Электрически перестраиваемые резонаторы на объемных акустических волнах в структурах, содержащих слои сегнетоэлектрика в параэлектрическом состоянии

• Автор: Пташник, Сергей Викторович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 171 с. : ил.

Оглавление
Введение

1 Обзор литературы

1.1 Вводная часть

1.2 Моделирование ОАВ-резонаторов

1.3 Области применения ОАВ-резонаторов

1.4 Перестраиваемые ОАВ-резонаторы

1.5 Выводы
2 Разработка математического аппарата для расчета электромеханических процессов в многослойных структурах

2.1 Постановка задачи

2.2 Общий вид решения и граничных условий
2.3 Вид В-матриц в общем случае
2.4 Доопределение системы уравнений при вынужденных колебаниях
2.5 Доопределение системы при других методах включения слоев
2.6 Дополнительные замечания
2.7 Анализ существующих экспериментальных данных
2.8 Выводы
3 Переключение между собственными модами ОАВ-резонаторов путем варьирования полярностей управляющих напряжений на активных слоях
3.1 Примитивный резонатор и его собственные моды
3.2 Резонатор с двумя активными слоями
3.3 Резонатор с тремя активными слоями
3.4 Выводы по главе
4 Управление ОАВ-резонатором путем варьирования величин управляющих напряжений на активных слоях
4.1 Резонатор с четырьмя активными слоями

4.2 Общие принципы управления возбуждением мод
4.3 Переход от примитивных резонаторов к технологически осуществимым решениям
4.4 Выводы
Заключение
Список сокращений
Литература
А Примеры матричных записей для некоторых простейших случаев
А.1 Однослойная структура
А.2 Двухслойная структура (различные виды включения)
А.З Трехслойная структура (параллельное и последовательное включения)
Б Подходы к оценке эффективности возбуждения мод

Введение
Актуальность темы исследования
СВЧ системы нового поколения для спутниковой навигации (такие как ГЛОНАСС и GPS), телекоммуникации (цифровая связь по стандартам IEEE 802.11 «Wi-Fi», IMT-2000 «3G» и IMT-Advanced «4G») и космической связи предъявляют жесткие требования к габаритам электронных устройств, в том числе, к размерам полосно-пропускающих фильтров. В указанных системах используются электроакустические фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Размеры встречно-штыревых электродов, необходимых для эффективного возбуждения поверхностных акустических волн в пьезоэлектрике, ограничивают как возможность создания сверхминиатюрных СВЧ фильтров, так и частотный диапазон таких устройств (до 2 ГГц) [1].
Альтернативой фильтрам на ПАВ являются фильтры на объемных акустических волнах (ОАВ), которые также получили широкое распространение в целом ряде фильтровых устройств благодаря значительно более широкому частотному диапазону (свыше 10 ГГц), более высоким уровням мощности обрабатываемого сигнала, и меньшим габаритным размерам [1, 2).
Однако, общим недостатком существующих на сегодняшний день фильтров на ПАВ и ОАВ является отсутствие электрической перестройки их частоты пропускания [2]. Актуальность данной проблемы также подтверждается патентами ряда крупных компаний, в частности, LG, Samsung, Nokia, Intel и др.
Одним из подходов к реализации перестройки является замена в резонаторе пленки традиционного пьезоэлектрика (AIN, ZnO) на пленку материала, проявляющего наведенный пьезоэффект под действием постоянного электрического поля (смещения), например, тита-ната бария-стронция, находящегося в параэлектрической фазе. Электрические, механические и пьезоэлектрические параметры такого материала зависят от величины управляющего напряжения. Манипулирование этой величиной позволяет добиться небольшой (порядка нескольких процентов) перестройки резонансной частоты устройства [2-4].
В настоящей работе предлагаются ОАВ-резонаторы, содержащие несколько (два и более) слоев подобного материала (активных слоев). Показано, что при помощи манипуляций полярностью приложенных к различным активным слоям управляющих электрических полей,

Современные исследования в области перестраиваемых ОАВ-резонаторов в большинстве своем основаны на использовании материала с управляемыми свойствами (прежде всего, сегнетоэлектриков) в качестве основного пьезоэлектрика.
1.4.2 Перестраиваемые резонаторы на основе сегнетоэлектриков
Сегнетоэлектрики — это материалы, в определенном диапазоне температур обладающие спонтанной поляризацией, проявляющейся даже в отсутствие внешнего электрического поля. Состояние, в котором такая поляризация возможна, называется полярной фазой, или сегнетофазой. При превышении температурой некоторого предела, специфичного для данного материала (температуры Кюри), спонтанная поляризация исчезает, однако материал продолжает демонстрировать сильную нелинейную зависимость своих свойств (прежде всего, диэлектрической проницаемости) от поля. Такое состояние называется неполярной фазой, или парафазой.
Для удобства дальнейшего анализа, разделим сегнетоэлектрики на две группы, в зависимости от того, в какой фазе они находятся при рабочей температуре устройства (обычно она близка к комнатной):
• Сегнетоэлектрики, которые при комнатной температуре находятся в сегнетофазе (и, соответственно, проявляют спонтанную поляризацию): титанат бария ВаТЮз (в дальнейшем ВТО), ниобат лития 1лМЬОз, титанат-цирконат свинца РЬ(ЕгхТл1_х)Оз (в дальнейшем PZT) и т.д.
Как правило, такие материалы являются также и пьезоэлектриками.
• Сегнетоэлектрики, при комнатной температуре находящиеся с парафазе: титанат стронция БгТЮз (в дальнейшем ЭТО), титанат бария-стронция ВахЗг1-.хТЮ3 (в дальнейшем ВЭТО).
Интересно, что в отсутствие внешнего поля названные материалы не проявляют пьезоэлектрических свойств (присутствует лишь электрострикция, характерная для всех диэлектриков), одиако приложение к ним электрического смещения нарушает симмет-