Радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах (стр. 5 из 24)
Следует отметить, что фазовые скорости ПАВ на свободной и металлизированной поверхности различны. Скорость на металлизированной поверхности меньше. Это вызвано, прежде всего, закорачиванием электрической составляющей поля и приводит к изменению характеристик акустической волны.
С точки зрения повышения рабочих частот наиболее предпочтительнее материалы с большим значением скорости. Линейные размеры устройств также связаны с длиной волны. Они на практике составляют величину порядка 100 длин волн. Следовательно для низкочастотных приборов на ПАВ (частоты менее 10-100 МГц) необходимо выбирать материалы с низкой скоростью распространения (1000-2000 м/с).
Уровень потерь энергии при распространении ПАВ (коэффициент затухания).Его определяют с помощью зависимости:
BM=αMf+βMf 2,(2.1)
где αMи βM – коэффициенты, характеризующие потери засчет воздушной нагрузки и вязкостных свойств материала, f – частота, ГГц.
Данная зависимость получена теоретически и подтверждена экспериментально для различных материалов и из срезов. Первое слагаемое вносит свой вклад лишь в том случае, если кристалл находится в воздухе или инертном газе и равно нулю в вакууме. Второе слагаемое обусловлено взаимодействием ПАВ с колебаниями кристаллической решетки.
При проектировании акустоэлектронных устройств, работающих на частотах менее 50 – 100 МГц потерями на распространение волн чаще всего пренебрегают. В то же время, на высоких частотах они вносят весомый вклад и обязательно должны быть учтены при выборе материала для АЭУ.
На рисунке 2.1 изображены зависимости величины вносимых потерь в зависимости от частоты работы устройства для некоторых материалов.
Рисунок 2.1 – Зависимости вносимых потерь от частоты при распространении ПАВ на поверхности монокристаллов ниобата лития, лангасита, ортофосфата галлия.
Затухание ПАВ также существенно зависит от состояния поверхности подложки Следовательно в процессе изготовления АЭУ подложки звукопроводов должны быть тщательно отшлифованы и очищены. Кроме того затухание ПАВ уменьшается и при охлаждении материала.
Параметры дифракции. Как и в оптических структурах, в приборах акустоэлектроники наблюдается явление дифракции звуковой волны (рисунок 2.2). Это приводит к расхождению пучка ПАВ и потере части энергии волны. Наибольшему влиянию дифракции подвержены устройства с аподизированными преобразователями (преобразователи с изменяющейся величиной перекрытия электродов).
Рисунок 2.2 – Дифракция пучка ПАВ
Так как монокристаллы анизотропны и их характеристики акустических волн зависят от выбранного направления распространения, то картина дифракции в них усложняется в сравнении с изотропными материалами. Скорость ПАВ при разных направлениях различна, что приводит к увеличению или уменьшению расходимости пучков. Последний эффект называется автоколлимацией, Она приводит к уменьшению дифракционных потерь и особо важна в линиях задержки с большим временем задержки и в устройствах с протяженными электродными структурами. Степень дифракции для каждого конкретного пьезоэлектрического материала фиксирована. В монокристаллах она оценивается параметром анизотропии γ. Величина и знак определяют степень дифракции поверхностных волн. В изотропной среде γ = 0; при γ > 0 дифракционные потери больше, чем в изотропной среде, при γ < 0 потери меньше, чем в изотропной среде. Если γ = –1, в анизотропной среде наблюдается автоколлимация, при которой расширение акустического пучка минимальное или отсутствует. Приведем значения параметров анизотропии и величины угла отклонения потока энергии для некоторых материалов.
Таблица 2.1 – Значения параметра анизотропии γ и величины угла отклонения потока энергии для некоторых материалов акустоэлектроники
| Материал | Химическая формула | Ориентация пластины и направление распространения ПАВ | Параметр анизотропии γ | Угол отклонения потока энергии φ, 0 |
| Кварц | SiO2 | YXl/42045’ (00;132045’; 00) | 0,378 | 0 |
| Ниобат лития | LiNbO3 | YZ | -1,08 | 0 |
| 41,50-YX | -0,45 | 0 | ||
| Танталат лития | LiTaO3 | YZ | -0,211 | 0 |
| Германат висмута | Bi12GeO20 | (001), [100] | -0,304 | 0 |
| Берлинит | ALPO4 | (90;90;80,40) | 0,901 | 0 |
По мере удаления от излучателя изменяются и профили интенсивности ПАВ. Как и в классической оптике можно ввести безразмерный параметр Френеля.
,где λ - длина волны; D – расстояние от преобразователя до точки наблюдения; H - апертура преобразователя
Значение F < 1 соответствует зоне Френеля (или ближней зоне). В этой зоне наблюдается четко выраженный акустический луч и его энергия сосредоточена в полосе, «освещаемой» апертурой преобразователя. Значение F > 1 соответствует зоне Фраунгофера (или дальней зоне), в которой акустический луч «разваливается». Очевидно, что для того чтобы вся акустическая энергия, излученная входным преобразователем, была принята выходным, преобразователи должны быть расположены в ближней зоне друг относительно друга.
Величина угла отклонения потока энергии
Если направление распространения ПАВ не совпадает с так называемым направлением чистой моды (ее угловое положение задается углом ψ0), то наблюдается отклонение потока энергии от направления распространения на угол φ (рисунок 2.3). Угол φ определяется соотношением:
φ =γ(ψ - ψ0)
где γ – параметр анизотропии; ψ – угол, определяющий направление распространение волны.
Желательно выбирать материалы с φ=0, но данное условие не всегда выполнимо. В таком случае управлять отклонением потока энергии можно засчет изменения положения элементов друг относительно друга.
Рисунок 2.3 – Схематическое представление профилей ПАВ при их распространении по монокристаллической подложке
Потери, вызванные отклонением потока энергии существенны и могут достигать 2-6 дБ.
В заключении сформулируем общие требования к идеальному материалу:
- Большой КЭМС;
- Низкая скорость ПАВ;
- Низкий уровень потерь;
- Наличие направлений с нулевым ТКЗ;
В дальнейшем при выборе материала звукопровода будем руководствоваться данными требованиями.
2.1.2 Выбор материала подложки (звукопровода)
В таблице 2.2 в качестве сравнительной характеристики приведены основные параметры материалов акустоэлектроники.
Таблица 2.2 – Основные параметры материалов подложек
| Материал | Химическая формула | Ориентация пластины и направление распространения ПАВ | Скорость ПАВ, м/с | Квадрат КЭМС, к2, % | ТКЗ10-6/○С |
| Кварц | SiO2 | YXl/42○45′ (0○;132○45′; 0○) | 3158 | 0.11 | 0 |
| 37○ - Y | 5094 | 0.1 | 0 | ||
| YX | 3159 | 0.19 | -24 | ||
| Ниобат лития | LiNbO3 | YZ | 3488 | 4.5 | 94 |
| 128○ - YX | 3980 | 5.3 | 75 | ||
| ZXl/41○30′ | 3999 | 5.54 | 72 | ||
| ZXb/41○30′ | 3503 | 5.36 | 96 | ||
| 41,5○-YX | 4000 | 5.54 | 72 | ||
| Танталат лития | LiTaO3 | 36○-YX | 4220 | 6.6 | 30 |
| ZY | 3329 | 1.18 | -52 | ||
| ZYs/112○ | 3295 | 0.72 | - | ||
| YZ | 3230 | 0.66 | 35 | ||
| YX | 3148 | 0.075 | 49 | ||
| 77.1○-YZ | 3254 | 0.72 | 35 | ||
| Германат висмута | Bi12GeO20 | (001), [100] | 1681 | 1.36 | 115 |
| (111), [110] | 1708 | 1.69 | 115 | ||
| Лангасит | La3Ga5SiO14 | (0;140;24○) | 2736.7 | 0.37 | -0.06 |
| (90;40;-6○) | 2535 | 0.44 | -19 | ||
| (0;138,5;26.6○) | 2740 | 0.44 | - | ||
| Лангатат | La3Ga5.5Ta0.5O14 | XZ | 2292 | 0.0589 | -40.6 |
| (0;2;90○) | 2210,6 | 0.423 | 64.5 | ||
| Ланганит | La3Ga5.5Nb0.5O14 | (30;90;90○) | 2376 | 0.172 | -45.5 |
| Берлинит | ALPO4 | (0;80,4;0○) | 2751 | 0.63 | 0 |
| (90;90;80,4○) | 2717 | 0.22 | 0 | ||
| (90;90;168.7○) | 2926 | 0.49 | 0 | ||
| Арсенид галлия | GaAs | (100), [110] | <2841 | <0.06 | 35 |
| (110), [100] | 2822 | 0.016 | |||
| Тетраборат лития | Li2B4O7 | 45○-YZ | 3391 | 1.0 | |
| (90;90;90○) | 3510 | 1.2 | 9 | ||
| Ортофосфат галлия | GaPO4 | (0;110;0○) | 2330 | 0.5 | 0 |
| (90;5;0○) | 2501 | 0.3 | |||
| (0;54;5;0○) | 2342 | 0.3 | 0 | ||
| SNGS | Sr3NbGa3Si2O14 | (0;0;90○) | 2835.8 | 0.628 | -98.9 |
| STGS | Sr3TaGa3Si2O14 | (0;0;90○) | 2733.1 | 0.562 | -73.1 |
| CTGS | Ca3TaGa3Si2O14 | (0;0;90○) | 2771.6 | 0.362 | -37.1 |
| CNGS | Ca3NbGa3Si2O14 | (0;0;90○) | 2906.2 | 0.261 | -52.0 |
В качестве материала подложки выберем монокристалл ниобата лития. Как видно из таблицы 2.2 данный материал обладает довольно большим коэффициентом электромеханической связи, что позволит реализовать широкополосное устройство. На рисунке 2.1 наглядно проиллюстрирован тот факт, что величина вносимых потерь на частотах до 1ГГц в данном материале не превышает 0,5 дБ/мкс. Следовательно проектируемое устройство будет работать с минимальными потерями. К тому же, ниобат лития обладает приемлемыми скоростями распространения ПАВ в диапазоне 3000-4000м/с. Значения скорости, необходимые для устройства, работающего по принципу линии задержки на частотах более 100МГц, укладываются в данный интервал. Ввиду того что пьезоэлектрические материалы анизотропны, то важен становится не только сам выбранный материал, но и его срез и направление распространения акустических волн. Наиболее подходящим срезом для выбранного монокристалла ниобата лития является срез YZ, так как он обладает в этом направлении нулевым углом отклонения потока энергии φ и параметр анизотропии γ близок к -1 (таблица 2.1). Это означает, что будет обеспечена высокая направленность пучка ПАВ.