авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Перестраиваемые свч-резонаторы на объемных акустических волнах в пленке сегнетоэлектрика в условиях наведенного пьезоэффекта

На правах рукописи

Туральчук Павел Анатольевич

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЕ СВЧ-РЕЗОНАТОРЫ НА ОБЪЕМНЫХ

АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ В ПЛЕНКЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКА

В УСЛОВИЯХ НАВЕДЕННОГО ПЬЕЗОЭФФЕКТА

Специальность: 01.04.03 – Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург – 2010

2

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» имени В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Вендик Ирина Борисовна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Козырев Андрей Борисович кандидат физико-математических наук, Пронин Игорь Петрович

Ведущая организация: НИИ «Гириконд»

Защита состоится «29» июня 2010 г. в 17.00 часов на заседании совета по за щите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.08 Санкт Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «28» мая 2010 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций, к.т.н., доцент Е.А. Смирнов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие современных систем беспроводной связи невозможно без постоянного совершенствования характеристик отдельных составляющих системы. Повышенный интерес к устройствам на объемных акустических волнах проявляется благодаря таким их преимуществам как высокая добротность, миниатюрные размеры, низкая себестоимость и высо кая степень интеграции, используя существующие интегральные технологии.

Решающим фактором, определяющим возможность применения объем ных акустических резонаторов (ОАР) в СВЧ-устройствах, является высокая акустическая добротность, которая достигает порядка 1000-2000. Фильтры и дуплексеры на основе объемных акустических резонаторов успешно разраба тываются для использования в СВЧ-трактах систем сотовой связи, беспро водных сетей и систем спутниковой навигации для разделения чрезвычайно узких частотных каналов связи, обеспечивая низкий уровень вносимых по терь и высокую помехоустойчивость. Применение одиночных ОАР в составе СВЧ-генераторов, предназначенных для первичной обработки сигналов, по зволяет обеспечить предельно низкий уровень мощности фазовых шумов.

Скорость звука в пьезоэлектрической среде на 3-4 порядка меньше ско рости света, и, соответственно, открываются возможности для разработки устройств, массогабаритные показатели которых на несколько порядков меньше существующих аналогов. Кроме того, устройства на основе ОАР имеют хорошую совместимость с материалами, используемыми в монолит ных интегральных схемах, что позволяет изготавливать СВЧ-устройства в едином технологическом цикле без использования операции монтажа навес ных элементов.

ОАР выполняются с применением пьезоэлектрических материалов, ха рактеризующихся высокой акустической добротностью и высоким значением пьезоэлектрического модуля. В то же время использование среды с электри чески управляемыми акустическими параметрами даст возможность значи тельно расширить функциональные возможности устройств на основе ОАР.

С этой целью может быть использован наведенный пьезоэлектрический эф фект, проявляющейся в сегнетоэлектрических материалах с выраженным электрострикционным эффектом в присутствии постоянного поля смещения.

Исследование электромеханических явлений в пленке сегнетоэлектрика и возможностей применимости ОАР для перестраиваемых СВЧ-устройств определяет актуальность диссертационной работы. В работе исследуется электромеханическая модель наведенного пьезоэффекта в пленке твердого раствора титаната-бария стронция и титаната бария и анализируются харак теристики перестраиваемого ОАР.

Цель диссертационной работы – исследование электроакустических характеристик резонатора на объемных акустических волнах в пленке сегне тоэлектрика в условиях наведенного пьезоэффекта и возможностей практи ческого применения объемных акустических резонаторов для перестраивае мых СВЧ-устройств связи.

Цель диссертационной работы была достигнута решением следующих задач:

1) Разработка электромеханической модели наведенного пьезоэлектри ческого эффекта в тонкой пленке сегнетоэлектрика с учетом вклада четных и нечетных электромеханических эффектов, включая электро стрикцию, нелинейную по механической деформации.

2) Исследование характеристик резонатора на объемных акустических волнах в пленках Ba0,25Sr0,75TiO3 и BaTiO3 с использованием акустиче ского зеркала и их экспериментальная верификация.

3) Моделирование характеристик СВЧ перестраиваемого полосно пропускающего фильтра и СВЧ-генератора, управляемого напряже нием, на основе объемного акустического резонатора и определение электрических и акустических характеристик резонатора, необходи мых для его практического использования.

Научная новизна работы:

1) Установлен вклад коэффициента электрострикции, нелинейного по механической деформации, в изменение частот резонанса и антирезо нанса объемного акустического резонатора на основе пленки сегнето электрика.



2) Произведена оценка среднего значения коэффициента электрострик ции нелинейной по механической деформации для пленок Ba0,25Sr0,75TiO3 и BaTiO3.

3) Предложена модель зависимости электромеханического коэффициен та связи от приложенного напряжения, учитывающая пьезоэффект, электрострикцию и электрострикцию, нелинейную по механической деформации.

4) С использованием модели наведенного пьезоэффекта рассчитаны и экспериментально подтверждены характеристики входного эквива лентного импеданса объемного акустического резонатора на основе пленок Ba0,25Sr0,75TiO3 и BaTiO3 с учетом брэгговского зеркала.

5) Выполнена оценка характеристик СВЧ перестраиваемого полосно пропускающего фильтра и СВЧ-генератора, управляемого напряже нием, на основе объемного акустического резонатора на пленке Ba0,25Sr0,75TiO3 с использованием разработанной модели.

Основные методы исследования:

а) Теоретические: теория цепей, теория электромеханических процессов, уравнения электродинамики;

б) Экспериментальные: измерения входного электрического импеданса ОАР.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) Электромеханический коэффициент в материалах с наведенным пьезоэффектом имеет максимум в зависимости от приложенного напряжения, положение которого определяется качеством пленки.

2) Изменение частоты резонанса и антирезонанса в структуре с объем ными акустическими волнами определяется вкладом коэффициента электрострикции М, нелинейного по отношению к механической де формации.

3) Нелинейный коэффициент электрострикции М может быть отрица тельным и положительным в зависимости от температуры и типа сег нетоэлектрического материала.

4) Применимость перестраиваемых акустических резонаторов на сегне тоэлектрической пленке ограничена снизу диэлектрической прони цаемостью пленки и ее акустической добротностью.

Практическая значимость результатов работы:

1) Разработанная теоретическая модель наведенного пьезоэффекта в сег нетоэлектрике на основе электромеханических уравнений может быть применена для разработки перестраиваемых устройств с использова нием ОАР на сегнетоэлектрической пленке.

2) Определены электрические и акустические характеристики пленки Ba0.25Sr0.75TiO3, необходимые для практического использования пере страиваемых ОАР в составе СВЧ-устройств.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

На международных конференциях: международный студенческий семи нар «Microwave and Optical applications of novel physical phenomena» Queen’s University Belfast, UK 2008г;

международный студенческий семинар «Microwave and Optical applications of novel physical phenomena» ETU, St. Petersburg, 2009г;

международная европейская научная конференция European Microwave Conference, 8-12 Октября, 2007, Мюнхен;

European Microwave Conference, 27-31 Октября, 2008, Нидерланды;

международная конференция Euroсon 2009 (May 2009, Saint-Petersburg, Russia).

На конференциях: XVIII Всероссийская конференция по физике сегнето электриков ВКС - XVIII 2008г;

семинары профессорско-преподавательского состава СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 2007, 2008, 2009, 2010г, научно-технические се минары «Современные проблемы техники и электроники СВЧ» 2007, 2008, 2009, 2010г.

Публикации: Основные теоретические и практические результаты дис сертации опубликованы в 12 статьях и докладах, среди которых 2 публика ции в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК. Доклады доложены и получили одобрение на 10 международ ных, всероссийских и межвузовских научно-практических конференциях, пе речисленных в конце автореферата Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, глав с выводами, заключения. Работа изложена на 119 страницах машино писного текста, включает 81 рисунок, 7 таблиц и список литературы из наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулиро ваны цели и задачи работы, научная новизна и практическая ценность полу ченных результатов, а также сформулированы научные положения, выноси мые на защиту.

Глава 1 «Одиночные резонаторы на объемных акустических волнах и устройства на их основе» посвящена обзору литературы по теме работы.

В первом параграфе данной главы рассмотрены преимущества использо вания ОАР на основе пьезоэлектрических пленок в составе СВЧ-устройств для систем телекоммуникаций. Обсуждаются преимущества и недостатки различных конфигураций ОАР: мембранного типа и с акустической изоляци ей от подложки. Во втором и третьем параграфах рассмотрены конфигурации и характеристики узкополосных фильтров на ОАР, а также различные схемо технические решения конструкций генераторов, управляемых напряжением, с использованием высокодобротных ОАР.





Четвертый параграф посвящен описанию электромеханических явлений в пьезоэлектрической среде системой линейных электромеханических урав нений. Представлены выражения для определения входного эквивалентного импеданса, частот резонанса и антирезонаса и электромеханического коэф фициента связи в структуре на объемных акустических волнах. Приводятся выражения для описания характеристик ОАР с использованием эквивалент ной электрической схемы с сосредоточенными параметрами.

В последнем параграфе данной главы обсуждаются возможности элек трической перестройки акустических параметров ОАР. В заключение сфор мулированы задачи исследований в рамках диссертационной работы.

Глава 2 «Электромеханическая модель наведенного пьезоэлектрическо го эффекта» посвящена разработке теоретической модели наведенного пьезо электрического эффекта в тонкой пленке сегнетоэлектрика и исследованию характеристик ОАР на пленках Ba0,25Sr0,75TiO3 и BaTiO3.

В сегнетоэлектрических материалах с центросимметричной кубической структурой BaxSr1xTiO3 (BSTO) пьезоэлектрический эффект в параэлектри ческой фазе не наблюдается. При приложении постоянного электрического поля, возникает наведенный пьезоэффект, являющийся следствием электро стрикции. Это явление может быть использовано для электрического управ ления акустическими параметрами сегнетоэлектрической среды. Перестраи ваемый ОАР представляет собой сегнетоэлектрический плоскопараллельный конденсатор, в котором при приложении постоянного и переменного электрического поля возможно электрострикционное преобразование энергии при толщине пленки, сопоставимой с длиной акустической волны.

Для получения термодинамических соотношений, описывающих элек тромеханические явления в сегнетоэлектрической среде, можно воспользо ваться термодинамической функцией плотности свободной энергии. Для сег нетоэлектрической пленки, совершающей колебания по толщине в перемен ном электрическом поле, параллельном направлению распространения аку стической волны целесообразно использовать в качестве независимых пере менных механическую деформацию и электрическую индукцию. Тогда плот ность свободной энергии примет вид:

dF ( uij, Dm ) = i du j Em dDn Bm dH n SdT, (1) где ijkl – компоненты тензора механических напряжений, uijkl – компоненты тензора механической деформации, Dn – компоненты вектора электрической индукции, Еm – компоненты вектора напряженности электрического поля, Нn – компоненты вектора напряженности магнитного поля, Вm – компоненты вектора магнитной индукции, S – энтропия, T – температура.

Если произвести разложение компонент механического напряжения и электрического поля по компонентам деформации и электрической индукции без учета роли тепловых эффектов и магнитного взаимодействия, можно по лучить следующие электромеханические уравнения в обобщенном виде, ог раничиваясь членами третьего порядка:

1 ij ij ij ij = dukl + dDn + dukl duqr + ukl Dn 2! ukl uqr 2 ij 2 ij 3 ij +2 dukl dDn + dDo dDn + du dD dD +..., u D D kl o n u D D D kl o n kl n o n (2) 1 2 Em E E Em = m dukl + m dDn + dukl duqr + 2! ukl uqr ukl Dn (3) 3 Em 2 Em 2 Em +2 dukl dDn + dDn dDo + du du dD +....

u u D ij kl n ukl Dn Dn Do ij kl n Учитывая пьезоэффект, электрострикцию и нелинейную по отношению к механической деформации электрострикцию, электромеханические урав нения преобразуются к виду:

ij = cijkl ukl hijn Dn + Gijmn Dn Dm + M ijklmnukl Dn Dm, (4) D Em = hijmukl + mn Dn + Gijmnukl Dn + M ijklmnuij ukl Dn. (5) u Для тонкой пленки BSTO при комнатной температуре в параэлектриче ской фазе, в которой колебания совершаются по толщине пленки, данная за дача может быть решена в одномерном приближении. В этом случае матери ал представляет собой изотропную среду, и все тензоры электромеханиче ских уравнений можно представить в виде скалярных величин, т.е. компо нент тензора в направлении распространения волны. В присутствии поля смещения и переменного во времени поля D = D + D ( ac ) ( dc ) электромеханиче ские уравнения для переменного механического напряжения и переменного электрического поля запишутся в виде:

( ac ) = c Du ( ac ) hD ( ac ) + 2GD ( ac ) D ( dc ) + MD ( dc ) u ( ac ), (6) E ( ac ) = hu ( ac ) + 0 1 r1 D ( ac ) + 2GD ( dc )u ( ac ).

(7) Электромеханические уравнения учитывают пьезоэлектрический эффект.

Возникновение слабого пьезоэлектрического эффекта в пленке BSTO в пара электрической фазе объясняется наличием механических напряжений и де формаций в кристаллической решетке. При приложении постоянного элек трического поля за счет электрострикции возникает наведенный пьезоэффект.

Нелинейная по отношению к деформации электрострикции (или квадратич ная электрострикция) проявляется как изменение упругих модулей под дей ствием электрической индукции.

Преобразуем электромеханические уравнения (6) и (7) к виду:

( ac ) = c ( E ( dc ) ) u ( ac ) h ( E ( dc ) ) D ( ac ), (8) E ( ac ) = h ( E ( dc ) ) u ( ac ) + 0 1 r1 ( E ( dc ) ) D ac, (9) ( ) и h ( E ( ) ) - соответственно эффективный модуль упругости c E ( dc ) dc Здесь и эффективный пьезомодуль:

( )=c ( ) + M 0 r ( E ( dc ) ) E ( dc ) c E( dc ) D, (10) h(E ) = h 2G ( E ) E ( dc ) ( dc ) ( dc ). (11) 0r Таким образом, эффективные параметры (10) и (11) являются функция ми приложенного постоянного поля смещения.

Во втором параграфе главы определяются электромеханические харак теристики акустического резонатора в условиях наведенного пьезоэффекта.

Для распространяющихся продольных звуковых колебаний решается волно вое уравнение для компоненты механического смещения в направлении при ложенного поля, решение которого с соответствующими граничными усло виями позволяет определить в (8) и (9) механическую деформацию и пере менное электрическое поле в активной области ОАР. Акустическая волна ха рактеризуется волновым числом kac =, где ac – скорость акустической ac волны:

( ) c D + M 0 r ( E ( dc ) ) E ( dc ) ac =, (12) где – объемная плотность материала. Очевидно, что акустическая ско рость в выражении (12) является функцией постоянного поля смещения, что обусловлено вкладом нелинейной по отношению к деформации электро стрикцией.

Эквивалентный входной электрический импеданс объемного акустиче ского резонатора со свободными границами определяется выражением:

2 tan ( k ac t ), (13) Z eq = 1 Kt jC0 kac t где С0 - емкость между электродами акустического резонатора, t – тол щина пленки, Kt2 – электромеханический коэффициент связи, который явля ется функцией приложенного поля смещения и количественно характеризует наведенный пьезоэффект:

K t2 ( E (dc) ) = 2 0 r ( E (dc) ) h ( E (dc) ). (14) c ( E (dc) ) Частоты резонанса fres и антирезонанса fares находится из условия Zin и Yin 0. В результате получаем следующие соотношения:

(() ) ( ) dc 1 M 0 r E ( ) E ( ) 1 2 K t2 E ( ) ac 1 + dc dc D c ;

(15) f res = 4t (() ) 1 1 + D M 0 r E ( dc ) E ( dc ) ac c, (16) f ares = 4t где ac – акустическая скорость в отсутствии поля смещения Из выражений (15) – (16) следует, что нелинейный коэффициент элек трострикции определяет изменение резонансных частот от приложенного на пряжения в условиях антирезонанса и резонанса. Следует обратить внимание, что изменение частоты антирезонанса в условиях наведенного пьезоэффекта обусловлено только вкладом нелинейной по отношению к деформации элек трострикции, тогда как сдвиг частоты резонанса определяется вкладом нели нейной электрострикции и электромеханического коэффициента связи.

В третьем параграфе была произведена оценка коэффициента нелиней ной электрострикции М. В литературе отсутствуют данные по оценке значе ний компонентов тензора квадратичной электрострикции, в виду того факта, что найти значения компонентов тензора прямым образом невозможно. Од нако среднее значение коэффициента нелинейной электрострикции М может быть оценено из экспериментальных зависимостей диэлектрической прони цаемости от приложенного к образцу давления.

Для описания зависимости диэлектрической проницаемости сегнето электрика в условиях сжатия следует рассмотреть разложение упругой функ ции Гиббса по степеням электрической индукции и механического напряже ния. Тогда после двукратного дифференцирования упругой функции Гиббса по электрической индукции получим уравнение, определяющее зависимость диэлектрической проницаемости от деформации:

mn ( D, u ) = + klmn Dm Dn Gijkl uij + M ijklmnuij ukl (17) mn Обратная диэлектрическая проницаемость при одномерной постановке задачи может быть записана в следующем виде:

1 ( u ) = ( 0 ) Gu + Mu (18) Из приведенного уравнения следует, что коэффициент нелинейной элек трострикции определяет квадратичную часть зависимости обратной диэлек трической проницаемости от механической деформации.

В результате, используя экспериментальные зависимости диэлектриче ской проницаемости от давления при всестороннем сжатии, было найдено усредненное значение квадратичной электрострикции для монокристалличе ских образцов титаната стронция и титаната бария. Для SrTiO3 усредненное значение нелинейного коэффициента электрострикции было оценено в пре делах M (3 7) · 1011 [Н·м2/А2с2]. Полагаем, что для материала BSTO ко эффициент М того же порядка и знака. Для ВаTiO3 усредненное значение не линейного коэффициента электрострикции было найдено в пределах M (3 8) · 1011 [Н·м2/А2с2].

Результаты моделирования относительного изменения частот резонанса и антирезонанса ОАР в условиях наведенного пьезоэффекта с параметрами c = 0.251012 Н/м2, Q = 0.066 м4/А2с2 (Q=G/cD) и |M| = 3·1011 Н·м2/А2с2, прини мающего положительный и отрицательный знак, представлены на рис. 1.

Знак коэффициента квадратичной электрострикции определяет направление сдвига резонансных частот ОАР в fres, fares условиях наведенного пьезоэффек та. Для SrTiO3 (M 0) наблюдается fres (M 0) 1, fares (M 0) сдвиг частоты резонанса и антире 1, зонанса при приложении постоян 1, ного напряжения в область низких частот, в то время как для ВаTiO 1, при M 0 частоты резонанса и ан 0, тирезонанса в условиях наведенно fares (M 0) 0, го пьезоэффекта увеличиваются. В fres (M 0) соответствии с выражением (15) 0, направление и величина сдвига ре 0, 10 зонансной частоты обуславливает 0 2 4 6 Vdc, В ся также вкладом коэффициента Рис. 1 электромеханической связи.

В четвертом параграфе произведен анализ многослойного брэгговского зеркала. Брэгговское зеркало, состоящее из чередующихся тонкопленочных четвертьволновых слоев с высоким и низким акустическим импедансом, по зволяет акустически изолировать ОАР от материала подложки. Обобщенная структура ОАР на основе пленки BSTO с многослойным брэгговским зерка лом показана на рис.2. Анализ структур выполнялся с использованием экви валентного представления ОАР, в котором каждый слой резонатора пред ставлялся в виде отрезка линии пере Al (110 нм) дачи со своими волновыми параметра Au (20 нм) ми: акустический импеданс и акусти Ba Sr TiO ческая скорость. В результате был рас 0.25 0.75 считан акустический импеданс элек Au (80 нм) тродов, находящихся в контакте с SiO (280 нм) пленкой BSTO, с учетом брэгговской Au (150 нм) структуры (рис. 3). Наблюдается ми нимум действительной части импедан SiO (280 нм) са электродов в ограниченной полосе Au (150 нм) частот, что эквивалентно свободным SiO (280 нм) границам.

В пятом параграфе представлены Si (0.5 мм) результаты моделирования ОАР на пленке Ba0.25Sr0.75TiO3 с акустической изоляцией от подложки, полученные с Рис. использованием электромеханиче Re(ZВЕРХН) ской модели наведенного пьезоэф Re(ZНИЖН) фекта. На рис. 4 и рис. 5 показаны действительная часть входного эк вивалентного импеданса и проводи мости ОАР при различном управ ляющем постоянном напряжении. В соответствии с результатами анализа Re(ZВЕРХН) акустического отклика ОАР в усло Re(ZНИЖН) виях наведенного пьезоэффекта, на блюдается сдвиг частоты резонанса и антирезонанса в область нижних 1 2 3 4 5 6 7 8 9 частот, что определяется знаком ко f, ГГц Рис. 3 эффициента нелинейной электро стрикции М. Сдвиг частоты резонан са более эффективен за счет дополнительного вклада электромеханического коэффициента связи. Анализ частотной зависимости входного эквивалентно го импеданса ОАР в широкой полосе частот позволяет сделать вывод о том, что использование брэгговской структуры полностью подавляет паразитные высшие гармоники на кратных частотах основного резонанса.

В соответствии с результатами моделирования входного эквивалентного импеданса ОАР на пленке BaTiO3 при изменении приложенного постоянного напряжения частоты резонанса и антирезонанса перестраиваются в область высоких частот, что обусловлено положительным знаком коэффициента М.

При этом частота антирезонанса меняется более эффективно по сравнению с частотой резонанса, так как коэффициент электромеханической связи и ко эффициент нелинейной электрострикции в выражении (15) имеют разные знаки.

В следующем параграфе произведено моделирование характеристик ОАР на пленке Ba0.25Sr0.75TiO3 в широком диапазоне температур.

Полагаем, что коэффициент электрострикции, нелинейный по механической деформации, меняет знак вблизи температуры фазового Re(Yeq), См Re(Zeq), Ом 0, 0, 20В 20 20В 10В 10В 5В 0, 5В 0В 0В 4,0 4,2 4,4 4,6 4, 4,0 4,2 4,4 4,6 4, f, ГГц f, ГГц Рис. 4 Рис. перехода (TC) Ba0.25Sr0.75TiO3. В этом ac, м/с случае для M0 при T TC T=80K акустическая скорость волны по толщине пленки BSTO увеличивается в условиях наведенного пьезоэффекта;

для M 0 при T TC акустическая T=300K скорость уменьшается при изменении постоянного поля. Зависимость акустической скорости в пленке 20 Ba0,25Sr0,75TiO3 от приложенного 0 5 10 постоянного напряжения показана на Vdc, В рис. 6. Таким образом, было Рис. продемонстрировано, что нелинейный коэффициент электрострикции М может быть отрицательным и положительным в зависимости от температуры и типа сегнетоэлектрического материала.

Для описания зависимости относительной диэлектрической проницае мости от температуры и постоянного поля смещения использовалась фено менологическая модель сегнетоэлектрика [1]. Для описания температурных зависимостей пьезомодуля, коэффициента электрострикции и модуля подат ливости – обратной величины модуля упругости использовались эмпириче ские модели [2].

В восьмом параграфе произведена оценка влияния дефектности пленки BSTO на электроакустические характеристики ОАР. Было установлено, что электромеханический коэффициент в материалах с наведенным пьезоэффек том характеризуется наличием максимума в зависимости от приложенного напряжения, положение которого определяется качеством пленки.

Степень дефектности материала учитывается параметром S, используе мым в феноменологической модели сегнетоэлектрика [1]. С уменьшением параметра S наблюдается значительный рост диэлектрической проницаемо сти пленки BSTO на зависимости r(Vdc) (рис.7). Исходя из полученных зави симостей было показано, что электромеханический коэффициент связи в ус r K t2, % Т = 300К 1600 S = 0, S = 0, S = 6 S = S = S = 0 0 5 10 15 20 0 5 10 15 Vdc, B Vdc, В Рис. 7 Рис. ловиях приложенного напряжения с увеличением структурного качества ма териала существенно увеличивает свое значение, при этом наблюдается сме щение максимума (рис.8). Для пленок, характеризующихся высоким струк турным качеством, т.е. S 2, коэффициент электромеханической связи име ет выраженный максимум, и его значение может превышать 6% при Vdc = 10 В (t = 350 нм). Продемонстрирован существенный рост относитель ной перестройки резонансных частот ОАР до 10 % при увеличении диэлек трической проницаемости.

В Главе 3 «Экспериментальное исследование ОАР на основе пленки сег нетоэлектрика в условиях наведенного пьезоэффекта» приводятся результаты экспериментального исследования диэлектрических характеристик пленки BSTO и входного эквивалентного импеданса ОАР на пленках Ba0.25Sr0.75TiO и BaTiO3 в сравнении с результатами моделирования. ОАР изготовлен и экс периментально исследован в Чалмерском университете [3].

В первом параграфе обсуждаются диэлектрические характеристики пленки Ba0.25Sr0.75TiO3, полученные методом импульсного лазерного напыле ния. Микроструктура пленки BSTO и, следовательно, её диэлектрические ха рактеристики существенно зависят от условий осаждения: температуры под ложки и давления кислорода в рабочей камере. Рост температуры и умень шение давления кислорода приводят к увеличению диэлектрической прони цаемости, относительной электрической перестройки и, в тоже время, ростом диэлектрических потерь в пленке. Оптимальными условиями для осаждения пленки Ba0,25Sr0,75TiO3 являются: 680°С и 20 Па. Дальнейшее повышение температуры в процессе роста пленки BSTO может привести к деградации тонких электродов и структуры акустического зеркала. Кроме того, для пленки BSTO с более высокой диэлектрической проницаемостью (r = 660), то есть для менее дефектного образца, электромеханическое преобразование энергии является более эффективным.

Сравнивая экспериментальные результаты температурных зависимостей диэлектрических проницаемостей пленок Ba0,25Sr0,75TiO3 и BaTiO3 с диэлек трической проницаемостью керамических образцов [4] (рис. 9 и рис. 10), хо рошо видно, что относительная электрическая перестройка пленочных об r/rmax r/rmax BaxSr1-xTiO3 BaTiO 1 0,8 x=0,25 [3] 0, 0,6 0,6 [3] x=0,2 [4] [4] 0,4 0, x=0,3 [4] 0,2 0, 0 0 50 100 150 200 250 300 0 100 200 300 400 T, K T, K Рис. 9 Рис. разцов существенно уступает монокристаллическим материалам, что являет ся следствием значительной степени дефектности исследуемых пленок.

Во втором параграфе представлены экспериментальные характеристики ОАР на пленке Ba0,25Sr0,75TiO3.

Структура брэгговского зеркала, состоящая из трех пар чередующихся слоев на основе Au и SiO2, а также нижний электрод ОАР были осаждены на оксидированной высокоомной кремниевой подложке с использованием по стоянноточного и ВЧ магнетронного распыления. Ионное травления исполь зовалось для формирование структуры брэгговского зеркала и нижнего элек трода. Далее на полученную брэгговскую структуру осаждалась пленка Ba0,25Sr0,75TiO3 методом импульсного лазерного напыления. В процессе осаждения пленки BSTO поддержи вались температура поверхности об разца 650° С и давление кислорода в рабочей камере 20 Па. Толщина пленки Ba0,25Sr0,75TiO3 составляет нм. Микрофотографии поперечного сечения всей структуры ОАР на BSTO, содержащей слои акустиче ского зеркала и электродов, представ Рис. лены на рис. 11.

Результаты экспериментального исследования входного эквивалентного импеданса и проводимости ОАР на пленке Ba0,25Sr0,75TiO3 в сравнении с ре зультатами моделирования, полученными с использованием электромехани ческой модели наведенного пьезоэффекта, представлены на рис. 12 и рис. 13.

Использовались следующие акустические параметры пленки Ba0,25Sr0,75TiO3:

c = 0,251012 Н/м2, h = 3,8108 В/м, Q = 0.066 м4/А2с2 и M = 1,71012Н·м2/А2с2.

Величина нелинейного коэффициента электрострикции была использована в качестве подгоночного параметра. Использовались табличные значения аку стических параметров электродов и слоев брэгговской структуры. Наблюда Re(Zeq), Ом Re(Yeq), См Моделирование Моделирование Эксперимент Эксперимент 0, 0, 14 В 14 В 10 В 10 В 4В 0, 4В 0В 0В 4,0 4,2 4,4 4,6 4, 4,0 4,2 4,4 4,6 4, f, ГГц f, ГГц Рис. 12 Рис. ется хорошее совпадение результатов модели fares 1. рования и экспериментальных данных для ис следуемой структуры ОАР, что говорит о дос T=80K товерности предложенной модели наведенного 1. пьезоэффекта. Перестройка резонансных час T=300K тот ОАР на пленке Ba0,25Sr0,75TiO3 составила 64 МГц для антирезонанса и -78 МГц для резо 0. нанса. Наблюдается отрицательный сдвиг час Эксперимент Моделирование тоты антирезонанса и резонанса, обусловлен 0. ный вкладом коэффициента нелинейной элек 0 5 10 трострикции отрицательного знака. Доброт Vdc, В ность ОАР составила 120. Электромеханиче Рис. ский коэффициент связи для исследуемых об fres 1. Эксперимент разцов ОАР не превышает 2% при Vdc = 14 В.

Моделирование В третьем параграфе в результате экспе 1.00 риментальных исследований температурных T=300K характеристик ОАР было подтверждено, что T=80K коэффициент электрострикции, нелинейный по механической деформации М, меняет знак 0. вблизи фазового перехода. При комнатной температуре при изменении постоянного на пряжения наблюдается сдвиг частоты антире 0. 0 5 10 зонанса в область низких частот, что обуслов Vdc, В лено М 0 (рис. 14). При температуре ниже Рис. фазового перехода M 0, и в условиях наве денного пьезоэффекта частота антирезонанса увеличивается. Перестройка частоты резонанса (рис. 15) описывается дополнительным вкладом коэффи циента электромеханической связи. Исследование температурных характери стик электромеханического коэффициента связи в условиях наведенного пье зоэффекта показало, что уменьшение температуры образца сопровождается ростом значения коэффициента связи.

Результаты экспериментального исследования входного импеданса и Re(Yeq), См Re(Zeq), Ом Моделирование Моделирование Эксперимент Эксперимент 0, 10 В 10 В 8В 8В 0, 6В 100 6В 4В 4В 2В 2В 0В 0,004 0В 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4, 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4, f, ГГц f, ГГц Рис. 16 Рис. проводимости ОАР на основе BaTiO3 в сравнении с результатами моделиро вания для пленки с акустические параметрами c = 0,131012 Н/м2, h = 2,7108 В/м, Q = 0,066 м4/А2с2 и M = 4,31012Н·м2/А2с2 показаны на рис. и рис. 17. Перестройка частот антирезонанса и резонанса ОАР на пленке Ba0,25Sr0,75TiO3 составила 150 МГц и 47 МГц. Положительная перестройка ре зонансных частот ОАР обусловлена положительным знаком коэффициента нелинейной электрострикции.

В Глава 4 «Возможности практического применения ОАР на пленке сег нетоэлектрика в составе СВЧ-устройств» было показано, что исследуемые образцы ОАР на BSTO характеризуются низкими значениями коэффициента электромеханической связи, акустической добротностью и перестройкой ОАР, что связано с высокой дефектностью пленок BSTO. Таким образом, применимость перестраиваемых акустических резонаторов на сегнетоэлек трической пленке BSTO ограничена снизу диэлектрической проницаемостью пленки и ее акустической добротностью: r ( 0 ) = 600 800, Qac 200. В резуль тате были получены новые параметры модели диэлектрического отклика c учетом величины r. В этом случае коэффициент связи в условиях наведенно го пьезоэффекта в Ba0,25Sr0,75TiO3 может превышать 6% при Vdc10В.

В первом параграфе была предложена методика проектирования пере страиваемого ППФ на BSTO ОАР с учетом модели наведенного пьезоэффек та, на основе которой был разработан перестраиваемый трехзвенный ППФ с рабочей частотой 5,25 ГГц. В результате с учетом вышеуказанных ограниче ний, т.е. r ( 0 ) = 600 и Qac 200 были получены частотные зависимости модуля коэффициента передачи и отражения перестраиваемого ППФ на Ba0,25Sr0,75TiO3 ОАР (Рис. 18). Перестройка центральной частоты полосы пропускания фильтра составила 5,5ГГц - 5,0ГГц (10%) при изменении на пряжения смещения в пределах 10В - 35В. В результате была предложена многослойная структура ППФ на ОАР.

Во втором и третьем параграфах был проведен анализ характеристик СВЧ-генераторов с использованием ОАР на пленке нитрида алюминия (AlN) и на основе перестраиваемого Ba0,25Sr0,75TiO3 ОАР. Разработанный ГУН на высокодобротном AlN ОАР, демон |S|, дБ стрирует уровень спектральной 20В 10В 35В плотности мощности фазовых шу - мов на частоте генерации 1,875 ГГц не хуже, чем -138дБн/Гц при от стройке 10кГц. Результаты получе |S21| - ны на основе данных эксперимен |S11| тального исследования AlN ОАР.

- Была разработана топология ГУН.

BW = 2,4% Было показано, что использование IL = 2дБ полупроводникового варактора по - 4,4 4,6 4,8 5,0 5,2 5,4 5,6 5,8 6, зволяет управлять частотой генера f, ГГц ции ГУН в пределах 1,2%. Пере Рис. стройка частоты генерации может быть существенно расширена применени ем ОАР на основе BSTO в составе генератора. В результате был спроектиро ван СВЧ-генератор на Ba0,25Sr0,75TiO3 ОАР, предназначенный для функцио нирования на частоте 5ГГц. В соответствии с результатами моделирования характеристик ГУН с учетом r ( 0 ) = 600 и Qac 200 перестройка частоты ге нерации составляет 5,58ГГц - 5,0ГГц (9%) при изменении постоянного на пряжения смещения на ОАР в пределах 10В - 35В. Уровень мощности фазо вых шумов ГУН не выше, чем -110дБн/Гц при отстройке от несущей 10кГц.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в рамках диссертационной работы.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1) Вендик О.Г. Феноменологическое описание зависимости диэлек трической проницаемости титаната стронция от приложенного электрическо го поля и температуры [текст] / О.Г. Вендик, С.П. Зубко // Журнал Техниче ской Фи-зики. –1997. – Том 67. – Вып. 3. – С.29 - 33.

2) Rupprecht G. Electromechanical Behavior of Single-Crystal Strontium Ti tanate [текст] / G. Rupprecht, W. H.Winner // Physical Review, - 1967. – V.155.

№ 3. – P.1019- 3) Berge J. Field and temperature dependent parameters of the dc field induced resonances in BaxSr1-xTiO3 films [текст] / J. Berge, M. Norling, A. Vorobiev, S.

Gevorgian // Journal of Applied Physics, - 2008. - V.103, №6. - P.0645081- 4) Смоленский Г. А. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики [текст] / Смоленский Г.А., Боков В. А., Исупов В. А., Крайник Н. Н., Пасынков Р. Е., Шурм М. С. // Изд-во Наука, - 1971. – С. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК России:

[1] Туральчук П. А., Моделирование перестраиваемого резонатора на объ емных акустических волнах в пленке BSTO в присутствии наведенного пье зоэффекта [текст] / П. А. Туральчук, И. Б. Вендик, О. Г. Вендик // Известия высших учебных заведений, серия "Радиоэлектроника", -2007. №5, -С.60- [2] Vendik I. Modeling Tunable Bulk Acoustic Resonators Based on Induced Piezoelectric Effect in BaTiO3 and Ba0.25Sr0.75TiO3 Films (Моделирование пере страиваемого резонатора на объемных акустических волнах в пленках Ba0,25Sr0,75TiO3 и BaTiO3 в условиях наведенного пьезоэффекта) [текст] / I.

Vendik, O. Vendik, P. Turalchuk, J. Berge // Journal of Applied Physics, - 2008.

V.103, Is.1. – P. Другие статьи и материалы конференций:

[3] Turalchuk P. Modelling of Tuneable Acoustic Resonators based on BSTO Films with Induced Piezoelectric Effect (Моделирование перестраиваемого объемного акустического резонатора на пленке BSTO в условиях наведенного пьезоэффекта) [текст] / P. Turalchuk, I. Vendik, O. Vendik, and J.

го пьезоэффекта) [текст] / P. Turalchuk, I. Vendik, O. Vendik, and J. Berge // Proc. of 37th European Microwave Conference, - 2007. - P.282- [4] Turalchuk P.A. Modelling of Tuneable Acoustic Resonators based on Barium Titanate Films with Induced Piezoelectric Effect (Моделирование перестраивае мого объемного акустического резонатора на пленке титаната бария в усло виях наведенного пьезоэффекта) [текст] // Proc. of 14th Int. Student Seminar on Microwave Application of Novel Physical Phenomena, -2007, -P.60- [5] Turalchuk P. Modelling of Tunable Bulk Acoustic Resonators and Filters with Induced Piezoelectric Effect in BSTO Film in a Wide Temperature Range (Моде лирование перестраиваемого объемного акустического резонатора на пленке BSTO в условиях наведенного пьезоэффекта в широком диапазоне темпера тур) [текст] / P. A. Turalchuk, I. B. Vendik // Proc. of Eurocon, - 2009. - P.64- [6] Turalchuk P. Electrically Tunable Bulk Acoustic Filters with Induced Piezo electric Effect in BSTO Film (Перестраиваемые фильтры на объемных акусти ческих волнах в пленке BSTO в условиях наведенного пьезоэффекта) [текст] / P. Turalchuk, Irina Vendik, Orest Vendik, John Berge // Proc. of 38th European Microwave Conference, Amsterdam, The Nederland, - 2008, - P.1695- [7] Turalchuk P.A. Electrically Tunable Bulk Acoustic Filters with Induced Pie zoelectric Effect in BSTO Film (Перестраиваемые фильтры на объемных аку стических волнах в пленке BSTO в условиях наведенного пьезоэффекта) [текст] // Proc. of 15th Int. Student Seminar on Microwave Application of Novel Physical Phenomena, -2008, -P.60- [8] Туральчук П.А. Перестраиваемые СВЧ-фильтры на объемных акустиче ских волнах в пленке сегнетоэлектрика при использовании наведенного пье зоэлектрического эффекта [текст] / П.А. Туральчук, И.Б.Вендик, О.Г.Вендик // материалы XVIII всероссийской конференции по физике сегнетоэлектри ков, - 2008. – С.229-230.

[9] Туральчук П.А. Перестраиваемый резонатор на объемных акустических волнах в пленке BSTO с наведенным пьезоэффектом [текст] / П.А. Туральчук, И.Б.Вендик, О.Г.Вендик // материалы научно-технического семинара «Инно вационные разработки в технике и электронике СВЧ», СПБГЭТУ «ЛЭТИ». – 2007. – С.27.

[10] Туральчук П.А. Перестраиваемые СВЧ фильтры на объемных акустиче ских волнах в пленке BSTO [текст] / П.А. Туральчук, И.Б.Вендик // материалы научно-технического семинара «Инновационные разработки в технике и электронике СВЧ», СПБГЭТУ «ЛЭТИ». – 2008. – С.26.

[11] Туральчук П.А. Моделирование перестраиваемых резонаторов на объ емных акустических волнах в пленке BSTO в широком диапазоне температур [текст] / материалы научно-технического семинара «Инновационные разра ботки в технике и электронике СВЧ», СПБГЭТУ «ЛЭТИ». – 2009. – С.14.

[12] Туральчук П.А. СВЧ-Генератор с низким уровнем фазовых шумов на основе высокодобротного объемного акустического резонатора [текст] / ма териалы научно-технического семинара «Инновационные разработки в тех нике и электронике СВЧ», СПБГЭТУ «ЛЭТИ». – 2010. – С.22.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.