ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН: БЛИЖАЙШИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

Введение

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.

В настоящее время технология поверхностных  акустических  волн (ПАВ) – одна из самых инновационных технологий в мире, а устройства на ПАВ являются ключевыми элементами систем телекоммуникаций, идентификации, контроля состояния окружающей среды. На основе мировых тенденций можно выделить следующие ближайшие перспективы развития технологии ПАВ [1]: 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

Рабочая частота f0 любого ПАВ-устройства определяется по формуле f0=V/p, где V –скорость ПАВ, p – период электродов встречно-штыревых преобразователей (ВШП).

Рис. 1. АЧХ фильтра на ПАВ на f0=5 ГГц c вносимыми потерями 3 дБ

Повышение рабочих частот устройств на ПАВ связано с решением простой на первый взгляд задачи: использовать пьзоматериалы с высокой V или уменьшать p. Первый вариант требует уникальные материалы с большой V или использование определенных типов акустических волн с большой V в стандартных пьезоматериалах. Известны резонаторы на подложке из алмаза с пьезоэлектрической пленкой AlN на f0=5,3 ГГц (V =10000 м/с) с добротностью 2440 [2], резонаторы на поверхностных поперечных волнах на кварце с f0=1,9 ГГц (V>5000 м/с) с добротностью 7200 [3], лестничные фильтры на продольных вытекающих волнах на LiNbO3 с f0=5 ГГц (V=6100 м/с) с вносимыми потерями 3 дБ [4]. Перспективной для увеличения рабочих частот является технология на волнах Лэмба [5, 6]. Скорость акустической волны для определенной моды волны Лэмба может достигать 15000 м/с. Возбуждая такую волну ВШП, например, с p = 2,63 мкм, можно получить устройства с f0 около 5 ГГц [5]. Во втором случае используются стандартные пьезоматериалы LiNbO3, LiTaO3, но электронно лучевая литография, позволяющая получить электроды c p до 100 нм. Известны импедансные фильтры с f0=5 ГГц на LiTaO3 [7] и радиометки с f0=6 ГГц на LiNbО3 [8]. На рис. 1 показана амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) фильтра на ПАВ с f0=5 ГГц. На основе представленных данных 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 технологии ПАВ. Сегодня вносимые потери 1 дБ обеспечиваются в самосогласованных кольцевых структурах и на однонаправленных  ВШП  на  низких  частотах до 200 МГц. На резонаторных двухмодовых структурах (DMS-фильтры) и резонаторных лестничных структурах (импедансные фильтры) вносимые потери 1 дБ достигаются уже в гигагерцовом диапазоне (рис. 2) [9, 10]. При использовании 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 в указанных типах фильтров на ПАВ.

Рис. 2. АЧХ фильтра на ПАВ на f0=880 МГц с вносимыми потерями 1 дБ

Уменьшение размеров

Сегодня ведущие мировые производители корпусируют свои ПАВ- фильтры в гигагерцовом диапазоне в SMD-корпуса размерами 2,0х2,0 мм. Настоящим прорывом в миниатюризации ПАВ-фильтров стала технология корпусирования ПАВ-фильтров по размеру кристалла – технология CSSP (Chip Sized SAW Package) [11]. В этом случае сам кристалл ПАВ-фильтра становится корпусом и несущей конструкцией для миниатюрного 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  позволило осуществить   корпусирование на уровне подложки по технологии WLP (Wafer Level Package). Изготовленный по технологии WLP фильтр (рис. 3) для стандарта GSM 1900 обладает размерами 0,8×0,6 мм [9, 11]. Очевидно, что в ближайшее время гигагерцовые фильтры на ПАВ будут корпусироваться по технологии WLP подобно обычным SMD- компонентам типоразмера 0201.

Рис. 3. Фильтр на ПАВ размерами 0,8х0,6 мм корпусированный по технологии WLP

Улучшение температурной стабильности

Температурная стабильность АЧХ ПАВ-устройств зависит от температурного коэффициента частоты (ТКЧ) и определяется пьезоматериалом, из которых они сделаны. 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 (рис. 4). 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 [11, 12]. Улучшение температурной стабильности техники ПАВ в будущем за многослойными ТК структурами, поскольку именно они обеспечивают параметры, не встречающиеся в известных пьезоматериалах.

Рис. 4. Двухслойные структуры ТК ПАВ-фильтров

Увеличение входной мощности проходящего сигнала

В связи с развитием сотовой телефонии встал вопрос выдерживания входной мощности радиосигналов единицы ватт для фильтров на ПАВ. Особенно сложной является задача реализации ПАВ-фильтров с высокой входной мощностью на частоты свыше 2 ГГц, при которых минимальный размер в электродах составляет 0,5-0,55 мкм [13]. В лестничных (импедансных) фильтрах количество электродов в ВШП в 5-10 раз больше, чем в DMS-фильтрах. Кроме того, в таких фильтрах применяются секционированные преобразователи и/или их параллельное включение. Это позволяет распределить воздействие сигнала по большей площади пьезоэлектрической подложки и таким образом уменьшить локальные напряжения в электродах ВШП. В результате мощность на пару электродов не превысит 2-3 мВт и структура ВШП не подвергнется разрушению. На сегодняшний день известны ПАВ-фильтры на LiTaO3 и LiNbO3 в диапазоне частот 200-2170 МГц, выдерживающие входную мощность сигнала до 2,3 Вт [13]. Структура фильтра на 2170 МГц – это последовательное и параллельное соединение множества ПАВ-резонаторов в виде ВШП с большим числом электродов с многослойным напылением Ti+Al+Ti+Al (рис.5). Фильтр имеет вносимые потери 1,8 дБ, полосу пропускания 82 МГц, коэффициент прямоугольности 1,9 [13]. В перспективе на основе изложенных конструктивно-технологических методов можно ожидать реализацию ПАВ-фильтров, выдерживающих входную мощность единицы ватт в диапазоне частот до нескольких гигагерц.

Рис. 5. Структурная схема импедансного фильтра с высокой входной мощностью

Создание интеллектуальных устройств на ПАВ с новыми возможностями

Полосовые фильтры на ПАВ составляют 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 (рис. 6) [14, 15]. Полосовые фильтры на ПАВ будут компонентами дуплексоров и мультиплексоров [12]. Например, в чипсете сотового приемопередатчика для стандартов GSM-850, EGSM-900, DCS-1800 и PCS-1900 фильтрация осуществляется ПАВ-фильтрами на частоты 850, 900, 1800, 1900 МГц соответственно [12]. ПАВ-фильтры, корпусированные по технологии WLP, входят в состав такого модуля, изготовленного по технологии LTCC. Интеграция ПАВ-, WLP- и LTCC-технологий станет платформой для дуплексоров, мультиплексоров и входных модулей смартфонов ближайших поколений. Другой перспективный тип интеллектуальных устройств на ПАВ – ПАВ- микросборки, комбинирующие ПАВ-фильтры и усилитель. Самая распространенная схема ПАВ-микросборок (рис. 7) – это система фильтр на ПАВ (Z1)- усилитель-фильтр на ПАВ (Z2). Таким образом создается «ПАВ-фильтр без потерь» [16]. Коэффициент шума Кш такого модуля меньше, чем Кш каскадного соединения нескольких ПАВ-фильтров и усилителя, включенного после фильтров. Известны подобные ПАВ-микросборки на диапазон частот 600-1330 МГц с относительной полосой пропускания ∆f/f0=1-8% в SMD-корпусах, обеспечивающие избирательность 45-50 дБ, усиление 10 – 15 дБ и Кш=7дБ (рис. 8) [16].

Рис. 6. Балансное включение самосогласованного ПАВ-фильтра с преобразованием импедансов

Рис. 7. Структурная схема ПАВ-микросборки

Рис. 8. АЧХ ПАВ-микросборки на f0=1330 МГц

При использовании балансных ПАВ-фильтров в схеме (рис. 7) можно значительно улучшить избирательность ПАВ-микросборок. Причем избирательность таких микросборок будет всегда больше, чем избирательность двух каскадных ПАВ-фильтров в одном корпусе или в двух отдельных корпусах, расположенных на печатной плате. Известны ПАВ-микросборки на диапазон частот 150-500 МГц при ∆f/f0=1,5-6% с балансными ПАВ-фильтрами с усилением 10-16 дБ и предельной избирательностью 80-90 дБ (рис. 9) [17, 18]. На основе представленных ПАВ-микросборок могут быть созданы высокоизбирательные переключаемые ПАВ-преселекторы с внешней электронной коммутацией с перестройкой по частоте до 100% для входных каскадов РЭА. При этом встроенный усилитель будет не только компенсировать вносимые потери ПАВ- фильтров, но и реализовывать эффективную электромагнитную развязку между ними,  обеспечивая  предельные  значения   избирательности  микросборок до 90 дБ [18]. В последние годы в технологии ПАВ получили широкое развитие два направления – радиометки и датчики на ПАВ [11, 19-20]. Радиометки на ПАВ основаны на использовании кодированных устройств, 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 в тонких пластинках при попадании на поверхность малых количеств жидких или газообразных веществ. Объединение радиометок с различными датчиками приведѐт к созданию интеллектуальных устройств на ПАВ с возможностью измерения, например, давления, и радиопередачи сигнала с радиометки, содержащего информацию о коде метки и давлении (рис. 10) [19-20].

Рис. 9. Нормированная АЧХ ПАВ-микросборки на f0=459 МГц с избирательностью 90 дБ

Рис. 10. Объединение ПАВ-радиометки с различными ПАВ-датчиками

Беспроводные высокотемпературные датчики актуальны в полупроводниковой, атомной и металлургической промышленности, теплоэнергетике, системах управления и контроля двигателей кораблей и самолетов и т. д. Наилучшим решением задачи построения беспроводных высокотемпературных датчиков является использование радиометок на ПАВ (рис. 10) [21].

Библиографический список

  1. Багдасарян А.С., Гуляев Ю.В., Доберштейн С.А., Синицына Т. В. Техника ПАВ: Ближайшие перспективы // Техника радиосвязи. 2017. Вып. 3(34). С. 72-84.
  2. Low propagation loss in a one-port resonator fabricated on single-crystal diamond /
  3. Fujii [et al.] // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. 2011. Pp. 555–558.
  4. High Q-factor STW-Resonators on AT-Cut of Quartz / C. U. Kim [et al.] // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. 2007. Pp. 2582–2585.
  5. Fundamental  mode  5  GHz  surface-acoustic-wave  filters  using  optical  lithography  /
  6. Makkonen [et al.] // Applied Physics Letters. 2003. Vol. 83(17). Pp. 3596–3598.
  7. Kadota M., Ogami T. High Frequency Lamb Wave Resonator using LiNbO3 Crystal Thin Plate and Application to Tunable Filter // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. 2010. Pp. 962–965.
  8. Jie Zou and C.S. Lam. Electrode Design of AlN Lamb Wave Resonators // Proc. IEEE Frequency Control Symposium. 2016. Pp. 547–551.
  9. SAW Impedance Element Filters for 5 GHz and beyond / S. Lehtonen [et al.] // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. 1999. Pp. 395–399.
  10. Радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах в диапзоне частот 6 ГГц / Ю. В. Гуляев [и др.] // Радиотехника и электроника. 2015. Т. 60. № 4. C. 429–432.
  11. 0806 SAW Filters using Wafer Level Packaging Technology / T. Fucano [et al.] // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. 2007. Рp. 68–71.
  12. Satoh Y., Ikata O. Ladder type SAW filter and its application to high power SAW devices // International Journal of High Speed Electronics and Systems. 2000. Vol. 10. No. 3. Рp. 825–865.
  13. Акустоэлектронные устройства обработки и генерации сигналов. Принципы рабо- ты, расчета и проектирования: монография / О. Л. Балышева и др.; под ред. академика РАН Ю. В. Гуляева. М.: Радиотехника, 2012. 576 с.
  14. Lam C. S. A Review of the Timing and Filtering Technologies in Smartphones // Proc. IEEE Frequency Control Symposium. 2016. Pp. 48–53.
  15. Багдасарян А. С., Синицына Т. В. Фильтры на ПАВ, выдерживающие входную мощность радиосигнала 1–2 Вт, для телекоммуникационной аппаратуры // Техника радио- связи. 2016. Вып. 3 (30). С. 80–89.
  16. Meier H., Baier T., Riha G. Miniaturization and advanced functionalities of SAW devices // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. 2000. P. 395–401.
  17. Доберштейн С. А. Балансные ПАВ-фильтры с малыми потерями и преобразовани- ем импедансов // Успехи современной радиоэлектроники. 2010. № 12. С. 18–28.
  18. Частотно-избирательные микроблоки на основе фильтров на поверхностных аку- стических волнах / Т. В. Синицына [и др.] // Радиотехника. 2016. № 5. С. 105–111.
  19. Доберштейн С. А. Высокочастотные и высокоизбирательные балансные ПАВ- микросборки для носимых радиостанций // Техника радиосвязи. 2012. Вып. 18. С. 48–57.
  20. Доберштейн С. А. Разработка низкочастотных ПАВ-фильтров и высокочастотных ПАВ-микросборок в отечественных корпусах под поверхностный монтаж // Техника радио- связи. 2015. Вып. 1(24). С. 92–103.
  21. Пассивный беспроводный датчик на поверхностных акустических волнах для из- мерения параметров газовых и жидких сред / Г.Я. Карапетьян [и др.] // Инженерный вестник Дона. 2012. Т. 20, № 2. С. 186–190.
  22. Акустоэлектронные идентификационные метки в керамике LTCC / В. В. Бутенко [и др.] // Труды научно-исследовательского института радио. 2013. № 1. С. 16–23.
  23. Wireless  Harsh  Environment  SAW  Array  System  for  Power  Plant  Application  /
  24. M. Pereira da Cunha [et al.] // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. 2014. Pp. 381–384.

ИСТОЧНИК: ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Сборник статей XXII Международной научной конференции: 2-х частях. 2019

Издательство: Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (Санкт-Петербург)

КОНФЕРЕНЦИЯ:       

ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Санкт-Петербург, 04-07 июня 2019 г.

Организаторы: Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения