Фильтры на ПАВ на основе Катангасита

Введение.

Развитие современной электронной компонентной базы, в том числе устройств частотной селекции на поверхностных акустических волнах (ПАВ), неразрывно связано с применением новых перспективных материалов. Так, одной из приоритетных задач акустоэлектроники является поиск новых пьезоэлектрических кристаллов, обеспечивающих высокую термостабильность ПАВ-устройств и позволяющих их использование в жестких условиях эксплуатации (в частности, при температуре свыше 400° С).

Одним из таких перспективных пьезоматериалов является катангасит Ca3TaGa3Si2O14, представитель семейства лангасита [1]. В отличие от кварца, который имеет низкую температуру фазового αβ-перехода (350˚C), его рабочий температурный диапазон ограничен только  точкой  плавления  материала  1350° С. При этом катангасит химически более стоек по сравнению с лангаситом, что дает ему преимущество с точки зрения технологии. Проведенные исследования электрофизических свойств материала [2,3] показали, что наиболее перспективными для использования в ПАВ-технике являются (0°, 90°, 40°…50°)-срезы катангасита, которые обеспечивают коэффициент связи 0,1%…0,15% и имеют достаточно хорошую температурную стабильность, что позволяет рассматривать его как альтернативный материал кварцу SiO2 и лангаситу La3Ga5SiO14.

В данной статье приведены результаты разработки и исследований ПАВфильтров на номинальные частоты 125 МГц и 140 МГц, реализованных на основе двух срезов катангасита.

Результаты разработки ПАВ-фильтров на номинальные частоты 125 МГц и 140,7 МГц.

Для реализации ПАВ-фильтра на номинальную частоту 125 МГц применена оригинальная одноканальная конструкция с использованием однонаправленных встречно-штыревых преобразователей (ВШП) на основе структуры Hanma&Hunsinger (ширина электродов λ/16, 3λ/16), которая обеспечивает минимизацию вносимого затухания фильтра за счет исключения потерь на двунаправленность излучения волны преобразователем [4]. С целью уменьшения паразитных переотражений в электродной структуре преобразователя и, как следствие, для уменьшения неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе пропускания, в ВШП 1 данная структура применена только в центральной области (А). Для увеличения избирательности фильтра боковые области преобразователя взвешены методом выборочного удаления по функции Хемминга. Конструкция фильтра показана на рис. 1.

Фильтр изготовлен на основе (0°, 90°, 40°)-среза катангасита. Электродные структуры сформированы методом однослойной прямой фотолитографии при толщине пленки алюминия 0,33 мкм. Полученные экспериментальные АЧХ фильтра в несогласованном и согласованном режимах (LC-согласование по входу и выходу фильтра) приведены на рис. 2. В согласованном режиме разработанная конструкция обеспечила вносимое затухание 8,7 дБ при ширине полосы пропускания по уровню минус 3 дБ 0,58 МГц (0,46 %) и гарантированное затухание в полосах заграждения не менее 40 дБ.

03-01

Исследование температурной стабильности фильтра в диапазоне температур минус 60°С…+85°С показало, что температурный коэффициент частоты (ТКЧ) составляет 1,9 ppm/˚C с точкой перегиба при 28,5 ˚C (рис. 3) при относительной толщине пленки алюминия порядка 1,5%. Таким образом, (0°,90°,40°)срез КТГС может быть успешно использован для разработки термостабильных устройств на ПАВ, как альтернатива ST-кварцу.

03-02

ПАВ-фильтр на номинальную частоту 140,7 МГц реализован на основе (0°, 90°, 50°)-среза катангасита с применением метода прямой фотолитографии при толщине пленки алюминия 0,25 мкм. Топология фильтра представляет собой одноканальную трансверсальную конструкцию, в которой ВШП 1 выполнен аподизованным, т.е. имеет переменную величину перекрытия электродов в соответствии с заданной лепестковой функцией, а электродная структура ВШП 2 взвешена методом выборочного удаления с применением функции Хэмминга. Конструкция фильтра показана на рис. 4.

03-03-1

На рис. 5 приведены в сравнении расчетная и экспериментальная АЧХ ПАВ-фильтра на номинальную частоту 140,7 МГц на основе (0°, 90°, 50°) среза катангасита в несогласованном режиме. Различие характеристик в полосах заграждения обусловлено влиянием электромагнитной наводки.

03-04

Разработанная конструкция фильтра обеспечила в несогласованном режиме вносимое затухание 25 дБ при ширине полосы пропускания по уровню минус 3 дБ 0,78 МГц (0,55 %). ТКЧ данного фильтра составил 18,4 ppm/˚C с точкой перегиба при 84,9˚C (рис. 6), т.е. термостабильность (0°, 90°, 50°)-среза катангасита существенно хуже, чем (0°, 90°, 50°)-среза при незначительном выигрыше в величине коэффициента электромеханической связи (10%).

03-05

Экспериментальная АЧХ фильтра в согласованном режиме приведена на рис. 7. Вносимое затухание в согласованном режиме составило 12,5 дБ при ширине полосы пропускания по уровню минус 3 дБ 0,83 МГц (0,59 %).

03-06

Выводы.

Впервые практически реализованы ПАВ-фильтры на основе различных срезов катангасита.

Представленные результаты показывают, что (0°, 90°, 50°)-срез КТГС может быть успешно использован для разработки термостабильных устройств на ПАВ, как альтернатива ST-кварцу, в том числе в диапазоне высоких температур.

Представляют практический интерес исследования (0°,90°,20°…35°)срезов КТГС, которые в соответствие с расчетными данными [5] должны обеспечить приемлемое значение ТКЧ и более высокий коэффициент электромеханической связи.

 

Авторы благодарят ОАО «Фомос-Материалс»

за представленные для исследований пьезоэлектрические пластины Катангасита.

 

Список литературы

  1. Синицына Т.В., Дорофеева С.С., Груздев А.С. Пьезокристаллы для высокостабильных устройств на ПАВ // Труды Научно-исследовательского института радио. № 3. С. 10-17.
  2. Синицына Т.В., Дорофеева С.С. Пьезоэлектрические материалы для ПАВ-устройств// В сборнике: Высокие технологии в промышленности России. Тонкие пленки в электронике. Наноинженерия Сборник научных трудов XXI Международной научно-технической конференции, XXVIII Международного симпозиума и VIII Международной научно-технической конференции. 2016. С. 47-51.
  1. Синицына Т.В., Дорофеева С.С. Исследования пьезоэлектрических свойств КТГС и кварца для ПАВ–устройств // В сборнике: Высокие технологии в промышленности России. Тонкие пленки в электронике. Наноинженерия. Сборник научных трудов XXI Международной научно-технической конференции, XXVIII Международного симпозиума и VIII Международной научно-технической конференции. 2016. С. 24-29.
  2. Багдасарян А.С. , Синицына Т.В., Иванов П.Г., Егоров Р.В. Фильтры на ПАВ с уменьшенным уровнем вносимого затухания на основе однонаправленных структур // Труды Научно-исследовательского института радио. № 2. С. 13-19.
  3. Sakharov S., Zabelin A., Medvedev A., Bazalevskaya S., Buzanov O., Kondratiev S., Roschupkine D., Shvetsov A. and Zhgoon S. Investigation of the CTGS Single Crystals Potential for High Temperature SAW // IEEE Symp. 2013. – P. 1085-1088.