РЕЗОНАТОР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТРАЖАТЕЛЕЙ В КАЧЕСТВЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
SURFACE ACOUSTIC WAVE RESONATOR USING REFLECTORS AS HEATING ELEMENTS

Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к электрическим резонаторам, предназначенным для работы в составе генераторов, узкополосных фильтров для частотной селекции радиосигналов, работающих в широком интервале температур, и может использоваться в устройствах связи, автоматики и управления.
Известны генераторы, узкополосные фильтры с использованием резонаторов на поверхностных, приповерхностных, сдвиговых и т.п. акустических волнах, всего более 10 типов поверхностных акустических волн - в дальнейшем будем называть их устройствами с резонаторами на поверхностных акустических волнах (ПАВ).
Известен резонатор на поверхностных акустических волнах ([1] - US Patent No.: US 2010/0237742 A1, Int. C1. H01L 41/04, H03B 5/32, Sep.23, 2010 (Фиг.3)), содержащий по меньшей мере один встречно-штыревой преобразователь и два отражателя.
Известен нагреватель, интегрированный в ПАВ устройство ([2] - US Patent No.: US 7,898,365 B2, Int. C1. H03H 9/64, Mar.1, 2011, (Фиг.4)). Нагреватель состоит из пленочного резистора с контактными площадками и размещен на кварцевой крышке ПАВ устройства.
Известен маломощный компактный нагреватель для пьезоэлектрических устройств ([3] - US Patent No.: US 60,060,692, Int. C1. H05B 1/00, May 9, 2000 (Фиг.5)), содержащий резистивный нагревательный элемент, находящийся под пьезоэлектрическим устройством.
Известен кварцевый резонатор с подогревом для генератора ([4] - US Patent No.: US 5,917,272, Int. C1. H01L 41/08, Jun.29, 1999 (Фиг.6)), содержащий нагревательный элемент, расположенный под резонатором.
Известен температурно скомпенсированный резонатор ([5] - US Patent No.: US 5,696,423, Int. C1. H01L 41/08, Dec.9, 1997 (Фиг.7)), содержащий нагревательный элемент в виде проводника, расположенного вокруг резонатора на том же слое.
Известно устройство для регулирования температуры таких электронных компонентов, как устройства на ПАВ ([6] - US Patent No.: US 4,518,944 Int. C1. H01C 7/02; H01L 41/08, May 21, 1985 (Фиг.8)), состоящее из позистора, служащего нагревательным элементом, ПАВ-устройства, наклеенного сверху на позистор, и теплоизолирующей прокладки между позистором и корпусом устройства.
Известно устройство для регулирования температуры ПАВ резонатора, использующее нагревающийся транзистор, расположенный на теплопроводящей плате вместе с резонатором и схемой генератора ([7] - J.V. Adier, R.L. Clark, D.P. Chen, Low Noise, Low Jitter Hybrid Ovenized SAW Oscillators // IEEE Ultrasonics Symposium 2000, p.25-28 (Фиг.9)).
Известно устройство для регулирования температуры ПАВ резонатора, использующее в качестве нагревателя/охладителя термоэлектрический элемент, расположенный под резонатором ([8] - Z.M. Ashari, F. Sidek and A.N. Nordin Measurements and Modeling of temperature Compensated Surface Acoustic Wave Resonators // Proceedings of 2010 Asia-Pacific Conference on Applied Electromagnetics (APACE 2010) (Фиг.10)).
Наиболее близким по технической сущности решением, взятым за прототип, является акустический резонатор с интегрированным нагревателем, предназначенный для использования в генераторах ([9] - US Patent No.: 7,378,781 B2, Int. C1. H01L 41/08, May 27, 2008, (Фиг.2)). Резонатор содержит пьезоподложку, встречно-штыревые преобразователи (ВШП), отражатели, нагревательные элементы. Нагревательные элементы расположены на поверхности подложки вблизи ВШП и отражателей с одной стороны ПАВ-структуры.
Общим недостатком известных аналогов и прототипа, описанных выше, является наличие внешнего по отношению к акустическому каналу нагревателя резонатора. Это приводит к наличию большого градиента температуры, особенно в момент включения, и погрешности в установлении требуемой температуры акустического канала, увеличенному времени выхода на температурный режим, повышенному энергопотреблению. Термодатчики также расположены вне зоны канала, что приводит к дополнительной погрешности определения температуры. Известные технические решения увеличивают общие размеры устройства (резонатор плюс нагреватель) и зачастую просто громоздки.
Целью изобретения является снижение времени выхода на рабочую частоту резонатора, исключение температурного градиента между нагревателем и резонатором, снижение энергопотребления и упрощение конструкции резонатора с нагревателем при сохранении его первоначальных, без нагревателя, размеров.
Для достижения указанной цели предлагается резонатор на поверхностных акустических волнах с использованием отражателей в качестве нагревательных элементов, выполненный на пьезоэлектрическом звукопроводе, содержащий один или более встречно-штыревой преобразователь и отражатели поверхностных акустических волн, выполненные из короткозамкнутых металлических полосок.
Согласно изобретению в качестве нагревательного элемента для температурной стабилизации рабочей области резонатора используются короткозамкнутые отражатели поверхностных акустических волн, выполненные из короткозамкнутых металлических полосок и секционированные для увеличения сопротивления постоянному току с количеством секций на отражатель одна или более. Таким образом, нагреватель максимально приближен к объекту температурного контроля, разогревается непосредственно рабочая область резонатора, исключается температурный градиент в рабочей области.
Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого резонатора из литературы не известны, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг.1 показана схема предлагаемого резонатора, на фиг.2 - схема прототипа предлагаемого изобретения, на фиг.3 - топология аналога предлагаемого резонатора, на фиг.4-10 - схемы аналогов предлагаемого резонатора.
На фиг.2 приведена схема прототипа предлагаемого изобретения. Акустический резонатор с интегрированным нагревателем [9], взятый за прототип, содержит пьезоподложку 50, встречно-штыревые преобразователи (ВШП) 52, 56, отражатели 58, нагревательные элементы 55. Нагревательные элементы 55 расположены на поверхности подложки вблизи ВШП и отражателей с одной стороны ПАВ-структуры (на фигуре сверху).
На фиг.1 показана схема предлагаемого резонатора с нагревателем. Резонатор расположен на пьезоэлектрическом звукопроводе 2 и содержит один или более встречно-штыревой преобразователь 3, и два отражателя 1. Отражатели поверхностных акустических волн 1 выполнены из короткозамкнутых металлических полосок и секционированы для увеличения сопротивления постоянному току с количеством секций на фиг.1, равным трем на каждый отражатель. При подаче на электроды отражателей 1 постоянного или переменного тока выделяющееся тепло разогревает электроды отражателей 1, которые разогревают тонкий слой пьезоэлектрического звукопровода 2, находящийся в зазорах между электродами отражателей и под отражателями 1 практически до одной температуры.
Принцип работы предлагаемого резонатора основан на том, что центральная частота резонатора определяется скоростью ПАВ и топологией ВШП и отражателей, причем скорость ПАВ имеет значение для центральной частоты резонатора только внутри акустического канала, где расположены ВШП и отражатели. Более того, толщина слоя подложки, в котором распространяется ПАВ, составляет не более десяти длин волн ПАВ, поэтому достаточно стабилизировать температуру только в этом слое. Таким образом, достаточно стабилизировать температуру только на площади, ограниченной ВШП и отражателями и на глубину распространения ПАВ (назовем это рабочей областью резонатора). Известные технические решения разогревают всю подложку, что приводит к излишнему энергопотреблению, длительному выходу на режим, погрешности установки температуры рабочей области. Для решения этой задачи необходимо изменить схему подогрева рабочей области резонатора, используя в качестве нагревательных элементов части самого резонатора. Это становится возможным, если в резонаторе применены короткозамкнутые отражатели ПАВ (как на Фиг.2, элементы 25, 26). Такие отражатели представляют собой ряд закороченных двумя шинами металлических полосок. Эта структура вполне может быть использована в качестве нагревателя. Если приложить напряжение к шинам, то в полосках потечет ток и выделится тепло. Каждая полоска имеет достаточно большое сопротивление, однако при их большом числе в узкополосных резонаторах (более 1000) общее сопротивление такого нагревателя может оказаться недостаточным с практической точки зрения для построения эффективной системы терморегулирования. Решить эту проблему можно секционированием отражателя, т.е. разбивая его на некоторое число последовательно соединенных секций так, как показано на Фиг.1. Последовательно соединенные секции отражателей 1 расположены на пьезоподложке 2 с ВШП 3 в общем акустическом канале. При этом общее сопротивление секционированного отражателя увеличивается по отношению к первоначальному сопротивлению отражателя согласно формуле:
N
0
2
R=NR,
где N - количество секций отражателя,
0
R - первоначальное сопротивление отражателя.
Так как обычно число полосок отражателя намного больше, чем число полосок ВШП, полоса отражения отражателя намного уже полосы пропускания ВШП, и основной вклад в стабилизацию частоты дает именно отражатель - отдельно подогревать ВШП нет необходимости. Кроме того, ВШП 3 расположен между двумя короткозамкнутыми отражателями 1, используемыми в качестве нагревателей, и подогревается ими с двух сторон.
В резонаторе на поверхностных акустических волнах с использованием отражателей в качестве нагревательных элементов (Фиг.1) при подаче напряжения на контакты секций отражателей 1 происходит наиболее быстрый разогрев рабочей области резонатора, поскольку нагревателями являются сами штыри отражателя.
На фиг.3 изображена топология аналога предлагаемого резонатора. ПАВ резонатор содержит пьезоэлектрический звукопровод 10 и расположенные на его поверхности по меньшей мере один встречно-штыревой преобразователь 21 и два отражателя 25, 26.
На фиг.4 показан нагреватель, интегрированный в ПАВ устройство. Нагреватель 40 состоит из пленочного резистора 50 с контактными площадками 52 и размещен на кварцевой крышке 42 ПАВ устройства.
На фиг.5 приведен маломощный компактный нагреватель для пьезоэлектрических устройств, содержащий резистивный нагревательный элемент 18, находящийся под пьезоэлектрическим устройством 12.
На фиг.6 показан кварцевый резонатор с подогревом для использования в генераторе, содержащий нагревательный элемент 40, расположенный под резонатором 12.
На фиг.7 изображен температурно скомпенсированный резонатор, содержащий нагревательный элемент 215 в виде проводника, расположенного вокруг резонатора 157 на том же слое 150.
На фиг.8 показано устройство для регулирования температуры таких электронных компонентов, как устройства на ПАВ, состоящее из позистора 12, служащего нагревательным элементом, ПАВ-устройства 10, наклеенного сверху на позистор 12, и теплоизолирующей прокладки 14 между позистором и корпусом устройства 16.
На фиг.9 изображено устройство для регулирования температуры ПАВ резонатора, использующее нагревающийся мощный регулирующий транзистор, расположенный на гибридной теплопроводящей плате вместе с резонатором и схемой и помещенной в вакуумированный корпус для снижения тепловых потерь, увеличения добротности и улучшения характеристик генератора.
На фиг.10 приведено устройство для регулирования температуры ПАВ резонатора, использующее в качестве микронагревателя/охладителя термоэлектрический элемент, расположенный под резонатором.
В ФГУП "РНИИРС" разработано техническое предложение, которое снижает время выхода на рабочую частоту резонатора, исключает температурный градиент между нагревателем и резонатором, снижает энергопотребление и упрощает конструкцию резонатора с нагревателем при сохранении его первоначальных, без нагревателя, размеров.