Результаты экспериментальных исследований влияния различных по составу электродных структур на характеристики преобразователя и ПАВ устройства в целом

Введение.

В настоящее время в современных системах приема, обработки и передачи информации различного функционального назначения используются фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые в силу конструктивных особенностей имеют ряд проблем, связанных с ограничением допустимой мощности входного радиосигнала [1]. Единственным на сегодняшний день типом конструкции ПАВ-фильтров, позволяющим решить данную задачу, являются конструкции импедансного (лестничного) типа, реализованные на основе Г-, П- и Т-образных резонаторных звеньев [2], преимуществом которых является большая протяженность электродных структур во  встречно-штыревых преобразователях (ВШП) – до 400 электродов. Это позволяет распределить воздействие сигнала по гораздо большей площади пьезоэлектрической подложки и по большей площади структуры ВШП и, как следствие, уменьшить локальные напряжения в электродных структурах преобразователей даже при больших мощностях входного радиочастотного (РЧ) сигнала.

Кроме того в мировой практике для реализации ПАВ-фильтров с высокой входной мощностью применяют более сложные по составу и геометрии пленочные слои в ВШП, что требует наличия большого спектра оборудования и усложнения технологического процесса изготовления. Результаты проведенных авторами  исследований показали, что использование оригинальных конструктивных приемов, основанных на применении секционированных ВШП или их параллельное/последовательное включение, позволяет реализовать на основе стандартной фотолитографии ПАВ-фильтры, обеспечивающие обработку РЧ сигналов мощность до 4,2 Вт.

 

Результаты экспериментальных исследований.

Для проведения исследований влияния различных по составу электродных структур на характеристики преобразователя и ПАВ устройства в целом была разработана топология ПАВ-фильтра импедансного типа на номинальную частоту              655 МГц (ширина полосы пропускания 5%). Для реализации оптимального соотношения импедансов последовательного и параллельного резонаторов и улучшения равномерности распределения проходящей энергии по площади пьезоэлемента, резонаторы выполнены в виде идентичных пар резонаторов, включенных последовательно (Res1- Res1; Res3-Res3) и параллельно (Res2-Res2). При этом последовательно включенные резонаторы Res1 и Res3 выполнены в виде секционированных ВШП, что позволяет примерно в четыре раза увеличить импеданс данных элементов [3]. Основные конструктивные параметры элементов фильтра приведены в табл.1. Структурная схема импедансного ПАВ-фильтра, реализованного на основе YXl/-41о-среза ниобата лития показана на рис.1.

 

Таблица 1 - Конструктивные параметры элементов импедансного ПАВ-фильтра на номинальную частоту 655 МГц

Элемент Число штырей  в решетке Число электродов в ВШП Апертура, мкм Коэффициент металлизации Период электродов,

мкм

Res 1 10 379 212 0,42 3,198
Res 2 3 258 112 0,42 3,464
Res 3 15 185 212 0,42 3,194

 

На основе данной топологии для проведения исследований были изготовлены 3 варианта фильтров, реализованных на различных типах двухслойных структур (табл.2). Резонаторные структуры сформированы методом обратной фотолитографии с применением электронно-лучевого вакуумного напыления. Толщины слоев алюминия титана и ванадия выбирались таким образом, чтобы массовая нагрузка на поверхность пьезоэлектрика была идентичной.

2_1

Рис.1 Структурная схема импедансного ПАВ-фильтра на номинальную частоту 655 МГц

Таблица 2 - Типы многослойных структур, использованные для реализации импедансного ПАВ-фильтра на номинальную частоту 655 МГц

Количество слоев Толщина слоев Общая толщина пленки
2 слоя Ti-300Å/Al-2700Å (Ti – 10% от общей толщины) 3000Å
2 слоя V-300Å/Al-2500Å  (V – 11%) 2800Å
2 слоя Ti-600Å/Al-2200Å  (Ti – 21%) 2800Å

 

На рис.2 представлены экспериментальные характеристики импедансных ПАВ-фильтров на основе двухслойной структуры Ti-300Å/Al-2700Å – 1, на основе двухслойной структуры V-300Å/Al-2500Å – 2 и на основе двухслойной структуры               Ti-600Å/Al-2200Å – 3.

2_22_3

Рис.2 Сравнение характеристик ПАВ-фильтров на основе двухслойных структур              

 

Из рис. 2 следует, что при идентичной массовой нагрузке на поверхность пьезоэлектрика влияние различных по составу многослойных структур на характеристики ВШП и фильтра в целом незначительно.

Для проведения испытаний на воздействие сигнала повышенной мощности от 0,1 Вт до 4,2 Вт использовался специализированный стенд [4], обеспечивающий максимальную мощность выходного сигнала 20 Вт в диапазоне частот от 20 до 4000 МГц. Испытания проводились при повышенной температуре окружающей среды +85°С.

Рисунки 3-5 и таблицы 3-5 показывают изменение вносимого затухания от мощности входного сигнала и длительности его воздействия.

Таблица 3 – Изменение вносимого затухания от длительности воздействия и мощности входного сигнала для двухслойной структуры Ti-300Å/Al-2700Å

Мощность, Вт 0,1 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,2
Образец №1,

Вносимое затухание, МГц

3,77 3,78 3,78 3,8 3,84 3,72 3,72
Образец №2,

Вносимое затухание, МГц

3,74 3,73 3,72 3,76 3,78 3,76 3,74
Время, ч 0,5 0,5 0,5 2 0,5 0,5 0,5 2

 

2018-12-12_14-16-21

Рис.3. Результаты испытаний ПАВ-фильтра, реализованного на основе двухслойной структуры Ti-300Å/Al-2700Å

Таблица 4 – Изменение вносимого затухания от длительности воздействия и мощности входного сигнала для двухслойной структуры V-300Å/Al-2500Å

Мощность, Вт 0 1 1,3 1,5 1,8 2,5 2,8 3 3,3 3,5 3,8 4 4,2
Образец №1,

Вносимое затухание, МГц

3,5 3,41 3,42 3,4 3,42 3,44 3,43
Образец №2,

Вносимое затухание, МГц

3,49 3,5 3,6 3,6 3,56 3,6 3,65 3,6
Время, ч 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 2

 

2018-12-12_14-17-17

Рис.4 Результаты испытаний ПАВ-фильтра, реализованного на основе двухслойной структуры V-300Å/Al-2500Å

Таблица 5 – Изменение вносимого затухания от длительности воздействия и мощности входного сигнала для двухслойной структуры Ti-600Å/Al-2200Å

Мощность, Вт 0 1 2 3 4 4,2
Образец №1,

Вносимое затухание, МГц

3,74 3,73 3,77 3,76
Образец №2,

Вносимое затухание, МГц

3,72 3,69 3,68 3,69
Время, ч 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 2

 

2018-12-12_14-18-16

Рис.5 Результаты испытаний ПАВ-фильтра, реализованного на основе двухслойной структуры Ti-600Å/Al-2200Å

Выводы:

  1. При идентичной массовой нагрузке на поверхность пьезоэлектрика влияние различных по составу многослойных структур на характеристики ВШП и фильтра в целом незначительно.
  2. Все  типы двухслойных структур выдержали воздействие РЧ-сигнала мощностью 4 Вт (длительные испытания продолжаются).

 

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 17-07-01372 А.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Синицына Т. В., Гарифулина А.Т., Груздев А.С., Багдасарян А.С. Исследование эксплуатационных характеристик ПАВ фильтров в условиях повышенной мощности входного сигнала // В сборнике: Международная научно-техническая конференция «Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике» 2017. С. 258–261.
  2. Синицына Т. В., Гарифулина А.Т. Конструктивно-технологические особенности реализации фильтров на ПАВ с высокой входной мощностью // В сборнике: Международная научно-техническая конференция «Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике» 2016. С. 191–194.
  3. Багдасарян А. С., Синицына Т. В., Груздев А.С., Гарифулина А.Т. Базовые конструкции фильтров на ПАВ с высокой входной мощностью для радиотехнических систем связи // В сборнике: Высокие технологии в промышленности России. Тонкие пленки в электронике. Наноинженерия. Сборник научный трудов ХХI Международной научно-технической конференции, XXVIII Международного симпозиума и VIII Международной научно-технической конференции. 2016. С. 35–41.
  4. Синицына Т.В., Машинин О.В., Багдасарян А. С., Львов В.Ф., Гарифулина А.Т.. Испытания ПАВ фильтров на воздействие сигнала с высокой входной мощностью // Труды НИИР. 2015. № 3. С. 9-13.