Объемный тонкопленочный акустический резонатор — thin-film bulk acoustic resonator

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важных компонентов современной электроники являются резонаторы и фильтры
на акустических волнах различных типов – объемных (ОАВ), поверхностных рэлеевского
и SH-типов, Лэмба и др. . На сегодняшний день наиболее широкое применение нашли резонаторы на поверхностных
акустических волнах (ПАВ, в англоязычной литературе SAW), обладающие хорошей воспроизводимостью
и совместимые с массовыми технологиями, применяемыми в микроэлектронике. Во второй
половине 20 в. подложки обычно изготавливали из материалов с хорошими акустическими
свойствами, обладавших собственным пьезоэлектрическим эффектом, в числе которых наибольший
интерес вызывали пьезокварц, лангасит и лангатат, ниобат и танталат лития, германо-
и силикосиллениты. Продвижение в область от сотен мегагерц до десятков гигагерц потребовало
пересмотра как технологических подходов, так и критериев выбора материалов. В частности,
известны кварцевые резонаторы с обратной меза-структурой, обеспечившие продвижение
в область частот до 400 МГц []. Однако дальнейшее повышение операционных частот акустоэлектронных устройств, реализуемых
на кварце, ограничивалось уже относительно высоким акустическим затуханием в данном
материале на частотах 1–2 ГГц. Поэтому на рубеже 20–21 вв. обозначился интерес к тонкопленочным
(Film Bulk Acoustic resonator, FBAR), композитным (High overtone Bulk Acoustic Resonator,
HBAR) резонаторам и резонаторам с брэгговской отражательной структурой (Solidly Mounted
Resonator – SMR) []. Во всех типах резонаторов используются объемные акустические волны. В тонкопленочных
и SMR-резонаторах в качестве резонансного элемента использовали пьезоэлектрическую
пленку из оксида цинка ZnO или нитрида алюминия AlN, возбуждаемую на основном резонансе,
в композитных эксплуатируется сочетание хороших акустических свойств высокодобротной
подложки с эффективными пьезоэлектрическими свойствами ZnO или AlN в качестве тонкопленочного
пьезоэлектрического преобразователя (ТПП), при этом удается обеспечить возбуждение
таких резонаторов на высших обертонах и получить наиболее высокие операционные частоты
. Поскольку объемные акустические волны локализованы внутри подложки, у таких устройств
имеется качественное преимущество по сравнению с ПАВ-устройствами, где воздушная нагрузка
становится существенным фактором акустических потерь, в особенности на СВЧ. Актуальным
направлением современных исследований является применение акустических резонаторов
в качестве биологических и физико-химических сенсоров

Для всех названных типов устройств имеет важное значение технология тонких пленок
AlN. Нитрид алюминия отличается высокой скоростью звука (~10 000 м/с), твердостью,
электрической прочностью (>2 × 107 В/см), электрическим сопротивлением (1013 Ом см), хорошей теплопроводностью (~200 Вт/см), а также стабильностью при высоких
температурах (до 600°C)

Однако его пьезоэлектрические характеристики несколько уступают наблюдаемым в пленках
ZnO. Одним из перспективных материалов, изоструктурных нитриду алюминия, является
нитрид алюминия–скандия (Al1 – xScxN, ASN), пьезомодуль которого может достигать 23−24 пКл/Н, что в три раза больше,
чем у AlN . Известно применение пленки Al0.65Sc0.35N в качестве резонансного элемента FBAR с частотой возбуждения ~2 ГГц, где было показано,
что коэффициент электромеханической связи (КЭМС) превышает соответствующее значение
для AlN в 2.6 раза []. Однако применение пленок ASN в качестве ТПП в составе композитных ОАВ-резонаторов
на СВЧ до сих пор исследовано не было. Отметим также, что существенное влияние на
пьезоэлектрические, диэлектрические и упругие свойства оказывает концентрация скандия
в твердом растворе Al1 –xScxN, вплоть до исчезновения пьезоэлектричества в чистом SсN.

Приложения

Во многих приложениях температурный режим, стабильность в зависимости от времени, сила и чистота желаемой резонансной частоты формируют основу для работы приложений, основанных на резонаторах FBAR. Выбор материалов, компоновка и конструкция резонаторных структур влияют на рабочие характеристики резонатора и окончательные характеристики приложения. Механические характеристики и надежность определяются упаковкой и структурой резонаторов в приложениях.

Обычное применение FBAR — фильтры радиочастоты (RF). для использования в сотовые телефоны и другие беспроводные приложения, такие как определение местоположения (GPS, Глонасс, BeiDou, Галилео (спутниковая навигация) так далее.), Вай фай системы, малогабаритные ячейки и модули для тех. Такие фильтры состоят из сети резонаторов (либо в полурастной, полной лестничной, решетчатой ​​или многослойной топологиях) и предназначены для удаления нежелательных частот из передачи в таких устройствах, позволяя принимать и передавать другие определенные частоты. Фильтры FBAR также можно найти в дуплексеры. Фильтры FBAR дополняют поверхностная акустическая волна (SAW) фильтры в областях, где повышенная мощность обработки, и электростатический разряд (ESD) толерантность необходима. Частоты более 1,5 ГГц хорошо подходят для устройств FBAR. Поскольку FBAR на кремниевой подложке могут производиться в больших объемах и поддерживаются всеми разработками изготовление полупроводниковых приборов методы. Будущие требования новых приложений, таких как фильтрация полосы пропускания с крутым полоса задерживания затухание влияет на характеристики резонатора и показывает необходимые этапы разработки.

FBAR также могут использоваться в генераторах и синхронизаторах для замены кристалла / кристалла в приложениях, где одной из целей производительности являются частоты более 100 МГц и / или очень низкий джиттер..

FBAR применимы для сенсорных приложений. Например, когда устройство FBAR подвергается механическому давлению, его резонансная частота сдвигается. Определение влажности и летучие органические соединения (ЛОС) демонстрируются с помощью FBAR. Матрица тактильных датчиков также может состоять из устройств FBAR, а гравиметрическое зондирование может быть основано на резонаторах FBAR.

FBAR также можно интегрировать с усилителями мощности (PA) или малошумящими усилителями (LNA), чтобы сформировать либо модульное решение, либо монолитное интегрированное решение на одной подложке с соответствующими электронными схемами. Типичными модульными решениями являются усилители мощности-дуплексер модуль (PAD) или малошумящий модуль усилителя-фильтра, где FBAR (ы) и соответствующие схемы упакованы в одном корпусе, возможно, на отдельной модульной подложке.

FBAR могут быть интегрированы в комплексную коммуникацию, например, модули SimpleLink, чтобы избежать требований к площади / пространству внешнего кристалла в корпусе. Поэтому технология FBAR играет ключевую роль в электронике. миниатюризация особенно в приложениях, где необходимы генераторы и точные фильтры с высокими характеристиками.

РЕЗУЛЬТАТЫ

На приведены результаты измерения акустических характеристик композитных ОАВ-резонаторов
на алмазных подложках различной толщины с ТПП на основе пленок ASN с различным содержанием
скандия 30, 34 и 36% в сравнении с пленкой AlN. Параметры резонаторов указаны в . Чередование максимумов и минимумов на зависимостях добротности от частоты обусловлено
особенностями возбуждения ТПП на подложке: максимумы соответствуют возбуждению ТПП
на частотах, где его толщина близка к значению pλ/2 (λ – длина акустической волны, p = 1, 2, 3, …), и, напротив, на частотах, где толщина ТПП близка к значению (2p − 1)λ/4, наблюдаются минимумы добротности. Следует также отметить, что при условии,
когда толщина ТПП близка к pλ, преобразователь не будет возбуждаться вследствие “выключения” пьезоэлектрического
эффекта []. Как следует из а, добротность ОАВ-резонатора с пленкой ASN (концентрация Sc 36%) в области низких
частот (~250 МГц) достигает величины ~57 000 c уменьшением в области высоких частот.
Такое поведение, как и в резонаторах со структурой “Al/AlN/Mo/(100) алмаз”, обусловлено
изменением характера фонон–фононного взаимодействия в алмазе, связанным с переходом
от механизма акустического затухания Ахиезера к механизму Ландау–Румера []

Для последнего имеет место зависимость параметра качества Qf ~ f, прямо пропорциональная частоте [], что непосредственно следует из б, если принимать во внимание максимальные значения Qf. Некоторые отклонения от данной тенденции в высокочастотной области можно объяснить
особенностями применения резонансной методики, поскольку результаты в некоторой степени
зависят от выбора площади апертуры ТПП и, соответственно, величины С

Поскольку композитный ОАВ-резонатор как инструмент измерения акустических параметров
пленок и подложек обладает уникально широкой областью операционных частот, его электрическое
согласование с измерительной системой при данной конфигурации ТПП невозможно осуществить
во всем диапазоне, в результате чего измеряется нагруженная добротность, которая,
как правило, меньше истинного значения. в представляет зависимость нагруженной добротности для ряда ОАВ-резонаторов с ТПП
из ASN и AlN в области 13−20 ГГц. Отсюда ясно, что возбуждение композитных ОАВ-резонаторов
с алмазными подложками и ТПП из ASN реализуется вплоть до частоты 20 ГГц с уровнем
добротности ~15 000, т.е. значение параметра качества Qf ≈ 3 × × 1014 Гц вполне сопоставимо с аналогичным для композитных ОАВ-резонаторов с алмазными подложками
и ТПП из AlN [].

Рис. 3.

Сравнение частотных зависимостей акустических параметров композитных ОАВ-резонаторов
на алмазных подложках с применением ТПП на основе ASN и AlN: (а) нагруженная добротность
в диапазоне 0–10 ГГц, (б) параметр качества, (в) нагруженная добротность в диапазоне
13–20 ГГц.

Анализируя , можно видеть, что от пьезоэлектрических свойств пленки зависит в первую очередь
величина эффективного КЭМС ОАВ-резонатора, возрастающая при увеличении концентрации
скандия. Практически важным следствием является увеличение амплитуды и отношения сигнал/шум
в сравнении с ОАВ-резонаторами со структурой “Al/AlN/Mo/(100) алмаз” при одном и том
же уровне мощности входного сигнала. Получено, что для ПСС на основе ASN максимальная
величина эффективного КЭМС больше чем на порядок превышает соответствующее значение
в чистом нитриде алюминия. К настоящему времени известно, что пьезоэлектрический модуль
d₃₃ в ASN возрастает более чем в четыре раза по сравнению с AlN при увеличении концентрации
скандия от нуля до предельного значения ~43%, при котором пленка нитрида алюминия–скандия
еще сохраняет пьезоэлектрические свойства [].

Рис. 4.

Частотные зависимости эффективного КЭМС композитных ОАВ-резонаторов на алмазных подложках
с применением ТПП на основе нитрида алюминия–скандия для различных концентраций скандия
в сравнении с ТПП из AlN.

Примем во внимание, что для материального КЭМС пьезоэлектрической пленки со структурой
вюрцита имеет место соотношение

С₃₃₃₃d₃₃

Пьезоэлектричество в тонких пленках

Кристаллографическая ориентация тонкой пленки зависит от выбранного пьезоматериала и многих других элементов, таких как поверхность, на которой выращивается пленка, а также различные производственные — рост тонкой пленки — условия (выбранные температуры, давление, используемые газы, условия вакуума и т. Д.).

Любой материал, такой как цирконат-титанат свинца (PZT) или титанат бария-стронция (BST) из списка пьезоэлектрических материалов, может действовать как активный материал в резонаторе FBAR. Однако два составных материала — нитрид алюминия (AlN) и оксид цинка — являются двумя наиболее изученными пьезоэлектрическими материалами, изготовленными для реализации высокочастотных FBAR. Это связано с тем, что такие свойства, как стехиометрия двух составных материалов, легче контролировать по сравнению с тремя составными материалами, изготовленными методами тонкой пленки. Например, известно, что тонкая пленка ZnO с осью C кристаллической структуры (кристаллической осью Z), перпендикулярной поверхности подложки, возбуждает продольные (L) волны. Сдвиговые (поперечные) (S) волны возбуждаются, если ось C кристаллической структуры пленки наклонена на 41º. Также возможно — в зависимости от кристаллической структуры пленки — обе волны (L и S) возбуждаются. Поэтому понимание и контроль кристаллической структуры производимой пьезоэлектрической пленки имеет решающее значение для работы FBAR.

Для высокочастотных целей, таких как фильтрация сигналов, эффективность преобразования энергии является наиболее важным параметром, поэтому продольные (L) волны предпочтительны и предназначены для использования

Для целей измерения и приведения в действие структурная деформация может быть более важной, чем эффективность преобразования энергии, и возбуждение сдвиговой волны будет целью производства пьезоэлектрической пленки.. Несмотря на более низкий коэффициент электромеханической связи по сравнению с оксидом цинка, AlN с более широкой запрещенной зоной стал наиболее часто используемым материалом в промышленных приложениях, которые требуют широкой полосы пропускания при обработке сигналов

Совместимость с кремниевой интегральной схемой обеспечивает поддержку AlN в продуктах на основе резонаторов FBAR, таких как радиочастотные фильтры, дуплексеры, радиочастотные усилители мощности или радиочастотные приемные модули.

Несмотря на более низкий коэффициент электромеханической связи по сравнению с оксидом цинка, AlN с более широкой запрещенной зоной стал наиболее часто используемым материалом в промышленных приложениях, которые требуют широкой полосы пропускания при обработке сигналов. Совместимость с кремниевой интегральной схемой обеспечивает поддержку AlN в продуктах на основе резонаторов FBAR, таких как радиочастотные фильтры, дуплексеры, радиочастотные усилители мощности или радиочастотные приемные модули.

Тонкопленочные пьезоэлектрические датчики могут быть основаны на различных пьезоэлектрических материалах в зависимости от применения, но предпочтение отдается двум составным пьезоэлектрическим материалам из-за простоты изготовления.

Резонирующий тонкопленочный объемный акустический резонатор квадратной формы

Легирование или добавление новых материалов, таких как скандий (Sc), — это новые направления для улучшения свойств материала AlN для FBAR. Было продемонстрировано, что исследования новых электродных материалов или материалов, альтернативных алюминию, например, путем замены одного из металлических электродов очень легкими материалами, такими как графен, для минимизации нагрузки на резонатор, позволяют лучше контролировать резонансную частоту.

Основные серии керамических резонаторов и их особенности

Фирмой Murata выпускается большое количество серий керамических резонаторов, предназначенных для работы как в мегагерцовой, так и килогерцовой части частотного диапазона. Характеристики некоторых из них представлены в таблице 4.

Таблица 4. Технические характеристики керамических резонаторов Murata Ceralock

Серии CSTCC/E/G/R/W. Резонаторы этой серии трехвыводные, имеют малые размеры корпуса и низкий профиль. Предназначены для поверхностного монтажа. Кроме того, серия имеет встроенный внутри корпуса нагрузочный конденсатор, что позволяет уменьшить количество деталей на схеме. При установке резонатора не требуется никаких дополнительных регулировок.

Основные сферы применения: использование в схемах задающих генераторов различных устройств, таких, как видеокамеры, DVD-проигрыватели, CD-ROM, HDD, автомобильная электроника.

Серия CSACV/W. Особенностью серии является наличие широкого частотного диапазона и малые размеры корпуса. При установке не требуется никаких дополнительных регулировок. Сферы применения: тактовые генераторы микропроцессоров, автомобильная электроника. При монтаже необходимо уменьшить избыточное напряжение на корпус элемента.

Серия CSTLS. Трехвыводная, имеет радиальное расположение выводов. Внутри резонатора размещен нагрузочный конденсатор, поэтому не требуется размещения дополнительных элементов на схеме. Серия имеет малый допуск по температурной стабильности в широком диапазоне.

Серия CSALS. Выводная, имеет высокую температурную стабильность, малые размеры корпуса и вес. Резонаторы этой серии устойчивы к вибрационным нагрузкам. Применяются в тактовых генераторах микропроцессоров, мультивибраторах и генераторах гармонических колебаний.

Серия CSBFB. Предназначена для работы в килогерцовой части ВЧ-диапазона. Серия допускает кратковременный перегрев корпуса во время пайки, предназначена для автоматического монтажа, не требует никаких регулировок частоты. Применяется в схемах тактовых генераторов.

Серия CSBLA. Особенности серии: работает в широком температурном интервале. Резонаторы миниатюрны и имеют малый вес, хорошо выдерживают вибрационные нагрузки. Сферы использования: системы дистанционного управления, генераторы частот, тактовые генераторы.

Приложения

Во многих приложениях температурный режим, стабильность в зависимости от времени, сила и чистота желаемой резонансной частоты формируют основу для работы приложений, основанных на резонаторах FBAR. Выбор материалов, компоновка и конструкция резонаторных структур влияют на рабочие характеристики резонатора и окончательные характеристики приложения. Механические характеристики и надежность определяются упаковкой и структурой резонаторов в приложениях.

Обычное применение FBAR — фильтры радиочастоты (RF). для использования в сотовые телефоны и другие беспроводные приложения, такие как определение местоположения (GPS, Глонасс, BeiDou, Галилео (спутниковая навигация) так далее.), Вай фай системы, малогабаритные ячейки и модули для тех. Такие фильтры состоят из сети резонаторов (либо в полурастной, полной лестничной, решетчатой ​​или многослойной топологиях) и предназначены для удаления нежелательных частот из передачи в таких устройствах, позволяя принимать и передавать другие определенные частоты. Фильтры FBAR также можно найти в дуплексеры. Фильтры FBAR дополняют поверхностная акустическая волна (SAW) фильтры в областях, где повышенная мощность обработки, и электростатический разряд (ESD) толерантность необходима. Частоты более 1,5 ГГц хорошо подходят для устройств FBAR. Поскольку FBAR на кремниевой подложке могут производиться в больших объемах и поддерживаются всеми разработками изготовление полупроводниковых приборов методы. Будущие требования новых приложений, таких как фильтрация полосы пропускания с крутым полоса задерживания затухание влияет на характеристики резонатора и показывает необходимые этапы разработки.

FBAR также могут использоваться в генераторах и синхронизаторах для замены кристалла / кристалла в приложениях, где одной из целей производительности являются частоты более 100 МГц и / или очень низкий джиттер..

FBAR применимы для сенсорных приложений. Например, когда устройство FBAR подвергается механическому давлению, его резонансная частота сдвигается. Определение влажности и летучие органические соединения (ЛОС) демонстрируются с помощью FBAR. Матрица тактильных датчиков также может состоять из устройств FBAR, а гравиметрическое зондирование может быть основано на резонаторах FBAR.

FBAR также можно интегрировать с усилителями мощности (PA) или малошумящими усилителями (LNA), чтобы сформировать либо модульное решение, либо монолитное интегрированное решение на одной подложке с соответствующими электронными схемами. Типичными модульными решениями являются усилители мощности-дуплексер модуль (PAD) или малошумящий модуль усилителя-фильтра, где FBAR (ы) и соответствующие схемы упакованы в одном корпусе, возможно, на отдельной модульной подложке.

FBAR могут быть интегрированы в комплексную коммуникацию, например, модули SimpleLink, чтобы избежать требований к площади / пространству внешнего кристалла в корпусе. Поэтому технология FBAR играет ключевую роль в электронике. миниатюризация особенно в приложениях, где необходимы генераторы и точные фильтры с высокими характеристиками.

НИ-8 12,73 МГц

Алексей Абызов прислал фотографии старого кварца в необычном исполнении. Частота не маркирована, но по результатам измерений — 12,73 МГц.

Загадочный резонатор, в массивном металлическом корпусе с ламповым цоколем.

Из маркировки только невнятное «Г840» :

Первый этап вскрытия закончился довольно зверским отрыванием цоколя от внутренней части, но. это не приблизило меня к разгадке содержимого. Основная часть запаяна, выходит лишь два провода, один из которых контактирует с корпусом. Внутренний объём, по всей вероятности, герметизирован.

Прибегать к более деструктивным методам я не решился.

Ни параметры, ни производитель, к сожалению, не известны. Косвенно — известно, что резонаторы в таком корпусе выпускал ленинградский завод имени Козицкого.

Кварц с неизвестными параметрами. В коллекцию он попал, поскольку это пока самый ранний известный мне кварцевый резонатор в «классическом» металлическом корпусе, таком же, как у широко распространенных ныне РК-170, РК-171, РГ-08 и тому подобных.

(фото Игоря Еремина)

По крайней мере, судя по справочному листу, она лежит в диапазоне от 14 до 50 МГц.

Производитель — «Завод точных приборов» при НИИ точных приборов, ныне он называется «Этна».

(фото Игоря Еремина)

(фото Игоря Еремина)

Принцип работы резонатора

Когда работает двигатель, в выпускной коллектор из цилиндров через клапаны поступает горячий газ. Поток объединяется в приемной трубе и с большой скоростью поступает в катализатор. На этом этапе происходит нейтрализация ядовитых веществ, входящих в состав выхлопных газов.

Далее этот поток (а он до сих пор не успевает остудиться и замедлиться) попадает в емкость малого глушителя. Температура выхлопа в этом узле еще достигает показателя более 500 градусов по Цельсию.

В полости резонатора имеется несколько перегородок и перфорированных труб, установленных напротив стенок этих перемычек. Когда из основной трубы газ поступает в первую камеру, поток ударяется о перемычку и отражается от нее. Далее он сталкивается с новой порцией выхлопных газов, и часть объема поступает через перфорированную трубу в следующую камеру, в которой происходит аналогичный процесс.

Когда выхлоп попадает в резервуар, поток смешивается и проходит несколько стадий отражения от перемычек, происходит поглощение звуковых волн и газ постепенно остывает. Далее он по выхлопной трубе поступает в основной глушитель, где происходит идентичный процесс, только с большим количеством ступеней. В нем происходит окончательное охлаждение газа и стабилизация звуковой волны.

От пропускной способности этого элемента зависит КПД двигателя. Чем меньше сопротивление выхлопа, тем легче отработанные газы удаляются из цилиндров, благодаря чему коленвалу легче вращаться, и ему не нужно использовать часть энергии на удаление продуктов горения. Эта особенность используется для создания спортивных выхлопных систем. По этой причине такие машины очень громко работают. Однако полностью эту деталь удалять из системы нельзя, так как без выхлопной системы машина будет менее динамичной.

Подробней о работе выхлопной системы и резонаторе в отдельности рассказывается в данном видео:

Теория ДВС Часть 2: Выпуск — от паука до выхода

ТИПЫ РЕЗОНАТОРОВ

Подобно множеству деталей резонаторы подразделяются на типы, зависящие непосредственно от двигателей ТС. Данные детали должны соответствовать либо 2-тактному, либо 4-тактному двигателю. С помощью испытаний были подведены следующие итоги:

• если деталь взаимодействует с 4-тактным – обороты двигателя сокращаются;
• при изъятии детали обороты мотора увеличиваются.

В случае с 2-хтактным двигателем все происходит наоборот. Если убрать этот элемент – мощность мотора снижается, а значит, расход топлива становится больше. Данная трата безосновательна, владелец ТС будет вынужден совершать переплату при меньшей скорости автомобиля.

Для чего он нужен?

В системе, обеспечивающей вывод сгоревших газов, резонатор обеспечивает своевременный вывод газообразной смеси из камеры мотора.

Значительная часть автомобильных специалистов уверена, что от качественности этой детали во многом зависит уровень полезной мощности, что предоставляет силовой узел.

Именно поэтому спортивные авто всегда поддаются модернизации: стандартную модель резонатора, который входит в базовую комплектацию, заменяют более совершенным вариантом.

Для того чтобы основной поток выхлопной смеси от мотора попадал сразу именно на эту деталь, ее размещают сразу за прямотоком. В результате этого, чем качественней и функциональней будет запчасть, тем более высокими будут общие ходовые качества транспортного средства.

Кроме того, наличие такой запчасти существенно снижает уровень выброса вредных газов в окружающую среду.

Подводим итоги

Если у Вашего автомобиля снизилась мощность силового узла, Вы слышите дребезжание и неприятный металлический шум, появился резкий запах выхлопных газов, то мы рекомендуем приехать к нам на бесплатную диагностику, чтобы определить источник проблемы и рационально решить его. Оптимизирование выхлопной системы- основное поле нашей специализации, поэтому грамотные мастера смогут предложить Вам несколько путей решения проблемы, учитывая Ваши пожелания и бюджет. Ждем Вас по адресу: г. Москва, Сокольнический Вал 1, кор 1, или Вы можете уточнить вопросы по телефону +7-903-129-20-00 или заполнить форму обратной связи на нашем сайте и мы Вам перезвоним!

Резонаторы — фото,видео,инстаграм

Также, Вы можете прочитать Спорт катализатор.