Переключатели, модуляторы и демодуляторы.

Функции переключения, модуляции и демодуляции в принципе могут выполняться одним и тем же устройством, в зависимости от взаимодействия между оптическими колебаниями и управляющим сигналом, а также структуры входа и выхода. Переключением обычно называют изменение пространственного положения светового пучка, а основная функция модулирования и обратная ей функция—демодулирование состоит во введении информации в световой сигнал. Механические переключатели оптического излучения часто выполняют на основе пружинящих и магнитоуправляемых (по принципу геркона) контактов. При этом закрепленное на контакте волокно состыковывается с приемным световодом (свет проходит) или отводится от его торца (сигнал отсутствует). В большинстве электрооптических модуляторов и переключателей используется свойство веществ изменять свой показатель преломления под действием приложенного электрического поля. В общем случае этот эффект является анизотропным и имеет как линейную (эффект Поккельса), так и нелинейную (эффект Керра) составляющие. В устройствах автоматики наиболее удобной, дающей хорошие результаты, является прямая модуляция — изменение интенсивности излучения путем амплитудной модуляции тока инжекции источника света. При этом может быть получена частота переключения, превышающая сотни мегагерц.

Волноводы

Волновод представляет собой активный слой, полученный на поверхности материала, который может взаимодействовать с оптическим или высокочастотным излучением. Схемонесущими материалами могут выступать материалы, обладающие пьезоэффектом (ниобат лития, силикат висмута, некоторые керамики и др.). В качестве материалов для одномодовых волноводов могут использоваться материалы, не обладающие пьезоэффектом (стекла, керамики и т.п.). По способу изготовления различают ионообменные, диффузионные и имплантационные волноводы. Ионообменные волноводы получаются в результате ионного обмена, возникающего на поверхности кристалла при его окунании в растворы органических кислот (чаще бензольной кислоты). Диффузионные волноводы получают после высокотемпературной диффузии предварительно напыленной пленки титана, никеля, свинца и др. в основу волновода. Имплантационные волноводы получают путем внедрения в поверхность кристалла ионов определенного сорта. Наиболее высококачественными являются диффузионные волноводы. Однако процесс их изготовления требует тщательной очистки кристалла, вакуумной камеры, испарителя и навески, а также соблюдения последовательности технологических операций. Для усиления различных эффектов взаимодействия излучений волноводный слой может легироваться путем напыления пленки железа, меди и др. с последующей диффузией.

Технология СВЧ элементов

Область сверхвысоких частот (СВЧ) начинается с частот более 1 мГц, когда начинают проявляться эффекты изменения параметров системы при изменении их взаимного расположения. К СВЧ устройствам относятся волноводы, полозковые линии, линии передачи и т.д. Принципиально технология формирования СВЧ элементов не отличается от технологии формирования традиционных электронных приборов с применением литографических процессов.

Технология изготовления акустоэлектронных элементов на поверхностных акустических волнах (технология ПАВ)

Наиболее распространенная общая схема изготовления фильтров ПАВ включает в себя следующие основные технологические операции: изготовление пьезоэлектрического звукопровода, изготовление фотооригинала и фотошаблона, металлизация звукопровода, формирование встречно-штыревых структур преобразователей и контактных шин, монтаж, сборка и герметизация фильтра.

Основные параметры фильтров ПАВ: рабочая частота, полоса пропускания, вносимое затухание, температурная стабильность, искажения из-за эффектов второго порядка и т.п. - определяются в первую очередь, характеристиками материала звукопровода. Поэтому для каждой конструкции выбор материала звукопровода необходимо проводить, исходя из конкретных заданных характеристик фильтра и его предназначения.

Для изготовления звукопроводов фильтров ПАВ могут быть использованы как монокристаллические, так и поликристаллические (пьезокерамические) материалы. Монокристаллы отличаются совершенством структуры, обеспечивающей малые потери на распространение ПАВ (около 0,1-0,5 дБ/см на частотах до 1,5-2 Ггц). Кроме того, они стабильны во времени, при серийном изготовлении имеют высокую воспроизводимость параметров. В качестве материалов с присутствующим пьезоэффектом используются кварц, ниобат лития, танталат лития, иодат лития, германат висмута, силикат висмута.

Для снижения стоимости фильтров ПАВ, например телевизионных, при массовом производстве, необходимо использовать групповую технологию изготовления, что, в свою очередь, требует применения монокристаллов диаметром свыше 50-60 мм. При таких размерах пластин появляется возможность использования высокопроизводительного стандартного оборудования для изготовления ИМС.

В фильтрах с полосой до Df_з/f₀=5¸6% наиболее широко используется кварц SiO₂ различных срезов, так как малый коэффициент электромеханической связи позволяет получить низкий уровень отраженных сигналов даже при числе электродов более 200-300. Кроме того, кварц отличается высокой температурной стабильностью, особенно срез yxl/42°45¢ (ST), имеющий нулевой ТКЗ. Кварц среза HC (yxl/-20°) имеет высокий коэффициент электромеханической связи, позволяет получить полосы пропускания до Df_з/f₀=7¸8% при приемлемом вносимом затухании.

Для звукопроводов фильтров с полосой до Df_з/f₀=50¸60% применяется в основном ниобат лития LiNbO₃, который благодаря большому k_s позволяет реализовать вносимое затухание фильтра до а_вн=10 дБ при числе электродов не более 10.

Из различных косых срезов ниобата лития для фильтров ПАВ наибольший интерес представляют такие, в которых наблюдается достаточно сильное подавление ложных сигналов объемных акустических волн (ОАВ). К таким срезам, найденным экспериментально, относятся zyb/46°; yxl/127,86° и zyls/-16,5/45°. В первых двух срезах имеет место значительное (до -60 дБ) затухание поперечных мод ОАВ, а продольные ОАВ в этом случае можно подавить посредством нанесения рисок и пазов на нерабочую плоскость звукопровода. Эти срезы различаются по коэффициенту электромеханической связи. В срезе zyls/-16,5/45° одновременно удается достигнуть подавления как сдвиговых, так и продольных ОАВ не менее чем на -50 дБ.

Из монокристаллических материалов к числу перспективных для использования в фильтрах ПАВ можно отнести танталат лития LiTaO₃, германат висмута Bi₁₂GeO₂₀, парателлурид TeO₂, селен Se, а также пленки окиси цинка ZnO, и нитрида алюминия AlN на сапфире и некоторые другие. Танталат лития LiTaO₃ является пока единственным материалом, в котором высокая пьезоэлектрическая активность сочетается с хорошей термостабильностью. Поэтому LiTaO₃ в первую очередь представляет интерес для термостабильных фильтров. Германат висмута является подходящим материалом для линий задержки на большие длительности из-за очень низкой скорости распространения ПАВ и для фильтров со сложной встречно-штыревой структурой благодаря большим размерам выпускаемых кристаллов. Недостатком материала является высокий ТКЗ. Сочетание низкой скорости и хорошей термостабильности парателлурита делает его перспективным материалом для малогабаритных термостабильных устройств на ПАВ. Интересным для использования в устройствах, управляемых светом, является селен, который наряду с высокими пьезоэлектрическими свойствами обладает полупроводниковыми свойствами и фотопроводимостью. Пленки окиси цинка и нитрида алюминия на сапфире дают возможность использовать непьезоэлектрический материал (сапфир) как в качестве собственно звукопровода фильтра, так и подложки для формирования структуры усилительных каскадов, например, в частотно-избирательных микросборках на основе фильтров ПАВ пленки AlN перспективны для высокочастотных фильтров.

Кроме монокристаллических пьезоэлектриков для изготовления звукопроводов фильтров ПАВ могут найти применение поликристаллические материалы. Пьезокерамики почти на порядок дешевле монокристаллов, их свойства легко управляются путем изменения химического состава и введения модификаторов. Кроме того, из пьезокерамики возможно изготовление заготовок для звукопроводов различной конфигурации, в том числе и крупногабаритных.

Принципиальными недостатками пьезокерамики по сравнению с монокристаллами является значительное затухание распространяющихся ПАВ, резко увеличивающееся с частотой, и пористость поверхности, приводящая к замыканию электродов преобразователей фильтра после металлизации и фотолитографии. Оба эти недостатка объясняются зернистостью структуры пьезокерамики.

Одним из основных требований к звукопроводам фильтров ПАВ является высокий класс обработки их поверхности (Ñ13-Ñ14). Для обеспечения этого требования необходима высокая плотность материала, отсутствие в нем пор, трещин, царапин. Такой класс точности достигается шлифовкой с последующей полировкой пастами. Из всех известных в настоящее время технологических методов изготовления изделий из пьезокерамики только горячее прессование увеличивает плотность образцов до 90-95 % от теоретической; при этом снижаются разбросы значений электрофизических параметров материала. Однако даже при использовании горячего прессования воспроизводимость свойств пьезокерамики низкая. Это обстоятельство позволяет использовать пьезокерамики для изготовления звукопроводов только широкополосных устройств на ПАВ с нежесткими эксплуатационными характеристиками, где значения временной нестабильности и воспроизводимости свойств имеют несущественное значение.

Технологический процесс изготовления звукопроводов фильтров ПАВ в случае использования монокристаллических материалов состоит из следующих основных операций: ориентировка кристаллов и распиловка, предварительная шлифовка заготовок по контуру и по плоскости, точная шлифовка по плоскости, полировка рабочей плоскости.

Звукопроводы из пьезокерамики перед распиловкой или шлифовкой поляризуются. При необходимости на нерабочей плоскости звукопроводов выполняются скосы, насечки, канавки и т.д., а торцевые ребра звукопроводов закругляются по радиусу или на них также выполняются насечки. Пазы, прорези, насечки выполняются алмазными дисками с внешней режущей кромкой или ультразвуком.

По сравнению с кварцевыми резонаторами ориентировка пьезокристаллов для фильтров ПАВ значения не имеет и выполняется на рентгенметрах типа УРС-25И, УРС-50И, ДР.К-2 или аналогичных. Точность ориентировки определяется заданными отклонениями рабочей частоты фильтра и составляет около ±(1¸5)¢. Для получения нулевого ТКЧ в кварце ST-среза ориентацию кристалла необходимо выполнить с точностью до ±1¢.

После ориентировки монокристаллы распиливаются сначала на параллельные секции, положения главных плоскостей которых относительно кристаллографических осей определяются необходимым направлением среза. Затем секции разрезаются на заготовки, по габаритам соответствующие отдельным звукопроводам.

Для резки большинства монокристаллов используются обычные кварцераспиловочные станки с наружной или внутренней режущей кромкой. Станки первого типа (например К8611) позволяют разрезать кристаллы практически любых размеров, при минимальной ширине пропила 0,5 мм и угловой точности около 5¢. Станки второго типа позволяют выполнить распиловку кристаллов длиной до 30-35 мм, при ширине пропила 0,2 мм и угловой точности пропила примерно 1¢. Для разрезки секций на заготовки, а также для резки пластины на отдельные звукопроводы фильтров со структурами, изготовленными по групповой технологии, возможно использование алмазно-отрезных станков и полуавтоматов.

К качеству обработки рабочей поверхности звукопровода предъявляются высокие требования. Например, на ней должны отсутствовать царапины, сколы, раковины; чистота рабочей поверхности должна соответствовать классу Ñ13-Ñ14 при неплоскостности не более 0,1-0,5 мкм. Эти требования объясняются рядом причин. Хорошая плоскостность поверхности обеспечивает полное прилегание фотошаблона в процессе фотолитографии. Это, в свою очередь, позволяет повысить воспроизводимость мелких деталей структур фильтров. Качество поверхности звукопровода не только определяет разрешающую способность при формировании структур фильтров посредством фотолитографии, но и существенно влияет на затухания ПАВ, особенно в пьезокерамических материалах, имеющих пористую структуру.

При шлифовке рабочей плоскости звукопроводов используется асимптотический метод, т.е. последовательная обработка все более мелкими корундовыми шлифпорошками, начиная с обдирки порошком № 25 и № 3, а затем микропорошками М20, М10, М5. Такая шлифовка позволяет получить чистоту поверхности около Ñ10 и глубину нарушенного слоя кристалла 5-7 мкм, неплоскостность рабочей поверхности не хуже 1 мкм.

Обработка звукопроводов длиной до 100 мм может производиться свободным абразивом по групповому методу на шлифовальных станках планетарного типа. При шлифовке возможен активный контроль толщины пьезоэлектрических звукопроводов посредством измерения интенсивности пьезошумов.

Шлифовка крупногабаритных звукопроводов длиной свыше 100-120 мм может осуществляться на станках для ручной шлифовки типа К3923 или ЗШП-350 при единичном изготовлении или на полуавтоматических станках типа 3Г71, обрабатывающих поверхность звукопроводов алмазными дисками.

Полировка рабочей поверхности звукопроводов из ниобата лития и пьезокерамики осуществляется на полировальных станках типа В1М3.105.001 или других с использованием сначала алмазной пасты АСМ 715 или АСМ 5/3 ГОСТ 16877-71, а заканчивается алмазной пастой АСМ 1/10.

Независимо от выбранного метода последующего формирования встречно-штыревых структур преобразователей на поверхность звукопроводов должно быть нанесено проводящее покрытие- металлизация. К металлизации предъявляются требования высокой адгезии, однородности по структуре, составу, толщине, отсутствия проколов, наплывов, царапин и т.п., коррозионной стойкости, хорошей растворимости в травителе, технологичности, стабильности основных физико-химических свойств и т.д. Дополнительными требованиями являются малое различие акустических сопротивлений материала металлизации и звукопровода, низкая удельная плотность во избежание сильных отражений и слабые дисперсионные свойства.

Для получения хорошей адгезии и воспроизводимости электрофизических свойств нанесенных металлических пленок поверхность звукопровода должна быть хорошо очищена, причем способ очистки в большей степени зависит от метода последующей металлизации.

Процедуру очистки можно разбить на этапы предварительной и окончательной очистки. Способ предварительной очистки зависит от характера загрязнений и химических свойств подложки. Основными загрязнениями являются следы масел, отпечатки пальцев, пушинки, пылевые частицы. Последовательность операций предварительной очистки может изменяться в широких пределах, а для окончательной, наоборот, должна оставаться неизменной. Химическая окончательная чистка предусматривает ультразвуковую мойку в горячей воде с растворенным в ней моющим средством, а затем длительное промывание в горячей воде достижимой частоты. Использование ультразвуковой обработки позволяет удалить с поверхности звукопроводов остатки масел и мастик после шлифовки и полировки. В последнее время нашли широкое распространение плазменные методы очистки.

Поскольку серебро, алюминий и золото обладают сравнительно малой адгезией к кварцу, то для ее увеличения кварцевые звукопроводы желательно предварительно прокипятить в хромовой смеси следующего состава: двухромовокислый калий- 50 г, серная кислота - 1 л, вода дистиллированная - 200 мл.

Наиболее широко при изготовлении фильтров ПАВ используются алюминий, серебро, золото, иногда медь с защитой никелем. Исходя из электрофизических свойств, можно отметить, что сочетание алюминиевого покрытия и кварцевого звукопровода дает наименьшую дисперсию и отражение ПАВ. Для фильтров на ниобате лития отражение за счет несоответствия акустических сопротивлений материалов звукопровода и покрытия минимальны при использовании серебра, но при этом велики дисперсионные искажения и увеличивается составляющая коэффициента отражения от границ электродов из-за роста нагружающей массы. Учитывая, что алюминий дешев и позволяет получить сравнительно низкое сопротивление пленочных проводников, в фильтрах ПАВ как со звукопроводами из кварца, так и ниобата лития и пьезокерамики наиболее часто используется алюминиевое покрытие. Медное или золотое покрытие с подслоем хрома хорошо сочетается с германатом висмута.