Акустоэлектроника

АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА, научно-техническое направление, связанное с исследованием процессов возбуждения и распространения акустических волн в твёрдых телах, эффектов их взаимодействия с электромагнитными полями и носителями заряда, а также с созданием приборов и устройств, работающих на основе этих эффектов. В зависимости от эффектов, используемых в акустоэлектронных (АЭ) устройствах, акустоэлектронику условно разделяют на высокочастотную (микроволновую) акустику (эффекты возбуждения, распространения и приёма акустических волн с частотами от единиц мегагерц до десятков гигагерц в твёрдых телах), собственно акустоэлектронику (взаимодействие акустических волн с электронами проводимости) и акустооптику (взаимодействие световых волн с акустическими).

Акустоэлектроника сформировалась в 1960-х годах, когда начались интенсивные исследования, связанные с открытием эффекта усиления акустических волн дрейфующими электронами проводимости в пьезополупроводниках (смотри Акустоэлектронное взаимодействие). Бурное развитие акустоэлектроники вызвано потребностью в простых, надёжных и миниатюрных аналоговых устройствах обработки сигналов для радиолокационной и телевизионной аппаратуры, систем автоматического управления, устройств техники связи, вычислительной техники и др. Возможности широкого использования АЭ устройств обусловлены малой скоростью распространения акустических волн в твёрдых телах (по сравнению со скоростью распространения электромагнитных волн) и их малым поглощением в некоторых кристаллах, что позволяет соответственно уменьшить размеры и массу устройств в десятки тысяч раз (по сравнению с устройствами, использующими ЭВМ) и реализовать высокую добротность акустических колебательных систем. С помощью АЭ устройств можно преобразовывать электромагнитные сигналы во времени (задержка сигналов, изменение их длительности), по частоте, фазе и амплитуде (например, сдвиг фаз, усиление, модуляция), а также выполнять более сложные функциональные преобразования (интегрирование, кодирование и декодирование, корреляция сигналов и др.). АЭ методы аналоговой обработки сигналов являются более простыми (по сравнению, например, с цифровыми методами), а иногда и единственно возможными.

Основные элементы АЭ устройства - электроакустические преобразователи и звукопровод; кроме того, применяются отражатели, многополосковые электродные структуры, концентраторы энергии, фокусирующие устройства и другие. В устройствах акустоэлектроники используются как объёмные (продольные и сдвиговые), так и поверхностные акустические волны ультразвукового и гиперзвукового диапазонов. Материалами для АЭ устройств служат, главным образом кристаллы пьезоэлектриков и слоистые структуры, состоящие из слоёв пьезоэлектрика и полупроводника, а также диэлектрики с малым поглощением акустических волн.

Акустоэлектронные устройства на объёмных акустических волнах (ОАВ). Первыми устройствами акустоэлектроники были устройства на ОАВ - пьезоэлектрические резонаторы, предназначенные для стабилизации частоты генераторов электрических колебаний. Основу такого резонатора составляет пьезоэлектрический вибратор - специальным образом ориентированная кристаллическая (обычно кварцевая) пластина с расположенными на ней электродами, закреплённая в держателе и помещённая в защитный корпус (рис. 1, а). Толщина пластины, обычно близкая к нечётному числу полуволн, определяет рабочую частоту резонатора, а ориентация соответствует кристаллическому срезу, в котором в заданном температурном интервале частота собственно механических (упругих) колебаний слабо зависит от температуры. Электрическое поле, создаваемое электродами, позволяет возбудить в пластине необходимый тип собственных колебаний (смотри Пьезоэлектричество). Кварцевые резонаторы характеризуются высокой добротностью (10⁵-10⁷ на частотах до 10 МГц) и температурной стабильностью (до 10^-10 и выше при условии термостатирования). С ростом частоты колебаний длина акустической волны (а, следовательно, и толщина пьезоэлектрической пластины) уменьшается и возникают технологические проблемы, связанные с механической прочностью устройств с воспроизводимыми параметрами. Решением проблемы было создание СВЧ-резонаторов на основе пьезоэлектрических плёнок ZnO; или AlN толщиной 0,2-2 мкм. Наибольшей механической прочностью обладают устройства (рис. 1,б), в которых резонатор - пьезоэлектрическая плёнка с плёночными металлическими электродами - наносится поверх многослойной структуры чередующихся слоёв с большой разницей акустического импеданса (например, вольфрама и кварца), имеющих толщину, равную четверти длины волны, на достаточно толстую и механически прочную подложку (кремний, стекло и др.). Такая многослойная структура эффективно отражает акустические волны и акустически изолирует тонкоплёночный резонатор от подложки. На основе резонаторов этого типа, работающих в диапазоне частот от 1 до 10 ГГц и более, созданы электрически прочные фильтры для телекоммуникационных СВЧ-устройств.

Из других устройств акустоэлектроники на ОАВ широкое применение получили акустические линии задержки (АЛЗ), осуществляющие задержку электромагнитных сигналов во времени (рис. 2). В этих устройствах ВЧ электромагнитные сигналы вначале преобразуются в акустические волны (возбуждение акустических волн), которые распространяются в звукопроводе, а затем вновь преобразуются в ВЧ-сигналы (приём акустических волн). Время задержки в АЛЗ зависит от длины пути, проходимого акустическими волнами в звукопроводе, и скорости их распространения. Из-за относительно малой скорости распространения акустических волн в звукопроводе размеры АЛЗ почти на пять порядков меньше линейных размеров электромагнитных линий задержки. Для возбуждения и приёма ОАВ в АЛЗ применяются в основном пьезоэлектрические преобразователи: пьезоэлектрические пластины (на частотах до 100 МГц), а также тонкие пластинки и плёнки из пьезополупроводника (на частотах свыше 100 МГц). Для изготовления звукопровода служат материалы с малым поглощением акустических волн (например, сапфир, алюмоиттриевый гранат и твёрдые растворы на его основе). Иногда для получения больших временных задержек используют АЛЗ с многократным отражением акустических волн от торцов звукопровода или со звукопроводом, выполненным в виде многогранника (в этом случае акустические волны распространяются между гранями по ломаной траектории). Разработаны АЛЗ на ОАВ, работающие на частотах до десятков гигагерц с задержками до десятков микросекунд и на частотах до десятков мегагерц с задержками порядка десятков миллисекунд. АЛЗ на ОАВ применяются в радиолокационной и навигационной аппаратуре, телевизионных приёмниках и др.

Акустоэлектронные устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Широкое распространение АЭ устройств на ПАВ (фильтров, резонаторов, АЛЗ и др.) обусловлено малыми потерями энергии на преобразование при возбуждении и регистрации ПАВ, возможностью управления распространением волн в любых точках звукопровода (на пути распространения волн), а также широкими возможностями создания устройств с управляемыми частотными, фазовыми и другими характеристиками. Для генерации и приёма ПАВ, как правило, используют периодические структуры металлических электродов (штырей), нанесённых на поверхность пьезоэлектрического кристалла (звукопровода), так называемые встречно-штыревые преобразователи (ВШП). Простейшим устройством на ПАВ является АЛЗ (рис. 3, а).

Изменяя топологию ВШП - положение, ширину и длину отдельных электродов, а иногда величину подаваемого на электроды напряжения (например, путём подачи сигнала через специальные образом подобранные ёмкости - так называемая ёмкостная анодизация), можно управлять амплитудой и фазой возбуждаемых и регистрируемых волн, формируя тем самым требуемую частотную характеристику устройства. На основе ВШП созданы фильтры на ПАВ (разновидность электрических фильтров), в которых для частотного разделения (фильтрации) электромагнитных колебаний их преобразуют в акустические и обратно, разделяя при этом акустические колебания различных частот; применяются в качестве полосовых, заграждающих и согласованных фильтров. Фильтры на ПАВ (рис. 3, б) отличаются простотой конструкции, технологичностью, высокой воспроизводимостью параметров, что обусловливает возможность их массового производства. Использование ПАВ позволило создать фильтры с рабочими частотами до 3 ГГц с чрезвычайно сложными частотными характеристиками. Величина вносимых потерь в пределах полосы пропускания для фильтров на ПАВ лежит в пределах от долей до нескольких децибел, фазовые ошибки - от долей до нескольких градусов. Подавление сигнала вне полосы пропускания и паразитного сигнала достигает 70 дБ.

Резонатор на ПАВ (рис. 3, в) обычно представляет собой узкополосный ВШП, расположенный на поверхности звукопровода между отражателями - периодическими решётками, выполненными в виде металлических или диэлектрических полосок (иногда канавок, вытравленных на поверхности звукопровода); действие основано на многократном отражении ПАВ, возбуждённой ВШП, и образовании между отражателями стоячей волны. Резонаторы на ПАВ широко используются в качестве частотозадающих элементов в ВЧ- и СВЧ-генераторах. АЭ фильтры и резонаторы применяют в аппаратуре радиовещания и телевидения, сотовых телефонах, в устройствах космической связи и радиолокации, в акустических датчиках, сенсорах и др.

Использование особенностей возбуждения и приёма ПАВ позволило создать ряд устройств более сложной обработки сигналов. Так, например, специально сконструированная акустическая дисперсионная линия задержки превращает узкий импульс напряжения, подаваемый на входной ВШП, в линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ) сигнал, что достигается линейным изменением шага выходного ВШП. В многоотводных линиях задержки сигнал, генерируемый входным преобразователем, превращается в последовательность радиоимпульсов, число и временной сдвиг между которыми, а также их фаза задаются соответственно числом, положением на поверхности звукопровода и полярностью включения выходных приёмных электродов (штырей), т. е. осуществляется кодирование сигнала. Аналогичные линии задержки, но с обратным порядком расположения штырей используются для приёма ЛЧМ или кодированных сигналов.

Из нелинейных устройств акустоэлектроники наибольший практический интерес представляют АЭ корреляционные устройства - конвольверы, предназначенные для получения так называемой функции свёртки сигналов (одновременного перемножения и интегрирования двух сложных сигналов); применяются в системах обработки информации (рис. 4). Для выполнения операции свёртки используется нелинейное взаимодействие акустических волн одинаковой частоты, распространяющихся по подложке навстречу друг другу. Результатом такого взаимодействия является возникновение поперечного (перпендикулярного плоскости подложки) переменного электрического поля на удвоенной частоте. Поле создаёт электрический заряд в длинных электродах, расположенных вдоль всей области взаимодействия волн, фактически суммируя (интегрируя) вклады от отдельных точек, где имеет место взаимодействие (перемножение сигналов). Амплитуда результирующего сигнала оказывается пропорциональной интегралу свёртки входного сигнала, подаваемого на один преобразователь с опорным сигналом, возбуждаемым другим преобразователем.

Для создания устройств на ПАВ обычно используют подложки — звукопроводы, выполненные из монокристаллов ниобата или танталата лития, германата висмута, специальных срезов кварца, а также тонкие пьезоэлектрической плёнки ZnO и АlN на непьезоэлектрической подложке (например, сапфире). В АЭ устройствах применяются ПАВ Рэлея, волны Гуляева-Блюштейна, сдвиговые ПАВ на периодически возмущённой поверхности и приповерхностные волны.

Акустоэлектронные устройства на основе акустоэлектронного взаимодействия. Взаимодействие акустических волн с электронами проводимости в твёрдых телах приводит к таким явлениям, как электронное усиление и поглощение акустических волн, акустоэлектрический эффект, лежащих в основе работы акустоэлектронных усилителей, генераторов, фазовращателей и др. В акустоэлектронных усилителях ОАВ (рис. 5) усиление волн происходит в результате их взаимодействия с дрейфующими носителями заряда в объёме массивного бруска пьезополупроводника. Для создания дрейфа носителей заряда к торцевым поверхностям бруска прикладывают электрическое напряжение (т. н. дрейфовое напряжение), создающее ток дрейфа электронов. При непрерывном режиме работы ток дрейфа может привести к перегреву усилителя и вызвать его разрушение. При работе усилителя в импульсном режиме дрейфовое напряжение подаётся в виде импульсов, длительность которых равна времени прохождения по звукопроводу усиливаемого сигнала; при этом средняя выделяемая мощность относительно невелика. На эффекте электронного усиления основано действие акустоэлектронного генератора ОАВ, представляющего собой акустической резонатор, выполненный в виде пьезополупроводниковой пластины с нанесёнными на её торцевые поверхности электродами (рис. 6). Если направление распространения акустических волн в акустическом резонаторе совпадает с направлением дрейфа носителей заряда, то происходит их усиление. При достаточно высокой скорости дрейфа приращение энергии в результате усиления акустических волн преобладает над потерями, связанными с поглощением волн при их распространении в обратном направлении и их отражениями от граней резонатора, что приводит к генерации акустических колебаний. Амплитуда и спектр частот генерируемых колебаний в основном определяются концентрацией носителей заряда и толщиной пластины.

Среди устройств на ПАВ наиболее перспективны акустоэлектронные усилители ПАВ, выполненные на основе монолитных слоистых структур, содержащих «сильный» пьезоэлектрик (например, LiNbО₃), в котором распространяется ПАВ, и тонкую плёнку полупроводника с высокой подвижностью электронов (например, из InSb), в которой происходит дрейф носителей заряда (рис. 7).

Взаимодействие ПАВ с дрейфующими носителями заряда происходит в плёнке полупроводника, в которую проникает сопровождающее ПАВ переменное электрическое поле. Использование слоистых структур позволяет получить непрерывный режим усиления ПАВ, а также подавление паразитных сигналов, обусловленных отражением ПАВ от торцов кристалла и от преобразователей. Коэффициент усиления такого усилителя достигает 30-60 дБ/см при коэффициенте шума менее 10 дБ в частотном диапазоне от 100 до 500 МГц (с полосой пропускания 5-20%).

Устройством, принцип действия которого связан с зависимостью скорости акустических волн от параметров электронной подсистемы в полупроводнике, является акустоэлектронный фазовращатель на ПАВ. Для изменения фазы электромагнитных колебаний их преобразуют в акустические волны и обратно, воздействуя при этом на скорость акустических волн на пути их распространения, а следовательно, и на фазу акустических колебаний, регистрируемых выходным преобразователем. Например, управляя электропроводностью фоточувствительной полупроводниковой плёнки, нанесённой на поверхность звукопровода из пьезоэлектрика (путём изменения интенсивности подсветки или скорости дрейфа электронов), можно управлять скоростью распространения ПАВ.

Разность потенциалов, возникающая вследствие акустоэлектрического эффекта на границах пьезоэлектрического полупроводника или полупроводникового слоя в структуре пьезоэлектрик-полупроводник, используется в так называемых квадратичных или синхронных акустоэлектрических детекторах акустических волн. Эти устройства, обладающие широким динамическим диапазоном, получили распространение в АЭ устройствах обработки сигналов.

Лит.: Каринский С. С. Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах. М., 1975; Проблемы современной радиотехники и электроники. М., 1980; Дьелесан Э., Руайе Д. Упругие волны в твердых телах: Применение для обработки сигналов. М., 1982; Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. М., 1990; Гуляев Ю. В., Мансфельд Г. Д. Резонаторы и фильтры сверхвысоких частот на объемных акустических волнах: современное состояние и тенденции развития // Радиотехника. 2003. № 8.