Piezoelectric Film Waveguides for Surface Acoustic Waves

(1)

’є

ч і ів ві хв

в

в х в х

ч х хв

. .

*

« »,

. , 16/9, 03056 -56, ,

( 02.06.2016, – 22.11.2016, online 29.11.2016)

’є

( ) ZnO .

. ,

, .

ч ві в : ( ), ,

-, , .

DOI: 10.21272/jnep.8(4(1)).04007 PACS numbers: 77.65.Dq, 64.60.Ej

*_{zhovnir101@gmail.com}

1.

( )

,

, ,

-, , ,

[1-6].

’є ,

є

,

( )

-, [3-6].

є

,

-.

є

,

’

’є ,

- ( )

.

-’є

-ZnO ,

є .

2. Х І Х АХ

-

-,

. .1

-,

: ( , );

( ); (- ) [1].

,

, .

( .1, ) є

( ) ,

, є

-,

.

( є ) , є

, є

-. , є

.

. 1 – –

( .1, ) є

-,

.

. ,

45 є ,

є . ,

-є , є

-.

( . 1, )

-,

, є , є .

. ,

(2)

.

( . 1, - ) ,

-,

-. ( .1, )

є ,

.

( . 1, )

,

-,

.

( . 1, ) є ’є

, є ,

є

’є ,

.

3. А І АХ–

,

, є

,

( . 2) ’є ZnO

SiO2 ,

є

,

-,

[5, 6].

. 2–

-,

-, є є

-, є

-.

, є

.

– ,

. ,

,

-, є

.

[7, 8] - ,

’ є ,

-, ( )

, :

2 2 2 2

2 2

2

, 2

S R S

V V V

hG

V V m arctg

V V V V

 

     (1)

V ;

R

V  ;

S

V 

-; Gd h/ ; 2d h

-;  ; m0, 1, 2...–

-.

.3

-( )

А x V h( / ) .

(1) m0 є

( )

2d h.

a) )

. 3– ( )

( ) –

– є

, h/a

/

h b . . h/0...

-є

.

-,

’є

є . ,

, f

-S

V , ( )

. d

h

-:

;

є

-, є

є .

,

h

-, ,

-, .

h є

, є

. ,

,

(2,0...3,5).

(3)

2 .

ZnO-SiO [9], є

-S

V :





2

exp 1,412 1,811 ,

S R

V V __ h h __ (2)

3400 /

R

V  

2

SiO .

.4 ( 1).

– (1) :





2 2 2 2

2 2

2 1 ,

2 1

R S

R

V V

h

G m arctg

V  

 

 

   

 (3)

S

V V

 .

/

h 

(2)

S

V , є



-(3) G ,

-є

(

-) m0 m1, 2...

. 4

( 2…5)

( 6…9)

-ZnO h/

-/ Gd h.

. 4–

ZnO

G

-є

( 1). ,

є

-,

-.

(m1)

R

VV , (3) є

:

1 2

4 _{exp 2,824} _3,622 ₁ _;

kp h h h

G _ _ _



 _ _ 

     

  _ _ _ _ 

  _ _ _ _ 

      

   

 

   (4)

1 2

,

2dkp  2 exp 2,824 h 3,622h 1



   

   

   

   

 

   

 

 

 

   (5)

. 5 6.

. 5– G

ZnO

. 6–

2d ZnO

І (3) є

:

2

4Ghexp 2,824 h 3,622 h 1

   _{ }_  _{ }_ 

   

 

 

   (6)

1 2

,

4 exp 2,824 3,622 1

R h h

f V Gh _ _



 _ _ 

     

  _ _ _ _ 

  _ _ _ _ 

      

   

 

   (7)

50

(4)

. 7 –

кр

 ZnO

І (4)…(7) . 5…8 є,

G є

/

h , є

-.

є .

-–

,

.

-: ;

-; ;

; [2].

. 8– f

ZnO

,

-,

. ,

-2 .

ZnO SiO

( . 9), є

є

[10].

2 d



K

L 

W

. 9 –

-є . ,

є ,

є .

-є [2, 10]:





, arccos

kp V V

  (8)

V V 

.

kp

  є є

. І є, 2,

kp

  ,

. k

L

-є [2]:





0,5 2 .

k

L  W d ctg (9)

(8)

( . 3)

, kp

-ZnO h/,

-є , (9),

-k

L G h:





2 0,5 2

kp k kp

W  L tg   hG (10)

. 10 11

-kp



kp

W h/

-2 .

SiO V 3400 /

V ,

.4 ( 2...5).

. 10– _kp

(5)

. 11–

kp

W ZnO

4. Ь А А Ь Х

І Ь

– ’є

(ZnO SiO 2 .).

-,

-(

) [11], є

,

є .

(69...72)

f ((46,5...48,5) )

( ),

.

,

0,46

W ,

2d100 ZnO

(1,0...1,2)

h .

k

R .

[2]:

2 /

n k

d  R W , W , 

.

2d100 ,

W2

2,17 k

R  ZnO

(1,0...1,2)

h .

R15 .

kp

 Wkp

-(8) (10).

-2d(100...150) ’є

ZnO h(1,0...1,4) . . 12

.

. 12–

. 13

-:

-2d100 ; ’є

ZnO h1,0 ;

-21,75

k

L  ;

2,17 k

R  .

)

. 13–

( – ; –

-; –

є ,

. є

,

є

-.

є

-. є

-є .

-,

-, є ,

-, є

є ’є

ZnO

-, ,

.

. 14 ( )

( )

(6)

)

. 14– ( )

( )

. 15–

. 15

2d(100...150) .

,

-ZnO h(1,0...1,2) є

є (1,5…2,0) / .

R15 є

2,4 / .

100 150

2,8 / ,

-,

-є .

5.

-2 .

ZnO SiO

-- ,

( )

’ .

,

-.

’є

-,

,

-,

-.

ґ

-,

, ,

ZnO.

ч

ё ч

в

в х

х

ч

х в

. .

« »,

. я, 16/9, 03056, -56,

( ) ZnO

.

-.

, ,

-.

ч в в : ( ), ,

(7)

Piezoelectric Film Waveguides for Surface Acoustic Waves

M.F. Zhovnir

National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute" 16/9, Polytechnique st., 03056 Kyiv-56, Ukraine

The paper presents results of mathematical modeling of piezoelectric film waveguide structures for surface acoustic waves (SAW). Piezoelectric ZnO film is supposed to be placed on a fused quartz substrate. The analytical ratios and numerical results allow to determine the design parameters of the waveguide structures to provide a single-mode SAW propagation mode. The results of amplitude and phase experi-mental studies of the SAW in the waveguide structures that were carried out on the laser optical sensing set up confirm the theoretical calculations.

Keywords: Surface acoustic wave (SAW), SAW waveguide and concentrator, Dispersion equation, The dispersion of the phase velocity of the wave, Optical sensing.

І А

1. ( .

. ; . .; . . . ) ( .: :

1981) (Poverkhnostnyye akusticheskiye volny (Pod red. A. Olinera; per. s angl.; pod red. I.S. Reza) (M.: Mir: 1981)).

2. . . , . . , . . ,

. . ,

( .: : 1985)

(V.S. Bondarenko, B.G. Bochkov, V.L. Gromashevskiy, B.V. Sobolev, Nelineynyye akustoelektronnyye ustroystva i ikh primeneniye (M.: Radio i svyaz': 1985)).

3. D. Chernenko, M. Zhovnir, O. Oliinyk, B. Tsyganok, Wire-less Passive Sensor Using Frequency Coded SAW Struc-tures // 35th_{International Spring Seminar on Electronics}

Technology „Power Electronics” (ISSE: 2012).

4. M.F. Zhovnir, O.O. Oliynyk, L.D. Pysarenko, J. Nano-

Electron. Phys. 8 No 1, 01024 (2016).

5. . . , . . , . . , Э

я 60, №1 (2011) (M.F. Zhovnir, M.H. Chernyuk, D.V. Chernenko, Elektronika i svyaz60, №1 (2011)).

6. . . , . . ,В « » 52, 1161

(2015) (M.F. Zhovnir, O.O. Oliynyk, Visnyk NTU «KhPI»

52, 1161 (2015)).

7. H.F. Tiersten, J. Appl. Phys. 40 No 2, (1969).

8. . . , . . , . . , . .

-,

-( .: : 1991) (S.V. Byryukov, Yu.V. Hul-yaev, V.V. Krylov, V.P. Plesskyy, Poverkhnostnye akusty-cheskye volny v neodnorodnykh sredakh (M.: Nauka: 1991)).

9. . . , А

: . .

. . . . . ( .: 1987) (V.K. Lopushenko, Aku-stoelektronnyye mikrostruktury na osnove plenok oksida tsinka: Dissertats. na soisk. uch.st. k.t.n. (K.: 1987)). 10. L.A. Coldren, R.V. Schmidt, Appl. Phys. Lett. 22№ 10,

(1973).

11. . . , . . , я

( : :