книги / Селективные акустоэлектронные устройства
..pdfС. РУПКУС, Д. ЭЙДУКАС
СЕЛЕКТИВНЫЕ АКУСГОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Каунас ’Технология" 1991
S.RUPKUS, n.RIDUKAS
Selektyvlniai akustoelektroniniai jtaisai
Kaunas ^rechnoloRlJa” 1991
R u p k u s jta is a i, *
S., E id u k a s D . S e le k ty v in in i a k u s lo c le k tn m iiiia i K a u n a s : T e c b n o lo g ija , 1991. -1 6 4 p.: iliu s lr .
M o n o g r a fijo je a p ra lo m f s e le k ty v in lij a k u s to e lrk tro n o u n j jta i> i|
m o d e lia i. |
sin te zé * |
i t â n alizés m e to d iii, N n g rm c jn m i |
a k u s lin in |
||||
tra k to c le m e n tij |
ir |
jta is tf |
te c h n o lo g in itj |
p a k la id q |
ty rim o ir |
||
g a m yb o s k la u s im a i. |
P a te lk ti |
p n v ir litu i) a k u s tin iij b a n g ij k e itik liij, |
|||||
f ilt r g k o n s tru k c ijo s |
h e i shem os. |
|
|
|
|||
S k iria m a |
m u k s lo |
d a rb u o to ja m s , in tfn ie rin n » , |
d irb a n tie m s |
||||
a k u s to e lc k tro n m iij |
jf a is ij s u k u rim o s rity je , о |
triip p a t n sfiim n tn m r* |
|||||
ir v y fe s n li}ji} k u rM j |
e ttid e ftta im . |
|
|
|
|||
|
R e c e n z c n ia i: ffz ik n s - m ftte m a tik r* m o k s ii) |
d u k ta rn s |
|||||
|
|
|
|
|
P . G A R é K A |
||
|
|
|
|
te c h fiik w |
m n M ij |
k n n d jd n ta s |
|
|
|
|
|
|
|
P . M I I . f U S |
|
@ K m in o toehnoloalj” » |
J9*M. |
Рупкус С „ Эйдукас Д. Селективные акустоэлекгрониме устрпйства. ~ Каунас:
Технология, 1991. 164 с.: ил.
В монографии описываются модели, методы синтеза и анализа селективных акустоэлектронных устройств. Рассматриваются вопросы исследования
технологических погрешностей, изготовления элементов акустического тракта и устройств в целом. Приводятся конструкции и схемные решения преобразователе^
фильтров на поверхностных акустических волнах.
Предназначена для научных работников, инжинеров, занимающихся
конструированием и разработкой акустоэлектронных устройств, а также для аспирантов и студентов старших курсов.
Рецензенты: доктор физико-математических наук Э. ГАРШКА кандидат технических наук П. МИЛЮС
Профнсс в ряде важных направлений народного хозяйства определяется уровнем освоения п качества нового поколения радиотехнических устройств и компонентов. Достижения и перспективы постоения радиоэлектронной аппаратуры
обработки аналоговых сигналов» в том числе телевизионной техники, рлдиоизмерительных приборов и систем связи, во многом определяются
достижением новых рубежей в создании частотно селективных устройств. Новое направление в решении данной задачи сложилось с появлением
акустоэлек.троники и развитием ее теории и практики. Акустоэлектронные устройства нэ поверхностных акустических волнах ( ПАВ) являются новым
поколением частотно-селективных устройств, отвечающих современным
требованиям микроминиатюризации.
Работы в области акустоэлектроники начались с исследования физических
явлений возбуждения, распространения, приема и отражения ПАВ. Существенный вклад по изучению этиэ^явлений внесли ученые: G. A. Coquin. Е. Dieulesaint. Н.
Egan. P R. Emtage. G. W. Farnell. K. A. Ingebrigtsen. S. C. Joshi, I. M. Mason. D. P Morgan. A. A. Oliner, E. G. S. Paige, H. F. Tiersten, H. Tseng, F. M. Voltmer,
R. M. White. M. К. Балакирев. С. В. Бирюков. И. A. Викторов, Э. Гаршка, Л. Л. Горышник, И. М. Гранкин, В. А. Губанов, Ю. В. Гуляев. В. М. Дашенков. Р. Кажис, С. С. Каринский, И. А. Морозов. В. П. Плеский, И. Б. Яковкин.
По мере изучения физических процессов проводились работы в области создания принципов построения и разработки новых конструкций
акустоэлектромнмх устройств. За период своего развития техника ПАВ прошла
путь ог линий задержки до функциональных устройств обработки сигналов. В
настоящее время в ряде стран налажено серийное и массовое производство отдельных типов акустоэлектронных устройств. В первую очередь к ним
относятся фильтры для телевизионных и радиоприемников, видеомагнитофонов, систем спутникового и кабельного телевидения. Учитывая темпы развития радиоэлектронной аппаратуры и расширение выполняемых функций, можно утверждать, что спрос на частотно-селективные устройства не снизится. С другой стороны практика создания аппаратуры выдвигает ряд требований к селективным
акустоэлектронным устройствам: необходимость расширения диапазона рабочих частот с одновременным снижением потерь и уровня паразитных сигналов,
улучшение частотных характеристик, обеспечение высокой точности, долговременной стабильности и воспроизводимости параметров. В связи с этим
возникает необходимость решения ряда задач, направленных на комплексном
использовании расчетно-теоретических, конструкторских, технологических, схемотехнических методов и позваляющих разработать альтернативные традиционным акустоэлектронные устройства.^
Наибол&е важными типами селективных акустоэлектронных устройств являются полосовые и резонаторные фильтры. Различие протекающих в них физичесштх
явлений, большое многообразие конструктивных и технологических решений
встречно-штырепых преобразователей (ВШП) и дру»их элементов акуппчоглого тракта не позволило найти единый подход к анализу и проектированию акустоэлектронных устройств. Поэтому весьма важным является построение
адекватных моделей, в полной мере описывающих физические явления,
позволяющих выявить характеристики устройств и отвечающие требованиям автоматизированного проектирования. Основные принципы премирования акустоэлектронных устройств могут быть сформулированы в виде
последовательности задач:
построение моделей акустических неоднородностей, отражательных элементов, одно и двунаправленных преобразователей ПАВ, полосовых и резонаторных фильтров, основанных тта эквивалентных схемах, учитывают^* реальную структуру устройств, отличающихся универсальностью и пригодностью
для автоматизированного проектирования; ‘
-разработка методик статистического моделирования погрешностей топологии
ианализа технологической точности, позволяющих определить погрешности акустоэлектронных устройств на этапе проектирования и прогнозировать параметры
всерийном производстве;
-создание методики проектирования полосовых ПАВ - фильтров, основанной
на выявлении связи между погрешностями геометрических размеров топологии
иэлектрическими характеристиками и позволяющей выдвигать требования к точности технологического оборудования;
разработка алгоритмов автоматизированного проектирования акустоэлектронных селективных устройств, включая синтез и анализ одно и двунаправленных преобразователей, полосовых и резонаторных фильтров до ПАВ;
-исследование характеристик преобразователей ПАВ с расщепленными электродами, однонаправленных преобразователей, многозвенных резонаторных
фильтров и определение возможности реализации уникальных свойств при использовании дополнительных акустических неоднородностей;
-создание технологических процессов изготовления элемемюв акустического траста и акустоэлектронных устройств в целом, способов улучшения температурной
идолговременной стабильности, основанных на технологическом воздействии
путем ионной имплантации и диффузии, разработка конструкций отражательных
элементов, преобразователей, фильтров.
Успешное решение перечисленных задач способствует сокращению затрат труда, времени, материалов, позволяет ускорить темпы внедрения в производство акустоэлектронных устройств. Это и побудило авторов заполнит образовавшийся
пробел. Естественно, для этого потребовалась помощь и других специалистов.
Наибольший вклад в решение указанных задач кроме аотороо внесли А. Вапинявичюс, Г. Макарявичюс, В. Мэркявичюс. А. Нявяраускас. Авторы 6nai одарят их за плодотворную совместную работу. Авторы также выражают благодарность рецензентам: доктору физ.-мат. наук Э. Гэршке и кандидату техм. наук П. Милюсу,
чьи замечания позволили улучить рукопись.
|
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ |
АЧХ |
- амплитудно-частотная характеристика |
ВШГ1 |
- встречно-штыревой преобразователь |
КО |
- коэффициент отражения |
|
б |
ЛЗ |
линия задержки |
|
|
|
|
H i |
низкочастотный |
|
|
|
|
ОнП |
- однонаправленный преобразователь |
|
|||
ОР |
- отражательная |
решена |
|
|
|
ÛPC |
отражательная |
решетка связи |
|
|
|
0 3 |
- отражательный элемент |
|
|
|
|
ПАВ |
- поверхностные |
акустические |
волны |
|
|
11П0АВ |
приповерхностныеобьемние |
акустические |
волны |
||
РФ |
резонаторный филтьтр |
|
|
|
|
РФА |
- резонаторный фильтр с акустической связью |
|
|||
РФД |
резонаторный фильтр, построенный по схеме Джоумана |
||||
РФ К |
резонаторный фильтр с комбинированной связью |
||||
РФЭ |
резонаторный фильтр с электрической связью |
||||
ТК |
- температурный коэффициент |
|
|
||
ТКЧ |
температурный коэффициент частоты |
|
|||
ТП |
- технологический процесс |
|
|
|
|
ФЧХ |
фазо-частотная характеристика |
|
|
||
ЧХ |
- частотная характеристика |
|
|
|
|
|
ГЛАВА 1 ПРИНЦИПЫ |
ПОСТРОЕНИЯ |
УСТРОЙСТВ |
||
|
1. 1. Физические основы |
акусто электронных устройств |
|||
Важнейшими физическими процессами, протекающими в акустоэлектроииых устройствах, являются возбуждение и распостранение ПАВ.
Возбуждение ПАВ электродными преобразователями впервые описаны в / 1/, которые далее изучались с целью определения эффективности связи. В 121 проведен анализ возбуждения и приема ПАВ на пьезокварцевом звукопроводе
мри помощи таких преобразователей и предложен фактор эффективности, равный
E r n G Q * |
(« ) |
где ц - эффективность материала звукопроеода; G - эффективность |
|
конфигурации электродов; Q - добротность преобразователя.
В /2 / теоретически показано, что для пьезокварца эффективность двухфазной решетки значительно больше чем однофазной. При проектировании преобразователей желательно максимизировать T\G при заданном значении Q.
Это может быть выполнено путем решения уравнений движения с учетом
граничных условий. Данная проблема упрощается при использовании метода возмущений.
Из /3 ,4 / следует, что неотьемлемой частью анализа возбуждения и приема ПАВ является определение интенсивности электрического поля на электродах.
Тогда задачу о возбуждении ПАВ в общем виде можно сформулировать
следующим образом; 1 Найти распределение электрического поля на электродах преобразователя,
вызванного в результате подключения к нему переменного электрического
напряжения.
2.Определение величин составляющих возбуждаемых Г1АВ.
На рис. 1.1 показана геометрия элементарной секции встречно - штыревого преобразователя (ВШП) и положение осей координат на пьезоэлектрическом
звукопроводе. Для упрощения задачи принимаются следующие условия /3,5/
1.Длина электродов по оси Х2 достаточно большая.
2.Толщина металлической пленки малая (h«d).
3.Среда изотропна в плоскости свободной поверхности.
4.Коэффициент электромеханической связи материала звукопровода мал и
можно пренебречь вкладом в электрическую индукцию от возбужденных ПАВ.
|
|
|
Рис. 1.1. Элементарная секция ВШП |
|
|||
|
Если к электродам приложено |
переменное напряжение U = U0exp(jcot). |
|||||
где |
(ù = 2 n t |
f - частота, t - время, то потенциал будет равен |
|||||
|
|
|
|
Ф(Х,,1) |
= <Р(Х,)ехр{)ш1)' |
(1.2) |
|
|
На основе |
этого получено |
/5 / |
|
|
||
|
|
|
|
, Э2Ф |
„• Э2Ф |
(1.3) |
|
|
|
|
|
'и З х * + |
= о |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
£ п ,е33 - диэлектрическая проницаемость при постоянной деформации. |
||||||
|
Для бесконечного преобразователя должны выполняться условия симметрии |
||||||
|
|
|
|
ф(Х3+2й,Х1) = ф(Х3,Х1) . |
(1.4) |
||
|
Общее решение уравнения (1.3) представляет собой линейную комбинацию |
||||||
нечетных пространственных гармоник |
|
||||||
|
|
Ф(Х3,Х,) = - £ !ÎL exp(-rXftX3)slnXn(X1+ 6п) |
(1.5) |
||||
|
|
|
|
|
п-0 |
|
|
где |
X. » (2 п+1) г : г |
= /-¥■■• |
F„ |
8„ - коэффициенты. |
|
||
|
|
d |
- / |
£ |
|
|
|
|
|
|
|
ьзэ |
|
|
|
|
Коэффициенты Fn |
и |
8П в |
выражении (1.5) определяются |
электрическими |
||
граничными условиями на свободной поверхности. Исходя из условий равенства нулю тангенциальной составляющей электрического поля на границах с
металическими электродами и непрерывности нормальной составляющей индукции
между электродами получаем, что |
S„ «* 0, а |
Fn = |
BPn(*cosTCa) , |
где В - постоянная, зависящая от разности потенциалов на электродах; |
( 1.6 ) |
|
|
Р - полином Лежандра. |
|
ц
<р{Х3,Х,) =- в ! £ fa f f i y 3) - »1пГ Г п + Й 7î(1-a)j |
(17) |
п- оП+ 2 |
L ^ |
^ |
J |
При конечной длине электродов преобразователя электрический потенциал |
|||
определяется пространственным преобразованием Фурье. При условии, что
электрическое поле равно нулю вне преобразователя, а в его пределах равно полю, создаваемому бесконечным преобразователем той же геометрии, то пренебрегается сопровождающее ПАВ электрическое поле и допускается, что преобразователь содержит большое число электродов. Фурье - образ составляющей электрического поля Е (х 3,х ,) в преобразователе равен
Е,(К.Х,) = | Е,(Х3(Х,)ехр(1кХз)аХз |
(18) |
где к - волновое число.
Тангетиальная составляющая электрического поля описывается выражением /5 /
|
Е ,(Х 3.0 ) = |
[ F no o 6 (X „ X ,) |
|
(1 9 ) |
|||
|
|
п-0 |
|
|
|
||
На основе (1.8) и (1.9) получаем |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
|
eln(k-xn) ^ |
|
L |
|
|
||
<М1Ю = - |
+ |
«1п(к+%п) д |
] |
(110) |
|||
к*Хп |
к+Х„ |
||||||
|
|
|
|||||
где L - длина преобразователя по оси |
Х3. |
|
|
|
|
||
Для изучения распространения возбуждаемых ПАВ расматривается |
|
||||||
бесконечно малый обьем твердого тела в системе координат X, (i = 1,2,3), имеющий компоненты смещения U, Исходным для анализа распространения ПАВ является выражение, определяющее деформацию, управление движения,
уравнение Максвела и квазистатическое приближение, которые
соответственно равны
1 |
эц |
эц |
|
|
afu, |
эт, |
|
|
|
Э12 |
Эх, |
Эф |
|
|
т. = |
с,«м |
|
(111) |
|
ЭХ, * |
WI эх, |
|||
,. е |
Э<р |
эц |
|
|
ЭХ, |
|
|||
|
Эх; + «i¥ |
|
||
VD = О |
|
|
|
|
|
Эф |
|
|
|
М.М = 1ДЗ,
•ЭХ,
i це 8„ - тензор деформаций; Т„ - тензор напряжений; е„ - тензор диэлектрических
проницаемостей; CIJId - тензор модулей упругости; eIJk - тензор пьезоэлектрических модулей; р - плотность материала; D, - электрическая индукция.
На основе (1.11) получаем систему четырех связанных волновых уравнений для электрического потенциала и трех составлляющих упругого смещения'в пьезоэлектрике /6 ,7 /
I* |
|
|
|
|
Л |
y U j |
л |
3 2и к |
Э’ ф |
Р |
Э»1 |
' С||Ы ЭХ,ЭХ, ' 0|t'l ЭХ,ЭХк = |
° ’ |
|
• |
|
г Ü 2 - |
п |
|
|
"" ЭХ,ЭХ, ' |
|к ЭХ,ЭХк ■ 0 • |
|
|
||
Если расматривается механически свободная поверхность, механические |
|||||
граничные условия имеют вид |
|
|
|
|
|
ТЭ1 = ^32 = Т33 = |
0 1 X, = О |
(1.13) |
|||
|
|||||
Общее решение системы (1.12) с учетом механических и электрических |
|||||
граничных условий равно |
/8 / |
|
|
|
|
UJ = |
[ C ndf;>expdkb^X,)- .х р [ |
|K(Xj-vt) | |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
т-1 |
|
J „ |
|
(114) |
|
Э |
|
|
|
|
ф = • |
[ c |
n^ > expdkb^X ,) - м р Г |
Jk(X,-vt)1 |
|
|
|
M.I |
|
|
J |
|
где Cn * весовые коэффициенты; a - составляющие собственного вектора; Ь
-корни.
Вслучае изотропного материала выражения для составляющих смещения рэлеевской волны, распространяющейся в направлении Х3, имеют вид
U ^X pX j.t) |
= |
cj^ «<*p(kftb1X1)-Aexp(k(,b2X)j e x p J k ^ -V -1 ), |
|
|
(1.15) |
UjCX^Xj.t) |
= |
*lkRb 10 Jexp(k„b1X1) . ie x p ( k Rbï X1)| expjkR(X3-VRt), |
где b |
- № J ' f |
A = |
/ _ 1 ; |
C - |
|
|
- [ « T |
* ь2 |
|
||
константа; kR » — |
; |
VR * фазовая скорость; V, |
- скорость продольной |
||
волны; V, - скорость |
сдвиговой волны. |
|
|
||
Зависимость |
амплитуды возбуждаемых волн |
от частоты |
определяете я |
||