещению имеет величину  = 10⁸ В/м.

Предельный порог чувствительности при этом  определялся шумами приемно-усилительной аппаратуры (подключение емкостного датчика не увеличивает ее шумов) и рассчитывался как , где U_f - спектральная плотность шумов приемно-усилительной аппаратуры, - чувствительность емкостного преобразователя по смещению. При   U_f  = 2,5∙10^-9 В/Гц^1/2,

  = 10⁸ В/м , = 2,5∙10^-17 м/Гц^1/2.

Динамический диапазон при этом составлял ~ 100 дБ.

Особое внимание уделялось исследованию полосы воспроизводимых частот емкостного датчика, которое осуществлялось двумя способами.

Таким образом, можно сделать выводы, что высокие технические характеристики тонкопленочных емкостных преобразователей акустических сигналов предполагают преимущественное их применение при проведении высокоточных акустических измерений в твердых средах. А высокие технические характеристики, бесконтактность, широкополосность, простота процедуры аттестации емкостного приемника с помощью о-тического интерферометра позволяет использовать его при разработке рабочих эталонов и высокоточных рабочих средств для акустических измерений в полосе частот до 1012 Гц.