Приборы с акустическим переносом заряда
1. Техническое описание
Всякое акустоэлектронное устройство состоит из простейших элементов -
электроакустических преобразователей и звукопроводов. Кроме того,
применяются отражатели, резонаторы, многополосковые электродные структуры,
акустические волноводы, концентраторы энергии и фокусирующие устройства, а
также активные, нелинейные и управляющие элементы. Для возбуждения и приема
объемных волн в акустоэлектронике используются пьезоэлектрические
преобразователи: пьезоэлектрические пластинки (на частотах до 100 МГц),
пьезополупроводниковые преобразователи с запирающим или диффузионным слоем
(в диапазоне частот 50-300 МГц), пленочные преобразователи (на частотах
выше 100 МГц). Гиперзвуковые волны часто возбуждаются с поверхности
пьезоэлектрического звукопровода, торец которого для этих целей помещают в
зазор СВЧ-резонатора или замедляющую СВЧ-систему. Для возбуждения и приема
ПАВ используются главным образом встречно-штыревые преобразователи,
представляющие собой периодическую структуру металлических электродов,
нанесенных на пьезоэлектрический кристалл. На основе перечисленных
элементов создаются различные акустоэлектронные устройства. К линейным
пассивным акустоэлектронным устройствам относят устройства частотной
фильтрации (фильтры), акустические линии задержки, согласованные
(оптимальные) фильтры, или дисперсионные линии задержки, кодирующие и
декодирующие устройства. Наибольшее распространение получили акустические
фильтры (пьезоэлектрические, электромеханические, фильтры на объемных
волнах и ПАВ). Опи применяются в различных системах связи от радиовещания и
телевидения до космической связи и радиолокации для выделения полезного
сигнала на фоне помех, для интегрирования (накапливания) сигнала с
определенными характеристиками, для изменения частотного спектра сигнала.
Акустические линии задержки изготавливаются на времена задержки от
нескольких нс до десятков мс с рабочими частотами от нескольких МГц до
нескольких ГГц. Дисперсионные линии задержки, в которых время задержки
зависит от частоты, применяются в качестве оптимальных фильтров для
обработки линейно частотно-модулированных сигналов. Включение активных
элементов в акустические линии задержки позволяет усиливать акустические
сигналы и превращает их в активные устройства. Усиление УЗ-сигнала может
осуществляться сверхзвуковым дрейфом носителей. Режим усиления при
определенных условиях может быть переведен в режим генерации УЗ-волны. Этот
эффект используется для создания акустоэлектронных генераторов
монохроматических сигналов и сигналов со сложным спектром.
Акустоэлектронное взаимодействие (АЭВ) - взаимодействие акустических волн с
электронами проводимости в полупроводниках и металлах. Смещение атомов
решетки, вызванное УЗ-волной, приводит к изменению внутрикристаллических
полей, что сказывается на распределении и характере движения электронов
проводимости. В свою очередь перераспределение электронов и их направленное
движение изменяют картину деформаций, а следовательно, и характер
распространения акустической волны в кристалле.
При АЭВ происходит обмен энергией и импульсом между УЗ-волной и электронами
проводимости. Передача энергии от волны к электронам приводит к
дополнительному электронному поглощению УЗ, а передача импульса - к
акустоэлектрическому эффекту. Когда в проводнике имеет место направленное
движение электронов со сверхзвуковой скоростью, они отдают часть энергии
своего направленного движения волне, в результате чего возникает усиление
УЗ. Кроме того, вследствие АЭВ в проводниках возникает ряд специфических
механизмов нелинейности акустических волн, обусловливающих разнообразные
нелинейные эффекты.
AЭВ представляет собой взаимодействие электронов с колебаниями
длинноволновой части акустического спектра (h([pic], [pic]vв-. Сила, действующая на носители со
стороны нарастающего фононного потока, имеет направление, противоположное
дрейфу носителей. В результате происходит их эффективное торможение,
приводящее к неоднородному перераспределению электрического поля в образце
и падению полного тока в нем. На опыте этот эффект обычно наблюдается но
отклонению электрического тока через образец от его омического значения
J0=(UL, где U - приложенное к образцу напряжение. Для комнатных температур,
когда длина свободного пробега электрона много меньше длины волны (kle<<1),
коэффициент поглощения имеет вид
[pic]
(13)
где K2=4(2(2/(0(vs2 коэффициент электромеханической связи.
[pic]
(14)
I=0.5c(0(2s0
(15)
На высоких частотах, rд=((0ve/4(e n0 (rд – радиус Дебая-Хюккеля, ve -
тепловая скорость электрона, n0 - плотность электронов), степень
экранирования принимает большие значения. Следующий график показывает
зависимость акустоэдс от частоты падающего излучения:
[pic]
Рис. 4
Если пренебречь зависимостями коэффициентов поглощения от частоты и
принять в расчет только зависимость акустоэдс от интенсивности, то мы
получим идеализированную зависимость:
[pic]
Рис. 5
Зависимость 2 идет круче, чем 1, т.к во втором случае коэффициент
поглощения ае больше, чем в первом.
4. Практическое использование эффекта в функциональной электронике
Изготовление акустической интегральной схемы на поверхности
пьезоэлектрического звукопровода включает в себя следующие этапы:
— изготовление фотошаблона;
— металлизация рабочей поверхности звукопровода;
— изготовление самой схемы с помощью фотолитографии.
Рассмотрим подробнее каждую из отмеченных операций. Изготовление
фотошаблона следует за расчетами самой схемы по заданным параметрам
акустоэлектронного устройства. Начинается изготовление фотошаблона из
вычерчивания изображения координатографом, который вырезает на нанесенной
на прозрачную основу непрозрачной пленке контуры изображения. После
удаления ограниченных замкнутым контуром участков на пленке получается
изображение, соответствующее многократно увеличенному изображению структуры
акустоэлектронного устройства. Рабочее поле координатографа позволяет
вычерчивать первичный оригинал с размерами до 1000X1000 мм. Минимальный
размер элемента — 0,2—0,5 мм, точность положения — 0,01 мм. Большое
развитие получили автоматические координатографы с программным управлением.
В комплексе с электронно-вычислительной машиной программный координатограф
позволяет автоматизировать все операции, существующие между выдачей
исходных данных на конструкцию акустоэлектронного устройства и получением
первичного оригинала.
Дальнейшим этапом является изготовление промежуточного фотошаблона,
который создается пересъемом вычерченного на координатографе первичного
оригинала.
Эта пересъемка осуществляется на различных редукционных камерах, которые
обеспечивают уменьшение первичного изображения в 5—60 раз. Съемки
выполняются на высококачественных фотопластинках.
Наряду с вариантом технологического цикла изготовлений промежуточного
шаблона, включающем вычерчивание первичного оригинала и пересъем его на
редукционной камере, существует и другой вариант, использующий процесс
фотонабора. Практически операция фотонабора сводится к формированию
изображения непосредственно в размерах промежуточного фотошаблона. Все
изображение при этом разбивается на элементарные прямоугольники с
различными размерами и ориентацией.
В фотонаборной установке (генераторе изображения) имеется наборная
диафрагма, расположенная в предметной плоскости объектива. Световой поток
от лампы вспышки через конденсорную систему линз падает на наборную щелевую
диафрагму. Ширина, длина и угол поворота щели диафрагмы изменяются с
помощью трех управляющих электродвигателей, которые приводят в движение две
подвижные пластины диафрагмы. Световой поток, прошедший диафрагму,
фокусируется высокоразрешающим объективом на фотопластинку, расположенную
на координатном столе. Координатный стол с помощью двух серводвигателей
перемещается по осям X и У. Таким образом, световое пятно, соответствующее
выбранной диафрагме, проектируется с уменьшением в нужное место на
фотопластине. Известные фотонаборные установки хорошо стыкуются с ЭВМ, что
позволяет значительно упростить технологический цикл изготовления шаблона.
В дальнейшем изготовляют рабочий фотошаблон. Метод последовательного
уменьшения предполагает 2—3 этапа уменьшения первичного оригинала в
процессе пересъема. Второй этап может быть совмещен с мультишцированием
изображения. При этом уже при пересъеме получают окончательный (рабочий)
фотошаблон.
Этот метод получения рабочего шаблона применяется при невысоких
требованиях к изображению: минимальный размер элемента — 5—7 мкм, точность
положения элемента — 2—5 мкм. Прецизионные же «высокочастотные» фотошаблоны
проходят еще один обязательный этап уменьшения, осуществляемый с помощью
вторичного пересъема. Устройства, осуществляющие вторичную пересъемку,
получили название фотоповторителей или мультипликаторов. Для
акустоэлектронных устройств это означает размещение на фотошаблоне
различных изображений, соответствующих преобразователям, суммирующим шинам,
отражательным структурам и другим элементам. Для реализации требуемой
структуры на звукопроводе создается либо комплект рабочих шаблонов, либо
один сложный шаблон, содержащий полное изображение всей структуры. Шаблоны
комплекта снабжаются метками для последующего совмещения.
Независимо от выбранного метода последующей фотолитографии на поверхность
звукопровода должно быть нанесено проводящее покрытие. Металлизация рабочей
поверх ности звукопровода производится чаще всего вакуумным способом. К
металлической пленке на рабочей поверхности звукопровода предъявляются
следующие требования: малая толщина (<0,1—0,5 мкм), равномерность слоя,
высокая электрическая проводимость, минимум микродефектов (царапин,
непокрытых участков) и т.д. Наиболее распространенными материалами,
используемыми для металлизации рабочей поверхности звукопровода, являются
Страницы: 1, 2
