8.2 Элементы акустоэлектроники

Предметом акустоэлектроники являются акустоэлектронные радиокомпоненты (АРК) и устройства на их основе. Сами АРК достаточно сложны, выполняются технологическими методами микроэлектроники и подобны микросхемам, но не содержат традиционных элементов-транзисторов. Характерным для АРК является использование как электрических, так и акустических высокочастотных сигналов, причем первые – внешние (входные и выходные), а вторые – внутринние . Следовательно, АРК должны содержать преобразователи электрических сигналов в акустические и акустических сигналов в электрические и акустические тракты (звукопроводы), где происходит распростронение акустических сигналов.

Преобразователь электрического сигнала в акустический (излучатель) основан на обратном пьезоэлектрическом эффекте, состаящем в механической деформации пьезокристалла под действием внешнего электрического поля. Акустический сигнал представляет собой волну упругих механических возмущений, распространяющихся в твердом теле со скоростью звука v_{а к}порядка 10⁵см/с. Преобразователь акустического сигнала в электрический (приемник) основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте – появлении при механической деформации кристалла разделенных зарядов противоположного знака и связанных с ними электрических полей.

Для применения наиболее важны поверхностные акустические волны (ПАВ), распространяющиеся в поверхностном слое пьезокристалла. Толщина слоя порядка длины волны l _{а к}= v_{а к}/f. Длина волны мала лишь для достаточно высоких частот. Например, в диапазоне 10…1000МГц, наиболее приемлемом для АРК, она составляет 100…1 мкм. Поверхностные акустические волны могут генерироваться и управляться с помощью тонкопленочных структур, формируемых на поверхности подложки из пьезокристалла, что и позволяет создавать АРК методами микроэлектроники. Поверхностные акустические волны обладают свойством распространяться в виде направленного луча. Для этого размер излучателя в направлении, перпендикулярном направлению распространения (так называемая апертура), должен быть много больше длины волны. С помощью отражателей и направленных ответвителей можно добиться распространения ПАВ по сложной непрямолинейной траектории. ТО же достигается использованием акустических волноводов, расположенных на поверхности подложки.

Основным материалом подложек является пьезокварц SiO₂; кроме него используется ниобат лития LiNbO₃, германат висмута Bi₁₂GeO₂₀и пьезокерамика. Главным параметром материала является скорость распростронения ПАВ, лежащая в пределах от 1,6 х 10⁵(германат висмута) до 4 х 10⁵см/с (ниобат лития).

Акустоэлектронными радиокомпонентами, получившими наибольшее распростронение, являются линии задержки (ЛЗ) и полосовые фильтры. Малая скорость ПАВ (на 5 порядков меньше, чем у электромагнитной волны) позволяет создавать малогабаритные интегральные ЛЗ радиосигналов. Линия задержки состоит из входного преобразователя, звукопровода и выходного преобразователя.

Традиционные методы задержки радиосигналов во времени основаны на использовании электромагнитных систем с распределенными или сосредоточенными параметрами. Первые имеют размеры порядка длины электромагнитной волны и применяются в основном в диапазоне СВЧ. Примерами служат ЛЗ на отрезках коаксиальных кабелей, волноводов, МПЛ и др. Их габаритные размеры велики, а задержка мала из-за высокой скорости распростронения электромагнитной волны, близкой к скорости света. Например, для получения задержки в 1 мкс требуется кабель длиной 300 м. Линии задержки на LC- элементах с сосредоточенными параметрами применяют на более низких частотах. Однако, если требуется большая задержка, их габаритные размеры велики. Возможности микроминиатюризации ограничены из-за сложности создания индуктивных элементов и конденсаторов в интегральном исполнении.

В ЛЗ на ПАВ задержка в 1 мкс соответствует длине звукопровода всего 1…2 мм. Используя сложную петлеобразную траекторию распростронения ПАВ, получаемую с помощью отражателей или волноводов, можно увеличить задержку на 1…2 порядка. Самая большая задержка (до 1 мс) реализуется в ЛЗ спиральной конструкции, где относительно толстая подложка имеет закругленные торцы, а ПАВ, направляемая волноводом, движется по спиральной траектории, многократно переходя с одной поверхности подложки на другую (акустический волновод как бы «намотан» на подложку).

Задержка зависит от температуры, что обусловлено температурным расширением кристалла и увеличением скорости ПАВ с ростом температуры. Знак температурного коэффициента может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от того, какой из этих факторов преобладает. Значения температурного коэффициента задержки заключены в интервале 10^-5…10^{-4 0}С^-1.

Преобразователи ПАВ обладают частотной изберательностью, а частотная характеристика ЛЗ имеет максимум на некоторой частоте f_0, типичные значения которой составляют десятки и сотни мегагерц. При этом полоса пропускания может быть достаточно широкой, вплоть до . Помимо перечисленных параметров ЛЗ характеризуются потерями. Из-за неполного согласования входного преобразователя ПАВ с источником электрического сигнала не вся его энергия преобразуется в энергию ПАВ. Точно так же на выходе не вся энергия ПАВ преобразуется в электрический сигнал. Согласование в широкой полосе частот представляет серьезную проблему. Кроме того, излучатель ПАВ не обладает идеальной направленностью и часть энергии ПАВ теряется в звукопроводе. Возникают также потери из-за отражения ПАВ и др. Потери имеют размерность дБ. Они увеличиваются с ростом задержки. Например, при t_зд = 1мкс потери составляют около 2 дБ, а при t_зд = 1мс – 40 …50 дБ.

Преобразователи ПАВ. Наибольшее распростронение получили преобразователи ПАВ со встречно-штыревой структурой, вид сверху и поперечный разрез которой показаны на рис. 17 а,б соответственно. Штыри 1 и 2 объединяются шинами 3 и 4, подключенными к источнику электрического

сигнала. Пространственный шаг h штырей определяет частоту акустическго синхронизма . На этой частоте шаг совпадает с длиной акустической волны и электрический сигнал преобразуется в ПАВ наиболее эффектно.

Пусть входной сигнал u_вх(t) изменяется во времени по гармоническому закону и в данный момент положителен, так что у поверхности кристалла в зазорах между штырями возникают электрические поля, силовые линии которых показаны стрелками на рис.17б. Тангенциальные составляющие векторов напряженности электрического поля в соседних зазорах имеют противоположные направления и вызывают упругие возмущения в кристалле, соответствующие противоположным фазам акустической волны. Условно назавем эти фазы положительными для нечетных зазоров (I, III, …) и отрицательными – для четных (II, IV, …).

Возбуждаемая ПАВ распространяется вдоль преобразователя. Так как расстоянияния между соседними зазорами равны то через время где Т – период колебаний, положительная фаза ПАВ будет под четными зазорами, а отрицательная - под нечетными. Но за это время и фаза входного сигнала, а значит, и направления тангенциальных составляющих векторов напряженности электрического поля в зазорах изменяются на противоположные. Теперь в четных зазорах будет электрическое поле, возбуждающее ПАВ с положительной фазой. В результате волна усиливается по мере прохождения под преобразователем. Если условие акустического синхронизма не выполняется, то волна будет затухать.

Для некоторых частот возбуждение ПАВ вообще невозможно. Например, при и время движения фазового фронта между соседними зазорами равно периоду колебаний. Через время Т после подачи входного сигнала в зазорах установятся электрические поля, фаза которых противоположна фазе ПАВ, что приведет к уничтожению первоначально возникших упругих возмущений.

Преобразователь представляет собой частотно-избирательный элемент. Его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) имеет максимум на чистоте акустического синхронизма f₀. Под АЧХ входного преобразователя понимают зависимость амплитуды колебаний ПАВ от частоты подаваемого электрического сигнала, а выходного преобразователя -– зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты ПАВ. Из сказанного выше следует, что избирательность увеличивается, а полоса пропускания (на уровне 0,7 от максимума АЧХ) уменьшается с ростом числа штырей N. Анализ показывает, что полоса пропускания может быть вычислена по формуле где N>>2.

Если известны скорость распространения ПАВ, рабочая частота и полоса пропускания, то можно легко определить необходимый шаг и число штырей. С ростом частоты длина волны l_ак , а значит, и требуемый шаг уменьшаются. Максимально достижимая рабочая чистота определяется разрешающей способностью применяемой литографии. Обычно ширина штырей равна зазору между ними. В предельном случае шаг h = 4_мин, где _мин– минимальный топологический размер . Полагая для фотолитографии _мин= 0,5 мкм, получаем f_{0 макс}= 0,75…1,5 ГГц. Применение субмикронной литографии позволяет увеличить частоту на порядок.

Площадь, занимаемая преобразователем на кристалле, увеличивается при снижении требуемой полосы пропускания из-за роста числа штырей. Площадь зависит также от длины перекрытия штырей А. В случае простейшего преобразователя длина перекрытия всех штырей одинакова, однако в более сложных преобразователях (см. ниже) она может изменяться в направлении распространения волны. Максимальное перекрытие А _макс , т.е. апертура преобразователя, для снижения потерь из-за разходимо8,сти луча ПАВ должно быть достаточно большим: А_макс , где L – длина прямолинейного участка распростронения ПАВ. На расстоянии L может находиться либо выходной преобразователь, либо элемент, изменяющий направление распростронения. Площадь преобразователя S = A_макс х 2 Nh увеличивается при снижении рабочей частоты. Большая площадь ограничивает частоту снизу (не менее 1…10 МГц).