Настройка монолитных кварцевых фильтров методом ионно-плазменного травления электродов пьезосистемы фильтра Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Роман ГОШЛЯ

goshliay_roman@mail.ru

В технологии изготовления монолитных кварцевых фильтров существует разброс по значению их окончательных параметров (средней частоты; полосы пропускания). Он вызван групповыми методами обработки кварцевых кристаллических элементов и последующей групповой металлизацией в кассетах по 16 штук, в результате чего требуется их окончательная настройка.

В настоящие время для настройки частоты пьезосистемы монолитного кварцевого фильтра применяются следующие способы:

1) Гальваническое серебрение или золочение [1]. Данные способы настройки обеспечивают точность установки частоты ±0,5 кГц, что вполне соответствует современным требованиям. Но при настройке частоты монолитных фильтров гальваническим способом отмечены следующие недостатки: невозможность автоматизации технологического процесса настройки, так как для замера частоты точечных резонаторов и частоты нижнего резонанса пьезосистемы нужно извлечь ее из электролита для измерения; возможность настройки только на понижение частоты; малая производительность процесса при серийном изготовле-

Рис. 1 Поверхность электрода монолитного фильтра после гальванического способа настройки (увеличено в 98 раз)

Настройка монолитных кварцевых фильтров

методом ионно-плазменного травления электродов пьезосистемы фильтра

В данной статье рассматривается вопрос настройки монолитных кварцевых фильтров второго порядка методом ионного травления электродов пьезосистемы монолитного кварцевого фильтра, смонтированного в арматуру типа НС-45.

нии; присутствие на поверхности электрода рыхлого слоя металла, осажденного из электролита в процессе настройки (рис. 1).

2) Напыление дополнительной массы металла на электрод в вакууме через маски в форме электродов [2]. Данная технология настройки обладает достаточно высокой производительностью, отвечает современным требованиям и легко поддается автоматизации. При этом возникают проблемы в случае микроминиатюризации изделий: трудность совмещения масок в собранном в держатель изделии, при нанесении пленки по всему электроду без подпыления его границ; при настройке допылением металлической пленки на электрод пьезосистемы происходит изменение ТЧХ, что эквивалентно изменению угла среза кристаллического элемента фильтра. Данный способ позволяет настраивать частоту фильтра только на понижение частоты, в то время как существует необходимость и повышения частоты до требуемого значения.

3) Уменьшение массы электрода пьезосистемы фильтра при помощи излучения лазера [1]. Данный способ настройки соответствует современным требованиям, позволяет в процессе настройки контролировать АЧХ фильтра и легко поддается автоматизации. При настройке частоты лазерным излучением частота пьезосистемы повышается за счет удаления излишней массы электродного покрытия фильтра. Недостатком данной технологии является то, что в ряде случаев при настройке наблюдался выход из строя фильтра из-за «двойникования» кварцевого кристаллического элемента, вызванного его нагревом при большой длительности лазерного импульса, необходимого для испарения части металлической пленки электрода монолитного фильтра.

После анализа описанных способов наиболее универсальным методом настройки монолитного фильтра можно считать технологию ионно-плазменного травления электродного покрытия монолитного фильтра, которая успешно применяется для настройки частоты высокочастотных кварцевых резонаторов [3] и обладает следующими достоинствами: технологический процесс легко поддается автоматизации, так как в процессе настройки контролируется настраиваемая частота; поверхность электродов и поверхность кристаллического элемента подвергаются ионной очистке в процессе настройки; отсутствуют изменения поверхности электродов, так как настройка производится на повышение частоты (происходит равномерное удаление со всей плоскости электрода монолитного фильтра пучком тяжелых ионов аргона излишка массы металлического электродного покрытия, заданного на этапе групповой металлизации кристаллических элементов). Недостатком данной технологии является то, что настройка производится только на повышение частоты.

Цель настоящей работы заключалась в изучении возможности использования ионного травления электродного покрытия пьезосистемы монолитного кварцевого фильтра как при комбинированном методе (совместно с гальваническим способом), так и самостоятельно.

В работе были использованы монолитные фильтры со средней частотой 65 000 кГц (третий гармонический обертон) и шириной полосы пропускания 10 кГц, смонтированные в арматуру типа НС-45. Размеры, определяющие параметры фильтра, показаны на рис. 2.

Фильтр был рассчитан по следующей методике. Сначала определяется толщина кристаллического элемента пьезосистемы фильтра для кристаллического элемента, изготавливаемого из АТ-среза кварца:

Рис. 2. Размеры, определяющие параметры монолитного фильтра:

И — толщина кристаллического элемента;

0КЭ — диаметр круглого кристаллического элемента; ^ех — определяющий размер электрода по кристаллографической оси XX';

^ — определяющий размер электрода по кристаллографической оси И';

(3 — расстояние между двумя точечными резонаторами; а — размер электрода точечного резонатора вдоль оси связи

Таблица 2. Сравнительные данные топологических размеров пьезосистемы МФ

№ Обозна- Значение Единица

п. п. чение Расчетное Реальное измерения

1 Толщина КЭ И 0,0761 0,075 мм

2 Диаметр ПЭ МФ °КЭ 4,566 5 мм

3 Размер электродов точечных резонаторов МФ вдоль оси связи II' а 0,7485 0,75 мм

4 Размер электродов точечных резонаторов МФ перпендикулярно оси связи II' (по кристаллографической оси XX') 1,4 1,4 мм

5 Определяющий размер электродов вдоль оси связи II' 1,7 1,7 мм

6 Расстояние между двумя точечными резонаторами МФ 3 0,203 0,2 мм

Таблица 1. Исходные данные для расчета монолитного фильтра

№ п. п. Параметр Обозначение в формулах Значение Единица измерения Примечание

1 Средняя частота полосы пропускания монолитного фильтра Г 65 000 кГц

2 Ширина полосы пропускания монолитного фильтра ЛF не менее 10 кГц

3 Номер механической гармоники п 3

4 Частота неметаллизированного кристаллического элемента 65 400 кГц

5 Плотность кварца Р 2,65 г/см3

6 Плотность материала электродов ЛЭЛ 10,5 г/см3 Для серебряных электродов

7 Постоянная, С 2,2 Для ориентации электродов

зависящая от ориентации электродов 2,75 вдоль оси связи И'/ХХ'

8 Частотный коэффициент Кг 1660 кГц/мм Для АТ-среза

к = (К/ хп)//,

(1)

ВКЭ > 60 к.

у--

С2х)г

-1Т, (4)

где Ь — толщина кристаллического элемента; / — частота неметаллизированного кристаллического элемента; К£ — частотный коэффициент, для АТ-среза равен 1660 кГц/мм; п — номер механической гармоники.

Диаметр круглого кристаллического элемента выбирается из выражения:

(2)

При выполнении данного соотношения гарантируется полное затухание на краю пьезоэлемента акустических колебаний основного резонанса, возбуждаемых в области электродов. Это, в свою очередь, обеспечивает стабильность резонансных колебаний и эквивалентных динамических параметров монолитного кварцевого фильтра при воздействии на него различных дестабилизирующих факторов.

Оптимальные размеры электродов точечных резонаторов монолитного кварцевого фильтра можно рассчитать на основе уравнения Д. Каррена, при этом обеспечивается наилучшая моночастотность фильтра, хотя определяющий размер электродов по осям XX' и 22' определяет такие параметры монолитного фильтра, как индуктивность точечных резонаторов и ширина полосы пропускания фильтра. В большинстве случаев задаваемые параметры могут быть обеспечены при оптимальных размерах электрода, вычисляемых на основе выражений, выведенных из уравнения Каррена:

где йеХ — определяющий размер электрода монолитного фильтра вдоль кристаллографической оси XX'; йе2 — определяющий размер электрода монолитного фильтра вдоль кристаллографической оси XX'; Сх — постоянная, зависящая от ориентации электродов относительно кристаллографической оси XX' (Сх = 2,75); Сг — постоянная, зависящая от ориентации электродов относительно кристаллографической оси 22' (Сг = 2,2); Л/— эквивалент толщины или массы электродного покрытия монолитного фильтра (Л/ = / -/,); / — частота подэлектродной области.

Значение ширины полосы пропускания монолитного кварцевого фильтра зависит от значения зазора между двумя точечными резонаторами (с[) (рис. 1) и вычисляется при помощи формулы Бивера, определяющей значение коэффициента акустической связи между двумя точечными резонаторами [1]:

К,.

-_В(^+ОҐе-*Ч (5)

Сххк

—, (3)

где К12 = (/в -//; /в, /н, /ср. — частоты верхнего, нижнего резонанса пьезосистемы и средняя частота фильтра; Р = 1,1(/в -/н); ЛР — ширина полосы пропускания монолитного фильтра по уровню 3 дБ; Л = (/ -/,)// — относительная степень понижения частоты кристаллического элемента и подэлектродной области.

Перечислим значения коэффициентов, входящих в формулу Бивера, при осуществлении связи между двумя точечными резонаторами вдоль кристаллографической оси 22': В = 3,455, D = 8,78, g = 2,88; вдоль оси XX': В = 5,48, D = 2,1, g = 2,28.

В таблице 1 показаны исходные данные для расчета монолитного кварцевого фильтра второго порядка.

После проведения расчета были получены следующие размеры, определяющие параметры монолитного кварцевого фильтра. Они указаны в таблице 2.

Расчет носит приближенный характер, поэтому необходима корректировка определяющих размеров электродов после изготовления серии опытных образцов фильтров. В таблице 2 приведено сравнение расчетных размеров и фактических после корректировки.

Настройка монолитных фильтров производилась на базе установки, разработанной для настройки фильтровых кварцевых резонаторов, структурная схема которой показана на рис. 3. В установке использовался источник ионов с холодным катодом, подключение электродов пьезосистемы монолитного фильтра в процессе настройки проводилось вручную. Настраивались следующие частоты: выравнивание частот точечных резонаторов и частота нижнего резонанса пьезосистемы монолитного фильтра (средняя частота фильтра). Хотя при настройке монолитных фильтров требуется контролировать, как правило, пять параметров: две частоты точечных резонаторов; частоты верхнего и нижнего резонанса пьезосистемы и значение ширины полосы пропускания. Процесс настройки можно свести к контролю трех частот: это две частоты точечных резонаторов и частота нижнего резонанса пьезосистемы фильтра, при условии, что значение ширины полосы пропускания обеспечивается на стадии изготовления электродов (то есть задается на стадии напыления электродов).

Настройка монолитного кварцевого фильтра комбинированным способом проводилась в следующем порядке. Сначала осуще-

Рис. 3. Структурная схема установки, применяемой для настройки частоты:

1 — монолитный кварцевый фильтр;

2 — защитная маска в форме колпачка арматуры типа НС-45 (рис. 4);

3 — Г-образный экран, предназначенный для защиты ненастраиваемых монолитных фильтров от действия ионов аргона с малым значением энергии;

4 — пучок тяжелых ионов аргона;

5 — источник ионов;

6 — игольчатый натекатель аргона в рабочую камеру;

7 — рабочая камера, соединенная с вакуумной системой;

8 — вакуум-плотное соединение с контактами для подключения монолитного фильтра

к технологическому кварцевому генератору

ствляли гальваническое серебрение, предназначенное для выравнивания частот точечных резонаторов, а затем — окончательную настройку средней частоты фильтра (или частоты нижнего резонанса пьезосистемы) методом ионного травления электродов фильтра. Достоинством данного способа является то, что на поверхности электрода присутствует более равномерный слой металла (он показан на рис. 4а). Недостатком считается необходимость применения малопроизводительного способа гальванической настройки и 24-часового цикла термотренировки после нее, необходимого для прекращения миграции атомов серебра на поверхности электрода. Затем проводится к окончательная настройка частоты фильтра методом ионного травления со стороны земляного (общего) электрода фильтра.

Технологический процесс настройки комбинированным способом состоит из такой последовательности операций:

1. Выравнивание частот точечных резонаторов в гальваническом растворе.

2. Очистка поверхности пьезосистемы фильтра от остатков электролита для серебрения.

3. 24-часовое старение.

4. Проверка частот точечных резонаторов. При неравенстве частот точечных резонаторов повторить операции 1-3.

5. Окончательная настройка частоты нижнего резонанса пьезосистемы монолитного фильтра ионным травлением при помощи маски (рис. 4в) и установки (рис. 3).

При ионном травлении значения частоты точечных резонаторов выравниваются с помощью защитных масок (рис. 4а, б) со сторо-

Рис. 4. Маски для настройки монолитного кварцевого фильтра второго порядка, выполненные в виде кожуха арматуры типа ММ:

а, б) предназначены для настройки частоты точечных резонаторов;

в) для настройки частоты нижнего резонанса пьезосистемы

ны потенциальных электродов пьезосистемы монолитного фильтра на предварительном этапе настройки, а частота нижнего резонанса пьезосистемы (средняя частота) монолитного фильтра настраивается со стороны общего электрода на этапе окончательной настройки при помощи защитной маски (рис. 4в).

Технологический процесс настройки способом ионного травления представляет собой последовательность операций и проводится в установке, структурная схема которой представлена на рис. 3:

1. Выравнивание частот точечных резонаторов при помощи масок, показанных на рис. 4а, б.

2. 8-часовой цикл термотренировки (стабилизации электродного покрытия).

3. Проверка частот точечных резонаторов. При неравенстве частот точечных резонаторов повторить операции 1, 2.

4. Окончательная настройка частоты нижнего резонанса пьезосистемы монолитного фильтра ионным травлением при помощи маски (рис. 4в).

В таблице 3 показаны параметры монолитных фильтров после исследованных спо-

Рис. 5. Поверхность электрода монолитного фильтра после: а) комбинированного способа; б) ионного травления (увеличено в 98 раз)

собов настройки, а на рис. 6 приведена АЧХ монолитного кварцевого фильтра после его настройки методом ионного травления электродного покрытия через защитные маски, показанные на рис. 4.

Метод окончательной настройки средней частоты монолитного фильтра при помощи ионного травления обладает более высокой производительностью, благодаря групповой настройке по 23 монолитных кварцевых фильтра за один цикл. В процессе настройки осуществляется непосредственный контроль значения частоты настраиваемого монолитного фильтра, а также существует возможность регулирования скорости настройки значения частоты настраиваемой пары электродов пьезосистемы фильтра. Скорость настройки значения частоты зависит от следующих факторов: значения давления инертного газа (аргона) в процессе настройки, значения тока, подаваемого на источник ионов. Отпадает необходимость дополнительного цикла 24-часовой термотренировки при примении метода ион-

Таблица 3. Параметры монолитных фильтров, настроенных исследуемыми способами

Параметры нижнего резонанса пьезосистемы фильтра Параметры первого точечного резонатора Параметры второго точечного резонатора Параметры верхнего резонанса пьезосистемы фильтра Ширина полосы пропускания по уровню в 3 дБ Добротность е о н не

Вид настройки № образца Частота нижнего резонанса Динамическое сопротивление Частота первого точечного резонатора Динамическая индуктивность ее 2 і се ел н ^8 го ог а г-° г Н 2о 8 еЧ Динамическая индуктивность ее 2 і се ел н ^8 а оса 2і-ї о?« вр ее 2 Ї се ел н ч8 аи § £ ж & х <ё аз р а

*н к. (т.р.1 кр.1 к1т.р.1 <т.р.2 Цт.р.2 К1 т.р.2 Кі АР А лгар.

кГц Ом кГц Гн Ом кГц Гн Ом кГц Ом кГц дБ

Ионным травлением 1 64 999,08 90 64 994,59 0,035 150 64 993,06 0,037 175 65 007,88 270 10 2,41х 106 43

2 65 001,71 83 65 005,94 0,031 230 64 999,86 0,029 200 65 015,41 267 10 1,99х106 45

3 64 999,08 95 64 994,26 0,041 170 64 994,36 0,039 160 65 002,35 284 10 1,91х106 45

Комбини- рованный 4 64 999,2 90 64 997,44 0,025 175 64 998,37 0,028 285 65 004,87 265 10 1,55х106 40

5 65 001,74 113 64 999,73 0,023 275 65 000,74 0,014 380 65 006,45 340 10 1,01х106 41

6 64 997,15 210 64 995,97 0,028 230 64 995,85 0,031 255 65 004,28 300 10 1,41 х 106 42

►1: Transmission >2: Off

І_од Мад

5.0 dB/ Ref -5.00 dB

С MEAS 1 MKR MHz

Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика монолитного кварцевого фильтра второго порядка. Нагрузочный импеданс 1 кОм

ного травления. Существует возможность организации полуавтоматического способа настройки. Из-за однородности слоя металла на тонкопленочном электроде уменьшается разброс значения динамической индуктивности (таблица 3). На фотографии поверхности электродного покрытия монолитного кварцевого фильтра после ионного травления (рис. 5б) видно однородную структуру, что в результате дает меньшее значение динамического сопротивления точечных резонаторов и большую добротность фильтра. ■

Литература

1. Мостяев В. А., Дюжиков В.И. Технология пьезо-и акусто-электронных устройств. М.: Ягуар, 1993.

2. Кантор В. М., Тупиков Ю Г. Монолитные пьезоэлектрические фильтры с регулируемым коэффициентом связи // Электронная техника. Серия 5. Радиодетали и радиокомпоненты. 1976. Вып. 2 (15).

3. Пашков С. С., Першина Е. Ф., Иванов В. В. Настройка частоты кварцевых резонаторов методом ионного травления материала электрода // Электронная техника. Серия 5. Радиодетали и радиокомпоненты. 1982. Вып. 2 (47).