Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 8
1.1. Методы формирования металлического покрытия на полимерной подложке 8
1.2. Особенности деформации полимерной подложки с тонким твердым покрытием 9
1.3. Оптические характеристики анизотропных материалов с поверхностным микрорельефом 10
1.4. Применение подложек с поверхностным микрорельефом в оптоэлектронике и устройствах отображения информации 17
1.5. Применение полимерных подложек с тонким металлическим покрытием в СВЧ технике 35
Глава 2. Одномерное деформирование полимерных подложек с тонким твердым покрытием с целью получения периодического поверхностного микрорельефа 41
2.1. Обработка подложек и методика эксперимента 41
2.2. Анализ влияния режимов деформирования полимерных подложек с тонким твердым покрытием на параметры микрорельефа 44
Глава 3. Физические свойства полимерных подложек с периодическим поверхностным микрорельефом 62
3.1. Оптические характеристики и методы их измерения 62
3.2. Ориентация жидких кристаллов на подложке с микрорельефом и методы ее измерения 64
Глава 4. Расчет оптических характеристик подложек из анизотропных материалов с поверхностным микрорельефом 68
4.1. Описание прохождения поляризованного света через дифракционную решетку, состоящую из множества оптически анизотропных слоев (метод ОАРПМ - оптически анизотропные решетки с поверхностным микрорельефом) 68
4.2. Сравнение расчетов методом ОАРПМ с результатами прямого интегрирования уравнений Максвелла 72
4.3. Расчет дифракционной эффективности различных оптически анизотропных решеток с поверхностным микрорельефом для различных применений 83
Глава 5. СВЧ и электронные элементы на основе полимерных и керамических подложек с тонким металлическим покрытием 96
"5.1. Общие принципы подхода к конструированию и технологии СВЧ и электронных элементов на полимерных и керамических подложках 96
5.2. Разработка конструкции и технологаи микрополоскового преселектора на подложке из поликора 98
5.3. Разработка конструкции и технологии усилителя СВЧ на подложках из поликора 107
5.4. Разработка и изготовление платы фильтра Кауэра на керамической подложке 113
5.5. Технология изготовления микросборок на полиимидной пленке 116
Выводы 129
Литература 130
Заключение 140
- Оптические характеристики анизотропных материалов с поверхностным микрорельефом
- Применение полимерных подложек с тонким металлическим покрытием в СВЧ технике
- Анализ влияния режимов деформирования полимерных подложек с тонким твердым покрытием на параметры микрорельефа
- Сравнение расчетов методом ОАРПМ с результатами прямого интегрирования уравнений Максвелла
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время недостаточно изучены свойства различных композитных материалов, в том числе и многослойных, состоящих из веществ с существенно различающимися свойствами. В первую очередь, это система полимер-металл, являющаяся частным случаем более общей системы твердое покрытие на податливом основании. Вследствие большой разности модулей упругости слоев деформация этой системы отличается от деформации обычных анизодиаметрических тел. В таких системах наблюдается возникновение периодического микрорельефа, что делает их привлекательным для применения в оптических приборах в качестве дифракционных оптических элементов (ДОЭ) различного назначения. Кроме того, полимерные подложки обладают меньшим весом и хрупкостью по сравнению со стеклянными или металлическими, что находит применение в оптических и СВЧ системах. Для поиска возможных применений указанных многослойных систем необходимо исследование их деформации при различных условиях, их оптических свойств, взаимодействия с другими материалами. Другим важным классом современных композитных материалов являются керамики, для которых важно влияние электрофизических и механических свойств, поверхностного взаимодействия на характеристики пленочных СВЧ и электронных элементов.
Фундаментальные исследования свойств систем на основе полимеров и
керамик, удовлетворяющих требованиям малой плотности, прочности и
простоты изготовления, могут применяться для разработки новых
конструкционных элементов, жестких и гибких подложек для металлических
покрытий, различных оптических деталей. Это особенно актуально для
современных задач космического приборостроения, где все более
необходимым становится совершенствование элементной базы с целью
уменьшения массы устройства, его габаритов, упрощения и удешевления
изготовления при сохранении функциональных характеристик без потери
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ)
надежности.
БИБЛИОТЕКА СПетеї ОЭ
і — '_
Целью работы является исследование физических свойств систем, состоящих из полимерных или керамических подложек с металлическими покрытиями, для оптических, СВЧ и электронных элементов различного назначения.
Научная новизна.
В экспериментах по деформации полимерных подложек с тонким твердым покрытием показано, как влияют условия деформации на период и форму микрорельефа.
Для оптически анизотропных полимерных подложек с микрорельефом впервые определены значения двулучепреломления и азимутальной энергии сцепления жидкого кристалла с поверхностью таких подложек.
Предложен способ теоретического описания прохождения света через двулучепреломляющую среду с поверхностным микрорельефом путем, разбиения среды на слои периодических решеток и вычисления амплитуд световых волн с разными поляризациями на границах между слоями.
Практическая значимость.
1. Разработаны методы нанесения твердого покрытия с толщиной в
нанометровом диапазоне на поверхность полимерных материалов и
деформации такого двуслойного материала с возможностью управлять
параметрами возникающего периодического микрорельефа.
Разработаны оптические методы измерения двулучепреломления полимерных подложек с микрорельефом и азимутальной энергии сцепления жидкого кристалла с поверхностью таких подложек.
Разработан математический аппарат для расчета значений дифракционной эффективности при различных параметрах двулучепреломляющей среды с поверхностным микрорельефом.
На основе проведенных исследований предложены сочетания параметров двулучепреломляющей среды с поверхностным микрорельефом
для реализации дифракционных оптических элементов различного
назначения и изготовлены опытные образцы таких элементов.
5. Предложена технология формирования тонкопленочных СВЧ-
элементов с высокой плотностью интеграции.
Защищаемые положения.
При одномерной деформации (растяжении или сжатии) полимерной подложки с тонким твердым покрытием на ее поверхности возникает периодический микрорельеф, параметры которого можно изменить при варьировании условий деформации.
В исследованных образцах деформированных полимерных материалов двулучепреломление пропорционально величине деформации и находится в диапазоне 0,0003-0,003 при растяжении 250-350%.
В ячейках с поверхностным микрорельефом на подложках исследованных полимерных материалов величина азимутальной энергии сцепления жидкого кристалла с поверхностью таких подложек составляет 5 Ю-*-Ю-4Джем"2 при растяжении 250-350%.
4. Разработанный метод для расчета дифракционной эффективности при
различных параметрах двулучепреломляющей среды с поверхностным
микрорельефом обеспечивает точность вычислений не хуже 3% для
нормального падения света.
5. Метод формирования многослойных печатных плат на полиимидной
пленке с 10-12 слоями топологии и СВЧ элементов на керамических
подложках с различной диэлектрической проницаемостью.
Апробация работы.
Работа докладывалась на научно-технических конференциях ФГУП ЦНИИ
«Комета» 2000 г. и 2003 г., 10-м Международном симпозиуме
«Перспективные дисплейные технологии» (Москва, 2000 г.), Международной
научно-технической конференции «Межфазная релаксация в
полиматериалах» (Москва, 2001), 2-й Международной конференции по
изготовлению дисплеев (Сеул, Южная Корея, 2002 г.), 22-й Международной исследовательской конференции по дисплеям (Ницца, Франция, 2002 г.).
Диссертация содержит 140 стр., 81 илл., 11 таблиц, библиография НО наименований.
В главе 1 диссертации приведен литературный обзор современных металл-полимерных систем, рассмотрены способы их деформации. Особое внимание уделено материалам с поверхностным микрорельефом, применяющихся в качестве ДОЭ и элементов электронных дисплеев (жидкокристаллических, электролюминесцентных). Приведены описания оптических свойств ДОЭ, в том числе и оптически анизотропных. Проанализированы способы изготовления тонкопленочных СВЧ и электронных элементов на полимерных и керамических подложках. Поставлены задачи исследований.
В главе 2 приводятся результаты исследований механической деформации полимерных материалов с твердым покрытием и анализ влияния режимов деформирования подложек на параметры микрорельефа. Выбор материалов обуславливался их оптическими и механическими характеристиками. В качестве исследуемых материалов подложек использовались промышленные аморфные пленки полиметилметакрилата (ПММА) и полиэтилентерефталата (ПЭТФ). Оба материала обладают оптическими, механическими и экономическими характеристиками (двулучепреломление, прочность, оптическая прозрачность, себестоимость), позволяющими изготовлять на их основе оптические детали
В качестве материала покрытия была выбрана платина, при нанесении которой можно с помощью специального калибровочного графика точно контролировать толщину слоя.
Образцы растягивали с помощью динамометра "Instron-1122" и динамометра с реверсивным двигателем РД-09 и автоматическим электронным потенциометром компенсационного типа. Кроме 'того,
сконструирован и изготовлен лабораторный вытяжной стенд с машиной, предназначенной для непрерывного ориентационного вытягивания полимеров.
Толщина пленок ПММА и ПЭТФ составляла 1 мм и 0,7 мм соответственно. Размер образца в зажиме составлял 20x60 мм и 10x30 мм. Подложке придавали форму двусторонней лопатки, форма образца .представляла простую плоскопараллельную пластинку. Для улучшения адгезии между материалом и подложкой образцы предварительно очищались мыльным или содовым раствором, и спиртом.
Учитывая многосторонние цели работы, эксперименты проводились при разных скоростях деформации, степени вытяжки, толщине покрытия, температурах. Толщину пленок измеряли с помощью вертикального измерителя толщины ИЗВ-2.
Исследование поверхности деформированных образцов и периода микрорельефа проводили с помощью сканирующего электронно-оптического микроскопа "Hitachi S-250". Измерение периода микрорельефа осуществлялось измерением величины изображения объекта в фокальной плоскости окуляра с помощью шкалы с учетом известного значения, электронного увеличения микроскопа. Типичные картины поверхности пленок ПММА показаны на рис.1. Профиль поверхности микрорельефа (рис.2) исследовался атомно-силовым микроскопом «Nanoscope-2».
Нарис. 3 приведена зависимость периода от величины относительного удлинения. Видно, что при увеличении степени вытяжки период микрорельефа, при прочих равных условиях, уменьшается, а при уменьшении скорости вытяжки — увеличивается. При увеличении скорости удлинения подложек до десятков и сотен мм/мин форма микрорельефа становится треугольной (рис.4). При малой скорости деформации может получаться периодическая двумерная структура поверхности (рис.5). Кроме того, показано, что период микрорельефа уменьшается с увеличением температуры, при которой осуществляется деформация, и с уменьшением толщины металлического покрытия.
3*
л ^-
Рис 1. Микрофотографии пленок ПММА с тонким Pt покрытием (16 им)
iJv>
С Line 1»
-^
\2
-Лі
Рис. 2. Профиль поверхности микрорельефа h(x) на пленке ПЭТФ. Толщина платипового покрытия 6 им. Период микрорельефа 2,8 мкм. Образец растянут на 120% при скорости вытяжки 0,5 мм/мин и температуре 90С. а - профилограмма в плоскости, б - объемная профилограмма.
V*5,3 mm/mif»
|6
0 *
I,
9> 1
V=0,5 mm/mm №1»3mm/mm
Elongation, "A
Рис. 3. Зависимость периода микрорельефа от величины удлинения при различных значения скорости растяжения.
Рис.4. Микрофотография образца ПЭТФ с треугольным профилем микрорельефа. Покрытие Pt 21 нм. Растяжение 100% при 90С со скоростью 10 мм/мин. Шкала в правом нижнем углу равна 12 мкм.
Рис.5. Микрофотография образца ПЭТФ с двумерным профилем микрорельефа. Покрытие PL Растяжение 67% при 9 0 С со скоростью 0,33 мм/мин.
В главе 3 приведены результаты исследований оптических свойств полимерных подложек с микрорельефом и их взаимодействия с жидкими кристаллами. Измерение оптических характеристик (коэффициента пропускания, двулучепреломления и дифракционной эффективности) проводили двумя независимыми методами.
Первый заключался в использовании оптической схемы, работающей в /проходящем свете. Схема включала последовательно расположенные гелий-неоновый лазер (Х=632,8 им), поляризатор, пластинку кварца, исследуемый образец, анализатор, фотоприемник и регистрирующее устройство.
Измерение коэффициента пропускания осуществлялось сравнением показаний фотоприемника, полученных в отсутствие образца и с образцом.
Измерение двулучепреломления для некоторых образцов проводилось сравнительным методом по известному значению двулучепреломления пластинки кварца. Для исследования дифракционной эффективности в схему между образцом и кварцевой пластинкой вводилась собирающая линза; при этом полученное значение соответствовало дифракционной эффективности нулевого порядка.
Во втором подходе использовалась следующая схема: источник света, объектив, пластина с прямоугольной или круглой щелью, собирающая линза, приемник спектрометра MMS (Carl Zeiss). Образец помещался между щелью и зеркалом. При измерении двулучепреломления размер щели составлял 3-3,5 мм, при измерении коэффициента пропускания - 1,5 мм.
Расчет двулучепреломления An осуществлялся на основе
математического аппарата, разработанного в [1]. Для случая небольшого
количества экстремумов (<3) в интерференционном спектре образца
разработана программа для описания экспериментального спектра с
интерференцией обыкновенного и необыкновенного лучей с фазовым сдвигом
АпН, где Н - средняя толщина подложки. С удлинением образца,
сопровождающимся уменьшением его толщины, возрастает
двулучепреломление (рис.6 и табл.1). Его величина изменяется в диапазоне от 0,0005 до 0,003.
О 100 200 300 Otr удлинение, %
Рис. 6. Зависимость двулучепреломления образца ПЭТФ с платиновым покрытием от степени вытяжки. Погрешность составляет ІхІОЛ 1 — подгонка спектра; 2 - сравнение с Дп
кварца.
Исследование поверхностного взаимодействия жидких кристаллов с изучаемыми подложками проводилось также несколькими методами.
Сначала ориентация ЖК на свободной поверхности подложек изучалась методом ИК-спектроскопии. Измерялся дихроизм полос поглощения CN-группы, входящей в состав молекул ЖК-1282 (НИОПиК), и рассчитывался параметр порядка ЖК, составивший 0,2-0,4.
Азимутальная поверхностная энергия ЖК определялась также другим методом, аналогичному [1]. При синусоидальном профиле микрорельефа свободная энергия деформации ЖК составляет
А=0.5 Ku2q3 (1)
где К - коэффициент упругости ЖК, и - высота профиля на поверхности подложки, q=2/j/A - волновой вектор микрорельефа.
Для измерения величины А нужно знать значение реального угла вращения поляризации света & в нематической твист-ячейке, составленной из исследуемых подложек, а также значение угла А<р отклонения директора ЖК на поверхности от заданного направления ориентации. Для величины угла вращения поляризации реальной твист-ячейкой с конечным значением А получено следующее выражение:
^г^=Щв-Щ (2)
У исследованных образцов полимерных подложек с микрорельефом азимутальная поверхностная энергия А изменятся от 5 10 Дж м" ДО 9 10" Дж м" (табл.1). Разница в ее значениях для образцов 28 и 29 объясняется различными значениями периода Л.
Табл 1. Параметры микрорельефа и азимутальная поверхностная энергия образцов ПЭТФ. Скорость растяжения 1,8 мм/мин при 90С.
В главе 4 разработан метод математического моделирования дифракции света в оптически анизотропных материалах на основе подходов Рокушима-Ямакита, Глитциса-Гейлорда и Цоя [2-4], а также приведены результаты расчета интенсивности света, дифрагировавшего на оптически анизотропных решетках с поверхностным микрорельефом (ОАРПМ). Метод разработан совместно с кафедрой оптики Саратовского государственного университета.
Матричный формализм метода ОАРПМ можно трактовать как обобщение формализма матриц Берремана. Уравнения Максвелла для монохроматического поля в слоистой структуре решеток приводят к системе уравнений относительно коэффициентов разложения тангенциальных составляющих электрического е и магнитного h поля в спектр связанных пространственных гармоник записываемых в матричной форме dF/dx—jCF, где F=(efhlelhj) - блочный матричный столбец, блоки которого представляют собой столбцы вида {a} =(a.),f.»a-iit-~aQ—-am—atd > їде М- число учитываемых гармоник. Дифференциальная матрица распространения С определяется направлением падающей волны и компонентами разложения диэлектрического тензора по пространственным гармоникам решетки -синусоидальным диэлектрическим решеткам с пространственными частотами, кратными обратному периоду решетки. Диагонализирующая матрица Т
(C=TKT') проецирует столбец комплексных амплитуд пространственных гармоник собственных волн светового поля G на плоскость слоя, то есть С=Т" F. В слоистой структуре решеток (рис.7) перенос поля через (Ь)-ю решетку, включая перенос через ее толщу и через границу с (L+l)-oti решеткой, описывается в собственной системе координат слоя соотношением
&(0)-lffa-XL*№u.*i&*'(0), (3)
где Вц+і - граничная матрица передачи. Перенос поля G(0)
G(0)=Vt G(N+1). (4)
где W - полная матрица переноса пространственных гармоник поля через слоистую систему решеток.
В окружающей воздушной среде амплитуды пространственных гармоник представляют собой амплитуды дифрагировавших волн различных порядков. Их упорядочивают и находят отраженные и прошедшие через систему решеток волны при заданной падающей волне.
п(1)
«о
Рис.7. Представление двулучепреломляющего материала с поверхностным микрорельефом в виде последовательности квазиоднородных слоев.
Согласно описанной процедуре составлен ряд подпрограмм, при пользовании которыми формируется полная матрица переноса, выделяются субматрицы для определения отраженных и прошедших волн, вычисляются нормальные к решеткам компоненты вектора Пойнтинга в дифракционных порядках и определяются дифракционные эффективности. В заключение формируется текстовый файл с результатами расчета, на основании которого результаты можно представить графически.
Для оценки точности разработанного подхода методом ОАРПМ и методом конечных разностей (FDTD), представляющим собой одну из разновидностей прямого интегрирования уравнений Максвелла, на решетках с тремя разными величинами периода, равными соответственно одной, двум и трем длинам волн падающей электромагнитной волны (Л=Л 2Х, ЗЛ соответственно). Данные для периода Л=2Л> приведенные на рис.8, показывают хорошее соответствие результатов, полученцых двумя разными способами.
Методом ОАРПМ были рассчитаны дифракционные эффективности в разных порядках дифракции для случая нормального падения света на решения с неличиной оптической анизотропии от 0 до 0,2 при изменении глубины микрорельефа от 0 до ЗЛ (рис.9,10). При этом были определены условия экстремумов различных дифракционных порядков с ТЕ- и ТМ-поляризациями, необходимые для расчета ДОЭ различного назначения. В Табл.2 приведены результаты расчетов параметров микрорельефа прямоугольных и синусоидальных решеток, которые отклоняют падающий пучок света на заданный угол или расщепляют его на два пучка с одинаковыми или различными поляризациями.
Табл 2 Результаты расчетов дифракции поляризованного света на прямоугольных и синусоидальных решетках с различными параметрами микрорельефа и оптически анизотропного полимера. Период решеток равен длине волны. Угол падения 30*, штрихи перпендикулярны плоскости падения, углы дифракции в -1-м порядке дифракции составляют также 30* от нормали к плоскости решетки.
1,2
0,8
0,6
0,4
0,2
-0,2
. -——^ чр %г ТрГ—"—О "—
* 1 ч о
53? . .—Щ*
h,A
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0.1
h, Л
Рис.8. Зависимости дифракционной эффективности в нулевом (вверху) и первом (внизу)
порядках от высоты микрорельефа, приведенной к длине волны, полученная в результате
расчетов, основанных на методах FDTD (сплошная линия) и ОЛ РПМ (пунктир). Л=2 А.
TRANSMITTED TE-WAVE
-m
-I2
0,1
0,5
1,5 2
h/Lambda
2,5
3,5
Рис.9. Зависимость дифракционной эффективности в 0-м, 1-м, 2-м и 3-м порядках для прошедшей волны с ТЕ-поляризацией от глубины микрорельефа, приведенной к длине волны, при двулучепреломлении Дп=0,1.
TRANSMITTEDTE-WAVE
0,05
11-с
11-d
И-а^г— И-Ь
0,5
1,5 2
h/Lambda
2,5
3,5
Рис.10. Зависимость дифракционной эффективности в 1-м порядке для прошедшей волны с ТЕ-поляризацией от глубины микрорельефа, приведенной к длине волны, при различных значениях двулучепреломления подложки, а - Дп=0; Ь - Дп=0,05; с - Дп=0,1; d - Ап=0,2.
В главе 5 рассмотрены проблемы создания пленочных печатных плат и СВЧ элементов на полимерных и керамических подлоясках. Для миниатюризации электронных СВЧ устройств весьма эффективным является применение гибридно-интегрального и гибридно-монолитного принципов построения функциональных СВЧ-узлов. Разработаны микросборки на на основе многослойных печатных плат на полиимидной пленке (МП-ПМ) с 10-.12 слоями топологии. Отработаны операции подготовки и спаивания пакета МП-ПМ, включая установку этого пакета на жесткое основание, а также установка навесных компонентов на МП-ПМ с последующей сваркой-пайкой выводов к контактным площадкам МП-ПМ. Структура одного из таких элементов приведена на рис.11.
Разработаны методы формирования и топологии различных СВЧ-элементов (фильтров, резисторов, и т.п.) в соответствии с принципиальными электрическими схемами с высокой плотностью интеграции. Описаны конструкции, технологии и характеристики микрополоскового преселектора, предназначенного для обеспечения частотной избирательности сигнального тракта СВЧ блока радиоприемного устройства; усилителя СВЧ для усиления выходного сигнала малого уровня мощности в радиопередающем устройстве; фильтра Кауэра для развязки СВЧ сигнала от цепей питания.
В качестве примера на рис.12 приведена топология фильтра Кауэра, имеющего лучшую по сравнению с аналогами развязку СВЧ сигнала от цепей питания. При частоте основного сигнала f^2 ГГц частота среза фильтра f = 270 МГц, развязка >30 дБ Радиотехнические параметры экспериментальных образцов фильтра Кауэра позволяют применять его в усилителях, преобразователях специзделий.
Кроме того, определены технологические ограничения и величины технологических погрешностей для прецизионных СВЧ-плат; доработана технология вакуумного напыления проводниковых структур с разбросом толщины по площади подложки размером 60x48 мм, не превышающим
^zzzzzzzzzzzn
Рис. 11. Монтаж кристалла И С с помощью медного золоченого «паука».
/77777..
L-M-
Рис. 12. Топология фильтра Кауэра
+ 1,5 мкм (диапазон толщин пленок составил 3-5; 8-11 и 10-13 мкм); определены технологические погрешности на этапах изготовления фотошаблонов и проведения фотолитографических операций; расширен допустимый диапазон номиналов резисторов на плате от единиц ом до десятков килоом.
Выполненные исследования позволили уменьшить массогабаритные характеристики разрабатываемых и изготавливаемых СВЧ приборов, увеличив плотность компоновки бескорпусных активных (плотность монтажа 0,31 и пассивных пленочных элементов (64 эл/см2 на сапфире и 12,4 - на поликоре). Это позволило улучшить массогабаритные характеристики на 40%.
Оптические характеристики анизотропных материалов с поверхностным микрорельефом
Общеизвестно, что пространственная модуляция оптических характеристик вещества или рельефа поверхности приводит к существенному изменению пропускания и отражения света по сравнению со случаем однородной среды с плоскими границами [30-32]. Достаточно упомянуть селективное по длинам волн отражение от периодически неоднородных диэлектриков или аномальное подавление отражения мелкомасштабным рельефом металлической поверхности. При этом анизотропия диэлектрического тензора в сочетании с пространственной периодичностью ориентации главных осей существенно меняет состояние поляризации в дифракционных порядках [33-36]. Естественно предположить, что совместное действие таких объемных и поверхностных факторов может расширить диапазон оптических эффектов и открыть новые возможности оптических устройств. В последнее время появились примеры таких сред с оптической анизотропией и поверхностным микрорельефом, которые используются для управления направлением распространения и поляризацией световых пучков [37-40], а также для создания жидкокристаллических устройств с долговременной памятью [41,42] и равномерной подсветкой поля зрения [7]. а) Дифракция на слоистых структурах В поиске таких возможностей полезную роль может сыграть численное моделирование с использованием различных подходов. В диссертации разработан метод одновременного учета упомянутых факторов для частного, но достаточно важного случая слоистых структур, элементы которых характеризуются одной и той же периодичностью по некоторому направлению вдоль слоев. Это может быть как периодичность материальных констант в слоях, так и периодичность профилей поверхностей, разделяющих эти слои, включая рельефы внешних поверхностей. При этом сложный рельеф или слой с плавной неоднородностью вдоль нормали к слою заменяются стопкой квазиоднородных слоев. Сложный рельеф представляется плоскопараллельной стопкой тонких решеток с различной шириной щелей, края которых образуют ступенчатую линию, аппроксимирующую истинный профиль (Рис. 1.1). Слой с плавной поперечной неоднородностью тоже представляется стопкой слоев, квазиоднородных в поперечном направлении, подобно тому, как в методах Джонса и Берремана [43] для однородных по плоскости слоев.
Поглощение учитывается использованием комплексного диэлектрического тензора. Предлагаемый подход по существу является развитием метода Рокушимы-Ямакиты [33,34] для расчета отражения и пропускания анизотропных диэлектрических решеток, в том числе хиральных смектических жидких кристаллов. Отличительным моментом, позволяющим реализовать предложенную схему, является использование полученного в работе [36] способа расчета граничных матриц передачи светового поля для решеток. В остальном полностью используется формализм Рокушимы-Ямакиты, со всеми его достоинствами, а также метод Глитциса-Гейлорда для многослойных амплитудных и фазовых решеток [35]. Возможно рассматривать любые направления падающей волны и ее поляризацию, любую ориентацию решетки (при условии постоянства тангенциальной составляющей вектора обратной решетки), любую анизотропию среды. б) Метод конечных разностей для расчета дифракционных задач прямым интегрированием уравнений Максвелла Для вычисления оптических характеристик периодических структур разработано много новых методов, описанных, например, в [44]. Однако для расчета распространения света в анизотропных средах наиболее точные результаты получаются при прямом интегрировании уравнений Максвелла. На сегодня одним из самых популярных методов расчета задач вычислительной электродинамики является метод конечных разностей или FDTD (finite-difference time-domain) [45-47]. Одним из главных достоинств этого метода является его универсальность, позволяющая успешно применять FDTD для решения практически любых электродинамических задач, в том числе нестационарных и нелинейных. Рассмотрим некоторые особенности этого метода при работе с периодическими оптическими средами. В рамках метода FDTD исследуемая область пространства разбивается на ячейки длиной dx=dy=Sz S1 2i изучаемый интервал времени разбивается на отрезки длиной St. Реальные электрическое и магнитное поля при этом заменяются дискретными функциями переменных времени п и пространственных координат i,j, к: Производные по времени и по пространству заменяются конечными разностями, причем разностная схема имеет второй порядок точности по пространству и времени, что достигается сдвигом узлов, в которых записываются значения электрической индукции и напряженности
Применение полимерных подложек с тонким металлическим покрытием в СВЧ технике
Различные подходы к исследованию материалов для СВЧ техники и СВЧ и электронных устройств для различного применения, в том числе и для использования в космосе и в устройствах специального назначения, описаны в [74-85]. Выполнение современных требований по миниатюризации РЭА невозможно без прогресса в миниатюризации источников вторичного электропитания (ИВЭП), масса и габаритные размеры которых составляют от 15 до 50 % этих параметров аппаратуры. К ИВЭП бортовой аппаратуры предъявляются специфические требования: минимальные масса и габаритные размеры; высокий КПД; высокая надежность (50 000 ч эксплуатации без ремонтно-профилактических и восстановительных работ). Эти требования можно реализовать, комплексно используя следующие три направления: новое структурное построение системы вторичного электропитания; новые схемотехнические решения; применение бескорпусной элементной базы. В настоящее время в бортовой цифровой аппаратуре широко применяется децентрализованная по отдельным цепям структура системы питания. При этой структуре для каждого потребителя создаются свои модули вторичного питания. Преимущества модульной системы питания следующие: превышение надежности аппаратуры на всех стадиях испытаний; возможность широкой унификации и благодаря этому снижение трудозатрат на стадиях разработки конструкторской документации, изготовления и регулировки. Одним из наиболее распространенных пленочных полимерных материалов для СВЧ сборок является полиимид. В состав микросборки на полиимидной пленке входят: микросхемы, электрорадиоизделия," многослойная плата на полиимидной пленке (МП-ПМ), жесткое основание. Технологический процесс изготовления МП-ПМ размером 78x95 мм позволяет получить до 10-12 слоев топологии. Электрическая связь между слоями осуществляется с помощью сквозных металлизированных отверстий, заполненных припоем, расположение которых по полю платы носит равномерный характер (рис. 1.29).
Кроме того, весьма распространены микросборки на керамических подложках, так как они имеют, как правило, более высокое значение диэлектрической проницаемости по сравнению со стеклом и родственными материалами и имеют более высокую механическую прочность. Применяются также сапфировые подложки, имеющие хороший теплоотвод. В настоящей работе они не исследуются, хотя в ряде случаев сравниваются параметры устройств на керамических и сапфировых подложках. Характеристики различных материалов для электронных микросборок и тонкопленочных устройств приведены в Табл. 1.1. На поликоровых подложках можно изготавливать различные СВЧ элементы: микрополосковый преселектор, предназначенный для обеспечения частотной избирательности сигнального тракта СВЧ блока радиоприемного устройства; усилитель СВЧ для усиления выходного сигнала малого уровня мощности в радиопередающем устройстве; транзисторно-варакторную цепочку; смеситель на двухзатворном полевом транзисторе; смеситель сдвига; фильтр Кауэра для развязки СВЧ сигнала от цепей питания и другие. Учитывая достаточно подробное описание в литературе конструкции и функционирования перечисленных СВЧ элементов, остановимся подробнее на характеристиках фильтра Кауэра. Фильтр Кауэра по сравнению с аналогичными устройствами, например, фильтром Чебышева, имеет лучшую развязку СВЧ сигнала от цепей питания. Он может использоваться в широком диапазоне частот (от I ГГц и выше) и имеет большую область применения. В качестве фильтра питания он перспективен в усилителях, преобразователях. Можно использовать его и как самостоятельное устройство - заграждающий фильтр. Применение в качестве подложки платы фильтра полиимидной пленки вместо поликора позволяет уменьшить габариты фильтра в 3 - 4 раза и вес в 10 - 15 раз. Теоретические значения развязки фильтра - 40 - 50 дБ.
Технология изготовления многослойных микросборок на полиимидной пленке позволяет изготавливать фильтр Кауэра с еще более высоким значением развязки, так как в этом случае можно использовать последовательное соединение нескольких плат. Эксперимент по деформированию полимерных подложек с тонким металлическим покрытием, его методика и результаты описан в [86-88]. Выбор материалов обуславливался их оптическими и механическими характеристиками. В качестве исследуемых материалов подложек использовались промышленные аморфные пленки полиметилметакрилата (ПММА) и полиэтилентерефталата (ПЭТФ). Оба материала обладают оптическими, механическими и экономическими характеристиками (двулучепреломление, прочность, оптическая прозрачность, себестоимость), позволяющими изготовлять на их основе оптические детали. В качестве материала покрытия была выбрана платина, при нанесении которой можно с помощью специального калибровочного графика точно контролировать толщину слоя [23]. Абсолютное большинство образцов растягивали с помощью динамометра "Instron-1122" и динамометра с реверсивным двигателем РД-09 и автоматическим электронным потенциометром компенсационного типа. Эксперимент выполнялся совместно с лабораторией полимеров химического факультета МГУ. Для проведения исследований по разработке технологического процесса получения модифицированных полимерных материалов (пленок) по методу, аналогичному способу крейзинга в жидких средах, был сконструирован и изготовлен лабораторный вытяжной стенд, предназначенный для ориентационного вытягивания полимеров. Этот стенд представляет собой 4 тянущих механизма (пятивальцев), последовательно смонтированных на общей раме (рис.2.1). Каждый из тянущих механизмов имеет отдельный привод, что обеспечивает возможность регулирования скорости вращения каждого из них независимо друг от друга. Это позволяет в широких пределах изменять кратности вытягивания волокон на отдельных стадиях. Максимально возможная скорость вращения на последних четвертых пятивальцах обеспечивает скорость движения пленки или волокна 100 мм/мин. Каждые два из последовательно расположенных пятивальцев образуют вытяжную пару, на которой растяжение волокна или пленки происходит за счет разности скоростей их движения на подающем и принимающем механизме. Расстояние между двумя последовательно расположенными пятивальцами определяет длину зоны вытягивания. Поскольку обычно ориентационное вытягивание полиэфирных волокон производится на нагревательных элементах (плоские пластины, термокамеры), для проведения работ был изготовлен ряд специальных устройств: погружные ванны, в которых последний ролик подающего тянущего
Анализ влияния режимов деформирования полимерных подложек с тонким твердым покрытием на параметры микрорельефа
Учитывая многосторонние цели работы, эксперименты проводились при разных скоростях деформации, степени вытяжки, толщине покрытия, температурах. Кроме того, был проведен ряд опытов, в процессе которых применялась новая комплексная методика изготовления подложек. Исследование поверхности деформированных образцов и периода микрорельефа проводили с помощью сканирующего электронно-оптического микроскопа "Hitachi S-250". Измерение периода микрорельефа осуществлялось измерением величины изображения объекта в фокальной плоскости окуляра с помощью шкалы с учетом известного значения электронного увеличения микроскопа. Типичные картины поверхности пленок ПММА показаны на рис. 2,2. Профиль поверхности микрорельефа (рис. 2.3) исследовался атомно-силовым микроскопом «Nanoscope-2». На рис. 2.4-2.13 приведены сканирующие электронные фотографии образцов ПЭТ с платиновым покрытием, подвергшихся различным видам обработки. Наиболее равномерная периодичность микрорельефа получается при температуре процесса 90С, выдержке подложки после окончания деформации в течение 20 мин. и последующей выдержке при комнатной температуре в течение нескольких минут, малой величине и скорости деформации (-50-100% при 0,5 мм/мин). Картины микрорельефа, полученного при таких условиях в ПЭТ с платиновым покрытием различной толщины, приведены на рис. 2.4, 2.5. При этих условиях получается микрорельеф циклоидоподобной или синусоидальной формы с приблизительно равными по длине фрагментами растрескавшегося покрытия при равной длине промежутков между ними. На рис. 2.6 и 2.7 приведены изображения поверхности подложки ПЭТ с платиновой пленкой толщиной около 3 нм, что соответствует времени нанесения покрытия 60 с. Условия деформации подложек практически одинаковы, основное отличие в значении температуры процесса. Согласно [25] период микрорелефа А определяется выражением, где h — толщина твердого покрытия, и - коэффициент
Пуассона, Е и Е\ -модули упругости полимера и металлической пленки, соответственно. Таким образом, для варьирования Л надо изменять толщину покрытия или модули упругости путем изменения температуры. Большое влияние на процесс формирования микрорельефа имеет также скорость вытягивания. При температуре 90С наблюдается, как и в других опытах, возникновение микрорельефа с однородным периодом поперек направлению растяжения. Растрескивание твердого покрытия также происходит достаточно однородно с появлением приблизительно равных по длине промежутков между фрагментами покрытия. Основной отличительной особенностью этого опыта является возникновение периодической структуры вдоль направления растяжения (рис. 2.6). При деформации не только полимеров, но и других аналогичных систем обязательно должны возникнуть гармоники, соответствующие периодическим структурам в обоих направлениях. Они плохо выражены в коротких и тонких образцах, и поэтому ранее не наблюдались. Такая структура микрорельефа может оказаться полезной для создания двумерных дифракционных картин. Увеличение температуры всего на 10С приводит к изменению морфологии получающегося микрорельефа (рис. 2.7). При медленном вытягивании (скорость 0,3 мм/мин) в течение 1,5 часа наблюдается неустойчивость не только поперек направления вытягивания, но и вдоль него. В отличие от равномерной картины на рис.2.5 продольная волна идет по каждому гребню микрорельефа в отдельности, создавая впечатления переплетения бороздок. Более того, при внимательном рассмотрении каждый гребень микрорельефа состоит из более тонкой периодической структуры (рис.2.6 слева). Это должно быть связано с фрагментацией твердого покрытия, из-за чего между частями твердой платиновой пленки возникают механические напряжения, действующие на непокрытый пленкой объем полимера.
Это приводит к вторичной периодической деформации полимера. Похожая картина наблюдается и при очень долгой деформации толстого образца при 90С (рис. 2.8). Для регулирования формы микрорельефа был предложен и исследован режим нанесения многослойного твердого покрытия, в том числе и на образец, предварительно подвергавшийся деформации (рис. 2.9). При таких условиях образуется периодический микрорельеф циклоидоподобной или синусоидальной формы с углублением в вершине гребня. Такая форма микрорельефа оказывается оптимальной для равномерного рассеяния падающего пучка света во всех направлениях, что можно использовать при создании многопорядковых дифракционных решеток или отражательных жидкокристаллических дисплеев с равномерной подсветкой падающим светом и имеющих высокое значение коэффициента диффузного отражения. Увеличение скорости деформации до десятков мм/мин приводит к разным интересным эффектам. Одним из них является неоднородная фрагментация твердого покрытия, что особенно проявляется при большой
Сравнение расчетов методом ОАРПМ с результатами прямого интегрирования уравнений Максвелла
Матричный формализм метода ОАРПМ (по-английски OAGSM -Optically Anisotropic Gratings with Surface Microrelief), развитый в [88, 101], можно трактовать как обобщение формализма матриц Берремана [43]. Уравнения Максвелла для монохроматического поля в слоистой структуре решеток (рис. 4.1) приводят к системе уравнений относительно коэффициентов разложения тангенциальных составляющих электрического е и магнитного h поля в спектр связанных пространственных гармоник. В матричной форме эти уравнения записываются в виде [36] Здесь F eyjh hy) - блочный матричный столбец, блоки которого представляют собой столбцы вида {а} =(а_м...а.т....ао....ат...ам)т, где М- число учитываемых гармоник. Дифференциальная матрица распространения С в уравнении (4.1) определяется направлением падающей волны и компонентами разложения диэлектрического тензора по пространственным гармоникам решетки - синусоидальным диэлектрическим решеткам с пространственными частотами, кратными обратному периоду решетки [36]. Заметим, что в частном случае М=0 уравнение (4Л) переходит в соответствующее уравнение Берремана. В соответствии с общим методом решения уравнения (4.1) осуществляется приведение матрицы С=ТКТ 1 к диагональной матрице К. Диагонализирующая матрица Т проецирует столбец комплексных амплитуд пространственных гармоник собственных волн светового поля G на плоскость слоя, то есть G=TlF. При этом трансформация амплитуд в поперечном к слою направлении внутри слоя определяется решением уравнения (4.1) в виде где матричная экспонента представляет собой диагональную матрицу, составленную из фазовых множителей ехр(/к,рс) с пространственными частотами, определяемыми элементами к„ матрицы К. В слоистой структуре решеток (Рис.4.2) перенос поля через (Ь)-ю решетку, включая перенос через ее толщу и через границу с (L+1)-OVL решеткой, описывается в собственной системе координат слоя соотношением где BI,I+/ - граничная матрица передачи, вычисляемая по формулам, приведенным в [102].
Таким образом, можно построить полную матрицу переноса W пространственных гармоник поля через слоистую систему решеток точек выхода из системы прошедших волн G(N+1); В окружающей воздушной среде амплитуды пространственных гармоник представляют собой амплитуды дифрагировавших волн различных порядков. Их можно упорядочить таким образом, что матричный столбец амплитуд разделяется на два субстолбца, один из которых описывает волну, падающую на слоистую структуру, а другой - волну, исходящую от нее. Это дает возможность записать соотношение между субстолбцом g-Q амплитуд гармоник падающей волны, субстолбцом g+0 амплитуд отраженных волн и субстолбцом g N+t амплитуд прошедших волн в виде [4] Здесь W - субматрицы матрицы переноса W. Последнее уравнение позволяет найти отраженные и прошедшие через систему решеток волны, если задана падающая волна. II (1) Є Чтобы рассмотреть перенос поля через периодически рельефную поверхность в рамках рассматриваемого формализма, можно воспользоваться тем, что воздушная щель в рельефе формально эквивалентна части слоя, в которой модуляция диэлектрического тензора обращает его в единичный тензор. Согласно описанной процедуре составлен ряд подпрограмм, при пользовании которыми формируется полная матрица переноса, выделяются субматрицы для определения отраженных и прошедших волн, вычисляются нормальные к решеткам компоненты вектора Пойнтинга в дифракционных порядках и определяются дифракционные эффективности. В заключение формируется текстовый файл с результатами расчета, на основании которого результаты можно представить графически. В качестве объекта вычислений была взята прямоугольная фазовая решетка с показателем преломления 1,5. Скважность всегда равна 2 — т.е. ширина ямки (расстояние dair на рис.1) равна половине периода решетки.
Для трех разных величин периода решетки, равных соответственно одной, двум и трем длинам волн падающей электромагнитной волны (Л-Л, 2Л, ЗЛ соответственно), проведено исследование зависимости величины энергии, рассеянной в различные порядки от глубины решетки. Обозначим глубину ямки /г, интенсивность света в n-м порядке 1п. Разность фаз, вносимая этой решеткой, равна Аф = — h{n-\). Учитывая, что п=1,5, величина Аф принимает значения, кратные 2л, на глубине решетки Л=2, 4,..,, Л. Отсюда получаем, что для рассматриваемой фазовой решетки все ее оптические характеристики есть периодические функции глубины ямки h с периодом 2Л. Сначала приведем данные расчета, основанные на скалярной теории дифракции и приближении тонкой решетки (Табл. 4.1). В силу того, что скважность равна 2, отличны от нуля только нечетные пространственные гармоники (±1, ±3, ±5 порядки).
