Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

3109

.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
3.01 Mб
Скачать

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

И.В. Андреев А.И. Андреев

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛОСОВЫХ И РЕЖЕКТОРНЫХ ФИЛЬТРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАВ И MEMS - СТРУКТУР

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2014

УДК 621.396.66

Андреев И.В. Технология изготовления полосовых и режекторных фильтров с использованием ПАВ и MEMS-структур: учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (2,87 Мб) / И.В. Андреев, А.И. Андреев. – Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) : цв. – Систем. требования : ПК 500 и выше ; 256 Мб ОЗУ ; Windows XP ; SVGA с разрешением 1024x768 ; Adobe Acrobat ; CD-ROM дисковод ; мышь. – Загл. с экрана. – Диск и сопровод. материал помещены в контейнер 12х14 см.

В учебном пособии рассматривается технология изготовления фильтров с использованием ПАВ и MEMS-структур, исследуются вопросы влияния технологических факторов на параметры устройств, связанных с выбором материалов и влиянием технологических погрешностей структур, рассчитанных вероятностным методом. Рассматривается влияние дифракции, подтрава, ошибки угловой ориентации и взаимного расположения преобразователей на параметры ПАВ-структур.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 211000.68 «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» (магистерская программа подготовки «Информационные технологии проектирования электронных средств, выполненных по субмикронной технологии») по дисциплине «Технология изготовления полосовых и режекторных фильтров с использованием ПАВ и MEMS-структур»

Табл. 9. Ил. 64. Библиогр.: 36 назв.

Научный редактор д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.С. Балашов Рецензенты: кафедра естественно научных дисциплин

Международного института компьютерных технологий (канд. физ.-мат. наук, доц. М.А. Ефимова); д-р техн. наук, проф. В.М. Питолин

Андреев И.В., Андреев А.И., 2014

Оформление. ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014

ВВЕДЕНИЕ

Современные коммуникационные системы беспроводной связи, такие, как система сотовой телефонной связи GSM и WCDMA предъявляют высокие требования к добротности, динамическому диапазону и уровню фазового шума радиочастотных многоканальных фильтров и управляемых напряжением генераторов (ГУН). Это требуют внедрения новых функциональных возможностей, и разработки новых микроминиатюрных устройств частотной селекции на основе резонаторов и фильтров. К таким устройствам относятся устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и микромеханических системах (MEMS). Для частотной селекции в подсистемах связи широко используются элементы, резонаторы и фильтры на поверхностных акустических волнах, благодаря их высокой добротности (порядка десятков тысяч) и стабильности частоты под воздействием температурных колебаний и старения. Большинство высокодобротных гетеродинных трансиверов, для выделения соответствующей частоты при фильтрации и генерации высокостабильных колебаний, содержат резонаторы ПАВ и механические резонаторы на микроэлектроханических системах. Это требует знаний по технологии микроэлектромеханических систем и технологии изготовления ПАВ-структур. В связи с этим в последние годы широкое развитие получила принципиально новая технология реализации микроэлектромеханических резонансных устройств, с использованием процессов интеграции на поликремниевой поверхности и совместимых со стандартной технологией интегральных схем. Наряду с этим важным является изучение технологии ПАВструктур, составляющих основу резонаторных и трансверсальных фильтров и конкурирующих с устройствами на MEMSструктурах. Авторы считают, что данное пособие не только расширит технический кругозор студентов и специалистов в области передовых микротехнологий, но и окажется полезным при проектировании подобных устройств.

3

1.

ИССЛЕДОВАНИЕ

ВЛИЯНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА

ПАРАМЕТРЫ

ПОДЛОЖЕК ФИЛЬТРОВ

 

1.1.

Пьезоэлектрические материалы

и их срезы,

используемые в качестве материала звукопровода фильтров на поверхностных акустических волнах

При разработке фильтров на ПАВ следует учитывать то, что технология их изготовления связана с правильным выбором пьезоэлектрических материалов, используемых для акустоэлектронных устройств. Такие материалы можно разделить на три группы :синтетические монокристаллы, пьезоэлектрические керамические материалы, тонкие моно или поликристаллические пленки /1-6/.

Для монокристаллов характерно высокое постоянство всех материальных констант, обусловленное совершенной кристаллической структурой. Монокристаллы очень мало подвержены эффектам старения. Однако монокристаллы дорогие и имеют небольшие размеры. Пьезоэлектрические керамические материалы имеют поликристаллическую структуру, образованную хаотически ориентированными кристаллитами. Материальные константы пьезокерамики обладают значительной дисперсией, а пьезоэлектрические свойства проявляются только после поляризации за счет упорядочивания структуры материала. Со временем возможно проявление деполяризационных процессов, приводящих к изменениям пьезоэлектрических и других свойств.

Пьезокерамика значительно больше, по сравнению с монокристаллами, подвержена эффектам старения. Достоинствами пьезокерамики служит меньшая стоимость и

большие размеры подложек.

 

 

 

 

 

Кроме

монокристаллов

и пьезокерамики

применяют

также слоистые структуры,

содержащие

тонкие пленки,

нанесенные

на

поверхность

подложки.

Тонкие

пьезоэлектрические

пленки

могут

наноситься

на

4

пьезоэлектрическую или непьезоэлектрическую подложку. Структура пленок, их физические свойства и стабильность параметров связаны с технологией получения пленок. Несмотря на возможность управления параметрами акустических волн в таких структурах, акустоэлектронные устройства с применением пленок реже используются при производстве акустоэлектронных устройств. Это связано с технологическими сложностями при изготовлении таких устройств.

Наряду с традиционными пьезоэлектриками такими как ниобат лития, германат висмута. танталат лития и кварц, значительно внимания уделяется новым перспективным кварцеподобным кристаллам (таким, как лангасит, ланганит, арсенид галия). Поскольку пьезоэлектрические материалы анизотропны, то применение их в качестве звукопроводов акустоэлектронных устройств, ставит задачу определять не только сам материал, но и выбранный срез и направление распространения акустических волн.

В отличие от изотропных материалов, в анизотропных материалах существует зависимость свойств среды от направления. В фильтрах на ПАВ чаще используются различные синтетические монокристаллы.

Характеристики распространения волн зависят не только от вида кристалла, но и от выбранного кристаллографического среза (т. е. ориентации плоскости, в которой распространяется волна, по отношению к граням кристалла) и направления распространения волн.

Для обозначения срезов кристаллов в настоящее время используется несколько способов. Рассмотрим наиболее

распространенные

возможные обозначения.

Для срезов

различных

монокристаллов

применяется

система

прямоугольных

 

координат,

привязанная к

идеальному

кристаллу.

 

 

 

 

Для стандартного среза его плоскость может совпадать с плоскостью, определяемой двумя осями координат. Такой срез может быть задан с помощью одной буквы X, Y или Z

5

(например, Y-срез – это срез, выполненный в плоскости XZ, нормаль к которой совпадает с осью Y). Направление распространения волн может указываться отдельно. В общем случае могут использоваться так называемые повернутые срезы. Для обозначения нестандартных срезов может указываться только один угол поворота относительно одной из кристаллографических осей /6/.

Например, повернутый на угол 1280 Y срез ниобата лития с на правлением распространения волны вдоль оси X часто обозначается как 1280 YX-LiNbO3. Это значит, что срез выполнен в плоскости, повернутой на 1280 относительно стандартного Y-среза вокруг оси X.

Повернутый на 1120 X-срез танталата лития, обозначается часто как X1120Y LiTaO3 – это означает, что выбранное направление распространения волн в X-срезе повернуто вокруг оси X на угол 1120, отсчитанный от оси Y.

Для задания среза монокристалла и направления распространения волны используются так называемые углы Эйлера (φ, ψ, θ). На рис. 1, а, б изображена правая система координат (X, Y, Z) для определения углов Эйлера и пластина, вырезанная в плоскости XY.

Нормаль к пластине совпадает с осью Z. Пусть волна распространяется вдоль направления N. На рис. 1, а волна

распространяется в плоскости XY в направлении, совпадающем с осью X1.

Первый угол Эйлера – φ определяет угол между осью X и направлением распространения волны N. В этом случае срез обозначается как (φ,0, 00 ) и называется неповернутым или стандартным срезом.

Если срез выполнен в плоскости XY, нормаль к которой (Z1 ) имеет угол и к оси Z (рис. 1, б), то говорят о повернутом срезе. При этом если волна по прежнему распространяется вдоль оси X то срез обозначается как ( φ, 00 , 0) при этом угол

ψ= 0 0

 

Если волна распространяется в плоскости X1Y1

в

направлении N, образующем угол ψ с осью X1,

то срез

6

обозначается тремя углами Эйлера ( φ,ψ, θ) и называется двухповоротным срезом.

а) б) Рис. 1. Углы Эйлера для срезов

Так, например, широко используемый YZ-срез LiNbO3 (или по другому Y-срез) с распространением волны вдоль оси Z обозначается с помощью углов Эйлера как (0, 90, 900 ) (рис. 2), а срез ниобата лития 1280 -YX имеет обозначение (0;90;1280). Соответственно пластины стандартных срезов с произвольным направлением распространения волны в плоскости пластин будут иметь следующие обозначения через углы Эйлера:

Z-срез (φ,0, 00 ), Y-срез (00 ,ψ , 00 ), X -срез (900 , ψ , 900).

7

Рис. 2. YZ-срез ниобата лития

Углы задаются на стадии изготовления подложки, от точности их задания зависят характеристики устройства и его стоимость. Для идентификации подложек из монокристаллов в виде прямоугольных пластин используется еще одно условное обозначение /4/. Вводится понятие «первоначальная ориентация кристаллического элемента». За первоначальную ориентацию принимают такое расположение прямоугольной пластины монокристалла, при котором все ее грани (ребра) параллельны координатным осям. Условное обозначение первоначальной ориентации состоит из двух букв, соответствующих обозначениям осей, при этом первая буква соответствует той оси, параллельно которой расположена толщина пластины (s), вторая – параллельно которой расположена длина пластины (l ).

За толщину пластины принимают ее наименьший размер, за длину – наибольший. В качестве примера на рис. 3, а, б, в приведены три из шести возможных (XY-_, YZ-, ZY-_, XZ-, YX- _, ZX-срез) первоначальных ориентации пластин. Любая ориентация среза монокристалла может совпадать с его первоначальной ориентацией или может быть получена из нее путем поворотов вокруг ребер пластины.

а) б)

8

Рис. 3. Первоначальные ориентации кристаллических прямоугольных пластин XY-среза (а), XZ-среза (б)

а) б)

Рис. 4. Ориентации кристаллических прямоугольных пластин YX-среза (а) и повернутого среза YXl/ + 0 (б)

Повернутые срезы обозначаются введением дополнительных букв (l, b, s), указывающих ребро пластины, относительно которой осуществляется поворот, и цифр обозначающих угол поворота (угол отсчитывается против часовой стрелки, если смотреть на ребро с положительного направления оси, рис. 4, б) /4/. Например, срез кварца YXl/+360 получен путем одного поворота пластины YX-среза вокруг оси , совпадающей с длиной пластины, на угол +360.

1.2. Основные параметры материалов звукопроводов

Для определении основных параметров пьезоэлектрических материалов и учета их связи с характеристиками акустоэлектронных устройств. используются подходы, представленные в /1, 2, 5 /. Скорость

ПАВ в материале является

одним

из

параметров,

определяющих рабочие частоты

устройства.

Со скоростью

ПАВ связаны габаритные размеры устройств. Фазовая скорость ПАВ зависит от плотности материала, его упругих и

9

пьезоэлектрических свойств и от состояния поверхности (наличия шероховатостей, микротрещин и других неровностей)

/1-4/. Фазовые скорости ПАВ на

свободной 0 и

металлизированной поверхности

m

ПАВ-структур

отличаются друг от друга. Уменьшение скорости на металлизированной поверхности вызвано закорачиванием электрической составляющей поля и приводит к изменению характеристик акустической волны:

m

0 (1 0.5 k2 ),

 

(1)

где

k-коэффициент

электромеханической

связи

пьезоэлектрика. Квадрат коэффициента электромеханической связи определяется выражением

k2

E2

(2)

12 ,

E1 E2

где E1 , E2 , E12 – соответственно энергия механических колебаний (механическая энергия), энергия электрических колебаний (электрическая энергия) и энергия взаимодействия механических и электрических колебаний (пьезоэлетрическая энергии).

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]