Термокомпенсированные ПАВ — устройства на основе многослойных структур

Введение.

В настоящее время устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ) широко применяются в радиоэлектронной аппаратуре различного функционального назначения. При этом они решают большой круг задач, основными из которых являются формирование, стабилизация, селекция частоты и обработка сигналов. Уникальные эксплуатационные характеристики ПАВ-устройств (высокие технические показатели при минимальных массогабаритных характеристиках, минимальные кратковременная и долговременная нестабильность частоты, стойкость к воздействию специальных и внешних воздействующих факторов, малое время готовности и длительный срок службы) обусловили их эффективное использование в составе систем связи и управления существующих и перспективных образцов военной техники, а также телекоммуникационных системах гражданского назначения. Ближайшими перспективами развития техники ПАВ [1] являются: расширение диапазона рабочих частот, уменьшение вносимого затухания, уменьшение размеров, увеличение входной мощности проходящего сигнала, улучшение температурной стабильности.

В работе исследованы свойства термостабилизации ПАВ-устройств в расширенном диапазоне частот и полосы пропускания сигнала.

Результаты исследований и обсуждение.

Температурная стабильность ПАВ-устройств определяется электрофизическими свойствами используемого пьезоэлектрика. Для реализации узкополосных и сверхузкополосных устройств на ПАВ давно и успешно применяются различные срезы кварца, лангасита и катангасита, которые обеспечивают близкий к нулю температурный коэффициент частоты (ТКЧ) [2, 3]. Реализация средне и широкополосных ПАВустройств с малым вносимым затуханием, предназначенных для работы во входных каскадах радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), на данных пьезоматериалах невозможна, что обусловлено малым коэффициентом электромеханической связи k2. В то же время, такие пьезоэлектрики, как танталат лития ниобат (LT) и ниобат лития (LN), обладающие большим k2, имеют большой ТКЧ (от 36 х 10-6 ед./град. до 94 х 10-6 ед./град.), что в ряде случаев может ограничивать область применения ПАВ-устройств, реализованных на их основе.

До недавнего времени единственным эффективным методом реализации термокомпенсированных средне и широкополосных ПАВ-устройств было использование слоистых структур SiO2/LiNbO3, рис. 1. Данные материалы имеют различные по знаку ТКЧ, что позволяет улучшить термостабильность ПАВ-устройства более, чем в 4 раза [4, 5] по сравнению со стандартным прототипом. Однако наличие дополнительных вносимых потерь (от 2 до 5 дБ), свойственных данному методу, и сложная технология изготовления существенно ограничивает область его применения.

Дальнейшие исследования в данном направлении позволили создать новый тип термокомпенсированного слоистого материала [5], обеспечивающий высокий коэффициент связи в совокупности с низким ТКЧ. В качестве несущей подложки в данном случае используется материал с низким коэффициентом теплового расширения (кремний или сапфир), рис. 2, которая соединена методом диффузии или с помощью тонкого слоя клея с пьезоэлектрической пластиной, которая затем шлифуется до требуемой толщины. Так, компания NANO’LN (Китай) изготавливает пластины, в которых толщина пьезоэлектрической пленки варьируется в пределах 300…700 нм для ниобата лития и 5…50 мкм для танталата лития.

01-01

Несмотря на перспективность данного направления, которая в первую очередь связана с возможностью использования стандартного технологического процесса для изготовления термокомпенсированных ПАВ-устройств, исследования в данной области носят ограниченный характер и в основном направлены на реализацию малого ТКЧ. Однако исследования, проведенные авторами данной статьи, показали, что использование термокомпенсированного слоистого материала может существенно искажать характеристику ПАВ-устройства, что говорит о необходимости проведения более глубоких исследований в данном направлении (в частности, по определению оптимальной толщины пьезоэлектрической пленки для конкретных диапазонов частот и полос пропускания). Так, в рамках данной работы были проведены сравнительные исследования образцов ПАВ-фильтров на номинальную частоту 800 МГц  с  полосой  пропускания 4,5 %, изготовленных на слоистой пластине 42°LT&Si с толщиной монокристаллической пленки 42°LT 20 мкм и на стандартной пластине 42°LT. Исследования температурной стабильности фильтров в диапазоне температур от минус 60°С до +85°С показали более, чем двукратное улучшение ТКЧ для фильтров, реализованных на слоистой пластине, рис. 3-6.

01-02

01-03

Из сравнения приведенных на рис. 3-6 результатов следует, что при использовании слоистой пластины 42°LT&Si при толщине пленки 42°LT 20мкм (относительная толщина пленки 4%) эффективная скорость волны увеличивается на величину порядка 1% (с 4000 м/с до 4037,5 м/с), что подтверждается информацией, приведенной в работах [6, 7]. При этом с уменьшением толщины пьезоэлектрической пленки эффективная скорость будет возрастать и при толщинах пленки порядка 0,2 % увеличение может достигать 10 %.

Кроме того, исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фильтров в широком диапазоне частот показали, что в высокочастотной области полосы заграждения фильтра на основе 42°LT&Si-структуры существует паразитный отклик, обусловленный возбуждением мод высшего порядка, рис. 7, что связано с не оптимальной толщиной пьезоэлектрической пленки для данного диапазона частот.

01-04

Заключение.

Таким образом, термокомпенсированные слоистые материалы могут быть использованы для реализации термостабильных ПАВ-устройств, однако требуется проведение дополнительных исследований в части оптимизации геометрии слоистой структуры для конкретных диапазонов частот и полос пропускания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Багдасарян А.С., Гуляев Ю.В., Синицына Т.В. Устройства на поверхностных акустических волнах: ближайшие перспективы / В сборнике: Высокие технологии в промышленности России: Сборник научный трудов ХХI Международной научнотехнической конференции Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана. 2016. С. 62–64.
  2. Синицына Т.В., Дорофеева С.С., Груздев А.С. Пьезокристаллы для высокостабильных устройств на ПАВ // Труды НИИР. 2016. № 3. С. 10-17.
  3. 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. С. 112-115.
  4. Герасимова Т.А., Кондратьев С.Н., Синицына Т.В. Термостабильные ПАВ-фильтры на слоистой структуре // Электронная техника, сер. Радиодетали и радиокомпоненты. 1989. вып. 1(74). С. 61-63.
  5. Nakamura H., Nakanishi H., Fujiwara J., Tsurunari T.A. Review of SiO2 Thin Film Technology for Temperature Compensated SAW Devices // Proc. Sixth International Symposium оn Acoustic Wave Devices  for  Future  Mobile  Communication    2015.  P. 67-72.
  6. Michio Kadota, Shuji Tanaka. Improved Quality Factor of Hetero Acoustic Layer (HAL) SAW Resonator Combining LiTaO3 Thin Plate and Quartz Substrate // Proc. IEEE Ultrason. Symp.
  7. Hayashi J., Gomi M. High-Coupling Leaky SAWs on LiTaO3 Thin Plate Bonded to Quartz Substrate // Proc. IEEE Ultrason. Symp.