Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Решение краевой задачи о ПАВ для двухслойного металлического покрытия пьезокристалла . 12
1.1. Формулировка уравнений движения и граничных условий. 12
1.2. Вывод расчетных соотношений. 17
1.3. Результаты исследования частотной зависимости скорости ПАВ в слоистой структуре . 23
1.4. Определение акустических параметров электродов по экспериментальным данным для скорости. 34
Выводы к главе 1 37
Глава 2. Снижение отражений ПАВ в ВШП со слоистыми электродами . 38
2.1. Влияние отражений ПАВ внутри ВШП на его АЧХ. 39
2.2. Способы устранения отражений и их недостатки . 42
2.3. Коэффициент отражения ПАВ от слоистого электрода. 45
2.4. Определение частот нулевого коэффициента отражения ПАВ для различных параметров слоистого электрода. 58 Выводы к главе 2 60
Глава 3. Исследование влияния слоистой структуры электродов на термостабильность АЧХ ВШП . 61
3.1. Проблемы точности расчета термостабильности устройств на ПАВ с учетом электродов. 61
3.2. Расчетные соотношения для ТКЧ и ТРЧ учетом коэффициента металлизации . 64
3.3. Влияние адгезионного подслоя на изменение термостабильных углов среза кристалла кварца. 66 Выводы к главе 3 80
Глава 4. Квазиполевая модель ВШП со слоистыми электродами 81
4.1. Расчет плотности объемного заряда ПАВ в слоистой структуре. 1
4.2. Квазиполевая модель преобразования ПАВ в ВШП . 85
4.3. Влияние слоистой структуры электродов на АЧХ ВШП. 90 Выводы к главе 4 98
Заключение 99
Список литературы
- Результаты исследования частотной зависимости скорости ПАВ в слоистой структуре
- Способы устранения отражений и их недостатки
- Расчетные соотношения для ТКЧ и ТРЧ учетом коэффициента металлизации
- Квазиполевая модель преобразования ПАВ в ВШП
Введение к работе
Устройства на ПАВ уже давно используются в промышленных приборах связи, радиолокации, военной технике [1-3], а в настоящее время нашли широкое применение и в бытовой аппаратуре, такой, например, как телевизоры и сотовые телефоны [4]. Эти устройства осуществляют аналоговую обработку информации, а в качестве объекта переноса информации используют акустические волны в кристаллах. Неотъемлемым элементом данных устройств является преобразователь электрического сигнала в акустическую волну, выполняющий также и обратное преобразование акустической волны в электрический сигнал. Конструкция преобразователя зависит от требований к его амплитудно-частотной характеристике (АЧХ), фазочастотной характеристике (ФЧХ), к уровню ложных сигналов, а также зависит от вида используемой волны (релеевской [5,6], Гуляева-Блюстейна [7], приповерхностных объемных акустических волн [8-Ю]), требований к температурной стабильности и других факторов. В случае применения поверхностных волн на пьезоэлектрических кристаллических подложках наиболее удобно использовать встречно-штыревой преобразователь (ВШП) [11-13].
В большинстве устройств на ПАВ встречно-штыревые преобразователи изготавливаются из тонкой пленки алюминия (реже золота или серебра), нанесенной методом вакуумного напыления.
Электрофизические, акустические и дисперсионные свойства материалов, приведенные в [27], показывают, что сочетание алюминиевого покрытия и кварцевого звукопровода дает наименьшую дисперсию и отражение ПАВ. Для фильтров на ниобате лития отражение за счет несоответствия акустических сопротивлений материалов звукопровода и покрытия минимальны при использовании серебра, но при этом велики дисперсионные искажения и увеличивается составляющая коэффициента отражения от границ электродов из-за роста нагружающей массы.
Выбор алюминия в качестве материала для электродов со звукопроводами из кварца, ниобата лития и пьезокерамики определяется низким удельным сопротивлением, благодаря чему незначительно увеличиваются потери на сопротивление электродов. Алюминий обладает небольшой удельной массой по сравнению с другими металлами, что уменьшает влияние массовой нагрузки. При крупносерийном производстве особенно важно, что низкую стоимостью имеет и сам алюминий и технологический процесс его нанесения.
В связи с тем, что алюминий является относительно легкоплавким металлом, для напыления пленки весьма удобен метод термического испарения в вакууме. Наиболее просто этим методом осуществляется испарение с помощью прямонакальных резистивных испарителей, выполняемых из тугоплавких металлов, например, многопроволочных испарителей из вольфрама.
Поскольку при термическом испарении адгезия пленки алюминия к поверхности полированного кварца и ниобата лития низка, в качестве адгезионного подслоя используют хром или ванадий. Для обеспечения хорошей адгезии пленки алюминия толщина адгезионного подслоя должна быть 10-50 нм.
Технология изготовления структур фильтров на ПАВ сводится к формированию заданной конфигурации металлических электродов и контактных шин. Для диапазона частот от 30 до 1000 МГц ширина электродов изменяется от 25 мкм до 1 мкм соответственно для одиночных штырей, и от 15 мкм до 0.5 мкм для «расщепленных» штырей. Длина электродов обычно имеет порядок 100 длин волн, что составляет от 0.3 мм до 10 мм, а общее количество электродов изменяется от 20 до 1000.
При этом к качеству структур предъявляются весьма жесткие требования. Для большинства фильтров практически не допускаются обрывы электродов. Не допускаются замыкания электродов в зоне их взаимного
перекрытия, вне этой зоны возможно наличие не более трех - пяти дефектов типа «островок». Не допускаются сквозные царапины или поры на электродах или контактных площадках, уменьшающие сечение электродов или контактных площадок.
Процессы стандартной фотолитографии позволяют создавать электродные структуры с минимальными размерами элементов 0.8 мкм [1,43-46]. Таким образом, существует предельная резонансная частота устройства на ПАВ, определяемая технологическими возможностями. Так, например, на кварце предельная резонансная частота на основной гармонике составляет 1 ГГц, а для ВШП с двойными электродами, что необходимо для устранения искажений в устройствах, она не превышает всего 0.5 ГГц. Для материалов с более низкой скоростью распространения ПАВ, таких, например, как лангасит [37], эта предельная частота еще ниже.
Обычно наиболее широко применяемое устройство - полосовой фильтр на ПАВ - состоит из входного ВШП, осуществляющего преобразование электрического сигнала в акустический и выходного ВШП, осуществляющего обратное преобразование (рис. В1).
Входной ВШП Выходной ВШП
(неаподизованный) (аподизованный)
Рис. В1. Наиболее распространенная конструкция фильтра на ПАВ.
Поэтому АЧХ всего устройства, вычисляемая как квадрат модуля комплексной функции передачи, образуется на основании теоремы о свертке перемножением АЧХ входного и выходного ВШП. Входной ВШП, как правило, имеет наиболее простую однородную структуру, так как он должен сформировать по возможности однородный с минимальным дифракционным
расхождением акустический поток в направлении выходного ВШП, а на приемный преобразователь возлагается основная функция формирования АЧХ всего устройства [47,54,55,57], и он может иметь очень сложную по геометрии штыревую структуру.
В связи с непрерывным продвижением устройств на ПАВ в СВЧ диапазон [48-50,53], развитием систем сотовой связи и освоением новых частотных диапазонов (свыше 2 ГГц) расширилась область применения устройств на ПАВ, в частности, разрабатываются устройства для использования в антенных трактах передатчика сотового телефона. При этом в СВЧ устройствах на ПАВ увеличивается влияние вторичных эффектов, которые необходимо учитывать.
Поэтому существует потребность в повышении точности расчетов характеристик устройств на ПАВ при переходе в СВЧ диапазон, что невозможно без учета того, что металлическая пленка, из которой состоит электродная структура ВШП, имеет составную (двухслойную) структуру из нанометрового адгезионного подслоя и основного слоя из высокопроводящего металла.
Таким образом, разработка методов расчета различных характеристик ВШП ПАВ в СВЧ диапазоне, учитывающих влияние адгезионного подслоя, является актуальной.
Целью диссертационной работы является исследование процессов распространения и преобразования ПАВ в структуре «пьезокристалл-двухслойная металлическая пленка» и анализ влияния адгезионного подслоя алюминиевых электродов на частотные и температурные характеристики СВЧ приборов на ПАВ.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Исследование распространения ПАВ в структуре «двухслойная металлическая пленка» на поверхности пьезокристалла;
Исследование коэффициента отражения ПАВ от края двухслойной пленки на поверхности кристалла;
Исследование влияния двухслойной структуры электродов на термостабильность АЧХ ВШП ПАВ;
Исследование с помощью квазиполевого метода влияния двухслойной структуры электродов на потери преобразования ВШП;
Научная новизна:
Впервые исследовано влияние адгезионного подслоя металлической пленки на поверхности пьезокристалла на скорость и структуру ПАВ в СВЧ диапазоне. Рассчитаны частотные зависимости скорости ПАВ в структуре «двухслойная металлическая пленка-пьезокристалл».
Впервые предложен и исследован способ устранения отражения ПАВ от краев электродов за счет выравнивания скоростей ПАВ на свободной и металлизированной поверхностях с использованием упругих свойств адгезионного подслоя.
Впервые показано, что адгезионный подслой оказывает существенное влияние на термостабильность устройств на ПАВ на частотах свыше 1 ГГц. Найдены углы срезов кристалла кварца, при которых достигается термостабилизация АЧХ ВШП с двухслойными электродами в диапазоне частот свыше 1 ГГц.
На основе построенного квазиполевого метода показано, что адгезионный подслой электродов ВШП влияет на потери преобразования в СВЧ диапазоне и может приводить как к их росту, так и к их снижению.
Достоверность полученных в диссертации результатов основана на строгой постановке и решении граничных задач пьезоакустики и подтверждается хорошим соответствием полученных в работе теоретических результатов с экспериментальными и некоторыми теоретическими результатами других авторов, а также очевидной адекватностью результатов в предельных случаях.
Основные положения, выносимые на защиту:
На частотах свыше 0.5 ГГц при расчетах скорости и структуры ПАВ на металлизированной поверхности кристалла необходимо учитывать упругие свойства и толщину как слоя основного металла, так и нанометрового адгезионного подслоя.
Существуют значения толщин слоев двухслойной металлической пленки на поверхности пьезокристалла, при которых коэффициент отражения ПАВ от края металлической пленки может быть равен нулю на определенной частоте.
Термостабильность АЧХ ВШП ПАВ на частотах свыше 1 ГГц зависит от толщины и материала адгезионного подслоя электродов. Для различных частотных диапазонов и комбинаций материалов термостабильные углы среза различны.
При расчетах АЧХ ВШП ПАВ на частотах свыше 1 ГГц необходимо учитывать слоистую структуру электродов. В зависимости от толщин и материалов металлических слоев электродной структуры вносимые потери с ростом частоты могут как увеличиваться, так и уменьшаться.
Практическая ценность работы:
Тема диссертации, ее цель и решаемые задачи сформулированы на основе существующих практических задач, решение которых является проблемой современной акустоэлектроники. Все полученные в работе результаты непосредственно применяются на практике в разработке устройств на ПАВ СВЧ диапазона.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы рассматривались и были
представлены на 4-й Международной научно-технической конференции
"Физика и технические приложения волновых процессов", Нижний
Новгород, 10-15 ноября 2005; на школе-семинаре КоМУ-2005
"НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ" (г. Ижевск, 5-8 декабря
2005 г.); на Международной научно-технической конференции «Актуальные
проблемы электронного приборостроения», Саратов, 20-21 сентября 2006; на
5-й Международной научно-технической конференции
"Физика и технические приложения волновых процессов", Самара, 11-17 сентября 2006; на The 2006 IEEE International Ultrasonics Symposium, Vancouver, Canada, October 3-6,2006.
Публикации.
По результатам исследований, выполненных при работе над диссертацией, опубликовано 7 работ, в том числе 1 статья в журнале из списка ВАК, 5 статей в трудах российских конференций с международным участием, 1 тезис доклада в книге ABSTRACT международного симпозиума по ультразвуку.
Личный вклад автора.
Автор участвовал в разработке алгоритмов и программ для расчета фазовых и энергетических ПАВ в слоистых структурах, расчетах амплитудно-частотных характеристик ВШП по квазиполевой модели. Постановка задач, выбор методов решения и обсуждение полученных результатов были проведены автором совместно с научным руководителем.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 109 страниц. Основной текст занимает 100 страниц, включая 38 рисунков. Список литературы содержит 76 наименований и изложен на 7 страницах.
Результаты исследования частотной зависимости скорости ПАВ в слоистой структуре
Системой Mathematica производится аналитическое вычисление определителя Det[A/] полиномиальной матрицы (1.2.3) относительно компоненты kz, в результате которого определяются все коэффициенты характеристического полинома, а затем применяется процедура нахождения всех 8 корней этого полинома. Из полученных восьми корней, в силу выбранной фазовой зависимости (1.1.7), не имеют физического смысла корни с отрицательной мнимой частью, приводящие к неограниченному росту амплитуды в глубине кристалла, и вещественные положительные корни, описывающие объемные волны, приходящие из глубины кристалла. Будем нумеровать физические корни индексом v= 1,2,3,4. Каждый такой корень характеризует возможную моду колебаний. Таким образом, ПАВ в пьезокристалле является 4-парциальной волной. Решая уравнения (1.1.8) для каждой v-ой моды, найдем, так называемые, поляризационные коэффициенты: W (L2-4) Теперь для определения упругих смещений каждой моды достаточно задать только амплитуду ее электрического потенциала Ро .
Поверхностную акустическую волну в пьезосреде удобно характеризовать величиной электрического потенциала, который она создает вне кристалла qf0), поэтому определим с помощью граничных условий амплитуды мод Ро через амплитуду о (верхний индекс, равный нулю, будем приписывать величинам, характеризующим поле ПАВ вне кристалла). Бегущую волну электрического потенциала представим в виде где, очевидно, kf = kx=ks cos в, kf = ky=ks sin в.
В отсутствие в области z О свободных зарядов потенциал удовлетворяет уравнению Лапласа откуда к2 = iks или, пренебрегая затуханием ПАВ (мнимой частью к ), Из формул (1.2.6) и (1.2.7) следует, что электрическое поле ПАВ вне кристалла не ощутимо уже на расстоянии в несколько акустических длин волн Xs.
Если учесть, что по принципу суперпозиции то граничные условия на свободной поверхности кристалла приводят к системе четырех комплексных алгебраических уравнений относительно ампли (у) Для слоистой системы с двухслойной металлической пленкой определитель однородной системы уравнений граничных условий (1.1.19)-(1.1.24) зависит только от v? и для получения нетривиального решения системы однородных алгебраических уравнений должны быть найдены такие значения V» при которых вещественная и мнимая части определителя равны нулю. Зависимость модуля комплексного определителя системы 16 граничных уело вий F(vs) = \g(\Det(vs)\)
от текущего значения скорости vs для ST-X-среза кварца приведена на рис. 1.2.2. На рисунке четко выделяются два острых минимума, которые соответствуют двум модам релеевской ПАВ, а третий минимум соответствуют приповерхностной объемной волне типа Лява, не удовлетворяющей точно граничным условиям, и, следовательно, идущей под малым углом к поверхности, вследствие чего электрическое поле волны на поверхности затухает с расстоянием от источника.
Для дальнейших исследований, проводимых в данной работе, необходимо точно вычислять значение скорости и структуру ПАВ в металлической пленке при различных значениях частоты.
На приведенных выше зависимостях скорости ПАВ от частоты (рис. 1.3.1-1.3.4) видно, что пленка чистого алюминия вызывает дисперсию скорости ПАВ на частотах свыше 0.2 ГГц с тенденцией к уменьшению, а влияние адгезионного подслоя становится существенным на частотах свыше 0.5 ГГц. Пленка алюминия с примесью меди, в последнее время наиболее часто применяемая в устройствах на ПАВ, приводит к дисперсии скорости уже при 50 МГц, а заметное влияние адгезионного подслоя проявляется уже при частотах свыше 300 МГц.
Для анализа модовой структуры ПАВ на поверхности ST- среза кварца с двухслойным металлическим покрытием «чистый алюминий-хром» в области перехода мод вблизи частоты #=1.4 ГГц (рис. 1.3.1-1.3.2.) рассмотрим изменение полной амплитуды смещений ПАВ и =Ju. + и. +\и. в кристалле и металлической пленке. Сначала рассмотрим более подробно поведение в области перехода фазовой К и групповой скоростей Кр, рассчитываемой по формуле:
На рис. 1.3.5 изображены фазовая и групповая скорости, условно называемых нижней и верхней мод. На рис.1.3.6-1.3.7 представлены зависимости от z (z=0 - поверхность кристалла) модуля полной амплитуды ПАВ для двух мод, рассчитанные на одной частоте 1.3 ГГц. Из приведенных графиков видно, что по своей структуре моды существенно различны: в высокочастотной моде амплитуды колебаний в пленке и в кристалле почти одинаковы, а в низкочастотной моде - амплитуды смещений в пленке почти в 3 раза превышают смещения в кристалле.
Способы устранения отражений и их недостатки
В устройствах на ПАВ, работающих в диапазоне частот не выше 100 МГц, с хорошим приближением электроды считают бесконечно тонкими и не влияющими на упругие свойства поверхности кристалла. На более высоких частотах различие упругих свойств кристалла и электродов ВШП приводит к отражению ПАВ от краев электродов. Это делает необходимым для устранения отражений ПАВ, как уже говорилось, применять ВШП с «расщепленными штырями» (рис. 2.2.1(6)), что создает технологические трудности при продвижении устройств на ПАВ в СВЧ диапазон.
Расчеты, проведенные в данной работе, показали, что на частотах, превышающих 1 ГГц, становится существенным влияние упругих свойств не только алюминиевой пленки, из которой, в основном, состоит электрод, но и нанометрового адгезионного подслоя, чаще всего из хрома или ванадия, напыляемого на поверхность кристалла перед напылением алюминия.
В первой главе диссертации на основе строгого решения краевой задачи для уравнений Максвелла и Кристоффеля с электрическими и механическими граничными условиями на поверхностях раздела в структуре «двухслойная металлическая пленка-кристалл» в инвариантной постановке [18] численно исследовано влияние толщины и упругих свойств двухслойного металлического покрытия на скорость ПАВ. На основе этих результатов построим метод расчета коэффициента отражения ПАВ от краев электродов ВШП в СВЧ диапазоне. Структура слоев и обозначения приведены на рис. 2.3.1.
Эмпирически установлено, что с учетом эффектов второго порядка коэффициент отражения для одиночной ступеньки можно представить в виде [31,32]: где Vo и Vm скорости ПАВ на свободной и на металлизированной поверхностях кристалла, a Q и Сг - коэффициенты, определяемые экспериментально для каждого сочетания материалов (например, для кварца 5Г-среза и алюминия Q =0.00033, С2=0.0019 [32]). Расчеты проводятся именно для ST-среза кварца и алюминиевой пленки, но с учетом адгезионного подслоя. Первое слагаемое в (2.3.1) рассчитывается с учетом адгезионного подслоя (скорость Vm), а для второго и третьего членов в расчетах можно использовать указанные значения эмпирических коэффициентов С\ и Сг , поскольку они описывают учет топологической, а не упругой, неоднородности.
В устройствах на ПАВ толщина адгезионного подслоя обычно не превышает 50 нм. В связи с этим расчёты проводились для толщин подслоя hi от 10 нм до 50 нм и толщины пленки алюминия (с примесью меди) h2 =150 нм. В качестве материала адгезионного подслоя использовались имеющие большую жесткость, по сравнению с алюминием, хром (Ci i=31.4-1010) и ванадий (Сі 1=20.3-1010) (см. табл. 1).
Адгезионный подслой приводит к увеличению жесткости слоистой металлической пленки и, как следствие, к увеличению скорости ПАВ на металлизированных участках поверхности кристалла. На рисунках 2.3.2-2.3.6 приведены зависимости коэффициента отражения от частоты для различных материалов и толщин слоев.
Методика определения частот нулевого коэффициента отражения ПАВ основывается на поиске таких параметров структуры «двухслойная металлическая пленка-кристалл», при которых изменение скорости поверхностной волны при переходе от свободной поверхности к металлизированной (под электродами ВШП) будет близко к нулю настолько, насколько необходимо для компенсации вклада второго и третьего членов в формуле (2.3.1). Для этого были численно определены толщины адгезионных подслоев для двух материалов и слоя алюминия с примесью меди, при которых коэффициент отражения, определяемый с учетом топологической неоднородности (2.3.1), был бы равен нулю.
Таким образом, методика достижения безотражательного распространения ПАВ через электродную структуру ВШП основывается на учете материала адгезионного подслоя и влияния вида и концентрации примеси в алюминии на изменение его модулей упругости, а также на выборе двух размерных параметров электродов ВШП: толщины слоя алюминия и адгезионного подслоя.
В работе было исследовано влияние изменения указанных параметров на коэффициент отражения R ПАВ от краев электродов в СВЧ диапазоне. Поскольку практический интерес представляет исследование условий отсутствия отражений от электродов, то были проведены расчеты частоты нулевого коэффициента отражения от вида материалов слоев и их толщин, результаты которых приведены в таблицах 2.4.1,2.4.2.
Расчетные соотношения для ТКЧ и ТРЧ учетом коэффициента металлизации
Из таблицы 3.3.2 видно, что найденные в работе [36] СВЧ термостабильные срезы кварца Y+48 и Y+50.50 могут иметь то же положение нулевого ТКЧ (при комнатной температуре) при определенных толщинах адгезионного подслоя. Так, для частоты 1 ГГц на Y+48 -срезе кварца толщина подслоя хрома должна быть равна 40 нм (рис. 3.3.1), а для частоты 2 ГГц на Y+50.5-cpe3e кварца нулевое значение ТКЧ достигается при толщине пленки хрома равной 20 нм (рис. 3.3.2). При использовании в качестве материала адгезионного подслоя ванадия на частоте 1 ГГц нулевому значению ТКЧ при комнатной температуре соответствует толщина равная 50 нм (рис. 3.3.3), а на частоте 2 ГГц - 30 нм (рис. 3.3.4). Сравнение графиков ТРЧ ВШП с подслоями хрома и ванадия показывает, что более сильная зависимость ТРЧ от толщины проявляется при использования хрома. Это явление объясняется большей жесткостью пленки хрома по сравнению с ванадием.
В связи с тем, что термостабильные углы среза кристалла кварца, которые были найдены для однослойных электродов, изменяют свои свойства в случае двухслойных электродов, был произведен поиск новых термостабильных углов среза. Так, например, для толщины подслоя хрома, равной 20 нм, и толщины алюминия 150 нм, на частоте 1 ГГц, термостабильным будет Y+51.5 - срез (вместо Y+480 для однослойных электродов), а при таком же соотношении толщин и на той же частоте, но при использовании ванадия, термостабильным будет Y+52.50 - срез. Для частоты 2 ГГц и толщин хрома и алюминия 20 нм и 150 нм соответственно, термостабильным будет срез Y+49.20 (вместо Y+50.50 для однослойных электродов), а для ванадия и алюминия при том же соотношении толщин -cpe3Y+54.5.
Вследствие того, что, развиваясь, мобильная связь переходит на более высокие частоты, возникает потребность в проектировании и создании ПАВ-фильтров с частотой от 2 ГГц и выше. Поэтому поиск термостабильных срезов кварца на частотах свыше 2 ГГц имеет практическую ценность и в данной работе были определены термостабильные срезы кварца для частот 2.4,3 и 4.5 ГГц (рис. 3.3.5 - 3.3.10).
Таким образом, полученные результаты показывают, что при проектировании устройств на ПАВ, работающих в СВЧ диапазоне, необходимо принимать во внимание влияние адгезионного подслоя на ТРЧ и выбирать необходимые срезы с учетом используемых толщин и материала подслоя и алюминия.
Выводы к главе 3
1. Исследовано влияние упругих свойств двухслойного металлического покрытия на поверхности кристалла кварца на термостабильность устройств на ПАВ в СВЧ диапазоне.
2. Показано, что при проектировании устройств на ПАВ, работающих в СВЧ диапазоне, необходимо принимать во внимание влияние адгезионного подслоя на ТРЧ и выбирать необходимые срезы с учетом используемых толщин и материалов слоев.
3. Были определены толщины адгезионных подслоев хрома и ванадия для реализации термостабильных свойств срезов Y+480 и Y+50.50 кварца, найдены термостабильные срезы кварца для толщины адгезионного подслоя 20 нм для частот 1 ГГц и 2 ГГц, а также для перспективных частот 2.4, 3 и 4.5 ГГц.
Задача расчета плотности заряда ПАВ в структуре «металлическая пленка - пьезокристалл» и построение квазиполевой модели ПАВ решена с участием автора в работе [А1]. Рассмотрим решение задачи о распространении ПАВ при наличии на поверхности пьезокристалла двухслойной металлической пленки (рис.4.1.1). На границе пленка-кристалл (^=0) добавляются еще 6 граничных условий: и; = и; (4.1.1), 0/3-0/3= (4.1.2).
Так как на высоких частотах (свыше 1 ГГц) существенное влияние оказывают упругие свойства адгезионного подслоя толщиной 10-50 нм (обычно напыляется хром или ванадий), то для учета этого влияния нужно добавить граничные условия, аналогичные (4.1,1) и (4.1,2), на границе раздела подслоя со слоем основного металла. В этом случае система граничных условий содержит 16 уравнений. Аналогично ставится и решается задача для слоистых кристаллических подложек.
Квазиполевая модель преобразования ПАВ в ВШП
Проведем расчет квазиполевым методом частотных характеристик такого ВШП в двух диапазонах частот, 1000 МГц и 2000 МГц, изменяя обратно пропорционально частоте период и апертуру штыревой структуры ВШП. В силу масштабной эквивалентности таких ВШП, их АЧХ в относительных частотах должны были бы совпасть, если не учитывать влияние массовой нагрузки и упругих свойств электродов.
Результаты расчетов, приведенные на рис. 4.3.3-4.3.4, показывают существенное влияние толщины адгезионного подслоя электродов на параметры АЧХ ВШП при повышении рабочего диапазона частот свыше 1000 МГц. Так, в диапазоне 1000 МГц, АЧХ, рассчитанные для однослойных и двухслойных электродов, практически совпадают (рис. 4.3.3), вносимые потери 5( )= 10-12 дБ и уровень внеполосных осцилляции АЧХ составляет Рл=Ъ9 дБ. При переходе в диапазон 2000 МГц расчет для однослойных электродов показывает существенное увеличение вносимых потерь (АЧХ №3), S{fo)= 30 дБ, а подавление внеполосных сигналов снижается до / =33 дБ, к тому же АЧХ теряет симметричный вид. Однако, расчет с учетом двухслойной структуры электродов ВШП на частоте 2000 МГц показывает значительные отличия. Так, вносимые потери снижаются до 5 и 7 дБ при использовании ванадия и хрома соответственно, а уровень внеполосных осцилляции АЧХ составляет Рл=Ъ1 дБ (рис. 4.3.4).
Причиной резкого изменения АЧХ из-за влияния адгезионного подслоя является тот факт, что хром и ванадий имеют модули упругости, которые в среднем в три (хром) и в два (ванадий) раза больше, чем у алюминия и кварца, поэтому скорость ПАВ при покрытии поверхности кристалла кварца двухслойной пленкой увеличивается по сравнению с однослойной алюминиевой пленкой. При этом, с увеличением частоты при распространении волны по поверхности кристалла, покрытой только алюминием, происходит увеличение амплитуды упругих смещений в пленке (рис. 1.3.6), то есть увеличивается доля потока акустической энергии ПАВ в металлической пленке, а в кристалле происходит уменьшение амплитуд упругих смещений и электрического поля, что приводит к уменьшению наведенного заряда и увеличению потерь преобразования акустического сигнала в электрический. При покрытии двухслойной пленкой поверхности кристалла амплитуда упругих смещений в пленке при повышении частоты изменяется значительно меньше, поток энергии волны в кристалле также изменяется меньше. Вследствие этого, амплитуда ПАВ под слоистым электродом уменьшается слабее, чем в случае с однослойным алюминием, и вносимые потери ВПШ изменяются меньше. Смещение центральной частоты ВШП в сторону меньших частот также, очевидно, связано с эффектом перераспределения акустического потока между пленкой и кристаллом в соответствии с их акустическим сопротивлением и уменьшением скорости ПАВ. Эти результаты показывают, насколько существенным является учет адгезионного подслоя электродов и изменения структуры ПАВ под ними при продвижении устройств на ПАВ в СВЧ диапазон.
Практическое значение проведенного исследования состоит в том, что при проектировании устройств на ПАВ на частотах свыше 1 ГГц, нужно учитывать двухслойную структуру электродов. Важным обнаруженным свойством двухслойных электродов является возможность значительного снижения вносимых потерь выбором толщины и материала адгезионного подслоя.
1. Разработан квазиполевой метод расчета электрических характеристик ВШП ПАВ с двухслойными электродами, позволяющий с достаточной для практических применений точностью рассчитывать электрические параметры приборов на ПАВ в СВЧ диапазоне.
2. На основе построенного метода исследовано влияние слоистой структуры электродов на АЧХ ВШП в диапазонах частот около 1 ГГц и около 2 ГГц.
3. Обнаружено важное свойство двухслойных электродов, заключающееся в возможности значительного снижения вносимых потерь ВШП в СВЧ диапазоне выбором толщины и материала адгезионного подслоя. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенной работы цель, сформулированная в начале работы и определившая направление и методы исследования, достигнута.
Исследован процесс распространения и преобразования ПАВ в структуре «пьезокристалл - двухслойная металлическая пленка» и проведен анализ влияния адгезионного подслоя алюминиевых электродов на электрические характеристики СВЧ приборов на ПАВ.
Основываясь на достоверности используемых расчетов, были проведены исследования и получены новые результаты:
- по влиянию массовой нагрузки и упругих свойств адгезионного подслоя электродов на структуру и скорость ПАВ в СВЧ диапазоне, показано, что учет адгезионного подслоя совершенно необходим при проектировании СВЧ устройств на ПАВ;
- по влиянию двухслойной структуры электродов на коэффициент отражения ПАВ от ВШП, были найдены условия, при которых коэффициент отражения равен нулю;
- по влиянию двухслойной структуры электродов на температурную стабильность частотных характеристик устройств на ПАВ в СВЧ диапазоне, показано, что для различных частот и комбинаций материалов существуют соответствующие термостабильные углы среза кварца, были определены термостабильные срезы кварца с учетом адгезионного подслоя для частот 1, 2, 2.4,3 и 4.5 ГГц;
- построен квазиполевой метод расчета частотных характеристик ВШП с двухслойными электродами, на основе которого исследовано влияние двухслойной структуры электродов на потери преобра зования ВШП; показано, что адгезионный подслой электродов ВШП влияет на потери преобразования в СВЧ диапазоне и может приводить как к их росту, так и к их снижению.
Выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору Сергею Германовичу Сучкову за постоянную помощь, оказываемую мне при проведении данной работы.
