Котельников І. В., Буслов О. Ю., Кейс В. Н., Козирєв А. Б., Кулик П. В. Санкт-Петербурзький Державний Електротехнічний Університет вул. Пр. Попова д. 5, Санкт-Петербург 197376, Росія тел / факс: 812 234-4809, e-mail: mlp@eltech.ru

Анотація Запропоновано методику для вимірювання властивостей (тангенс кута діелектричних втрат і діелектрична проникність) сегнетоелектричних плівок за допомогою відкритого резонатора. Наведено результати вимірювань сегнетоелектричних плівок, а також шаруватих структур на частоті ~ 50 ГГц.

I. Вступ

В даний час проявляється інтерес до використання сегнетоелектричних (СЕ) плівок в різних СВЧ пристроях (перебудовувані фільтри та генератори, фазообертачі та ін.) Це пов’язано, перш за все, з такими особливостями сегнетоелектриків: висока швидкодія, можливість роботи при підвищених рівнях НВЧ потужності, низький рівень споживання енергії управління, низька вартість. Для створення пристроїв необхідно знати і вміти вимірювати СВЧ параметри СЕ плівок. Нижче запропонована методика, що дозволяє вимірювати тангенс кута діелектричних втрат (tanS), а так же величину діелектричної проникності (Е) сегнетоелектричних плівок, нанесених на підкладки.

II. Теорія

Розглянутий метод заснований на скалярной теорії відкритого резонатора (ОР), що містить діелектричну пластину [1]. У пропонованому методі об’єктом дослідження є двошаровий

Рис. 1. Відкритий резонатор із зразком Fig. 1. Open resonator with sample

зразок (СЕ плівка, нанесена на підкладку), який розташовується на поверхні плоского дзеркала півсферичного резонатора, як показано на рис.1. Висновок формули заснований на допущенні, що фронт електромагнітної хвилі плоский. Тоді, використовуючи метод импедансов можна отримати трансцендентне рівняння для визначення діелектричної проникності СЕ плівки:

де d = Dth-p \ t товщина діелектричної підкладки, h товщина плівки, es, ef діелектричні проникності підкладки і плівки відповідно, ц /

– Додатковий фазовий набіг, що характеризує сферичність фронту хвилі, р зрушення плоского дзеркала (сенс цієї величини буде пояснений пізніше). Тангенс кута діелектричних втрат розраховується за класичною формулою:

Рис. 2. Розподіл поля поблизу плоского дзеркала для TEMooq (ліворуч) і ТЕМоц (праворуч) мод

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

ніцаемості не перевищувала 2% від табличних значень. Результати досліджень різного складу керамічних сегнетоелектричних плівок товщиною

7 | im, нанесених методом спікання на підкладки з МДО товщиною 0.5 mm, а також об’ємного зразка BSTO товщиною 0.5 mm на частоті 48 ГГц наведені в таблиці. Для порівняння, в таблиці наведено результати вимірювання в таких же плівок зосереджених варактора на низькій частоті (1МГц).

Результати вимірювань СЕ плівок на підкладках МДО та об’ємної кераміки Results of measurements of FE films on MgO substrates and bulk ceramic

Матеріал плівки

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

Об’ємний зразок

85

73.3

0.0057

BaSrTiOs (K2500)

Важливо зазначити, що помилка вимірів залежить від товщини і діелектричної проникності плівки, і для плівок, результати вимірювань яких наведені в таблиці, складають менше 5% для діелектричної проникності і 20% для тангенса кута діелектричних втрат.

IV. Висновок

Представлена ​​методика, що дозволяє проводити безелектродні експрес виміру діелектричних властивостей сегнетоелектричних плівок на частотах -50 ГГц. Величина похибки при вимірюванні діелектричної проникності менше 5% і 20% для тангенса кута діелектричних втрат.

V. Список літератури

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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.