Исследование конструктивно-технологических особенностей проектирования высокоизбирательных фильтров на поверхностных акустических волнах в условиях крупносерийного производства

Актуальность темы

.

Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) широко используются в составе современных систем связи. Это обусловлено сочетанием уникальных электрических характеристик, временной стабильностью и высокой надежностью. Применение фильтров на ПАВ в радиоаппаратуре позволяет значительно уменьшить ее габариты, вес, упростить настройку. Такие фильтры с успехом применяются в трактах промежуточных частот и входных цепях систем связи, телевидения и радиолокации, что позволяет существенно улучшить частотно-селективные параметры систем в целом.

Возможность использования ПАВ в радиоэлектронных устройствах была показана в начале 60-х годов. Проблемам разработки моделей и конструкций в этой области посвящен большой объем исследований и публикаций. Теория фильтров на ПАВ опирается на фундаментальные работы в области физической акустики Ю. В. Гуляева, И. А. Викторова, Пустовойта В. И., Р. Уайта, и др.- в области создания физических и математических моделей — Р. Смита, К. Хартмана, Д. Моргана и др. Теории цифровых фильтров и дискретных сигналов, развитые в работах Д. Кайзера, Л. Рабинера, Б. Гоулда, Р. Хемминга, позволили применить их при проектировании конструкций фильтров на ПАВ.

В последние десятилетия достигнут значительный прогресс в применении устройств на ПАВ в технике средств связи. Однако, непрерывное совершенствование современной радиоэлектронной аппаратуры предъявляет все более высокие требования к электрическим параметрам фильтров на ПАВ. В настоящее время остается актуальной задача комплексного подхода к разработке и изготовлению фильтров на ПАВ с предельно достижимыми характеристиками в условиях серийного производства.

Проблема создания фильтров с прецизионными электрическими характеристиками связана как с вопросами их проектирования, так и совершенствованием технологического процесса. В связи с этим является актуальной задача разработки новых, более совершенных физических моделей преобразователей ПАВ, в которых минимизированы вторичные эффекты, и методов их расчета, учитывающих основные искажающие факторы.

Целью данной работы является исследование конструктивно-технологических особенностей разработки высокоизбирательных фильтров на ПАВ на основе новых физических моделей и методов проектирования, обеспечивающих предельно достижимые характеристики в условиях крупносерийного производства.

Объектами исследований являлись различные конструкции встречно-штыревых преобразователей (ВШП), а также волноводные структуры, входящие в состав устройств на ПАВ.

Основные задачи работы.

• исследование методов компенсации вторичных эффектов;

• поиск новых конструктивно-технологических решений, обеспечивающих достижение предельных характеристик в условиях крупносерийного производства;

• теоретические и экспериментальные исследования распространения ПАВ в тонкопленочных акустических волноводах;

• исследование термостабильных пьезоматериалов для проектирования узкополосных фильтров на ПАВ;

• разработка новых технологических маршрутов изготовления устройств на ПАВ.

Научная новизна работы При выполнении диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

• впервые предложена и разработана комплексная модель и метод расчета фильтров на ПАВ, одновременно учитывающий параметры материала, электрические нагрузки и геометрию преобразователей;

• на основе разработанного метода создана программа синтеза высокоизбирательных фильтров на ПАВ с произвольными АЧХ и ФЧХ, реализованная в пакете МаМСАО;

• на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований тонкопленочных акустических волноводов получены аналитические зависимости дисперсии скорости волны от апертуры, использующиеся при разработке двумерной модели преобразователя ПАВ;

• проведены экспериментальные исследования нового термостабильного среза лангасита.

Практическая ценность работы Практическая ценность работы состоит в разработке и внедрении в промышленность:

• типовой конструкции и метода расчета высокоизбирательных фильтров;

• фильтров на ПАВ для профессиональной телевизионной аппаратуры ФПЗП7−493−1, ФПЗП7−494-Э, ФТВП-1, ФТВП-3;

• телевизионных фильтров на ПАВ для УПЧИ ТВ-приемников:

— с объединенным каналом звука ФПЗП7−495−7 и ФПЗП7−495−9,.

— с квазипараллельным трактом звука ФПЗП7−464−1,2,3.

• конструкций на основе лангасита для термостабильных ПАВ-фильтров;

• рекомендаций по величине допусков на основные технологические операции;

• рекомендаций по модернизации технологических процессов изготовления фильтров на ПАВ в части режимов напыления, резки и сборки.

Научные положения, выносимые на защиту.

Автор защищает следующие основные научные положения и результаты:

• использование комплексного метода проектирования на основе квазистатической теории и Р-матричной модели ВШП увеличивает точность расчета ПАВ-фильтра;

• учет дисперсии скорости волны от апертуры ВШП и коэффициента металлизации электродной структуры позволяет реализовать малогабаритные ПАВ-фильтры волноводного типа;

• использование преобразователей с металлизацией вне зоны перекрытия обеспечивает снижение материалоемкости фильтра на 25% при сохранении совокупности электрических параметров;

• применение (0°, 140°, 26,6°)-среза лангасита при разработке термостабильных ПАВ-фильтров обеспечивает лучшие характеристики в части вносимого затухания и габаритных размеров по сравнению с 5Т-кварцем и танталатом лития.

Разработанные фильтры на ПАВ изготовлены на основе отечественных пьезоматериалов, имеют электрические характеристики, аналогичные образцам известных зарубежных фирм, а в ряде случаев их превосходят.

Настоящая работа является обобщением многолетних систематических исследований, выполненных автором.

Результаты работы внедрены на ряде промышленных предприятий, они используются в серийном производстве различных типов ПАВ-устройств в составе узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на:

— XIV Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и физической акустике твердого тела, г. Кишинев, 1989 г.;

— Международной конференции по акустоэлектронике, г. С.-Петербург, 1993 г.;

— Международной конференции «18ЕРРМА-94», г. Москва, 1994 г.;

— Научно-технической конференции «Современные телевизионные технологии. Состояние и развитие», г. Москва, 2002 г.;

— Научно-технической конференции «Перспективные направления развития электронного приборостроения», г. Саратов, 2003 г.;

— V Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации — ПТСПИ'2003», г. Владимир, 2003 г.;

— Международной научно-технической конференции «Моделирование электронных приборов и аппаратуры, обеспечение их качества и надежности. Прибор-информ'2003», Севастополь, 2003 г.;

— Второй Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», посвященной памяти М. П. Шаскольской, г. Москва, 2003 г.;

— Разработанные и серийные образцы фильтров типа ФПЗП7−495 демонстрировались на международных выставках «Телеком» г. Москва, 1996, 1998, г. Женева, 1995.

Публикация результатов исследований Основное содержание работы изложено в 32 научных трудах, в том числе 4 статьях, 12 тезисах докладов различных конференций и 16 научно-технических отчетах.

Экономический эффект и внедрение результатов работы За период 2002;03 г. суммарный выпуск разработанных фильтров.

• составил более 1,2 млн. шт., экономический эффект от внедрения результатов работ превышает 1,5 млн. рублей.

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников.

1. Отчет по НИР «Марис», Разработка фильтров на ПАВ для радиоканалов аналого-цифрового и цифрового телевизоров, Москва, НИИ «Фонон», 1990, исп. Шермагина Е.Ю.

2. Отчет по ОКР «Маус», Разработка фильтров на ПАВ для телевизионных приемников снесущей частотой изображения 45,75 МГц, Москва, НИИ «Фонон», 1990, исп. Шермагина Е.Ю.

3. Отчет по НИР «Мираж», Исследование возможности создания высокочастотныхфильтров на ПАВ с предельно достижимой совокупностью параметров, Москва, НИИ «Фонон», 1994, отв. исп. Шермагина Е.Ю.

4. Отчет ОКР «Майна-ТВЧ», Разработка полосового фильтра на ПАВ второйпромежуточной частоты для спутникового телевидения, Москва, НИИ «Фонон», 1992, исп. Шермагина Е.Ю.

5. Отчет по НИР «Мультичип», Исследование возможности создания перестраиваемыхполосовых фильтров на ПАВ, Москва, НИИ «Фонон», 1992, исп. Шермагина Е.Ю.

6. Отчет по ОКР «Салон-ПАВ-97», Разработка и поставка фильтров на ПАВ дляаппаратуры 50Э.08, Москва, ООО «БУТИС-М», 1998.

7. Отчет по ОКР «Салон-ПАВ-2000», Разработка и освоение в производстве фильтров наПАВ в корпусах для поверхностного монтажа, Москва, ООО «БУТИС-М», 2002.

8. Отчет по ОКР «Онега-ПАВ», Разработка и освоение в производстве комплекта фильтровна ПАВ, Москва, ООО «БУТИС-М», 2002.

9. Отчет по ОКР «Саяны-ПАВ-2001», Разработка и освоение в производстве комплектафильтров на ПАВ, Москва, ООО «БУТИС-М», 2003.

10. Milsom R.F. Field analysis of large weighted transducers, Proc. Ulrtasonics Symp., 1976, p. 401−405.

11. Milsom R.F., Reilly N.H.C., Redwood M. Analysis of generation and detection of surface and bulk acoustic waves by interdigital transducers, IEEE Trans., SU-24, № 3,1977, p. 147−166.

12. Hartmann C.S., Bell D.T., Rosenfeld R.S. Impulse model design of acoustic surface wave filters. IEEE Trans., MTT-21, № 4,1973, p. 162−175.

13. Танкрилл P., Холланд M. Фильтры на поверхностных акустических волнах ТИИЭР, 59, № 3,1971, с. 62−80.

14. Smith W.R., Gerard Н.М., Collins J.H., Reeder T.M., Shaw H.J. Analysis of interdigital surface wave transducers by use of an equivalent circuit model. IEEE Trans., MTT-17, № 11, 1969, p. 856−864.

15. Morgan D.P. Admittance Calculations for Non-reflective SAW Transducers. Proc. IEEE Ulrtason. Symp., 1996, p.131−135.

16. Daniel M.R., de Klerk J. Acoustic radiation measurements and calculations for three surface wave filter design. Proc. Ulrtasonics Symp., 1973, p. 449−455.

17. Голд Б., Рэйзер Ч. Цифровая обработка сигналов. Сов. Радио, М., 1973.

18. Рабинер JL, Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов, М., Мир, 1978, 848 с.

19. Parks T.W., McClellan Chebyshev approximation for non-recursive digital filters with linear phase. IEEE Trans. Circuit Theory, 19,1972, p.189−194.

20. Rabiner L.R. Techniques for designing finite duration impulse-response digital filters. IEEE «Trans. Commun. Tech., 19, 1971, p.188−195.

21. Слободник Э., Сабо Т., Лейнер К. Миниатюрные фильтры на поверхностных акустических волнах. ТИИИЭР, 1979, т. 67, № 1, с. 147−165.

22. Отчет по НИР «Заринск-М», Исследование путей создания фильтров на ПАВ для аппаратуры предприятия п/я В-2431, М., НИИ «Фонон», 1986.

23. Речицкий В. И., Кондратьев С. Н. Методы аподизации преобразователей поверхностных акустических волн. Зарубежная радиоэлектроника, № 4,1977, с. 22−45.

24. Engan Н. Interdigital transducer techniques for specialized frequency filters, Wave Electronics, 2,1976, p. 133−154.

25. Hansinger В., Kahsy R. SAW filter sampling techniques. IEEE Trans., v. SU-22, 4, 1975, p. 270.

26. Hartmann C. Weighting interdigital surface wave transducers by selective withdrawal of electrodes. Ulrtasonics symposium proceedings, 1973, p. 423.

27. Кондратьев C.H., Орлов B.C., Карпеев Д. В., Киселев C.B., Прапорщиков В. В. # Преобразователь поверхностных акустических волн. А.с. № 1 552 980 от 12.02.88.

28. Daniel M.R., de Klerk J. Acoustic radiation measurements and calculations for three surface wave filter design. Proc. Ulrtasonics Symp., 1973, p. 449−455.

29. Гуляев Ю. В., Кмита A.M., Багдасарян А. С. Преобразователи ПАВ с емкостным взвешиванием электродов. Проблемы современной радиотехники и электроники. М., 1980, с.320−325.

30. Орлов B.C., Бондаренко B.C. Фильтры на поверхностных акустических волнах, Радио и связь, 1984,272 с.

31. Parker D., Pratt R., Stevens R. A television IF acoustic surface filter on bismuth silicon oxide. Proc. IEEE, 1976, v. 64,5, p. 677.

32. Фельдштейн A. JL, Явич JI.P. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М., Связь, 1971,388 с.

33. Моле Д. Х. Расчет электрических фильтров для аппаратуры связи. М., Госэнергоиздат, 1963,332 с.

34. Синицына T.B. Автореферат кандидатской диссертации «Исследование и разработка физических методов проектирования высокоизбирательных акустоэлектронных приборов с малым вносимым затуханием», Москва, 2003.

35. Morgan D.P. Simplifications for SAW multipole resonator analysis. Bulgarian conference, Varna, 1993.

36. Шермагина Е. Ю. Метод проектирования фильтров на ПАВ с высокими селективными требованиями. Тезисы докладов научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Саратов, 2003.

37. Карпеев Д. В., Киселев C.B. Расчет и конструирование фильтров на ПАВ с произвольными АЧХ и ФЧХ. Электронная техника, Сер. Радиодетали иФ радиокомпоненты, 1985, вып.4(61), с. 43−46.

38. Отчет по НИР «Муравейник», Исследование путей построения широкополосных фильтров на ПАВ с малой неравномерностью АЧХ и ГВЗ, М., НИИ «Фонон» 1989,41с., отв. исп. Шермагина Е.Ю.

39. Отчет по НИР «Муравейник-89», Исследование широкополосных фильтров на ПАВ с малой неравномерностью АЧХ и ГВЗ, используемых в телевизионных передатчиках, М., НИИ «Фонон», 1990,37с., отв. исп. Шермагина Е.Ю.

40. Отчет по ОКР «Октава», Разработка восьми типономиналов фильтров на ПАВ с полосой пропускания 8 МГц, М., ООО «БУТИС-М», 2002, Гл. конструктор Шермагина Е.Ю.

41. Отчет по НИР «Мистерия», Исследование и разработка полосовых фильтров на ПАВ с высоким гарантированным затуханием и коэффициентом прямоугольности, Москва, НИИ «Фонон», 1995, науч. рук. Шермагина Е.Ю.

42. Фильтры пьезоэлектрические ФПЗП7−495. Технические условия 6325−001−18 497 952−00,Щ М., 2001 г.

43. Кондратьев С. Н., Карпеев Д. В., Киселев C.B., Воронков В. И., Орлов B.C., Прапорщиков В. В. Преобразователь поверхностных акустических волн. A.c. № 1 501 869 от 19.02.86.

44. Takeuchi M., Tanaka M. SAW Reflection Characteristics and NSPUDT Orientation on Langasite.- Proc. IEEE Ultrasonics Symp., 1998, p. 297−300.

45. Inoue K., Sato K. Temperature Stability of SAW on Langasite single Crystals.- Proc. IEEEUltrasonics Symp., 1998, p. 301−306.

46. Chvets V.B., Ivanov P.G. Modelling and Experimental Measurements of SAW Filters on Langasite.-Proc.IEEE Ultrasonics Symp., 1999, p.299−305.

47. Sakharov S., Senushencov P. New Date on Temperature Stability and Acoustic Losses of Langasite Crystals.- Proc. IEEE Freq. Contr. Symp., 1995, p. 647−652.

48. Отчет по ОКР «Туман», Разработка фильтра на ПАВ со специальной формой АЧХ, Москва, ООО «БУТИС-М», 2002, отв. исп. Шермагина Е.Ю.

49. Шермагина Е. Ю., Егоров Р. В. Перспективы применения лангасита в устройствах на ПАВ. Тезисы докладов 2-ой Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», Москва, 2003 г., с.374−375.

50. Речицкий В. И. Радиокомпоненты на поверхностных акустических волнах. М., Радио и связь, 1984,112с.

51. Wagers R.S. Dispersion and Multimoding in Monolithic Elastic Convolvers. IEEE Ulrtason. Symp., 1980, p.48−52.

52. Clark G., Milsom R.F. Analysis of surface acoustic wave filter by expansion in guided modes. Philips Journal of Research, 1986, v.41, № 3, p. 247−267.

53. Кандыба П. Е., Кондратьев C.H., Шермагина Е. Ю. Research and design of small-aperture SAW pass-band filter. Proc. Intern. Symp., Russia, St. Petersburg, 1993, p. 161.

54. Синицына T.B., Шермагина Е. Ю. SAW-filters using acoustic guides. Proc. Intern. Symp. ISEFPMA-94, Russia, Moscow, 1994, p. P03−28.

55. Отчет по ОКР «Малышка-88», Разработка фильтров на ПАВ с уменьшенным размером звукопровода для УПЧИ телевизионных приемников европейского и американского стандартов частот, Москва, НИИ «Фонон», 1990, отв. исп. Шермагина Е.Ю.

56. НТО по НИР «Исследование волноводных эффектов в телевизионных фильтрах на ПАВ методом их визуализации». Центр СП «Диалог» на базе МИФИ, М., 1990 г.

57. Отчет по НИР «Микроша», Исследование путей создания сверхминиатюрных пьезоэлементов ТВ-фильтров на ПАВ, Москва, НИИ «Фонон», 1990, отв. исп. щ Шермагина Е.Ю.

58. Афанасьева H.H., Кондратьев С. Н., Шермагина Е. Ю. Комбинированные методы взвешивания преобразователей ПАВ. Электронная техника, сер. Радиодетали и радиокомпоненты, вып.3(76), 1989, с.61−63.

59. Отчет по ОКР «Малютка-ПАВ», Разработка и серийное освоение телевизионных 4 фильтров ПЧ на ПАВ с уменьшенным размером звукопровода и улучшеннымпроцентом выхода годных, Москва, ООО «БУТИС-М», 2002, отв. исп. Шермагина Е.Ю.

60. Frank Z. В., Hansen К. Investigation of Diffraction Compensation at the Trap Positions for TV SAW Filters. Proc. IEEE Ultrasonics Symp., 1996, pp. 139−144.

61. Новиков B.B. Теоретические основы микроэлектроники. М., Высш. шк., 1972, гл. 4.

62. Гусева М. Б. Ионная стимуляция в процессах образования тонких пленок на поверхности твердого тела, М., МГУ, 1998.

63. Борисенко A.C., Бабыкин Н. И. Технология и оборудование для производства микроэлектронных устройств. М., Машиностроение, 1983, гл. 2.4 79. Поверхностные акустические волны. Под редакцией А. Олинера. М., Мир, 1981,390 с.

64. Моро У., Микролитография, Москва, изд. «Мир», 1990, 606 с.

65. Готра З. Ю. Технология микроэлектронных устройств, Москва, Радио и связь, 1991, 528 с.

66. Фильтры на поверхностных акустических волнах, под ред. Г. Меттьюза, М., 1981,472 с.

67. Шермагина Е. Ю., Цветков П. В., Саввина О. В., Хлебушкин A.B. Технологические особенности крупносерийного изготовления фильтров на ПАВ для телевизионных приемников. Электронная промышленность, 2003, № 4, с. 42−46.

68. Шермагина Е. Ю., Багдасарян A.C., Машинин О. В., Орлов М. М. Фильтры на ПАВ для усилителей промежуточной частоты изображения цветных телевизионных приемников. Электронная промышленность, 2003, № 4, с. 37−41.Щ.