Akustiske overflatebølger

Historie

John William Strutt, beviste – så tidlig som i 1885 – at bølger beveger seg langs frie grenser til et solid stoff. Han beviste videre det matematiske aspektet for bølgenes bevegelse. Siden den gang har John Strutts bevis utviklet seg til en teknologi vi i dag benytter oss mye av – den såkalte SAW-teknologien.

Prinsipp

Prinsippet for et SAW-filteret er enkelt. Innkommende signal blir konvertert til lydbølger ved hjelp av en transducer som lager et mekanisk trykk i det piezoelektriske materialet, som igjen lager bølger. En transducer er en enhet – typisk elektrisk, elektronisk eller elektromekanisk – som konverterer en type energi til en annen. En transducer brukes oftest i målinger eller overføring av informasjon. Videre går disse bølgene over en avstand på det piezoelektriske materialet frem til en annen transducer som plukker opp de ønskelige frekvenskomponentene og konverterer disse tilbake til et elektrisk signal. Dette fungerer som et filtersystem; høyere signalfrekvens krever høyere lydfrekvensbevegelse og med denne teknikken kan man oppnå veldig gode filter med brå filterkarakteristikk.
SAW-teknologi har i de senere år blitt oppdaget som svært versatil og med et enormt kommersielt potensial. Den har også blitt utviklet mye i de siste årene, men de største oppdagelsene ble gjort før 1980. I 1965 kom det hittil største gjennombruddet – Interdigital Transducer (IDT) – en oversetter fra elektrisk energi til mekanisk energi og tilbake til elektrisk energi. Den blir brukt som bindeledd mellom den elektriske kretsen og det piezoelektriske materialet, både som sender og som mottaker. Når en variabel spenning settes på metallelektrodene, dannes det mekaniske bølger (SAW) i det piezoelektriske materialet.
SAW-transducerene, som ligger på hver side av det piezoelektriske materialet, består av to interdigitale paneler av tynne metallelektroder. Disse er plassert på en glatt, piezoelektrisk bane av for eksempel kvarts. Elektrodene skifter polaritet med variasjon av radiofrekvensene og dette medfører at det piezoelektriske materialet ekspanderes og komprimeres. Dette fenomenet gir en Rayleighbølge, eller overflatebølge som den også kalles. Disse interdigitale elektrodene er vanligvis plassert ½ eller ¼ bølgelengde fra senterfrekvensen. Frekvensen til transduceren bestemmes av avstanden mellom elektrodene. Maksimal frekvens oppnåes ved minimal avstand. Den tynneste banebredden som kan produseres er 0.0762 mil (0.3 µm) og denne banebredden fåes å benytte seg av fotolitografi som pr. i dag er den beste teknikken til dette formålet. Dette tilsvarer en ¼ bølgelengde, noe som gir en maksimal frekvens på rundt 3 GHz. Fotolitografi er en nøkkelprosess for ekstrem miniatyrisering, og gir stor produksjon til lav kostnad. Men på grunn av begrensninger innen fotolitografi vil de mest typiske frekvensene til SAW ligge mellom 10MHz til 3GHz. Effektiviteten i disse innretningene kommer også av at bølgene forplanter seg nesten ideelt. For litografiprosessen. Tidligere konvensjonelle materialer begrenser SAW-filtre til en øvre frekvens på ca. 2.5 GHz. En utbredt tanke er derfor at diamantbaserte SAW-enheter vil bli benyttet i nyere teknologi der høyhastighetskommunikasjon er et nøkkelelement.
Diamanter blir vurdert som et høyhastighetsmateriale i SAW-teknologi. Dette grunnet sin ekstreme hardhet, høyest av alle kjente materialer, som kan gi hastigheter, i SAW-øyemed, på over 10 000 m/s. Sammenliknet med analoge ZnO/saffir-enheter (5500 m/s) er diamanter meget gunstige til dette formålet. Selv om diamanter ikke er et piezoelektrisk materiale besitter den høye akustiske forplantningsegenskaper som gjør den godt egnet som et substrat til SAW-enheter når den kobles med en piezoelektrisk tynn film – som ZnO. Senere forskning hos Sumitomo Electric har ledet til en Litiumniobat (LN) piezoelektrisk film på et diamantsubstrat. Det foreslåes at LN/diamant-enheten vil ha en mye høyere elektromekanisk koblingskoeffisient enn tidligere enheter med høy akustisk hastighet.

Piezoelektrisitet

Piezoelektrisitet er generering av en elektrisk ladning grunnet en mekanisk påkjenning. Piezoelektrisk materiale kan sees på som en spole som gjennomføres en magnet. Innføring av magneten induserer en spenning, ε, for å motvirke sin årsak. Motsatt når magneten trekkes ut av spolen og fører til negativt utslag med lik amplitude – som ved innføring – gitt at farten (υ) er konstant både ved inn- og utføring. Piezoelektrisitet ble oppdaget av brødrene Paul-Jacques og Pierre Curie så tidlig som i 1880, og fikk navnet av Wilhelm Hankel i 1881. Ordet piezoelektrisitet stammer fra det greske ordet piezein, som betyr å klemme eller presse. Lenge forble piezoelektrisitet en kuriositet, men i 1921 oppdaget Walter Cady at man kunne bruke en kvartsresonator for å stabilisere elektroniske svingninger. Hverdagsgjenstander som benytter piezoelektrisitet er blant annet flintløse lightere. Så å si alle enheter basert på akustiske bølger benytter et piezoelektrisk materiale for å generere den akustiske bølgen. Mange materialer innehar piezoelektriske egenskaper, men for å benytte materialet i SAW-anretninger må det være anisotropisk. Anisotropisk betyr at de fysiske egenskapene er forskjellige i ulike lengderetninger. Siden det piezoelektriske materialet er anisotropisk, avhenger SAW-egenskapene av orienteringen til banene som har blitt frest ut. Det finnes forskjellige standarder for orientering i SAW-teknologi mellom X- og Y-planet. En type orientering som gir gode SAW-egenskaper er der vinkelen mellom kvartsens X- og Y-plan er 34°, som betyr at den akustiske overflatebølgen forplanter seg i X-retningen til krystallen, med et plan som er rotert 34° fra Y-aksen. Bølgenes hastigheter er frekvensuavhengige, noe også isotropiske materialer er. Krystallens kutt i Y-retning gir parabolsk frekvens/temperatur-karakteristikk og kan derav gi ypperlig stabilitet i temperatur. Turnover-temperaturen kan varieres ved å justere kuttvinkelen.

Materialer

Piezoelektrisitet oppstår i mange materialer, men materialet må være anisotropisk, slik at egenskaper avhenger av orientering relativt til indre arrangering av atomene. Dette betyr at krystallinske materialer må brukes. Vanligste materialer for SAW er krystaller av kvarts, litiumniobat (LN) eller litiumtantalat (LT), som alle er piezoelektriske. I disse krystallene er SAW- bevegelsen lik den isotropiske, selv om forskjellen er at bølgene nå har et elektrisk felt.
Ytelsen til SAW avhenger veldig av hvilket materiale som brukes. Kvarts er svakt piezoelektrisk, noe som begrenser båndbredden til rundt 4 %. Bortsett fra det har den en veldig god temperaturstabilitet, gir frekvensstabilitet i temperatur intervallet ±20 °C. Litiumniobat er motsatt og gir større båndbredde (20 %), men dårligere temperaturstabilitet. Litiumtantalat er middels på begge områdene. Diamant igjen, gir bedre ytelse på begge områder og vil i fremtiden ta over for kvarts, LN og LT, men er enda i sin spede barndom.

SAW-filtre

Det finnes flere forskjellige SAW-filtre. Noen av hovedtypene er bidireksjonale-, low-loss- og resonatorfiltre. De bidireksjonale filtrene er mest brukt og gir typisk en brå filterkarakteristikk og har en lineær fase. Low-Loss-filtre besitter alle fordelene tradisjonelle bidireksjonale filtre har. I tillegg motvirker de Triple Transit-Response-effekten bedre enn andre filtre. Wideband low-loss-filtre har størst båndbredde av alle typer filtre som presenteres i denne rapporten. Resonatorfiltre er den siste typen vi skal behandle. Dette filteret er designet for UHF-området og benytter ulike høyfrekvente krystallfiltre. Dette filteret har lav enhetskostnad og har stor undertrykkelse av intermodulasjonsprodukter og uønskede nivå. Vi vil i det følgende se nærmere på hvert av filtrene som her ble presentert.

Bidireksjonale filtre

Disse filtrene er transversale filtre, og er den mest brukte typen SAW-filter. Siden disse er mest brukte har de også vært under lupen til forskere og derfor mest utviklede. Bidireksjonale filter dekker et ganske bredt frekvensområde mellom 10 MHz og 2.5 GHz. En annen fordel med disse filtrene er at de har veldig steile flanker noe som gjør at de egner seg spesielt godt som bandpass filtre. Ulempen med disse filtrene er at de har relativ stor rippel som gjør at man kan komme opp i tap på 20dB, dette blir kalt «Triple Transit Response».

Low-Loss filtre

En metode for å konstruere et low-loss SAW-filter uten rippel-problemet som oppstår i de bidireksjonale, transversale filtrene er å bruke Single Phase Unidirectional Transducers (SPUDT), som er en modifisert utgave av IDT. Utforming av elektrodene, som i dette filteret er ganske smale, gir begrensning i maksimalfrekvens til under 1GHz. En annen fordel med å bruke denne typen filter er at de fysisk sett er mindre enn de transversale, bidireksjonale filtrene. De er derfor billigere å produsere, samt at de kan brukes på områder der man har bruk for minst mulige komponenter. Nyere forskning er konsentrert rundt Wideband Low-Loss filtre, som har en større båndbredde og kan operere opp til 3 GHz. Disse er ment for bruk i nye system som for eksempel tredje generasjons mobiltelefoni (3G).
Resonator filtre
Det siste filteret vi tar for oss er basert på SAW-resonatorer. En resonator lages ved å plassere en transducer mellom to SAW-reflektorer. Dette er designet for bruk i UHF-området.
Transverse Coupled Resonator (TCR) filtre består av to identiske resonatorer, som er produsert rett etter hverandre, og er avhengig av en akustisk kobling mellom de to resonatorene. Bølgene i den ene resonatoren beveger seg litt utenfor dens fysisk struktur og dette gjør slik at noe av energien lekker over i den andre resonatoren. Dette gir en kobling mellom de to resonatorene som gjør at enheten får en to-pols respons. Disse resonatorene egner seg utmerket som bandstopp filtre og ved å kaskade koble to slike filtre får man et fire-pols bandstopp filter med opp til 50dB dempning.
Longitudinally Coupled Resonators (LCR) er en annen type resonator filter. Her er to transducere plassert mellom to reflektorer, og ved å bruke to IDT’er med stor intern refleksjon oppnår vi et filter med høy kvalitetsfaktor i begge polene. Dette filtret gir et relativt lite tap i området 1Ghz og oppover til ca. 2GHz.

RFID

Brikker som benytter RFID er en form for elektroniske merkelapper basert på SAW. Disse bruker piezoelektriske krystaller med reflektorer på bestemte avstander til å representere merkelappens data. Data kan avleses ved hjelp av variasjoner i amplitude, tid, fase og andre variabler. Når en innkommende radiobølge blir overført langs overflaten, vil reflektorene reflektere deler av signalet tilbake. Intervallene til disse refleksjonene (eller ekkoene) indikerer stedet og den relative posisjonen til hver reflektor. Posisjonen til hver reflektor kan bli beregnet og oversatt til en data representasjon.

Fordeler og ulemper

De moderne produksjonsteknikkene som benyttes i dag tillater stor produksjon av billige og driftssikre enheter. Størrelsen på en SAW-enhet kan variere fra 3 mm2 til 10 mm². SAW-teknologiens to hovedfordeler er dens evne til å gi elektroakustisk åpning og hente ut bølgen ved overflaten av krystallen. Overflatebølgenes hastighet er 100 000 ganger mindre enn lyshastigheten, noe som fører til at bølgelengden til akustiske bølger vil være mye mindre enn elektromagnetiske bølger. Ved at bølgelengden blir mindre, kan komponentstørrelsen reduseres betraktelig. Dette er en av de store fordelene som gjør SAW-teknologien så populær.
Mange av fordelene ved SAW-teknologien ligger i dens fysiske natur. Siden driftsfrekvensen blir bestemt ved de fotolitografiske produksjonsmetodene, krever de ikke kompliserte innstillingsprosedyrer og blir ikke ”ustemt” i ute i felten. En liten opplisting av diverse andre fordeler og ulemper relatert til bruksområdene blir gitt nedenfor.