Оптимальные ориентации в пьезокристаллах для акустоэлектронных датчиков температуры

Электроника

Оптимальные ориентации в пьезокристаллах
для акустоэлектронных датчиков температуры

, ,

Нижегородский госуниверситет

Акустоэлектронный датчик температуры представляет собой генератор на поверхностных акустических волнах (ПАВ), рабочая частота (f) которого изменяется при изменении внешней температуры (Т). Создание высокочувствительного температурного датчика, прежде всего, зависит от выбора пьезокристаллической подложки, служащей основой генератора на ПАВ, а также выбора соответствующего направления в нем, в котором распространяется ПАВ. Чем больше температурный коэффициент частоты (ТКЧ) для ПАВ, тем чувствительней к изменению внешней температуры (Т) будет акустоэлектронный датчик [1].

,

где ТКЗ – температурный коэффициент задержки.

Настоящая работа посвящена поиску ориентаций в различных пьезокристаллических материалах, пригодных для создания высокочувствительных акустоэлектронных датчиков температуры.

Используя методику [2, 3], в работе были рассчитаны значения ТКЗ для ПАВ в пьезокристаллах кварца (a-Quartz), ниобата лития (LiNbO3), танталата лития (LiTaO3), тетрабората лития (Li2B4O7), лангасита (LGS), ланганита (LGN) и лангатата (LGT) в пространстве трех углов Эйлера (f1, f2, f3), описывающих ориентацию в кристалле [1]. На основе этих расчетов был создан альбом двумерных контурных изокарт величины ТКЗ в пространстве двух углов Эйлера f2, f3 (один из углов, а именно, угол f1 фиксировался) для ПАВ, распространяющихся в данных пьезокристаллах.

Из анализа изокарт были найдены пространственные области и конкретные ориентации в рассматриваемых пьезокристаллах, в которых величина ТКЗ имеет максимальную величину. На рисунке в качестве примера показаны рассчитанные изолинии равной величины ТКЗ для ПАВ в пьезокристалле LiNbO3 (0, f2, f3) в пространстве 2 углов Эйлера f2, f3. Из рис.1 видно, что в пространственной области f1=0°, f2=60°‑90°, f3=90° величина ТКЗ максимальна. Например, для ориентации (0°, 70°, 90°) параметры ПАВ следующие: скорость u = 3,519 км/с, ТКЗ=98,3´10-6/°С, электромеханический коэффициент связи К2 =4,71%, угол потока энергии УПЭ=0°, коэффициент анизотропии g= –0,88.

Были также найдены пространственные области в пьезокристалле LiTaO3, в которых величина ТКЗ максимальна. Это следующие пространственные области: (0°, 20°–40°, 5°–25°), (0°, 70°–90°, 85°–95°), (0°, 160°–180°, 85°–95°).

Рис. 1

Для кристалла LGN в пространственной области ориентаций (0°, 20°–80°, 115°-150°) величина ТКЗ также максимальна.

Название пьезокристалла	Ориентации	ТКЗ, 10-6/°С	К2, %
LiNbO3 (ниобат лития)	(0°, 70°, 90°)	98.3	4.71
a-Quartz (пьезокварц)	(0°, 70.5°, 0°)	-27.8	0.21
LiTaO3 (танталат лития)	(0°, 30°, 16.5°)	70.9	1.8
LiTaO3 (танталат лития)	(0°,168°,90°)	75.3	1.4
Li2B4O7 (тетраборат лития)	(0°,10°,50°)	77.1	1.26
Li2B4O7 (тетраборат лития)	(45°, 90°, 145°)	112	0.21
LGT (лангатат)	(0°, 100°, 90°)	-77	0.002
LGN (ланганит)	(0°, 45°, 135°).	-111.7	0.16

Необходимо отметить, что при конструировании резонансного фильтра на ПАВ с минимальными размерами (имеющим минимальное количество электродов встречно-штыревого преобразователя и отражательных решеток), служащим основой температурного датчика, желательно иметь величину К2 как можно больше [1]. В таблице указаны конкретные найденные ориентации в пьезокристаллах, для которых величинs ТКЗ и К2 для ПАВ максимальны, поэтому данные направления в рассмотренных кристаллах могут быть использованы для разработки высокочувствительных акустоэлекронных датчиков температуры.

[1] Шаскольская кристаллы. - М.: Наука, 1982, c.632.

[2] Поверхностные акустические волны. - М.: Мир, 1981, с.501.

[3] , , //Изв. вузов. Радиофизика. 2000. Т.63,№9. С.801.

Миниатюрный резонансный фильтр
на пьезопластине лангатата

,

Нижегородский госуниверситет

Обычно акустоэлектронные резонансные фильтры на центральные частоты 100‑400 МГц с узкой полосой пропускания 0,06-0.2% строятся на основе одно, двух ходовых акустических резонаторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [1]. В качестве термостабильного пьезокристалла традиционно используют кварцевые пластины ST, X-среза. Однако данная ориентация кварца для ПАВ имеет достаточно малый коэффициент электромеханической связи (К2 » 0,116%) [1]. При использовании алюминиевых отражательных электродов коэффициент отражения R от них мал, поэтому для требуемой амплитудно-частотной характеристики резонансного фильтра обычно необходимо иметь достаточно большое количество электродов как в ВШП, так и в отражательных решетках. В результате, минимальные размеры такого фильтра получаются достаточно большими, а именно, 9´5 мм2 [2].

Один из путей уменьшения размеров фильтра заключается в поиске новых материалов и ориентаций в них, в которых распространяющаяся акустическая волна имела бы высокий К2 и высокий R. Другой путь миниатюризации акустоэлектронного фильтра заключается в поиске материалов, в которых скорость u ПАВ минимальна, так как при заданной частоте f пространственный период P = l/2 электродов будет меньше (где l =u/f – длина волны). Кроме этого, можно также использовать в качестве рабочей акустической волны кроме ПАВ рэлеевского типа другие типы волн. Например, это могут быть поперечные сдвиговые акустические волны SH-типа, волны в тонких пьезопластинах и т. д..

В работе [2] для создания миниатюрного резонансного акустического фильтра было предложено использовать пьезокварц ST-90°X-среза (ориентация в углах Эйлера (0°, 132,75°, 90°)) [1], в котором распространяется поперечная сдвиговая SH-волна. При этом, при наличии на поверхности кварца электродов из “тяжелых” металлов (Au, W, Ni, Ni, Ag) такая волна имеет достаточно высокую величину К2»0,35%, высокий R и нулевой температурный коэффициент задержки (ТКЗ) за счет эффекта “термокомпенсации” металлическими электродами определенной толщины H. При этом резонансный фильтр на частоту 225 МГц с полосой пропускания 0,1% имел минимальные размеры 2´2 мм2 [2].

В данной работе были рассчитаны характеристики поверхностных волн SH-типа, распространяющиеся в ориентациях (0°, q=10°–30°, 90°) новых пьезокристаллов лангасита (LGS), ланганита (LGN) и лангатата (LGT). Данные ориентации удовлетворяют условиям симметрии, при которых может распространяться волна SH-типа, имеющая только одну поперечную механическую компоненту смещения u2 в направлении Х2, перпендикулярном распространению волны Х1, и сопровождающий ее электрический потенциал j. Были найдены ориентации, в которых SH - волна имеет высокий К2, нулевой ТКЗ при наличии системы алюминиевых электродов. Кроме этого, поскольку фазовая скорость SH-волн в данных пьезокристаллах существенно меньше скорости SH-волны в пьезокварце, то при заданной резонансной частоте фильтра период электродов ВШП и отражательной решетки будет существенно меньше, чем на пьезокварце, что также уменьшит общий размер фильтра. На рис. показаны рассчитанные фазовые скорости u и коэффициент электромеханической связи K2 в зависимости от второго угла Эйлера q.

Из рисунка видно, что в диапазоне углов 10°<q<30° наименьшую фазовую скорость волна имеет в пьезокристалле лангатата (кривая LGT, V) и одновременно при этом наибольшую величину К2»0,3% (кривая LGT, K2). Поэтому именно этот кристалл наиболее подходит в качестве основы для миниатюрного резонансного фильтра. Была найдена оптимальная ориентация (0°, 13,5°, 90°) в кристалле LGT, для которой параметры SH-волны следующие: u=2560 м/с, К2=0,35%, угол потока энергии УПЭ=0°, параметр анизотропии, отвечающий за дифракционные потери акустического пучка g=-0,8, ТКЗ=0.

В работе были также рассмотрены свойства SH-моды, распространяющейся в тонкой пьезопластине лангатата (толщина пластины H сравнима с длиной волны l). Найдена ориентация, в которой данная мода имеет очень высокий К2»3,5%, низкую скорость, а также нулевой температурный коэффициент задержки при наличии алюминиевых электродов. Использование этой SH-моды в качестве рабочей волны резонансного фильтра позволит вновь осуществить миниатюризацию фильтра.

[1] Фильтры на поверхностных акустических волнах. - М.: Радио и связь, 1981, 470с.

[2] Kadota M., Yoneda T., Fujimoto K. //IEEE Trans. on Ultrason., Ferroelectr., and Freq. Contr. 2004. V.51, №2. P.202.

Теоретическое исследование болометрических свойств
диода с барьером Шоттки

,

Нижегородский госуниверситет

Важным фактором достижения высоких технических характеристик болометров является выбор термочувствительного элемента, имеющего высокий температурный коэффициент и низкий уровень шумов. В данной работе проведен теоретический анализ болометрических характеристик диода с барьером Шоттки (ДБШ), высокая чувствительность которого, достигается за счет экспоненциальной зависимости тока от температуры [1].

Рис. 1

На рис.1 представлена конструкция чувствительного элемента неохлаждаемого болометра. Чувствительный элемент представляет собой GaAs ДБШ площадью 50´50 мкм2 (площадь барьера 10´10мкм2), закрепленный на поддерживающих плечах. Сверху на ДБШ нанесен слой нитрида кремния, имеющий поглощающую способность 70% в спектральном диапазоне 8-14 мкм. В такой конструкции полная теплопроводность определяется, главным образом, теплопроводностью поддерживающих плеч, расчетное значение теплопроводности данной конструкции равно 8,5´10-7 Вт/К.

Плотность тока через диод можно описать уравнением [2]:

(1)

где JS – плотность тока насыщения, V – напряжение смещения, n – коэффициент идеальности диода. Дифференцируя уравнение (1) по температуре, можно найти температурный коэффициент тока

. (2)

Расчет температурного коэффициента тока в зависимости от напряжения смещения при высоте барьера 0,8 В приведен на рис.2.

Одной из определяющих характеристик болометра является его обнаружительная способность, которая определяет порог мощности излучения, которое может обнаружить болометр. Нормированная обнаружительная способность определяется формулой

(3)

где RI – ампер-ваттная чувствительность болометра, i – среднеквадратические флуктуации тока, Ab – площадь чувствительного элемента, Δf – ширина полосы частот. Из формулы (3) следует, что для достижения высокой обнаружительной способности необходимо иметь низкий уровень шумов. Анализ шумов ДБШ показывает, что в отсутствии 1/f шума основными являются дробовой шум и шум Джонсона.

Спектральная плотность шумового тока ДБШ определяется формулой[3]:

(4)

где I – ток, протекающий через диод, Rj – дифференциальное сопротивление барьера, RS – сопротивление растекания диода.

Рис. 2	Рис. 3

Также существенный вклад в шум диода вносят флуктуации температуры, которые связаны с теплообменом чувствительного элемента с окружающей средой через излучение и поддерживающие плечи.

Теоретический расчет обнаружительной способности представлен на рис.3. При напряжениях смещения более 0,54 В значение обнаружительной способности достигает максимального значения 2,5´109 см Гц1/2Вт-1, при таких напряжениях смещения определяющую роль в ограничении обнаружительной способности играет шум, вызванный флуктуациями температуры. Таким образом, теоретический расчет показывает перспективность использования диода с барьером Шотки в качестве чувствительного элемента болометра.

Работа выполнена при поддержке Академической программы компании Intel.

[1] Murguia J. E., Tedrow P. K., Shepherd F. D., Leahy D., and Weeks M. M. //Proc. SPIE. 1999. V.3698. P.361.

[2] Sze S. M. Physics of Semiconductor Devices. - Wiley: Nova Iorque, 1981.

[3] Trippe M., Bosman G., Van Der Ziel A. //IEEE Transactions. MTT-P.1183.