Лаборатория физической акустики и акустоэлектронных устройств

Руководитель группы - профессор, д.ф.-м.н. Сорокин Б.П.

Акустоэлектронные устройства на объемных (ОАВ) и поверхностных (ПАВ) акустических волнах активно используются для создания акустических резонаторов, генераторов, эффективных сенсоров и пр. Задачами группы являются разработка экспериментальных установок, акустоэлектронных структур, проведение экспериментов по исследованию физических свойств кристаллов и слоистых структур, моделирование распространения акустических волн в кристаллах, в том числе в условиях конечных внешних воздействий.

Основные направления работ

  • Создание экспериментальных образцов ОАВ-резонаторов, работоспособных на частотах 1 - 20 ГГц;
  • Создание ПАВ устройств на основе слоистой структуры “ВШП/AlN/алмаз”;
  • Разработка высокочувствительных сенсоров на основе акустоэлектронных пьезоэлектрических структур для анализа газового состава, напыления сверхтонких пленок и т.п.;
  • Разработка технологии напыления тонких пьезоэлектрических пленок состава ScxAl1-xN с целью применения в СВЧ пьезоэлектрических преобразователях;
  • Исследования акустических свойств материалов и пьезоэлектрических слоистых структур и их зависимости от давления, температуры и т.п.;
  • Теоретические и экспериментальные исследования СВЧ затухания в слоистых структурах типа “Me1/AlN/Me2/алмаз”.

Оборудование



Анализатор цепей E5071C, рабочая станция M-150
и тестируемое устройство: ОАВ-резонатор

Электромеханическая испытательная машина
с термокамерой Instron 5965

Методики


Метод длинного импульса (установка RAM-5000) применяется для измерений скоростей акустических волн в диапазоне 20 – 200 МГц с точностью не хуже 0,1%. Применяются тонкие образцы в виде пластин толщиной не менее 1 мм. Акустических волны возбуждаются пьезоэлектрические преобразователи из кварца X- и Y-срезов, а также 36° и 163° Y-срезы ниобата лития.

Импульсный эхо-метод (генератор видеоимпульсов AVRK-2-B, осциллографа DPO71254B) используется для точных измерений скоростей ОАВ, а также их изменений в результате внешних воздействий (давление, температура, электрическое поле) в образцах монокристаллов.

Измерения АЧХ, ФЧХ и других характеристик акустоэлектронных устройств производятся векторным анализатора цепей E5071C и рабочей станции M150, рабочие частоты 300 МГц – 20 ГГц, температуры от 20 до 300 °С.

Температурные исследования акустических свойств экспериментальных образцов производятся с помощью установки Quantum Design в диапазоне температур 4 – 400 °К.



Принципиальная схема ОАВ-резонатора


ОАВ-резонатор на подложке из синтетического монокристалла алмаза


Разработка конструкторской документации ОАВ-резонатора в среде AutoCad

ОАВ-резонаторы на алмазной подложкой со сложной конфигурацией электродов



ПАВ резонатор на алмазной подложке.
Резонанс на 418 МГц – ПАВ мода Рэлея (R0),
566 МГц – ПАВ мода Сезавы (R1)

Результаты

  • Получены упругие постоянные 2-го порядка синтетического монокристалла алмаза типа IIa. Из измерений зависимостей скоростей ОАВ от одноосного давления впервые определены упругие постоянные 3-го порядка алмаза
  • Созданы экспериментальные образцы композитных ОАВ-резонаторов со структурой “Me1/AlN/Me2/алмаз” с рекордно высокими резонансными частотами до 20 ГГц и параметром качества Q×f ≤ 105 ГГц. На основе данных образцов созданы эффективные сенсоры давления и температуры.
  • Характеристики полученных структур:
    • Шероховатость алмазной подложки Ra < 15 нм;
    • Точность ориентации кристаллографических граней не более 10’;
    • Толщина пьезоэлектрической пленки AlN в диапазоне от 0,5 до 5,5 мкм;
    • Толщина металлических пленок в диапазоне от 100 до 300 нм;
    • Работоспособность от -100 до +600 °С;
    • Работоспособность в диапазоне одноосного давления от 0 до 10 ГПа;
    • Область рабочих частот: 300 МГц - 20 ГГц;
  • Разработаны образцы ОАВ сенсоров давления, работоспособные в интервале давлений до 10 ГПа
  • Разработаны экспериментальные образцы ПАВ-резонаторов и линий задержки на 400 - 1600 МГц
  • Разработаны экспериментальные образцы ПАВ-сенсоров давления на основе подложек из алмаза, работоспособные в интервале давлений до 150 МПа
  • ПАВ- и ОАВ-сенсоры давления на слоистых пьезоэлектрических структурах на основе алмаза имеют конкурентоспособные характеристики и могут быть использованы для измерений высоких и сверхвысоких давлений