научная статья по теме ОПТИМИЗАЦИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ РЕШЕТКИ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫХ ГАЗОВЫХ ДАТЧИКОВ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ОПТИМИЗАЦИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ РЕШЕТКИ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫХ ГАЗОВЫХ ДАТЧИКОВ»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 9, с. 985-991

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ

УДК 541.183.5+548.571

ОПТИМИЗАЦИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ РЕШЕТКИ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫХ ГАЗОВЫХ ДАТЧИКОВ

© 2015 г. В. И. Анисимкин

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Российская Федерация, 125009 Москва, ул. Моховая 11, корп. 7 E-mail: anis@cplire.ru Поступила в редакцию 19.03.2015 г.

Проведен расчет ориентационных зависимостей (анизотропии) поверхностных акустических волн (ПАВ) в наиболее распространенных срезах пьезоэлектрических монокристаллов кварца, ниобата и танталата лития, германата и силиката висмута. Определены материал, кристаллографическая ориентация и совокупность направлений распространения ПАВ, находящихся в рамках одной плоскости, которые обеспечивают наиболее высокое различие газовых "откликов" волн по этим направлениям. На основе полученных данных изготовлен и испытан макет сенсорной решетки, объединяющей в рамках одной подложки до пяти акустоэлектронных датчиков.

DOI: 10.7868/S0033849415090016

ВВЕДЕНИЕ

Ключевым элементом приборов "электронный нос" является набор сенсорных элементов, обладающих разной чувствительностью к одинаковым газовым компонентам (сенсорная решетка) [1]. Обычно отличие элементов между собой обеспечивается использованием либо сенсоров разного типа (электросопротивлений, емкостей, полевых транзисторов, кварцевых микробалансов, акустических устройств), либо применением в каждом сенсоре разных газочувствительных покрытий. При этом, однако, возникает противоречие: с одной стороны, чем больше сенсоров содержит решетка и чем они разнообразнее, тем более совершенна работа "электронного носа" в целом; с другой стороны, чем больше сенсоров и, следовательно, больше чувствительных покрытий, тем менее стабильна работа всего прибора из-за старения пленок. Возникает вопрос — возможно ли создание решеток одновременно с большим числом отличающихся датчиков и с малым количеством чувствительных покрытий.

Одно из решений этого противоречия было предложено в работах [2, 3]. Это решение базируется на зависимости сенсорных свойств поверхност-ностных акустических волн (ПАВ) от направления распространения в анизотропной подложке, что позволяет объединить на одной плоскости кристалла сразу несколько акустоэлектронных сенсоров, сориентировать эти сенсоры под определенными углами к выбранной кристаллографической оси и нанести одну газочувствительную пленку в зону перекрытия нескольких акустических пучков

(рис. 1). Такое решение позволяет уменьшить нестабильность сенсорной решетки за счет минимизации количества газочувствительных покрытий.

Данная работа посвящена оптимизации интегральной решетки акустоэлектронных сенсоров на основе наиболее распространенных промыш-

Рис. 1. Топология интегральной решетки акустоэлектронных датчиков; 1 — пьезоэлектрическая подложка, 2 — встречно-штыревые электромеханические преобразователи, 3 — газочувствительное покрытие, а, Ь, с, ¿1 — различные акустические каналы (акусто-электронные датчики).

Таблица 1. Углы Эйлера для используемых кристаллов

Материал Срез 1 ©

х-яю2 90° 90° ©

АТ-$Ю2 0° 125° ©

£Т-£Ю2 0° 132.75° ©

х-ымъо3 90° 90° ©

1280У-ЫМЪ03 0° 37.86° ©

36°У-ЫТа03 0° 54° ©

(001), <110>-Ш^е020 0° 0° ©

(001), <110>-Б112^020 0° 0° ©

ленно выпускаемых пьезокристаллов кварца, ниобата и танталата лития, германата и силиката висмута.

1. МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ

Оптимизация проводилась с использованием аналитического выражения работы [4] для газового "отклика" ПАВ:

АУ = (пН У0 (

-АрА + ДС44 в +

(/- \2 Л

1 — АС44

С

44

С

44

1 АСП

-1

х С - К2

Да (а 2/Уд2С2) (а ]/¥№ +1)2

С,

+ТКС • АТ

а

(1)

Здесь ДУ/У0 — относительное изменение скорости ("отклик") ПАВ при адсорбции газа чувствительной пленкой на пути распространения волны; Др/р, ДС11/С11, ДС44/С44, Да/а и ДT — относительные изменения плотности, упругости, электрической проводимости и температуры пленки, возникающие в ней при адсорбции газа (величины этих изменений фиксированы для каждой комбинации газ/пленка); параметры А, В, С, К2, С,, и ТКС — характеристики волны, которые меняются при изменении направления распространения волны в анизотропной подложке.

Из анализа выражения (1) можно сделать вывод, что для фиксированных Др/р, ДС11/С11, ДС44/С44, Да/а и ДT "отклик" ДУ/У0 может меняться при изменении величин А, В, С, K2, С3 и ТКС, а для наибольшего различия "откликов" в разных направлениях одной плоскости необходим оптимальный подбор направлений распространения ПАВ на этой плоскости.

Оптимизация направлений осуществлялась путем расчета и анализа ориентационных зависимостей параметров А, В, С, K2, С8 и ТКС, а также скорости V, угла отклонения потока энергии Т и угла дифракционной расходимости пучка Ф для разных кристаллов и срезов. Расчет проводили с использованием хорошо апробированной компьютерной программы [5], материальных констант [6] и их температурных зависимостей [7—10]. В качестве пьезокристаллов были использованы наиболее распространенные промышленно выпускаемые материалы и их кристаллографические срезы (см. табл. 1). Процесс оптимизации включал в себя четыре этапа.

Первый этап. Задавались геометрические размеры мультисенсорной структуры — апертура 2а излучающего и приемного встречно-штыревых преобразователей (ВШП), расстояние L между преобразователями и протяженность l газочувствительного покрытия. Учитывалось, что для универсальности устройства желательно, чтобы протяженность покрытия l была меньше расстояния L между преобразователями, так как в этом случае допускается использование не только диэлектрических, но и проводящих пленочных материалов. Далее, с одной стороны, стремились увеличить значение L, поскольку чем оно выше, тем больше полный набег фазы ПАВ ф0 между излучающим и приемным преобразователями и, следовательно, меньше пороговый акустический "отклик"; с другой стороны, при больших L и l число подходящих направлений распространения (акустических каналов) снижается, так как становится невозможным использование тех из них, по которым из-за больших углов отклонения потока энергии Т значительная часть энергии ПАВ минует приемник. Наконец, на этом же этапе стремились уменьшить апертуру ВШП, так как чем меньше 2а, тем ближе в угловом исчислении могут располагаться соседние каналы сенсорной решетки.

В результате оптимизации этих взаимоисключающих требований были выбраны следующие геометрические размеры акустических каналов мультисенсорной структуры: L = 8.5 мм, l = 8 мм, 2a = 2 мм, размер контактных площадок ВШП 0.5 мм, полная апертура ВШП 3 мм. При таких

Таблица 2. Ориентации каналов мультисенсорного элемента на подложке кварца 8Т-среза (угол © от оси X)

©, град V, м/с град Ф/Ф ^изо К2, % ТКЗ, 10-6/°С А/А В/А С/А

0 3156 0 1.38 0.116 0 1 0.440 0.0922

-33 3272 + 1.2 0.37 0.149 -19.7 1 0.337 0.0650

+47 3289 +6.4 2.15 0.095 -1.1 1 0.311 0.0478

90 4950 0 - 1.9 -40 - - -

Таблица 3. Ориентации каналов мультисенсорного элемента на подложке поворотного 128о У-срез ниобата лития (угол © от оси X)

©, град V, м/с град Ф/Ф изо К2, % ТКЗ, 10-6/°С А/А В/А С/А

0 3994 0 0.76 5.48 +71.9 1 0.4071 0.0856

46 3587 -4.75 1.64 1.57 +74.2 1 0.3642 0.0676

80 3657 +2.73 0.78 1.40 +84.3 1 0.3413 0.075

115 3596 -3.79 1.13 1.0 +80.6 1 0.3528 0.0716

размерах максимальный угол отклонения потока энергии Т ограничивается ±6°, а угловое разделение каналов А© составляет более 30°. Период ВШП выбран равным X = 20 мкм, что, с одной стороны, надежно обеспечивается обычной фотолитографией, а с другой — позволяет измерять акустические "отклики" АУ/У0 = Аф/ф0 до значений порядка 10-6 (1 ррт). При этом полный набег фазы между преобразователями составляет ф0 = = 360° х Ь/Х = 153000°, а пороговое значение фазового сдвига, регистрируемого современными приборами, равняется Аф = 0.2°.

Второй этап. Для каждого пьезоэлектрического кристалла и его ориентации исключались направления с отклонением потока энергии Т > 6° и коэффициентом электромеханической связи К2< 0.05%, как не обеспечивающие достаточно эффективное возбуждение и прием ПАВ. Также исключались направления, по которым наряду с ПАВ распространяются так называемые псевдоповерхностные волны: интерференция разных типов волн проводит к снижению точности измерений акустических "откликов".

Третий этап. Из оставшихся направлений выбирались те, для которых коэффициенты А, В, С, К2 и ТКС, а следовательно, и акустические "отклики" обладают наибольшим отличием согласно уравнению (1). Выбор таких направлений осуществлялся с учетом уже заданных геометри-

ческих размеров структуры и минимально возможного углового разделения соседних акустических каналов (А© > 30°).

Четвертый этап. В заключение было проведено сравнение разных пьезокристаллов и кристаллографических срезов и выбраны наилучшие из них.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ОПТИМИЗАЦИИ

Сравнение показало, что из всех рассмотренных в данной работе пьезокристаллов и кристаллографических срезов наиболее привлекательными для интегральной решетки акустоэлектронных датчиков являются 8Т-срез кварца и 128°У-срез ниобата лития П№>03. Ориентационные зависимости ПАВ и положение выбранных каналов для этих кристаллов приведены на рис. 2, 3 и в табл. 2 и 3.

В 8Т-кварце (см. табл. 2) в направлении © = = 90° вместо ПАВ распространяется приповерхностная волна сдвигово-горизонтальной поляризации. Направления © = 0° и +47° характеризуются высокой термостабильностью (т.е. малым температурным коэффициентом задержки (ТКЗ), см. рис. 2).

В 128°У-Ы№03 (см. табл. 3) высокая пьезоак-тивность ПАВ по всем направлениям позволяет ввести дополнительный акустический канал © = 0°, поверхность которого металлизирована, а акусто-

V, м/с 3600

3500 ь

3400

3300

3200

3100

0 20 40

60 80 100 ©, град

2 0 -2 -4 -6 -8 10 12

град

20

40

60 80 ©, град

X2, % 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02

-ТКС, 10-6/°С

0 20 40

60 80 100 ©,град

60

0 30 60 90 120 150 180 ©, град

A, B, 4.0

C

A

20 40 60 80 100 ©,град

Рис. 2. Ориентационные зависимости скорости V, коэффициента электромеханической связи K , угла отклонения потока энергии темп

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком