ТЕРМОСТАБИЛЬНЫЙ УЗКОПОЛОСНЫЙ ФИЛЬТР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
THERMALLY STABLE NARROW-BAND SURFACE ACOUSTIC WAVE FILTER

Изобретение относится к области акустоэлектроники и может быть использовано при разработке и изготовлении узкополосных фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с низким температурным коэффициентом частоты (ТКЧ).
-6
Известен узкополосный фильтр на ПАВ, состоящий из металлокерамического корпуса с приклеенной на его дно пьезоэлектрической подложкой со сформированными встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) [1]. Недостатком такой конструкции фильтра на ПАВ является значительный уход частоты фильтра вследствие изгиба поверхности дна корпуса при изменении температуры окружающей среды в рабочем диапазоне температур. Изгиб корпуса приводит к изгибу пьезоэлектрической пластины, что в свою очередь ведет к уходу центральной частоты фильтра на ПАВ. Так, например, при температуре +80°C изменение центральной частоты фильтра на ПАВ на кварцевых подложках ST-среза составляет δF/F=150·10.
Известен термостабильный фильтр на ПАВ, состоящий из пьезоэлектрической подложки (звукопровода), встречно-штыревых преобразователей, сформированных на ее рабочей поверхности и биметаллической пластины, закрепленной на обратной стороне пьезоэлектрической подложки и корпуса, в который помещается вся конструкция [2].
Недостатками такого технического решения является то, что 1 - термостабильный фильтр на ПАВ, изготовленный по такому принципу, имеет значительные габариты из-за значительных габаритов биметаллической пластины, что не позволяет использовать миниатюрные SMD корпуса; 2 - недостаточную виброустойчивость, так как концы пьезоэлектрической подложки не закреплены; 3 - недостаточную температурную компенсацию фильтра на ПАВ в положительной области температур (при изгибе биметаллической пластины частота изменяется по линейному закону, а частота обычного (нетермостабильного) фильтра на ПАВ изменяется по параболическому закону). Так, например, в широком диапазоне отрицательных температур (плюс 20°C - минус 40°C) фильтр остается термостабильным (уход частоты не более 3 кГц), в то время как в диапазоне положительных температур (плюс 20°C - плюс 80°C) фильтр является нетермостабильным - уход частоты составляет 19 кГц.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является фильтр на ПАВ (прототип), содержащий звукопровод - пьезоэлектрическую подложку со сформированными на поверхности встречно-штыревыми преобразователями, помещенную в корпус, с расположенной на обратной стороне подложки плоской пластиной (из металла или диэлектрика) со сквозным отверстием посредине пластины (прямоугольным, круглым или иной формы) и сквозными отверстиями по краям пластины (прямоугольными, круглыми или иной формы), причем пластина крепится к звукопроводу в месте центрального отверстия «твердым» - жестким клеем с низким коэффициентом линейного термического расширения (КЛТР) и одновременно к посадочному месту корпуса, по краям через отверстия пластина крепится к звукопроводу и одновременно к посадочному месту корпуса резиноподобным клеем с большим КЛТР, при этом пьезоэлектрическая подложка опирается на перемычки на концах плоской пластины, которые препятствуют изгибу подложки при отрицательных температурах окружающей среды [3].
т
т
T
т
p
т
Термостабильный фильтр на ПАВ работает следующим образом. При росте температуры окружающей среды от комнатной (20°C) происходит термическое расширение жесткого клея, имеющего низкий КЛТР, вверх, в сторону звукопровода, тем самым приподнимая центр звукопровода на величину Δd: Δd=d·α·ΔT (здесь d - толщина плоской пластины, α - КЛТР твердого клея, ΔT -разница температур). При этом также происходит термическое расширение резиноподобного клея с большим значением КЛТР на величину Δd, превышающую значение Δd от расширения твердого клея. При этом произойдет изгиб звукопровода, что приведет к сжатию кристаллической решетки, тем самым к изменению скорости акустической поверхностной волны и к снижению ухода центральной частоты узкополосного фильтра на ПАВ, т.е. к увеличению термостабильности фильтра. При снижении температуры от максимального рабочего значения до первоначального значения - комнатной температуры происходит уменьшение стрелы прогиба и возврат положения пьезоэлектрической подложки в первоначальное положение.
При снижении температуры окружающей среды от комнатной (20°С) в сторону отрицательных температур происходит термическое сжатие твердого клея в центре звукопровода и термическое сжатие резиноподобного клея на краях в отверстиях плоской пластины. Звукопровод - пьезоэлектрическая подложка при этом опускается и опирается на перемычки, которые препятствуют изгибу подложки.
Недостатками такого технического решения являются то, что 1 - термостабильный узкополосный фильтр на ПАВ, изготовленный по такому принципу, имеет недостаточную термостабильность вследствие изгиба звукопровода в месте крепления его к корпусу жестким клеем из-за изгиба дна корпуса в диапазоне изменения рабочих температур; 2 - при нагревании подложка испытывает нежелательное воздействие со стороны жесткого клея в центральном окне, ведущее к разрушению поверхности подложки.
Задача изобретения - повышение термостабильности и улучшение механической прочности конструкции. «
В известном фильтре на ПАВ, состоящем из звукопровода - пьезоэлектрической подложки со сформированными на поверхности ВШП, корпуса для крепления звукопровода, предлагается на обратной стороне подложки располагать пластину (из металла или диэлектрика) с двумя сквозными отверстиями по краям пластины (прямоугольными, круглыми или иной формы), через которые пластина крепится к звукопроводу и одновременно к посадочному месту корпуса резиноподобным клеем с высоким КЛТР, в центральной части пластина крепится к звукопроводу тонким слоем резиноподобного клея с высоким КЛТР, дополнительно между посадочным местом (дном корпуса) и пластиной выполняется зазор, превышающий стрелу прогиба посадочного места, пьезоэлектрическая подложка опирается на перемычки на концах плоской пластины, которые препятствуют изгибу подложки при отрицательных температурах окружающей среды.
На фиг.1 приведена конструкция термостабильного узкополосного фильтра на ПАВ. Здесь 1 - звукопровод - пьезоэлектрическая подложка, 2 - ВШП на поверхности звукопровода, 3 - плоская пластина с боковыми сквозными отверстиями 4 для крепления звукопровода резиноподобным клеем 5 с высоким КЛТР к посадочному месту корпуса 6. В центре пластина крепится к звукопроводу тонким слоем резиноподобного клея 7 с высоким КЛТР. Звукопровод своими концами опирается на перемычки 8 на концах пластины. Между пластиной и посадочным местом выполнен зазор 9.
1
1
p
2
2
2
p
1
2
p
2
1,
При комнатной температуре (20°C) термостабильный фильтр на ПАВ находится в состоянии, показанном на фиг.2(а). Фильтр работает следующим образом. При росте температуры окружающей среды от комнатной (20°C) происходит термическое расширение резиноподобного клея с высоким КЛТР вверх, в сторону звукопровода, тем самым приподнимая центр звукопровода на величину Δd: Δd=d·α·ΔT, а концы звукопровода в центре боковых отверстий на величину Δd: Δd=d-3α·ΔT, значительно превышающую подъем звукопровода в центре крепления (здесь d - толщина слоя резиноподобного клея в центре пластины, d - толщина слоя резиноподобного клея в центре боковых отверстий пластины, α - КЛТР резиноподобного клея, ΔT - разница температур) - фиг.2(б). Так как стенки боковых отверстий препятствуют расширению резиноподобного клея в плоскости пластины, то линейное расширение усиливается вверх в сторону концов звукопровода (объемное термическое расширение преобразуется в линейное термическое расширение - линейное перемещение увеличивается в 3 раза). При этом происходит изгиб звукопровода, что приводит к сжатию кристаллической решетки, тем самым к изменению скорости акустической поверхностной волны и к снижению ухода центральной частоты узкополосного фильтра на ПАВ, т.е. к увеличению термостабильности фильтра. На фиг.3 приведена экспериментальная зависимость ухода центральной частоты узкополосного фильтра на ПАВ от стрелы прогиба пьезоэлектрической подложки. При изгибе пьезоэлектрической подложки образуется стрела прогиба Y, равная Y=Δd-Δd которая и приводит к сжатию кристаллической решетки звукопровода. При снижении температуры от максимального рабочего значения до первоначального значения - комнатной температуры происходит уменьшение стрелы прогиба и возврат положения пьезоэлектрической подложки в первоначальное положение.
При снижении температуры окружающей среды от комнатной (20°C) в сторону отрицательных температур происходит термическое сжатие резиноподобного клея - фиг.2(в). Звукопровод - пьезоэлектрическая подложка при этом опускается и опирается на перемычки 8 (см. фиг.1), которые препятствуют изгибу подложки. Резиноподобный клей может удлиняться (сокращаться) на 100-200%, поэтому отрыва пьезоэлектрической подложки от клея не происходит. При этом частотно-температурная характеристика фильтра на ПАВ в области изменения температур плюс 20°C - минус 40°C не изменяется и соответствует характеристике обычного фильтра на ПАВ (см. фиг..4), выполненного на основе пьезоэлектрической подложки ST-среза. Размеры отверстий по краям плоской пластины, толщина пластины выбираются опытным путем исходя из конкретной конструкции узкополосного фильтра на ПАВ и условия получения максимальной термостабильности - минимального ухода центральной частоты фильтра на ПАВ при изменении окружающей температуры.
-6
В качестве примера был изготовлен термостабильный узкополосный фильтр на ПАВ со следующими параметрами: центральная частота фильтра 70,00 МГц, полоса пропускания 30 кГц, диапазон рабочих температур от минус 40°C до плюс 80°C; пьезоэлектрическая подложка из кварца YXL/33° - среза (длина подложки 10 мм, ширина 2 мм, толщина 0,4 мм); корпус типа SMD - DLCC14/10-1; плоская пластина из ковара толщиной 0,4 мм; резиноподобный (эластичный) клей в местах крепления звукопровода - клей типа ЭЛАСТОСИЛ с КЛТР=(180-200)·10 1/°C. Было выявлено, что в рабочем диапазоне температур от минус 40 до +80°C изгиб посадочного места корпуса составлял 80 мкм, исходя из этого зазор между дном посадочного места корпуса и звукопроводом выполнялся равным 100 мкм, тем самым изгиб посадочного места корпуса не оказывал прямого воздействия на звукопровод.
Так как плоская пластина имеет с посадочным местом зазор, превышающий стрелу прогиба посадочного места, то узкополосный фильтр на ПАВ имеет лучшую термостабильность по сравнению с прототипом, так как в диапазоне изменения рабочих температур изгиб посадочного места корпуса не будет влиять на изгиб звукопровода. Замена жесткого клея тонким слоем резиноподобного клея повышает механическую прочность сверхузкополосного фильтра на ПАВ, так как при изгибе звукопровод в месте крепления жестким клеем испытывает значительные механические напряжения. Приклейка резиноподобным клеем в центре звукопровода уменьшает механические напряжения при изгибе звукопровода в диапазоне изменения рабочих температур.
На фиг.5 приведена экспериментальная зависимость изменения частоты от температуры предложенного термостабильного узкополосного фильтра на ПАВ. Видно, что уход центральной частоты фильтра при изменении температуры от минус 40°C до плюс 80°C составил ±2 кГц, в то время как уход центральной частоты обычного (нетермостабильного) фильтра на ПАВ составил 18-19 кГц.
Источники информации
1. И.А.Тихонов. Электрические параметры малогабаритного сверхузкополосного ПАВ-фильтра на связанных резонаторах. Техника радиосвязи, вып.12, 2007, с.92-101.
2. Термостабильный фильтр на поверхностных акустических волнах. Патент РФ №2 284 649, H03H 3/08, H03H 9/64 от 21.12.2004 г., опубл.27.09.2006 г., Бюл.№27.
3. И.А.Корж, И.А.Тихонов. Термокомпенсированные сверхузкополосные кварцевые ПАВ-фильтры на связанных резонаторах. Успехи современной радиоэлектроники. №7, 201К с.46-50.