Оптимизация параметров электроакустических поверхностных волн путем выбора ориентаций и архитектур пьезокристаллических сред

• Автор: Двоешерстов, Михаил Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 174 с. : ил

Содержание

Введение

1. Глава I. Акустические волны в пьезокристаллах, методы чис-

ленного анализа их свойств, результаты вычислении

1.1. Типы и свойства пьезокристаллов, применяемых в акустоэлектро-

1.2. Типы электроакустических поверхностных волн (ЭАПВ)

1.3. Основные уравнения, методы их решений

1.3.1. Селекция корней характеристического уравнения

1.3.2. Некоторые особенности при поиске решениірдля ПАВ
1.3.3. Поиск областей существования ВПАВ в пьезокристаллах
1.4. Процедуры поиска решений для ЭАПВ и расчет их основных характеристик
1.5. Алгоритм поиска оптимальных ориентаций для ПАВ в пьезокристаллах
1.6. Результаты численного анализа параметров ПАВ в пьезокристаллах различного типа
1.6.1. Анализ термостабшльных ориентаций в кристаллах ТС5, ТС/У,

1.6.2. Анализ параметров ПАВ в пьезокристаллах ЗіОі, ТШЬОз, ЫТаОз, Ы2В4О
1.7. Трансформация мод ПАВ в пьезокристаллах КМЮз и РКТ4 ^
1.8. Вытекающие поверхностные волны в пьезокристаллах
1.9. Экспериментальные измерения температурных характеристик ПАВ
' о /
2. Глава II. Свойства поверхностных и вытекающих поверхност-

ных акустических волн в системе: пленка-пьезосреда
2.1. Основные уравнения
2.2. Влияние начальных внутренних напряжений на характеристики ЭАПВ, распространяющейся в слоистой структуре
2.3. Термокомпенсация ПАВ в пьезокристаллах с помощью пленок ^ ^
2.3.1. Температурные свойства ПАВ в системе: металлическая пленка

-.пьезокристалл УХ-среза кварца в широком интервале температур
2.3.2. Термокомпенсация ПАВ в кристаллах ЬСБ, ТС/Ч ТСГ

2.4. Свойства ВПАВ в пьезокристаллах в присутствии пленки
2.5. Свойства ЭАПВ в присутствии периодической системы металлических электродов

2.6. Дифракция ПАВ в анизотропных средах
3. Глава III. Особенности распространения и анализ неосновных

типов ЭАПВ в анизотропных средах
3.1. Электроакустические граничные волны
л „ гч
3.2. Электроакустические волны в пьезопластинах
3.3. Щелевые электроакустические волны
3.4. ЭАПВ, распространяющиеся в системе двух соприкасающихся
пьезокристаллических пластин
3.5.Численный анализ дисперсионных свойств ЭАПВ в многослойных
структурах

Заключение
Литература
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время большое внимание во всем мире уделяется исследованиям в области физики поверхностных явлений. Современный этап развития акустоэлектроники связан, прежде всего, с применением электроакустических поверхностных волн (ЭАПВ) различного типа для реализации устройств радиоэлектронной аппаратуры. Устройства на ЭАПВ находят широкое применение в современных телекоммуникационных (в том числе, мобильных) средствах связи, в телевизионной технике и т.д. Эксплуатационные параметры подобных устройств во многом определяются свойствами ЭАПВ, распространяющихся в пьезокристаллических средах различных архитектур, которые в свою очередь зависят от материальных свойств этих сред.
Одной из актуальных задач в современной акустоэлектронике является, оптимизационная по сути, задача поиска срезов и направлений в разнообразных пьезокристаллах, способных стать основой при создании конкурентноспособных устройств с уникальными характеристиками. Критерии отбора приемлемых кристаллических срезов и ориентаций в пьезосреде основаны на сравнительном анализе следующих основных характеристик распространяющихся в ней ЭАПВ: скорости волны V, коэффициента электромеханической связи К , угла потока энергии pfa, температурного коэффициента задержки ТСЭ (либо частоты ТСР), параметра анизотропии у, компонент механических смещений (щ, ш, из) и сопровождающего их электрического потенциала (р, коэффициента затухания амплитуды волны ё в направлении распространения в случае использования вытекающих поверхностных акустических волн (ВПАВ)) и т. д.
Общая задача о распространении ЭАПВ в пьезосреде требует решения системы связанных уравнений пьезоакустики, включающей в себя волновое уравнение движения в анизотропной упругой электрически активной среде, а также уравнений Максвелла в ква-зистатическом приближении, при заданных механических и электрических граничных условиях на поверхности пьезосреды для каждого конкретного случая. В такой постановке граничные задачи пьезоакустики невозможно решить аналитически, требуется привлечение численных методов расчета. Создание акустоэлектронных устройств с «оптимальными» свойствами, расширение возможности их применения в различных диапазонах частот приводят к необходимости дальнейшего исследования волновых процессов, происходящих в области поверхности пьезокристаллических сред, которые в свою очередь связаны с разработкой современных пакетов прикладных программ, позволяющих эффективно решать эти задачи с минимальными затратами компьютерного времени. В простейшем случае, если механические смещения и электрическое поле локализованы вблизи (порядка

+ А, */ * ((1+]§)*е31 + Д- * еЗЗ)* а] ~ А,* £о *а4‘
Функция еЭфф является функцией двух переменных -скорости V и § и в тоже время представляет собой точное решение механической части задачи вне зависимости от электрических граничных условий. Из (1.3.17) видно, что в случае закороченной металлизированной поверхности пьезокристалла (<р=0 при Хз=0) функция &,фф при определенных значениях V и 5 будет иметь полюс, местоположение которого в постранстве V и 5 определяет истинную скорость Ум и потери §м ВПАВ на метализированной бесконечно тонким слоем поверхности пьезокристалла в каком-либо направлении. Наоборот, на открытой поверхности пьезокристалла (ст =0 при Хз=0) функция сэфф при определенных значениях V и 5 зануляется, и при этом определяется истинная скорость V и потери 5 ВПАВ на открытой поверхности пьезокристалла. Анализ функции эффективной диэлектрической проницаемости еЭфф(У,5) в пространстве двух параметров V и 8 иногда более прост, чем анализ функции граничных условий Р(У,5). Поскольку функция граничных условий - комплексная величина, отыскивается глобальный экстремум (нулевой минимум) функции цели, представляющей собой квадрат абсолютной величины комплексной граничной функции |Р(У, §)|2 либо |е(У, 8)|2. Для решения задачи ПАВ требуется минимизировать функцию одной переменной |Р(У)р или |в5(У)|2. для расчета ВПАВ необходимо минимизировать функцию двух переменных |Р'(V, 8)|2 или | е5 (V, §)|2.
В диссертации метод глобального поиска экстремума граничной функции цели применен как для функции вЭфф (V, 8), так и для функции Р(У, 8), что безусловно повышает надежность поиска истинного решения как для ПАВ, так и для ВПАВ.
1.3.1. Селекция корней характеристического уравнения. [56]
Остановимся подробней на проблеме селекции корней (У характеристического уравнения (1.3.8) при поиске ПАВ. либо ВПАВ решения. Соответствующая селекция корней зависит от выбора искомого типа решения.
1). При поиске ПАВ из решения уравнения (1.3.8) выбираются 4 корня (З11, имеющие отрицательную мнимую часть (волна локализована около поверхности и ее амплитуды смещений и потенциал затухают вглубь кристалла в направлении оси Хз). При этом скорость ПАВ всегда меньше скорости медленной сдвиговой объемной волны (V < У51) в выбранном направлении пьезокристалла [58-60].
2). В результате решения уравнений (1.3.4 -1.3.5) совместно с граничными условиями (1.3.6) в принципе могут получиться и другие типы решений в виде линейной ком-