Курсовая работа (т): Расчёт узкополосного фильтра на ПАВ

В фильтрах с полосой до ∆f /f = 2…5 % наиболее широко используется кварц SiO₂ различных срезов, так как малый коэффициент электромеханической связи позволяет получить низкий уровень отраженных сигналов даже при числе электродов более 200 - 300. Кроме того, кварц отличается высокой температурной стабильностью, и поэтому могут быть получены кристаллы, позволяющие создать звукопроводы длиной  100...200 мм.

Для звукопроводов фильтров с полосой до ∆f /f 0 = 50…60 % применяется в основном ниобат лития LiNbO₃, который благодаря большому коэффициенту электромеханической связи k_s позволяет уменьшить затухание в фильтре при числе электродов не более 10. Из монокристаллических материалов к числу перспективных для использования в фильтрах ПАВ можно отнести тантала тлития LiTaO₃ , германат висмута Bi₁₃ GeО₂₀ , парателлурид ТеО₂, селен Se, а также пленки окиси цинка ZnO и нитрида алюминия AlN на сапфире и некоторые другие. Танталат лития LiTaO₃ является пока единственным материалом, в котором высокая пьезоэлектрическая активность сочетается с хорошей термостабильностью. Поэтому LiТаО₃ в первую очередь представляет интерес для термостабильных фильтров. Германат висмута Bi₂ GeO₂₀ является подходящим материалом для линий задержки на большие длительности из-за очень низкой скорости распространения ПАВ и для фильтров со сложной встречно штыревой структурой благодаря относительно большим размерам выпускаемых кристаллов. Недостатком Bi₂ GeO₂₀ является высокий ТКЗ. Сочетание низкой скорости и хорошей термостабильности парателлурита ТеО₂ делает его перспективным материалом для малогабаритных термостабильных устройств на ПАВ. Интересным для использования в устройствах, управляемых светом, является селен Se, который наряду с высокими пьезоэлектрическими свойствами обладает полупроводниковыми свойствами и фотопроводимостью. Пленки окиси цинка ZnO и нитрида алюминия AlN н асапфире дают возможность использовать не пьезоэлектрическийматериал (сапфир) как в качестве собственно звукопровода фильтра, так и подложки для формирования структуры усилительных каскадов, например, в частотно избирательных микросборках на основе фильтров ПАВ. Благодаря высокой скорости ПАВ пленки AlN перспективны для высокочастотных фильтров.

Кроме монокристаллических пьезоэлектриков, для изготовления звукопроводов фильтров ПАВ могут найти применение поликристаллические материалы. Пьезокерамики почти на порядок дешевле монокристаллов, их свойства легко управляются путем изменения химического состава и введения модификаторов. Кроме того, из пьезокерамики возможно изготовление заготовок для звукопроводов различной конфигурации, в том числе и крупногабаритных.

Принципиальными недостатками пьезокерамик, по сравнению с монокристаллами, является значительное затухание распространяющихся ПАВ, резко увеличивающееся счастотой, и пористость поверхности, приводящая к замыканию электродов преобразователей фильтра после металлизации фотолитографии. Оба эти недостатка объясняются зернистостью структуры пьезокерамик. Технологический процесс изготовления звукопроводов фильтров ПАВ в случае использования монокристаллических материалов состоит из следующих основных операций: ориентировки кристаллов и распиловки, предварительной шлифовки заготовок по контуру и по плоскости, точной шлифовки по плоскости, полировки рабочей плоскости. Звукопроводы из пьезокерамики перед распиловкой или шлифовкой поляризуются. При необходимости на нерабочей плоскости звукопроводов выполняются скосы, насечки, канавки и т.д., а торцевые ребра звукопроводов закругляются по радиусу или на них также наносятся насечки. Пазы, прорези, насечки выполняются алмазными дисками с внешней режущей кромкой или ультразвуком.

После ориентировки монокристаллы распиливаются сначала на параллельные секции, положения главных плоскостей которых относительно кристаллографических осей определяются необходимым направлением среза. Затем секции разрезаются на заготовки по габаритам, соответствующим отдельным звукопроводам. К качеству обработки рабочей поверхности звукопровода предъявляются высокие требования. Например, на ней должны отсутствовать царапины, сколы, раковины; чистота рабочей поверхности должна соответствоватьклассу∇13 - ∇14 при неплоскостности не более 0,1…0,5 мкм. Эти требования объясняются рядом причин. Хорошая плоскостность поверхности обеспечивает плотное прилегание фотошаблона в процессе фотолитографии. Это, в свою очередь, позволяет повысить воспроизводимость мелких деталей структур фильтров. Качество поверхности звукопровода не только определяет разрешающую способность при формировании структур фильтров посредством фотолитографии, но и существенно влияет на затухания ПАВ, особенно в пьезокерамических материалах, имеющих пористую структуру.

Толщина звукопровода выбирается около 20λ_пов для уменьшения влияния объемных волн.

3.2 Очистка и металлизация звукопроводов

Независимо от выбранного метода последующего формирования встречноштыревых структур преобразователей, на поверхность звукопроводов должно быть нанесено проводящее покрытие, к которому предъявляются требования минимального электрического сопротивления, высокой адгезии, однородности по структуре, составу, толщине, отсутствия проколов, наплывов, царапин и т.п., коррозионной стойкости, хорошей растворимости в травителе, технологичности, стабильности основных физико-химических свойств пленки от партии к партии и др. Дополнительными требованиями являются: малое различие акустических сопротивлений материала металлизации Zм и звукопровода Z , низкая удельная плотность во избежание сильных отражений и слабые дисперсионные свойства.

Для получения хорошей адгезии воспроизводимости электрофизических свойств нанесенных металлических пленок поверхность звукопровода должна быть хорошо очищена, причем способ очистки в большей степени зависит от метода последующей металлизации. Процедуру очистки можно разделить на этапы предварительной и окончательной очистки. Способ предварительной очистки зависит от характера загрязнений и химических свойств подложки. Основными загрязнениями обычно являются следы масел, жира, отпечатки пальцев, пушинки, разнообразные пылевые частицы. Последовательность операций предварительной очистки может изменяться в широких пределах, а для окончательной, наоборот, должна оставаться неизменной.

Химическая окончательная очистка предусматривает ультразвуковую мойку в горячей воде с растворенным в ней моющим средством, а затем длительное промывание в горячей воде наивысшей достижимой чистоты.

Наиболее широко при изготовлении фильтров ПАВ используются алюминий, серебро, золото, иногда медь с защитой никелем. Некоторые электрофизические, акустические и дисперсионные свойства материалов приведены в табл. П2. Учитывая, что алюминий дешев и позволяет получить сравнительно низкое сопротивление пленочных проводников, в фильтрах ПАВ как со звукопроводами из кварца, так и ниобата лития и пьезокерамики, наиболее часто используется алюминиевое покрытие. Медное или золотое покрытие с подслоем хрома хорошо сочетается с германатом висмута.

С целью получения хорошей электропроводности при незначительных дисперсионных искажениях и для надежности присоединения золотых проводников, например, методом сварки со сдвоенным электродом толщину пленки контактных шин следует выбирать в пределах 250…300 нм. Толщина электродов ВШП может быть уменьшена до 100…200 нм. Для улучшения адгезии алюминия целесообразно использовать подслой ванадия толщиной 30 нм, что позволяет обойтись одним травителем и проводить только одноэтапную фотолитографию.

Для осаждения пленок из алюминия, меди, золота, серебра наиболее часто используется термовакуумное напыление. Применение электроннолучевого испарения из тигля этих материалов, например алюминия, позволяет существенно улучшить адгезию к поверхности звукопровода и отказаться от адгезионного подслоя. Катодное и магнетронное распыление обычно используется для получения пленок тугоплавких металлов и диэлектриков. Химическое осаждение применяется, главным образом, для металлизации крупногабаритных звукопроводов длиной свыше 100…180 мм.

При термовакуумном напылении, например, алюминии янаниобат лития или кварц, очищенные звукопроводы сначала прогреваются при температуре 250 ±10°Свтечение 10 ±1 мин для удаления мономолекулярных загрязнений, а так же для снятия механических напряжений и выравнивания потенциального рельефа поверхности. Дл ябольшинства пьезокерамик недопустим перегрев выше 100…430 °С.

После этого звукопроводы охлаждаются до температуры 130 ±10 °С с целью получения малого удельного сопротивления на пыляемых слоев ванадия и алюминия и производится распыление указанных материалов.

Акустические фильтры (Ф) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) служат для выделения или подавления сигнала в заданной полосе частот вследствие многократной интерференции ПАВ от большого числа отражателей имеющих разные размеры, геометрию и относительное взаимное расположение.

4. Принцип действия ФПАВ

Принцип действия ФПАВ основан на генерировании и распространении и приеме ПАВ в звукопроводе (рисунок 4.1) с преобразователями и отражателями, размеры и геометрия которых подобраны так, чтобы достигалась необходимая частотная характеристика фильтра.

Рисунок 4.1 - Акустические фильтры на ПАВ

Обозначения: а, b - полосовые; c - заграждающие.

Для возбуждения и приема ПАВ обычно используются встречно-штыревые преобразователи, которые представляют собой периодическую структуру металлических электродов, нанесенных на пьезоэлектрический кристалл (рисунок 4.1). В качестве звукопроводов применяют пьезоэлектрические монокристаллы кварца, ниобата лития, германата висмута и др. Фильтры на ПАВ отличаются простотой устройства, технологичностью, воспроизводимостью характеристик, возможностью массового производства. Двумерный характер ПАВ позволяет создавать Ф с довольно сложными частотными характеристиками. Типичные внутренние потери в пределах полосы пропускания для фильтров на ПАВ - дБ и доли дБ, фазовые ошибки - несколько градусов, а подавление сигнала вне полосы и паразитного сигнала составляет около 60 дБ.

5. Перспективы развития техники поверхностных акустических волн

Перспективами развития техники поверхностных акустических волн (ПАВ), являются [1]:

• повышение рабочих частот до 3-10 ГГц,

• снижение вносимых потерь,

• улучшение температурной стабильности,

• увеличение входной мощности,

• создание «интеллектуальных» устройств на ПАВ с новыми возможностями.

По-прежнему полосовые фильтры на ПАВ будут составлять основу техники ПАВ. Однако это будут, в основном, фильтры с балансным входом и небалансным выходом, осуществляющие трансформацию импедансов. Полосовые фильтры на ПАВ будут компонентами дуплексоров и мультиплексеров.

В 2008 году Fujitsu объявила о создании фильтра на ПАВ с размером 0.6x0.8mm. Этот размер может быть уменьшен для фильтров на ПАВ в диапазоне рабочих частот до 3-10 ГГц. Использование волн утечки позволяет обойтись без корпусирования, защитив рабочую поверхность алмазоподобной пленкой. Эта идея описана для RFID на 2.45 ГГц.

В ближайшее время в мобильных телефонах будут использоваться режекторные фильтры на ПАВ для цифрового ТВ. Спецификации таких фильтров разработаны, как у нас, так и за рубежом (Kyocera).

Потенциально объём выпуска RFID значительно превысит в ближайшие годы объём выпуска фильтров на ПАВ.

Объединение RFID с различными датчиками приведёт к созданию «интеллектуальных» устройств на ПАВ с возможностью измерения давления, например, и радиопередачи сигнала с RFID, содержащего информацию о коде метки и давлении. Не следует забывать, что RFID сама по себе может также быть датчиком температуры, поскольку задержка импульсов RFID зависит от температуры.

Безусловно, революцией в технике ПАВ явилось бы создание биосенсоров для экспресс диагностик и таких опасных заболеваний, как ВИЧ, рак, птичий и свиной грипп, а так же других не менее опасных заболеваний. На это есть весомые предпосылки. Уже сейчас разработана технология нанесения на плёнку золота молекул ДНК, способных абсорбировать из крови или лимфы ДНК опасных вирусов. Таким образом, диагностика заболевания превращается в измерение массы плёнки. Эта проблема легко может быть решена с помощь ПАВ, измеряя разность частот резонатора до и после теста. Этот пример показывает, как устройства на ПАВ с характерными размерам и около одного микрона вместе с нанообъектами создадут новое качество.

К этой проблеме тесно примыкает задача детектирования различных газов и химических веществ (искусственный нос). Метод построения этих сенсоров также может быть основан на микро-взвешивании, как и биосенсор.

Если говорить о создании «интеллектуальных » устройств на ПАВ с новыми возможностями, нельзя не упомянуть и о микросборках, в которых устройство на ПАВ - фильтр, метка или сенсор, является частью прибора осуществляющего обработку сигналов. уже стала использовать такие микросборки в мобильных телефонах. Эти микросборки содержат только усилители, фильтры на ПАВ и смесители. Заметна тенденция к усложнению таких микросборок. Задача построения беспроводных высокотемпературных датчиков также является актуальной проблемой для многих практических применений, а именно в таких областях, как:

. Полупроводниковая промышленость;

. Атомная промышленость;

. В автоматизированных системах управления и контроля двигателей кораблей и самолетов и так далее.

На наш взгляд, наилучшим решением задачи построения беспроводных высокотемпературных датчиков является использование ПАВ. К сожалению, выбор пьезо материалов, серийно выпускаемых промышленностью, весьма ограничен. Это - кварц, ниобат и танталат лития, и, недавно открытое семейство кристаллов, включающее в себя лангасит (LGS) и ланганат (LGT) . Из этого списка в первую очередь мы обязаны исключить кварц и танталат лития, потому что температура фазового перехода кварца (573°С ), прикоторойά- кварцпревращаетсявβ- кварц, и температура Кюри танталата лития (665°С ) низки, и эти материалы не могут быть использованы для построения высокотемпературных датчиков. Температура Кюри ниобата лития (1165°С) велика и, на первый взгляд, этот кристалл может быть использован для высокотемпературных измерений. Однако, для использования ниобата лития имеется одно существенное ограничение - это значительная собственная проводимость при температурах свыше 600°С. Эта проводимость приводит к закорачиванию электрических полей в пьезоэлектрическомзвукоповодеикдеградациихарактеристикустройства. Единственной возможностью, по-видимому, является использование кристаллов лангасита и лангатата, которые имеют высокую температуру плавления и хорошие пьезосвойства до 1000°С.

Очень важным являются технологические исследования, направленные на повышение технологического уровня по всем аспектам, начиная от подготовки материалов для роста кристаллов формообразования пластин и кристаллических элементов, прецизионного напыления и фотолитографии и кончая - корпусированием ПАВ элементов. Российские специалисты знают о существовании CSP и LTCC (многослойный корпус из низкотемпературной керамики содержащий фазосдвигающие цепочки индуктивности для согласования устройств), к сожалению, только из статей опубликованных на западе. «Планируемое» технологическое отставание может привести и к отставанию в теории создании физических моделей, поскольку последние не могут быть проверены на практике.

Поэтому, для успешного развития технологии ПАВ необходимо решить следующие задачи: • подготовка материалов для роста кристаллов;

• рост кристаллов;

• формообразование пластин и кристаллических элементов;

• прецизионное напыление с точностью до нескольких атомарных слоёв;

• прецизионная фотолитография с точностью до нескольких nm и с минимальным размером менее 100 nm;

• решение задач производства устройств на ПАВ и корпусирования в CSP и LTCC;

• разработка элементной базы для считывания и обработки сигналов с устройств акустоэлектроники;

• разработка современных теорий и создание новых физических моделей.

4. Методы расчёта фильтра на ПАВ [4]

.   Синтез преобразователей и фильтров ПАВ методом прямой свёртки с весовой функцией

2.      Методика инженерного расчёта конструкций фильтров ПАВ с прямоугольным АЧХ методом прямой свёртки