Файл: Учебнометодическое пособие по дисциплине Основы конструирования и технологии производства эс для студентов заочной формы обучения.docx

ВрядеслучаевтехнологияГИСоказываетсяпредпочтительнеедлявыполнениятакназываемых«мощных»или «силовых»ИС.Функциональныекомпонентынеимеютфизическогоподобиявобщепринятыхэлектрическихцепях.Устройстванаповерхностныхакустических волнах (ПАВ), использующие пьезоэлектрические явления втвердом теле, представляются большой интерес, а проводимые исследованиявэтойобластипривеликсозданиюновыхустройствфункциональнойэлектроники,представляющихсобойспециализированныеГИС.

2. 
   Принципы работы устройств на ПАВ и условная классификация
   

Поверхностные акустические волны (ПАВ) – это упругие деформации втвердомтеле,имеющиепреимущественнопродольнуюкомпоненту.Поперечная компонента, направленная вглубь твердого тела, мала. ПоэтомуПАВраспространяютсявприповерхностномслое,глубинойнеболее3-4длинволн.Скорость ПАВ составляет 3-4 км/сек, т.е. на 4 порядка меньше скоростиэлектромагнитной волны. Этим обусловлены габариты устройств на ПАВ,меньшиена2-3порядкапосравнениюс электромагнитнымианалогами.Простейший прибор на ПАВ изображенна рис. 1. На полированнуюпьезоэлектрическую пластину (кварц, ниобат лития, германат висмута и т.д.)напыленаввакуумеметаллическаягребенчатаяструктураилииначевстречно-штыревыепреобразователи(ВШП).КогдаэлектрическийсигналприкладываетсяквходномуВШП,ондеформируетповерхностьпьезоэлектрическогокристалла,создавая

---

бегущиеповерхностныеакустическиеволны(ПАВ),аналогичныеволнамнагладкойповерхностиводоемаотброшенногокамня.КогдаПАВдостигаетвыходногопреобразователя,тоеемеханическаяэнергияпреобразуетсясновавэлектрическую.КаждаяпарасоседнихэлектродовВШПподсоединенакшинамразнойполярности,поэтомувовходномВШПкаждаяпараэлектродовдействует как источник механического сигнала, а в выходном – как источникэлектрического сигнала.Рис.1Приборнаповерхностныхакустическихволнах(ПАВ)ПосколькуПАВраспространяетсяотоднойпарыэлектродовкдругойсконечнойскоростью,сигналповторнозадерживаетсяисуммируется,т.е.реализуетсятрансверсальныйфильтр (рис.2).Амплитуда сигнала, снимаемого с каждой пары электродов, зависит отстепенивзаимногоперекрытияэлектродов.Неравномерноеперекрытиеэлектродовназываютаподизацией.Применяяаподизацию,неэквидистатную(т.е.неравномерную)расстановку электродов ВШП, используя несколько ВШП можно получитьсамыеразнообразныеамплитудно-частотныехарактеристикиустройствнаПАВ.

---

Модель,описывающаявпервомприближениитрансверсальноеустройствонаПАВ,близкакмоделицифровогофильтрасконечнойимпульснойхарактеристикой(рис 2.).Резонаторные устройства являются минимально-фазовыми и могут бытьописанывпервомприближениинаосновеклассической теориицепей.К резонаторным устройствам относятся одно-входовые и двух-входовыерезонаторы, полосовые лестничные (LDRF) и мостовые фильтры, полосовыефильтры на резонаторах с электрической или акустической связью (LCRF,TCRF),фильтрыверхнихинижних частот,режекторныефильтры.Импульсныйотклик трансверсального ПАВ-фильтра совпадает с«пространственнымобразом»преобразователя.ПримерыПАВ-фильтрыприведенына рис.3.Рис.3.ПримерыПАВ-фильтров(ЧИФ)

3. 
   Преимущества и недостатки устройств на ПАВ и области их применения
   

Преимущества:

• 
  чрезвычайно малые габариты (на 2-3 порядка по сравнению с электромагнитными аналогами);
  
• 
  высокая температурная стабильность (0,5-1,0)⋅10^-6 ед/°С для кварцевых подложек; (18-35)⋅10^-6 ед/°С для танталат литиевых подложек; (50-90)⋅10^-6 ед/°С для ниобат литиевых подложек;
  
• 
  широкий диапазон рабочих частот (1,0 МГц – 10 ГГц);
  
• 
  относительно малые вносимые потери 1,0-3,0 дБ при полосах пропускания 1-3 %;
  
• 
  высокая надежность (50-100 тыс. часов), поскольку число соединений в них составляет 6-8 вместо нескольких сотен;
  
• 
  высокая повторяемость параметров и низкая стоимость серийном производстве;
  
• 
  отсутствие необходимости регулировки.
  

Недостатки:

• 
  малая рассеиваемая мощность (типичная 15-50 мВт);
  
• 
  высокие вносимые потери для трансверсальных устройств (10-20 дБ);
  
• 
  чувствительность к электростатическому разряду;
  
• 
  высокие требования к технологии при производстве
  
• 
  высокие задержки прохождения сигнала.
  

---

УстройстванаПАВнаходятсамоеширокоеприменение,например:

• 
  Радиотелефоны и базовые станции систем связи стандартов GSM, AMPS, CD, IS-59, PHS, PCS, CDMA, W-CDMA, 3G, 4G и др., радиоудлинители стандартов DECT, WLAN и других (в 95% смартфонов используются 6-8 фильтров и резонаторов на ПАВ);
  
• 
  мобильные системы связи (персональные и автомобильные радиостанции полиции, диспетчеров, военных);
  
• 
  приемо-передатчики систем навигации GPS, GLONASS, GALILEO;
  
• 
  устройства формирования и обработки сложных сигналов в РЛС дальнего и ближнего обнаружения; систем наведения на цель и сопровождения цели; управления воздушным движением;
  
• 
  разведывательные приемники;
  
• 
  бортовая и наземная аппаратура спутниковых систем связи;
  
• 
  радиорелейные системы связи;
  
• 
  системы телевидения, включая спутниковое и кабельное (канальные фильтры, фильтры для телевизоров, тюнеров, передатчиков, модуляторов);
  
• 
  устройства дистанционного радиоуправления (замки, взрыватели и т.д.);
  
• 
  устройства охраны, включая автомобильную сигнализацию;
  
• 
  датчики давления, влаги, температуры, ускорения, парциального давления газов.
  

В2008-2010годахсовокупныйобъемвыпускаустройствнаПАВвмирепревысил10млрд.

4. 
   Расчет элементов устройств на ПАВ
   

РезонанснаячастотаВШПсвязанасегогеометрическимиразмерамииравна:????₀=????_ПАВ/2????_????,где ????_ПАВ – скорость распространения ПАВ, м/c; ????_???? – период решетки ВШП, м.Ширина электродовобычноравна

---

????_эл - ????_????/2 (см. рис. 1).

Отсюда видно, что верхняя граничная частота ПАВ определяется выбранным материалом пьезоэлектрика и разрешающей способностью получения зазора между электродами ВШП. В настоящее время изготовлены образцы с ????₀ , равной единицам гигагерц.

Например, для ???????? – кварца ????_ПАВ – 3150 м/с и при ????_???? = 1 мкм ????₀ ≈ 1,5 ГГц. Минимальная частота ПАВ ограничена размерами пластин (кварц – 300 мм, ниобат лития – 150 мм) и равна единицам мегагерц.

Для ВШП с равномерной решеткой ширина полосы пропускания равна

∆???? = ????₀/???? или в процентах ∆????/????₀ = (1/????) ∙ 100 , где ???? – количество пар электродов.

Причем для каждого материала существует оптимальное ???? = ????₀ =

---