Материалы для акустоэлектронных устройств: Учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ!ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

О. Л. Балышева

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Учебное пособие

Санкт!Петербург 2005 1

УДК 621.372(075) ББК 32.87я73 Б21 Балышева, О. Л. Б21 Материалы для акустоэлектронных устройств: учеб. пособие / О. Л. Балышева; ГУАП. СПб., 2005. 50 с.: ил.

Рассмотрены типы и характеристики материалов для акустоэлектрон! ных устройств. Приведены основные требования, определяющие выбор материала при проектировании; перечислены основные параметры мате! риалов и показана их связь с техническими характеристиками реализуе! мых устройств. Проведен сравнительный анализ материалов, используемых в современных устройствах. Пособие предназначено для студентов, изучающих курсы «Акустоэлек! тронные устройства», «Элементы акустоэлектронных устройств», «Про! ектирование акустоэлектронных устройств», «Интегральные устройства радиоэлектроники», а также курсового и дипломного проектирования.

Рецензенты: кафедра теоретических основ радиотехники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (зав. кафедры доктор технических наук профессор В. Н. Ушаков); кандидат технических наук доцент Б. Н. Пирогов (ген. директор ЗАО «РОСИЗОЛИТ»)

Утверждено редакционно!издательским советом университета в качестве учебного пособия

© ГОУ ВПО «Санкт!Петербургский государственный универ! ситет аэрокосмического приборостроения», 2005

2

Ñïèñîê ñîêðàùåíèé АЭУ ВШП ЛЧМ КННБ КЭМС ТКЗ ТКС ТКЧ ОС ПАВ ЦТС

-

акустоэлектронное устройство встречно!штыревой преобразователь линейная частотная модуляция калий!натрий!ниобат коэффициент электромеханической связи температурный коэффициент задержки температурный коэффициент скорости температурный коэффициент частоты отражательная структура поверхностная акустическая волна цирконат!титанат свинца

3

ВВЕДЕНИЕ В настоящее время акустоэлектроника является одним из ак! тивно развивающихся направлений функциональной электрони! ки. В основе работы устройств функциональной электроники ле! жат физические явления в различных средах. Акустоэлектроника изучает вопросы, связанные с возбуждением, распространением и приемом акустических волн в твердых телах, а также принципы построения устройств для обработки информации. Исходя из типа используемых акустических волн, различают устройства на объем! ных, поверхностных и приповерхностных акустических волнах. Наибольшее распространение для обработки сигналов имеют по! верхностные акустические волны (ПАВ). ПАВ существуют на по! верхности твердого тела, их энергия сосредоточена в тонком, срав! нимом с длиной волны, слое поверхности. Устройства на ПАВ занимают одну из ключевых позиций в оборудовании современных радиотехнических систем. Чрезвычайно широкое распространение они получили в последние годы в теле! коммуникационных системах, в частности в системах мобильной сотовой связи. Потребность в устройствах на ПАВ обусловлена такими их преимуществами, как: широкая номенклатура опера! ций по обработке сигналов, реализация заданных технических характеристик с высокой точностью, очень малый вес и габариты, отсутствие энергопотребления, высокая надежность и стабильность параметров в процессе эксплуатации, хорошая повторяемость ха! рактеристик, совместимость технологии изготовления с техноло! гией изготовления микросхем и микросборок. К недостаткам уст! ройств на ПАВ можно отнести достаточно высокую стоимость изготовления, жесткие требования к технологии изготовления и относительно высокие вносимые потери. С учетом современного уровня технологии изготовления микроэлектронной аппаратуры и массового производства акустоэлектронных компонентов (их еже! годный выпуск составляет сотни миллионов штук) стоимость из! готовления постоянно снижается. Для уменьшения вносимых по! терь существуют и постоянно разрабатываются новые специаль! ные конструкции устройств, поэтому этот недостаток также мо! жет быть преодолен. Отмеченные недостатки несоизмеримы с до! стоинствами устройств на ПАВ и их применение - часто наиболее выгодный, а иногда и единственно возможный способ реализации заданных технических характеристик. 4

Рабочий диапазон частот устройств на ПАВ составляет от 3–10 МГц до 3ГГц, а значение относительной ширины полосы пропус! кания 0,01–100%. Используя последние достижения технологии и специально разработанные конструктивные решения, удалось поднять верхнюю границу частотного диапазона до 5 ГГц и выше. Особенностью ПАВ!устройств является совмещение функций преобразования электрической энергии в акустическую (и обрат! но) и различных изменений ПАВ в одном конструктивном эле! менте – подложке. В качестве среды распространения волн ис! пользуются пьезоэлектрические твердые тела, т. е. среды, в кото! рых возможен пьезоэлектрический эффект. Поэтому важным эта! пом проектирования акустоэлектронных устройств является вы! бор пьезоэлектрического материала. Этот этап очень важен, так как от свойств среды зависят характеристики распространяющих! ся в ней акустических волн и, следовательно, технические харак! теристики устройств. Пьезоэлектрические материалы, используемые для акустоэлек! тронных устройств, можно разделить на три группы [1]: синтети! ческие монокристаллы, пьезоэлектрические керамические мате! риалы, тонкие моно! или поликристаллические пленки. Для монокристаллов характерно высокое постоянство всех ма! териальных констант, обусловленное совершенной кристалличе! ской структурой. Монокристаллы очень мало подвержены эффек! там старения. Однако монокристаллы дорогие и имеют неболь! шие размеры. Пьезоэлектрические керамические материалы имеют поликри! сталлическую структуру, образованную хаотически ориентирован! ными кристаллитами. Материальные константы пьезокерамики обладают значительной дисперсией, а пьезоэлектрические свой! ства проявляются только после поляризации за счет упорядочива! ния структуры материала. Со временем возможно проявление де! поляризационных процессов, приводящих к изменениям пьезоэ! лектрических и других свойств. Пьезокерамика значительно боль! ше, по сравнению с монокристаллами, подвержена эффектам ста! рения. Достоинствами пьезокерамики служит меньшая стоимость и большие размеры подложек. Компромиссное положение между достоинствами и недостат! ками монокристаллов и пьезокерамики занимают так называе! мые слоистые структуры, обычно представляющие собой тонкие пленки, нанесенные на поверхность подложки. Тонкие моно! или поликристаллические пьезоэлектрические пленки могут наносить! 5

ся на пьезоэлектрическую или непьезоэлектрическую подложку. Структура пленок, их физические свойства и стабильность пара! метров связаны с технологией получения пленок. Несмотря на возможность управления параметрами акустических волн в та! ких структурах, акустоэлектронные устройства (АЭУ) с примене! нием пленок не получили широкого распространения. Это связа! но, прежде всего, с трудностями теоретического исследования рас! пространения волн в слоистых средах и технологическими слож! ностями при изготовлении устройств. В данном пособии сделана попытка обобщить основные сведе! ния о пьезоэлектрических материалах, перечислить их основные характеристики с точки зрения применения их в АЭУ. Отмечена взаимосвязь параметров материалов и технических характерис! тик реализуемых устройств. Выполнен обзор материалов, приме! няемых в АЭУ в настоящее время. Особое внимание уделено ак! тивно исследуемым в последнее время перспективным кварцепо! добным кристаллам (таким, как лангасит, ланганит, лангатат и др.). 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АЭУ Акустоэлектронные устройства состоят из пьезоэлектрической подложки (звукопровода) с нанесенными на ее поверхность ме! таллическими электродами и другими элементами [1-4] (рис. 1). Устройства изготавливаются по планарной технологии, металли! ческие структуры наносятся на поверхность подложки с помо! щью методов фотолитографии [2, 3]. Готовые устройства запако! вываются в корпуса и размещаются на печатной плате с помощью стандартной технологии монтажа интегральных схем. Входной преобразователь

Выходной преобразователь

Вход ПАВ

Пьезоэлектрическая подложка

Выход

Акустический поглотитель

Рис. 1. Акустоэлектронное устройство

6

Функционирование ПАВ!устройств основано на явлениях воз! буждения, распространения, отражения и приема акустических волн, существующих в тонком (соизмеримом с длиной волны) слое поверхности звукопровода. Характеристики устройства определя! ются физическими параметрами материала подложки и располо! женными на поверхности подложки элементами, образующими то! пологию. Поэтому для разработки нового устройства, прежде всего, необходимо выбрать материал подложки и рассчитать топологию. Основными элементами устройств на ПАВ являются подложка и топологические элементы: преобразователи ПАВ; отражатель! ные структуры (ОС); многополосковые ответвители (МПО); акус! тические поглотители. Подложка устройства является одновременно и звукопроводом, и частью преобразователей ПАВ, и несущим элементом конструк! ции. Выбор материала подложки осуществляется на одном из пер! вых этапов проектирования устройств на ПАВ. В качестве под! ложки устройств на ПАВ могут использоваться различные срезы монокристаллов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом, пье! зокерамика и тонкопленочные структуры. Преобразователи ПАВ выполняют функцию возбуждения и при! ема акустических волн, т. е. обеспечивают преобразование элект! рической энергии в акустическую и обратно за счет обратного и прямого пьезоэлектрического эффекта. Преобразователь ПАВ пред! ставляет собой систему расположенных на подложке металличес! ких электродов. Расстояние между электродами выбирается исхо! дя из длины возбуждаемой или принимаемой преобразователем акустической волны. Электроды определенным образом подклю! чаются к возбуждающему генератору (во входном преобразователе) или к нагрузке (в выходном преобразователе). В АЭУ, изображен! ном на рис. 1, в качестве входного и выходного преобразователей используются двухфазные эквидистантные (с равномерным ша! гом электродов) встречно!штыревые преобразователи (ВШП). Отражательные структуры предназначены для отражения и пре! ломления волн и часто используются для изменения траектории распространения волн. Отражателями ПАВ служат любые неров! ности и неоднородности поверхности подложки. Контролируемое отражение волн обеспечивается применением систем простран! ственно распределенных отражателей, расстояние между которы! ми согласовано с длиной акустических волн. Наибольшее распро! странение получили отражатели в виде металлических электро! дов или канавок. 7

Многополосковые ответвители обеспечивают смещение и раз! деление акустических потоков. Акустические поглотители обес! печивают гашение волн, чаще всего на границах подложки. 2. ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ ПОДЛОЖЕК АЭУ Требования к материалам подложек можно разделить на об! щие (как к несущему элементу конструкции) и на требования, предъявляемые исходя из физического принципа действия. Среди общих требований можно выделить следующие. Подлож! ка должна быть механически прочной и сохранять свои свойства в широком диапазоне изменения температуры, влажности, вибра! ции и т. п. Учитывая технологию изготовления ПАВ!устройств, материал подложки, во!первых, должен допускать возможности его механической обработки (резки на пластины, шлифовки, по! лировки); во!вторых, должен быть химически нейтральным к ре! активам, используемым в процессе изготовления металлических электродных структур. Кроме того, важным (особенно с точки зрения массового изготовления устройств) является свойство по! вторяемости характеристик материалов от образца к образцу и отработанная технология получения подложек больших размеров. Как среда распространения волн материал должен быть одно! родным, с малым поглощением акустических волн (что особенно важно при работе на высоких частотах), являться эффективным пьезоэлектриком и иметь малую диэлекрическую проницаемость, а также обеспечивать термостабильную работу устройства. Тол! щина подложки должна быть много больше длины волны, поэто! му на низких частотах (менее 3 МГц) резко возрастают габариты и стоимость требуемых подложек [5]. Очевидно, что список требований достаточно велик и подо! брать материалы, удовлетворяющие всем требованиям, практи! чески невозможно. Как обычно, в таком случае выбор осуществля! ется исходя из некоторого компромисса. 3. ОБОЗНАЧЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ И ИХ СРЕЗОВ Поскольку пьезоэлектрические материалы, обычно применяе! мые в качестве подложек АЭУ, существенно анизотропны, то не! обходимо указывать не только сам материал, но и выбранный срез и направление распространения акустических волн. В отличие от изотропных материалов, в анизотропных существует зависимость свойств среды от направления. В АЭУ чаще используются различ! ные синтетические монокристаллы. Характеристики распростра! 8

нения волн зависят не только от вида кристалла, но и от выбран! ного кристаллографического среза (т. е. ориентации плоскости, в которой распространяется волна, по отношению к граням крис! талла) и направления распространения волн. В литературе можно встретить несколько способов обозначе! ния срезов кристаллов и направления распространения волн и возможны некоторые трудности с идентификацией материалов. Поэтому целесообразно рассмотреть возможные обозначения. Для обозначения срезов монокристаллов применяется система декартовых координат, привязанная к идеализированным крис! таллам [1]. В самом простом случае срез (называемый стандарт ным) может совпадать с плоскостью, определяемой двумя осями координат, и может быть задан с помощью одной буквы X, Y или Z (например, Y!срез – это срез, выполненный в плоскости XZ, нор! маль к которой совпадает с осью Y). Направление распростране! ния волн может указываться отдельно. В общем случае могут ис! пользоваться так называемые повернутые срезы. Для обозначе! ния нестандартных срезов может указываться только один угол поворота относительно одной из кристаллографических осей [6]. Например, повернутый на угол 128° Y!срез ниобата лития с на! правлением распространения волны вдоль оси X часто обознача! ется как 128° YX!LiNbO3. Это значит, что срез выполнен в плоско! сти, повернутой на 128° относительно стандартногоY!среза вок! руг оси X. Повернутый на 112° X!срез танталата лития обознача! ется часто как X 112° Y LiTaO 3 – это означает, что выбранное направление распространения волн в X!срезе повернуто вокруг оси X на угол 112°, отсчитанный от оси Y. Универсальным способом задания среза монокристалла и на! правления распространения волны является применение так на! зываемых углов Эйлера (F, Y, q) [6–8]. На рис. 2, а, б изображена правая система координат (X, Y, Z) для определения углов Эйлера и пластина, вырезанная в плоскости XY. Нормаль к пластине совпадает с осью Z. Пусть волна распространяется вдоль направ! ления N. На рис. 2, а волна распространяется в плоскости XY в направлении, совпадающем с осью X¢. Первый угол Эйлера – F определяет угол между осью X и направлением распространения волны N. В этом случае срез обозначается как (F, 0, 0°) и называ! ется неповернутым или стандартным срезом. Если срез выполнен в плоскости X¢Y¢, нормаль к которой (Z¢) имеет угол и к оси Z (рис. 2, б), то говорят о повернутом срезе. При этом если волна по! прежнему распространяется вдоль оси X¢, то срез обозначается 9

а)

Z

Y

X

X ¢(N)

Ф

б)

Y¢ Z

Z¢

q

N

y X

Ф

X¢

Рис. 2. К определению углов Эйлера

10

Y

как (F, 0°, q), при этом угол Y = 0°. Если волна распространяется в плоскости X¢Y¢ в направлении N, образующем угол Y с осью X¢, то срез обозначается тремя углами Эйлера (F, Y, q) и называется двухповоротным срезом [17]. Так, например, широко используе! мый YZ!срез LiNbO3 (или по!другому – Y!срез) с распространением волны вдоль оси Z обозначается с помощью углов Эйлера как (0, 90, 90°) (рис. 3), а срез ниобата лития 128°!YX имеет обозначение (0;90;128°). Соответственно пластины стандартных срезов с про! извольным направлением распространения волны в плоскости пластин будут иметь следующие обозначения через углы Эйлера: Z!срез (F, 0, 0°), Y!срез (0°, Y, 0°), X!срез (90°, Y, 90°). Углы F и q задаются на стадии изготовления подложки, от точности их задания зависят характеристики устройства и его стоимость. В нашей стране для идентификации подложек из монокрис! таллов в виде прямоугольных пластин используется еще одно ус! ловное обозначение [9]. Вводится понятие «первоначальная ори! ентация кристаллического элемента». За первоначальную ориен! тацию принято такое расположение прямоугольной пластины мо! нокристалла, при котором все ее грани (ребра) параллельны коор! динатным осям.

Z Направление распространения

YZ!LiNbO3 (0;90;90°)

Ф = 0°

y = 90 ° Y

q = 90° X

Рис. 3. XY0срез ниобата лития

11

а) XY!срез

б) XZ!срез

s

Z

Z

s

l Y

Y

b l

X

b

X

г) YXl/+ b°

в) YX!срез Z

Z

b

b

Y

Y

l X X

s

Рис. 4. Первоначальные ориентации кристаллических прямоугольных пластин XY0среза (а), XZ0среза (б), YX0среза (в) и повернутый срез YXl/+b° (г)

Условное обозначение первоначальной ориентации состоит из двух букв, соответствующих обозначениям осей, при этом первая буква соответствует той оси, параллельно которой расположена толщина пластины (s), вторая – параллельно которой расположе! на длина пластины (l). За толщину пластины принимают ее наи! меньший размер, за длину – наибольший. В качестве примера на рис. 4, а, б, в приведены три из шести возможных (XY, YZ!, ZY, XZ!, YX, ZX!срез) первоначальных ориентации пластин. Любая ориентация среза монокристалла может совпадать с его первона! 12

чальной ориентацией или может быть получена из нее путем по! воротов вокруг ребер пластины. Повернутые срезы обозначаются введением дополнительных букв (l, b, s), указывающих ребро пла! стины, относительно которой осуществляется поворот, и цифр, обозначающих угол поворота (угол отсчитывается против часовой стрелки, если смотреть на ребро с положительного направления оси) (рис. 4, г) [9]. Например, срез кварца YXl/+41° получен пу! тем одного поворота пластины YX!среза вокруг оси, совпадающей с длиной пластины, на угол +41°. 4. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ СВЯЗЬ С ХАРАКТЕРИСТИКАМИ АЭУ 4.1. Скорость ПАВ Скорость ПАВ в материале – один из параметров, определяю! щий основные технические характеристики устройств, в частно! сти рабочие частоты. Со скоростью ПАВ связаны габаритные раз! меры устройств. Фазовая скорость ПАВ зависит от плотности материала, его упру! гих и пьезоэлектрических свойств и от состояния поверхности (нали! чия шероховатостей, микротрещин и других неровностей) [5, 10]. Для эффективного возбуждения и отражения ПАВ пространственный шаг топологических элементов должен быть равен длине акустической вол! ны (рис. 5). Так, например, расстояние между электродами одинаковой фазы в двухфазных ВШП с одиночными электродами (рис. 5, а) и пара! ми однофазных электродов в ВШП с двойными (или расщепленными) электродами (рис. 5, б) V , (1) f0 где l0 – длина акустической волны на рабочей частоте; f0 – рабочая час! тота; V – скорость ПАВ. Расстояние между соседними элементами ОС также совпадает с длиной волны (рис. 5, в, г). Чем выше рабочая частота (т. е. меньше длина волны при за! данной скорости), тем меньший шаг имеют элементы топологии. Поэтому верхняя граница рабочих частот определяется техноло! гическими возможностями достижения максимального разреше! ния при изготовлении устройств. Таким образом, с точки зрения повышения рабочих частот предпочтительнее материалы с боль! шими значениями скоростей. l0 = l0 =

13

а)

d = l0/4

б)

d = l0/8

H

H

a = l0/4 l0 = l0 = V/f 0

в)

a = l0/8

l0 = l0 = V/f 0

г)

ПАВ ПАВ lОС = l0

l ОС = l0

Рис. 5. Фрагменты топологий двухфазного ВШП ПАВ с одиночными электродами (а), ВШП с двойными электродами (б), ОС с отражением ПАВ на 180°(в) и ОС с отражением на 90° (г)

Линейные размеры устройств также связаны с длиной волны и на практике составляют величину порядка 100 длин волн. Поэто! му для низкочастотных устройств на ПАВ (на частотах менее 10–100 МГц) целесообразно выбирать материалы с небольшой ско! ростью распространения (менее 1000–2000 м/с). Фазовые скорости ПАВ на свободной V и металлизированной поверхности V м отличаются друг от друга (V м < V). Уменьшение скорости на металлизированной поверхности вызвано закорачи! ванием электрической составляющей поля и приводит к измене! нию характеристик акустической волны. Фазовая скорость ПАВ в тонких (h/l0 0 дифракционные потери больше, чем в изотропной среде, при g < 0 потери меньше, чем в изотропной среде. Если g = –1, в анизотропной среде наблюдается автоколлимация, при которой расширение акустического пучка минимальное или от! сутствует. С точки зрения дифракционных эффектов идеальным является материал со значением g, близким к –1 [5, 6]. В табл. 2 приведены значения параметра анизотропии g для некоторых материалов. 26

Кроме расширения акустического пучка изменяются и профи! ли интенсивности акустических волн по мере удаления от излуча! теля (рис. 12). По аналогии с классической оптикой можно ввести безразмерный параметр – параметр Френеля [7]

F2

41D H2

,

(22)

где l – 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, энергия которого сосредоточена в полосе, «освещаемой» аперту! рой преобразователя. Значение F > 1 соответствует зоне Фраунго! фера (или дальней зоне), в которой акустический луч «развалива! ется». Очевидно, что для того чтобы вся акустическая энергия, излученная входным преобразователем, была принята выходным, преобразователи должны быть расположены в ближней зоне друг относительно друга. Таблица 2 Значения параметра анизотропии g и угла отклонения потока энергии j для некоторых материалов

1

2,1

YZ!LiNbO 3

1 1,08

0

41,5 1X!LiNbO 3

1 0,45

0

YZ!LiTaO 3

1 0,211

0

SiO 2 (0;132 145 ';0 1)

0,378

0

1 0,956

1 1,26

AlPO 4 (90;90;80,4 1)

0,901

0

AlPO 4 (90;90;175,2 1)

0,331

1 9,6

Bi12GeO 20 (001), [100]

1 0,304

0

1 0,9

1 6,9

Материал и срез

SiO 2 (0;47,7;23 1)

La 3Ga5.5Nb 0.5O 14 (10;150;37 1)

27

Для уменьшения дифракционных искажений применяются спе! циальные меры, среди которых использование специальных мето! дов взвешивания преобразователей и применение фокусирующих преобразователей [3]. Существуют так называемые срезы материалов с минимальной дифракцией. Примерами таких срезов являются YZ!срез ниобата лития, срез берлинита (76,8;90;11,5°), срезы танталата лития 77,1°Y [14], (0;176,1;90°) и (0;6,38;90°) [8].

Нормаль к пластине Кристаллографическая ось

j

Поток энергии Профили ПАВ

Направление распространения

y

Кристаллографическая ось

Рис. 12. Схематическое представление профилей ПАВ, распространяющихся по монокристаллической подложке

28

4.7. Угол отклонения потока энергии Если направление распространения акустической волны в мо! нокристалле не совпадает с так называемым направлением чис! той моды (угловое положение которой задается углом y0), то име! ет место отклонение потока энергии от направления распростра! нения на угол j (рис. 12). Для направления чистой моды j = 0 и отклонение потока энергии отсутствует. Для угла j справедливо следующее соотношение:

1 2 3 14 5 4 1 2 ,

(23)

где g – параметр анизотропии; y – угол, определяющий направ! ление распространения волны (фазового фронта волны). При от! клонении потока энергии положение выходного преобразователя необходимо скорректировать, что, естественно, приводит к удоро! жанию устройства. К отличию угла j от нуля может привести и разориентация углового положения подложки в процессе изготов! ления. Желательно выбирать материалы, у которых j = 0, однако на прак! тике в условиях компромисса между требованиями к различным пара! метрам материалов это требование не является определяющим. Важно подчеркнуть, что отклонением потока энергии можно управлять за счет изменения положения преобразователей относительно друг друга, и соответствующие потери могут быть устранены на этапе проектирова! ния или изготовления АЭУ. Потери, вызванные отклонением потока энергии, также вносят вклад в общие потери устройства. Эти потери существенно зависят от применяемого среза монокристалла и могут достигать 2–6 дБ [3]. Значения угла j для некоторых материалов приведены в табл. 2. 5. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АЭУ Основные параметры некоторых материалов для акустоэлект! ронных устройств приведены в табл. 3. Среди всех материалов для массового производства АЭУ про! должают лидировать кристаллы кварца (SiO 2 ), ниобата лития (LiNbO3) и танталата лития (LiTaO3). a0кварц (двуокись кремния) – как природный, так и синтетичес! кий монокристалл, механически прочный (твердость равна 7 по шкале Мооса), плотность равна 2,65 г/см3, температура плавления – 1750 °С. При температуре 573 °С a!кварц (низкотемпературный кварц) пре!

29

30

Химическая формула

SiO2

LiNbO3

Мате! риал

Kварц

Нио! бат лития

3285 3159 3488

22,4; 124,3; –151) YX YZ

3999 3503 4000 4220 3329

ZXl/–411302

YZb/–161302

41,51X

361–YX ZY

3980

5094

371–Y

1281–YX

3158

YXl/421452 (01;1321452;01)

1,18

6,6

5,54

5,36

5,54

5,3

4,5

0,19

0,26

0,1

0,11

69

30

72

96

72

75

94

–24

0

0

0

–52

–88

–57

–87

38

0

Ориентация Kвад! Cкорость ТKЗ ТKС пластины и рат ПАВ, направление KЭМС, 110–6/ 1 C 110–6/ 1 C V, м/с распространения k2, %

0,23

0,3

0,21

0,3

0,19

0,45

0,47

? м, дБ/мкс

0,77

0,75

0,94

0,75

0,88

2,15

2,62

? м, дБ/мкс

Kоэффициент поглощения

Îñíîâíûå ïàðàìåòðû íåêîòîðûõ ìàòåðèàëîâ, ïðèìåíÿåìûõ äëÿ ïîäëîæåê ÀÝÓ

Таблица 3

31

LiTaO3

Bi12GeO20

La3Ga5SiO14

Тан! талат лития

Герма! нат висму! та

Лан! гасит

Лан! La3Ga5.5Nb0.5O14 ганит

Лан! La3Ga5.5Ta0.5O14 гатат

Химическая формула

Мате! риал

3148 3254

YX

77,11–YZ

2292

XZ

(30;90;901)

–19

0,589 –40,6

0,44

0,44

2376

0,172 –45,5

2210,6 0,423 64,5*

2740

(0;138,5;26,61)

(0;2;901)

2535

(90;40;–61)

2736,7 0,37 –0,067

(0;140;241)

115

115

35

49

35

–

1708

1,69

1,36

0,72

0,075

0,66

0,72

(111), [110]

1681

3230

YZ

(001), [100]

3295

ZYs/1121

–123

–33

–31

–18

Ориентация Kвад! Cкорость ТKС ТKЗ пластины и рат ПАВ, направление KЭМС, 110–6/ 1 C 110–6/ 1 C V, м/с распространения k2, %

0,19

0,19

0,20

–

2,8

1,45

1,45

0,94

–

? м , дБ/мкс ? м , дБ/мкс

Kоэффициент поглощения

Продолжение табл. 3

32

AlPO4

GaAs

Li2B4O7

GaPO4

**

**

**

**

Бер! линит

Арсе! нид галлия

Тетра! борат лития

Орто! фос! фат галлия

SNGS

STGS

CTGS

CNGS

(0;0;901)

(0;0;901)

(0;0;901)

0,3

0,3

0,5

1,2

1,0

0,016

0

0*

9

35

0

0

0

2906,2 0,261 –52,0*

2771,6 0,362 –37,1*

2733,1 0,562 –73,1*

2835,8 0,628 –98,9*

2342

(0;54,5;01)

(0;0;901)

2501

2330

(0;110;01)

(90;5;01)

3510

3391

2822

(90;90;901)

451YZ

(110), [100]

0,49

0,22

0,63