ИЗМЕРЕНИЯ СВОЙСТВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЁНОК МЕТОДОМ ОТКРЫТОГО РЕЗОНАТОРА

June 24, 2012 by admin Комментировать »

Котельников И. В., Буслов О. Ю., Кейс В. Н., Козырев А. Б., Кулик П. В. Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет ул. Пр. Попова д. 5, Санкт-Петербург 197376, Россия тел/факс: 812 234-4809, e-mail: mlp@eltech.ru

Аннотация Предложена методика для измерения свойств (тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость) сегнетоэлектрических плёнок с помощью открытого резонатора. Приведены результаты измерений сегнетоэлектрических плёнок, а также слоистых структур на частоте ~ 50 ГГц.

I.  Введение

В настоящее время проявляется интерес к использованию сегнетоэлектрических (СЭ) плёнок в различных СВЧ устройствах (перестраиваемые фильтры и генераторы, фазовращатели и др.). Это связано, прежде всего, со следующими особенностями сегнетоэлектриков: высокое быстродействие, возможность работы при повышенных уровнях СВЧ мощности, низкий уровень потребления энергии управления, низкая стоимость. Для создания устройств необходимо знать и уметь измерять СВЧ параметры СЭ плёнок. Ниже предложена методика, позволяющая измерять тангенс угла диэлектрических потерь (tanS), а так же величину диэлектрической проницаемости (е) сегнетоэлектрических плёнок, нанесённых на подложки.

II.  Теория

Рассматриваемый метод основан на скалярной теории открытого резонатора (ОР), содержащего диэлектрическую пластину [1]. В предлагаемом методе объектом исследования является двухслойный

Рис. 1. Открытый резонатор с образцом Fig. 1. Open resonator with sample

образец (СЭ плёнка, нанесённая на подложку), который располагается на поверхности плоского зеркала полусферического резонатора, как показано на рис.1. Вывод формулы основан на допущении, что фронт электромагнитной волны плоский. Тогда, используя метод импедансов можно получить трансцендентное уравнение для определения диэлектрической проницаемости СЭ плёнки:

где d = Dth-p\ t толщина диэлектрической подложки, h толщина плёнки, es, ef диэлектрические проницаемости подложки и плёнки соответственно, ц/

–  дополнительный фазовый набег, характеризующий сферичность фронта волны, р сдвиг плоского зеркала (смысл этой величины будет объяснён позже). Тангенс угла диэлектрических потерь рассчитывается по классической формуле:

Рис. 2. Распределение поля вблизи плоского зеркала для TEMooq (слева) и ТЕМоц (справа) мод

Fig. 2. The field distribution of the TEMooq (left) and TEMoiq (right) modes at the plane of mirror

ницаемости не превышала 2% от табличных значений. Результаты исследований разного состава керамических сегнетоэлектрических плёнок толщиной

7   |im, нанесённых методом спекания на подложки из МдО толщиной 0.5 mm, а также объёмного образца BSTO толщиной 0.5 mm на частоте 48 ГГц приведены в таблице. Для сравнения, в таблице приведены результаты измерения в таких же плёнок сосредоточенных варакторов на низкой частоте (1МГц).

Результаты измерений СЭ плёнок на подложках МдО и объёмной керамики Results of measurements of FE films on MgO substrates and bulk ceramic

Материал плёнки

8

1 МГц

8

48 ГГц

tgS 48 ГГц

(BaSr)Ti03 (45.30R3)

387.2

406

0.065

(BaSr)TiOs (60.20)

1081

919

-0.1

(BaSr)TiOs (55.20)

795

619

0.083

Объёмный образец

85

73.3

0.0057

BaSrTiOs (K2500)

Важно отметить, что ошибка измерений зависит от толщины и диэлектрической проницаемости плёнки, и для пленок, результаты измерений которых приведены в таблице, составляют менее 5% для диэлектрической проницаемости и 20% для тангенса угла диэлектрических потерь.

IV.  Заключение

Представлена методика, позволяющая проводить безэлектродные экспресс измерения диэлектрических свойств сегнетоэлектрических плёнок на частотах -50 ГГц. Величина погрешности при измерении диэлектрической проницаемости менее 5% и 20% для тангенса угла диэлектрических потерь.

V.  Список литературы

1.     Cullen A. L. Millimeter-wave open-resonator techniques.

Infrared and millimeter waves, 1983,-Vol. 10, pp 233-281.

PROCEDURE OF MEASUREMENT OF FERROELECTRIC FILMS PARAMETERS USING OPEN RESONATOR METHOD

Buslov O. Y., Keys V. N., Kozyrev A. B., Kotelnikov I. V., KulikP. V.

St. Petersburg National Electrotechnical University Prof. Popov str., 5, St. Petersburg 197376, Russia tel/fax: 812 234-4809, e-mail: mlp@eltech.ru

Abstract Presented in this paper are the measurements of ferroelectric film parameters (loss tangent, dielectric constant) based on quasi-optical U band resonator. The results of measurements of multiple structures and ferroelectric film parameters at frequency 50 GHz are presented.

I.  Introduction

At present time the interest to ferroelectric (FE) films application in different devices (tunable filters and oscillators, phase shifters) is obvious. Due to the set of positive properties of (FE) films: high speed of tuning, high MW power operation possibility, low power consumption and low cost. In order to create these devices the properties of FE films must be known and measured. The presented method allows to define the loss tangent and permittivity of FE films.

II.  Main part

In the method proposed the object of investigation is the substrate with FE film located at the center of the plane mirror of open resonator (fig.1). The electrical field distribution of the base TEMooq and high order TEM0iq modes at the mirror plane are shown in fig.2.

The theoretical approach to definition of the film parameters is based on the open resonator theory [1] and the transcendental equation (1) has been derived to calculate the ferroelectric film permittivity. The loss factor of the ferroelectric film is described by equation (2).

Results of measurements of ferroelectric films (thickness ~7 |xm) on MgO substrates (thickness 0.5mm) and bulk BSTO ceramic at frequency 48 GHz are presented in table compared with data obtained from low frequency measurements (1 MHz) for FE film varactors. The error for permittivity definition is better than 5% and 20% for tan5. The excess discrepancy between s data presented in table for low and high frequency measurements can be explained by variation of dielectric properties after the electrode deposition, required for low frequency measurements.

IV.  Conclusion

The procedure of electrodeless express measurements of ferroelectric films at frequencies -50 GHz has been elaborated. The error of measurements is less than 5% for permittivity and 20% for loss tangent.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты