Тонкопленочные СВЧ резонаторы на объемных акустических волнах (ОАВ), широко используются в современной радиоэлектронной аппаратуре [1-5]. Одна из распространенных конструктивных разновидностей данного типа резонаторов построена на основе электроакустического преобразователя (пьезоэлектрический слой и два металлических электрода), акустически изолированного от подложки с помощью Брэгговского акустического отражателя [1, 2, 6]. Резонаторы на ОАВ используются в полосовых фильтрах [1, 2], генераторах сигналов [3] и сенсорах с частотным выходным сигналом [4, 5]. При разработке резонаторов на ОАВ и устройств на их основе необходимо знать связь между их конструктивными параметрами и свойствами используемых материалов с одной стороны и характеристиками резонатора с другой стороны. Одним из путей решения данной задачи является использование модели Баттерворта-ван Дайка [6, 7], в которой структура резонатора заменяется эквивалентной электрической схемой, состоящей из элементов с сосредоточенными параметрами. Классическая эквивалентная электрическая схема ОАВ резонатора (рис.1) содержит четыре элемента: статическую емкость (C₀), динамическое сопротивление (R_m), динамическую индуктивность (L_m) и динамическую емкость (C_m). Данная модель полностью описывает характеристики СВЧ резонатора вблизи резонансного промежутка без учета потерь в тонкопленочных электродах и в пьезоэлектрическом слое. При этом, статическая емкость представляет собой собственную емкость пьезоэлектрического слоя, расположенного между двумя электродами, а динамические параметры характеризуют электроакустические свойства пьезоэлектрического слоя [8]. Динамическое сопротивление характеризует акустическое затухание в пьезоэлектрическом слое, динамическая индуктивность учитывает упругие свойства, а динамическая емкость - механическую инерцию пьезоэлектрического слоя. Значения параметров элементов эквивалентной схемы резонатора также зависят от конструктивных параметров резонатора [9], среди которых важным является площадь верхнего электрода электроакустического преобразователя. Для тонкопленочных ОАВ резонаторов этот вопрос до настоящего времени подробно не рассматривался. В связи с этим целью работы является определение зависимости параметров элементов эквивалентной схемы СВЧ резонатора с Брэгговским акустическим отражателем от площади верхнего электрода электроакустического преобразователя.

Рис.1. Эквивалентная электрическая схема СВЧ резонатора.

Для исследования влияния площади верхнего электрода на значения параметров элементов эквивалентной схемы СВЧ резонатора с Брэгговским акустическим отражателем были изготовлены опытные образцы резонаторов. Электроакустический преобразователь резонатора был выполнен на основе пленки оксида цинка с двумя алюминиевыми электродами. Со стороны нижнего электрода располагался Брэгговский отражатель на основе 5 пар слоев молибдена и алюминия, который находился на ситалловой подложке. Площадь верхнего электрода варьировалась в диапазоне 0,01-0,04 мм². Электрические характеристики тонкопленочного СВЧ резонатора исследовались с помощью векторного анализатора цепей E5071C фирмы Agilent Technology с использованием измерительных зондов G-S-G.

На рис.2а приведены измеренные частотные зависимости входной активной проводимости (G) и входной реактивной проводимости (B) СВЧ резонатора. Максимальное значение активной проводимости G_max = 31,43 мСм получено на частоте 2,978 ГГц. На рис.2б представлена измеренная частотная зависимость модуля входного электрического импеданса резонатора, которая показала наличие двух резонансов - последовательного на частоте 2,978 ГГц и параллельного на частоте 2,989 ГГц. Небольшой резонансный промежуток (~ 11 МГц) связан с малым значением коэффициента электромеханической связи пленки оксида цинка. Частотные зависимости активной и реактивной проводимости, и модуля электрического импеданса характерны для тонкопленочных резонаторов на ОАВ [1].

Рис.2. Электрические характеристики СВЧ резонатора с Брэгговским отражателем.

Значения эквивалентных динамических параметров тонкопленочных СВЧ резонаторов рассчитываются по известным формулам [10-11]:

, (1) , (2) , (3)

где f_s и f_p - частоты последовательного и параллельного резонансов, соответственно; G_max - значение активной проводимости на частоте последовательного резонанса. Величина статической емкости C₀ была экспериментально измерена для каждого вида резонатора. Зависимость статической емкости от площади верхнего электрода представлена на рис.3. Из графика видно, что с увеличением площади верхнего электрода линейно возрастает значение статической емкости резонатора в 3,9 раза.

С учетом измеренных параметров G_max, f_s, f_p и C₀, а также с использованием формул (1) - (3), были рассчитаны зависимости эквивалентных динамических параметров от площади верхнего электрода, рис.4-6. Из полученных результатов видно, что с увеличением площади верхнего электрода от 0,01 до 0,04 мм² (в 4 раза) динамическая емкость увеличивается в 3,1 раза и значения динамического сопротивления и индуктивности уменьшаются, соответственно, в 2,9 и 3,1 раза. Необходимо отметить, что при увеличении площади электрода от 0,035 до 0,04 мм², значения динамического сопротивления практически не изменяются. Таким образом, варьируя площадь верхнего электрода можно получать СВЧ резонаторы с нужными эквивалентными электрическими параметрами. Представленный алгоритм позволяет определять значения эквивалентных параметров резонатора при значениях площади верхнего электрода, находящихся вне рассматриваемого диапазона.

резонатор пьезоэлектрическая пленка оксид цинк

Выводы

Изготовлены и исследованы опытные образцы СВЧ резонаторов с Брэгговским отражателем на основе 5 пар слоев Mo и Al. Рассмотрена эквивалентная электрическая схема резонатора. Рассчитаны значения эквивалентных электрических параметров реальных тонкопленочных резонаторов от площади верхнего электрода электроакустического преобразователя. Установлено, что при увеличении площади верхнего электрода значения статической и динамической емкостей увеличиваются в 3,9 и 3,1 раза, при этом динамическое сопротивление и индуктивность уменьшаются в 2,9 и 3,1 раза, соответственно.

Полученные результаты исследований могут быть использованы при разработке тонкопленочных СВЧ резонаторов и фильтров на их основе с целью оптимизации конструктивных размеров резонаторов.

Библиографический список