ПАВ РЕЗОНАТОРЫ НА ОСНОВЕ КАТАНГАСИТА

Дорофеева С.С. ООО "БУТИС", научный сотрудник ,аспирант;

Синицына Т.В. ООО "БУТИС", главный конструктор ,к.т.н.;

Егоров Р.В. ООО "БУТИС", ведущий инженер

ИСТОЧНИК:   

РОССИЙСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ. ИНФОРМАТИКА И ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ИНФОРМАТИКЕ

Сборник докладов конференции. Москва, 2019

Издательство: МИРЭА - Российский технологический университет (Москва)

КОНФЕРЕНЦИЯ:       

ИНФОРМАТИКА И ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ИНФОРМАТИКЕ

Москва, 11-12 апреля 2019 г.

Сотрудниками ООО «БУТИС» в рамках гранта № 17-07-01372 А проведены исследования ПАВ-фильтров, обеспечивающих обработку РЧ-сигналов большой мощности (до 5,7 Вт), в том числе с использованием новых пьезоматериалов.

Организаторы: Физико-технологический институт, МИРЭА - Российский технологический университет настоящее время все более актуальными становятся задачи контроля физических процессов в условиях экстремальных температур (до 500ºС), в связи с чем разработка датчиков физических величин является перспективным направлением развития акустоэлектроники [1]. Радиочастотные датчики на ПАВ являются пассивными устройствами, не требующими источников питания и способными работать в присутствии механических нагрузок, магнитных полей и при воздействии различных дестабилизирующих факторов.

От материала чувствительного элемента датчика зависят его основные характеристики - диапазон рабочих температур и чувствительность к перепадам внешних воздействий. Следовательно, в первую очередь необходим детальный анализ и исследования возможных пьезоэлектрических подложек.

Чувствительные элементы на основе кварца имеют ограничения по рабочей температуре из-за наличия фазового α-β перехода свыше 350°С [2]. Кристаллы ниобата лития и танталата лития в отличие от кварца имеют более высокую температуру фазового перехода (температура Кюри 1143°С), однако они являются сильными пироэлектриками [3], в которых при изменении температуры окружающей среды возникают паразитные электрические заряды в межэлектродных областях встречно-штыревого преобразователя (ВШП), приводящие к электрическому пробою электродной структуры. Данный эффект резко ограничивает их использование в условиях сильных изменений температур.

В настоящей работе проведены исследования кристалла катангасита КТГС (Ca3TaGa3Si2O14), принадлежащего семейству галогерманатов. Эта группа кристаллов отличается от выше указанных кристаллов отсутствием фазовых переходов (до температуры плавления 1400°С) и пироэффекта. Кристаллы КТГС обладают уникальными физическими свойствами для работы в условиях экстремальных температур, в частности, высоким удельным сопротивлением и химической стойкостью, что позволяет сохранить работоспособность чувствительных элементов до предельно высоких температур. В ходе выполнения работы были исследованы различные кристаллографические ориентации чувствительных элементов для работы в условиях экстремальных температур.

Поскольку кристалл катангасита анизотропен, он имеет cрезы с разными значениями температурного коэффициента частоты в зависимости от угла поворота. Учитывая исследования скорости и коэффициента электромеханической связи, приведенные в [4], были выбраны срезы катангасита с углами Эйлера (0°, 90°, ψ), где ψ варьируется от 0° до 40°, поскольку в выбранном диапазоне углов можно реализовать резонатор с высокой добротностью.

В работах [5-7] нами проводились исследования необходимых пьезоакустических свойств катангасита с целью его применяемости в ПАВ технике. Дальнейшие исследования были направлены на поиск оптимальной конструкции резонаторов с целью обеспечения более высокой добротности. Оптимизация проводилась по величине апертуры и количеству электродов в ВШП и отражателях.

Тестовая структура представляет собой несколько вариантов топологий одновходового резонатора на частоту 209 МГц (тестовый фотошаблон 1717, рис. 1).

Для всех вариантов топологии одинаковыми были следующие параметры: в преобразователях и отражателях использованы одинарные (нерасщеплённые) электроды, обеспечивающие максимальный уровень переотражений; период в электродных структурах ВШП и отражателя (длина волны λ) равен 13,17 мкм; коэффициент металлизации 0,5; толщина пленки Al - 3000 Ǻ (включая подслой Ti - 70 Ǻ).Различались варианты количеством штырей в ВШП и отражателях,  а так же величиной перекрытий (апертуры). Габаритный размер пьезоэлемента составил 20х15 мм.

Рис. 1. Тестовый фотошаблон 1717. Варианты топологии а) 1 вариант v1, б) 2 вариант v1o100, в) 3 вариант v3, г) 4 вариант w600, д) повернутые топологии резонатора (а)

При изготовлении макетных образцов использовались пластины (0˚,90˚, ψ) среза КТГС толщиной 0,35 мм, изготовленные ОАО «Фомос-Материалс».

Сравнительные результаты экспериментальных исследований (S-параметры) резонаторов на основе (0˚,90˚,0˚) среза КТГС приведены на рис. 2.

Рис. 2. Сравнительные результаты экспериментальных исследований резонаторов при последовательном включении: S11-параметры (зеленая линия – вариант 1, красная линия – вариант 2, синяя линия – вариант 3, оранжевая линия – вариант 4)

Из графиков видно, что лучшую избирательность обеспечивает вариант 1 (черная линия), что совпадает с результатами теоретического анализа. Поэтому он был использован  для определения оптимальной кристаллографической ориентации относительно угла ψ (от 0˚ до 40° с шагом 10°, см. рисунок 1д). На рис. 3 приведены результаты исследований резонаторов (вариант 1) для различных значений угла поворота ψ.

Рис. 3. Результаты исследований зависимости S11-параметров резонатора (вариант 1) от угла ψ при последовательном включении: а) фиолетовая линия – ψ=0о, зеленая линия – ψ=10о, красная линия – ψ=20о,синяя линия – ψ=30о оранжевая линия – ψ=40о 

Проведенный комплекс исследований позволил определить зависимости эффективной скорости волны и коэффициента отражения как функции угла ψ для (0˚,90˚, ψ) среза КТГС. На рис. 4 приведена зависимость эффективной скорости волны от угла ψ при коэффициенте металлизации в электродных структурах 0,5 и толщине пленки Al 2,3%.

Рис. 4. Зависимость эффективной скорости волны от угла ψ для (0˚,90˚, ψ) среза КТГС от длины волны: красная линия – по результатам измерений S12-параметров; синяя линия – по результатам измерений S11-параметров (последовательное включение)

С целью определения оптимальной конструкции резонатора в заданном диапазоне температур (от минус 60ºС до плюс 500ºС) были проведены дополнительные исследования температурной стабильности резонаторов (вариант 1) для разных углов ψ (0˚…40˚ с шагом 10˚) в диапазоне температур от минус 60ºС до плюс 85ºС. Результаты исследований приведены на рис. 5, 6.

Рис. 5. Сводные результаты исследований температурной стабильности резонаторов (вариант 1) для разных углов ψ в диапазоне температур от минус 60ºС до плюс 85ºС: голубая линия - ψ=0˚; черная - ψ=10˚; синяя - ψ=20˚; розовая - ψ=30˚; коричневая - ψ=40˚

Рис. 6. Типовые характеристики резонатора (вариант 1: параметр S12 при последовательном включении) при угле ψ=10˚ в диапазоне температур от минус 60ºС до плюс 85ºС. Проведенные температурные исследования выбранных срезов катангасита согласуются с данными [4]. Так, резонаторы, реализованные на (0˚,90˚, 0˚) и (0˚,90˚, 10˚) срезах КТГС, имеют практически одинаковый относительный уход частоты, при этом их ТКЧ составляет примерно -33,3…-33,5 ppm/ºС. При увеличении угла ψ до 20˚ ТКЧ уменьшается до -27 ppm/ºС, сохраняя линейную зависимость. При угле ψ=30˚ характеристика ТКЧ начинает приобретать параболическую зависимость (ТКЧ2=-0,003Т-0,03Т2 ppm/º) с точкой перегиба примерно при минус 237ºС (при линейной интерполяции ТКЧ=-14,8 ppm/ºС). Для угла ψ = 40˚ характеристика ТКЧ носит ярко выраженный параболический характер (ТКЧ=0,001Т-0,056Т2) с точкой перегиба при +36ºС.

Проведенные исследования показывают, что максимальную добротность (5000) обеспечивает (0˚,90˚, 0˚) срез КТГС, что говорит о достаточно высоком коэффициенте связи для данной кристаллографической ориентации. Также этот срез является оптимальным для применения в высокотемпературных датчиках физических величин, поскольку обеспечивает максимальную чувствительность сенсора к изменению условий эксплуатации.

Список литературы              

  1. Гуляев Ю.В. Акустоэлектроника (исторический обзор) // УФН. 2005. Т. 175. № 8. С. 887-895.
  2. Haines J., Cambon O., Keen D., Tucker M., Dove M. Structural disorder and loss of piezoelectric properties in α-quartz at high temperature // Applied Physics Letters. 2002. V. 81. P. 2968.
  3. Сотников А.В., Kunze R., Schmidt H., Weihnacht M., Hengst M., Götze J. Пьезоэлектрические и упругие свойства монокристаллов Sr3NbGa3Si2O14 (SNGS) // ФТТ. 2009. Т. 51. № 2. С. 261-264.
  4. Sakharov S., Zabelin A., Medvedev A., Bazalevskaya S., Buzanov O., Kondratiev S., Roschupkine D., Shvetsov A., Zhgoon S. Investigation of the CTGS Single Crystals Potential for High Temperature SAW Devices // Proc. IEEE Int. Ultrasonic Symp. 2013. P. 1085-1088.
  5. Синицына Т.В., Дорофеева С.С. Исследования пьезоэлектрических свойств КТГС и кварца для ПАВ–устройств // В сборнике: Высокие технологии в промышленности России. Сборник научный трудов ХХI Международной научно-технической конференции Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана. 2016. С.24-29.
  6. Синицына Т.В., Дорофеева С.С., Груздев А.С. Пьезокристаллы для высокостабильных устройств на ПАВ // Труды НИИР. 2016. № 3. С. 10-17.
  7. Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Дорофеева С.С. Перспективные пьезокристаллы для высокостабильных устройств на ПАВ // В сборнике: Оптические технологии, материалы и системы. Сборник научных трудов Всероссийской научно-технической конференции. Московский технологический университет, Физико-технологический институт. 2016. С.112-115.