+7 (495) 280-02-06
info@butis.ru
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.
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.
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.
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.
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.
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%).
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 %).
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.
