Материалы для акустоэлектронных устройств: Учебное пособие. Единое окно доступа к образовательным ресурсам Главная Каталог Библиотека Форум Новости Глоссарий Порталы О проекте Материалы для акустоэлектронных устройств: Учебное пособие Текстовая версия документа PDF (размер: 298.5 КБ) Качество преобразования для различных документов может сильно различаться. Изображения (картинки, формулы, графики) в документе игнорируются. Защищённый документ не может быть преобразован. Предыдущая 1 2 3 4 5 Следующая 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 Считывающий электрод ZnO 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 Относи тельная Доб Скорость диэлект рот ТKЧ Марка керамики KЭМС k, % –6 ПАВ, V, м/с ричекая ность, 110 проницае QM 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 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 aПАВ = , (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]. 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. Ken ya 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, J M. 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 ортофосфат галлия 24, 36 CTGS 38 отклонение потока энергии 29 SNGS 38, 39 параметр анизотропии 26, 27, 29, 45 STGS 38, 39 погонная емкость 23 автоколлимация 26 подложка 7 берлинит 20, 28, 35 преобразователь 7 германат висмута 34 проводимость излучения 23 дифракция 25 пьезокерамика 43 диэлектрическая пьезоэлектрический эффект 16 проницаемость 23 разориентация кристалла 16, 29 добротность излучения 18 селенид кадмия 40 добротность материала 44 скорость ПАВ 13 затухание 24 сопротивление излучения 23 калий натрий ниобат (КННБ) 44 срез кристаллографический 9 кальций галлий германаты 36, 38 сульфид кадмия 40 кварц 20, 21, 29 танталат лития 28, 34 коэффициент металлизации 23 температурный коэффициент коэффициент электромеханической скорости (ТКС) 19 связи (КЭМС) 16 температурный коэффициент ланганит 37 частоты (ТКЧ) 22 лангасит 24, 37, 42 тетраборат лития 20, 35 лангатат 38 угол отклонения потока ниобат лития 15, 24, 28, 33, 45 энергии 27, 45 нитрид алюминия 40 угол Эйлера 9 оксид цинка 40, 41 цирконат титанат свинца (ЦТС) 44 48 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 Предыдущая 1 2 3 4 5 Следующая Поставщики ресурсов Авторам Контакты Обратная связь Вопросы и ответы trinity hi-fi 5440.14 () sikkens intex black decker kyiv apartaments rent spartherm dunlup 205 55 r16 478 sharp ar-m205 - : dolmar mobilux - - xxx nokia 9300i 6131 8800 white gold soflens comfort sharp ar-m205 dhl - hotbird telecomfm gsmphone 646 dimplex model brayford 21102 rvg knauf fag zip-lock . 1000 gislaved xxx 2113 5004.13 () intex -134 .-