Acoustic Resonance Spectroscopy with an Uncalibrated Microwave Path

S. G. Alekseev; Алексеев С. Г.; V. A. Luzanov; Лузанов В. А.; A. O. Raevsky; Раевский А. О.; V. V. Balashov; Балашов В. В.; K. V. Lopukhin; Лопухин К. В.; N. I. Polzikova; Ползикова Н. И.

doi:10.31857/S0320791922060016

Acoustic Resonance Spectroscopy with an Uncalibrated Microwave Path

作者: Alekseev S.G.¹, Luzanov V.A.², Raevsky A.O.², Balashov V.V.², Lopukhin K.V.², Polzikova N.I.¹
隶属关系:
1. Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences, 125009, Moscow, Russia
2. Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics (Fryazino Branch), Russian Academy of Sciences, 141120, Fryazino, Moscow region, Russia
期: 卷 69, 编号 1 (2023)
页面: 32-40
栏目: ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
URL: https://vestnik.nvsu.ru/0320-7919/article/view/648279
DOI: https://doi.org/10.31857/S0320791922060016
EDN: https://elibrary.ru/CPIAJF
ID: 648279

如何引用文章

全文:

开放存取

##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问

订阅存取

详细

Acoustic resonance spectroscopy (ARS) is an informative analytical method that yields information about thicknesses and acoustic properties of layers in a multilayer structure representing a high-overtone bulk acoustic wave resonator (HBAR). Since the HBAR spectrum has many resonance features, the development of automatic methods for its processing is an urgent task. In this study, a method for extracting ARS data from a signal distorted by a RF measuring path without additional measurements of reference impedances (calibration) is proposed, which brings the spectrum to a form convenient for automatic processing and significantly expands the range of the ARS application. The method is especially relevant for processing HBAR spectra with a low excitation efficiency. As an example of such processing, the central frequencies and effective widths of more than a thousand resonant peaks are determined and, based on this, the frequency dependence of the acoustic attenuation is established for a new material: optical ceramics based on doped yttrium aluminum garnet nanoparticles.

关键词

bulk acoustic wave resonator, HBAR, piezoelectric transducer, calibration, excitation efficiency, acoustic absorption

参考

Крутов Б.Н., Мансфельд Г.Д., Фрейк А.Д. Определение акустических параметров тонких слоев и пленок по электрическим характеристикам составного резонатора // Акуст. журн. 1994. Т. 40. № 4. С. 633–639.
Мансфельд Г.Д., Алексеев С.Г., Ползикова Н.И. Эквивалентная электрическая схема составного акустического резонатора для радиотехнических устройств СВЧ диапазона // Акуст. журн. 2008. Т. 54. № 4. С. 552–558.
Мансфельд Г.Д., Гуляев Ю.В., Косаковская З.Я., Алексеев С.Г., Сарайкин В.В. Акустические и акустоэлектронные свойства углеродных нанотрубных пленок // ФТТ. 2002. Т. 44. № 4. С. 649–651.
Сорокин Б.П., Новоселов А.С., Квашнин Г.М., Лупарев Н.В., Асафьев Н.О., Шипилов А.Б., Аксёненков В.В. Разработка и исследование композитных акустических резонаторов со структурой “Al/(Al,Sc)N/Mo/алмаз” с высокой добротностью на СВЧ // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 3. С. 325–331.
Sotnikov A.V., Sorokin B.P., Asafiev N.O., Shcherbakov D.A., Kvashnin G.M., Suhak Yu., Fritze H., Weihnacht M., Schmidt H. Microwave acoustic attenuation in CTGS single crystals // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2021. V. 68. № 11. P. 3423–3429.
Mansfeld G.D., Alekseev S.G., Kotelyansky I.M. Acoustic HBAR spectroscopy of metal (W, Ti, Mo, Al) thin films // Proc. 2001 IEEE Ultrasonics Symp. New York: IEEE, 2001. V. 1. P. 415–418.
Mansfeld G.D., Alekseev S.G., Kotelyanskii I.M., Polzikova N.I. Measurements of attenuation and electromechanic coupling constant of piezoelectric films in microwave resonators // Acoust. Phys. 2010. V. 56. № 6. P. 904–908.
Migliori A., Sarrao J.L., Visscher W.M., Bell T.M., Lei M., Fisk Z., Leisure R.G. Resonant ultrasound spectroscopic techniques for measurement of the elastic moduli of solids // Physica B: Cond. Mat. 1993. V. 183. № 1–2. P. 1–24.
Polzikova N., Alekseev S., Kotelyanskii I., Raevskiy A., Fetisov Yu. Magnetic field tunable acoustic resonator with ferromagnetic-ferroelectric layered structure // J. Appl. Phys. 2013. V. 113. № 17. P. 17C704-1-4.
Polzikova N.I., Alekseev S.G., Pyataikin I.I., Luzanov V.A., Raevskiy A.O., Kotov V.A. Frequency and magnetic field mapping of magnetoelastic spin pumping in high overtone bulk acoustic wave resonator // AIP Advances. 2018. V. 8. № 5. P. 056128-1-6.
Alekseev S.G., Dizhur S.E., Polzikova N.I., Luzanov V.A., Raevskiy A.P., Orlov A.P., Kotov V.A., Nikitov S.A. Magnons parametric pumping in bulk acoustic waves resonator // Appl. Phys. Lett. 2020. V. 117. № 7. P. 072408-1-5.
Sergeev F.O., Alekseev S.G., Kotelyanskii I.M., Mansfeld G.D., Polzikova N.I. Viscosity tensor components of the langatate and langasite // Proc. 2008 IEEE Int. Ultrasonics Symp. (IUS). New York: IEEE, 2008. P. 745–748.
Polzikova N.I., Mansfeld G.D., Alekseev S.G., Kotelyanskii I.M., Sergeev F.O. Acoustic resonance spectroscopy of nanoceramics // Proc. 2008 IEEE Int. Ultrasonics Symp. (IUS). New York: IEEE, 2008. P. 2169–2172.
Алексеев С.Г., Ползикова Н.И., Котелянский И.М., Мансфельд Г.Д. Исследование слоистых структур модифицированным методом резонаторной акустической спектроскопии // Радиотехн. электрон. 2015. Т. 60. № 3. С. 317–324.
Алексеев С.Г., Лузанов В.А., Ползикова Н.И. Исследование пространственного распределения пьезоэлектрических свойств пленки ZnO методом акустической резонаторной спектроскопии // Радиотехн. электрон. 2020. Т. 65. № 11. С. 1131–1136.
Bhaskar U.K., Tierno D., Talmelli G., Ciubotaru F., Adelmann C., Devolder T. BPZT HBARs for magnetoelastic stress generation at GHz frequencies // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2020. V. 67. № 6. P. 1284–1290.
Gokhale V.J., Downey B.D., Katzer D.S., Nepal N., Lang A.C., Stroud R.M., Meyer D.J. Epitaxial bulk acoustic wave resonators as highly coherent multi-phonon sources for quantum acoustodynamics // Nature Commun. 2020. V. 11. № 1. P. 2314-1-9.
Kvashnin G., Sorokin B., Asafiev N., Prokhorov V., Sotnikov A. Peculiarities of the acoustic wave propagation in diamond-based multilayer piezoelectric structures as “Me1/(Al, Sc) N/Me2/(100) Diamond/Me3" and “Me1/AlN/Me2/(100) diamond/Me3” under metal thin-film deposition // Electronics. 2022. V. 11. № 2. P. 176-1–11.
Cheeke J.D.N., Zhang Y., Wang Z. Resonant spectrum method to characterize piezoelectric films in composite resonators // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2003. V. 50. № 3. P. 321–333.
Sorokin B.P., Kvashnin G.M., Novoselov A.S., Bormashov V.S., Golovanov A.V., Burkov S.I., Blank V.D. Excitation of hypersonic acoustic waves in diamond-based piezoelectric layered structure on the microwave frequencies up to 20 GHz // Ultrasonics. 2017. V. 78. P. 162–165.
Алексеев С.Г., Мансфельд Г.Д. Простой способ измерения добротности и затухания в акустических резонаторах // Радиотехн. электрон. 2008. Т. 53. № 1. С. 122–126.
Кайно Г. Акустические волны: Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов. М.: Мир, 1990. 652 с.
Алексеев С.Г., Мансфельд Г.Д., Ползикова Н.И. Захват энергии колебаний в составных акустических резонаторах на основе кубических кристаллов // Радиотехн. электрон. 2006. Т. 51. № 8. С. 984–990.
Хазанов Е.Н., Таранов А.В., Алексеев С.Г., Ползикова Н.И. Влияние анизотропии на кинетику и акустические характеристики фононов в керамике на основе YAG, Y2O3, Lu2O3 // Журн. эксп. теор. физ. 2014. Т. 145. № 1. С. 101–107.