Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Сегнетоэлектрики типа перовскит (BaXSr1-XTiO3) для СВЧ применений: электродинамические свойства и методики измерений Котельников Игорь Витальевич

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Котельников Игорь Витальевич. Сегнетоэлектрики типа перовскит (BaXSr1-XTiO3) для СВЧ применений: электродинамические свойства и методики измерений: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.27.01 / Котельников Игорь Витальевич;[Место защиты: ФГАОУ ВО Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет ЛЭТИ им. В.И.Ульянова (Ленина)], 2017

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Основные свойства сегнетоэлектриков и методы измерения их СВЧ параметров 11

1.1 Сегнетоэлектрики типа перовскит (BaxSr1-xTiO3) и их основные свойства 11

1.2 СВЧ сегнетоэлектрические элементы 18

1.3 Методики измерения СВЧ параметров сегнетоэлектрических материалов и структур на их основе 32

Выводы к главе 1: 42

Глава 2 Безэлектродные измерения параметров диэлектриков с использованием квазиоптических открытых резонаторов 44

2.1 Основные аспекты теории открытого резонатора 45

2.2 Открытый резонатор, содержащий двухслойную (подложка-плнка) диэлектрическую структуру 50

2.3 Результаты измерений однослойных и двухслойных диэлектрических образцов 58

2.3.1 Результаты измерений однослойных образцов 59

2.3.2 Результаты измерений двухслойных образцов 64

Выводы к Главе 2. 67

Глава 3 Методика измерений и СВЧ параметры сегнетоэлектрических варикондов 69

3.1 Конструкция измерительного резонатора 72

3.2 Калибровка устройства, процедура измерений, оценка погрешностей 75

3.3 СВЧ параметры сегнетоэлектрических варикондов и полупроводниковых варакторов 83 3.3.1 Вариконды при повышенном уровне СВЧ мощности 90

3.4 Методика разделения металлических и диэлектрических СВЧ потерь в мкостном нелинейном элементе 101

Выводы к главе 3: 106

Глава 4 Методика и результаты измерений СВЧ параметров нелинейной керамики 108

4.1 Методика измерений 108

4.2 Результаты измерений керамики BaxSr1-xTiO3 114

Выводы к главе 4: 127

Заключение 128

Приложения 131

Список используемой литературы 135

Введение к работе

Актуальность темы.

Спектр сверхвысокочастотных (СВЧ) элементов и устройств на основе диэлектрических материалов чрезвычайно широк: конденсаторы, резонаторы, фильтры, линии задержки, излучатели антенных решток и др. Как правило, указанные элементы и устройства на основе линейных диэлектриков демонстрируют низкий уровень диссипативных потерь и являются электрически не перестраиваемыми по своим параметрам. Интенсивное развитие электроники предъявляет новые требования к указанным элементам и устройствам. Одним из основных является необходимость создания быстродействующих устройств, обеспечивающих частотно-фазовую перестройку по СВЧ сигналу за счт приложения управляющих электрических полей. Использование нелинейных диэлектриков, таких как сегнетоэлектрики (СЭ), позволяет создание указанных устройств за счт эффекта изменения диэлектрической постоянной материала под воздействием управляющего электрического поля (є(Е)). Одним из классов СЭ материалов, заслуживающих особого внимания с точки зрения использования в области СВЧ электроники, являются сегнетоэлектрики типа перовскит, в частности, тврдые растворы BaxSri_xTi03 (BSTO). Перспективность использования указанных СЭ композитов на СВЧ определяется отсутствием частотной дисперсии диэлектрической проницаемости вплоть до частот миллиметрового диапазона (~ 100 ГГц) и сохранением нелинейных свойств в области частот ТГц диапазона.

СВЧ свойства плнок, керамик и устройств на основе BaxSri_xTi03 сильно зависят от технологии их получения. Исследование влияния режимов технологических операций на СВЧ параметры керамики и плнок связаны с проблемами улучшения быстродействия СЭ устройств, увеличением их предельных значений по рабочей СВЧ мощности и конструктивными особенностями, что является актуальными научно-техническими задачами. Указанные исследования требуют создания специализированных измерительных методик и устройств, позволяющих определять электродинамические параметры

СЭ материалов в различных диапазонах СВЧ.

Таким образом, исследования в области определения СВЧ параметров нелинейных диэлектриков и устройств на их основе, так же как и создание соответствующих методик измерений для проведения исследований, являются актуальными научно-техническими задачами, решение которых способствует развитию как традиционных подходов создания радиолокационных и телекоммуникационных систем, так и таких новых направлений как СВЧ-фотоники и Li-Fi.

Цель диссертационной работы - Исследование электродинамических свойств СЭ материалов типа перовскит BaxSrbxTi03 (BSTO) и элементов на их основе в СВЧ диапазоне с использованием разработанных методик измерений.

Основные задачи работы:

создание методик электродных и безэлектродных измерений СВЧ параметров плночных и объмных (керамических) сегнетоэлектрических материалов;

разработка модели и алгоритма, позволяющих на основе серии измерений определять вклад металлической и диэлектрической составляющих в общие СВЧ потери СЭ элементов при различных напряжений управления;

измерение СВЧ параметров сегнетоэлектрических плнок и керамик различного композиционного состава и элементов на их основе. Получение обобщнной картины поведения диэлектрических параметров (s, tgS) и управляемости для композитов BSTO и элементов на их основе в широком диапазоне частот (0,1 - 60) ГГц;

исследование влияния технологических операций на СВЧ свойства нелинейных диэлектриков (диэлектрическая проницаемость, управляемость, СВЧ потери, быстродействие);

исследование нелинейных явлений в СЭ элементах, возникающих под воздействием сигнала СВЧ высокого уровня мощности.

Научная новизна работы :

разработаны новые и усовершенствованы существующие методики и устройства СВЧ измерений нелинейных диэлектрических материалов и мкостных элементов на их основе для ряда диапазонов частот в интервале (0,1-70) ГГц;

предложена и экспериментально подтверждена методика разделения СВЧ диэлектрических и металлических потерь в мкостных нелинейных элементах на основе анализа зависимостей емкости и диэлектрических потерь от напряжения управления;

проведены электродинамические расчты и определены условия при исследовании диэлектрических материалов в резонаторах типа Фабри-Перро, обеспечивающие минимальную погрешность результатов измерений;

проведены исследования впервые полученных структур BSTO/SiC/Алмаз, которые показали эффективность использования сегнетоэлектрических плнок на алмазных подложках для увеличения СВЧ рабочей мощности устройств;

показано влияние технологических операций (кислородный отжиг) на диэлектрические параметры BSTO и явления временной релаксации по є и tgS при импульсном воздействии Е поля;

получены обобщнные результаты частотных и полевых зависимостей тангенса угла диэлектрических потерь tgS(f, Е) и диэлектрической проницаемости e(f, Е) Ba x Sri_x TiC>3 в диапазоне частот 100 МГц - 60 ГГц.

Практическая значимость работы:

1. Результаты измерений СВЧ параметров BSTO элементов позволяют
разработку различных быстродействующих устройств, обеспечивающих фазово-
частотную перестройку по СВЧ сигналу (перестраиваемы фильтры и линии
задержки, адаптивные согласующие цепи радиофотонных преобразователей и т.
п.)

2. Разработаны методика и устройства, обеспечивающие измерения

зависимостей добротности и мкости от напряжения управления для варикондов
различных конструкций в диапазоне частот (1 – 6) ГГц. Методика предназначена
для проведения СВЧ экспресс измерений сегнетоэлектрических и

полупроводниковых варикондов при их серийном выпуске. Методика сертифицирована (Свидетельство МВИ № 18-09 от 12.03.2009) и используется на ряде предприятий в России и за рубежом.

3. Определены режимы, обеспечивающие минимальную величину погрешности
безэлектродной методики экспресс измерений диэлектрической проницаемости и
тангенса угла диэлектрических потерь однослойных и 2х-слойных структур,
включая сегнетоэлектрические плнки, с использованием открытого резонатора в
миллиметровом диапазоне длин волн.

  1. Экспериментально подтверждены способы подавления нелинейности СЭ элементов по СВЧ сигналу (как тепловые, так и электродинамические) за счет их конструктивных особенностей и выбора материала подложки. Показано, что использование структур вариконда BSTO/SiC(500 нм)/Алмаз, радикально (более чем на порядок) уменьшает перегрев активной зоны сегнетоэлектрической плнки при высоких уровнях СВЧ мощности

  2. Разработаны методика и устройство измерений на основе анализа многорезонансного отклика керамического образца с возможностью подачи на него высоких управляющих напряжений. Методика позволяет проводить измерения ВЧ-СВЧ свойств нелинейной керамики в частотном диапазоне 100 МГц – 2 ГГц с возможностью подачи напряжения до 15 кВ.

  1. Приведены результаты измерений многослойных структур с использованием резонатора типа Фабри-Перро и обобщенные результаты измерений диэлектрических параметров СВЧ керамик LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) различных зарубежных производителей в диапазоне частот (1 МГц – ТГц).

  2. Показано, что отжиг сегнетокерамики в кислородной среде перед нанесением электродов, приводит к подавлению медленных релаксационных явлений при импульсном E-полевом воздействии, что позволяет создание быстродействующих

СВЧ устройств.

Основные результаты исследований внедрены в ряд организаций в рамках договоров: СПбГЭТУ - Euclid Tech Labs (США) (Договор № 6850 МЛП-21/МК, 2009-2010); СПбГЭТУ - ООО «Керамика» (Договор № 2/2010 6945/МЛП-22, 2010); СПбГЭТУ - ОАО «НИИ «Гириконд» (Договор № 6740/МЛП-20, 2008); СПбГЭТУ - «Patarek Microwave Inc.» (США) (Договор № MLP19/MK 2006-2008); СПбГЭТУ - Imperial College (Британия) (Договор №6992/МЛП-23/МК, 2010).

Научные положения и результаты выносимые на защиту:

  1. Увеличение точности безэлектродных измерений СВЧ параметров диэлектрических керамик, как однослойных, так и двухслойных, с использованием полусферических резонаторов типа Фабри-Перро достигается при электрической толщине измеряемой структуры ((2п-\)/4)Хр, где п -натуральное число, Хр - длина волны в материале.

  2. Вариконд планарной конструкции со структурой BSTO/SiC/Алмаз позволяет как минимум в (3 - 4) раза увеличить амплитуду его рабочего СВЧ напряжения по сравнению с варикондами на основе традиционно используемых подложек А12Оз и MgO. Последовательно-параллельное включение N мкостных элементов вариконда на алмазных подложках, позволяет в ((3^4)х/V) раз увеличить рабочее напряжение СВЧ сигнала вариконда

  3. Экстраполяция зависимостей тангенса угла диэлектрических потерь СЭ варикондов, как функции номинала мкости при различных напряжениях управления, позволяют определить вклад металлических и диэлектрических потерь как функцию напряжения.

  4. Для структуры на основе симметричного полоскового керамического резонатора (М/СЭ/М/СЭ/М), использование несимметричных относительно центрального электрода СВЧ мод и симметричного поля управления в диэлектрической структуре, позволяет увеличить точность измерений параметров нелинейной керамики є и tg5, а многомодовый режим возбуждения, обеспечивает измерения в широком диапазоне частот.

5. Кислородный отжиг BSTO керамических образцов, подавляет явления медленной релаксации под воздействием электрического поля, не ведт к изменению диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материала и позволяет создание быстродействующих СВЧ устройств.

Апробация работы.

Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях: European Conference on Applications of polar dielectrics (ECAPD), 2002 (Portugal), 2014 (Lithuania) гг.; International Symposium on Integrated Ferroelectric (ISIF) 2002 (Japan), 2003 (USA) гг.; Международная научно-техническая школа-конференция «Молодые Ученые – Науке, Технологиям и Профессиональному Образованию» 2002, Москва; Международная научно-техническая конференция «Электроника и Информатика - 2002», 2002, Москва; Международная Крымская конференция СВЧ –техника и телекоммуникационные технологии 2003, 2006 г. Украина; Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS) 2009, Moscow; International Conference on Microwave Materials and their Applications (MMA), 2010, Poland; International Symposium on Applications of Ferroelectrics (IEEE ISAF), Darmstadt, 2016. «Микроэлектроника СВЧ» Всероссийская конференция, 2012, 2014, 2015, 2016 Санкт-Петербург.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 научные работы, из них: 17 статей в научных журналах и трудах конференций (6 статей, опубликованных в изданиях, включенных в базы данных SCOPUS и Web of Science и перечень ВАК), 1 монография; принято участие в 11 международных, 4 всероссийских конференциях, получен 1 патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,
четырх глав, заключения, приложения, библиографического списка,

Методики измерения СВЧ параметров сегнетоэлектрических материалов и структур на их основе

Подобное представление элемента справедливо в диапазоне частот далком от частоты последовательного резонанса элемента, где величиной индуктивности электродов можно пренебречь [31]. Схема также требует радикальной корректировки, если необходимо учитывать индуцированные Е-полем резонансные пьезоэффекты [22].

Тангенс угла диэлектрических потерь (tgS) конденсатора описывается соотношением: tgb = tg и не могут быть безоговорочно использованы для описания металлических потерь в отличных от ТЕМ распределенных структурах, несмотря на их конструк bF +G)CFR, (1.3) где tgbF = (( CFRF)-1 - диэлектрические потери в объме сегнетоэлектрической плнки, CDCFR - учитывает потери в металлических электродах конденсатора. Сопротивление R в приближении механизма поглощения энергии Ленца-Джоуля, зависит от удельной электропроводности металлической плнки (а) и геометрических размеров (длины (/), ширины (w) и толщины плнки (км) ) электрода планарного конденсатора: , при h M«b hM -W-G R =\ . , (1.4) і М.1при/гм»5 [V 2-а w M 1 / где Цо - магнитная постоянная; 8 = толщина скин-слоя. Необходимо учитывать, что оценки по (1.4) для простейшей эквивалентной схемы (рисунок 1.7) соответствуют квазистатическому распределению электрического поля в планарном конденсаторе тивное сходство (например, щелевая линия) с планарным конденсатором.

Типичные характеристики мкости и добротности планарных варикондов (рисунок 1.5в) с зазором 10 мкм представлены на рисунке 1.8.

Для увеличения мкости планарного вариконда часто используют встречно-штыревую конфигурацию электродов (рисунок 1.9) [28]. Рисунок 1.8 - ВФХ и тангенс угла диэлектрических потерь планарных варикондов на основе плнок SrTi03 на частоте 30 ГГц Конструкция сегнетоэлектрического планарного вариконда встречно-штыревой топологии с двумя слоями СЭ ( размеры: L = 1.5 цт, S = 1.5 jm, / = 47 jm) и зависимости мкости и перестройки как функции напряжения управления на различных частотах [28] Недостатком встречно-штыревой топологии электродов является увеличение их индуктивности и металлических потерь, что ведт к уменьшению граничной частоты вариконда и добротности. Однако имеются работы, в которых показаны результаты измерений таких конденсаторов на частотах вплоть до десятков гигагерц [32].

В основном, вышеприведнные данные относятся к сегнетоэлектрическим сосредоточенным элементам планарной конструкции, которые отличаются простотой технологии и, как правило, предназначены для работы при высоких уровнях СВЧ мощности. Основным недостатком планарных варикондов является необходимость использования высоких для микроэлектроники напряжений управления (свыше 100 вольт).

В настоящее время методы современной нанотехнологии позволяют получать планарные структуры с характерными размерами активной области до масштабов сотен нанометров, что позволяет радикально снизить максимальные напряжения управления до десятков вольт (рисунок 1.9, 1.10) [33 – 34].

Активно развиваются работы по созданию СЭ плоскопараллельных слоистых структур типа «металл-диэлектрик-металл» (МДМ или сэндвич структур). Широко известна технология сегнетоэлектрических элементов памяти на их основе. Основным достоинством таких структур, по сравнению с планарными, является возможность существенного снижения управляющих напряжений до уровней, обычно используемых в полупроводниковой электронике (десятки вольт). В МДМ-структуре уменьшение толщины сегнетоэлектрической пленки 0,5 мкм позволяет получить перестройку по величине мкости (Кс 2) при напряжениях 30 В. Однако для СВЧ-диапазона, в отличие от НЧ, требуется оптимизация конструкции с точки зрения уменьшения «паразитных» параметров, СВЧ-потерь в металлических электродах и увеличения СВЧ рабочей мощности. В МДМ структурах наиболее ярко выражено проявляются резонансные паразитные эффекты, связанные с индуцированным пьезоэффектом в E-полях управления [18, 22] (рисунок 1.11).

Частотная зависимость tg5 СЭ структуры АцРіЗТОРіЗіОг в широком частотном диапазоне в отсутствии и с управляющими напряжениями (а); детально измеренный с малым шагом управляющего напряжения (шаг 2.0 В) фрагмент зависимости tg5 в узком частотном диапазоне (частота резонанса (f2) 3 ГГц) (б) [22] Технология изготовления МДМ сегнетоэлектрических варикондов является более сложной по сравнению с планарными структурами и включает нанесение на диэлектрическую подложку металлической пленки (нижний электрод) с последующим выращиванием на ней пленки сегнетоэлектрика, что исключает возможность эпитаксиального выращивания. Высокотемпературный режим нанесения плнки BaxSri–xTi03 (свыше 600 С) в кислородосодержащей атмосфере не позволяет также использовать в качестве нижнего электрода пленки меди (Си) из-за активных окислительных процессов. Наряду с требованием физико-химической совместимости с пленками BaxSri–xTi03, пленка нижнего электрода должна обладать малой шероховатостью (не более 20 нм), для исключения возможности короткого замыкания верхнего и нижнего

электродов вариконда. Таким образом, для нижнего электрода необходимо применять материалы, которые характеризуются хорошей адгезией к подложке, не подвержены окислению и рекристаллизации при повышенных температурах, то есть сохраняют в условиях формирования структур высокую проводимость и гладкую поверхность. В настоящее время в качестве материалов, удовлетворяющих таким требованиям, широко используются некоторые благородные металлы и проводящие оксиды ряда металлов, стабильные при температурах формирования перовскитовой фазы. Как было рассмотрено ранее [17], среди металлических электродов ведущее место занимает платина (Pt) [35, 36]. В работе [19] в качестве нижнего электрода использовались плнки платины, полученные методом лазерного испарения на подложках монокристаллического А1203 и керамических подложках на его основе (поликор). Толщина полученных плнок составляла 100 нм. Конструкция СВЧ-МДМ вариконда, разработанная на основе структуры Си - BSTO - Pt -А12Оз, представлена на рисунке 1.12. Оптимальные параметры такого вариконда на СВЧ можно получить на основе анализа его эквивалентной схемы (рисунок 1.12), что подробно рассмотрено в работе [17].

Типичная частотная зависимость мкости и СВЧ-потерь в МДМ конденсаторах фирмы Gennum Corp. приведена на рисунке 1.13 [37].

Из рисунка видно, что при частотах свыше 1 ГГц величина измеренной мкости начинает расти, что говорит о приближении к частоте последовательного резонанса реактивного элемента.

Открытый резонатор, содержащий двухслойную (подложка-плнка) диэлектрическую структуру

Другим общим недостатком всех известных измерительных коаксиальных резонаторов является необходимость установки образца внутрь камеры при измерениях, что не позволяет проводить экспресс-измерения и требует операций разборки-сборки резонансной системы для помещения исследуемого образца внутрь камеры. Подобные операции ведут к необходимости частой калибровки измерительной системы.

Использование нерезонансного метода измерений мкости и добротности на стандартных анализаторах цепей (Например Agilent E4991 ARF Impedance/Material Analyzer или его аналогов)позволяет с высокой точностью проводить измерения элементов с низкой величиной добротности. Исследования высоко добротных g 100 элементов ведт к значительному увеличению погрешности измерений с ростом частоты. Например, в соответствии с [54], погрешность измерений конденсатора с добротностью 0=200 на частоте 3 ГГц составляет свыше 50% и существенно возрастает при дальнейшем увеличении частоты.

К упомянутым недостаткам вышеприведнных методик можно добавить невозможность проведения измерения трхэлектродных варикондов, которые применяют при повышенном уровне СВЧ мощности. Безэлектродные методики измерений (без нанесения на плнку металлического покрытия) позволяют исключить влияние омических потерь в электродах, но не дают возможности получить информацию о нелинейности материала под воздействием управляющих полей. Сопоставление диэлектрических измерений сегнетоэлектрических плнок с электродами и без них дат информацию, полезную технологам. Так как свойства сегнетоэлектрических плнок, как в объме, так и на интерфейсах, могут существенно изменяться в ходе технологического процесса нанесения металлических электродов, то очевидно необходимо получать информацию о параметрах плнок до нанесения электродов и элементов с нанеснными электродами. Необходимо отметить отсутствие методик, которые позволяют разделить металлическую составляющую потерь от диэлектрической для нелинейных элементов при изменении управляющего напряжения. Создание методики по разделению потерь в нелинейном элементе - актуальная задача.

Наибольшая точность таких измерений также обеспечивается при резонансном На высоких частотах, вплоть до 60 ГГц, безэлектродные измерения и tg СЭ плнок, могут проводиться, с использованием волноводных конструкций, например, с использованием методики частично-заполненного волновода (рисунок 1.23) [17, 55 – 56]. методе. Конструкция частично заполненного волноводного резонатора для безэлектродных измерений сегнетоэлектрических плнок приведена на рисунке 1.23 [17]. Исследуемая плнка на диэлектрической подложке помещается параллельно узкой стенке волновода. Резонансный объм ограничивается пластинами с отверстиями (диафрагмами) связи с регулярным возбуждающим волноводом. Методика измерений связана с решением двух основных задач: 1) определение для данного частично заполненного волновода зависимости постоянной распространения kz= 2/д от частоты; 2) определение зависимости коэффициента включения исследуемой плнки в резонатор от частоты. Решение этих задач сводится к исследованию дисперсионного уравнения для волновода бесконечной протяжнности с заданным поперечным сечением и нахождению распределения поля в поперечном сечении волновода. Для нахождения дисперсионного уравнения необходимо найти поля, удовлетворяющие уравнениям Максвелла в каждой из однородных областей волновода, и обеспечить выполнение граничных условий на плоскостях раздела между средами и на металлических стенках волновода.

Основным из существенных недостатков приведнного безэлектродного метода измерений является необходимость изготовления образца с поперечными размерами, соответствующими размерам волновода и обеспечения качественного контакта с широкими стенками волновода. Безэлектродный метод измерений, основанный на использовании открытого резонатора, лишн основных недостатков, связанных с использованием волноводных конструкций, не требует операций разборки-сборки и может быть легко адаптирован к массовым экспресс измерениям. Данная методика детально рассмотрена для исследования однослойных образцов и имеются публикации о теоретическом подходе при исследованиях многослойных диэлектрических структур [57]. Однако математический аппарат, представленный в литературе, имеет обобщнный подход и достаточно сложен для адаптации измерений двухслойных структур (подложка/плнка). Так же в литературе не уделено особое внимание критериям, определяющим точность измерений.

В СВЧ технике высоких мощностей (ускорительная техника, адаптивные согласующие устройства для промышленных и бытовых установок и др.) нашли сво применение керамические конструкции на основе нелинейных диэлектриков. Решение технологических задач синтеза керамики, так же как и разработка устройств на е основе требует соответствующей метрологической базы измерений СВЧ параметров СЭ керамики. Ряд методик, позволяющий проведение измерения параметров керамики на основе линейных диэлектриков известен и на сегодняшний день широко используется.

Измерительная ячейка, в основе которой лежит метод волноводно-диэлектрического резонанса, включающая отрезок круглого волновода в режиме запредельности с помещнной в него керамической шайбой, позволяет измерять диэлектрические образцы с диэлектрической проницаемостью не более 35. Данная методика позволяет проводить измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот 1 -18 ГГц (см. рисунок 1.24) [58].

Широко используемая методика разделнного диэлектрического резонатора (split-post dielectric resonator) [2] (рис. 1.25) позволяет с необходимой точностью проводить измерения линейных диэлектрических материалов (подложек) со значениями є100.

Отличительной чертой методик и устройств измерения параметров нелинейных диэлектриков является необходимость проведения измерений при приложении к материалу электрических полей управления, что предъявляет новые требования к методикам и устройствам измерений [59]. Описанные выше стандартные методики измерения СВЧ параметров керамик не позволяют проводить измерения при приложении электрических полей к образцу. РВД-КП [58] резонатор [2] Исследование свойств нелинейной керамики под воздействием высоких напряжений управления (единицы киловольт) на низких частотах (сотни кГц – единицы МГц) требует применения нестандартного оборудования (развязывающие цепи, высоковольтные фильтры). При продвижении в область более высоких частот, в частности СВЧ, исследование полевых зависимостей параметров объмной нелинейной керамики осложняется необходимостью учта распределения Е-поля в структуре и требует создания специальных методик и измерительных устройств.

Цилиндрический резонатор [1] Классическая СВЧ методика, позволяющая исследовать нелинейные материалы, основана на измерении керамического образца в виде цилиндрического резонатора [1] (рисунок 1.26). Верхняя и нижняя поверхность резонатора металлизируется, для подачи напряжения управления.

Однако данная методика не позволяет с высокой точностью измерять диэлектрические материалы с малыми потерями, т. к. не учитывает потери, связанные с излучением. К тому же аттестация керамики на различных частотах требует изготавления ряда резонаторов различных размеров, т.к. общепринятое соотношение Q f = const, справедливо для линейных диэлектриков в определнных частотных диапазонах, может быть некорректно для нелинейных диэлектриков.

Дополнительным требованием к методике является возможность проведения исследований временных характеристик под воздействием секундных и микросекундных электрических импульсов, т.к. в сегнетокерамике при воздействии полей управления присутствуют эффекты медленных и быстрых релаксаций.

Калибровка устройства, процедура измерений, оценка погрешностей

В главе 3 рассмотрены методика и устройство, обеспечивающие измерения зависимостей добротности (Q) и мкости (C) от напряжения смещения (U) для CЭ варикондов и полупроводниковых варакторов различных размеров и конструкций (2х и 3х электродных) в диапазоне частот (1 – 6) ГГц [60]. Измерительное устройство позволяет улучшить точность измерений СВЧ характеристик элементов по сравнению с традиционными нерезонансными методиками с применением стандартного оборудования. Благодаря возможности установки измеряемых элементов вне замкнутого резонансного объма, измерительное устройство может быть адаптировано для быстрой автоматизированной сертификации элементов при их серийном производстве.

Приведены данные измеренных зависимостей Q(U) и C(U) для полупроводниковых варакторов и сегнетоэлектрических варикондов. Дана иллюстрация нелинейных явлений в резонаторе с включенными полупроводниковыми варакторами и сегнетоэлектрическими варикондами изготовленными на основе как традиционных (поликор, MgO) так и алмазных подложек при повышенном уровне СВЧ мощности.

Предложена и экспериментально проверена методика разделения суммарных СВЧ потерь нелинейного конденсатора (вариконда) на диэлектрическую и металлическую составляющие при подаче напряжения управления.

Создание новых нелинейных элементов на основе сегнетоэлектрических материалов для СВЧ применения тесно связано с постоянным контролем их свойств в процессе производства. Поэтому увеличение точности СВЧ измерений мкости (C) и добротности (Q) нелинейных емкостных элементов (диэлектрические вариконды, полупроводниковые варакторы),при приложении управляющего напряжения, является важной прикладной задачей. Для полупроводниковых емкостных структур в условиях серийного производства, добротность на СВЧ, как правило, оценивается и сертифицируется на основе высокочастотных измерений на частоте fВЧ = 50 МГц с дальнейшей экстраполяцией на необходимую частоту (/СВЧ) в соответствии с общепринятым соотношением QCB4 =Q(fB4)-——. Заметим, что такие оценки не всегда точны JCB4 и требуют выборочной постоянной проверки на измерительных СВЧ резонаторах или на анализаторах цепей с предварительной калибровкой по эталонам емкости. Аттестация первым способом связана с установкой тестируемого образца внутри резонансного объма и требует сборочно-разборочных операций измерительного резонатора. Наряду со сравнительной сложностью этой операции, не позволяющей е автоматизацию при серийных измерениях, она приводит так же к ухудшению собственной добротности измерительного резонатора, изменению резонансной частоты, и необходимости его постоянной калибровки или замены. Использование нерезонансного метода измерений мкости и добротности на анализаторах цепей ведт к значительному увеличению погрешности измерений с ростом частоты. Например, в соответствии с [54] (см. рисунок 3.1), погрешность измерений конденсатора с добротностью g=200 на частоте 3 ГГц составляет свыше 50% и радикально возрастает при дальнейшем увеличении частоты. В отличие от полупроводниковых варакторов, для сегнетоэлектрических варикондов корреляция частотного поведения добротности в ВЧ и СВЧ диапазонах в настоящее время не установлена. Для СВЧ частот свыше 1 ГГц зависимость Q(f) для варикондов представляется эмпирическим соотношением Q = A-f , где А и п - коэффициенты, в значительной степени зависящие от композиционного состава сегнетоэлектрика. Таким образом, для сегнетоэлектрических элементов необходима прямая аттестация элементов в СВЧ диапазоне, что при существующих способах СВЧ измерений, ведт к проблемам, рассмотренным выше для полупроводниковых варакторов. їм том IG (SG) Frequency [Hz] Рисунок 3.1 - Погрешность измерений добротности варикондов с использованием импедансной приставки Agilent E4991 ARF Impedance/Material Analyzer в зависимости от частоты для различных величин добротностей измеряемых образцов [54]

Задачу осложняет необходимость подачи высоких управляющих напряжений на исследуемые образцы (сотни вольт), предназначенные для работы при повышенном уровне СВЧ мощности.

Автором разработаны резонансные устройства, обеспечивающие измерение с высокой точностью зависимостей Q(U) и C(U) варикондов и варакторов для различных частот диапазона (1 6) ГГц и с возможностью подачи напряжений управления на элемент до 1000 вольт. Измеряемые элементы располагаются вне замкнутого резонансного объма на специальном микрополосковом держателе, что исключает фазу разборки-сборки камеры и его частую калибровку. Благодаря этому, измерительное устройство может быть легко адаптировано для быстрой автоматизированной сертификации элементов различных размеров и конструкций при их серийном производстве. В работе приведены результаты измерений зависимостей Q(U) и C(U) для сегнетоэлектрических варикондов и полупроводниковых варакторов.

Как упоминалось ранее (в главе 1), точность измерения добротности конденсаторов с использованием резонансной системы, прежде всего, определяется величиной е собственной добротности Q00, которая непосредственно связана с конструкцией резонатора [72]. Погрешность измерения в основном определяется отношением добротности измеряемого Q0 объекта к собственной добротности измерительного резонатора , что делает Q необходимым стремиться к максимальным значениям Q00. Резонаторы коаксиальной конструкции позволяют обеспечить достаточно высокие величины собственной добротности при наличии грамотно разработанных цепей развязки для подачи напряжения смещения на образец. Для сохранения высокой добротности резонансной камеры, целесообразно использовать ФНЧ на основе объмных конструкций. Расчты резонансной камеры, включая элементы возбуждения и ФНЧ, были проведены на основе анализа эквивалентных схем и электродинамического расчта 3-х мерной модели (рисунок 3.2). Результаты расчтов коэффициентов передачи резонатора, представленные на рисунке 3.3, показывают, что в модели обеспечена развязка СВЧ тракта и цепей управления на уровне 80дБ, что позволяет использовать резонатор для высокодобротных измерений.

Результаты измерений керамики BaxSr1-xTiO3

Обычно используемый метод малых возмущений [25] как правило, применяемый для исследования диэлектриков с низким значением диэлектрической проницаемости, сложно осуществим для измерений нелинейных диэлектрических материалов с высоким значением диэлектрической проницаемости (є = 100-7- 1000) при соизмеримости размеров образцов с масштабом длины волны измерительного сигнала. Разработанная методика основана на измерении параметров (резонансная частота, добротность) собственных резонансов керамической структуры, размещнной в металлической камере (рисунок 4.1а).

Особенностью методики измерений, является возможность подачи управляющего напряжения на исследуемый СЭ образец. Два идентичных керамических бруска прямоугольной формы с металлизацией поверхностей в местах их контакта между собой и со стенками камеры представляют собой измеряемую резонансную структуру. На рисунке 4.1б приведено распределение постоянного электрического поля смещения за счт подачи напряжения смещения на центральный электрод относительно земли (экрана) и распределение поля для СВЧ моды (TE ) измерительного сигнала. На рисунке 4.1а приведено схематичное изображение камеры с коаксиальным фидером подачи напряжения управления и петлями связи для возбуждения по СВЧ модам измерительного сигнала. Использование несимметричных СВЧ мод типа ТЕ і о , возбуждаемых в измеряемой структуре, при симметричных относительно центрального электрода полях управления (рисунок 4.1 б) позволяют обеспечить эффективную развязку СВЧ цепи и цепи управления без использования дополнительных фильтров. Необходимо подчеркнуть, что использование указанных СВЧ мод позволяет также избежать продольных токов проводимости в центральном электроде, т.е. обеспечить условия, при которых наличие электрода практически не влияет на СВЧ потери в измеряемой структуре.

Из рисунка 4.2 по результатам моделирования видно, что для наиболее сложной с точки зрения развязки ситуации (коаксиальная линия подключается в пучность поля ТЕ моды (рисунок 4.2 б)), значение коэффициентов передачи по указанным цепям (S21 и S31) отличаются на 25 дБ.

Возбуждение резонансного объма осуществляется с помощью петель связи (рисунок 4.1), короткозамкнутых на корпус камеры, что позволяет избежать выхода из строя измерительной аппаратуры в случае высоковольтного электрического пробоя сигнала управления на элементы возбуждения. Для этой же цели дополнительно используются тефлоновые шайбы, окружающие петли возбуждения (рисунки 4.2а и 4.8).

При возбуждении резонатора в широком диапазоне частот, наблюдается спектр собственных колебаний системы, соответствующий различным модам (рисунок 4.За), что иллюстрирует расчтная частотная зависимость коэффициента передачи измерительной камеры для керамического образца длиной 100 мм с є = 430 (рисунок 4.3 б).

Измерительная камера с образцом (а), распределение поля в камере (б), результаты моделирования изоляции СВЧ канала и цепи управления при различных напряжениях управления на образцах (в)

Идентификация резонансных мод TE1 0 n проводится на основе измеренной частотной зависимости (рисунок 4.9), аналогичной теоретической (рисунок 4.3).

Таким образом, методика позволяет проводить измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь керамики в широком частотном диапазоне без замены образца, а возможность подачи напряжения управления позволяет определить полевые характеристики материала на различных частотах. Измеряя резонансные частоты собственного спектра системы можно с высокой точностью определить величину диэлектрической проницаемости образца.

Распределение электрического поля в камере с диэлектриком для ТЕї о 1 и ТЕї о 17 мод (а), частотная зависимость коэффициента передачи измерительной камеры с образцом (моделирование) (б) Тангенс угла диэлектрических потерь сегнетоэлектрического образца определяют на основе соотношения (1.6), где Q0 - измеренная величина добротности камеры с измеряемым образцом, Q00 - добротность камеры, обусловленная только металлическими потерями в е стенках, W ЖД+ЖР коэффициент включения образца в резонансную камеру, определяющий отношение энергии, запаснной в диэлектрическом образце к суммарной энергии, запасаемой в камере. Чем больше значение этого коэффициента, тем выше точность измеренных величин. Результаты моделирования показывают, что для образцов с величиной диэлектрической проницаемости свыше 150, коэффициент включения лежит в интервале 0.93 0.99 для различных типов поля, и растт с увеличением частоты, что наглядно подтверждается сравнением картины концентрации Е поля в области измеряемого образца для мод ТЕї о 1 и ТЕї о 17 (рисунок 4.3а).

Несмотря на значения близкие к единице, СВЧ потери в стенках камеры необходимо учитывать для определения 2оо в соотношении (1.6). В качестве примера, на рисунке 4.4 приведены результаты расчта резонансной частоты и добротности для различных мод при условии, что проводимость стенок камеры соответствует проводимости золота, а диэлектрик, помещнный в камеру, имеет диэлектрическую проницаемость є = 280 и тангенс угла диэлектрических потерь tgS = 0.002 не зависящий от частоты.