Материалы для акустоэлектронных устройств: Учебное пособие

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 2005 1

УДК 621.372(075) ББК 32.87я73 Б21 Балышева, О. Л. Б21 Материалы для акустоэлектронных устройств: учеб. пособие / О. Л. Балышева; ГУАП. СПб., 2005. 50 с.: ил.

Рассмотрены типы и характеристики материалов для акустоэлектрон! ных устройств. Приведены основные требования, определяющие выбор материала при проектировании; перечислены основные параметры мате! риалов и показана их связь с техническими характеристиками реализуе! мых устройств. Проведен сравнительный анализ материалов, используемых в современных устройствах. Пособие предназначено для студентов, изучающих курсы «Акустоэлек! тронные устройства», «Элементы акустоэлектронных устройств», «Про! ектирование 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 универ! ситет аэрокосмического приборостроения», 2005

2

Ñïèñîê ñîêðàùåíèé 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

ВВЕДЕНИЕ В настоящее время акустоэлектроника является одним из ак! тивно развивающихся направлений функциональной электрони! ки. В основе работы устройств функциональной электроники ле! жат 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 объем! ных, поверхностных и приповерхностных акустических волнах. Наибольшее распространение для обработки сигналов имеют по! верхностные акустические волны (ПАВ). ПАВ существуют на по! верхности твердого тела, их энергия сосредоточена в тонком, срав! нимом 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 теле! коммуникационных системах, в частности в системах мобильной сотовой связи. Потребность в устройствах на ПАВ обусловлена такими их преимуществами, как: широкая номенклатура опера! ций 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 ха! рактеристик, совместимость технологии изготовления с техноло! гией изготовления микросхем и микросборок. К недостаткам уст! ройств 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 еже! годный выпуск составляет сотни миллионов штук) стоимость из! готовления постоянно снижается. Для уменьшения вносимых по! терь существуют и постоянно разрабатываются новые специаль! ные конструкции устройств, поэтому этот недостаток также мо! жет быть преодолен. Отмеченные недостатки несоизмеримы с до! стоинствами устройств на ПАВ и их применение - часто наиболее выгодный, а иногда и единственно возможный способ реализации заданных технических характеристик. 4

Рабочий диапазон частот устройств на ПАВ составляет от 3–10 МГц до 3ГГц, а значение относительной ширины полосы пропус! кания 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 обрат! но) и различных изменений ПАВ в одном конструктивном эле! менте – подложке. В качестве среды распространения волн ис! пользуются пьезоэлектрические твердые тела, т. е. среды, в кото! рых возможен пьезоэлектрический эффект. Поэтому важным эта! пом проектирования акустоэлектронных устройств является вы! бор пьезоэлектрического материала. Этот этап очень важен, так как от свойств среды зависят характеристики распространяющих! ся в ней акустических волн и, следовательно, технические харак! теристики устройств. Пьезоэлектрические материалы, используемые для акустоэлек! тронных устройств, можно разделить на три группы [1]: синтети! ческие монокристаллы, пьезоэлектрические керамические мате! риалы, тонкие моно! или поликристаллические пленки. Для монокристаллов характерно высокое постоянство всех ма! териальных констант, обусловленное совершенной кристалличе! ской структурой. Монокристаллы очень мало подвержены эффек! там старения. Однако монокристаллы дорогие и имеют неболь! шие размеры. Пьезоэлектрические керамические материалы имеют поликри! сталлическую структуру, образованную хаотически ориентирован! ными кристаллитами. Материальные константы пьезокерамики обладают значительной дисперсией, а пьезоэлектрические свой! ства проявляются только после поляризации за счет упорядочива! ния структуры материала. Со временем возможно проявление де! поляризационных процессов, приводящих к изменениям пьезоэ! лектрических и других свойств. Пьезокерамика значительно боль! ше, по сравнению с монокристаллами, подвержена эффектам ста! рения. Достоинствами пьезокерамики служит меньшая стоимость и большие размеры подложек. Компромиссное положение между достоинствами и недостат! ками монокристаллов и пьезокерамики занимают так называе! мые 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 пара! метров связаны с технологией получения пленок. Несмотря на возможность управления параметрами акустических волн в та! ких структурах, акустоэлектронные устройства (АЭУ) с примене! нием пленок не получили широкого распространения. Это связа! но, прежде всего, с трудностями теоретического исследования рас! пространения волн в слоистых средах и технологическими слож! ностями при изготовлении устройств. В данном пособии сделана попытка обобщить основные сведе! ния о пьезоэлектрических материалах, перечислить их основные характеристики с точки зрения применения их в АЭУ. Отмечена взаимосвязь параметров материалов и технических характерис! тик реализуемых устройств. Выполнен обзор материалов, приме! няемых в АЭУ в настоящее время. Особое внимание уделено ак! тивно исследуемым в последнее время перспективным кварцепо! добным 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 ме! таллическими электродами и другими элементами [1-4] (рис. 1). Устройства изготавливаются по планарной технологии, металли! ческие структуры наносятся на поверхность подложки с помо! щью методов фотолитографии [2, 3]. Готовые устройства запако! вываются в корпуса и размещаются на печатной плате с помощью стандартной технологии монтажа интегральных схем. Входной преобразователь

Выходной преобразователь

Вход ПАВ

Пьезоэлектрическая подложка

Выход

Акустический поглотитель

Рис. 1. Акустоэлектронное устройство

6

Функционирование ПАВ!устройств основано на явлениях воз! буждения, распространения, отражения и приема акустических волн, существующих в тонком (соизмеримом с длиной волны) слое поверхности звукопровода. Характеристики устройства определя! ются физическими параметрами материала подложки и располо! женными на поверхности подложки элементами, образующими то! пологию. 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; отражатель! ные структуры (ОС); многополосковые ответвители (МПО); акус! тические поглотители. Подложка устройства является одновременно и звукопроводом, и частью преобразователей ПАВ, и несущим элементом конструк! ции. Выбор материала подложки осуществляется на одном из пер! вых этапов проектирования устройств на ПАВ. В качестве под! ложки устройств на ПАВ могут использоваться различные срезы монокристаллов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом, пье! зокерамика и тонкопленочные структуры. Преобразователи ПАВ выполняют функцию возбуждения и при! ема акустических волн, т. е. обеспечивают преобразование элект! рической энергии в акустическую и обратно за счет обратного и прямого пьезоэлектрического эффекта. Преобразователь ПАВ пред! ставляет собой систему расположенных на подложке металличес! ких электродов. Расстояние между электродами выбирается исхо! дя из длины возбуждаемой или принимаемой преобразователем акустической волны. Электроды определенным образом подклю! чаются к возбуждающему генератору (во входном преобразователе) или к нагрузке (в выходном преобразователе). В АЭУ, изображен! ном на рис. 1, в качестве входного и выходного преобразователей используются двухфазные эквидистантные (с равномерным ша! гом электродов) встречно!штыревые преобразователи (ВШП). Отражательные структуры предназначены для отражения и пре! ломления волн и часто используются для изменения траектории распространения волн. Отражателями ПАВ служат любые неров! ности и неоднородности поверхности подложки. Контролируемое отражение волн обеспечивается применением систем простран! ственно распределенных отражателей, расстояние между которы! ми согласовано с длиной акустических волн. Наибольшее распро! странение получили отражатели в виде металлических электро! дов или канавок. 7

Многополосковые ответвители обеспечивают смещение и раз! деление акустических потоков. Акустические поглотители обес! печивают гашение волн, чаще всего на границах подложки. 2. ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ ПОДЛОЖЕК АЭУ Требования к материалам подложек можно разделить на об! щие (как к несущему элементу конструкции) и на требования, предъявляемые исходя из физического принципа действия. Среди общих требований можно выделить следующие. Подлож! ка должна быть механически прочной и сохранять свои свойства в широком диапазоне изменения температуры, влажности, вибра! ции и т. п. Учитывая технологию изготовления ПАВ!устройств, материал подложки, во!первых, должен допускать возможности его механической обработки (резки на пластины, шлифовки, по! лировки); во!вторых, должен быть химически нейтральным к ре! активам, используемым в процессе изготовления металлических электродных структур. Кроме того, важным (особенно с точки зрения массового изготовления устройств) является свойство по! вторяемости характеристик материалов от образца к образцу и отработанная технология получения подложек больших размеров. Как среда распространения волн материал должен быть одно! родным, 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. Тол! щина подложки должна быть много больше длины волны, поэто! му на низких частотах (менее 3 МГц) резко возрастают габариты и стоимость требуемых подложек [5]. Очевидно, что список требований достаточно велик и подо! брать материалы, удовлетворяющие всем требованиям, практи! чески невозможно. Как обычно, в таком случае выбор осуществля! ется исходя из некоторого компромисса. 3. ОБОЗНАЧЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ И ИХ СРЕЗОВ Поскольку пьезоэлектрические материалы, обычно применяе! мые в качестве подложек АЭУ, существенно анизотропны, то не! обходимо 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 различ! ные синтетические монокристаллы. Характеристики распростра! 8

нения волн зависят не только от вида кристалла, но и от выбран! ного кристаллографического среза (т. е. ориентации плоскости, в которой распространяется волна, по отношению к граням крис! талла) и направления распространения волн. В литературе можно встретить несколько способов обозначе! ния 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 крис! таллам [1]. В самом простом случае срез (называемый стандарт ным) 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, нор! маль к которой совпадает с осью Y). Направление распростране! ния волн может указываться отдельно. В общем случае могут ис! пользоваться так называемые повернутые срезы. Для обозначе! ния нестандартных срезов может указываться только один угол поворота относительно одной из кристаллографических осей [6]. Например, повернутый на угол 128° Y!срез ниобата лития с на! правлением распространения волны вдоль оси X часто обознача! ется как 128° YX!LiNbO3. Это значит, что срез выполнен в плоско! сти, повернутой на 128° относительно стандартногоY!среза вок! руг оси X. Повернутый на 112° X!срез танталата лития обознача! ется 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 на! правления распространения волны является применение так на! зываемых углов Эйлера (F, Y, q) [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 направ! ления N. На рис. 2, а волна распространяется в плоскости XY в направлении, совпадающем с осью X¢. Первый угол Эйлера – F определяет угол между осью X и направлением распространения волны N. В этом случае срез обозначается как (F, 0, 0°) и называ! ется 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 по! прежнему распространяется вдоль оси X¢, то срез обозначается 9

а)

Z

Y

X

X ¢(N)

Ф

б)

Y¢ Z

Z¢

q

N

y X

Ф

X¢

Рис. 2. К определению углов Эйлера

10

Y

как (F, 0°, q), при этом угол Y = 0°. Если волна распространяется в плоскости X¢Y¢ в направлении N, образующем угол Y с осью X¢, то срез обозначается тремя углами Эйлера (F, Y, q) и называется двухповоротным срезом [17]. Так, например, широко используе! мый YZ!срез LiNbO3 (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 про! извольным направлением распространения волны в плоскости пластин будут иметь следующие обозначения через углы Эйлера: Z!срез (F, 0, 0°), Y!срез (0°, Y, 0°), X!срез (90°, Y, 90°). Углы F и q задаются на стадии изготовления подложки, от точности их задания зависят характеристики устройства и его стоимость. В нашей стране для идентификации подложек из монокрис! таллов в виде прямоугольных пластин используется еще одно ус! ловное обозначение [9]. Вводится понятие «первоначальная ори! ентация кристаллического элемента». За первоначальную ориен! тацию принято такое расположение прямоугольной пластины мо! нокристалла, при котором все ее грани (ребра) параллельны коор! динатным осям.

Z Направление распространения

YZ!LiNbO3 (0;90;90°)

Ф = 0°

y = 90 ° Y

q = 90° X

Рис. 3. XY0срез ниобата лития

11

а) XY!срез

б) XZ!срез

s

Z

Z

s

l Y

Y

b l

X

b

X

г) YXl/+ b°

в) YX!срез Z

Z

b

b

Y

Y

l X X

s

Рис. 4. Первоначальные ориентации кристаллических прямоугольных пластин XY0среза (а), XZ0среза (б), YX0среза (в) и повернутый срез YXl/+b° (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 расположе! на длина пластины (l). За толщину пластины принимают ее наи! меньший 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 по! воротов вокруг ребер пластины. Повернутые срезы обозначаются введением дополнительных букв (l, b, s), указывающих ребро пла! стины, 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 пу! тем одного поворота пластины YX!среза вокруг оси, совпадающей с длиной пластины, на угол +41°. 4. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ СВЯЗЬ С ХАРАКТЕРИСТИКАМИ АЭУ 4.1. Скорость ПАВ Скорость ПАВ в материале – один из параметров, определяю! щий основные технические характеристики устройств, в частно! сти рабочие частоты. Со скоростью ПАВ связаны габаритные раз! меры устройств. Фазовая скорость ПАВ зависит от плотности материала, его упру! гих и пьезоэлектрических свойств и от состояния поверхности (нали! чия шероховатостей, микротрещин и других неровностей) [5, 10]. Для эффективного возбуждения и отражения ПАВ пространственный шаг топологических элементов должен быть равен длине акустической вол! ны (рис. 5). Так, например, расстояние между электродами одинаковой фазы в двухфазных ВШП с одиночными электродами (рис. 5, а) и пара! ми однофазных электродов в ВШП с двойными (или расщепленными) электродами (рис. 5, б) V , (1) f0 где l0 – длина акустической волны на рабочей частоте; f0 – рабочая час! тота; 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 за! данной скорости), тем меньший шаг имеют элементы топологии. Поэтому верхняя граница рабочих частот определяется техноло! гическими возможностями достижения максимального разреше! ния при изготовлении устройств. Таким образом, с точки зрения повышения рабочих частот предпочтительнее материалы с боль! шими значениями скоростей. l0 = l0 =

13

а)

d = l0/4

б)

d = l0/8

H

H

a = l0/4 l0 = l0 = V/f 0

в)

a = l0/8

l0 = l0 = V/f 0

г)

ПАВ ПАВ lОС = l0

l ОС = l0

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. Поэто! му для низкочастотных устройств на ПАВ (на частотах менее 10–100 МГц) целесообразно выбирать материалы с небольшой ско! ростью распространения (менее 1000–2000 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 закорачи! ванием электрической составляющей поля и приводит к измене! нию характеристик акустической волны. Фазовая скорость ПАВ в тонких (h/l0 << 1, h – толщина пленки) токопроводящих пленках зависит не только от материала поверхности, но и от толщины пленки [4] 14

V » Vм(1–C1h/l0), (2) где l 0 – длина волны на свободной поверхности; h – толщина пленки; C 1 – константа. Для алюминиевой пленки на подложке из ST!кварца значение С1 = 0,183, а на подложке из ниобата ли! тия YZ!среза С 1 = 0,287. Иногда важно не только номинальная величина скорости, но и возможный разброс ее значений. Так, в некоторых случаях к точ! ности возпроизведения заданных характеристик устройств предъяв! ляются повышенные требования (например, дисперсионные ли! нии задержки, генераторы), поэтому одним из определяющих свойств подложки становится точность воспроизведения скорос! ти ПАВ. Например, для кварца точность воспроизведения задан! ного значения скорости составляет не менее 5 × 10 –5, а для крис! таллов ниобата лития относительный разброс значения скорости примерно 10–3 [4]. Одна из основных причин разброса скоростей – это погрешности ориентации кристаллов. На рис. 6 показаны углы разориентации кристалла относительно правильного поло! жения. Погрешности угловой разориентации приводят к измене!

dm dq

du

Рис. 6. Определение углов разориентации (правильное положение показано пунктиром)

15

нию скорости ПАВ в кристалле. Величины всех углов определя! ются точностью изготовления кристалла, а величина dq и точно! стью совмещения шаблона в процессе изготовления устройства. Так, при небольших углах разориентации относительное измене! ние скорости равно для ниобата лития YZ!среза V¢- V = [13,8(dn)2 + 618dm + 138(dq)2] × 10–6, V а для ST!кварца

(3)

V¢- V = [343dn + 99(dm)2 + 58(dq)2] × 10–6. (4) V Все значения углов в формулах (3), (4) выражены в градусах. На практике для приемлемой точности значения скорости по! грешность ориентации кристалла должна составлять менее 1°. К изменению скорости распространения ПАВ приводят и эле! менты топологии устройства (отражательные структуры в виде решетки канавок или металлических электродов и т. д.). Отличие реального значения скорости от значения, на основе которого спроектировано устройство, приводит к некоторым от! клонениям характеристик, примерно таким же, как и при изме! нении температуры. Поэтому для компенсации значения скорос! ти в термочувствительных подложках можно регулировать темпе! ратуру [4]. Вопросы влияния температуры на скорость ПАВ будут рассмотрены далее в подразд. 4.3. Типовые значения скоростей ПАВ на свободной поверхности большинства материалов составляют 2000–5000 м/с и не превы! шают значение 12000 м/с (см. табл. 2). 4.2. Коэффициент электромеханической связи Суть пьезоэлектрического эффекта состоит в наличии связи меж! ду упругими деформациями и напряжениями в материале и на! пряженностью электрического поля или вектором электрическо! го смещения. Пьезоэффект характерен только для анизотропных материалов, т. е. материалов, внутренняя структура которых не имеет центра симметрии. Для количественного описания пьезоэлектрического эффекта используется коэффициент электромеханической связи (КЭМС), определяющий соотношение между электрической и механичес! кой энергиями в пьезоэлектрике [1]. Квадрат КЭМС можно выра! зить соотношением 16

k2 =

2 W 12

, (5) W 1W 2 где W1 , W2, W12 – соответственно энергия механических колеба! ний (механическая энергия), энергия электрических колебаний (электрическая энергия) и энергия взаимодействия механических и электрических колебаний (пьезоэлектрическая энергии). Для ПАВ квадрат КЭМС с высокой точностью можно опреде! лить по следующей формуле: 1V V 2 Vм 32 , (6) V V где V – фазовая скорость ПАВ на свободной поверхности; V м – фазовая скорость ПАВ на металлизированной (электрически за! короченной) поверхности. Коэффициент электромеханической связи можно определить экспериментально путем измерения времени распространения ПАВ между входным и выходным ВШП до и после нанесения на сво! бодную поверхность между преобразователями металлической пленки [7]. Такие характеристики устройств на ПАВ, как относительная ширина полосы пропускания и вносимые потери, могут быть пред! ставлены в виде явных функций КЭМС. При заданном уровне вно! симых потерь материал с большим значением КЭМС позволяет реализовать более широкополосное устройство. Так как эффективность преобразователя, ширина полосы и элек! трическое сопротивление зависят только от его геометрической структуры и физических характеристик подложки, то существу! ют некоторые оптимальные параметры преобразователя, обеспе! чивающие его работу в максимальной полосе частот при заданном электрическом сопротивлении. Известно [4, 11, 12], что для экви! дистантного преобразователя (преобразователя с равномерным шагом электродов) ширина полосы обратно пропорциональна числу пар электродов N: f 1f 2 0 , (7) N где f 0– рабочая частота преобразователя. Другими словами, пре! образователь работает эффективно в полосе частот, ограниченной f значениями f 1 f0 2 0 . При этом его акустическая добротность 2 N f Qа 1 0 1 N вблизи рабочей частоты должна быть равна электри! 2f k2 3 2

17

ческой добротности (добротности излучения) Qи. Добротность из! лучения связана с КЭМС и числом пар электродов следующим соотношением [11]:

Qи 2

1

3 (8) 4k2 N Из этих соотношений можно выразить оптимальное число пар электродов N0, обеспечивающих эффективную работу преобразо! вателя в пределах заданной полосы частот через КЭМС: N0 2

1 4k

, 2

1f 1 2 2 f N0

4k2 . 3

(9)

Однако на практике число пар электродов преобразователей обычно не соответствует оптимальному, определяемому соотноше! нием (6), а выбирается исходя из требований реализации задан! ной частотной характеристики устройства [2, 3, 5]. В табл. 1 приведены значения относительной ширины полосы пропускания и оптимального числа электродов эквидистантных ВШП для некоторых материалов. Значения относительной ширины полосы пропускания, приве! денные в табл. 1, показывают теоретически возможные величины с учетом общих вносимых потерь АЭУ 6 дБ (двунаправленное из! лучение ВШП) при соответствующем согласовании. На рис. 7 по! казана зависимость величины вносимых потерь от максимально возможной относительной ширины полосы пропускания для ПАВ фильтров с двунаправленными ВШП на ниобате лития YZ!среза и кварце ST!среза. Таблица 1 Материл, тип среза

Ниобат лития Kварц, ST!срез Ниобат лития Танталат лития

18

Ориентация пластины и направление распространения

k2, %

Число пар, N0

1f/f, %

YZ

4,5

4

24

YXl/421452

0,11

22

4,6

1281!YX (0,90,1281)

5,3

4

25,9

0,72

11

9,5

В, дБ

70

50 ST!кварц

30 YZ!LiNbO3 10 6 0 1

4,4

10

23,6

100%

Df/f0 Рис. 7. Зависимость величины вносимых потерь от максимально возможной относительной ширины полосы пропускания [7]

Для выбранного материала (т. е. для известного значения КЭМС) и заданной относительной ширины полосы пропускания величи! ну вносимых потерь эквидистантного двунаправленного ВШП можно определить по формуле [7] B 3 10 log10

12 2 2

(2k )

4(

2f 4 ). f0

(10)

4.3. Температурные коэффициенты Для многих практических применений важной характеристи! кой материалов является температурная чувствительность, опре! деляемая температурными коэффициентами скорости и задержки. Температурный коэффициент скорости (ТКС) показывает отно! сительное изменение скорости ПАВ, вызванное изменением тем! пературы на один градус: 1 dV KV 1 2 , (11) V dT где T– температура, °С. Температурный коэффициент задержки (ТКЗ) можно тракто! вать как относительное изменение времени задержки, соответ! 19

ствующее изменению температуры на один градус. ТКЗ определя! ется выражением 1 d1 1 dV 3 2 4L 5 3 , (12) 1 dT V dT где 1 = L/V – время задержки при распространении ПАВ между K1 2

входным и выходным ВШП, расположенными на расстоянии L 1 dL друг от друга; 1 L 2 3 – коэффициент линейного теплового L dT расширения; T – температура, °C. Несмотря на наличие величины L в выражении (12), будет не! правильным считать, что ТКЗ зависит от расстояния между пре! образователями. Первое слагаемое (коэффициент теплового рас! ширения) показывает изменение ТКЗ, вызванное тепловым рас! ширением или сжатием материала, а второе слагаемое связано с изменением скорости, вызванным изменением температуры. Относительное изменение задержки обычно невелико и зависи! мость K1 (T ) линейная, поэтому величина ТКЗ практически посто! янна. Значение ТКЗ может быть определено экспериментально путем измерения температурной зависимости частоты автогенера! тора с линией задержки на ПАВ [4]. У кварца ST!среза оба слагаемых в выражении (12) примерно одинаковы, и величина ТКЗ равна нулю. За исключением подложек, аналогичных ST!кварцу, зависи! мость ТКЗ от температуры имеет в основном отрицательный ха! рактер (повышение температуры приводит к отрицательному из! менению рабочих частот ВШП и наоборот). Экспериментально установлено, что для ST!кварца время за! держки зависит от температуры по квадратичному закону [4] 1(T ) 2 1(T0 )[1 3 c(T 4 T0 )2 ],

(13)

где с = 32,3×10–9, °С–2; T0 = 21,1 °С. Задержка минимальна при температуре T0, которая называет! ся температурой нулевого коэффициента задержки. В этом случае ТКЗ определяется выражением K1 1 2c(T 2 T0 )

(14)

и равен нулю при температуре T0. Для тетрабората лития и берлинита также справедлива зависи! мость (13), в которой значения постоянных равны соответственно с = 230×10–9, °С–2 и с = 220×10–9, °С–2 [4]. 20

На рис. 8, а приведена зависимость относительного времени за! держки от температуры для ST!кварца. а)

б)

Dt/t ×10-6, отн. ед.

DV/V ×10-6, отн. ед.

80

80

40

40

0

0 –20

0

20

40

T, °C

–20

0

20

40

T, °C

Рис. 8. Температурная зависимость относительного изменения времени задержки для кварца YXl/42°45 ¢ (а); температурная зависи0 мость относительного изменения фазовой скорости ПАВ для кварца YXl/42°27 ¢ – сплошная кривая и YXl/42°54¢ – пунктирная кривая (б)

Экспериментальные исследования кварца YX!среза с другими углами поворота показали, что характер данной зависимости со! храняется, а температура нулевого значения ТКЗ изменяется от –6 до 114 °С [4]. Наличие на поверхности кристаллов сплошной алюминиевой пленки вызывает уменьшение температуры нулевого ТКЗ на 20–30 °С. Учитывая, что поверхность ВШП и ОС в виде металли! ческих полосок металлизирована не полностью, можно считать, что значение T0 уменьшается несколько меньше. Изменение температурных коэффициентов вызывает и прикле! ивание подложки к корпусу из!за различного теплового расшире! ния [4]. Подложки из ST!кварца обладают наименьшей зависимостью фазовой скорости ПАВ от температуры. Температурная зависи! мость имеет квадратичный характер ( рис. 8, б). Температура, при которой относительное изменение скорости равно нулю, составляет примерно 20 °С. Для кристаллов кварца других ориентаций на! блюдается практически линейная температурная зависимость скорости ПАВ [1]. 21

Изменение температуры приводит и к изменению частотных характеристик устройства. Пусть при температуре T1 АЧХ A(w) и ФЧХ Q(w) считаются идеальными (значение T 1 не обязательно совпадает с T0). Если в устройстве с двумя преобразователями при температурах T1 и T¢1 и значениями времени задержки t и t¢ вве! сти поправочный коэффициент е, такой, что

21 3 2(1 4 5),

(15)

то можно показать [4], что для практических оценок АЧХ и ФЧХ справедливы выражения

A 3(4) 5 A 14(1 6 7)2 ,

83(4) 5 8 14(1 6 7)2 .

(16)

Таким образом, изменение температуры приводит к измене! нию масштаба частоты АЧХ и ФЧХ в (1+е) раз. В качестве справочных данных для материалов в литературе обычно приводятся ТКЗ и ТКС или один из этих коэффициентов. Иногда используется третий коэффициент – температурный ко! эффициент частоты (ТКЧ) 1 1f . 3 (17) f 1T Величины ТКЗ, ТКС и ТКЧ связаны между собой [6]. Обычно материалы с большим значением КЭМС имеют худшую температурную стабильность (т. е. большие значения ТКЗ). Боль! шое значение КЭМС показывает, что механические свойства более чувствительны к изменениям температуры. Очевидно, что при жестких требованиях к температурной ста! бильности устройств предпочтительнее использовать материал с малым значением ТКЗ и ТКС. KF 2

4.4. Относительная диэлектрическая проницаемость и погонная емкость пары электродов Параметром пьезоэлектрического кристалла, влияющим на со! гласование преобразователя ПАВ с внешними электрическими це! пями, является относительная диэлектрическая проницаемость ( 1p ). Статическая емкость преобразователя CТ связана с относи! тельной диэлектрической проницаемостью соотношением [8] CТ 3

22

(1p 2 1)C0 , 2

(18)

где C0 – емкость электродной структуры преобразователя в вакууме. С относительной диэлектрической проницаемостью связан важ! ный для практических расчетов параметр – погонная емкость пары электродов преобразователя (C2). Этот параметр зависит от коэффициента металлизации преобразователя (т. е. от отношения ширины металлического электрода к ширине зазора между элек! тродами) и не зависит от рабочей частоты преобразователя. Об! щая статическая емкость всего преобразователя может быть опре! делена по формуле CT 1 NHC2,

(19)

где N – число пар электродов преобразователя; H – апертура пре! образователя. Иногда задается погонная емкость одного электрода (для одно! фазного преобразователя) или смежной пары электродов (для двух! фазного преобразователя), по которой также можно определить статическую емкость всего преобразователя. Преобразователь ПАВ можно представить в виде эквивалент! ных электрических схем [4, 11], приведенных на рис. 9, одним из элементов которых является статическая емкость. Величины Rа, X а и G a, B a отображают соответственно активное и реактивное сопротивление излучения в последовательной схеме и активную и реактивную проводимости излучения преобразователя в парал! лельной схеме. Знание статической емкости необходимо при расчете входного сопротивления преобразователей и рассмотрении вопросов согла! сования устройства с внешними цепями. Значения погонной емкости пары простых электродов для не! которых материалов приведены в табл. 3. Емкость одной пары а)

б) CT

Xа

Rа

CT

Bа

Gа

Рис. 9. Последовательная (а) и параллельная (б) электрические эквивалентные схемы двухфазного ВШП

23

двойных (расщепленных) электродов примерно в полтора раза больше, чем простых [3]. 4.5. Коэффициенты затухания ПАВ Одной из основных составляющих полных вносимых потерь устройств на ПАВ являются потери на распространение (или зату! хание) волн. Потери (в дБ/мкс) можно определить с помощью зависимости [4, 5] (20) Bм 1 2 м f 3 4 м f 2 , где 1 м и 1 м – коэффициенты, характеризующие потери за счет воз! душной нагрузки и вязкостных свойств материала; f – частота, ГГц. Зависимость (20) получена теоретически и подтверждена изме! рениями для различных материалов. Первое слагаемое (пропор! циональное частоте) вносит вклад в том случае, если кристалл находится в воздухе или инертном газе и равно нулю для вакуума. Второе слагаемое обусловлено взаимодействием ПАВ с колебания! ми кристаллической решетки и примерно пропорционально квад! рату частоты. Для ниобата лития YZ!среза зависимость (20) имеет вид Bм 1 0,19f 2 0, 88f 1,9 .

(21)

Значения коэффициентов 1 м и 1 м для некоторых материалов приведены в табл. 3. При проектировании АЭУ с рабочими частотами менее 50–100 МГц потерями на распространение волн обычно пренебре! гают, однако на высоких частотах эти потери вносят значитель! ный вклад в общие потери и обязательно должны учитываться при выборе материалов для проектирования АЭУ. В качестве примера на рис. 10 приведены результаты измере! ния потерь на различных частотах при распространении ПАВ в трех материалах: ниобате лития, лангасите и ортофосфате галлия [13]. Непрерывные линии отображают квадратичную зависимость (19) для каждого из этих материалов. Измерения затухания ПАВ в ниобате лития, лангасите и ортофосфате галлия проводились для определения возможности их использования в качестве под! ложек различных датчиков в диапазоне частот 2,40–2,4835 ГГц. Значения коэффицента bм составили 4,9 для ортофосфата галлия, 2,8 для лангасита и 0,65 для ниобата лития (это значение значи! тельно меньше значения 0,88, приводимого во многих литератур! ных источниках). На частоте 2,45 ГГц получены потери 3,9 дБ/мкс для ниобата лития, 17 дБ/мкс для лангасита и

24

bм,

100

дБ/мкс 30 10

GaPО 4 La 3Ga 5SiO 14 LiNbO3

3 1 0,3 0,1 0,03 0,4

1,0

2,0

4,0 f, ГГц

Рис. 10. Зависимость потерь от частоты при распространении ПАВ на поверхности монокристаллов ниобата лития, лангасита и ортофосфата галлия [13]

29 дБ/мкс для ортофосфата галлия. Данные результаты показали, что в рассматриваемом диапазоне частот возможно использовать только ниобат лития, а применение двух других материалов огра! ничено высоким затуханием. Затухание ПАВ зависит от состояния поверхности подложки. Наличие трещин, неровностей, царапин, присутствие веществ, заг! рязняющих поверхность (жир и т. д.), также вызывает дополни! тельное затухание, поэтому в процессе изготовления подложки должны быть тщательно отшлифованы и очищены. Затухание ПАВ уменьшается при охлаждении материала. 4.6. Параметры, характеризующие дифракцию Аналогично дифракции света в оптических структурах наблю! дается дифракция ПАВ, излученных преобразователем конечной апертуры (рис. 11). Дифракция приводит к расхождению пучка ПАВ и потере части энергии акустических волн. Следствием диф! ракционных эффектов служит рост вносимых потерь АЭУ. Наи! 25

Входной ВШП

Дифракция пучка ПАВ

Выходной ВШП

Рис. 11. Дифракция пучка ПАВ, излученных ВШП

большее влияние на характеристики устройств имеет дифракция в аподизованных преобразователях (преобразователях с изменени! ем величины перекрытия электродов в пределах преобразователя). Поскольку монокристаллы анизотропны, т. е. характеристики акустических волн зависят от выбранного направления распрост! ранения, то картина дифракции в них существенно усложняется по сравнению с изотропными средами. Различные изменения ско! рости ПАВ при изменениях направления приводят к уменьше! нию или увеличению расходимости акустического пучка по срав! нению с изотропной средой. Уменьшение расходимости называет! ся эффектом автоколлимации. В большинстве случаев этот эффект является желательным явлением в АЭУ. Автоколлимация важна для устройств с протяженными электродными структурами и для линий задержки с большим временем задержки, так как приво! дит к уменьшению дифракционных потерь. Степень дифракции для каждого конкретного пьезоэлектрического материала фиксирована. В монокристаллах дифракционное расшире! ние акустических пучков оценивается параметром анизотропии g. Ве! личина и знак g определяют степень дифракции поверхностных волн. В изотропной среде g = 0; при g > 0 дифракционные потери больше, чем в изотропной среде, при g < 0 потери меньше, чем в изотропной среде. Если g = –1, в анизотропной среде наблюдается автоколлимация, при которой расширение акустического пучка минимальное или от! сутствует. С точки зрения дифракционных эффектов идеальным является материал со значением g, близким к –1 [5, 6]. В табл. 2 приведены значения параметра анизотропии g для некоторых материалов. 26

Кроме расширения акустического пучка изменяются и профи! ли интенсивности акустических волн по мере удаления от излуча! теля (рис. 12). По аналогии с классической оптикой можно ввести безразмерный параметр – параметр Френеля [7]

F2

41D H2

,

(22)

где l – длина волны; D – расстояние от преобразователя до точки наблюдения; H – апертура преобразователя. Значение F < 1 соответствует зоне Френеля (или ближней зоне). В этой зоне наблюдается четко выраженный акустический луч, энергия которого сосредоточена в полосе, «освещаемой» аперту! рой преобразователя. Значение F > 1 соответствует зоне Фраунго! фера (или дальней зоне), в которой акустический луч «развалива! ется». Очевидно, что для того чтобы вся акустическая энергия, излученная входным преобразователем, была принята выходным, преобразователи должны быть расположены в ближней зоне друг относительно друга. Таблица 2 Значения параметра анизотропии g и угла отклонения потока энергии j для некоторых материалов

1

2,1

YZ!LiNbO 3

1 1,08

0

41,5 1X!LiNbO 3

1 0,45

0

YZ!LiTaO 3

1 0,211

0

SiO 2 (0;132 145 ';0 1)

0,378

0

1 0,956

1 1,26

AlPO 4 (90;90;80,4 1)

0,901

0

AlPO 4 (90;90;175,2 1)

0,331

1 9,6

Bi12GeO 20 (001), [100]

1 0,304

0

1 0,9

1 6,9

Материал и срез

SiO 2 (0;47,7;23 1)

La 3Ga5.5Nb 0.5O 14 (10;150;37 1)

27

Для уменьшения дифракционных искажений применяются спе! циальные меры, среди которых использование специальных мето! дов взвешивания преобразователей и применение фокусирующих преобразователей [3]. Существуют так называемые срезы материалов с минимальной дифракцией. Примерами таких срезов являются YZ!срез ниобата лития, срез берлинита (76,8;90;11,5°), срезы танталата лития 77,1°Y [14], (0;176,1;90°) и (0;6,38;90°) [8].

Нормаль к пластине Кристаллографическая ось

j

Поток энергии Профили ПАВ

Направление распространения

y

Кристаллографическая ось

Рис. 12. Схематическое представление профилей ПАВ, распространяющихся по монокристаллической подложке

28

4.7. Угол отклонения потока энергии Если направление распространения акустической волны в мо! нокристалле не совпадает с так называемым направлением чис! той моды (угловое положение которой задается углом y0), то име! ет место отклонение потока энергии от направления распростра! нения на угол j (рис. 12). Для направления чистой моды j = 0 и отклонение потока энергии отсутствует. Для угла j справедливо следующее соотношение:

1 2 3 14 5 4 1 2 ,

(23)

где g – параметр анизотропии; y – угол, определяющий направ! ление распространения волны (фазового фронта волны). При от! клонении потока энергии положение выходного преобразователя необходимо скорректировать, что, естественно, приводит к удоро! жанию устройства. К отличию угла j от нуля может привести и разориентация углового положения подложки в процессе изготов! ления. Желательно выбирать материалы, у которых j = 0, однако на прак! тике в условиях компромисса между требованиями к различным пара! метрам материалов это требование не является определяющим. Важно подчеркнуть, что отклонением потока энергии можно управлять за счет изменения положения преобразователей относительно друг друга, и соответствующие потери могут быть устранены на этапе проектирова! ния или изготовления АЭУ. Потери, вызванные отклонением потока энергии, также вносят вклад в общие потери устройства. Эти потери существенно зависят от применяемого среза монокристалла и могут достигать 2–6 дБ [3]. Значения угла j для некоторых материалов приведены в табл. 2. 5. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АЭУ Основные параметры некоторых материалов для акустоэлект! ронных устройств приведены в табл. 3. Среди всех материалов для массового производства АЭУ про! должают лидировать кристаллы кварца (SiO 2 ), ниобата лития (LiNbO3) и танталата лития (LiTaO3). a0кварц (двуокись кремния) – как природный, так и синтетичес! кий монокристалл, механически прочный (твердость равна 7 по шкале Мооса), плотность равна 2,65 г/см3, температура плавления – 1750 °С. При температуре 573 °С a!кварц (низкотемпературный кварц) пре!

29

30

Химическая формула

SiO2

LiNbO3

Мате! риал

Kварц

Нио! бат лития

3285 3159 3488

22,4; 124,3; –151) YX YZ

3999 3503 4000 4220 3329

ZXl/–411302

YZb/–161302

41,51X

361–YX ZY

3980

5094

371–Y

1281–YX

3158

YXl/421452 (01;1321452;01)

1,18

6,6

5,54

5,36

5,54

5,3

4,5

0,19

0,26

0,1

0,11

69

30

72

96

72

75

94

–24

0

0

0

–52

–88

–57

–87

38

0

Ориентация Kвад! Cкорость ТKЗ ТKС пластины и рат ПАВ, направление KЭМС, 110–6/ 1 C 110–6/ 1 C V, м/с распространения k2, %

0,23

0,3

0,21

0,3

0,19

0,45

0,47

? м, дБ/мкс

0,77

0,75

0,94

0,75

0,88

2,15

2,62

? м, дБ/мкс

Kоэффициент поглощения

Îñíîâíûå ïàðàìåòðû íåêîòîðûõ ìàòåðèàëîâ, ïðèìåíÿåìûõ äëÿ ïîäëîæåê ÀÝÓ

Таблица 3

31

LiTaO3

Bi12GeO20

La3Ga5SiO14

Тан! талат лития

Герма! нат висму! та

Лан! гасит

Лан! La3Ga5.5Nb0.5O14 ганит

Лан! La3Ga5.5Ta0.5O14 гатат

Химическая формула

Мате! риал

3148 3254

YX

77,11–YZ

2292

XZ

(30;90;901)

–19

0,589 –40,6

0,44

0,44

2376

0,172 –45,5

2210,6 0,423 64,5*

2740

(0;138,5;26,61)

(0;2;901)

2535

(90;40;–61)

2736,7 0,37 –0,067

(0;140;241)

115

115

35

49

35

–

1708

1,69

1,36

0,72

0,075

0,66

0,72

(111), [110]

1681

3230

YZ

(001), [100]

3295

ZYs/1121

–123

–33

–31

–18

Ориентация Kвад! Cкорость ТKС ТKЗ пластины и рат ПАВ, направление KЭМС, 110–6/ 1 C 110–6/ 1 C V, м/с распространения k2, %

0,19

0,19

0,20

–

2,8

1,45

1,45

0,94

–

? м , дБ/мкс ? м , дБ/мкс

Kоэффициент поглощения

Продолжение табл. 3

32

AlPO4

GaAs

Li2B4O7

GaPO4

**

**

**

**

Бер! линит

Арсе! нид галлия

Тетра! борат лития

Орто! фос! фат галлия

SNGS

STGS

CTGS

CNGS

(0;0;901)

(0;0;901)

(0;0;901)

0,3

0,3

0,5

1,2

1,0

0,016

0

0*

9

35

0

0

0

2906,2 0,261 –52,0*

2771,6 0,362 –37,1*

2733,1 0,562 –73,1*

2835,8 0,628 –98,9*

2342

(0;54,5;01)

(0;0;901)

2501

2330

(0;110;01)

(90;5;01)

3510

3391

2822

(90;90;901)

451YZ

(110), [100]

0,49

0,22

0,63

<2841 <0,06

2926

(90;90;168,71)

(100), [110]

2717

2751

(90;90;80,41)

(0;80,4;01)

Ориентация Kвад! Cкорость ТKС ТKЗ пластины и рат ПАВ, направление KЭМС, 110–6/ 1 C 110–6/ 1 C V, м/с распространения k2, % Kоэффициент поглощения

0,40

4,9

3,82

? м, дБ/мкс ?м, дБ/мкс

* Приведено значение ТКЧ. ** Химическая формула приведена в табл. 4.

Химическая формула

Мате! риал

Окончание табл. 3

вращается в b!модификацию (высокотемпературный кварц). Кварц химически стоек, он не растворяется во многих щелочах и кисло! тах. Растворяется в плавиковой кислоте и горячих щелочах (при температурах более 500 °С). Скорости ПАВ в кварце имеют величины порядка 3000 м/с в зависимости от выбранного среза и направления распростране! ния, КЭМС порядка 0,1–0,2 %. Срезы кристаллов кварца обладают исключительной темпера! турной стабильностью (ТКЗ = 0), однако имеют низкий КЭМС, что ограничивает относительную полосу пропускания фильтров несколькими процентами (4,5 % для ST!кварца) при приемлемом уровне вносимых потерь. Подложки из кварца используются для фильтров каскадов промежуточных частот приемопередатчиков мобильных телефонов, резонаторов, линий задержки, задающих генераторов, дисперсионных линий задержки. В настоящее время освоено массовое серийное выращивание отно! сительно дешевых монокристаллов кварца размером до 50 мм и мо! носерийное размером до 150–300 мм. Следует отметить, что сто! имость кристаллов нелинейно возрастает с увеличением размеров. Долгое время ST!кварц был утвержден разработчиками как промышленно!стандартный срез для устройств с повышенными требованиями к температурной стабильности. Однако современ! ная тенденция повышения частот привела к изменению рабочих частот фильтров каскадов промежуточных частот от 50 до 500 МГц. В связи с этим ведется поиск других срезов кварца. В част! ности, хорошие результаты [14] показал новый трехповоротный срез YXslb/–20°/–35,5°/20°. Его температурные свойства анало! гичны ST!срезу. В новом срезе значение КЭМС немного выше, чем у ST!кварца (k2 = 0,137 % по сравнению с 0,11 % для ST!кварца). Большее значение скорости (V = 3444 м/с) предпочтительнее для реализации высокочастотных устройств при заданной топологии и стандартной технологии изготовления. Кроме того, большее, по сравнению с ST!срезом, значение коэффициента отражения ПАВ от алюминиевых электродов позволяет уменьшать толщину элек! тродов и габариты устройств. Однако еще не все свойства нового среза изучены. В настоящее время кварц продолжает оставаться одним из наи! более освоенных, технологичных и дешевых материалов для АЭУ. Ниобат лития – синтетический бесцветный монокристалл, от! носительно хрупкий (твердость – 5–5,5 по Моосу), плотность со! ставляет 4,7 г/см3, температура плавления равна 1260 °С. Высокое значение КЭМС (порядка 4–5 %) обеспечивает применение ниобата 33

лития для широкополосных устройств (с относительной шириной полосы пропускания 5–50 %) и позволяет реализовать фильтры с вносимым затуханием 10 дБ при числе электродов не более 10 [3]. Отличный от нуля ТКЗ делает невозможным его применение для устройств с повышенными требованиями к температурной ста! бильности. В повернутых срезах ZYb/46° и YXl/128° существует значительное подавление паразитных объемных волн. Освоено массовое производство монокристаллов ниобата лития размером до 50–80 мм. Танталат лития – механически прочный синтетический моно! кристалл (твердость равна 6,7 по Моосу), плотность составляет 7,3 г/см3, температура плавления – 1560 °С. Это материал, соче! тающий высокую пьезоэлектрическую активность и хорошую тер! мостабильность, по свойствам занимающий промежуточное поло! жение между ниобатом лития и кварцем. Выращиваются крис! таллы танталата лития размером до 120 мм. Наилучшими свойствами обладает срез танталата лития ZYs/112°, его ТКЗ равен 18°10–6/°С, а k2 равен 0,72 %. В этом срезе обеспе! чивается низкий уровень ложных сигналов, вызванных возбужде! нием паразитных объемных волн. Срез 77,1° Y с направлением распространения ПАВ вдоль оси Z является срезом с минималь! ной дифракцией [7]. Б ˆ л ьшие, чем у кварца, значения КЭМС позволяют использо! вать кристаллы ниобата и танталата лития для более широкопо! лосных (до 25 %) устройств со средней величиной вносимых по! терь. Некоторые срезы, такие как 41°–Y LiNbO3 и 36°–Y LiTaO3, имеют большие значения k2, что позволяет применять их для ши! рокополосных устройств с низкими потерями, например для филь! тров входных цепей приемопередатчиков мобильных телефонов. Германат висмута – синтетический монокристалл, менее проч! ный, чем кварц и ниобат лития (твердость равна 4,5 по шкале Мооса), плотность равна 9,26 г/см 3 , температура плавления – 930 °С. Предпочтительно использовать германат висмута для ли! ний задержки с большим значением времени задержки и для филь! тров со сложной топологией, так как этот материал имеет очень низкую скорость ПАВ (1600–700 м/с). Промышленностью выпус! каются кристаллы германата висмута больших размеров. Герма! нат висмута гигроскопичен, поэтому требует герметичной упаков! ки. Этот кристалл химически довольно активен, он легко взаимо! действует с минеральными и органическими кислотами. По этой

34

причине для него не приемлемы методы очистки поверхности, используемые для кварца и ниобата лития [3]. Кварц долгое время был одним из основных материалов для АЭУ, главным образом, благодаря высокой температурной ста! бильности. Были предприняты значительные усилия по поиску и синтезу новых материалов, аналогичных кварцу по температур! ным характеристикам, но имеющих большее, чем у кварца, зна! чение КЭМС. Первыми результатами этих усилий стали берлинит и тетраборат лития и материалы, применяемые относительно не! давно, – лангасит, ланганит, фосфат галлия и лангатат [15, 16]. Лангасит, ланганит, лангатат и фосфат галлия принадлежат к тому же классу симметрии, что и кварц. Эти материалы имеют более высокий КЭМС, температурную стабильность, схожую с тем! пературной стабильностью кварца, они не растворимы в воде, по! зволяют работать при более высоких температурах, чем кварц, имеют меньшие, чем у кварца, значения скорости ПАВ, связан! ные с более высокой плотностью и большими значениями кон! стант диэлектрической проницаемости [18]. a0берлинит – синтетический монокристалл, имеющий такую же кристаллическую структуру, как и кварц. При температуре Кюри 584 °С a!модификация переходит в b!модификацию. Ско! рость распространения ПАВ в берлините равна 2700–3150 м/с, величина k 2 порядка 0,5%. По сравнению с кварцем, берлинит имеет более выраженные пьезоэлектрические свойства и больший КЭМС. Так же как у кварца, постоянные жесткости и податливо! сти имеют положительные и отрицательные температурные коэф! фициенты, что обеспечивает наличие срезов с нулевым ТКЗ. Из однократно повернутых срезов берлинита лучшие характеристи! ки имеет срез (0;80,4;0°), у которого k2 равен 0,63 %, что почти в 6 раз выше значения для ST!кварца, и нулевые значения ТКЗ и угла j, однако он уступает ST!кварцу по дифракционным свой! ствам [8]. Срез берлинита (76,8;90;11,5°) сочетает хорошую термо! стабильность (ТКЗ = 4°10 –6 1/°С) и минимальную дифракцию. Основная трудность при получении кристаллов берлинита состо! ит в существовании так называемых двойниковых областей, су! щественно снижающих качество кристаллов. Тетраборат лития, в отличие от кварца и берлинита, не под! вержен эффекту двойникования. Плотность тетрабората лития со! ставляет 2,45 г/см3, твердость равна 6 по шкале Мооса, темпера! тура плавления – 917 °С . Наиболее интересен срез (90;90;90°), у которого k2 = 1,2%, что в 10 раз превышает значение для ST!среза 35

кварца. Зависимость ТКЗ от температуры имеет параболический характер с минимумом при температуре 11 °С. Относительное из! менение времени задержки в интервале температур от 0 до 40 °С составляет 60 ×10–6 [6]. Скорости ПАВ в кристаллах тетрабората лития имеют значения, близкие к значениям скоростей в крис! таллах ниобата лития. Обладая большим значением КЭМС и хоро! шей температурной стабильностью, тетраборат лития чаще ис! пользуется для широкополосных фильтров промежуточных частот. Температурно!компенсированные срезы (0;75;75°) и (45;90;70°). Не! достатком этого материала служит значительная генерация объем! ных волн, что требует принятия специальных мер по уменьше! нию их влияния на характеристики фильтров [17]. Ортофосфат галлия имеет температуру фазового перехода 970 °C, т. е. значительно выше, чем у кварца (570 °C). Этот факт делает его весьма привлекательным для применения в качестве подложек датчиков при высоких температурах. Для этого материала характерны: более высо! кое значение КЭМС, чем у кварца, наличие термостабильных ориента! ций, большая устойчивость к двойникованию, сравнимые или лучшие, чем у кварца, реализуемые значения относительной ширины полосы пропускания устройств [20]. Меньшая на 30 %, по сравнению с ST! кварцем, скорость ПАВ обеспечивает возможность изготовления более миниатюрных устройств. Отмеченные отличительные черты позволя! ют ортофосфату галлия стать альтернативой кварцу в высокотемпера! турных применениях. Срез ортофосфата галия (0;54,5;0°) при нулевых значениях ТКЗ и угла j имеет скорость ПАВ 2342 м/с и k2 = 0,3 %. Для сравнения в срезе кварца (0;132,75;0°) с нулевыми значениями ТКЗ и угла j k2 = 0,11 %. Причем установлено [18], что при аналогичных условиях отражатель! ная способность металлических полосок на подложке из ортофосфата галлия оказывается выше (примерно на 65 %), чем отражательная спо! собность полосок на подложке из кварца. Кристаллы семейства кальций0галлий0германатов являются перспективными материалами для АЭУ. Это семейство содержит более 60 кристаллов, принадлежащих к тому же классу триго! нальной симметрии (классу 32), что и кварц. В настоящее время продолжается изучение свойств уже известных кристаллов этого семейства и синтез новых кристаллов. Ожидается, что и акусти! ческие свойства этих кристаллов будут похожи на акустические свойства кварца. Среди новых кристаллов прежде всего необходи! мо выделить лангасит и два его изоморфа – ланганит и лангатат.

36

Преимуществами материалов семейства лангаситов, по сравне! нию с кварцем, являются: значительно больший КЭМС, что обес! печивает возможность увеличения относительной полосы пропус! кания и уменьшения вносимых потерь устройств, меньшая ско! рость ПАВ, позволяющая уменьшать габариты устройств, отсут! ствие фазовых переходов вплоть до температуры плавления. Среди новых материалов лидирует, с точки зрения частоты применения, лангасит. Лангасит (лантан!галлиевый силикат) – синтетический моно! кристалл, впервые полученный в России в начале 80!х годов. Вы! ращивается традиционным методом Чохральского [1]. Этот мате! риал явился совместной разработкой Московского государствен! ного университета и Института кристаллографии Академии наук. Первоначально предполагалось использовать этот кристалл в ла! зерной технике, однако по ряду причин он не нашел должного применения в этой области и основное применение в настоящее время имеет в пьезотехнике. Лангасит обладает превосходными термическими, пьезоэлектричес! кими и диэлектрическими свойствами, устойчив к химическим воздей! ствиям. Плотность составляет 5,75 г/см3, твердость равна 6,5 по шка! ле Мооса, температура плавления 1475 °С. Лангасит имеет температурную стабильность, сравнимую со ста! бильностью кварца, а значение k 2 порядка 0,3 %, т. е. в 3 раза больше, чем у кварца [7]. По расчетным данным [19], срезы ланга! сита (0;130–170;15–35°) имеют КЭМС в 3,5–4,5 раза выше, чем у кварца. В срезе (0;143;24°) большое значение КЭМС (0,42 %) соче! тается с нулевым ТКЗ, а в срезе (0;150;23,9°) при высоком значе! нии КЭМС (0,5 %) существует нулевое значение угла j. Разработана технология промышленного изготовления крис! таллических подложек из лангасита размером до 76 мм. Экспериментальные и расчетные данные показывают, что ха! рактеристики распространения ПАВ в ланганите очень похожи на аналогичные характеристики в лангасите с несколько больши! ми ( примерно на 15 %) значениями КЭМС, большим более чем в два раза диапазоном изменения ТКЗ и более низкими (примерно на 5 %) значениями фазовых скоростей. У ланганита срезы, пред! ставляющие интерес для ПАВ!устройств: (0;130–170;22–35°) [19]. В этих срезах наблюдается сочетание нулевого значения угла j с большим значением КЭМС при небольшом значении ТКЗ (не пре! вышающем 10×10–6/°С), например, в срезе (0;146;23,5°) скорость ПАВ составляет 2668 м/с, k2 = 0,53 %, j = 0°, ТКЗ = –9,7×10–6/°С. 37

Таблица 4 Химическая формула

k 2, %

V, м/с

??

SiO2

0,134

3133

4,53

La3Ga5SiO14

0,38

2340

19,620

LGN (110,145,14??)

La3Ga5.5Nb0.5O14

0,37

2722

20,089

LGT YX

La3Ga5.5Ta0.5O14

0,39

2220

18,271

CNGS YX

Ca3NbGa3Si2O14

0,26

2905

18,67

CTGS YX

Ca3TaGa3Si2O14

0,32

2777

17,84

SNGS YX

Sr3NbGa3Si2O14

0,64

2840

13,63

STGS YX

Sr3TaGa3Si2O14

0,56

2739

13,13

Материал

Каврц LGS YX

Лангатат по свойствам похож на лангасит и ланганит. Отлича! ется от них несколько меньшим значением скорости ПАВ. В целом, более низкие значения скоростей ПАВ новых матери! алов предоставляют возможности по уменьшению размеров и сто! имости реализуемых устройств. Лангасит, ланганит, лангатат имеют два основных недостатка. Во!первых, они имеют разориентированную кристаллическую структуру, следствием чего являются снижение акустической доб! ротности и КЭМС, а также существующая проблема однородности материала и повторяемости его свойств от образца к образцу. Во!вторых, высокое содержание галлия приводит к высокой стоимости кристаллов. Перспективны для применений в АЭУ че! тыре новых ориентированных кристалла семейства лангаситной группы, это: CNGS, CTGS, SNGS, STGS [20, 21]. Эти кристаллы обладают следующими преимуществами: высокая акустическая добротность и максимально достижимый КЭМС; более низкая (при! мерно на 50 %) стоимость устройств из!за пониженного содержа! ния галлия; хорошие температурные характеристики (имеют тот же класс симметрии, что и кварц); высокая механическая проч! ность, облегчающая процесс изготовления устройств; меньшее тер! мическое расширение, чем у лангасита, ланганита, лангатата; эф! фективное использование (примерно 90 %) необработанного мате! риала при плавлении (выращивании) кристаллов; отсутствие эф! фектов двойникования. В табл. 4 [20] приведены сравнительные данные для скорости ПАВ, КЭМС и относительной диэлектрической проницаемости кристаллов се! 38

мейства кальций!галлий!германатов: кварца, лангасита, ланга! нита, лангатата и новых кристаллов CNGS, CTGS, SNGS, STGS. Четыре новых кристалла имеют более низкую плотность (например, плотность SNGS составляет 4,65 г/см3), и, как следствие, более высо! кую скорость ПАВ. Скорость ПАВ в них, по крайней мере, на 20 % выше скорости ПАВ в лангатате [23]. У Y!срезов STGS и SNGS значе! ние k2 выше, а у Y!срезов CTGS и CNGS ниже, чем у Y!среза кристалла LGT. Результаты исследований [22] показали наличие термостабиль! ных ориентаций у Y!срезов CTGS и CNGS в направлении примерно 40– 45° от оси X. Сравнение данных табл. 4 и других результатов [21, 22] пока! зывает, что из семейства кварцеподобных кристаллов два новых кристалла, содержащих стронций (SNGS и STGS), имеют наилуч! шие перспективы применения в ПАВ!устройствах благодаря бо! лее высокому значению КЭМС и более низкой диэлектрической проницаемости. Меньшие (по сравнению с кварцем) значения скорости ПАВ в крис! таллах лангаситной группы делают их весьма привлекательными для применения в трактах промежуточной частоты различных радиотех! нических систем [20, 21]. Применение кварцеподобных кристаллов во входных цепях радиотехнических устройств и в качестве подложек раз! личных датчиков ограничено значительным ростом затухания (по срав! нению, например, с ниобатом лития и танталатом лития) ПАВ на высо! ких частотах. В настоящее время продолжается активный поиск как новых оптимальных ориентаций в уже известных монокристаллах, так и новых материалов для АЭУ. Для этого разрабатываются методи! ки поиска и специальные целевые функции [23, 24]. Чаще ведется поиск оптимальной ориентации по какому!либо одному парамет! ру, наиболее важному для данного технического решения, или как некоторый компромисс между несколькими параметрами. Поиск материала или направления, в котором все параметры были бы оптимальны, представляет собой чрезвычайно сложную зада! чу, возможно, не имеющую решения, так как таких направлений в данном материале может не существовать. Разрабатываются и совершенствуются технологии промышлен! ного выращивания различных кристаллов. Так, например, во ВНИИ синтеза минерального сырья (ВНИИСИМС) ведется работа по созданию кристаллов, аналогичных по структуре лангаситу, с замещением лантана элементами группы бериллия, а галлия – элементами группы железа. Завершена разработка промышленной тех! 39

нологии выращивания кристаллов иттрий!алюминиевого граната (Y 3Al 5O 12), иттрий!алюминиевого перовскита (YAlO3 ) и ортогер! маната висмута (Bi4Ge3O12). Применение новых кристаллических материалов позволяет не только улучшать технические характеристики реализуемых АЭУ и расширять их функциональные возможности. 6. ПЛЕНОЧНЫЕ СТРУКТУРЫ Кроме монокристаллов АЭУ реализуются на подложках с ис! пользованием тонких пленок. В качестве пленок чаще применя! ются оксид цинка (ZnO), нитрид алюминия (AlN), сульфид кад! мия (CdS), селенид кадмия (CdSe). Основные параметры для неко! торых материалов и слоистых структур приведены в табл. 5. Пленочные структуры получаются методами термического ис! парения, ионного распыления, химического осаждения [25]. Таблица 5 Параметры материалов для подложек АЭУ Материал, направление распростр.

V, м/с

k2, %

ZnO Z!срез, любое

2680

1,0

ZnO / стекло

2360

1,9

–25

ZnO / сапфир

5500

4,5

43

CdS Z!срез, любое

1720

0,54

AlN / Al2O3 (X,Z)

6160

0,4

ZnO / AlN / стекло

5840

4,37

ТКЧ 10–6/2C

1

ТКЗ 10–6/2C

1

40

21

В зависимости от структуры пленки делятся на монокристал! лические (имеющие определенную ориентацию), поликристалли! ческие текстурированные (образованные мелкими кристаллами, значительная часть которых имеет преимущественную ориента! цию), поликристаллические нетекстурированные (имеют беспо! рядочно ориентированные кристаллиты), аморфные (кристалли! ческая структура практически не проявляется). Структура пле! нок связана с методами их получения и влияет на степень элект! ромеханического преобразования.

40

При рассмотрении характеристик распространения ПАВ в струк! туре «пленка – подложка» необходимо учитывать не только мате! риал подложки, кристаллографический срез и направление рас! пространения ПАВ, но и материал пленки и ее толщину, ориента! цию кристаллографических осей для монокристаллической плен! ки, тип и ориентировку текстуры для поликристаллической пленки [25]. Слоистая структура «пьезоэлектрическая пленка – непьезо! электрическая подложка», в отличие от монокристаллов, позво! ляет управлять основными параметрами материалов (фазовой ско! ростью ПАВ, КЭМС, ТКЗ) и осуществлять массовое изготовление устройств на относительно дешевых подложках любых размеров. Эти факторы значительно расширяют возможности реализации устройств на ПАВ [6]. В слоистых структурах свойства ПАВ существенно зависят от расположения преобразователей ПАВ и наличия считывающего электрода. На рис. 13 изображены возможные варианты располо! жения электродов ВШП и дополнительного считывающего элект! рода в структуре «пленка – подложка». В вариантах расположе! ния, изображенных на рис. 13, а и б, в структуре доминирует продольное электрическое поле, а наличие считывающего элект! рода (рис. 13, в, г) приводит к доминированию поперечного элек! трического поля, и КЭМС определяется вариантом расположения. Основные параметры всей структуры могут значительно отличать! ся от параметров каждого из материалов в отдельности. Наличие тонкого слоя приводит к дисперсии скорости распро! странения ПАВ, что может использоваться для некоторых уст! ройств обработки сигналов, например для линий задержки. Дис! персию можно минимизировать, если выбирать материал подлож! ки и пленки с близкими значениями скоростей ПАВ. Комбинация материалов с высокой скоростью ПАВ позволяет получить очень высокие скорости ПАВ и применять такие структуры в качестве подложек высокочастотных устройств. Для каждого из сочетаний материала и пленки существует оп! тимальное значение толщины пленки для получения максималь! ного значения КЭМС. Например, для пленки оксида цинка на пластине кремния ориентации <111> максимум k 2 наблюдается при относительной толщине пленки 0,05 l. Пленка оксида цинка на кремниевой подложке позволяет получить значение k2 » 3 %, что сравнимо со значением k2 для монокристалла ниобата лития, а для пленки оксида цинка на подложке из ниобата лития значе!

41

Электроды ВШП

Электроды ВШП ZnO

ZnO

Подложка

Считывающий электрод

ZnO

Считывающий электрод ZnO

Рис. 13 . Варианты расположения подложки, тонкой пленки и электродной структуры в устройствах на ПАВ

ние k2 достигает 8,5 %, что выше, чем соответствующее значение у монокристалла ниобата лития. Применение тонких пленок позволяет не только изменять зна! чения таких параметров, как скорость ПАВ и КЭМС, но и улуч! шать термостабильность. Это возможно за счет уменьшения ТКЗ, увеличения диапазона рабочих температур, при которых измене! ние ТКЗ будет незначительным, или изменения абсолютного зна! чения температуры, при которой ТКЗ равен нулю [23]. В структурах «пьезоэлектрическая пленка – подложка» пара! метры, характеризующие термостабильность, имеют промежуточ! ное значение между соответствующими параметрами подложки и пленки. Структуры с тонкой пленкой (h/l<<1) имеют ТКЗ, близ! кий к ТКЗ подложки, а в структурах, где толщина пленки значи! тельно больше толщины подложки (h/l>>1), ТКЗ приближается к ТКЗ пленки. Сочетание слоев из материалов с противоположны! ми по знаку температурными коэффициентами позволяет добить! ся нулевых или очень малых коэффициентов и реализовать на таких подложках устройства, обладающие очень хорошей термо! стабильностью. Например [23], численный расчет показал, что нанесение алюминиевой пленки (h/l = 0,003) на поверхность мо! нокристалла лангасита (10;150;37°) уменьшило значение ТКЗ с –2,4 до –0,4. 42

Известно [25], что значения относительной толщины пленки, при которых достигаются максимальный КЭМС и нулевой темпе! ратурный коэффициент, не совпадают. Для оптимального соотно! шения между этими параметрами вводят дополнительный проме! жуточный слой между пьезоэлектрической пленкой и подлож! кой, при этом толщину пленки выбирают из условия максимума КЭМС, а толщину промежуточного слоя – из условия минимума температурного коэффициента. Еще один способ улучшения тем! пературной стабильности слоистых структур – управление темпе! ратурными коэффициентами в процессе изготовления пленок (на! пример, использованием легирования). 7. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ КЕРАМИКА В качестве подложек АЭУ может применяться пьезокерамика. Пье! зокерамика представляет собой поликристаллический материал зерни! стой структуры. Она состоит из множества хаотически ориенти! рованных кристаллитов. Хотя каждый отдельный кристаллит обладает пьезоэффектом, хаотическая структура приводит к вза! имной компенсации вкладов отдельных кристаллитов, и в обыч! ном состоянии пьезокерамика не обладает пьезоэлектрическими свойствами. Пьезоэффект появляется только после поляризации керамики сильным электрическим полем, поэтому процесс изго! товления подложки из пьезокерамики содержит дополнительную технологическую операцию – поляризацию. Типовые значения скоростей ПАВ в пьезокерамике составляют 2200–3800 м/с. Таблица 6 Основные параметры пьезоэлектрических керамик на основе ЦТС и КННБ

Марка керамики

Скорость ПАВ, V, м/с

KЭМС k, %

Относи! тельная диэлект! ричекая проницае! мость, ??

ЦТС!19

2100

0,31

1500+300

500

21

ЦТС+Pb(Mn1/3Nb2/3)O3

2340

2,3

735

2350

17

ЦТС+Jn(Li,W)O3+MnO

2270

0,1

690

–

18

B!16, 17, 18

2200–2400

0,3–0,35

300+800

1750

25

Доб! рот! ность, QM

ТKЧ –6 110

43

Достоинством пьезокерамики является значительно меньшая, по сравнению с монокристаллами, стоимость, возможность управ! ления свойствами путем изменения химического состава и введе! ния модификаторов, возможность изготовления крупногабарит! ных образцов. Недостатками служат низкая термостабильность и большие значения коэффициента диэлектрической проницаемости. Пьезокерамика используется на частотах менее 25–30 МГц, так как на более высоких частотах существенно (по нелинейной зависимости от частоты) возрастает затухание ПАВ. На частотах менее 25–30 МГц длина акустической волны (l0) значительно мень! ше размеров зерен структуры материала, и удельные потери на распространение ПАВ можно оценить по формуле [3] 27,3 , (24) l0Qм где Qм – механическая добротность материала. Наибольшее распространение получили пьезокерамические ма! териалы на основе системы цирконат!титанат свинца (ЦТС) и си! стемы калий!натрий!ниобат (КННБ). В табл. 6 приведены основ! ные параметры некоторых пьезокерамических материалов [3]. aПАВ =

8. ВЫБОР ПОДЛОЖКИ ДЛЯ АЭУ На выбор материала подложки кроме численных значений приведенных выше основных параметров (таких, как скорость акустических волн, КЭМС и др.) большое влияние оказывает то! пология разрабатываемых АЭУ. Выбранная топология однознач! но определяет функциональную операцию обработки сигнала, однако одна и та же операция обработки может быть реализована устройствами с различной топологией. Так, например, устройство формирования ЛЧМ радиоимпульса может быть выполнено с по! мощью двух ВШП (структура «в линию») и с помощью двух ВШП и двух наклонных ОС. Если в первом случае от входного до выход! ного преобразователей ПАВ распространяется в одном направле! нии, то во втором – в двух взаимно перпендикулярных направле! ниях, и при расчетах необходимо учитывать различные значения скорости и температурных коэффициентов в этих направлениях. Поэтому если топология устройства предусматривает распростра! нение волн в различных направлениях, то целесообразно выби! рать материал, у которого в требуемом интервале температур зна! чения скоростей и температурных коэффициентов вдоль этих на! правлений одинаковы. По данной причине для устройств с ОС не 44

используется кварц, а используется ниобат лития YZ!среза, у ко! торого значения температурных коэффициентов близки [4]. Если проектируется устройство с протяженной электродной структурой (например, линия задержки с большим временем за! держки), то для подложки необходим монокристалл больших раз! меров, а подложки больших размеров можно получить не из всех монокристаллов. Есть ряд устройств (например, с взвешиванием путем измене! ния длины электродов), топология которых обязывает учитывать потери, вызванные дифракционными эффектами. Поэтому при вы! боре материала для таких АЭУ определяющее значение имеет ве! личина параметра анизотропии g. При проектировании узкопо! лосных фильтров с протяженными ВШП или линий задержки на большую длительность целесообразно выбрать материал с нуле! вым значением угла j. Немаловажным фактором при выборе материала является и его сто! имость. Так, например, для дешевых низкочастных фильтров с нежес! ткими требованиями к температурной стабильности может быть выб! рана пьезокерамика.

Библиографический список 1. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхнос! тных акустических волнах: Материалы, технология, конструкция, примене! ния: Пер. с чешск. М.: Мир, 1990. 584 с. 2. Фильтры на поверхностных акустических волнах (расчет, техноло! гия и применение): Пер. с англ. / Под ред. Г. Мэттьюза. М.: Радио и связь, 1981. 472 с. 3. Орлов В. С., Бондаренко В. С. Фильтры на поверхностных акустичес! ких волнах. М.: Радио и связь, 1984. 272 с. 4. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акусти! ческих волнах: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990. 416 с. 5. Функциональные устройства обработки сигналов (основы теории и алгоритмы): Учеб. пособие для вузов / Под ред. Ю. В. Егорова. М.: Радио и связь, 1997. 288 с. 6. Kenya Hashimoto. Surface Acoustic Wave Devices in Telecommunicatios: modeling and simulation. Springer, 2000 (Engineering online library). 7. Campbell C. K. Surface Acoustic Wave Devices for Mobile and Wireless Communications. Elsevier Science. Boston: Academic Press, Inc., 1998. 8. Кондратьев С. Н., Петржик Е. А. Материалы для устройств на по! верхностных акустических волнах // Зарубежная радиоэлектроника. 1986. № 1. C. 31–41.

45

9. Элементы кварцевые кристаллические. Условные обозначения сре! зов. РД 11 0717–89. 1990. 10. Зюбрик А. И., Бурак Я. В. , Савицкий И. В. Акустоэлектроника: Учеб. пособие / Львовский гос. ун!т. Львов, 1980. 100 с. 11. Каринский С. С. Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах.М.: Сов. радио, 1975. 176 с. 12. Пьезополупроводниковые преобразователи и их применение / А. И. Мо розов, В. В. Проклов, Б. А. Станковский, А. Д. Гингис. М.: Энергия, 1973. 152 с. 13. Applicability of LiNbO3, Langasite and GaPO4 in high temperature SAW sensors operating at radio frequencies / R. Fachberger, G. Bruckner, G. Knoll, R. Hauser, J. Biniasch, L. Reindl // IEEE Trans. UFFC. November 2004. Vol. 51. No. 11. P. 1427–1431. 14. A new triply rotated quartz cut for the fabricstion of low loss IF SAW filters/S. Ballandras, W. Steichen, E. Briot, M. Solal, M. Doisy, JM. Hode //IEEE Trans. UFFC. January 2004. Vol. 51. No. 1. P. 121–126. 15. Investigations of Langanite and Langatate materials for use in SAW device applications / D. C. Malocha, M. P. Cunha, D. Puccio, K. Casey // IEEE Ultrasonic Symposium: Proc., 2001. P. 231–234. 16. GaPO4 SAW devices: measured and predicted propagation properties / M. P. Cunha, T. B. Pollard, H. Whitehouse, D. M. Worsch. IEEE Ultrasonic Symposium: Proc., 2003. P. 110–113. 17. A Bulk Suppressed Low Loss TDMA!IF Filter using LBO substrate S. Ichikawa, T. Tanaka, K. Kawaguchi, S. Mitobe, M. Koshino and Y. Ebata // Ultrasonic Symp.: Proc., 2002. P. 28–32. 18. Cunha M. P., Fagundes S. A. Metal strip reflectivity and NSPUDT orientations in langanite, langasite, and gallium Phosphate // IEEE Trans. UFFC. June 2002. Vol. 49, No. 6. P. 815–819. 19. Cunha M. P., Fagundes S. A. Investigation on recent Quartz!like materials for SAW applications // IEEE Trans. UFFC. November 1999. Vol. 46. No. 6. P. 1583–1589. 20. Mitch M. C. Chou, Shen Jen, Bruce H. T. Chai. New Ordered Langasite Structure Compounds – Crystal Growth and Preliminary Investigation of the Material Properties // IEEE Ultrasonic Symposium Proc., 2001. P. 225–230. 21. Acoustic waves measurements on SNGS crystals and determination of material constants / E. Chilla, R. Kunze, M. Weihnacht, J. Bohm, R. B. Heimann, M. Hengst, U. Straube // IEEE Ultrasonic Symposium Proc., 2003. P. 92–95. 22. Puccio D. , Malocha D. C. , Mitch M. C. Chou. Investigations of STGS, SNGS, CTGS & CNGS materials for use in SAW applications. Proc // IEEE International Frequency Control Symposium, 2003. P. 627–630. 23. Термостабильные ориентации в пьезокристаллах LGS, LGN для поверхностных акустических волн / М. Ю. Двоешерстов, С. Г. Петров,

46

В. И. Чередник, А. П. Чириманов // Журнал технической физики. 2001. T. 71. Вып. 4. C. 89–94. 24. Новые оптимальные ориентации для поверхностных акустических волн в пьезокристаллах лангасита, ланганита и лангатата / М. Ю. Двое шерстов, С. Г. Петров, В. И. Чередник, А. П. Чириманов // Журнал техничес! кой физики. 2002. T. 72. Вып. 8. C. 103–108. 25. Шермергор Т. Д., Стрельцова Н. Н. Пленочные пьезоэлектрики. М.: Радио и связь, 1986. 136 с. 26. Акустические кристаллы: Справочник / Под ред. М. П. Шасколь ской. М.: Наука, 1982. 632 с.

47

Предметный указатель

CNGS 38 CTGS 38 SNGS 38, 39 STGS 38, 39 автоколлимация 26 берлинит 20, 28, 35 германат висмута 34 дифракция 25 диэлектрическая проницаемость 23 добротность излучения 18 добротность материала 44 затухание 24 калий!натрий!ниобат (КННБ) 44 кальций!галлий!германаты 36, 38 кварц 20, 21, 29 коэффициент металлизации 23 коэффициент электромеханической связи (КЭМС) 16 ланганит 37 лангасит 24, 37, 42 лангатат 38 ниобат лития 15, 24, 28, 33, 45 нитрид алюминия 40 оксид цинка 40, 41

48

ортофосфат галлия 24, 36 отклонение потока энергии 29 параметр анизотропии 26, 27, 29, 45 погонная емкость 23 подложка 7 преобразователь 7 проводимость излучения 23 пьезокерамика 43 пьезоэлектрический эффект 16 разориентация кристалла 16, 29 селенид кадмия 40 скорость ПАВ 13 сопротивление излучения 23 срез кристаллографический 9 сульфид кадмия 40 танталат лития 28, 34 температурный коэффициент скорости (ТКС) 19 температурный коэффициент частоты (ТКЧ) 22 тетраборат лития 20, 35 угол отклонения потока энергии 27, 45 угол Эйлера 9 цирконат!титанат свинца (ЦТС) 44

Оглавление Список сокращений .......................................................................... 3 Введение .......................................................................................... 4 1. Общие сведения об АЭУ ................................................................. 6 2. Требования к материалам подложек АЭУ ........................................ 8 3. Обозначение монокристаллов и их срезов ........................................ 8 4. Основные параметры пьезоэлектрических материалов и их связь с характеристиками АЭУ ............................................................. 13 4.1. Скорость ПАВ .................................................................... 13 4.2. Коэффициент электромеханической связи ............................ 16 4.3. Температурные коэффициенты ............................................. 19 4.4. Относительная диэлектрическая проницаемость и погонная емкость пары электродов ..................................................... 22 4.5. Коэффициенты затухания ПАВ ............................................ 24 4.6. Параметры, характеризующие дифракцию ............................ 25 4.7. Угол отклонения потока энергии ........................................... 29 5. Сравнительная характеристика параметров материалов для АЭУ ..... 29 6. Пленочные структуры .................................................................. 40 7. Пьезоэлектрическая керамика ...................................................... 43 8. Выбор подложки для АЭУ ............................................................ 44 Библиографический список ............................................................... 45 Предметный указатель ..................................................................... 48

49

Учебное издание

Балышева Ольга Леонидовна

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ Учебное пособие

Редактор Г. Д. Бакастова Компьютерная верстка О. И. Бурдиной

Сдано в набор 29.05.05. Подписано к печати 25.08.05. Формат 60´84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,79. Уч.!изд. л. 2,96. Тираж 100 экз. Заказ № 361

Редакционно!издательский отдел Отдел электронных публикаций и библиографии библиотеки Отдел оперативной полиграфии ГУАП 190000, Санкт!Петербург, ул. Б. Морская, 67