ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. Акустические резонаторы СВЧ диапазона на объемных акустических волнах и акустическая резонаторная спектроскопия (обзор) 16
1.1 Проблема создания СВЧ резонаторов на ОАВ 16
1.2 Материалы для акустических резонаторов на СВЧ 21
1.3 Основные соотношения теории упругости для пьезоэлектрических кристаллов 26
1.4 Акустическая спектроскопия методом составного акустического резонатора 27
Г ЛАВА 2. Теория составного акустического резонатора 30
2.1 Основные уравнения 31
2.2 Трансформирующие свойства плоского слоя 34
2.3 Вывод формул для электрического импеданса акустического резонатора с учетом электродов 37
2.4 Акустическая изоляция подложки системой четвертьволновых слоев 43
2.5 Примеры использования полученных формул для расчетов резонаторов 45
2.6 Использование полученных формул для расчета отклика газового сенсора на объемных акустических волнах 54
Выводы к главе 58
ГЛАВА 3. Резонаторная СВЧ-спектроскопия и ее использование для исследования акустических параметров тонких пластин монокристаллов 60
3.1 Анализ электрической эквивалентной схемы составной резонаторной структуры 60
2
3.2 Резонаторная СВЧ-спектроскопия, основанная на измерении частот особенностей фазы коэффициента отражения от составной резонаторной структуры 64
3.3 Измерение поглощения в монокристаллах ортофосфата галлия 66
3.3.1 Образцы 67
3.3.2 Процедура измерений 67
3.3.3 Результаты эксперимента 69
3.4 Модифицированный метод резонаторной акустической спектроскопии 71
3.5 Измерение поглощения и скорости звука в кристаллах лангатата 73
3.5.1 Образцы 73
3.5.2 Описание методики измерений 74
Выводы к главе 83
ГЛАВА 4. Резонаторная СВЧ-спектроскопия и ее использование для исследования акустических параметров тонких пленок 85
4.1 Модифицированный резонаторный метод измерения поглощения и скорости звука в тонких пленках 86
4.2 Расчет поглощения и скорости звука в пленках на основе двухслойной модели. 88
4.3 Исследование поглощения и скорости звука в тонких пленках металлов 90
4.3.1 Образцы 90
4.3.2 Результаты и обсуждение 93
4.4 Акустический СВЧ резонатор с брэгговским зеркалом на основе металлических пленок 94
4.5 Использование резонаторной СВЧ-спектроскопии с поточечным сопоставлением экспериментальных и теоретических данных для исследования акустических свойств углеродных нанотрубных структур 97
4.5.1 Особенности метода 97
4.5.2 Образцы и экспериментальная установка. 101
3
4.5.3 Измерение плотности. 102
4.5.4 Измерение упругих свойств. 103
Выводы к главе 104
Приложение А 105
Приложение Б 106
ЗАКЛЮЧЕНИИ 107
Список литературы 109
4
ВВЕДЕНИИ
Частотно-задающие и частотно-селективные акустоэлектронные элементы являются основными компонентами практически во всех современных системах связи, навигации, мониторинга окружающей среды, бытовой электронной техники. [1-6].
Основной тенденцией в развитии акустоэлектронной элементной базы является повышение рабочих частот акустоэлектронных компонент. В настоящее время большая часть задач по обработке и формированию сигналов на частоты приблизительно до 2 ГГц успешно решаются с помощью акустоэлектронных компонент на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Однако дальнейшее повышение рабочих частот резко ограничивается современными технологическими возможностями - устройства с воспроизводимыми характеристиками изготовляются на пределе возможностей оптической и электронной фотолитографии.
Поиски новых возможностей повышения рабочих частот акустоэлектронных устройств и продвижение в диапазон 2-10 ГГц привели к разработке концепции создания тонкопленочных резонаторов и фильтров на объемных акустических волнах (ОАВ). К настоящему времени имеется ряд работ, посвященных проблеме создания таких устройств, однако последовательной теории, описывающей их работу в аналитическом виде до настоящего времени не существовало [7-10]. Поэтому разработка аналитических методов расчета тонкопленочных резонаторных структур СВЧ диапазона весьма актуальна.
Одной из тенденций развития пьезотехники является поиск новых материалов, которые могли бы заменить традиционно применяемый кварц в целом ряде применений, и в то же время не обладающих недостатками, присущими кварцу (малая константа пьезоэлектрической связи, большие потери, перескоки частоты, наличие двойников и структурные фазовые
5
переходы). К числу таких материалов относятся ортофосфат галлия (СаР04) [11-14], лангасит (ЬазСа58Ю|4) [15-20] и лангатат (ЬазСазТаО^) [21]. Акустические потери в ортофосфате галлия и лангатате ранее изучены не были. Для современной акустоэлектроники измерение коэффициентов поглощения в этих наиболее перспективных веществах является важным. Это и было одной из задач данной работы. Знание полного набора данных об акустических характеристиках этих веществ позволяет оценить их реальную практическую перспективу.
Важной проблемой при создании устройств пьезотехники и в частности частотно-задающих и частотно-селективных СВЧ-резонаторов и фильтров является необходимость точного знания акустических характеристик всех слоев, входящих в состав резонаторной структуры. Толщины этих слоев составляют микроны или доли микрона. Акустические свойства тонких слоев и пленок могут отличаться от таковых для монокристаллов и толстых образцов [28],[35]. В этой связи возникает необходимость развития методики измерения поглощения и скорости звука в таких слоях. Традиционный эхо-метод [24] измерение этих величин в тонких пленках оказывается неприменимым, в частности, из-за радиотехнических трудностей генерации и регистрации сверхкоротких радиоимпульсов.
Одной из задач настоящей работы являлось развитие теории составного акустического резонатора, и, в частности, нахождение относительно простой по форме строгой аналитической связи между напряжениями на входном и выходном преобразователях и протекающими через них токами, обобщение теории на случай акустической изоляции резонаторной структуры системой четвертьволновых слоев и исследование свойств такой изолированной системы, проведение численного анализа возможных резонаторных структур и выработка отдельных рекомендаций по их конструированию.
Целью работы является выяснение акустических характеристик (поглощения и скорости звука) в основных кристаллографических
6
направлениях в новых пьезоэлектрических материалах, таких, как ортофосфат галлия и лангатат, получение данных о величине коэффициента поглощения акустических волн в тонких пленках металлов, перспективных для создания на их основе элементов тонкопленочных резонаторов и фильтров, а также исследование акустических свойств таких перспективных для электроники структур, как нанотрубные пленки. Для достижения этой цели в работе развит принципиально новый метод измерения поглощения в тонких слоях и пленках, и разработана методика расчета указанных величин по данным измерения.
Научная новизна работы. В работе развита теория составных акустических резонаторов и фильтров, позволяющая рассчитывать параметры практических устройств. Полученные теоретические результаты служат основой для разработок физических методов акустической СВЧ спектроскопии. В работе предложен и развит модифицированный метод акустической СВЧ спектроскопии тонких слоев и пленок, основанный на выделении серии параллельных резонансов и измерении частот и добротности резонансных пиков составных резонаторных структур, а также методы нахождения скоростей и коэффициентов поглощения акустических волн по этим данным.
Впервые измерены коэффициенты поглощения акустических волн и их частотные зависимости в перспективных кварцеподобных пьезоэлектрических материалах ортофосфате галлия и лангатате.
Измерены величины коэффициентов поглощения в тонких пленках металлов \¥, Т\, Мо, А1, а также впервые измерены скорость продольных акустических волн в углеродных нанотрубных пленках и их плотность.
Практическая ценность работы. Полученные в диссертационной работе результаты будут использованы при создании резонаторов и фильтров для перспективных телекоммуникационных систем СВЧ-диапазона.
Орновн ь1^положсниЯд_вь1НОс имыс_на з_ащиту.
1. Разработанная в работе методика расчета составных акустических резонаторов и фильтров позволяет рассчитывать параметры практических
7
устройств, лежит в основе разработок физических методов акустической СВЧ спектроскопии и позволяет количественно описать аномально высокую чувствительность четвертьволновых селективных поглощающих слоев в газовых датчиках.
2. Развит модифицированный метод акустической СВЧ спектроскопии тонких слоев и пленок, основанный на выделении серии параллельных резонансов и нахождении коэффициентов поглощения и скорости акустических волн по данным измерения ширины и положения резонансных пиков, разработана автоматизированная экспериментальная установка, что позволило измерить скорости акустических волн и их поглощение с высокой точностью.
3. Экспериментально показано, что кристаллы лангатата имеют существенно меньшее поглощение, чем кристаллы ОаР04 или кварца для всех основных кристаллографических направлений, и, следовательно, перспективны для применения как в датчиках, так и в резонаторах и фильтрах. Экспериментально измеренные относительно малые значения коэффициента поглощения в тонких пленках металлов XV, Т\, Мо позволили сделать вывод о перспективности использования в качестве слоев брэгговской структуры, а в отдельных случаях даже электродных слоев.
4. Экспериментально показано, что скорости продольных акустических волн углеродных нанотрубных пленок близки к значению скорости продольных акустических волн вдоль слоев кристалла графита, а плотность близка к плотности графита.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международном симпозиуме но акустоэлектронике, контролю частоты и генерации сигналов (Москва, 1996), Международных ультразвуковых симпозиумах (Канада, 1997, Япония, 1998, США, 1999, Пуэрто Рико 2000, США 2001), 14-ом Европейском форуме по стандартам частоты и времени (Италия, 2000), Международных конференциях молодых ученых по акустоэлектронике и акустооптике (Санкт-Петербург, 1998, 2001).
8
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 15 печатных работах.
Структура работы по главам.
В первой главе представлен обзор литературы, в котором рассмотрено современное состояние исследований и перспективы развития акустических резонаторов и фильтров СВЧ-диапазона. Рассмотрены основные типы резонаторов на объемных и поверхностных волнах. Рассмотрены основные методы исследования скорости и затухания звуковых волн в тонких слоях и пленках различных материалов на высоких частотах. Приведены и проанализированы основные уравнения, используемые в дальнейшем в оригинальной части работы.
Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке и мелодике расчета составных резонаторных структур СВЧ-диапазона. Целью расчета явилось установление связи между электрическими характеристиками составной резонаторной структуры и акустическими характеристиками всех входящих в нее слоев, а также с толщиной слоев и другими геометрическими параметрами структуры. Таким образом, при решении задачи учитывались акустические свойства (скорости звука, плотности, коэффициенты затухания) всех слоев, входящих в структуру.
Используя полученные формулы, было проведено численное моделирование основных свойств составных резонаторных структур. При моделировании составной резонаторной структуры с дополнительным слоем было обнаружено, что связь между толщиной слоя и изменением частоты составной резонаторной структуры существенно нелинейна и носит резонансный характер, что позволило количественно описать явление резонансной чувствительности газовых датчиков, ранее наблюдавшейся другими авторами.
Третья глава посвящена измерению коэффициентов поглощения и скорости звука в монокристаллах ортофосфата галлия и лаигатата. Методом
9
- Київ+380960830922