Мировые тенденции развития цивилизации в условиях глобальной информатизации: устройства на ПАВ

Введение.

Устройства на ПАВ уже давно используются в системах связи [1,2], радиолокации [2], военной технике [1-3], промышленных приборах [4]. Они нашли широкое применение и в бытовой аппаратуре, такой, как например, телевизоры [3, 5-6], сотовые телефоны [3, 5], а также на транспорте [7, 8].

И в настоящее время техника поверхностных акустических волн (ПАВ) остается одной из самых инновационных технологий в мире, а устройства на ПАВ являются ключевыми элементами современных систем телекоммуникаций и навигации, систем распознавания и идентификации, систем измерения и контроля состояния окружающей среды и объектов. На основе мировых тенденций можно выделить следующие ближайшие перспективы развития техники ПАВ [911]: повышение рабочих частот, снижение вносимых потерь, уменьшение размеров, улучшение температурной стабильности, увеличение входной мощности проходящего сигнала, создание «интеллектуальных» устройств на ПАВ с новыми возможностями.

Повышение рабочих частот.

Ведущие мировые производители техники ПАВ в настоящее время выпускают ПАВ-устройства в диапазоне частот 30-2800 МГц. Рабочая частота f0 любого ПАВ-устройства определяется по формуле f0=V/p, где V –скорость ПАВ, p – период электродов встречно-штыревых преобразователей (ВШП). Повышение рабочих частот устройств на ПАВ связано с решением простой на первый взгляд задачи: использовать пьзоматериалы с высокой скоростью ПАВ V или уменьшать период электродов p ВШП.

Первый вариант требует уникальные материалы с большой V или использование определенных типов акустических волн с большой V в стандартных пьезоматериалах. На сегодняшний день известны, например, резонаторы на подложке из алмаза с пьезоэлектрической пленкой AlN на f0=5,3 ГГц (V =10000 м/с) с добротностью 2440 [12], резонаторы на поверхностных поперечных волнах на кварце с f0=1,9 ГГц (V>5000 м/с) с добротностью 7200 [13], лестничные фильтры на продольных вытекающих волнах на LiNbO3 с f0=5 ГГц (V=6100 м/с) с вносимыми потерями 3 дБ [14]. Перспективной для увеличения рабочих частот в ближайшее время может стать технология на волнах Лэмба [15, 16]. Скорость акустической волны для определенной  моды  волны  Лэмба  может  достигать 15000 м/с. Возбуждая такую волну обычным ВШП, например, с периодом электродов 2,63 мкм, можно получить устройства с f0 около 5 ГГц [15].

Во втором случае можно использовать стандартные пьезоматериалы LiNbO3, LiTaO3, но электроннолучевую литографию, позволяющую получить электроды с очень малым периодом до 100 нм. Известны, например, импедансные фильтры с f0=5 ГГц на LiTaO3 [17] и радиометки с f0=6 ГГц на LiNbО3 [18].

На основе представленных данных и методов повышения рабочих частот можно ожидать появление конкурентоспособных ПАВ-устройств в диапазоне частот 3-10 ГГц.

Снижение вносимых потерь.

Снижение вносимых потерь устройств на ПАВ расширяет динамический диапазон радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и сферы применения техники ПАВ. На сегодняшний день вносимые потери 1 дБ обеспечиваются в самосогласованных кольцевых структурах и на однонаправленных ВШП на низких частотах до 100 МГц. На резонаторных двухмодовых структурах (DMS-фильтры) и резонаторных лестничных структурах (импедансные фильтры) вносимые потери 1 дБ достигаются уже в гигагерцовом диапазоне [19, 20].

При использовании оптимизированных топологий устройств с локализацией акустической энергии и самосогласованием источниками потерь в устройствах на ПАВ остаются все же потери в пьезоматериале на распространение, потери в металле электродов ВШП, потери вытекающих волн, пространственные потери на излучение акустических волн.

Тщательное изучение указанных механизмов потерь и их минимизация в ближайшее время позволит достичь вносимых потерь менее 1 дБ.

Уменьшение размеров.

Для современной РЭА нужно, чтобы размеры ПАВ-фильтра были как можно меньше. Наибольшее распространение получило корпусирование ПАВфильтров в керамические SMD (Surface Mounted Device) корпуса. На сегодняшний день ведущие

мировые производители техники ПАВ корпусируют свои ПАВ-фильтры в гигагерцовом диапазоне в керамические SMD-корпуса минимальных размеров 2,0х2,0 мм. Настоящим прорывом в решении задачи миниатюризации ПАВфильтров стала технология корпусирования ПАВ-фильтров по размеру кристалла технология CSSP (Chip Sized SAW Package) [21]. Суть её заключается в том, что сам кристалл ПАВ-фильтра становится своеобразным корпусом и несущей конструкцией для миниатюрного керамического основания с монтажными выводами. Технология корпусирования CSSP ПАВ-фильтров по размерам кристалла совершенствовалась и размеры фильтров сейчас составляют 1,4х1,1 мм. Дальнейшую миниатюризацию ПАВ-фильтров позволила осуществить корпусирование на уровне подложки по технологии WLP (Wafer Level Package). Изготовленный по технологии WLP фильтр для стандарта GSM 1900 обладает размерами 0,8×0,6 мм [19, 21].

Очевидно, что в ближайшее время гигагерцовые фильтры на ПАВ будут корпусироваться по технологии WLP подобно обычным SMD-компонентам типоразмера 0201.

Улучшение температурной стабильности.

Температурная стабильность АЧХ ПАВ-устройств зависит от температурного коэффициента частоты (ТКЧ) и определяется пьезоматериалом, из которого сделано ПАВ-устройство. До недавнего времени лучшими  пьезоматериалами  для ПАВ-устройств с высокой термостабильностью считались срезы кварца STX, ST-Z и лангасита, у которых ТКЧ≈0. В последнее время все шире стали использоваться термокомпенсированные (ТК) ПАВ-фильтры.

Самые распространенные ТК ПАВ-конфигурации – многослойные структуры LiTaO3/кремний или LiTaO3 / сапфир и SiO2/LiNbO3.

Первый метод термокомпенсации – использование в качестве несущей подложки материала с низким коэффициентом теплового расширения. Второй метод – использование материалов с различными по знаку ТКЧ. В многослойных структурах удается снизить ТКЧ с исходных высоких значений 40-75·10-6 1/° С до малых значений 0-25·10-6 1/° С [21, 22].

Считается, что улучшение температурной стабильности техники ПАВ в будущем за многослойными ТК структурами, поскольку именно они обеспечивают параметры, не встречающиеся в известных пьезоматериалах.

Увеличение входной мощности проходящего сигнала.

В связи с развитием сотовой телефонии встал вопрос выдерживания входной мощности радиосигналов единицы ватт для фильтров на ПАВ. Одной из основных причин, по которой фильтры на ПАВ выходят из строя при подаче сигнала большой мощности (порядка 1 Вт), является миграция атомов алюминия между электродами ВШП, возникающая при подаче напряжения и прохождении ПАВ [23].

Особенно сложной является задача реализации ПАВ-фильтров с высокой входной мощностью на частоты свыше 2 ГГц, при которых минимальный размер в электродных структурах составляет 0,5-0,55 мкм [13].

В лестничных (импедансных) фильтрах количество электродов в ВШП в 510 раз больше, чем в широкоизвестных DMS-фильтрах, что позволяет их использовать для обработки сигналов большой мощности. Кроме того, в таких фильтрах применяются секционированные преобразователи и/или их параллельное включение. Это позволяет распределить воздействие сигнала по большей площади пьезоэлектрической подложки и структуры ВШП и таким образом уменьшить локальные напряжения в электродных структурах ВШП. В результате мощность на пару электродов не превысит 2-3 мВт и структура ВШП не подвергнется разрушению.

На сегодняшний день известны фильтры на ПАВ на LiTaO3 и LiNbO3 в диапазоне частот 200-2170 МГц, выдерживающие входную мощность сигнала до 2,3 Вт [23]. Структурная схема фильтра на 2170 МГц – это последовательное и параллельное соединение множества ПАВ-резонаторов в виде ВШП с большим числом электродов и малым числом электродов в отражателях. В топологии фильтра использовалось многослойное напыление Ti+Al+Ti+Al. Фильтр имеет вносимые потери 1,8 дБ, полосу пропускания 82 МГц, коэффициент прямоугольности 1,9 [23].

В перспективе на основе изложенных конструктивно-технологических методов можно ожидать реализацию ПАВ-устройств, выдерживающих входную мощность единицы ватт в диапазоне частот до нескольких гигагерц.

Создание «интеллектуальных» устройств на ПАВ с новыми возможностями.

По-прежнему полосовые фильтры на ПАВ будут составлять основу техники ПАВ. Однако это будут более “интеллектуальные” фильтры с такими дополнительными возможностями, как преобразование импедансов, переход от небалансного включения к балансному или полное балансное включение и самосогласование для совмещения с современными микросхемами балансных усилителей и смесителей [24, 25].

Полосовые фильтры на ПАВ будут компонентами дуплексоров и мультиплексоров [22]. Например, в чипсете сотового приемопередатчика для поддержки стандартов GSM-850, EGSM-900, DCS-1800 и PCS-1900 фильтрация осуществляется ПАВ-фильтрами на частоты 850, 900, 1800, 1900 МГц соответственно [22]. ПАВ-фильтры, корпусированные по технологии CSSP или WLP, входят в состав такого модуля, изготовленного по технологии LTCC (низкотемпературная керамика). Вообще интеграция ПАВ-, WLPи LTCC-технологий станет платформой для дуплексоров, мультиплексоров и входных модулей смартфонов ближайших поколений.

В последние годы в технике ПАВ получили широкое развитие два направления – радиометки и датчики на ПАВ [21, 26-30].

Радиометки на ПАВ основаны на использовании кодированных устройств на ПАВ, которые реагируют только на сигнал с определенным кодом. Они позволяют дистанционно определять тип товаров в вагонах поездов, автомобилях, магазинах и даже осуществлять идентификацию личности.

Датчики или сенсоры на ПАВ основаны на изменении скорости ПАВ или акустических волн в тонких пластинках при попадании на поверхность даже малых количеств (нескольких молекул) жидких или газообразных веществ. Потенциально объем выпуска радиометок на ПАВ значительно превысит объем выпуска фильтров на ПАВ. Объединение радиометок с различными датчиками приведёт к созданию «интеллектуальных» устройств на ПАВ с возможностью измерения, например, давления, и радиопередачи сигнала с радиометки, содержащего информацию о коде метки и давлении (рис. 1) [26-31].

02-01

Исследования, необходимые для успешного развития техники ПАВ.

Для прогресса техники ПАВ по представленным перспективным направлениям развития необходимо проводить исследования, направленные на повышение технологического уровня устройств на ПАВ по таким аспектам, как: поиск и синтез монокристаллов новых пьезоматериалов; формообразование пластин и кристаллических элементов; прецизионное напыление металлических пленок с точностью до нескольких атомарных слоёв; прецизионная фотолитография для формирования элементов топологий с точностью до нескольких нм и с минимальным размеров менее 100 нм; интеграция ПАВ-, WLPи LTCCтехнологий для корпусирования [32-34]. Перечисленные исследования подготовят базу для создания новых теорий и физических моделей, а также для разработки новых классов и поколений устройств с уникальными характеристиками, определяющими мировой уровень развития техники ПАВ [35-37].

Список литературы

  1. Багдасарян А., Багдасарян С., Карапетьян Г., Машинин О., Синицына Т. Импедансные ПАВ-фильтры для телекоммуникационных систем. Российский приоритет. Электроника: Наука, технология, бизнес. № 7 (139). С. 48-65.
  2. Багдасарян А., Синицына Т., Машинин О., Иванов П., Егоров Р. / Устройства частотной селекции на ПАВ в современных системах связи, радиолокации и телекоммуникации Электроника: Наука, технология, бизнес. 2013. №8 (131). С. 128-136.
  3. Гуляев Ю.В., Багдасарян А.С. / Фильтры на ПАВ. Состояние и перспективы развития Радиотехника. № 8. С. 15.
  4. Карапетьян Г.Я., Днепровский В.Г., Багдасарян С.А., Багдасарян А.С., Николаев А.П., Кайдашев Е.М. Пассивный беспроводной датчик на поверхностных акустических волнах для измерения параметров газовых и жидких сред Инженерный вестник Дона. Т.20.№ 2. С.186-190.
  5. Багдасарян А.С. / Разработка акустоэлектронных устройств и их использование в аппаратуре приема, передачи и обработки информации // диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Санкт-Петербург, 1999
  6. Машинин О., Багдасарян А., Львов В., Прапорщиков В., Синицына Т., Багдасарян С. Модульные канальные эквалайзеры на ПАВ-фильтрах. Электроника: Наука, технология, бизнес. № 2. С. 74-81.
  7. Bagdasaryan , Bagdasaryan S., Butenko V., Kashenko A., Kashenko G., Semenov R. Estimation of quality and competiveness of radio-frequency identification system of objects and subjects on rail transport Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science proceedings of the 11th international conference, TCSET’ 2012 11th International Conference on Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science, TCSET’2012 sponsors: JSC ‘UkrTelecom’, APC by Shneider Electric, OJSC ‘ISKRA’, JSC ‘Lviv Radioelectronical Medical Apparatures Plant’, OJSC ‘Concern-Electron’, State Enterp. Ukr. State Cent. Radio Freq. Lviv Slavske, 2012. С. 137.
  8. Bagdasaryan , Bagdasaryan S., Butenko V., Kashenko A., Kashenko G., Semenov R. The formalized approach to a choice of a variant of radio-frequency identification system of equipment on rail transport Modern problems of radio engineering, telecommunications and computer science proceedings of the 11th international conference, TCSET’2012 11th International Conference on Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science, TCSET’2012 sponsors: JSC ‘UkrTelecom’, APC by Shneider Electric, OJSC ‘ISKRA’, JSC ‘Lviv Radioelectronical Medical Apparatures Plant’, OJSC ‘Concern-Electron’, State Enterp. Ukr. State Cent. Radio Freq. Lviv Slavske, 2012. С. 149.
  9. Багдасарян А. С., Багдасарян С.А., Бутенко В.В., Гуляев Ю. В., Телекоммуникационная среда в эпоху информационного общества: современное состояние технологии поверхностных акустических волн / В сборнике: Международная научно-техническая конференция «Информатика и технологии в промышленности и информатике» («МНТК ФТИ-2017»). Сборник научных трудов. Под редакцией Булатова М.Ф.. 2017. С. 28-34.
  10. Багдасарян А. С., Гуляев Ю. В., Синицына Т. В. Устройства на поверхностных акустических волнах: ближайшие перспективы / Высокие технологии в промышленности России : сб. науч. тр. ХХI Междунар. науч.-техн. конф. М. : МГТУ им. Н.Э. Баумана, С. 62–64.
  11. Багдасарян А. С., Гуляев Ю. В., Доберштейн С.А., Синицына Т. В. Техника ПАВ: ближайшие перспективы / Техника радиосвязи. №3 (34). С.72-84
  12. Low propagation loss in a one-port resonator fabricated on single-crystal diamond / Fujii [et al.] // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. 2011. P. 555–558.
  13. High Q-factor STW-Resonators on AT-Cut of Quartz / C. U. Kim [et ] // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. 2007. P. 2582–2585.
  14. Fundamental mode 5 GHz surface-acoustic-wave filters using optical lithography /T. Makkonen [et al.] // Applied Physics Letters. Vol. 83(17). P. 3596–3598.
  15. Kadota , Ogami T. High Frequency Lamb Wave Resonator using LiNbO3 Crystal Thin Plate and Application to Tunable Filter // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. 2010. P. 962–965.
  16. Jie Zou and S. Lam. Electrode Design of AlN Lamb Wave Resonators // Proc. IEEE Frequency Control Symposium. 2016. P. 547–551.
  17. SAW Impedance Element Filters for 5 GHz and beyond / S. Lehtonen [et ] // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. 1999. P. 395–399.
  18. Радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах в диапзоне частот 6 ГГц / Ю. В. Гуляев [et al.] // Радиотехника и электроника. Т. 60,№ 4. P. 429–432.
  19. 0806 SAW Filters using Wafer Level Packaging Technology / Fucano [et al.] // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. 2007. Р. 68–71.
  20. Satoh , Ikata O. Ladder type SAW filter and its application to high power SAW devices // International Journal of High Speed Electronics and Systems. Vol. 10, no. 3 (2000). Р. 825–865.
  21. Багдасарян С.А. , Гуляев Ю. В. Акустоэлектронные технологии в радиочастотной идентификации / Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. № 4. С. 24.
  22. Lam S. A Review of the Timing and Filtering Technologies in Smartphones // Proc. IEEE Frequency Control Symposium. 2016. P. 48–53.
  23. Багдасарян А. С., Синицына Т. В. Фильтры на ПАВ, выдерживающие входную мощность радиосигнала 1–2 Вт, для телекоммуникационной аппаратуры // Техника радиосвязи. Вып. 3 (30). С. 80–89.
  24. Доберштейн С. А. Балансные ПАВ-фильтры с малыми потерями и преобразованием импедансов // Успехи современной радиоэлектроники. № 12. С. 18–28.
  25. Частотно-избирательные микроблоки на основе фильтров на поверхностных акустических волнах / Т. В. Синицына [и др.] // Радиотехника. № 5. С. 105–111.
  26. Багдасарян С. А. ПАВ-технологии в системах радиочастотной идентификации. Электронная промышленность. 2004.№ С.170.
  27. Гуляев Ю. В., Багдасарян С. А. Радиочастотная идентификация с использованием технологии ПАВ // Наука и технологии в промышленности. № 1. С. 54.
  28. Багдасарян А.С., Гуляев Ю.В., Никитов С.А., Багдасарян С.А., Синицына Т.В., Бутенко В.В., Машинин О.В., Прапорщиков В.В. / Узкополосные фильтры на поверхностных акустических волнах в системах радиочастотной идентификации // Радиотехника и электроника. Т. 53,№ 7. С. 887–896.
  29. Багдасарян С., Днепровский В., Карапетьян Г., Нефедова Н., Синицына Т. / ПАВдатчики дистанционного контроля физических величин // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2008.№ С. 46-51.
  30. Bagdasarian A.S., Bagdasaryan A., Dneprovski V.G., Karapetyan G.Y. / To issue on development of piezoelectric devices on surface acoustic waves // Piezoelectric devices and Related Materials: Investigations and Applications. Nova Science Publishers, N. Y., 2012. P. 189–238.
  31. Багдасарян С. А., Николаева С.О., Подшивалов Г.В., Семенов Р.В. Оценка дальности действия систем радиочастотной идентификации в условиях природных и техногенных катастроф / Теория и техника радиосвязи. № 4. С.11-16.
  32. В. В. Бутенко, Багдасарян А.С., Багдасарян С.А., Карапетьян Г.Я., Николаева С.О. / Акустоэлектронные идентификационные метки в керамике LTCC // Труды научноисследовательского института радио. 2013.№ 1. С. 16–23.
  33. Багдасарян А., Багдасарян С., Бутенко В.В., Карапетьян Г. / Радиочастотные метки на ПАВ Особенности конструкции и технологии // Электроника: Наука, технология, бизнес. № 7. (121). С. 076-082.
  34. Багдасарян А., Багдасарян С., Днепровский В., Карапетьян Г. Николаева С. / Малогабаритные радиочастотные метки на ПАВ. Расширение функциональных возможностей // Электроника: Наука, технология, бизнес. № 3. (134). С. 70-76.
  35. Багдасарян А., Багдасарян С., Николаев В.И., Николаева С.О. / Фундаментальные основы создания перспективной элементной базы систем мониторинга критически важных объектов: беспроводные датчики на ПАВ // М. Сборник научных трудов МНТК ОПТОТЕХ-2017. С.
  36. Багдасарян А., Багдасарян С., Кащенко Г.А., Кащенко А.Г.,  Николаев В.И., Николае ва С.О. / Фундаментальные основы создания перспективной элементной базы систем радиочастотной идентификации с повышенной дальностью действия: радиочастотные компоненты на поверхностных акустических волнах c невзаимными СВЧ устройствами // М. Сборник научных трудов МНТК ОПТОТЕХ-2017. С.
  37. Дорофеева С.С., Егоров Р.В., Синицына Т.В. / Фильтры на ПАВ на основе катангасита // М. Сборник научных трудов МНТК ОПТОТЕХ-2017. С.