DR. R Ö S N E R B É L A —DR. P Ü S P Ö K I ANDRÁSI ANDORNÉ MTA Műszaki Fizikai Kutató Intézet
SÁNDOR
Akusztikus felületi hullám szűrő struktúrák vizsgálata ETO:
M i n t ismeretes az i n t e g r á l t á r a m k ö r i t e c h n i k á b a n i n d u k t i v i t á s előállítására — a technológiai sajátsá gok folytán — csak igen r i t k á n kerülhet sor. K ö v e t kezésképpen az egyes á r a m k ö r ö k h ö z szükséges szűrő és késleltető elemeket vagy a k t í v áramkörökkel va lósítják meg, vagy kívülről c s a t l a k o z t a t j á k . Az akusztikus felületi h u l l á m o k ( A F H ) gerjesztési és terjedési tulajdonságainak felhasználása új lehetősé geket n y i t o t t meg az i n t e g r á l h a t ó szűrők, késleltető vonalak, és m á s funkcionális eszközök megvalósítása t e r é n [ 1 , 2]. A felületi h u l l á m o k ú n . inhomogén síkhullámok. A m p l i t ú d ó j u k a terjedési felület közelében m a x i m á l i s és exponenciálisan csökken a test belseje felé m u tató irányban [3]. Az A F H eszközök a l a p a n y a g a k é n t főleg piezo elektromos anyagok j ö h e t n e k számításba, mert eze ken a legegyszerűbb a felületi hullámok gerjesztése az ú n . interdigitális ( I D ) átalakítók segítségével. Jelen dolgozat piezokerámiákon k i a l a k í t o t t A F H sávszűrő s t r u k t ú r á k impedancia-viszonyainak és á t viteli tulajdonságainak kísérleti vizsgálatával foglal kozik. Nem t é r ü n k k i részletesén az A F H eszközök általános ismertetésére, mert az a kiterjedt nemzet közi irodalmon [4] kívül ezen folyóiratban is ismer tetésre került [5J. Tekintettel a minta készítési tech nológiai fontosságára a kísérleti eredmények ismer tetése előtt összefoglaljuk annak főbb lépéseit.
634.28:621.372.643.2
Ahhoz, hogy kis m é r e t e k n é l (magasabb frekven ciákon m ű k ö d ő eszközök) is megfelelő minőségű raj zolatot nyerjünk, az eljárás részleteit is megfelelően kellett módosítani. í g y olyan fotorezisztlakkot alkal maztunk, amelynek nedvesítési szöge nagy a k e r á m i a felületén. E k k o r a k i a l a k í t o t t „ l é p c s ő " m e n t é n a k i oldáskor felszakadó fémréteg egyenes, h a t á r o z o t t vonalat k é p e z — 1. á b r a . Erre igen alkalmasak a Shipley-cég pozitív fotolakkjai: az 1350 és az 1350 H . Szükséges t o v á b b á , hogy a fémréteg vastagsága lénye gesen kisebb legyen, m i n t a fotolakké. A fotolakk maximális v a s t a g s á g á t — annak fényabszorpciója
Fem
1. Szűrőstruktúrák készítési technológiája Az eszközök alapanyaga a F I M K ő b á n y a i Porce l á n g y á r által előállított piezoelektromos ólomcirkon á t - t i t a n á t (PZT) k e r á m i a . A z I D f é m e l e k t r ó d á k a t polírozott kerámiafelületre kell felvinni. Ehhez a szo kásos fotolitográfiás t e c h n i k á t k í v á n t u k alkalmazni. A fémelektródák m a r á s s a l t ö r t é n ő kialakítása a pórusos k e r á m i a felületen nem lehetséges a félvezető t e c h n i k á b a n szokásos m ó d o n . Fotolakkos fedésnél és kémiai m a r á s n á l ugyanis, a marószer a k e r á m i a ka pillárisaiba felszívódva, a fedett részeket belülről m e g t á m a d j a . E z é r t a fordított m ó d s z e r t alkalmaz t u k . A felületen megfelelő maszk segítségével fotorezisztlakkból k i a l a k í t o t t u k a k í v á n t á b r a n e g a t í v j á t . E z u t á n fémeztünk, majd a lakkot oldószerével eltávolítva megkaptuk az elektródarendszert.
Beérkezett: 1974. V I . 4. * Készült a 7211/3 sz. MFI—OMFB— F I M Kőbányai Por celángyár szerződés keretében. A „Mikroelektronikai Alkat rész Ankét"-on 1973. október 23-án elhangzott előadás bő vített anyaga.
1. ábra. A nedvesítési szög hatásának szemléltetése
m i a t t — a megvilágító fényforrás korlátozza. U V megvilágításnál a v a s t a g s á g k b . 5 [ím. K e d v e z ő eset ben a fémréteg nem vastagabb, m i n t ennek 10%-a. E z é r t elektromosan jól vezető fémet kellett válasz tani, hogy a réteg ohmos ellenállása (az átalakító soros ellenállása) ne legyen jelentékeny — alumíniu mot alkalmaztunk. A z Al-réteg alá k r ó m o t p á r o l o g t a t t u n k a k e r á m i a - és fémkötés j a v í t á s á r a . Ez az alu m í n i u m r é t e g mechanikai s a j á t s á g á t kedvezően be folyásolta. A réteg ridegebb lett, ami az alkalmazott technológia szempontjából előnyös. A kerámia-szem csék k ö z ö t t i üregek áthidalása így v á l t lehetségessé. Jelenleg a m é r e t e k csökkentésének a k e r á m i a po^ rozitása szab h a t á r t . E t t ő l eltekintve ez a módszer alkalmas a szokásos fotoreziszt t e c h n i k á v a l elérhető legkisebb m é r e t e k (2—3 [jt,m) előállítására, t e h á t n é h á n y 100 MHz-es á t a l a k í t ó k készítésére.
333
HÍRADÁSTECHNIKA
2. Interdigitális átalakító bemeneti nak vizsgálata
X X V . É V F . 11.
SZ.
admittanciájáX(Q)=B (cJ)+uC
Az I D á t a l a k í t ó k elektromos bemeneti admittanciáját először Smith és m u n k a t á r s a i [6] h a t á r o z t á k meg. S z á m í t á s u k b a n az I D á t a l a k í t ó t h a t p ó l u s n a k t e k i n t e t t é k , amelynek egy elektromos és k é t akusz tikus kapuja.van. A z a d m i t t a n c i á t arra az esetre szá m í t o t t á k k i , amikor az akusztikus kapuk h u l l á m ellenállással vannak lezárva ( p l . elnyelőközeg az akusztikus kapukon). Ennek a speciális esetnek a vizsgálata döntő fontosságú a szűrőrendszerek tulaj donságainak megismerésében. A z I D rendszer működésének általános matemati kai t á r g y a l á s a túlságosan bonyolult. A gyakorlati esetek többségében lehetőség van k é t közelítő modell a l k a l m a z á s á r a . A z ú n . keresztirányú t é r (crossed field) modell esetén az akusztikus hullám energiája jó közelítéssel a felületre merőleges elektromos t é r komponenshez kapcsolódik. A vonalirány (in-line) modellnél viszont az energia a felülettel p á r h u z a m o s t é r h e z csatolódik [6]. A terjedési felületre merőlegesen polarizált P Z T k e r á m i á k r a a keresztirányú térmodell érvényes. E r r ő l kísérletileg is m e g g y ő z ő d t ü n k . A rezonancia frekvencián m é r t sugárzási admittancia valós részét, a (6) összefüggésnek megfelelően, a r á n y o s n a k talál t u k az I D periódusok s z á m á n a k (N) négyzetével. Feladatul t ű z t ü k k i , a P Z T anyagon létrehozott I D á t a l a k í t ó a d m i t t a n c i á j á n a k kísérleti m e g h a t á r o z á s á t és az elmélettel t ö r t é n ő egybevetését. A P Z T k e r á m i á k o n k i a l a k í t h a t ó A F H eszközök közepes frek venciája, az anyag fizikai sajátságai k ö v e t k e z t é b e n , a n é h á n y M H z és néhányszor 10 M H z intervallumra korlátozódik. A z F M rádióvevő-készülékek k ö z é p frekvenciás szűrőinek modellezése céljából a vizsgált s z ú r ő s t r u k t ú r á k közepes frekvenciáját a 10,7 M H z k ö r n y é k é n v á l a s z t o t t u k meg. A z elektródarendszert és annak geometriai méreteit a 2. á b r a ismerteti. A bemeneti admittancia frekvenciafüggését nagy frekvenciás híddal m é r t ü k . A kompiex a d m i t t a n c i á t valós és képzetes részre bontva a 3. ábra szemlélteti. Az elmélet |6] és a kísérlet összevetése céljából a va lós és képzetes részeket az ekvivalens á r a m k ö r i mo dellnek — 4. á b r a — megfelelően t o v á b b részletezzük.
a
T
G(u)=G (o)+G (u) a
v
•2.
G (co) v
0
10
_i—i
i—L—J—j
i_
_i
10,5 11 Frekvencia [MHzJ
i
i
t_
115
\H314-RP3\
3. ábra. A bemeneti admittancia frekvenciafüggése
A bemeneti admittancia k é t részből tevődik össze: 1. akusztikus sugárzási admittancia; (1) 2. az átalakító veszteséges k a p a c i t á s á n a k admittanciája; Y =G (co)+fcoC 2
v
T
(2)
Alkalmazott jelölések; \2
(3) sin 2x—2x
B =G,
2^2
n
G
a
(4)
II
vm-vti 2. ábra. Homogén interdigitális átalakító. A = 190 j/,m, s = = 30 (jim, a = 2,6 mm, N = 28 0
334
4. ábra. Az I D átalakító elektromos helyettesítő képe
DR. R Ő S N E R B.—DR. PÜSPÖKI S.—ANDRÁSI A.-NÉ: A K U S Z T I K U S F E L Ü L E T I H U L L A M S Z Ű R Ő - S T R U K T Ú R A K
'
x=Nn
CO — (O
0
G = G (co=ft) ) a
a
0
VIZSGALATA
(5) = - K%) C ]V 0
(6)
2
S
C =NC
(7)
O> =2TI-T-
(8)
T
0
ahol G a dielektrikum veszteségét reprezentáló ekvi valens vezetőképesség, C egy I D periódus kapacitása, C az á t a l a k í t ó teljes k a p a c i t á s a , K a felületi h u l l á m elektromechanikai csatolási állandója, v a felületi h u l l á m terjedési sebessége. v
s
2
T
A [6]-ban megadott ekvivalens k é p e t szükséges volt G„-vel kiegészítenünk, mert az á l t a l u n k vizsgált anyagokban G értéke G mellett nem volt elhanya g o l h a t ó . G frekvenciafüggését — tekintettel a kes keny frekvenciasávra — lineárisnak v e t t ü k . K é t p o n t j á t a G (a>) függvény első zérushelyeinek ismere t é b e n h a t á r o z t u k meg. E l j á r á s u n k konzekvens v o l t á t a k e r á m i a depolarizációját (ekkor G =B =0) követő G frekvenciafüggésének mérésével igazoltuk. v
10,5 11. Frekvencia [MHz]
a
v
a
a
11$ \H3H~RPS\
6. ábra. Az akusztikus admittancia képzetes részének frekven ciafüggése (O kísérlet, — elmélet)
a
v
A kísérletileg m e g h a t á r o z o t t akusztikus sugárzási admittancia valós és képzetes részét az elméleti ered m é n y e k k e l e g y ü t t [(3) és (4) összefüggések] az 5. és 6. á b r á n szemléltetjük. Figyelembe véve az elméleti és kísérleti e r e d m é n y e k jó egyezését, m ó d u n k v o l t az alkalmazott piezoelektromos anyag csatolási állan dóját is m e g h a t á r o z n i . A (6) összefüggés a l a p j á n m e g h a t á r o z o t t K érték 6- 10~ -nak a d ó d o t t . 2
3
3. Sáváteresztő szürőstruktűrák átviteli függvényé nek vizsgálata A szűrők m ű k ö d é s i elve az I D rendszerek szelektív akuszto-elektromos á t a l a k í t á s á n alapul. A z á t a l a k í t ó elektro-akusztikus válasza akkor m a x i m á l i s , ha az elektromos j e l frekvenciájára teljesül a (8) egyenlet. Ebben az esetben egy kiszemelt elektródáról a j e l okozta deformáció fázishelyesen érkezik a k ö v e t k e z ő elektródához. A z á l t a l u n k vizsgált sáváteresztő szű rők elrendezési v á z l a t á t a 7. ábra szemlélteti. A rendszer rezonancia-frekvenciájára vonatkozta t o t t átviteli függvény: (co) I U (co )
r 2
Ha
CO—COr,
2
0
A(co)
=
-jM ) m
(9)
:1 és a kimenet közel terheletlen, akkor
[7, 8 ] : s
i
n
(
N
j
r
£i^)í (10)
A(co ) 0
Jelbe
10
10,5 11 Frekvencia [MHz]
•1Í5 \H31't-RP5\
5. ábra. Az akusztikus admittancia valós részének frekvencia függése (O kísérlet, — elmélet)
Jel ki
pír
+-
Árnyékolás 3
•+
\mn-spi\
7. ábra. Sáváteresztő szűrő elrendezés. A„= 190 |im, s = 30 u,m, a = 2,6 xnm, d = 13,5 mm, N = 28
335
HÍRADÁSTECHNIKA
X X V . É V F . 11.
sz.
Az előbbieken kívül vizsgáltuk az elektródapárok száma és a sávszélesség közötti kapcsolatot is. A kí sérleti adatok a (10) egyenletnek megfeleltek, azaz a sávszélességet iV-nel a r á n y o s n a k t a l á l t u k . Összefoglalás Ezen munka az M T A Műszaki Fizikai K u t a t ó I n tézetében folytatott A F H kísérletek egyik fázisát ismertette. Célunk v o l t : 1. az U R H sávszűrő modellezése; 2. a F I M K ő b á n y a i P o r c e l á n g y á r t ö m b h u l l á m ú célokra kifejlesztett P Z T k e r á m i a a l a p a n y a g á nak vizsgálata A F H eszközök szempontjából.
0
<10
-10,5 11 Frekvencia [MHz]
11,5 \nm-m\
8. ábra. A rezonancia-frekvenciára vonatkoztatott amplitúdókarakterisztika (0 kísérlet — elmélet)
és A
(p(co)-
, . , . (B (co) + cúC \ w(co)=cor + arc t g / ' a
T
A z eredmények szerint a k í v á n t szávszélesség — rezonanciafrekvencia viszony (1:50) homogén á t alakítókkal is elérhető (2. á b r a ) . A z a m p l i t ú d ó karak terisztikával kapcsolatos t o v á b b i k ö v e t e l m é n y e k e t (karakterisztika menete az átviteli sávban, csillapí t á s a zárósávban) csak inhomogén á t a l a k í t ó k k a l lehet kielégíteni. Inhomogén á t a l a k í t ó k n á l v á l t o z h a t az elektródapárok átfedése, periódusa vagy m i n d k e t t ő [9]. A hosszméret (cm nagyságrend) m i a t t ez a rend szer integrálásra nem alkalmas, ugyanakkor az alap anyag ára, a technológia egyszerűsége lehetővé teszi ilyen típusú szűrők felhasználását. A hazai k e r á m i a alkalmasnak bizonyult felület hullámú kísérletekre. Az eszközszintű felhasználás hoz azonban szükséges az A F H csatolási állandó n ö velése és a kerámia porozitásának csökkentése.
<) n
r
ahol x—djv futási idő. A (10) egyenletnek megfelelő és a kísérletileg meg h a t á r o z o t t a m p l i t ú d ó - k a r a k t e r i s z t i k á t a 8. á b r á n ha sonlít uk össze. A z átvitel első mellék m a x i m u m a i n á l a relatív csillapítás (rezonanciafrekvenciára vonat koztatva) nagyobb, mint az elméletből v á r h a t ó 26 d B . A m é r é s t szélesebb frekvenciaintervallumra (4— 24 M H z ) végeztük el. Az első zérushelyeken ( / ± ± 0 , 4 M H z ) kívüleső t a r t o m á n y b a n ismeretlen ere detű h u l l á m z á s t tapasztaltunk az átvitelben. A rela t í v csillapítás minimális értéke — a lokális m a x i m u mok helyein is — meghaladta a 25 dB-t. 0
Az eddigiek során a relatív csillapítással foglalkoz t u n k . K ü l ö n k i kell t é r n ü n k a rendszer abszolút csil l a p í t á s á r a , mely a rezonanciafrekvencián is külön bözik a zérustól. Az abszolút csillapítás k é t részből t e v ő d i k össze: az elektro-akusztikus általakítási és a hullámterjedési veszteségekből. A rezonancia frek v e n c i á n m é r t abszolút csillapítás 20 d B . A (11) egyenletnek megfelelő és a kísérletileg meg h a t á r o z o t t f á z i s k a r a k t e r i s z t i k á t a 9. á b r á n hasonlít j u k össze. Tekintettel a m é r é s p o n t o s s á g á r a (a m é rést oszcilloszkóppal v é g e z t ü k ) , valamint, hogy ese t ü n k b e n a (11) függvény a lineáristól csak kevéssé eltérő fáziskarakterisztikát ad, a függvényt a függ v é n y é r t é k e k e t h a t á r o l ó egyenesekkel helyettesítet tük.
336
40,5
40,6 40,7 4Q8 Frekvencia [MHz] W31A-RP9\
9. ábra. A rezonancia-frekvenciára vonatkoztatott fáziskarak terisztika (O kísérlet — elmélet)
DR.
R Ő S N E R B.—DR. PÜSPÖKI S.—ANDRÁSI A.-NÉ: A K U S Z T I K U S F E L Ü L E T I H U L L Á M S Z Ű R Ő - S T R U K T Ú R Á K
A P Z T anyagon k í v ü l k í s é r l e t e k e t v é g e z t ü n k l í t i u m n i o b á t ( L i N b 0 ) és kadmiumszulfid (GdS) egység k r i s t á l y o k o n is. U t ó b b i a k — fizikai s a j á t s á g a i k foly t á n — költséges előállítási á r u k ellenére is egyre na gyobb szerepet kapnak a felülethullámú t e c h n i k á b a n . 3
Köszönetnyilvánítás K ö s z ö n e t ü n k e t fejezzük k i Pozsonyi J á n o s főmun k a t á r s n a k ( K ő b á n y a i P o r c e l á n g y á r ) a megfelelő m i n t á k rendelkezésre b o c s á t á s á é r t . Szedlacsek Z o l t á n n a k a kísérleti vizsgálatok s o r á n kifejtett hasznos közre m ű k ö d é s é é r t , Lovicska L á s z l ó n é n a k a fotolitográfiás t e c h n i k á b a n n y ú j t o t t gondos m u n k á j á é r t . IRODALOM [1] R. M. White: Surfaee Elastic Waves, Proc. I E E E Vol. 58. No. 8. 1970.
VIZSGÁLATA
[2] J. H. Collins, P. J. Hagon: Surfaee Wave Delay Lines Promise Filters for Radar, Fiat Tubes for Television, and Faster Computers, Electronics Vol. 43. No. 2. 1970. [3] G. W. Famell: Properties of Elastic Surfaee Waves. Physical Acoustics Vol. 6. E d . by W. P. Mason and R. M. Thurston, Academic Press, New York, London 1970. [4] Special Issue on Microwave Acoustic Signal Processing. I E E E Transactions on Sonics and Ultrasonics, Vol. SU—20, No. 2. [5] Nagy János: Mikrohullámú Akusztika. Híradástechnika 26. köt. 12. sz. 1973. [6] W. R. Smith et al.: Analysis of Interdigital Surfaee Wave Transducer by Use of an Equivalent Circuit Model. I E E E Transactions on Microwave Theory and Techniques Vol. MTT—17. No. 11. 1969. [7] J. DeVries et al.: Characteristics of Surfaee Wave Integratable Filters (SWIFS). I E E E Transactions Broadcast and Television Receivers, Vol. BTR—17. No. 1. 1971. [8] A [6]-ban ismertetett modell alapján számított nem közölt eredmény. [9] R. H. Tancrell, M. G. Holland: Acoustic Surfaee Wave Filters. Proc. I E E E Vol. 59. No. 3. 1971.
