Please download to get full document.

View again

of 35
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.

О. Л. Балышева. Учебное пособие

Category:

Paintings & Photography

Publish on:

Views: 0 | Pages: 35

Extension: PDF | Download: 0

Share
Related documents
Description
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ О.
Transcript
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ О. Л. Балышева МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ Учебное пособие Санкт-Петербург УДК (075) ББК 32.87я73 Б21 Балышева, О. Л. Б21 Материалы для акустоэлектронных устройств: учеб. пособие / О. Л. Балышева; ГУАП. СПб., с.: ил. Рассмотрены типы и характеристики материалов для акустоэлектронных устройств. Приведены основные требования, определяющие выбор материала при проектировании; перечислены основные параметры материалов и показана их связь с техническими характеристиками реализуемых устройств. Проведен сравнительный анализ материалов, используемых в современных устройствах. Пособие предназначено для студентов, изучающих курсы «Акустоэлектронные устройства», «Элементы акустоэлектронных устройств», «Проектирование акустоэлектронных устройств», «Интегральные устройства радиоэлектроники», а также курсового и дипломного проектирования. Рецензенты: кафедра теоретических основ радиотехники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (зав. кафедры доктор технических наук профессор В. Н. Ушаков); кандидат технических наук доцент Б. Н. Пирогов (ген. директор ЗАО «РОСИЗОЛИТ») Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения», АЭУ ВШП ЛЧМ КННБ КЭМС ТКЗ ТКС ТКЧ ОС ПАВ ЦТС акустоэлектронное устройство встречно-штыревой преобразователь линейная частотная модуляция калий-натрий-ниобат коэффициент электромеханической связи температурный коэффициент задержки температурный коэффициент скорости температурный коэффициент частоты отражательная структура поверхностная акустическая волна цирконат-титанат свинца 3 4 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время акустоэлектроника является одним из активно развивающихся направлений функциональной электроники. В основе работы устройств функциональной электроники лежат физические явления в различных средах. Акустоэлектроника изучает вопросы, связанные с возбуждением, распространением и приемом акустических волн в твердых телах, а также принципы построения устройств для обработки информации. Исходя из типа используемых акустических волн, различают устройства на объемных, поверхностных и приповерхностных акустических волнах. Наибольшее распространение для обработки сигналов имеют поверхностные акустические волны (ПАВ). ПАВ существуют на поверхности твердого тела, их энергия сосредоточена в тонком, сравнимом с длиной волны, слое поверхности. Устройства на ПАВ занимают одну из ключевых позиций в оборудовании современных радиотехнических систем. Чрезвычайно широкое распространение они получили в последние годы в телекоммуникационных системах, в частности в системах мобильной сотовой связи. Потребность в устройствах на ПАВ обусловлена такими их преимуществами, как: широкая номенклатура операций по обработке сигналов, реализация заданных технических характеристик с высокой точностью, очень малый вес и габариты, отсутствие энергопотребления, высокая надежность и стабильность параметров в процессе эксплуатации, хорошая повторяемость характеристик, совместимость технологии изготовления с технологией изготовления микросхем и микросборок. К недостаткам устройств на ПАВ можно отнести достаточно высокую стоимость изготовления, жесткие требования к технологии изготовления и относительно высокие вносимые потери. С учетом современного уровня технологии изготовления микроэлектронной аппаратуры и массового производства акустоэлектронных компонентов (их ежегодный выпуск составляет сотни миллионов штук) стоимость изготовления постоянно снижается. Для уменьшения вносимых потерь существуют и постоянно разрабатываются новые специальные конструкции устройств, поэтому этот недостаток также может быть преодолен. Отмеченные недостатки несоизмеримы с достоинствами устройств на ПАВ и их применение часто наиболее выгодный, а иногда и единственно возможный способ реализации заданных технических характеристик. Рабочий диапазон частот устройств на ПАВ составляет от 3 10 МГц до 3ГГц, а значение относительной ширины полосы пропускания 0,01 100%. Используя последние достижения технологии и специально разработанные конструктивные решения, удалось поднять верхнюю границу частотного диапазона до 5 ГГц и выше. Особенностью ПАВ-устройств является совмещение функций преобразования электрической энергии в акустическую (и обратно) и различных изменений ПАВ в одном конструктивном элементе подложке. В качестве среды распространения волн используются пьезоэлектрические твердые тела, т. е. среды, в которых возможен пьезоэлектрический эффект. Поэтому важным этапом проектирования акустоэлектронных устройств является выбор пьезоэлектрического материала. Этот этап очень важен, так как от свойств среды зависят характеристики распространяющихся в ней акустических волн и, следовательно, технические характеристики устройств. Пьезоэлектрические материалы, используемые для акустоэлектронных устройств, можно разделить на три группы [1]: синтетические монокристаллы, пьезоэлектрические керамические материалы, тонкие моно- или поликристаллические пленки. Для монокристаллов характерно высокое постоянство всех материальных констант, обусловленное совершенной кристаллической структурой. Монокристаллы очень мало подвержены эффектам старения. Однако монокристаллы дорогие и имеют небольшие размеры. Пьезоэлектрические керамические материалы имеют поликристаллическую структуру, образованную хаотически ориентированными кристаллитами. Материальные константы пьезокерамики обладают значительной дисперсией, а пьезоэлектрические свойства проявляются только после поляризации за счет упорядочивания структуры материала. Со временем возможно проявление деполяризационных процессов, приводящих к изменениям пьезоэлектрических и других свойств. Пьезокерамика значительно больше, по сравнению с монокристаллами, подвержена эффектам старения. Достоинствами пьезокерамики служит меньшая стоимость и большие размеры подложек. Компромиссное положение между достоинствами и недостатками монокристаллов и пьезокерамики занимают так называемые слоистые структуры, обычно представляющие собой тонкие пленки, нанесенные на поверхность подложки. Тонкие моно- или поликристаллические пьезоэлектрические пленки могут наносить- 5 ся на пьезоэлектрическую или непьезоэлектрическую подложку. Структура пленок, их физические свойства и стабильность параметров связаны с технологией получения пленок. Несмотря на возможность управления параметрами акустических волн в таких структурах, акустоэлектронные устройства (АЭУ) с применением пленок не получили широкого распространения. Это связано, прежде всего, с трудностями теоретического исследования распространения волн в слоистых средах и технологическими сложностями при изготовлении устройств. В данном пособии сделана попытка обобщить основные сведения о пьезоэлектрических материалах, перечислить их основные характеристики с точки зрения применения их в АЭУ. Отмечена взаимосвязь параметров материалов и технических характеристик реализуемых устройств. Выполнен обзор материалов, применяемых в АЭУ в настоящее время. Особое внимание уделено активно исследуемым в последнее время перспективным кварцеподобным кристаллам (таким, как лангасит, ланганит, лангатат и др.). 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АЭУ Акустоэлектронные устройства состоят из пьезоэлектрической подложки (звукопровода) с нанесенными на ее поверхность металлическими электродами и другими элементами [1 4] (рис. 1). Устройства изготавливаются по планарной технологии, металлические структуры наносятся на поверхность подложки с помощью методов фотолитографии [2, 3]. Готовые устройства запаковываются в корпуса и размещаются на печатной плате с помощью стандартной технологии монтажа интегральных схем. Входной преобразователь Выходной преобразователь Вход ПАВ Выход Пьезоэлектрическая подложка Акустический поглотитель Рис. 1. Акустоэлектронное устройство 6 Функционирование ПАВ-устройств основано на явлениях возбуждения, распространения, отражения и приема акустических волн, существующих в тонком (соизмеримом с длиной волны) слое поверхности звукопровода. Характеристики устройства определяются физическими параметрами материала подложки и расположенными на поверхности подложки элементами, образующими топологию. Поэтому для разработки нового устройства, прежде всего, необходимо выбрать материал подложки и рассчитать топологию. Основными элементами устройств на ПАВ являются подложка и топологические элементы: преобразователи ПАВ; отражательные структуры (ОС); многополосковые ответвители (МПО); акустические поглотители. Подложка устройства является одновременно и звукопроводом, и частью преобразователей ПАВ, и несущим элементом конструкции. Выбор материала подложки осуществляется на одном из первых этапов проектирования устройств на ПАВ. В качестве подложки устройств на ПАВ могут использоваться различные срезы монокристаллов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом, пьезокерамика и тонкопленочные структуры. Преобразователи ПАВ выполняют функцию возбуждения и приема акустических волн, т. е. обеспечивают преобразование электрической энергии в акустическую и обратно за счет обратного и прямого пьезоэлектрического эффекта. Преобразователь ПАВ представляет собой систему расположенных на подложке металлических электродов. Расстояние между электродами выбирается исходя из длины возбуждаемой или принимаемой преобразователем акустической волны. Электроды определенным образом подключаются к возбуждающему генератору (во входном преобразователе) или к нагрузке (в выходном преобразователе). В АЭУ, изображенном на рис. 1, в качестве входного и выходного преобразователей используются двухфазные эквидистантные (с равномерным шагом электродов) встречно-штыревые преобразователи (ВШП). Отражательные структуры предназначены для отражения и преломления волн и часто используются для изменения траектории распространения волн. Отражателями ПАВ служат любые неровности и неоднородности поверхности подложки. Контролируемое отражение волн обеспечивается применением систем пространственно распределенных отражателей, расстояние между которыми согласовано с длиной акустических волн. Наибольшее распространение получили отражатели в виде металлических электродов или канавок. 7 Многополосковые ответвители обеспечивают смещение и разделение акустических потоков. Акустические поглотители обеспечивают гашение волн, чаще всего на границах подложки. 2. ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ ПОДЛОЖЕК АЭУ Требования к материалам подложек можно разделить на общие (как к несущему элементу конструкции) и на требования, предъявляемые исходя из физического принципа действия. Среди общих требований можно выделить следующие. Подложка должна быть механически прочной и сохранять свои свойства в широком диапазоне изменения температуры, влажности, вибрации и т. п. Учитывая технологию изготовления ПАВ-устройств, материал подложки, во-первых, должен допускать возможности его механической обработки (резки на пластины, шлифовки, полировки); во-вторых, должен быть химически нейтральным к реактивам, используемым в процессе изготовления металлических электродных структур. Кроме того, важным (особенно с точки зрения массового изготовления устройств) является свойство повторяемости характеристик материалов от образца к образцу и отработанная технология получения подложек больших размеров. Как среда распространения волн материал должен быть однородным, с малым поглощением акустических волн (что особенно важно при работе на высоких частотах), являться эффективным пьезоэлектриком и иметь малую диэлекрическую проницаемость, а также обеспечивать термостабильную работу устройства. Толщина подложки должна быть много больше длины волны, поэтому на низких частотах (менее 3 МГц) резко возрастают габариты и стоимость требуемых подложек [5]. Очевидно, что список требований достаточно велик и подобрать материалы, удовлетворяющие всем требованиям, практически невозможно. Как обычно, в таком случае выбор осуществляется исходя из некоторого компромисса. 3. ОБОЗНАЧЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ И ИХ СРЕЗОВ Поскольку пьезоэлектрические материалы, обычно применяемые в качестве подложек АЭУ, существенно анизотропны, то необходимо указывать не только сам материал, но и выбранный срез и направление распространения акустических волн. В отличие от изотропных материалов, в анизотропных существует зависимость свойств среды от направления. В АЭУ чаще используются различные синтетические монокристаллы. Характеристики распростра- 8 нения волн зависят не только от вида кристалла, но и от выбранного кристаллографического среза (т. е. ориентации плоскости, в которой распространяется волна, по отношению к граням кристалла) и направления распространения волн. В литературе можно встретить несколько способов обозначения срезов кристаллов и направления распространения волн и возможны некоторые трудности с идентификацией материалов. Поэтому целесообразно рассмотреть возможные обозначения. Для обозначения срезов монокристаллов применяется система декартовых координат, привязанная к идеализированным кристаллам [1]. В самом простом случае срез (называемый стандартным) может совпадать с плоскостью, определяемой двумя осями координат, и может быть задан с помощью одной буквы X, Y или Z (например, Y-срез это срез, выполненный в плоскости XZ, нормаль к которой совпадает с осью Y). Направление распространения волн может указываться отдельно. В общем случае могут использоваться так называемые повернутые срезы. Для обозначения нестандартных срезов может указываться только один угол поворота относительно одной из кристаллографических осей [6]. Например, повернутый на угол 128 Y-срез ниобата лития с направлением распространения волны вдоль оси X часто обозначается как 128 YX-LiNbO 3. Это значит, что срез выполнен в плоскости, повернутой на 128 относительно стандартногоy-среза вокруг оси X. Повернутый на 112 X-срез танталата лития обозначается часто как X 112 Y LiTaO 3 это означает, что выбранное направление распространения волн в X-срезе повернуто вокруг оси X на угол 112, отсчитанный от оси Y. Универсальным способом задания среза монокристалла и направления распространения волны является применение так называемых углов Эйлера ( ) [6 8]. На рис. 2, а, б изображена правая система координат (X, Y, Z) для определения углов Эйлера и пластина, вырезанная в плоскости XY. Нормаль к пластине совпадает с осью Z. Пусть волна распространяется вдоль направления N. На рис. 2, а волна распространяется в плоскости XY в направлении, совпадающем с осью X Первый угол Эйлера определяет угол между осью X и направлением распространения волны N. В этом случае срез обозначается как (, 0, 0 ) и называется неповернутым или стандартным срезом. Если срез выполнен в плоскости X Y, нормаль к которой (Z ) имеет угол и к оси Z (рис. 2, б), то говорят о повернутом срезе. При этом если волна попрежнему распространяется вдоль оси X то срез обозначается 9 а) Z Y X Ф X (N) б) Y Z Z X Ф N Y X Рис. 2. К определению углов Эйлера 10 как, 0,, при этом угол = 0. Если волна распространяется в плоскости X Y в направлении N, образующем угол с осью X, то срез обозначается тремя углами Эйлера ( ) и называется двухповоротным срезом [17]. Так, например, широко используемый YZ-срез LiNbO 3 (или по-другому Y-срез) с распространением волны вдоль оси Z обозначается с помощью углов Эйлера как (0, 90, 90 ) (рис. 3), а срез ниобата лития 128 -YX имеет обозначение (0;90;128 ). Соответственно пластины стандартных срезов с произвольным направлением распространения волны в плоскости пластин будут иметь следующие обозначения через углы Эйлера: Z-срез (, 0, 0 ), Y-срез (0,, 0 ), X-срез (90,, 90 ). Углы и задаются на стадии изготовления подложки, от точности их задания зависят характеристики устройства и его стоимость. В нашей стране для идентификации подложек из монокристаллов в виде прямоугольных пластин используется еще одно условное обозначение [9]. Вводится понятие «первоначальная ориентация кристаллического элемента». За первоначальную ориентацию принято такое расположение прямоугольной пластины монокристалла, при котором все ее грани (ребра) параллельны координатным осям. Направление распространения Z YZ-LiNbO 3 (0 90;90 ) Ф = 0 = 90 Y = 90 X Рис. 3. XY-срез ниобата лития 11 а) XY-срез б) XZ-срез Z Z s s l b Y Y X l X b в) YX-срез г) YXl/+ Z Z b Y Y X l s X Рис. 4. Первоначальные ориентации кристаллических прямоугольных пластин XY-среза (а), XZ-среза (б), YX-среза (в) и повернутый срез YXl/+ (г) Условное обозначение первоначальной ориентации состоит из двух букв, соответствующих обозначениям осей, при этом первая буква соответствует той оси, параллельно которой расположена толщина пластины (s), вторая параллельно которой расположена длина пластины (l). За толщину пластины принимают ее наименьший размер, за длину наибольший. В качестве примера на рис. 4, а, б, в приведены три из шести возможных (XY-, YZ-, ZY-, XZ-, YX-, ZX-срез) первоначальных ориентации пластин. Любая ориентация среза монокристалла может совпадать с его первона- 12 чальной ориентацией или может быть получена из нее путем поворотов вокруг ребер пластины. Повернутые срезы обозначаются введением дополнительных букв (l, b, s), указывающих ребро пластины, относительно которой осуществляется поворот, и цифр, обозначающих угол поворота (угол отсчитывается против часовой стрелки, если смотреть на ребро с положительного направления оси) (рис. 4, г) [9]. Например, срез кварца YXl/+41 получен путем одного поворота пластины YX-среза вокруг оси, совпадающей с длиной пластины, на угол ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ СВЯЗЬ С ХАРАКТЕРИСТИКАМИ АЭУ 4.1. Скорость ПАВ Скорость ПАВ в материале один из параметров, определяющий основные технические характеристики устройств, в частности рабочие частоты. Со скоростью ПАВ связаны габаритные размеры устройств. Фазовая скорость ПАВ зависит от плотности материала, его упругих и пьезоэлектрических свойств и от состояния поверхности (наличия шероховатостей, микротрещин и других неровностей) [5, 10]. Для эффективного возбуждения и отражения ПАВ пространственный шаг топологических элементов должен быть равен длине акустической волны (рис. 5). Так, например, расстояние между электродами одинаковой фазы в двухфазных ВШП с одиночными электродами (рис. 5, а) и парами однофазных электродов в ВШП с двойными (или расщепленными) электродами (рис. 5, б) V l 0 = 0 =, (1) где 0 длина акустической волны на рабочей частоте; f 0 рабочая частота; V скорость ПАВ. Расстояние между соседними элементами ОС также совпадает с длиной волны (рис. 5, в, г). Чем выше рабочая частота (т. е. меньше длина волны при заданной скорости), тем меньший шаг имеют элементы топологии. Поэтому верхняя граница рабочих частот определяется технологическими возможностями достижения максимального разрешения при изготовлении устройств. Таким образом, с точки зрения повышения рабочих частот предпочтительнее материалы с большими значениями скоростей. f 0 13 а) б) d = 0 /4 d = 0 /8 H H a = 0 /4 l 0 = 0 = V/f 0 a = 0 /8 l 0 = 0 = V/f 0 в) г) ПАВ ПАВ l ОС = 0 l ОС = 0 Рис. 5. Фрагменты топологий двухфазного ВШП ПАВ с одиночными электродами (а), ВШП с двойными электродами (б), ОС с отражением ПАВ на 180 (в) и ОС с отражением на 90 (г) Линейные размеры устройств также связаны с длиной волны и на практике составляют величину порядка 100 длин волн. Поэтому для низкочастотных устройств на ПАВ (на частотах менее МГц) целесообразно выбирать материалы с небольшой скоростью распространения (менее м/с). Фазовые скорости ПАВ на свободной V и металлизированной поверхности V м отличаются друг от друга (V м V). Уменьшение скорости на металлизированной поверхности вызвано закорачиванием электрической составляющей поля и приводит к изменению характеристик акустической волны. Фазовая скорость ПАВ в тонких (h/ 0 1, h толщина пленки) токопроводящих пленках зависит не только от материала поверхности, но и от толщины пленки [4] 14 V V м (1 C 1 h/ 0 ), (2) где 0 длина волны на свободной поверхности
Similar documents
View more...
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks