Акустоэлектронные изделия микросистемотехники (МСТ).
Российские ученые и специалисты – пионеры в области исследований и разработок изделий на основе объемных и поверхностных акустических волн (ОАВ и ПАВ соответственно). В частности, фундаментальные теоретические исследования были выполнены научными коллективами, возглавляемыми академиками Ю.В.Гуляевым и В.И.Пустовойтом, которые впервые в мире предложили использовать ПАВ для обработки радиосигналов. Открытие Ю.В.Гуляевым нового типа волн, названных "волнами Гуляева-Блюштейна", явилось толчком к исследованию разнообразных волн и мод в пьезоэлектриках, слоистых структурах на границах раздела. Ю.В.Гуляев и В.П.Плесский показали, что периодически неровная поверхность (покрытая, например, системой канавок) может поддерживать сдвиговую поперечную волну даже в случае изотропной подложки, т.е. без наличия пьезоэффекта. Сейчас эти волны называются "сдвиговые поверхностные волны" и широко используются в стабильных высокодобротных резонаторах. Пионерами в прикладных исследованиях ПАВ были сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (Г.К.Ульянов, Ю.Г.Смирнов, С.В.Кулаков и др.). Многие технологические вопросы производства и освоения серийного выпуска изделий на ПАВ решены в центре микросистемотехники (ЦМСТ) ОАО "Авангард". Большой вклад в разработку технологий выращивания материалов для акустоэлектроники внесли ученые Института кристаллографии им. А.В.Шубникова (РАН). Многие другие российские предприятия и учреждения также внесли значительный вклад в развитие этого перспективного направления, получившего название "Акустоэлектроника".
Поверхностные акустические волны физически представляют собой упругие колебания атомов или молекул твердого тела (см рисунок) в тонком приповерхностном слое пьезоэлектрического материала. Математически эти колебания описываются уравнением движения, которое устанавливает связь между механическими напряжениями (вызванными внешними силами) и соответствующей деформацией среды. Несмотря на разнообразие типов поверхностных акустических волн, наибольшее применение находят классические пьезоактивные рэлеевские волны. Прямой и обратный пьезоэффекты свойственны ряду природных и искусственных материалов, таких как кристаллический кварц, ниобат лития, танталат лития, пленки оксида цинка и нитрида алюминия. Все эти материалы обладают рядом специфических свойств и характеристик, принципиальных для возбуждения на них ПАВ.
Кроме названных материалов в перспективе рассматривается возможность применения синтетического пьезоэлектрика – лангасита. Этот материал не имеет фазовых переходов и остается пьезоэлектриком вплоть до температур свыше 1000°С (хотя при высоких температурах заметно возрастает затухание ПАВ). Лангасит планируется использовать при производстве пассивного датчика температуры, работающего в диапазоне -196…650°С. Разработка этого датчика должна завершиться к 2015 году.
Одной из актуальнейших задач МСТ является создание новых чувствительных элементов, в том числе акустоэлектронных, для производства на их основе различных пассивных датчиков физических величин, опрашиваемых по радиоканалу, а также производства систем радиочастотной идентификации на основе пассивных ПАВ меток. Особо следует отметить задачу производства пассивных ПЧ и ВЧ-фильтров на ПАВ со сверхмалыми потерями и высокой температурной стабильностью.
Для удовлетворения современных требований к акустоэлектронным датчикам и системам на их основе, в том числе для дистанционного измерения параметров, необходимо освоить область сверхвысоких частот (2–3 ГГц и выше). Решение этой задачи серьезно ограничено технологическими возможностями: сегодня устройства с воспроизводимыми характеристиками изготавливаются на пределе возможностей оптической фотолитографии. Дальнейшее повышение рабочих частот связано с освоением дорогостоящих субмикронных и нанотехнологий, а также соответствующего оборудования.
В России освоенные технологические процессы производства ПАВ-компонентов основаны на использовании подложек пьезоэлектрических материалов различной толщины (0,35 мм, 0,5 мм, 1,0 мм и 2,0 мм) с напылением на них электродов из ванадия, титана, золота или алюминия высотой 10–300 нм с точностью до 5 нм. Основные технологические этапы производства ПАВ-приборов и систем на их основе включают:
- изготовление чувствительных элементов на ПАВ путем нанесения наноразмерных пленок и формирования наноразмерных структур на подложках из ниобата лития, танталата лития, лангасита и пьезокварца методом фотолитографии, контроль электрических параметров;
- корпусирование чувствительных элементов ПАВ-датчиков, ПАВ-меток, сборка меток с антенной;
- автоматизированную сборку плат устройств считывания (ридеров) и компонентов на линии поверхностного монтажа, визуальный и рентгенографический контроль;
- корпусирование, программирование и тестирование ридеров для систем контроля давления, напряженно-деформированного состояния зданий и сооружений, а также систем радиочастотной идентификации;
- интеграцию систем для конкретного потребителя, испытания и контроль качества.
Выполнены ряд ОКР по проектированию и производству ПАВ-компонентов, работающих в диапазоне частот от 25 МГц до 2,5 ГГц. Разработаны технологические процессы массового производства групповым методом ПАВ-компонентов, в том числе ПАВ-фильтров и резонаторов, линий задержки на частоту до 1 ГГц и дисперсионных акустических линий задержки, созданы опытные образцы ПАВ-меток и ПАВ-сенсоров для пассивных датчиков давления и деформации. Разработки российских специалистов в области акустонаноэлектроники полностью соответствуют современным тенденциям.
Источник:
Акустоэлектронные изделия. ЭЛЕКТРОНИКА, НТБ, № 5, 2010.
http://www.electronics.ru