RU2633658C2 - Surface acoustic wave resonator - Google Patents
Surface acoustic wave resonator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2633658C2 RU2633658C2 RU2016108512A RU2016108512A RU2633658C2 RU 2633658 C2 RU2633658 C2 RU 2633658C2 RU 2016108512 A RU2016108512 A RU 2016108512A RU 2016108512 A RU2016108512 A RU 2016108512A RU 2633658 C2 RU2633658 C2 RU 2633658C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- length
- δfr
- surfactant
- idt
- resonator
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/46—Filters
- H03H9/64—Filters using surface acoustic waves
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотехники, в частности к пьезотехнике и акустоэлектронике, и может быть использовано в радиоэлектронике для создания частотозадающих устройств, в том числе высокочастотных генераторов сигнала, а также датчиков физических величин.The invention relates to the field of radio engineering, in particular to piezoelectric engineering and acoustoelectronics, and can be used in radio electronics to create frequency-setting devices, including high-frequency signal generators, as well as physical quantity sensors.
Задающий генератор генерирует электрические колебания определенной частоты и конструируется с таким расчетом, чтобы в нем гармонические колебания возбуждались без внешних воздействий. В этом процессе основным элементом является резонатор, например резонатор на поверхностных акустических волнах (ПАВ), представляющий собой колебательный контур, в котором, при поступлении в него энергии, возникают затухающие со временем колебания тока. Резонатор должен обладать высокой добротностью, чтобы происходила компенсация потерь, определяющих затухание колебаний. Добротность определяет ширину резонанса и характеризует способность резонатора сохранять накопленную энергию. Достигнутый уровень технологий при правильных конструктивных решениях позволяет в настоящее время создавать резонаторы, обладающие большой добротностью. Высокодобротные резонаторы имеют, как правило, более высокую временную стабильность частоты (меньше старение). У резонаторов с малым значением величины добротности чаще наблюдаются большее старение.The master oscillator generates electrical oscillations of a certain frequency and is designed in such a way that harmonic oscillations in it are excited without external influences. In this process, the main element is a resonator, for example a resonator based on surface acoustic waves (SAWs), which is an oscillating circuit in which, when energy enters it, current oscillations decaying over time. The resonator must have a high Q factor to compensate for the losses that determine the damping of the oscillations. The quality factor determines the width of the resonance and characterizes the ability of the resonator to store the stored energy. The achieved level of technology with the right structural solutions allows us to create resonators with high Q factor. High-Q resonators typically have higher temporal frequency stability (less aging). For resonators with a small value of the quality factor, more aging is more often observed.
Из предшествующего уровня техники известно, что основным пьезоэлектрическим материалом для высокодобротных резонаторов на ПАВ служат высокостабильные срезы кварца. Кварцевые резонаторы на ПАВ находят применение в высокостабильных частотно-задающих генераторах благодаря высокой термической стабильности кварца, которая прямо связана с его структурой и отражается на величине коэффициента электромеханической связи (КЭМС), позволяющего получать высокодобротные резонаторы. Другие пьезоэлектрические материалы, например ниобат лития (LiNbO3) или танталат лития (LiTaO3), используются в резонаторах, которые находят применение в фильтрах на ПАВ (Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. – М.: Мир, 1990, 584 с.).From the prior art it is known that the main piezoelectric material for high-Q surfactant resonators are highly stable sections of quartz. Surfactant quartz resonators are used in highly stable frequency-setting oscillators due to the high thermal stability of quartz, which is directly related to its structure and is reflected in the value of the electromechanical coupling coefficient (CEMS), which makes it possible to obtain high-quality resonators. Other piezoelectric materials, such as lithium niobate (LiNbO 3 ) or lithium tantalate (LiTaO 3 ), are used in resonators that are used in surfactant filters (I. Zelenka. Piezoelectric resonators based on volume and surface acoustic waves. - M.: Mir, 1990 , 584 p.).
Недостатком кварцевых резонаторов на ПАВ являются потери на распространение акустической волны, которые возрастают на высоких частотах, вызывая затухание сигнала и снижение добротности резонаторов. В резонаторах на основе ниобата лития или танталата лития на высоких частотах акустические потери намного меньше, чем в кварцевых резонаторах, что обусловлено параметрами кристаллической решетки материалов. Однако резонаторы на подложках из LiNbO3 или LiTaO3 также обладают низкой добротностью на высоких частотах, вызванной большими потерями энергии в металлических элементах конструкции, связанными с высоким КЭМС для распространения ПАВ на свободной поверхности, обусловленным природой материала.The disadvantage of quartz resonators on surfactants is the propagation loss of the acoustic wave, which increases at high frequencies, causing signal attenuation and a decrease in the quality factor of the resonators. In resonators based on lithium niobate or lithium tantalate at high frequencies, the acoustic loss is much less than in quartz resonators, which is due to the crystal lattice parameters of materials. However crystals on substrates of LiNbO 3 or LiTaO 3 also have a low quality factor at high frequencies caused by the large energy losses in the metal structural elements related to high surfactants KEMS for distribution on a free surface, due to the nature of the material.
Из уровня техники известен резонатор на поверхностных акустических волнах (Европейский патент на изобретение ЕР 0481733 А1, МПК Н03Н 9/02, Н03Н 9/145, Н03Н 9/25, опубл. 22.04.1992), содержащий пьезоплату из ниобата лития (LiNbO3), на поверхности которой сформирован встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и не менее двух отражающих структур (ОС), состоящих из массивов отражателей. Повышение добротности резонатора в данном техническом решении достигается путем аподизации (весовой обработки) встречно-штыревого преобразователя, то есть с помощью избирательного изменения перекрытия (апертуры) электродов по протяженности ВШП по некоторому закону, описываемому уравнением, так, что максимум перекрытия оказывается в определенном месте ВШП, например в середине.A resonator based on surface acoustic waves is known from the prior art (European patent for invention EP 0481733 A1, IPC Н03Н 9/02, Н03Н 9/145, Н03Н 9/25, publ. 04/22/1992) containing a piezo-plate made of lithium niobate (LiNbO 3 ) , on the surface of which an interdigital transducer (IDT) is formed and at least two reflective structures (OS), consisting of arrays of reflectors. An increase in the Q-factor of the resonator in this technical solution is achieved by apodizing (weighting) the interdigital transducer, that is, by selectively changing the overlap (aperture) of the electrodes along the IDT length according to a certain law described by the equation, so that the overlap maximum is in a certain place of the IDT for example in the middle.
Наиболее близким по технической сущности аналогом (прототипом) к заявленному изобретению является резонатор на поверхностных акустических волнах (Европейский патент на изобретение ЕР 2239846 А2, МПК Н03Н 9/02, Н03Н 9/145, опубл. 13.10.2010), состоящей из пьезоплаты, выполненной из танталата лития или ниобата лития, на поверхности которой сформированы встречно-штыревой преобразователь и отражающие структуры, расположенные по обе стороны от ВШП. Повышение добротности резонатора в данном техническом решении достигается за счет совместного использования аподизации электродов встречно-штыревого преобразователя и нанесении на поверхность резонатора ламинирующего покрытия, которое улучшает температурные характеристики устройства и снижает пьезоактивность монокристаллического материала подложки, при этом сильно не подавляя и не поглощая акустические волны. В качестве покрытия может использоваться диоксид кремния (SiO2) или оксинитрид кремния (SiON).The closest in technical essence analogue (prototype) to the claimed invention is a resonator on surface acoustic waves (European patent for invention EP 2239846 A2, IPC Н03Н 9/02, Н03Н 9/145, publ. 13.10.2010), consisting of a piezoelectric plate made from lithium tantalate or lithium niobate, on the surface of which an interdigital transducer and reflective structures located on both sides of the IDT are formed. An increase in the quality factor of the resonator in this technical solution is achieved through the joint use of apodization of the electrodes of the interdigital transducer and the application of a laminating coating on the resonator surface, which improves the temperature characteristics of the device and reduces the piezoelectric activity of the single-crystal substrate material, while not strongly suppressing and not absorbing acoustic waves. Silicon dioxide (SiO 2 ) or silicon oxynitride (SiON) can be used as a coating.
Недостатком резонаторов на ПАВ, предложенных в патентах ЕР 0481733 А1 и ЕР 2239846 А2, является их низкая добротность, обусловленная высоким КЭМС материала пьезоплаты (LiNbO3 или LiTaO3), и потерями сигнала, связанными с присутствием проводящих элементов конструкции в областях структуры, определяющих добротность резонатора.The disadvantage of the surfactant resonators proposed in the patents EP 0481733 A1 and EP 2239846 A2 is their low quality factor due to the high CEMS of the piezoelectric board material (LiNbO 3 or LiTaO 3 ), and signal losses associated with the presence of conductive structural elements in the structure regions determining the quality factor resonator.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение добротности резонатора на ПАВ.The technical result of the present invention is to increase the quality factor of a resonator on a surfactant.
Технический результат достигается тем, что в резонаторе на поверхностных акустических волнах, содержащем подложку из пьезоэлектрического материала с высоким КЭМС, на поверхности которой сформированы встречно-штыревой преобразователь ВШП и не менее двух отражающих структур, состоящих из массивов отражателей, выполненных с шириной и периодом следования, кратным определенной доле длины волны, ВШП разделен на две секции акустической полостью, длина которой между двумя секциями электродов ВШП выбирается из диапазонаThe technical result is achieved by the fact that in a resonator based on surface acoustic waves containing a substrate of piezoelectric material with high ECM, on the surface of which an interdigital transducer IDT and at least two reflecting structures are formed, consisting of arrays of reflectors made with a width and repetition period, a multiple of a certain fraction of the wavelength, the IDT is divided into two sections by an acoustic cavity, the length of which between two sections of IDT electrodes is selected from the range
0,01 λ/δfR<L<3,0 λ/δfR,0.01 λ / δf R <L <3.0 λ / δf R ,
где L - длина акустической полости, δfR - относительная ширина полосы отражения отражающих структур, которая может принимать значение δfR=0,003..0,03, λ - длина поверхностной акустической волны на свободной поверхности на резонансной частоте.where L is the length of the acoustic cavity, δf R is the relative width of the reflection band of the reflecting structures, which can take the value δf R = 0.003..0.03, λ is the length of the surface acoustic wave on the free surface at the resonant frequency.
Важнейшими параметрами при проектировании устройств на ПАВ являются, КЭМС, коэффициент отражения ПАВ от электродов и скорость акустической волны под электродной структурой. Подложка резонатора на ПАВ, как и в прототипе, выполнена из плотного пьезоэлектрического материала с высоким КЭМС, что обуславливает высокий коэффициент отражения ПАВ от электродов, определяемый соотношением акустических импедансов (произведения скорости звука на плотность материала) в пьезоэлектрическом материале и металле. Возникающие паразитные отражения в ВШП приводят к искажению целевой одномодовой характеристики с большой добротностью и к появлению множества резонансов с меньшей добротностью. Потери энергии при этом увеличиваются.The most important parameters when designing devices for surfactants are, CEM, the reflection coefficient of the surfactant from the electrodes and the speed of the acoustic wave under the electrode structure. The surfactant resonator substrate, as in the prototype, is made of a dense piezoelectric material with high CEM, which leads to a high reflectance of the surfactant from the electrodes, determined by the ratio of acoustic impedances (product of the speed of sound to the density of the material) in the piezoelectric material and metal. The resulting parasitic reflections in the IDT lead to a distortion of the target single-mode characteristic with high Q and to the appearance of many resonances with a lower Q factor. Energy losses increase.
В предложенном техническом решении, в отличие от прототипа, используется разделение ВШП, состоящего из малого числа электродов, на две части и их расположение по краям области со свободной поверхностью пьезоэлектрического материала. Эта область является акустической полостью. Она необходима для увеличения протяженности ВШП, то есть протяженности области, в которой происходит интерференция отраженного от ОС сигнала. В своей совокупности две секции ВШП и свободная полость между ними представляют собой ВШП прототипа, но с много меньшим числом электродов. Удаление перекрывающей апертуру ВШП металлизации способствует сохранению накопленной энергии колебательной системы. Уменьшение относительной длины пути волны под металлом ВШП по отношению к длине пути волны по свободной поверхности позволяет снизить потери энергии, связанные с отражением ПАВ от металлизации. Увеличивается отношение накопленной энергии (растущей с длиной пути) к потерянной энергии за каждый период колебаний, то есть повышается добротность колебательной системы.In the proposed technical solution, in contrast to the prototype, separation of IDT, consisting of a small number of electrodes, into two parts and their location along the edges of the region with the free surface of the piezoelectric material is used. This area is an acoustic cavity. It is necessary to increase the length of the IDT, that is, the length of the region in which the interference of the signal reflected from the OS occurs. Together, the two sections of IDT and the free cavity between them represent the IDT of the prototype, but with a much smaller number of electrodes. The removal of metallization that overlaps the IDT aperture helps to conserve the stored energy of the oscillatory system. Reducing the relative wavelength of the wave under the IDT metal with respect to the wavelength of the wave along the free surface reduces the energy loss associated with the reflection of surfactants from metallization. The ratio of the accumulated energy (growing with the path length) to the lost energy for each period of oscillations increases, that is, the quality factor of the oscillatory system increases.
Снижение искажения целевого сигнала и повышение добротности резонатора достигается также снижением эффективного КЭМС в структуре. Известно, что КЭМС может быть определен через относительную разность скоростей ПАВ на металлизированной и не металлизированной поверхностях, то есть КЭМС - это выражение замедления акустической волны. Под металлизацией скорость ПАВ меньше, чем на свободной поверхности. При использовании в резонаторе известной структуры ВШП, с электродами вместо акустической полости, эффективный КЭМС близок к КЭМС ПАВ на свободной поверхности. В предложенном техническом решении в ВШП есть участок без металлизации - удалена значительная часть электродов с образованием свободной акустической полости. Общее изменение скорости ПАВ ВШП складывается из изменения скорости ПАВ на участках под электродными структурами и на участке свободной поверхности пьезоэлектрического материала. В акустической полости скорость ПАВ не меняется, следовательно, общее изменение скорости ПАВ меньше, чем в известных ВШП. Усредненное по расстоянию между ОС относительное замедление ПАВ, то есть эффективный КЭМС, меньше, чем в случае цельного ВШП, что приводит к снижению эффективного коэффициента отражения в ВШП и повышению добротности резонатора.Reducing the distortion of the target signal and increasing the quality factor of the resonator is also achieved by reducing the effective CEMS in the structure. It is known that CEMS can be determined through the relative difference in the velocities of surfactants on metallized and non-metallized surfaces, that is, CEMS is an expression of the deceleration of an acoustic wave. Under metallization, the surfactant speed is lower than on a free surface. When using the known IDT structure in the resonator, with electrodes instead of an acoustic cavity, the effective CEMS is close to the CEMS of a surfactant on a free surface. In the proposed technical solution in IDT there is a section without metallization - a significant part of the electrodes is removed with the formation of a free acoustic cavity. The total change in the speed of the surfactant IDT is the sum of the changes in the speed of the surfactant in the areas under the electrode structures and on the free surface of the piezoelectric material. In the acoustic cavity, the speed of the surfactant does not change, therefore, the total change in the speed of the surfactant is less than in known IDTs. The relative average SAS deceleration averaged over the distance between the OSs, i.e., the effective CEMS, is smaller than in the case of a single IDT, which leads to a decrease in the effective reflection coefficient in IDT and an increase in the quality factor of the resonator.
Известно, что в структуре резонатора имеются продольные моды колебаний, расположенные через определенный частотный интервал. Общепринято выбирать одну из этих мод в качестве рабочего колебания резонатора. При выборе длины акустической полости, соответствующей диапазону 0,01 λ/δfR<L<3,0 ω/δfR, в области высокого отражения ОС присутствует одна основная мода колебаний и ограничивается появление ближайших продольных мод резонатора.It is known that in the structure of the resonator there are longitudinal modes of oscillations located over a certain frequency interval. It is generally accepted to choose one of these modes as the operating oscillation of the resonator. When choosing the length of the acoustic cavity corresponding to the range 0.01 λ / δfR <L <3.0 ω / δfR, in the region of high reflection OS there is one main vibration mode and the appearance of the nearest longitudinal cavity modes is limited.
Максимальная длина акустической полости ограничена появлением резонансов от мод резонатора помимо основного резонанса. Дополнительные резонансные пики затрудняют или делают невозможной работу электронной системы, работающей с таким резонатором. При уменьшении L растет относительная длина пути под металлом ВШП, что снижает добротность. Кроме того, при уменьшении ВШП, останутся продольные моды, уменьшенные на скатах амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) основной моды. Поэтому секции ВШП приближены к отражающим структурам и разнесены между собой на расстояние, при котором пространственное распределение амплитуды генерируемых ПАВ в ВШП осуществляется таким образом, что частоты ближайших продольных мод резонатора попадают на нулевые значения АЧХ основной моды. Затухание стоячей волны уменьшается, и потери энергии в системе снижаются.The maximum length of the acoustic cavity is limited by the appearance of resonances from the resonator modes in addition to the main resonance. Additional resonant peaks make it difficult or impossible for the electronic system to work with such a resonator. With decreasing L, the relative path length under the IDT metal increases, which reduces the quality factor. In addition, with a decrease in the IDT, the longitudinal modes will remain, reduced on the slopes of the amplitude-frequency characteristic (AFC) of the main mode. Therefore, the IDT sections are close to the reflecting structures and spaced apart by a distance at which the spatial distribution of the amplitude of the generated surfactants in the IDT is carried out in such a way that the frequencies of the nearest longitudinal resonator modes fall at zero frequency response of the main mode. The attenuation of a standing wave is reduced, and the energy loss in the system is reduced.
Указанный диапазон для выбора длины акустической полости позволяет расположить секции электродов в пространственном минимуме амплитуды основной моды отраженных от ОС акустических волн и связанной с ними компоненты электромагнитных волн, что приводит к появлению единственного резонанса основной моды при интерференции волн в акустической полости и уменьшает переотражения и потери энергии в ВШП, влияющие на величину добротности.The specified range for choosing the length of the acoustic cavity allows you to arrange the electrode sections in the spatial minimum of the amplitude of the main mode of the acoustic waves reflected from the OS and the associated components of electromagnetic waves, which leads to the appearance of a single resonance of the main mode during the interference of waves in the acoustic cavity and reduces rereflection and energy loss in IDT, affecting the quality factor.
Использование в изобретении совокупности приведенных отличительных признаков приводит к значительному снижению эффективного КЭМС по сравнению с КЭМС ПАВ на свободной поверхности подложки пьезоэлектрика и позволяет повысить добротность резонатора.The use of the combination of the above distinctive features in the invention leads to a significant decrease in the effective CEMS compared to the CEMS surfactant on the free surface of the piezoelectric substrate and can improve the quality factor of the resonator.
Формула 0,01 λ/δfR<L<3,0 λ/δfR связывает АЧХ коэффициента отражения с возможными пределами выбора расстояния L. Параметры выбираются так, чтобы в области высокого отражения ОС присутствовала только одна мода колебаний. Длина акустической полости L в общем случае кратна целому числу полуволн, но с поправками на разную скорость ПАВ в области ОС, акустической полости и в секциях электродов ВШП. Данная формула закрывает весь диапазон полезных для достижения технического результата значений L и уточняется в предложенных в изобретении вариантах.The formula 0.01 λ / δfR <L <3.0 λ / δfR relates the frequency response of the reflection coefficient with the possible limits of the choice of distance L. The parameters are chosen so that only one vibration mode is present in the region of high reflection of the OS. The length of the acoustic cavity L in the general case is a multiple of an integer half-wave, but adjusted for different speeds of surfactants in the region of the OS, acoustic cavity, and in sections of IDT electrodes. This formula closes the entire range of L values useful for achieving a technical result and is specified in the variants proposed in the invention.
Длина акустической полости между секциями электродов ВШП может быть выбрана из меньшего диапазона 0,01 λ/δfR<L<0,5 λ/δfR+λ, что дополнительно обеспечивает наличие одного резонансного пика в АЧХ и повышает эксплуатационные характеристики резонатора, так как с увеличением расстояния резонансные пики идут чаще, и тогда они входят в полосу отражения и появляются в АЧХ.The length of the acoustic cavity between the IDT electrode sections can be selected from a smaller range of 0.01 λ / δfR <L <0.5 λ / δfR + λ, which additionally ensures the presence of one resonant peak in the frequency response and increases the operational characteristics of the resonator, since with increasing The resonant peaks travel more often, and then they enter the reflection band and appear in the frequency response.
Исходя из принципа изобретения необходимо минимизировать относительное количество металлизации в ВШП резонатора. Это предполагает максимально возможный размер свободной поверхности. Длина акустической полости ВШП, выбранная из диапазона 0,25 λ/δfR<L<3,0 λ/δfR, близка к половине максимального расстояния L и обеспечивает размер акустической полости, начиная с которого уже наблюдается существенное улучшение добротности резонатора.Based on the principle of the invention, it is necessary to minimize the relative amount of metallization in the IDT resonator. This implies the maximum possible size of the free surface. The IDT acoustic cavity length, selected from the range 0.25 λ / δf R <L <3.0 λ / δf R , is close to half the maximum distance L and ensures the size of the acoustic cavity, from which a significant improvement in the resonator Q factor is already observed.
Диапазон 0,5 λ/δfR - λ/10<L<0,5 λ/δfR + λ/10 выбора длины полости ВШП достаточен для компенсации разброса дополнительного набега фазы в секциях ВШП при использовании различных пьезоэлектрических материалов подложек и материалов напыления, их различных толщин и коэффициентов металлизации.The range of 0.5 λ / δf R - λ / 10 <L <0.5 λ / δf R + λ / 10 for selecting the IDT cavity length is sufficient to compensate for the spread in the additional phase incursion in IDT sections using various piezoelectric substrate materials and spraying materials, their various thicknesses and metallization coefficients.
Дополнительное уточнение для получения одного резонансного пика в АЧХ, повышающего эксплуатационные характеристики резонатора, возможно при использовании двух альтернативных диапазонов для выбора длины акустической полости ВШП:An additional refinement to obtain one resonant peak in the frequency response that increases the operational characteristics of the resonator is possible using two alternative ranges for choosing the length of the IDT acoustic cavity:
0,5 λ/δfR + λ/4 - λ/10<L<0,5 λ/δfR + λ/4 + λ/10 или0,5 λ / δf R + λ / 4 - λ / 10 <L <0,5 λ / δf R + λ / 4 + λ / 10 or
0,5 λ/δfR - λ/4 - λ/10<L<0,5 λ/δfR - λ/4 + λ/10,0.5 λ / δf R - λ / 4 - λ / 10 <L <0.5 λ / δf R - λ / 4 + λ / 10,
где +λ/4 или -λ/4 обеспечивают положение АЧХ пары секций ВШП в нужной области частот вблизи резонансной частоты резонатора, а -λ/10 и +λ/10 отражают возможные уточнения положения, связанные с вариантами расчета. Данное расположение электродов позволяет обеспечивать возбуждение и прием полезной составляющей акустических колебаний в резонаторе. Знак +/- выбирается для положительного или отрицательного коэффициента отражения от отдельного отражающего элемента в отражающих структурах. Эксплуатационные характеристики резонатора улучшаются за счет роста добротности без появления паразитных резонансов.where + λ / 4 or -λ / 4 provide the position of the frequency response of a pair of IDT sections in the desired frequency range near the resonant frequency of the resonator, and -λ / 10 and + λ / 10 reflect possible refinements of the position associated with the calculation options. This arrangement of the electrodes allows for the excitation and reception of the useful component of acoustic vibrations in the resonator. The +/- sign is selected for positive or negative reflectance from an individual reflective element in reflective structures. The operational characteristics of the resonator are improved due to an increase in the quality factor without the appearance of spurious resonances.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами:The essence of the proposed technical solution is illustrated by drawings:
Фиг. 1 - структура резонатора на поверхностных акустических волнах;FIG. 1 - structure of a resonator on surface acoustic waves;
Фиг. 2 - вариант структуры резонатора на поверхностных акустических волнах с инвертированием одной из секций электродов ВШП;FIG. 2 is a variant of the structure of a resonator on surface acoustic waves with inversion of one of the sections of IDT electrodes;
Фиг. 3 - амплитудно-частотная характеристика предлагаемого резонатора на поверхностных акустических волнах;FIG. 3 - amplitude-frequency characteristic of the proposed resonator on surface acoustic waves;
Фиг. 4 - амплитудно-частотная характеристика резонатора на поверхностных акустических волнах при использовании цельного ВШП.FIG. 4 - amplitude-frequency characteristic of a resonator on surface acoustic waves when using a single IDT.
Резонатор на поверхностных акустических волнах (фиг. 1) содержит подложку 1 из ниобата лития, танталата лития или другого пьезоэлектрического материала с высоким коэффициентом электромеханической связи и малыми акустическим потерями на высоких частотах, на поверхности которой методами планарной технологии сформирован встречно-штыревой преобразователь 2, разделенный на две секции электродов 3 и 4, и расположено не менее двух отражающих структур 5, состоящих из массивов отражателей. Отражатели выполнены с шириной и периодом следования, кратным определенной доле длины волны, и представляют собой множество канавок или выступов, выполненных из материала подложки или диэлектрического материала последовательными циклами напыления и травления.The resonator on surface acoustic waves (Fig. 1) contains a
Между секциями электродов 3 и 4 в ВШП 2 находится акустическая полость 6, не содержащая электродов и перекрывающих апертуру ВШП 2 неоднородностей. Длина акустической полости 6 между двумя секциями 3 и 4 ВШП 2 выбирается из диапазонаBetween the sections of the
0,01 λ/δfR<L<3,0 λ/δfR,0.01 λ / δfR <L <3.0 λ / δfR,
где L - длина акустической полости, δfR - относительная ширина полосы отражения отражающих структур, которая может принимать значение δfR=0,003..0,03, λ - длина поверхностной акустической волны на свободной поверхности на резонансной частоте.where L is the length of the acoustic cavity, δfR is the relative width of the reflection band of the reflecting structures, which can take the value δfR = 0.003..0.03, λ is the length of the surface acoustic wave on the free surface at the resonant frequency.
Для улучшения параметров резонаторов на основе пьезоэлектрических материалов с изотропией распространения ПАВ по кристаллографическому направлению целесообразно использовать ВШП, секции которого содержат одинаковое количество электродов, а также ВШП, в котором секции электродов расположены центрально симметрично, так как, например, несимметричные структуры, позволяют решать определенные задачи за счет разницы импедансов соединяемых секций.To improve the parameters of resonators based on piezoelectric materials with an isotropy of the propagation of surfactants in the crystallographic direction, it is advisable to use IDTs, sections of which contain the same number of electrodes, as well as IDTs, in which the electrode sections are centrally symmetrical, since, for example, asymmetric structures allow solving certain problems due to the difference in impedances of the connected sections.
Оптимальным вариантом исполнения является резонатор на ПАВ, в котором каждая секция ВШП содержат от 2 до 20 электродов. Увеличение количества электродов приводит к возрастанию потерь энергии в ВШП и снижению добротности резонатора. При уменьшении количества электродов в секции ВШП до одного резко ухудшается значение проводимости резонатора и его невозможно согласовать с обычными цепями электрического тракта.The optimal embodiment is a SAW resonator in which each section of the IDT contains from 2 to 20 electrodes. An increase in the number of electrodes leads to an increase in the energy loss in IDT and a decrease in the Q factor of the resonator. With a decrease in the number of electrodes in the IDT section to one, the conductivity of the resonator sharply deteriorates and it cannot be coordinated with conventional circuits of the electric path.
Расстояние между краем близлежащего к отражающей структуре электрода каждой из секций ВШП резонатора и близлежащим отражателем соответствующей отражающей структуры является более технологичным, если составляет от 0,25λ до 20λ (например, при стравливании лишнего металла с отражающих структур).The distance between the edge of the electrode adjacent to the reflective structure of each of the IDT sections of the resonator and the nearby reflector of the corresponding reflective structure is more technologically advanced if it is from 0.25λ to 20λ (for example, when etching excess metal from reflecting structures).
Структура, в которой величина расстояния между центром близлежащего к отражающей структуре электрода каждой из секций ВШП и центром близлежащего отражателя соответствующей отражающей структуры находится в интервале от (0,5-0,125+N)⋅λ-λ/10 до (0,5+0,125+N)⋅λ+λ/10, где λ - длина ПАВ на свободной поверхности на резонансной частоте, N=0, 1, 2, … - целое число, позволяет компенсировать разброс дополнительного набега фазы в секциях ВШП, возникающий при использовании различных материалов конструкции, для получения одного резонансного пика в АЧХ.A structure in which the distance between the center of the electrode adjacent to the reflecting structure of each of the IDT sections and the center of the nearby reflector of the corresponding reflecting structure is in the range from (0.5-0.125 + N) ⋅λ-λ / 10 to (0.5 + 0.125 + N) ⋅λ + λ / 10, where λ is the length of the surfactant on the free surface at the resonant frequency, N = 0, 1, 2, ... is an integer, allows you to compensate for the scatter of the additional phase incursion in IDT sections that occurs when using different materials design, to obtain one resonant peak in the frequency response.
Путем моделирования и экспериментальной проверки подобраны наиболее оптимальные диапазоны для выбора шага электродов ВШП. В зависимости от материала исполнения структуры величина шага электродов ВШП находится в интервале от (0,48+N)⋅λ до (0,52+N)⋅λ или в интервале от 0,48⋅(1+2N)⋅λ до 0,52-(1+2N)⋅λ, где λ - длина ПАВ на свободной поверхности на резонансной частоте, N=0, 1, 2, … - целое число.By modeling and experimental verification, the most optimal ranges for choosing the pitch of IDT electrodes were selected. Depending on the material of the structure, the pitch of IDT electrodes is in the range from (0.48 + N) ⋅λ to (0.52 + N) ⋅λ or in the range from 0.48⋅ (1 + 2N) ⋅λ to 0 , 52- (1 + 2N) ⋅λ, where λ is the length of the surfactant on the free surface at the resonant frequency, N = 0, 1, 2, ... is an integer.
Путем моделирования и экспериментальной проверки подобраны также альтернативные варианты исполнения структуры резонатора, в которых наиболее оптимальная величина шага отражателей в отражательных структурах находится в интервале от (0,48+N/2)⋅λ до (0,52+N/2)⋅λ, где λ - длина ПАВ на свободной поверхности на резонансной частоте, N=0, 1, 2, … - целое число.By modeling and experimental verification, alternative designs of the resonator structure were also selected in which the most optimal step of the reflectors in the reflective structures is in the range from (0.48 + N / 2) ⋅λ to (0.52 + N / 2) ⋅λ where λ is the length of the surfactant on the free surface at the resonant frequency, N = 0, 1, 2, ... is an integer.
Наиболее оптимальное расстояние между отражающими структурами составляет целое число половин длины акустической волны ±10%, а именно расстояние между отражающими структурами составляет N-λ/2+λ/10 или N⋅λ/2 - λ/10, где λ - длина ПАВ на свободной поверхности на резонансной частоте, N=0, 1, 2, … - целое число. N⋅λ/2 необходимо для получения резонанса приблизительно в центре диапазона отражения ОС, а -λ/10 и +λ/10 отражают возможные уточнения положения, связанные с вариантами расчета при различном уровне потерь в материале и выбираются для положительного или отрицательного коэффициента отражения от отдельного отражающего элемента в отражающих структурах.The most optimal distance between the reflecting structures is an integer number of half the acoustic wavelength ± 10%, namely the distance between the reflecting structures is N-λ / 2 + λ / 10 or N⋅λ / 2 - λ / 10, where λ is the SAW length free surface at the resonant frequency, N = 0, 1, 2, ... is an integer. N⋅λ / 2 is necessary to obtain a resonance approximately in the center of the OS reflection range, while -λ / 10 and + λ / 10 reflect possible refinements of the position associated with the calculation options at different levels of losses in the material and are selected for a positive or negative reflection coefficient from a separate reflective element in reflective structures.
Возможен вариант структуры резонатора на поверхностных акустических волнах с инвертированием одной из секций электродов ВШП 2, например секции 3 (фиг. 2). ВШП 2 в данном исполнении имеет центрально симметричную структуру. Причем общее число электродов, подключенных к верхней шине ВШП, равно числу электродов, подключенных к нижней шине, как при четном числе электродов, так и при нечетном числе электродов. Тем самым достигается более точное совпадение электрических параметров каждой из шин ВШП при включении резонатора в симметричную балансную цепь, что приводит к уменьшению влияния паразитных компонентов и снижению потерь электрического сигнала, которые могут исказить АЧХ и уменьшить добротность резонатора.A variant of the structure of the resonator on surface acoustic waves with the inversion of one of the sections of the
Предложенный в изобретении резонатор на ПАВ для высокочастотных генераторов сигнала может также использоваться в качестве датчика физических величин (например, гироскопа, датчика влажности, газового или биохимического датчика), в котором в акустической полости ВШП на подложке из пьезоэлектрического материала сформированы периодические или непериодические неоднородности, выполненные в форме полосок, точек или других геометрических фигур из металла, диэлектрика или вытравленные в материале подложки.The inventive SAW resonator for high-frequency signal generators can also be used as a physical quantity sensor (for example, a gyroscope, humidity sensor, gas or biochemical sensor), in which periodic or non-periodic inhomogeneities are formed on the IDT acoustic cavity on a substrate of piezoelectric material in the form of strips, dots or other geometric shapes of metal, dielectric or etched in the substrate material.
Периодические неоднородности, вытравленные в подложке или выполненные, например, из вольфрама, золота или платины, с размерами и периодом следования, кратными определенной доле длины волны, используются в гироскопах, в которых при вращении датчика под действием силы Кориолиса в акустической полости под структурами неоднородностей индуцируется ПАВ, взаимодействующая с основной ПАВ. Измерение угловой скорости в гироскопе осуществляется на основе измерения замедления основной ПАВ или измерения интенсивности ПАВ, индуцированной силой Кориолиса.Periodic inhomogeneities etched in the substrate or made, for example, of tungsten, gold or platinum, with sizes and a repetition period that are multiples of a certain fraction of the wavelength, are used in gyroscopes in which, when the sensor rotates under the influence of the Coriolis force in the acoustic cavity under the heterogeneity structures Surfactant interacting with the main surfactant. The measurement of the angular velocity in a gyroscope is based on measuring the deceleration of the main surfactant or measuring the intensity of the surfactant induced by the Coriolis force.
В качестве непериодических неоднородностей в акустической полости ВШП могут использоваться селективные диэлектрические покрытия для датчиков влажности, а также газовых и биохимических датчиков. В них за счет поглощения чувствительными слоями или массивами молекул определяемого вещества изменяется скорость поверхностной акустической волны.As non-periodic inhomogeneities in the IDT acoustic cavity, selective dielectric coatings for humidity sensors, as well as gas and biochemical sensors, can be used. In them, due to absorption by sensitive layers or arrays of molecules of the analyte, the speed of the surface acoustic wave changes.
Периодические или непериодические неоднородности, сформированные в акустической полости между двумя секциями электродов ВШП, не перекрывают апертуру ВШП и содержат незначительное количество металла, что не приводит к возрастанию потерь энергии в ВШП и снижению добротности резонатора. Датчики, выполненные на основе резонаторов с высокой добротностью, обладают высокими эксплуатационными характеристиками.Periodic or non-periodic inhomogeneities formed in the acoustic cavity between two sections of IDT electrodes do not overlap the IDT aperture and contain an insignificant amount of metal, which does not lead to an increase in energy losses in IDT and a decrease in the quality factor of the resonator. Sensors made on the basis of resonators with high quality factor have high operational characteristics.
Резонатор на поверхностных акустических волнах работает следующим образом.The resonator on surface acoustic waves operates as follows.
Энергия колебаний подводится и выводится из резонансной полости, расположенной между центрами отражающих структур 5 резонатора, встречно-штыревым преобразователем 2. При подаче электрического сигнала высоких или сверхвысоких частот на секции электродов 3 и 4 ВШП 2 происходит преобразование электрической энергии в энергию акустических волн. Генерация поверхностных акустических волн секциями электродов 3 и 4 происходит синфазно при симметричной и антисимметричной конструкции за счет синфазного подключения электрического сигнала. ПАВ излучаются ВШП 2 в обе стороны вдоль поверхности пьезоэлектрической подложки 1 и достигают отражающих структур 5, где отражаются от массивов отражателей, образующих ОС 5, и направляются обратно к ВШП 2. Акустические волны, перенаправленные ОС 5 к ВШП 2, практически не испытывают отражения от секций электродов 3 и 4 ВШП 2 вследствие малого числа электродов ВШП 2, по сравнению с количеством отражателей ОС 5, и проходят дальше, попадая в центральную область резонансной полости резонатора, расположенную в акустической полости 6 между двумя секциями электродов 3 и 4 ВШП 2, где интерферируют. При наложении прямых и отраженных от ОС 5 ПАВ, вследствие их синфазности, происходит накопление энергии динамической системой в области резонанса, что приводит к резкому возрастанию амплитуды волнового процесса, то есть интерференция будет максимальной. Поверхностные акустические волны, интерферировавшие в центральной области резонансной полости, отражаются к секциями электродов 3 и 4 ВШП 2, где происходит обратное преобразование механической энергии акустических волн в электрическую энергию.Oscillation energy is supplied and removed from the resonant cavity located between the centers of the reflecting
Величина добротности может быть измерена по амплитудно-частотной характеристике резонатора. Добротность определяется отношением резонансной частоты к ширине полосы пропускания резонатора на половине амплитуды резонанса и обратно пропорциональна КЭМС. Ширина полосы пропускания прямо пропорциональна КЭМС. Измеренная АЧХ предлагаемого резонатора на поверхностных акустических волнах (фиг. 3) и измеренная АЧХ выполненного на тех же материалах резонатора на поверхностных акустических волнах при использовании цельного ВШП (фиг. 4) показывают, что ширина полосы пропускания предложенного резонатора намного меньше, чем ширина полосы пропускания резонатора с цельным ВШП. Разработанное техническое решение позволило снизить эффективный КЭМС резонатора на ПАВ и повысить его добротность с величины 8300 (фиг. 4) до величины 11200 (фиг. 3).The quality factor can be measured by the amplitude-frequency characteristic of the resonator. The quality factor is determined by the ratio of the resonant frequency to the bandwidth of the resonator at half the amplitude of the resonance and is inversely proportional to the CEMS. Bandwidth is directly proportional to CEMS. The measured frequency response of the proposed resonator on surface acoustic waves (Fig. 3) and the measured frequency response of the resonator performed on the same materials on surface acoustic waves using a single-wave IDT (Fig. 4) show that the bandwidth of the proposed resonator is much smaller than the bandwidth resonator with integral IDT. The developed technical solution allowed to reduce the effective CEMS of the SAW resonator and increase its quality factor from a value of 8300 (Fig. 4) to a value of 11200 (Fig. 3).
Предложенная в изобретении топология позволяет снизить величину потерь энергии и повысить уровень добротности резонаторов на основе ниобата лития, танталата лития или других пьезоэлектрических материалов с высоким коэффициентом электромеханической связи для осуществления возможности работы таких резонаторов на высоких частотах.The topology proposed in the invention allows to reduce the energy loss and improve the quality factor of resonators based on lithium niobate, lithium tantalate or other piezoelectric materials with a high electromechanical coupling coefficient to enable the operation of such resonators at high frequencies.
Источники информацииInformation sources
1. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. – М.: Мир, 1990, 584 с.1. Zelenka I. Piezoelectric resonators in bulk and surface acoustic waves. - M .: Mir, 1990, 584 p.
2. Европейский патент на изобретение. ЕР 0481733 А1, МПК Н03Н 9/02, Н03Н 9/145, Н03Н 9/25, опубл. 22.04.1992.2. European patent for an invention. EP 0481733 A1, IPC Н03Н 9/02, Н03Н 9/145, Н03Н 9/25, publ. 04/22/1992.
3. Европейский патент на изобретение. ЕР 2239846 А2, МПК Н03Н 9/02, Н03Н 9/145, опубл. 13.10.2010.3. European patent for invention. EP 2239846 A2, IPC Н03Н 9/02, Н03Н 9/145, publ. 10/13/2010.
Claims (30)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016108512A RU2633658C2 (en) | 2016-03-09 | 2016-03-09 | Surface acoustic wave resonator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016108512A RU2633658C2 (en) | 2016-03-09 | 2016-03-09 | Surface acoustic wave resonator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016108512A RU2016108512A (en) | 2017-09-14 |
RU2633658C2 true RU2633658C2 (en) | 2017-10-16 |
Family
ID=59893619
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016108512A RU2633658C2 (en) | 2016-03-09 | 2016-03-09 | Surface acoustic wave resonator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2633658C2 (en) |
Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3886504A (en) * | 1974-05-20 | 1975-05-27 | Texas Instruments Inc | Acoustic surface wave resonator devices |
US3961293A (en) * | 1975-02-03 | 1976-06-01 | Texas Instruments Incorporated | Multi-resonant surface wave resonator |
US4144507A (en) * | 1976-09-29 | 1979-03-13 | Texas Instruments Incorporated | Surface acoustic wave resonator incorporating coupling transducer into reflecting arrays |
US4254387A (en) * | 1977-10-06 | 1981-03-03 | U.S. Philips Corporation | Acoustic wave devices |
WO1982001629A1 (en) * | 1980-11-04 | 1982-05-13 | Rf Monolithics | Surface acoustic wave device with reflectors |
US4494031A (en) * | 1982-03-24 | 1985-01-15 | U.S. Philips Corporation | High power acoustic wave arrangement with N2 parallel-series connected acoustic wave devices |
WO1995015614A1 (en) * | 1993-12-02 | 1995-06-08 | Northern Telecom Limited | Double mode surface wave resonators |
US6353371B1 (en) * | 1999-03-08 | 2002-03-05 | Murata Manufacturing Co., Ltd | Transversely coupled resonator type surface acoustic wave filter and longitudinally coupled resonator type surface acoustic wave filter |
JP2003092526A (en) * | 2001-07-11 | 2003-03-28 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Interdigital transducer, surface acoustic wave filter and communication equipment using the same |
US6861927B1 (en) * | 2001-04-27 | 2005-03-01 | Sawtek, Inc. | Longitudinally coupled leaky surface acoustic wave resonator filter |
US8004148B2 (en) * | 2008-08-13 | 2011-08-23 | Seiko Epson Corporation | Surface acoustic wave element |
-
2016
- 2016-03-09 RU RU2016108512A patent/RU2633658C2/en active
Patent Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3886504A (en) * | 1974-05-20 | 1975-05-27 | Texas Instruments Inc | Acoustic surface wave resonator devices |
US3961293A (en) * | 1975-02-03 | 1976-06-01 | Texas Instruments Incorporated | Multi-resonant surface wave resonator |
US4144507A (en) * | 1976-09-29 | 1979-03-13 | Texas Instruments Incorporated | Surface acoustic wave resonator incorporating coupling transducer into reflecting arrays |
US4254387A (en) * | 1977-10-06 | 1981-03-03 | U.S. Philips Corporation | Acoustic wave devices |
WO1982001629A1 (en) * | 1980-11-04 | 1982-05-13 | Rf Monolithics | Surface acoustic wave device with reflectors |
US4494031A (en) * | 1982-03-24 | 1985-01-15 | U.S. Philips Corporation | High power acoustic wave arrangement with N2 parallel-series connected acoustic wave devices |
WO1995015614A1 (en) * | 1993-12-02 | 1995-06-08 | Northern Telecom Limited | Double mode surface wave resonators |
US6353371B1 (en) * | 1999-03-08 | 2002-03-05 | Murata Manufacturing Co., Ltd | Transversely coupled resonator type surface acoustic wave filter and longitudinally coupled resonator type surface acoustic wave filter |
US6861927B1 (en) * | 2001-04-27 | 2005-03-01 | Sawtek, Inc. | Longitudinally coupled leaky surface acoustic wave resonator filter |
JP2003092526A (en) * | 2001-07-11 | 2003-03-28 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Interdigital transducer, surface acoustic wave filter and communication equipment using the same |
US8004148B2 (en) * | 2008-08-13 | 2011-08-23 | Seiko Epson Corporation | Surface acoustic wave element |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Дворников А.А., Огурцов В.И., Уткин Г.М. Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах. М. Радио и связь. 1983 г, параграф 1.6, фиг. 1.19. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2016108512A (en) | 2017-09-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7576471B1 (en) | SAW filter operable in a piston mode | |
US8176784B2 (en) | Elastic wave device and electronic component | |
JP3216137B2 (en) | SAW device | |
JP4757860B2 (en) | Surface acoustic wave functional element | |
KR20190085999A (en) | The elastic wave devices | |
US9800225B2 (en) | Elastic wave device | |
EP1675260A2 (en) | Surface acoustic wave device | |
CN114337582B (en) | Surface acoustic wave resonator | |
JPS5935204B2 (en) | ultrasound device | |
JP2024001367A (en) | Converter structure for generation source suppression in saw filter device | |
JPH09298446A (en) | Surface acoustic wave device and its design method | |
JP2000183681A (en) | Surface acoustic wave device | |
KR19990086987A (en) | Surface acoustic wave device | |
JP2003258596A (en) | Lamb wave type high frequency resonator, oscillator employing the same, and high frequency signal generating method employing the lamb wave | |
JP5563378B2 (en) | Elastic wave element | |
RU2633658C2 (en) | Surface acoustic wave resonator | |
JP2000031781A (en) | Piezoelectric vibrator | |
RU2643501C1 (en) | Resonator on surface acoustic waves | |
JP2006074136A (en) | Surface acoustic wave element chip and surface acoustic wave device | |
JP4465464B2 (en) | Lamb wave type elastic wave device | |
JP6288760B2 (en) | Surface acoustic wave device, resonator and oscillation circuit | |
US6160339A (en) | Two-port saw resonator | |
JPH0265405A (en) | Frequency adjusting method for surface acoustic wave resonator | |
JPH11112281A (en) | Oscillator | |
JPH0380709A (en) | Surface acoustic wave resonator |