ООО «БУТИС» выполняет НИОКР по гранту «Фонда Содействия инновациям» по теме
“Разработка пьезоэлектрических фильтров на ПАВ для отечественной аппаратуры технологий беспроводной связи WAN (LTE, 5G), LPWAN (NB-IoT, LТЕ-М, LoRaWan), PAN (RFID) и спутниковой связи”.

Целью данной работы является разработка базовых конструкций фильтров на ПАВ, предназначенных для работы в качестве элементов частотной селекции для повышения избирательности и помехозащищенности аппаратуры для технологий беспроводной связи WAN (LTE, 5G),  LPWAN (NB-IoT, LТЕ-М, LoRaWan), PAN (RFID) и спутниковой связи, что позволит осуществить увеличение мощности выходных сигналов аппаратуры и, следовательно, увеличит дальность и устойчивость ее работы, улучшит помехозащищенность и степень подавления паразитных сигналов.

С развитием новых технологий, методов моделирования и применением новых пьезоматериалов появилась возможность замены громоздких керамических фильтров на ПАВ фильтры, так как основные характеристики, такие как потери сигнала при прохождении фильтра, прямоугольность и стойкость к мощным сигналам (работа фильтров с сигналами мощностью до 2 Вт) стала сопоставима с параметрами керамических фильтров. Так же преимуществом фильтров на ПАВ по сравнению с керамическими фильтрами является их более низкая стоимость и малые размеры, что положительно влияет на конечную стоимость изделия.

Несмотря на постоянное развитие сотовых сетей и увеличение количества базовых станций, с введением новых стандартов, которые используют все более высокие частоты, возникают сложности с равномерным радиопокрытием сигналом больших территорий. Этот эффект обусловлен тем, что с увеличением частоты сокращается площадь радиопокрытия базовой станцией, и ухудшается проникновение сигналов внутрь помещений. Так, для примера, в сетях 2G максимальный радиус площади покрытия составляет 35 км, в сетях 3G на частотах 2100 МГц - в районе 10 км, а для сетей 4G на частотах 2500 МГц - не более 4-5 км, что создает необходимость увеличения количества базовых станций.

Следствием этого является возникновение множественных зон с неуверенным приемом и некачественной работой сотовой сети. В таких случаях находят широкое применение разнообразные вспомогательные приемо-усилительные устройства, такие как микро-соты, фемто-соты, усилители и репитеры сотового сигнала. Принцип работы этих устройств похож на работу базовой станции и абонентского телефона, но есть одна существенная разница – сотовый телефон в определенное время работает только на прием или на передачу сигнала, одновременно прием и передача никогда не осуществляется. Это позволяет, с применением электронных коммутаторов на входе-выходе устройства, применять фильтры на ПАВ с более мягкими техническими требованиям.

У таких устройств, как МШУ (малошумящий усилитель), усилители мощности и репитеры, канал Up и канал Down работают постоянно, при этом они объединены на входе и выходе и имеют достаточно высокие коэффициенты усиления (порядка 30-60 дБ), что создает условия для неустойчивой работы и самовозбуждения. Для устранения этих условий требуется высокая частотная фильтрация каналов Up и Down. Это требование может быть выполнено с помощью применения фильтров на ПАВ с повышенными требованиями по прямоугольности и большему подавлению паразитного канала. Если, к примеру, суммарный коэффициент усиления каналов Up и Down составляет порядка 100 дБ, то на частотах, которые находятся между каналами Up и Down, все ПАВ фильтры, используемые в этих каналах, должны обеспечивать суммарное подавление порядка 120 дБ, что часто является довольно сложной технической задачей.

Так же в таких устройствах получили широкое применение дуплексеры на ПАВ.

По сути, дуплексер на ПАВ - это два фильтра каналов Up и Down, которые объединены в одном корпусе и хорошо согласованны между собой и с подводящими линиями с волновым сопротивлением ρ=50 Ом. Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВн) фильтров и дуплексоеров на ПАВ должны иметь значения в промежутке от 1.3-2.0, это необходимо для хорошего согласования ВЧ и СВЧ составляющих, фидерных линий и приемо-передающих антенн.

На сегодняшний день идет активное развитие и внедрение телекоммуникационного стандарта связи нового поколения 5G (от англ. fifthgeneration — пятое поколение) — пятое поколение мобильной связи, действующее на основе стандартов телекоммуникаций, следующих за существующими стандартами 4G/IMT-Advanced. Сети связи 5G в совокупности с технологиями анализа больших данных (BigData) и интернетом вещей (IoT) призваны стать главной движущей силой цифровой экономики, в основе которой лежит искусственный интеллект.

За  40 с небольшим лет сменилось четыре поколения сетей мобильной связи. Если сотовые сети первого поколения 1G давно исчезли, то сети 2G, 3G и 4G до сих пор продолжают эксплуатироваться. Более того, некоторое количество унаследованной инфраструктуры сетей 3G и 4G органично внедряется в состав мобильных сетей пятого поколения 5G.

Диапазоны частот для 5G разделены на два различных частотных диапазона. Во-первых, имеется частотный диапазон 1 (FR1) до 6 ГГц, включающий полосы частот менее      1 ГГц, некоторые из которых, являются диапазонами, традиционно используемыми в предыдущих стандартах (3-4G), но которые были расширены для охвата новых потенциальных предложений спектра от 410 МГц до 7125 МГц, включая LTE. Второй частотный диапазон – это диапазон 2 (FR2), включающий диапазоны частот от 24,25 ГГц до 52,6 ГГц. Диапазоны миллиметровых волн имеют более высокую доступную полосу пропускания, чем диапазоны в FR1.

Таким образом, в сетях 5G диапазона FR1 могут эффективно применяться фильтры на ПАВ, имеющие на сегодняшний день верхний предел рабочего частотного диапазона порядка 3,5 ГГц. Так как в этом диапазоне будут использоваться частоты, используемые в сетях 3G и 4G, такие фильтры на ПАВ будут совместимы с сетью 5G. Частоты, планируемые к выделению для развёртывания стандарта 5G в России по версии НИИР, приведены на рис.1.

            Рис. 1. Выделение новых частот для стандарта 5G в России по версии НИИР

Технология LPWAN (англ. Low-powerWide-areaNetwork — «энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия») — беспроводная технология передачи небольших по объёму данных на дальние расстояния, разработанная для распределённых сетей телеметрии, межмашинного взаимодействия (M2M–machine-to-machine) и интернета вещей IoT (InternetofThings), включая промышленный интернет вещей IIoT (IndustrialInternetofThings). Технология LPWAN является одной из беспроводных технологий, обеспечивающих среду для сбора данных с различного оборудования: датчиков, счётчиков и сенсоров. Известны следующие технологии построения LPWAN сетей: технология NB-IoT (от англ. Narrow Band Internet of Things) создана на базе существующих стандартов мобильной связи и является её эволюцией; технология LoRa (LoRaWAN) – широкополосный безлицензионный вариант LPWAN.

Принцип функционирования технологии NB-IoT показан на рис.2. Поскольку технология NB-IoT является стандартом сотовой связи (например, LTE), то для работы базовых станций на его основе необходимо получить лицензию. Стандартизация технологии завершилась в июне 2016 года. Курирует разработку этой сети 3GPP (3rd Generation Partnership Project — консорциум, разрабатывающий спецификации для мобильной телефонии).

Рис. 2. Принцип функционирования технологии NB-IoT

Исходя из особенностей технологии NB-IoT, следует, что RF канал будет иметь полосу пропускания 180 кГц. Частотную фильтрацию такой полосы на любых диапазонах LTE возможно осуществить только фильтрами на ПАВ. Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) выделила операторам связи под развертывание сетей для Интернета вещей по стандарту NB-IoT следующие полосы радиочастот:

453—457,4 МГц        463—467,4 МГц,       791—820 МГц,          832—862 МГц,         

880—890 МГц,          890—915 МГц,          925—935 МГц,          935—960 МГц,         

1710—1785 МГц,      1805—1880 МГц,      1920—1980 МГц,      2110—2170 МГц,     

2500—2570 МГц       2620—2690 МГц.

Технология LoRaWAN (Long Range Wide - Area Networks, глобальная сеть большого радиуса действия) является стандартом протокола LPWAN, работающего в технологической среде LoRa (запатентованное частотное расширение спектра в нелицензируемую область, имеющее технологическую среду для связи, используемой в интернете вещей IoT). Для работы LoRaWAN не требуется получение лицензий на использование частот. Архитектура построения сети LoRaWAN и пример использования фильтров на ПАВ в модуле LoRaWAN для решения задач IoT показаны на рис.3 (а) и (б), соответственно.

Рис.3. Архитектура построения сети LoRaWAN (а) и пример применения фильтров на ПАВ в модуле LoRaWAN  для решения IoT(б)

LTE-M — стандарт связи для интернета вещей IoT (следующий этап развития мобильных сетей LTE - 4G), в концепции которого предусмотрено решение задачи по снижению энергопотребления, в соответствии с требованиями устройств IoT. Частотный диапазон аналогичен LTE.

Спутниковая связь — один из видов космической радиосвязи, основанный на использовании в качестве ретрансляторов искусственных спутников Земли, как правило, специализированных спутников связи. Спутниковая связь осуществляется между так называемыми земными станциями, которые могут быть как стационарными, так и подвижными (наземными либо установленными на летательных аппаратах). Спутниковая связь является развитием традиционной радиорелейной связи путём вынесения ретранслятора на очень большую высоту. Так как максимальная зона его видимости в этом случае — почти половина Земного шара, то необходимость в цепочке ретрансляторов отпадает — в большинстве случаев достаточно и одного. Широкое распространение получило использование спутниковой связи для систем наземного позиционирования, а именно, систем ГЛОНАСC, GPS, GALILEO и др.

В системах спутниковой связи широко используются и есть потребность к расширению номенклатуры фильтров на ПАВ.

На рис. 4. показан приемник сигналов GPS/ГЛОНАСС, где в качестве частотно-избирательных элементов используются фильтры на ПАВ (SAW). Для таких приемников применяются фильтры ПАВ на частоты F1- 1,57542 ГГц и F2- 1,22760 ГГц.

            Рис.4. Структурная схема приемника GPS/ГЛОНАСС

            Технология RFID – технология радиочастотной идентификации (от англ. Radio Frequency Identification - радиочастотная идентификация). Существуют пассивные и активные RFID-системы. Радиосигнал от считывателя пассивного типа поступает на поглощающую его метку и отражается обратно в идентификаторе, рис. 5. Дальность действия RFID – до нескольких сотен метров.

Рис. 5. Принцип действия технологии RFID

Каждая метка содержит уникальный код. Считыватель излучает в пространство опросные радиоимпульсы. Попав в зону действия считывателя, метка формирует ответную кодовую посылку в виде последовательности радиоимпульсов или одного кодированного радиоимпульса, соответствующих (его) её уникальному коду. Метка может обладать встроенным источником питания (батарейкой). Получив код, считыватель (как правило) обращается к базе данных за записью, соответствующей коду. Информация о факте идентификации поступает в соответствующую систему обработки данных для дальнейшего использования. Структурная схема технологии RFID показана на рис. 6.

Рис. 6. Структурная схема технологии RFID

К самым распространённым частотным диапазонам RFID относятся единые мировые стандарты EPC Global:

            от 5 до 135 кГц,         от 860 до 930 МГц,               13,56 МГц и               2,45 ГГц

Для каждого из этих диапазонов частот стандарты делятся между UHF, LF и HF диапазонами.

Разработка и построение сетей связи, в том числе беспроводных, требует решения задачи частотной селекции, т.е. пропускания одной части радиочастотного спектра при одновременном задерживании другой его части (см. рисунок 7).

Рис.7. Структурная схема трансивера Texas Instruments CC2564, включающая ПАВ-фильтр на частоту 2,4 ГГц

Задача радиочастотной селекции решается применением радиочастотных фильтров, которые можно разделить по принципу работы, конструктивному решению и диапазону обрабатываемых частот на типы, приведённые на рисунке 8.

            Рис.8. Типы и диапазоны применения частотно-селективных устройств

Наилучшим соотношением параметры/надёжность/цена и, следовательно, наибольшей применимостью в диапазоне номинальных частот 30…3500 МГц обладают пьезоэлектрические устройства (фильтры, дуплексеры, режекторные фильтры) на поверхностных акустических волнах. Фильтры и дуплексеры на ПАВ относятся к устройствам акустоэлектроники и являются важнейшим качествообразующим элементом в системах связи, в том числе беспроводных, обеспечивая такие параметры систем связи, как дальность действия, помехозащищённость, информационная ёмкость, и другие.

Уникальные физические свойства, используемые при проектировании фильтров на ПАВ и лежащие на стыке таких научных дисциплин, как кристаллография, кристаллофизика, радиоэлектроника, позволяют формировать частотно-избирательную характеристику фильтра в широчайшем диапазоне номинальных частот и полос пропускания. При этом скорость ПАВ составляет 3-4 км/сек, то есть на 4 порядка меньше скорости электромагнитной волны. Этим обусловлены габариты устройств на ПАВ, меньшие на 2-3 порядка по сравнению с электромагнитными аналогами.

Основные практически достижимые параметры ПАВ-фильтров лежат в следующих пределах (не одновременно):

- номинальная частота fном: 30 … 3500 МГц;

- ширина полосы пропускания: 0,05 – 80 % от fном ;

- прямоугольность АЧХ до 1,08;

- вносимое затухание на fном от 0,8 дБ;

- внеполосная избирательность до 60…70 дБ от уровня fном;

- максимальная мощность входного радиочастотного сигнала 5 Вт;

- минимальные габаритные размеры 3х3 мм и менее при использовании корпусов SMD и CSP.

            Это определяет широкое применение ПАВ-фильтров в современных системах приема, передачи и обработки информации.

      Комплексная задача создания отечественных систем и аппаратуры технологий беспроводной связи, таких, как WAN (LTE, 5G),  LPWAN (NB-IoT, LТЕ-М, LoRaWan), PAN (RFID), спутниковой связи, требует решения комплекса задач, начиная разработки и организации отечественного производства электронной компонентной базы (ЭКБ).

      Актуальность данного направления исследований обусловлена тем, что устройства частотной селекции являются стратегическими элементами ЭКБ, поскольку отражают национальные частотные планы и стандарты. При этом в номенклатуре отечественных предприятий отсутствуют дуплексерные фильтры, необходимые для технологий 4G-LTE, LTE-M, 5G и NB-IoT, а также весьма ограничен перечень фильтров СВЧ диапазона частот, на которых базируются технологии спутниковой связи.  Следует отметить, что зарубежные фабрики зачастую осваивают производство ПАВ-фильтров на вещательные и связные стандарты России, а также проводят маркетинговую политику экспансии на российский рынок ЭКБ. Именно поэтому жизненно необходимо наличие в России возможности разработки и производства ЭКБ для аппаратуры технологий беспроводной связи, особенно устройств частотной селекции на поверхностных акустических волнах, которые в диапазоне номинальных частот 30…3500 МГц являются наиболее эффективными.

Наиболее существенными и принципиальными являются следующие выводы, полученные в ходе проведения  этапа 1 НИОКР  «Разработка базовых конструкций пьезоэлектрических фильтров на ПАВ для отечественной аппаратуры технологий беспроводной связи WAN (LTE, 5G),  LPWAN (NB-IoT, LТЕ-М, LoRaWan), PAN (RFID) и спутниковой связи»:

Выбор базовых конструкций фильтров. Разработка эскизной конструкторской документации для изготовления макетных образцов фильтров. Разработка технологического процесса фотолитографии для формирования на пьезоэлектрической пластине топологических рисунков различных типономиналов СВЧ фильтров на ПАВ. Изготовление промежуточного фотошаблона для изготовления макетных образцов фильтров. Проведение фотолитографии на пьезоэлектрических пластинах с использованием давальческого сырья для изготовления макетных образцов фильтров. Изготовление макетных образцов фильтров. Разработка программы и методики испытаний фильтров. Проведение испытаний макетных образцов фильтров.

  1. На основании результатов анализа различных типов частотно-избирательных устройств, выполненных по технологии ПАВ, показано, что для реализации требований, заданных в техническом задании на НИОКР, оптимальными типами конструкций являются фильтры на основе продольно-связанных резонаторов и структуры импедансного типа, реализованных на основе сильных пьезоэлектриков, а также их комбинации.
  2. Данный конструктивный подход использован и для реализации дуплексерных (двухполосных) фильтров для технологий WAN (LTE, 5G), LPWAN (NB-IoT). Для реализации узкополосных фильтров для технологии LoRaWan моделирование проведено также на основе продольно-связанных резонаторных структур с применением термостабильного ST-кварца.
  3. С целью подтверждения требований технического задания проведено моделирование и топологическое проектирование 11 типономиналов фильтров
  4. На основании результатов топологического проектирования разработана эскизная конструкторская документация (РСИТ.433561.219, РСИТ.433561.221, РСИТ.433561.226, РСИТ.433561.227, РСИТ.433561.228, РСИТ.433561.229, РСИТ.433561.230, РСИТ.433561.231, РСИТ.433561.232, РСИТ.433561.234, РСИТ.433561.235) для изготовления макетных образцов фильтров на ПАВ.
  5. Разработан технологический маршрут изготовления макетных образцов фильтров на ПАВ для технологий беспроводной связи, основанный на безмасочном методе фотолитографии лазерным лучом.
  6. Изготовлены макетные образцы 5 типономиналов фильтров на ПАВ
  7. Разработана Программа и методики испытаний макетных образцов фильтров на ПАВ для технологий беспроводной связи.
  8. Проведены испытания макетных образцов фильтров на ПАВ для технологий беспроводной связи в полном объеме Программы испытаний. Отказов при испытаниях не было. Результаты испытаний положительные.

Таким образом,  задачи, поставленные в  этапе 1 НИОКР, решены полностью в соответствии с Техническим заданием и Календарным планом. Испытания  макетных образцов фильтров на ПАВ подтвердили правильность выбранных конструктивно-технологических решений, поэтому полученные на этапе 1 результаты могут быть использованы при разработке рабочей конструкторской и технологической документации для изготовления опытных образцов фильтров на ПАВ для технологий беспроводной связи (этап 2 НИОКР).

Дорофеева С.С. ООО «БУТИС», научный сотрудник, аспирант;

Сахаров С.А. ОАО «ФОМОС-МАТЕРИАЛС», технический директор;

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

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

КОНФЕРЕНЦИЯ: Российская научно-техническая конференция с международным участием

«Оптические технологии, материалы и системы» («ОПТОТЕХ - 2019») г. Москва, 5 - 6 декабря 2019 г.

Радиочастотные датчики на поверхностных акустических волнах (ПАВ) являются пассивными устройствами, не требующими источников питания, что позволяет их использовать в труднодоступных местах и на движущихся объектах, где необходимо контролировать изменение параметров внешней среды. В последние годы в связи с модернизацией объектов атомной энергетики, газовых комплексов и др. все более актуальными становятся задачи контроля физических процессов при экстремальных условиях эксплуатации.

Целью данной работы являлось создание чувствительных элементов (сенсоров) для автономных датчиков на ПАВ [1], обеспечивающих работоспособность и возможность проведения измерений уровня воздействия внешних факторов (давления) в условиях экстремальных температур (до 500 ºС). Решение данной задачи потребовало проведения комплекса исследований по следующим направлениям: выбор оптимального пьезоэлектрического материала, выбор оптимальных кристаллографических ориентаций пьезоэлектрика, выбор оптимальной  базовой конструкции чувствительного элемента.

От материала сенсора зависят его основные характеристики - чувствительность к изменению внешних воздействий и диапазон рабочих температур. Чувствительные элементы из кварца при температуре свыше 350 °С теряют свои пьезоэлектрические свойства из-за наличия фазового α-β перехода [2]. Ниобат LiNbO3 и танталат лития LiTaO3 являются пироэлектриками [3] и имеют более высокую температуру фазового перехода (температура Кюри 1143 °С), однако при резком перепаде температур в межэлектродных областях встречно-штыревого преобразователя (ВШП) возникают паразитные электрические заряды, приводящие к электрическому пробою структуры. Это явление значительно сужает область их применения в условиях сильных изменений температур.

Исходя из заданных режимов эксплуатации, в данной работе в качестве оптимальных материалов для чувствительных элементов были выбраны пьезоэлектрические кристаллы группы галогерманатов – лангасит (ЛГС, La3Ga5SiO14) и катангасит  (КТГС, Ca3TaGa3Si2O14),. Их основными преимуществами являются отсутствие пироэффекта и фазовых переходов до температуры плавления 1300 °С, а также высокое удельное сопротивление и химическая стойкость, что позволяет сохранить работоспособность устройства до предельно высоких температур.

Кристаллы катангасита и лангасита обладают сильной анизотропией свойств в зависимости от кристаллографической ориентации [4]. Исследования различных кристаллографических ориентаций катангасита и лангасита показали, что наибольшую добротность резонаторов и высокую температурную чувствительность обеспечивают срез катангасита с углами Эйлера (0°, 90°, 0°) и срез  лангасита ЛГС с углами Эйлера (0˚, 138,5˚, 26,6˚) [5-8].

С целью определения оптимальной конструкции резонаторов в заданном диапазоне рабочих температур были исследованы несколько вариантов топологий одновходового резонатора. Оптимизация проводилась по величине апертуры и количеству электродов в ВШП и отражателях. Конструкция, показавшая лучшую совокупность параметров, содержала 400 и 150 штырей в ВШП и отражателях соответственно, период в электродных структурах  ВШП и отражателя (длина волны λ) равен 13,17 мкм; коэффициент металлизации 0,5. На рис. 1 представлены характеристики высокодобротного резонатора, реализованного на основе выбранной топологии на (0˚,90˚,0˚) срезе КТГС, в диапазоне температур от минус 60 °С до плюс 85 °С.

Рис.1. Характеристики высокодобротного резонатора, реализованного на основе (0˚,90˚,0˚) среза КТГС, в диапазоне температур  минус 60 °С плюс 85 °С

Использование стандартных металлостеклянных или металлокерамических корпусов, а также клеевых и проволочных соединений в данном случае неприемлемо в связи с тем, что их рабочий температурный диапазон ограничен (до +155 °С). Проведенные исследования показали, что оптимальной базовой конструкцией чувствительного элемента датчика давления на ПАВ является конструктивный вариант, в котором все элементы (основание и крышка) выполнены на основе идентичных пьезоэлектриков, что обеспечило одинаковые термические деформации корпуса в заданном рабочем диапазоне температур, что важно с точки зрения повышения надежности устройства. В выбранной базовой конструкции основание корпуса является мембраной, на которой сформированы резонаторы, поэтому его геометрия в значительной степени определяет чувствительность сенсора к уровню внешнего воздействия, рис.2.

Рис.2. Конструкция сенсора на ПАВ: 1– крышка; 2– основание; 3 – диффузионная сварка;

4 – резонаторы; 5 – металлизированные площадки

С целью обеспечения высокой чувствительности сенсора к изменению внешнего давления было проведено математическое моделирование деформации пьезоэлектрических пластин из кристаллов КТГС и ЛГС, что позволило определить местоположение резонаторов с максимальной и минимальной чувствительностью к деформации. На рис. 3 представлено смещение плоскости XZ вдоль Y.

Рис. 3. Смещение плоскости XZ вдоль Y (в мм). Форма пластинки

Результирующая топология основания сенсора на  ПАВ показана на рис. 4. Она включает в себя два резонатора R1 и R2, металлизированную площадку, обеспечивающую емкостную связь, и диффузионный слой, расположенный по периметру основания. Резонатор R1 обладает максимальной чувствительностью к деформации, возникающей в пластине при приложении внешнего воздействия (давления), а резонатор R2 обеспечивает минимальную чувствительность к деформации. Частотные характеристики обоих резонаторов одинаково зависят от температуры, поскольку имеют одно направление распространения волны. Следовательно, по разнице частот сигналов двух резонаторов можно определить давление, оказываемое средой на чувствительный элемент датчика. Второй контакт обеспечивается через емкостную связь, возникающую между контактной площадкой, соединенной с встречно-штыревым преобразователем на рабочей поверхности пластины и контактной площадкой, нанесенной на обратную сторону пластины.

Также были проведены исследования по выбору материала для формирования электродных структур резонаторов, поскольку при длительном воздействии температур порядка 500 °С происходит разрушение подслоя титана, что приводит к отслаиванию алюминиевых электродов. В результате чего было принято решение об использовании пленок иридия (без подслоя), имеющего высокую коррозионную стойкостьдаже при температуре 2000 °C и более высокую плотность, чем алюминий (6,7 г/см3 и 22,6 г/см3, соответственно), что позволяет обеспечить требуемую совокупность параметров при малой толщине пленки (порядка 0,1 мкм).

Рис. 4. Базовая конструкция основания высокотемпературного сенсора на ПАВ

Также были разработаны новые сборочные технологии, обеспечивающие герметичность корпуса и возможность приема радиочастотного сигнала без применения проволочных перемычек. Герметизация корпуса обеспечивалась за счет нанесения на обе свариваемые пластины (основание и крышку) диффузионного слоя (серебряная пленка толщиной 2-3 мкм, нанесенная методом магнетронного вакуумного напыления без подслоя) с последующей диффузионной сваркой в вакууме  при температуре 550 °С в течение 3 часов.

Для повышения чувствительности мембраны к изменению внешнего давления после проведения процесса диффузионной сварки монокристаллический корпус  подвергался механической односторонней шлифовке со стороны основания  до толщины 100-150 мкм (исходная толщина пластин - 500 мкм). Сваренные пластины выдержали испытания на стойкость к механическому воздействию в процессе шлифовки, к высокой температуре (Т = 700 °С, t=1 час) и прошли  проверку на герметичность. 

На рис. 5 показана реализованная базовая конструкция сенсора на ПАВ с металлизированными контактными  площадками, емкостной и гальванической связями, подтвердившая свою надежность в диапазоне рабочих температур (от минус 60 °С до плюс 500 °С) и давлений (до 50 атм). Предложенная базовая конструкция чувствительных элементов на ПАВ в составе автономных датчиков давления позволяет применять их как в проводном, так и в беспроводном исполнении с передачей информации об изменении давления по радиоканалу, что повышает их автономность.

Разработанные чувствительные элементы для автономных датчиков давления могут быть использованы для контроля технологических процессов в научных экспериментах, промышленном производстве и других областях науки и техники, таких как разработка и производство авиационных двигателей, для контроля давления в различных зонах турбинных двигателей. 

Рис.5. Фотография опытного образца сенсора на ПАВ с металлизированными контактными площадками, емкостной и гальванической связями

Работа выполнена при содействии грантов 363ГРНТИС5/42668, № 17-07-01372 А

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.
  8. Дорофеева С.С., Синицына Т.В., Егоров Р.В. ПАВ резонаторы на основе катангасита // В сборнике: Российская научно-техническая конференция с международным участием. Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике. Москва, 2019. С. 148-154.

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.
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.

Организаторы: Физико-технологический институт, МИРЭА - Российский технологический университет

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.

На сегодняшний день на рынке радиоэлектронных компонентов представлен широкий спектр фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), режим работы которых требует использования внешних цепей согласования. Разработчики ПАВ фильтров ещё на стадии проектирования определяют оптимальную схему включения фильтра, а так же конкретные номинальные значения внешних элементов LC-контура, при которых в дальнейшем при установке в аппаратуру заказчика, будут обеспечены оптимальные требования электрических параметров.

В силу различий конструктивного исполнения измерительной оснастки, применяемой, как на этапе производства, так и при входном контроле у заказчика, а также непосредственно при монтаже фильтра на плату, возникают расхождения в значениях электрических параметров. Это обусловлено влиянием паразитных составляющих элементов измерительной оснастки (печатная плата, СВЧ разъемы, коннекторы и т.д.). В таких условиях получить оптимальные характеристики фильтра, заложенные разработчиками, проблематично, поскольку для обеспечения требуемого согласования требуется изменение номиналов внешних согласующих элементов LC-контура. Для обеспечения идентичности параметров на всех стадиях производства и эксплуатации рекомендуется заранее проанализировать все нюансы применения внешних схем согласования [1, 2].

Автоматизированные методы обработки экспериментальных данных, методика подбора схем и элементов LC-контура. Оптимизационные программы Ladder_vc, SAW_vc, Simires и др., предназначенные для синтеза ПАВ-фильтров различного функционального назначения, обеспечивают возможность анализа экспериментальных данных, а также позволяют смоделировать любой вид согласующих цепей и произвести анализ влияния схем согласования и паразитных элементов контактного устройства (КУ), на результаты эксперимента [3].

Рассмотрим данную методику на конкретном примере ПАВ фильтра на номинальную частоту 70 МГц. Первоначально производится загрузка предварительно созданного калибровочного файла. Затем, в режиме холостого хода «open circuit хx», записывается матрица рассеяния контактного устройства (в формате «Touchstone» с расширением s2p), в которое в дальнейшем будут смонтированы элементы цепи согласования. Это нужно для более эффективного и точного подбора схемы LC-контура.

Экспериментальный образец фильтра устанавливается в контактное устройство рис. 1., согласно структурной схеме, данные сохраняются в том же формате.

Рис. 1. Измерительный стенд на основе измерителя «Обзор – 804/1» и измеренная АЧХ фильтра

Обработка s2p параметров фильтра производится в программе SAW_vc, которая позволяет корректировать параметры матрицы рассеяния с учетом КУ в режиме холостого хода, образуя выходной файл, очищенный от паразитных составляющих оснастки. Сравнительные АЧХ фильтра до (красная линия) и после обработки (черная линия) представлены на рис. 2. Из рисунка видно, что характеристики полностью совпадают, следовательно, данная обработка не оказывает никакого негативного влияния на АЧХ фильтра.

Рис. 2. Сравнительные АЧХ фильтра до и после обработки в программе SAW_vc

Далее можно приступать непосредственно к подбору оптимальной согласующей цепи. Программа Ladder_vc позволяет производить согласование анализируемого файла по схеме рис. 3.

Рис. 3. Схема согласования ПАВ устройства, программа Ladder_vc

Диалоговое окно «Matching» программы Ladder_vc (подбор схемы согласования) и результат согласования представлены на риc. 5.

Рис. 5. Диалоговое окно «Matching» программы Ladder_vc

Согласование устройства можно провести, как в ручном режиме, так и в автоматическом. Автоматическое согласование фильтра, основываясь на данных АЧХ устройства, позволяет получить параметры близкие к оптимальным. Для более точного подбора значений LC-элементов следует проводить коррекцию в ручном режиме. Ход согласования контролируется графически с помощью различных опций программы. Добившись, чтобы полученная характеристика фильтра соответствовала заданным в техническом задании требованиям, параметры рассеяния и номинальные значения элементов сохраняются. В нашем случае оптимальной является схема рис. 6.

Рис. 6. Схема согласования и оптимальные значения элементов L1 =140 нГн L2=125 нГн

На основе полученных данных в программе Ladder_vc создаем файлы s2p для выбранных номиналов последовательных катушек индуктивности (L1=140 нГн, L2=125 нГн). Программа позволяет каскадировать полученные файлы, заменять и корректировать каждый в отдельности (рис. 7).

Рис. 7. Опция каскадирования, где U1=L1, U3=L2, U2- S2p файлы контрольных образцов

Данные анализируемых образцов и согласующих элементов загружаются поочерёдно, после чего на выходе получаем согласованную характеристику s2p файла. Данная методика значительно ускоряет и упрощает операцию контроля параметров, т.к. нет необходимости согласовывать каждый файл в отдельности. Полученные результаты для 3 фильтров представлены на рис. 8.





Рис. 8. АЧХ анализируемых фильтров, согласованных в программе Ladder_vc

Результаты измерений АЧХ фильтра в контактном устройстве с выбранными элементами согласования в сравнении с характеристикой фильтра, полученной автоматизированным методом, показаны на рис. 9. Из графика видно, что характеристики образца практически идентичны. На основании этого факта можно сделать вывод о том, что автоматизированные методы обработки являются корректными.

Рис. 9. АЧХ фильтра, согласованного программой Ladder_vc (черная линия), и АЧХ в контактном устройстве (красная линия)

Выводы.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что на сегодняшний день автоматизированные методы обработки экспериментальных данных в ПАВ технике существенно облегчают согласование экспериментальных образцов и проведения анализа, а так же позволяют упростить работу по подбору согласующих элементов, непосредственно в контактном устройстве. С ростом частотного диапазона прецизионность измерения во многом зависит от КУ, но далеко не на каждом производстве компонентов на ПАВ имеется возможность приобретения или изготовления собственной измерительной оснастки [4]. Поэтому задача по совершенствованию методов автоматической обработки экспериментальных данных является актуальной.

Список литературы

  1. Груздев А.С., Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Прецизионные контактные устройства для контроля частотных характеристик устройств на ПАВ. // Теория и техника радиосвязи. 2018. № 4. С. 108-116.
  2. Синицына Т.В., Груздев А.С. Прецизионные измерительные СВЧ-устройства для контроля частотных характеристик микроблоков на поверхностных акустических волнах. // В сборнике: Высокие технологии в промышленности России. Тонкие пленки в электронике. Наноинженерия. Сборник научных трудов XXI Международной научно-технической конференции, XXVIII Международного симпозиума и VIII Международной научно-технической конференции. 2016. С. 30-34.
  3. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Гарифулина А.Т., Груздев А.С., Прапорщиков В.В. Система автоматизированного проектирования фильтров на поверхностных акустических волнах с высокой входной мощностью. // Наукоемкие технологии. 2018. Т. 19. № 3. С. 4-9.
  4. Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Груздев А.С. Прецизионные контактные устройства для контроля частотных характеристик устройств на ПАВ. // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2018. Т. 18. № 3. С. 642-645.

Груздев А.С., Данилов А.Л. В сборнике: Российская научно-техническая конференция с международным участием. Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике Сборник докладов конференции. Москва, 2019. С. 141-147.

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

Компания ООО «БУТИС» приглашает Вас посетить 17-ю международная выставка ChipEXPO - 2019, которая пройдет с 16 по 18 октября 2019 года в ЦВК «Экспоцентр», в павильоне «Форум».

Выставка будет работать: с 16 октября по 17 октября 2019 г. с 10.00 до 18.00 часов.,18 октября 2019 г. с 10.00 до 16.00 часов.Традиционно, на выставке ChipEXPO - 2019 будут сформированы специализированные экспозиции:

Наши представители будут рады Вас видеть на стенде и дать Вам информацию и консультацию о фильтрах на ПАВ, производимых ООО «БУТИС»

Получить пригласительный билет можно по ссылке - http://www.chipexpo.ru/poluchit-priglasitelnyi Схема проезда - http://www.expocentr.ru/ru/menu2/visitors/howtoget/

Уважаемые коллеги!

            ООО «Радиокомп» приглашает Вас и сотрудников Вашей организации принять участие в международном научно-техническом семинаре «Генерация и синтез частот и сигналов». Дата проведения: 6 августа 2019 года.

            В рамках мероприятия запланированы выступления руководителей, главных инженеров, конструкторов и специалистов из компаний АО НПЦ «Алмаз-Фазотрон», ПАО НПО «Алмаз», ИСВЧПЭ РАН, ПАО «Морион», ООО «Радиокомп», Anritsu, AVX Israel ltd., Keysight Technologies, ООО «ПЛАНАР», Rohde & Schwarz, «SAWNICS», Trisynt Technology, Inc. Доклады посвящены последним разработкам в области синтезаторов частот, малошумящих генераторов СВЧ-колебаний, СВЧ-фильтров, приборов и методов измерений. Коллекции виртуальных онлайн казино на реальные деньги с выводом на карту предоставляют доступ к замечательным играм, созданных ведущими мировыми провайдерами. В таких онлайн залах можно поиграть на слотах: Igrosoft, Noviomatic, Yggdrasil, Microgaming, Belatra, Playtech и прочих производителей гемблинг софта. Все лицензионые аппараты обеспечивают более 95% вероятность выдачи выигрышей.

Место проведения: Конгресс-центр «Технополис «Москва», г. Москва, Волгоградский пр-т, 42.

Получить подробную информацию и пройти регистрацию на семинар можно на сайте мероприятия www.sgfs.ru или по электронной почте seminar@radiocomp.ru.

       За дополнительной информацией обращайтесь в оргкомитет семинара по телефону: +7 910-086-61-20

Будем рады видеть Вас среди участников семинара!

Силами кооперации ООО «БУТИС» и ООО «Маппер» в кластере «Микроэлектроника» АО «Технополис «Москва» организован полный технологический цикл разработки и производства микроэлектронных изделий с проектной нормой разрешения 300 нм. Организовано российское производство по полному циклу изделий акустоэлектроники (ПАВ-фильтры и линии задержки на ПАВ) на рабочие частоты до 3300 МГц. Категория качества – «ОТК» и «ВП».

present-21

Уважаемые коллеги, дорогие друзья!

До наступления нового 2019 года остались какие то считанные мгновенья. В эти минуты каждый из нас вспоминает свои главные - личные и семейные - события.

Коллектив ООО «БУТИС» искренне благодарит Вас за неоценимое доверие к нам в уходящем году. Мы существенно расширяем горизонты наших планов. Совершенствуемся и развиваемся. И совместно с Вами будем продолжать следовать заданному курсу в новом году.

Новый год – это самый светлый, самый добрый, самый любимый праздник! В Новый год, как известно, сбываются мечты.  Все доброе и все хорошее, задуманное вами, обязательно исполнится.

Счастья вам!

С Новым 2019 годом!!!

 

 

Введение.

Одним из приоритетных направлений развития современной акустоэлектроники, в том числе устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ), является поиск  новых пьезоэлектрических материалов, обеспечивающих улучшение температурной стабильности устройств в расширенных диапазонах полос пропускания [1,2]. Актуальность данных исследований связана с тем, что такие материалы как кварц, лангасит и его изоморфы, обладающие высокой температурной стабильностью -  температурный коэффициент частоты  (ТКЧ) составляет порядка (0-1,6)х10-6 ед./град – имеют малый коэффициент электромеханической связи k2, что ограничивает область их применения узко- и сверхузкополосными ПАВ-устройствами. Используемые для проектирования среднеполосных и широкополосных устройств танталат лития (ТЛ) и ниобат лития (НЛ) имеют большой k2 (от 5% до 20% для разных типов срезов), при этом величина ТКЧ составляет  от -36х10-6 ед./град. для ТЛ до -94х10-6 ед./град для НЛ. Это приводит к ужесточению требований к прямоугольности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ПАВ-устройства, что в ряде случаев, в частности, для ПАВ-фильтров с малым вносимым затуханием, является трудновыполнимой задачей.

На сегодняшний день существуют два альтернативных пути решения данной проблемы, связанных с применением термокомпенсированных многослойных структур LiTaO3/кремний или LiTaO3/сапфир и SiO2/LiNbO3. Первый метод основан на использовании в качестве несущей подложки материала с низким коэффициентом теплового расширения (рис.1). Второй – на использовании материалов с различными по знаку ТКЧ [3]. Оба метода обеспечивают уменьшение ТКЧ в 2-4 раза,  однако первый метод считается более перспективным, поскольку не приводит к увеличению уровня вносимого затухания, что свойственно многослойным структурам типа SiO2/LiNbO3 (от 2 дБ до 4 дБ в зависимости от толщины пленки SiO2).

Тем не менее, исследования ПАВ-фильтра на 800 МГц, реализованного на  основе многослойной структуры LiTaO3 (20 мкм) /кремний (230 мкм) [4], выявили ряд проблем по их практическому применению, исследованию которых и посвящена данная работа.

1_3

Рис.1. ПАВ-устройство на основе термокомпенсированной многослойной структуры LiTaO3/кремний

Результаты экспериментальных исследований.

Основной задачей данной работы было исследование влияния геометрии многослойной структуры LiTaO3/кремний на ее пьезоэлектрические свойства и параметры ПАВ-устройств с целью выбора оптимальной конфигурации структуры для расширенных частотных диапазонов. Экспериментальные исследования проводились на трех типах конструкций ПАВ-фильтров, реализованных на основе многослойной структуры LiTaO3 42°УХ-срез (20мкм) /кремний (230мкм): 169МГц (кольцевая структура на основе реверсивного многополоскового ответвителя - РМПО), 292 МГц (импедансный тип конструкции), 435МГц и 800МГц (на основе продольно-связанных резонаторов) и  1880 МГц (импедансный тип конструкции). Указанный частотный диапазон соответствует изменению относительной толщины пленки более чем в 10 раз (от 0,81 до 9,3 для граничных значений частотного диапазона).

Полученные экспериментальные данные по температурной стабильности ПАВ-фильтров в диапазоне температур от минут 60˚С до +85 ˚С подтвердили первоначальные предположения, что при тонких пленках LiTaO3 будут превалировать электрофизические свойства несущей подложки. Из графика, представленного на рисунке 2, видно, что при относительной толщине пленки hLT/λ=5 ТКЧ уменьшается более, чем в два раза (-16х10-6 ед./град.) по сравнению с исходной величиной для 42°УХ-среза LiTaO3. При hLT/λ=0,81 величина ТКЧ составляет -6х10-6 ед./град., что позволяет говорить о большой перспективности таких структур.

 

3_1

Рис.2. Зависимость ТКЧ от относительной толщины пленки LiTaOмногослойной структуры LiTaO3/кремний

Следует отметить, что при изготовлении ПАВ-фильтров на частоты 169 МГц и 292 МГц, для формирования электродных структур которых использовался метод прямой фотолитографии (максимальная температура обработки пластин +125˚С), наблюдался сильный изгиб пластин (до 2,5 мм, рис.3). Это привело к образованию микротрещин в пленке LiTaO3 и, как следствие, к увеличению вносимого затухания ПАВ-фильтров, рис.4.  При формировании электродных структур остальных типов фильтров использовался метод обратной фотолитографии (максимальная температура обработки пластин +80˚С), при этом изменение уровня вносимого затухания не наблюдалось. Таким образом, данный тип фотолитографии является предпочтительным для реализации ПАВ-устройств на основе многослойных структур.

3_2

Рис.3. Величина изгиба многослойной структуры LiTaO3/кремний при нагревании

3_3

Рис.4. АЧХ ПАВ-фильтра с номинальной частотой 169 МГц: пунктирная линия – подложка 42°УХ-LiТаO3, сплошная линия -  структура LiTaO3/кремний

Еще одной существенной проблемой при реализации ПАВ-фильтров на основе многослойных структур является возбуждение высокочастотных паразитных мод, связанное с отражением основной волны от границы раздела двух сред, и последующим ее поступлением на приемный преобразователь. Это вызывает значительные искажения АЧХ устройства в высокочастотной полосе заграждения. В качестве примера на рисунке 5 приведена АЧХ ПАВ-фильтра на номинальную частоту 435 МГц в широком диапазоне частот.

3_4

Рис.5. АЧХ ПАВ-фильтра на номинальную частоту 435 МГц: сплошная линия – подложка 42°УХ-LiТаO3, пунктирная линия -  структура LiTaO3/кремний

Следует отметить, что с увеличением номинальной частоты устройства  количество паразитных мод уменьшается, однако их уровень остается достаточно высоким.

3_5

Рис.6. АЧХ ПАВ-фильтра на номинальную частоту 1880 МГц: пунктирная линия – подложка 42°УХ-LiТаO3, сплошная линия -  структура LiTaO3/кремний

Выводы.

Из вышесказанного следует, не смотря на большие перспективы использования многослойных термокомпенсированных пластин в ПАВ-технике, необходимо проведение дальнейших, более глубоких исследованиях их пьезоэлектрических свойств. В частности, исследование влияния длины волны, толщины пьезоэлектрической пленки, геометрических соотношений толщины пленки и несущей подложки на уровень и положение ложных сигналов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Багдасарян А. С., Гуляев Ю. В., Доберштейн С.А., Синицына Т. В. Техника ПАВ: Ближайшие перспективы // Техника радиосвязи. 2017. № 3 (34). С. 72-84.
  2. Багдасарян А. С., Гуляев Ю. В., Синицына Т. В. Устройства на поверхностных акустических волнах: ближайшие перспективы // 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. 62–64.
  3. 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.
  4. 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 Systems. 2015. P. 67-72.
  5. Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Дорофеева С.С. Термокомпенсированные ПАВ-устройства на основе многослойных структур // В сборнике: Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции «INTERMATIC-2017». Ч.1. 2017. С. 1-4.