Введение к работе
Актуальность темы. Благодаря классической работе Ю В.Гуляева и В.И.Пустовойта [1], в которой впервые указывалось на перспективное использование поверхностных акустических волн (ПАВ) для обработки сигналов, состоялось становление и началось активное развитие акустоэлектроники - нового направления электроники.
Среди всех акустоэлектронных устройств господствующее положение на рынке информационных систем занимают пассивные акустоэлектронные приборы приемопередающих устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [2] (свыше 12 млрд. долларов США в 2004 г.). Важнейшей особенностью, обеспечивающей постоянное и быстрое внедрение акустоэлектронных приборов в современные информационные системы, является отсутствие настройки и возможность совмещения процессов изготовления с микро и нано технологиями, высокая температурная стабильность, высокая надежность, малые массогабаритные характеристики.
Обработка в реальном масштабе времени, отсутствие настройки, совместимость с планарной микро- и наноэлектронной технологией изготовления, воспроизводимость характеристик и другие уникальные свойства акустоэлектронных приборов позволяют реализовать такие важные функции, как частотную селекцию, обработку в реальном масштабе времени, псевдослучайный поиск рабочих частот, эталонирование, стабилизацию частоты и др.
Вместе с тем, для ряда системных применений, таких как частотная селекция во входных трактах приемо-передающих устройств (ППУ), межсимвольная интерференция, плотность информационных каналов, высокая надежность, малые массогабаритные характеристики и низкая цена при крупносерийном производстве, требуется достижение предельных высокоизбирательных характеристик пассивных акустоэлектронных приборов ППУ по предельному уровню вносимого затухания, высокому коэффициенту прямоугольности и малым уровнем осцилляции в полосе пропускания, предельных характеристик по неравномерности группового времени запаздывания. Эти требования постоянно выдвигают необходимость разработки приборов на ПАВ новых поколений с достижением предельных характеристик нескольких одновременно основных функций. Решение этой важнейшей информационной задачи зависит:
Во-первых, от достигнутого технологического уровня производства.
Во-вторых, от успехов в области фундаментальных и прикладных исследований, развития методов проектирования и разработки новых конструктивно-технологических решений.
Первый фактор реализуется за счет совершенствования специального технологического оборудования и пьезоэлектрических материалов. Перспективность
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА |
им. " *
4 использования слоистых структур, включающих слои алмаза, A1N и ZnO для разработки пассивныз акустоэлектронных приборов новых поколений в частотном диапазоне 2-5 ГГц с использованием хорошо освоенной в промышленности фотолитографии очевидна из-за высокой скорости распространения ПАВ (более 10 км/с).
В России работы в области получения, исследования и применения алмазных пленок ведутся в Институте физической химии РАН, НИИ ядерной физики МГУ, Институте общей физики РАН, ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш», Бурятском научном центре СО РАН, Институте кристаллографии РАН, Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН и др. организациях.
Второй фактор позволяет практически с использованием одного и того же парка оборудования, материалов и составляющих инфраструктуры акустоэлектроники, получить ощутимый выигрыш в улучшении основных характеристик и получении новых параметров недостижимых аналогами, а также создании новых классов приборов на ПАВ.
До недавнего времени применение этих приборов было ограничено только фильтрами ПЧ. Это связано с тем, что стандартные конструктивно-технологические решения обеспечивали уровень вносимого затухания не менее 15 дБ. Тем не менее, такие устройства нашли широкое применение в технике средств связи благодаря возможности сложной частотно-селективной обработки сигналов. В частности, разработка телевизионных многостандартных фильтров для аналого-цифровых и цифровых телевизионных приемников, фильтров для спутниковой связи, режекторных фильтров для кабельных сетей, а также фильтров для профессиональной телевизионной аппаратуры, позволила существенно расширить границы и улучшить качество телевизионного вещания.
В России работы в области пассивной акустоэлектроники интенсивно ведутся в Институте радиотехники и электроники РАН, в высшей школе: МФТИ, МИФИ, МЭИ, РГУ, Нов.ГУ и др., отраслевых организациях: Санкт-Петербургском ОАО «Авангард», Московском и Ростовском НИИ радиосвязи, Омском НИИ приборостроения, Воронежском НИИ связи и др.
Несмотря на широкие перспективы использования приборов на ПАВ и значительный прогресс в разработке их моделей и конструкций, основным вопросом до недавнего времени оставались уровень вносимого затухания и расширение частотного диапазона. Уменьшение потерь в фильтре до 1-6 дБ увеличивает отношение сигнал/шум системы, позволяя использовать ПАВ-фильтр во входных цепях радиотракта, снижает уровень интермодуляционных искажений, уменьшает ее стоимость, габариты и потребление энергии за счет сокращения количества
5 компенсирующих потери усилителей В связи с этим становится актуальной задача разработки новых структур и приборов, в которых минимизированы потери на двунаправленность излучения ПАВ, и методов их расчета и компенсации, учитывающих основные искажающие факторы в расширенных частотных диапазонах.
Целью работы являлась разработка новых пассивных акустоэлектронных приборов с малым вносимым затуханием и конструктивно-технологических решений, обеспечивающих достижение предельных характеристик по вносимому затуханию и избирательности в расширенных частотных диапазонах.
Объектами исследований являлись различные ориентации пьезоэлектрических кристаллов, слоистые структуры, содержащие алмазные углеродные пленки (АУП), AIN и ZnO, а также, входящие в состав акустоэлектронных приборов, элементы на ПАВ. К последним относятся встречно-штыревые преобразователи (ВШП), различные отражательные структуры и многополосковые ответвители (МПО). К пассивными акустоэлектронным приборам ППУ относятся фильтры и радиочастотные метки (РМ) на ПАВ.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие основные задачи;
проведение экспериментальных исследований многослойных структур АУП, AIN и ZnO с высокой скоростью ПАВ;
проведение теоретических и экспериментальных исследований однонаправленных структур различных типов и приборов на ПАВ на их основе;
поиск новых конструкций отражательных элементов и ВШП;
исследование и разработка новых технологических маршрутов изготовления фильтров и РМ на ПАВ.
Научная новизна работы. При выполнении диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:
Показана возможность использования слоистой структуры подложка/AlN(ZnO), (подложка - ситалл, сапфир, слой поликристаллического алмаза и др.) при изготовлении РМ на ПАВ.
Впервые показано на возможность использования частоты антирезонанса ВШП при конструировании ПАВ-фильтров импедансного типа
Проведены исследования различных конструкций ПАВ-фильтров импедансного типа. Осуществлен синтез высокоизбирательных характеристик и разработана методика расчета с использованием программного пакета MathCAD.
Осуществлен синтез высокоизбирательных характеристик мостовых импедансных фильтров на ПАВ.
Разработаны новые конструкции и методы расчета телевизионных канальных ПАВ-фильтров импедансного типа ФТТСП для метрового и дециметрового диапазонов частот Уровень подавления таких фильтров в полосе задержания более 20-30 дБ в большинстве случаев достаточен для того, чтобы обеспечить высокое качество изображения.
Впервые разработаны и исследованы конструкции импедансного фильтра для селектора каналов гибридных телевизионных приемников.
Разработан однонаправленный однофазный преобразователь на основе внутренних отражений поверхностных акустических волн.
Научные положения, выносимые на защиту:
На частотах выше резонансной (центральной) реактивная составляющая проводимости ВШП носит индуктивный характер и существует частота антирезонанса, на которой она полностью компенсирует статическую емкость.
Конструктивно-технологические решения высокоизбирательных фильтров на IIAB приемо-передающих устройств.
Конструктивно-технологические решения в области применения магнетронного распыления для выращивания слоистых структуры AYn/AlN(ZnO), пригодных для разработок микроминиатюрных радиочастотных меток на ПАВ в расширенных частотных диапазонах.
Конструктивно-технологические решения микроминиатюрных радиочастотных меток на ПАВ и способ их кодирования в условиях крупносерийного производства.
Практическая ценность работы:
Канальные фильтры на ПАВ импедансного типа являются перспективными для повышения помехозащищенности ТВ каналов и уменьшения взаимного влияния одного канала на другой. При этом, они имеют малые размеры, высокие воспроизводимость и надежность, малые вносимые потери (не более 4-5 дБ), полосу пропускания, равную 8 МГц для всех ТВ каналов, включая 1ый и 2ой каналы, неравномерность АЧХ в полосе пропускания не более 1 дБ, с тем, чтобы не искажать ТВ сигнал, уровень подавления в полосе задержания более 20 дБ.
Разработана и внедрена в промышленность серия импедансных фильтров на ПАВ для основных трактов аппаратуры кабельного телевидения, в т.ч. для первого канала системы кабельного телевидения, позволяющая обеспечить высокие эксплуатационные характеристики аппаратуры по отечественному и европейскому стандартам.
Разработан импедансный фильтр на приповерхностных акустических волнах для ТВЧ с малой неравномерностью АЧХ в полосе пропускания
Разработаны рекомендации по величине допусков на основные технологические операции.
Разработаны рекомендации по модернизации технологических процессов изготовления акустоэлектронных приборов ППУ.
Разработаны оборудование и технологии магнетронного распыления, позволяющие формировать рентеноаморфные и выращивать при температурах <600 К на неориентирующих подложках пленки A1N и ZnO с упорядоченным строением кристаллической фазы, по внутреннему строению близких к монокристаллу и обладающих воспроизводимыми характеристиками; легировать при выращивании эти пленки различными примесями; изготавливать многослойные структуры с заданными функциональными характеристиками, необходимыми для создания устройств электронной техники.
Технология ПАВ в радиочастотной идентификации (РЧИД) наиболее перспективна в микроволновом диапазоне частот и может с успехом реализовать системный подход в области контроля и учета движения объектов и товарных потоков (транспортные средства, контейнеры, мелкие товары, людской персонал, животные и т. п.), найти широкое применение: на транспорте (интермодальные перевозки, контроль, управление движением и определение местонахождения транспорта); в обеспечении безопасности (санкционированный доступ транспорта, персонала или объектов, а также системы поиска людей и объектов в завалах при возникновении кризисных ситуаций); в связи (идентификация средств связи); при производстве и доставке товаров, материально-техническом снабжении и торговле (логистическое управление ресурсами); в медицине (индивидуальные носимые информационные средства и рекомендации в кризисных ситуациях); в животноводстве (идентификация животных) и др
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях «Беспроводные системы телекоммуникаций», г. Воронеж, сентябрь 2000 г.; «Перспективные технологии в средствах передачи информации-ПТСПИ», г. Владимир, июль 2003 г.; «Моделирование и исследование сложных систем», г. Севастополь, сентябрь 2003 г.; «Информационные технологии в науке, технике и образовании», г Аланья, Турция, май 2004 г., «Информационные технологии в науке, технике и образовании», г. Севастополь, Украина, сентябрь 2004 г., «Современные телевизионные технологии. Состояние и перспективы развития», г. Москва, ноябрь 2004 г., «Информационные технологии в науке, технике и образовании», г. Хургада, Египет, март 2005 г.; на XI международной научно-
8 техничской конференции «Высокие технологии в промышленности России», XYII Международном симпозиуме «Тонкие пленки в электронике», Москва, сентябрь 2005 г.
Разработанные образцы импедансных фильтров на ПАВ демонстрировались на международных выставках «Связь-экспоком» г.Москва 2002, 2003.
Работа «Устройства приема и обработки телевизионных сигналов», отмечена 2-ой премией на Всероссийском КОНКУРСе ВНТО РЭС им. А.С.Попова научных работ аспирантов и студентов в области радиоэлектроники и связи за 2003г.
Работы по разработке пассивных акустоэлектронных приборов для радиочастотной идентификации легли в основу:
проекта 05-07-08003-офи_п «Исследование вопросов проектирования и реализации средств обеспечения информационной безопасности, связанных с радиочастотной идентификацией, и изготовление лабораторного образца системы радиочастотной идентификации на основе современных акустоэлектронных технологий», одобренного Российским фондом фундаментальных исследований;
инновационного проекта «Разработка и серийное освоение высокоточных систем радиочастотной идентификации и определения местонахождения объекта и информационных систем управления доступа на основе сверхминиатюрных высокостабильных акустоэлектронных устройств импедансного типа» - победителя программы «СТАРТ 05» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Публикация результатов работы
По результатам выполненных исследований опубликовано 28 научных работ, в том числе в 8 статьях, 5 патентах и 15 тезисах докладов международных конференций.
Экономический эффект и внедрение результатов работы
Экономический эффект от внедрения результатов работ за период 2000-2004 г превышает 450 тыс. рублей.
Структура и объем диссертации
