Многочастотный резонатор на объемных акустических волнах



Многочастотный резонатор на объемных акустических волнах
Многочастотный резонатор на объемных акустических волнах
Многочастотный резонатор на объемных акустических волнах

 


Владельцы патента RU 2541927:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) (RU)

Изобретение относится к СВЧ электроакустике и является основой для создания стабилизированных генераторов сетки частот, узкополосных фильтров, высокочувствительных сенсоров и других СВЧ частотозадающих элементов для средств связи, автоматики и радиолокации. Технический результат - обеспечение высокой стабильности частоты генерации и минимального значения фазовых шумов в широком частотном диапазоне. Многочастотный резонатор на объемных акустических волнах содержит звукопровод и источник акустических колебаний, который включает в себя пьезоэлектрик, верхний и нижний металлические электроды , при этом источник акустических колебаний размещен на одной из поверхностей звукопровода, звукопровод выполнен из ориентированного монокристалла алмаза с кристаллографическими плоскостями срезов(100), или (110), или (111), соответствующих направлениям распространения чистых продольных мод. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) электроакустике и является основой для создания стабилизированных генераторов сетки частот, узкополосных фильтров, СВЧ генераторов с низким уровнем фазовых шумов, высокочувствительных сенсоров и других СВЧ частотозадающих элементов для средств связи, автоматики и радиолокации.

Известен многочастотный резонатор на объемных акустических волнах (МРОАВ) (G.D. Mansfeld, S.G. Alekseev, N.I. Polzikova, «Unique Properties of HBAR Characteristics», 2008, IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings, p.439-442). Устройство состоит из двух металлических электродов, между которыми размещен пьезоэлектрический слой, и диэлектрической подложки, являющейся звукопроводом. Толщина звукопровода выбирается много больше толщины пьезоэлектрического слоя. При подаче на электроды СВЧ поля в такой слоистой структуре на определенных частотах возникают стоячие волны механических смещений s(z), описываемых выражением (G.D. Mansfeld, S.G. Alekseev, N.I. Polzikova, «Unique Properties of HBAR Characteristics», 2008, IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings, p.439-442):

ε(z)=ε0cos(kz),

где z - координата направления распространения волны, ε0 - амплитуда механических смещений, k - волновой вектор. Такое устройство позволяет формировать равномерную широкополосную сетку (спектр) высокостабильных резонансных частот с низким уровнем фазовых шумов.

Известен патент США (US 4785269, МПК H03H 9/00, дата публикации 15.11.1988, «Magnetically tuned high overtone bulk acoustic resonator», Adam J.D., McAvoy B.R.), где в качестве звукопровода использован монокристалл железоиттриевого граната, что позволило изменять частоту резонансов в небольших пределах с помощью магнитного поля. Недостатком такого резонатора является повышенная чувствительность к внешним электромагнитным помехам, что может привести к нестабильности частоты генерации.

В патенте РФ (RU 2468507 С1, МПК H03H 9/15, дата публикации 27.11.2012, «Резонатор на основе высших типов объемных акустических волн», Козырев А.Б., Михайлов А.К., Пташник С.В.) представлен многочастотный резонатор на объемных акустических волнах, в котором управление частотой резонансов осуществляется путем изменения граничных условий на противоположной плоскости звукопровода. Однако наличие импедансной акустической нагрузки на противоположной стороне звукопровода приводит к снижению добротности всего резонатора.

В заявке США (US 2011/0279187 A1, МПК Н03Н 9/15, Н03В 5/32, Н03Н 9/54, H01L 41/22, дата публикации 17.11.2011, "HBAR resonator with high temperature stability", Ballandras S., Gashon D.) в МРОАВ в качестве пьезоэлектрика использовали тонкие пластинки LiNbO3 (yxl)/36° среза, которые возбуждали сдвиговые волны в звукопроводе из монокристаллического кварца АТ-среза. Устройство предлагалось использовать как многочастотный резонатор на сдвиговых волнах в частотном диапазоне 0,05÷20 ГГц. Недостатком данного устройства является применение в качестве звукопровода кварца, имеющего значительное затухание на СВЧ и скорость звука в котором примерно в 3 раза меньше, чем в алмазе, а также использование сдвиговых волн, что в целом снижает возможности этого устройства как резонатора в СВЧ диапазоне. Например, коэффициент качества Q·f этого резонатора в указанном диапазоне не превышает 5·1012.

В патенте США (US 7508286 В2, МПК Н03Н 9/00, дата публикации 24.03.2009, «HBAR oscillator and method of manufacture», Rubi R.C., Pang W.) многочастотный резонатор на объемных акустических волнах использован в акустическом фильтре в качестве генератора сетки частот вместе с пленочным объемным акустическим резонатором, выделяющим из этой сетки заданную частоту резонанса. Недостатком такого устройства является использование в качестве звукопровода монокристаллического кварца, кремния, сапфира, что не позволило получить добротность резонатора выше 10000 на частоте 1,5 ГГц.

Недостатми рассмотренных резонаторов заключаются в том, что они работают в достаточно узком частотном диапазоне (2-4 ГГц) и в них применяются звукопроводы со сравнительно низким коэффициентом качества Q·f, не превышающим 5·1012.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является устройство, описанное в патенте США (US 7609132 В2, МПК Н03Н 9/00, дата публикации 27.10.2009, «Hybrid resonant structure», Ballandras S.J., et al.) и состоящее из верхнего электрода, слоя пьезоэлектрика (нитрид алюминия AlN или оксид цинка ZnO), нижнего электрода и звукопровода. Авторы считают, что электроды должны быть сделаны из хорошо проводящих металлов ряда Al, Mo, Ni, Ag, Pt, Au, W, Cu и т.д.; звукопровод может быть сделан из различных материалов, предпочтительно обладающих такими диэлектрическими и механическими свойствами, чтобы коэффициент качества Q·f был в пределах (3÷5)·1012. В качестве звукопровода предлагается использовать в основном кристаллический кварц, а также другие возможные материалы: стекло или кремний; La3Ga5SiO14, La3Ga5,5Nb0,5O14, La3Ga5,5Ta0,5O14, GaPO4, сапфир, LiNbO3, KnbO3, LiTaO3, С, SiC и т.д. В устройстве с целью увеличения коэффициента электромеханической связи на верхнем электроде пьезоэлектрика размещен дополнительный слой диэлектрика с высокими механическими и диэлектрическими свойствами. Недостатком такого устройства является уменьшение добротности резонатора вследствие нагружения пьезоэлектрика дополнительным слоем диэлектрика, и сравнительно низкий коэффициент качества Q·f, не превышающий 5·1012.

Технической задачей, решаемой предлагаемым устройством, является исключение вышеуказанных недостатков и создание многочастотного резонатора на объемных акустических волнах с высоким коэффициентом качества в широком диапазоне частот.

Многочастотный резонатор на объемных акустических волнах был выполнен в виде слоистой компланарной структуры и состоял из источника акустических колебаний, включающего в себя верхний металлический электрод, пьезоэлектрический слой нитрида алюминия AlN и нижний металлический электрод, и звукопровода, причем источник акустических колебаний был выполнен на одной из поверхностей звукопровода. Электроды были выполнены из металла, выбранного из ряда Cr, Mo, Al, Cu, Pt, предпочтительно использовали Mo.

Поставленную задачу решали за счет того, что в предлагаемом резонаторе в качестве звукопровода использовали монокристаллы алмаза искусственного или естественного происхождения с кристаллографической ориентацией срезов (100), или (110), или (111), соответствующих направлениям распространения чистых продольных мод. Для наилучшего акустического согласования использовали нижний электрод из молибдена толщиной 100-200 нм.

Предлагаемое изобретение поясняется фиг.1, 2, 3. На фиг.1 показана структура многочастотного резонатора на объемных акустических волнах. Электроды верхний (1) и нижний (3) с целью минимизации электрических потерь были выполнены в виде одного или двух металлических слоев. Такими металлами были Cr, Mo, Al, Cu, Pt. С целью наилучшего акустического согласования между пьезоэлектриком (2) и звукопроводом (4) нижний электрод был выполнен из молибдена. В качестве пьезоэлектрика (2) использовали нитрид алюминия AlN как материал с наибольшей скоростью распространения продольных волн в группе известных пьезоактивных материалов (ZnO, AlN, LiNbO3, SiO2, LiTaO3). Пленку нитрида алюминия наносили поверх нижнего электрода (3) методом магнетронного распыления.

На фиг.2 и 3 приведены результаты исследований спектра собственных частот предлагаемого резонатора путем измерения коэффициента отражения S11 в диапазонах 6÷6,5 ГГц и 15,5÷16 ГГц, соответственно, с помощью СВЧ анализатора цепей марки Е5071С Agilent Technologies в режиме LinMag на микрозондовой станции марки М-150 Cascade Microtech.

Пример реализации изобретения.

В качестве звукопровода была выбрана квадратная пластинка 4×4 мм2 толщиной 430 мкм, вырезанная из искусственно выращенного алмаза типа IIа. Плоскость пластинки была ориентирована в направлении [100]. После механической полировки шероховатость граней составляла Ra≤10 нм, непараллельность - не более 1 мкм/см.

На плоскость (100) монокристалла алмаза (4) в сверхвысоком вакууме напыляли нижний электрод (3) из молибдена толщиной 150 нм. Для синтеза пьезоэлектрического слоя нитрида алюминия в потоке рабочей газовой смеси Ar/N2 использовали метод высокочастотного реактивного магнетронного распыления мишени из особо чистого алюминия. Проверка на порошковом рентгеновском дифрактометре марки ТЕТА ARL X'TRA показала, что разориентация кристаллитов AlN относительно нормали к поверхности звукопровода не превышала 0,3° (полная ширина на половине высоты дифракционного рефлекса (002)), что обеспечило высокую электромеханическую эффективность. Толщина пьезоэлектрической пленки равнялась 1100 нм, что соответствовала ее собственной резонансной частоте 5 ГГц. Верхний электрод (1) толщиной 150 нм также был из молибдена. Толщины электродов выбраны из условия наилучшего акустического согласования и наименьших электрических потерь. Измерения частотных характеристик резонатора проводили в частотном диапазоне 0,02-20 ГГц с помощью СВЧ анализатора цепей марки Е5071С Agilent Technologies на микрозондовой станции марки М-150 Cascade Microtech. Положение частоты резонанса fr определяли по максимуму адмиттанса Y11, частоты антирезонанса fa - по максимуму импеданса Z11.

На фиг.2 и 3 отчетливо наблюдаются эквидистантные резонансные пики. Частотный интервал между ними рассчитывали по формуле:

f 0 = V L 2 d ,

где VL - скорость продольной акустической волны в алмазе в направлении [100], d - толщина алмазной пластинки. Расчет для VL=17540 м/с и d=430 мкм дает значение f0=20,395 МГц, что достаточно близко к измеренному значению 20,330 МГц (фиг.3).

Добротность резонатора в полосе частот 0,02-20 ГГц изменялась от 25500 до 2600, что соответствовало коэффициенту качества не менее 5·1013. Например, добротность пика, обозначенного маркером (фиг.3), составила значение Q=3325 на частоте fr=15,475 ГГц. Измерение добротности проводилось по методике, описанной в работах (С.Г. Алексеев, И.М. Котелянский, Г.Д. Мансфельд, Н.И. Ползикова, Ф.О. Сергеев, А.К. Абачев. Методика измерения добротности и затухания в составных акустических сверхвысокочастотных резонаторах. Радиотехника и радиоэлектроника, №8, том 52, год 2007, стр.1013-1017; С.Г. Алексеев, Г.Д. Мансфельд. Простой способ измерения добротности и затухания в акустических резонаторах. Радиотехника и радиоэлектроника, №1, том 53, год 2008, стр.122-126).

При использовании монокристаллов алмаза с кристаллографической ориентацией срезов (110) или (111) получали аналогичные результаты.

Таким образом, описание устройства и результаты его работы доказывают достижение заявленного технического результата - создание многочастотного резонатора на объемных акустических волнах со звукопроводом из ориентированного монокристалла алмаза, имеющего высокий коэффициент качества Q·f не хуже 5·1013 в широком частотном диапазоне 0,02÷20 ГГц.

1. Многочастотный резонатор на объемных акустических волнах, содержащий звукопровод и источник акустических колебаний, который включает в себя пьезоэлектрик, верхний и нижний металлические электроды, и при этом источник акустических колебаний размещен на одной из поверхностей звукопровода, отличающийся тем, что звукопровод выполнен из ориентированного монокристалла алмаза с кристаллографическими плоскостями срезов (100), или (110), или (111), соответствующих направлениям распространения чистых продольных мод.

2. Резонатор по п. 1, отличающийся тем, что звукопровод выполнен из искусственно выращенного монокристалла алмаза.

3. Резонатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пьезоэлектрика используют нитрид алюминия AlN.

4. Резонатор по п. 1, отличающийся тем, что нижний электрод выполняют из молибдена толщиной 100-200 нм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в усилителях мощности широкодиапазонных радиопередатчиков. Технический результат - обеспечение согласования во всем рабочем диапазоне частот радиопередатчика при одновременном упрощении процессов настройки.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в фильтрах гармоник усилителей мощности широкодиапазонных радиопередатчиков. Технический результат - обеспечение согласования фильтра гармоник во всем рабочем диапазоне частот радиопередатчика и повышение коэффициента передачи при одновременном снижении уровня гармонических составляющих передаваемого сигнала.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для обработки предварительно зарегистрированных однократных или редко повторяющихся нестационарных сигналов, сопровождаемых широкополосным стационарным процессом, например вибрационным.

Изобретение относится к устройствам акустоэлектроники, предназначенным для формирования кодированного информационного сигнала в системах радиочастотной идентификации объектов.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве входного устройства профессионального радиоприемника. Достигаемый технический результат - улучшение неравномерности АЧХ и увеличение коэффициента передачи в рабочей полосе частот при обеспечении необходимой режекции одной из заданных частот.

Полосовой перестраиваемый LC-фильтр относится к радиоэлектронике и может использоваться для частотной селекции сигналов в радиоприемных устройствах. Достигаемый технический результат - улучшение избирательности и расширение функциональных возможностей путем обеспечения возможности перестройки по частоте.

Изобретение относится к радиотехнике и акустоэлектронике и может быть использовано в устройствах измерительной техники и в радиосвязи. Достигаемый технический результат - повышение разрешающей способности частотно-избирательного устройства для обработки сигналов на ПАВ в процессе параллельной обработки сигналов различных частот.

Изобретение относится к области акустоэлектроники и может быть использовано в составе регулируемых устройств, а именно регулируемой ультразвуковой линии задержки в частотном диапазоне 10-1000 МГц с применением в различных радиоэлектронных системах обработки информации.

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться для беспроводной передачи энергии на средние расстояния. Достигаемый технический результат - повышение КПД в системах беспроводной передачи энергии.

Предлагаемое устройство относится к радиоэлектронике и может быть использовано в профессиональных радиоприемных устройствах. Достигаемый технический результат - улучшение электрических параметров фильтра: увеличение коэффициента прямоугольности АЧХ и затухания в полосе задерживания, расширение функциональных возможностей путем обеспечения возможности перестройки фильтра.

Изобретение относится к устройствам акустоэлектроники, в частности к отражательным линиям задержки, функционирующим на поверхностных акустических волнах. Техническим результатом предлагаемой конструкции ОЛЗ является увеличение амплитуды информационного сигнала и расширение ее функциональных возможностей. Технический результат достигается тем, что ОЛЗ содержит подложку из пьезоэлектрического материала, на поверхности которой выполнен входной преобразователь, состоящий из n встречно-штыревых преобразователей (ВШП), соединенных параллельно и расположенных на общей оси, имеющей наклон под углом α к линии расположения отражательных элементов, которые установлены по обеим сторонам входного преобразователя. При этом входной преобразователь установлен таким образом, что расстояния между крайними ВШП преобразователя и отражательными элементами, определяющие минимальные (максимальные) временные задержки, имеют равные значения и, кроме того, отражательные элементы, формирующие одинаковые временные задержки импульсов информационного сигнала, выполнены сфазированными относительно друг друга. 4 ил.
Наверх