ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С "ЕСТЕСТВЕННЫМ" ОДНОНАПРАВЛЕННЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН
TRANSDUCER WITH "NATURAL" UNIDIRECTIONAL EMISSION OF SURFACE ACOUSTIC WAVES

Область техники
Настоящее изобретение относится к области электротехники/электроники и касается преобразователя с «естественным» однонаправленным излучением поверхностных акустических волн (ПАВ). Объектами, для которых возможно и целесообразно применение преобразователя в соответствии с изобретением, являются, в частности, датчики, защитные этикетки, резонаторы, фильтры, линии задержки и генераторы, поскольку принцип их действия основывается на излучении поверхностных акустических волн.
Уровень техники
Уже известны преобразователи с «естественным» однонаправленным излучением поверхностных акустических волн, у которых встречно-штыревая структура электродов расположена на пьезоэлектрической кристаллической подложке. При этом встречно-штыревая структура электродов скомпонована со встречно-штыревыми преобразователями, которые состоят из коллектора и зубцов, причем по меньшей мере два зубца с разной полярностью образуют ячейку преобразователя в качестве базового элемента преобразователя. Каждая ячейка преобразователя содержит одну систему возбуждающих электродов для возбуждения электрической потенциальной волны и по меньшей мере одну систему отражающих электродов для отражения электрических потенциальных волн.
Условием существования однонаправленных свойств встречно-штыревых ячеек является то, что расстояние между системами возбуждающих и отражающих электродов в одной и той же ячейке преобразователя составляет точно или приблизительно ±1/8 или ±3/8 длины волны, причем эта длина волны соответствует соотношению фазовой скорости поверхностной волны и частоты, при которой преобразователь излучает поверхностную волну с максимальной амплитудой. Следовательно, кроме возбуждения волн необходимым условием существования однонаправленных свойств является отражение волн. Под системами возбуждающих и отражающих электродов подразумеваются системы возбуждающих и отражающих электродов электрического потенциала поверхностной акустической волны. Если расстояние между системами возбуждающих и отражающих электродов в одной ячейке преобразователя отклоняется не более ±1/8 или ±3/8 длины волны, то «естественное» однонаправленное излучение называется полным. В противном случае - неполным.
Если отсутствует «естественное» однонаправленное излучение или «естественные» однонаправленные свойства, ячейки преобразователя содержат разные по ширине зубцы - в случае более двух зубцов на ячейку преобразователя - чаще всего с разным расстоянием между зубцами. Такая ячейка преобразователя, если смотреть по направлению распространения волн, имеет несимметричную конструкцию. Если симметричный преобразователь обладает однонаправленными свойствами, то это свойство называют «естественное» однонаправленное излучение. Симметричный преобразователь состоит, например, из ячеек, которые содержат два зубца одинаковой ширины и с разной полярностью, и расстоянием между серединами зубцов 0,5 длины волны, причем длина ячейки преобразователя равняется длине волны.
3
5
14
В специальном варианте исполнения (P.V.Wright, "The natural single-phase unidirectional transducer: A new low-loss SAW transducer", Proc. 1985 IEEE Ultrasonics Symposium, стр.58-63, далее обозначено также [1]) однонаправленные свойства преобразователей, которые собраны из ячеек на кварцевой подложке с двумя штырями шириной % длины волны (то есть со штырями одинаковой ширины) и интервалом шириной % длины волны, формируются вращением направления распространения ПАВ от кристаллической X-оси. При распространении ПАВ в направлении X-оси для использованного типа преобразователя не имеются однонаправленные свойства. Более точные данные о направлении распространения поверхностных акустических волн с «естественным» однонаправленным излучением можно найти в другом специальном исполнении (Т.Thorvaldsson and В.P.Abbott, "Low loss SAW filters utilizing the natural single phase unidirectional transducer (NSPUDT)", Proc. 1990 IEEE Ultrasonics Symposium, стр.43-48, обозначено [2]). Срез кварца и направление распространения заданы углами Эйлера (0°, 124°, 25°). Данная комбинация отличается полным «естественным» однонаправленным излучением. Другой пример «естественного» однонаправленного излучения - лангасит LaGaSiO с углами Эйлера (0°, 138.5°, 26.6°) (D.P.Morgan, S.Zhgoon, A.Shvetsov, Е.Semenova and V.Semenov, "One-port SAW resonators using Natural SPUDT substrates", Proc. 2005 IEEE Ultrasonics Symposium, стр.446-449, обозначено [3]). В данном случае «естественное» однонаправленное излучение является неполным.
Для примеров исполнения в публикациях [1], [2] и [3] кроме «естественного» однонаправленного излучения общим является и то, что для заданных направлений распространения поверхностных акустических волн действует dv/dθ≠0, причем v -фазовая скорость поверхностной акустической волны и θ - угловое отклонение перпендикуляра к направлению зубца от направления распространения. Отсюда вытекает недостаток, что небольшие погрешности вследствие постоянно имеющихся отклонений технологических параметров при установке структуры электродов на подложке могут привести к большим погрешностям фазовой скорости поверхностной акустической волны и вместе с ними распределения частот преобразователей.
Уже также известны преобразователи с «естественным» однонаправленным излучением, у которых встречно-штыревая структура электродов расположена на пьезоэлектрической лангаситной подложке (US 6,194,809 В1). Структуры электродов состоят из коллекторов и зубцов, причем два зубца образуют ячейку преобразователя. Особым недостатком данных элементов является небольшой коэффициент связи используемой лангаситной подложки, из-за чего широкополосные элементы преобразователя можно выполнить только за счет большого вносимого затухания.
Раскрытие изобретения
В основу изобретения положена задача нахождения для преобразователей с «естественным» однонаправленным излучением материалов, срезов материалов и направлений распространения, которые и у широкополосных преобразователей дают небольшое вносимое затухание, и у которых на распределение частот, несмотря на однонаправленные свойства преобразователей, не или очень мало влияют погрешности в ориентации при установке структуры электродов на подложке.
Данная задача решается посредством признаков отличительной части пункта 1 формулы изобретения вместе с признаками ограничительной части формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения содержатся в дополнительных пунктах формулы изобретения.
У преобразователя в соответствии с изобретением встречно-штыревая структура электродов расположена на пьезоэлектрической кристаллической подложке, которая скомпонована со встречно-штыревыми преобразователями, которые состоят из коллекторов и зубцов, причем по меньшей мере два зубца образуют ячейку преобразователя, которая содержит по меньшей мере одну систему возбуждающих электродов для возбуждения электрической потенциальной волны и по меньшей мере одну систему отражающих электродов для отражения электрических потенциальных волн.
Согласно изобретению зубцы установлены вертикально к направлению R, причем направление R параллельно к оси симметрии 1-го или 3-го порядка кристалла-подложки. При этом для направления R действует производная dv/dθ=0, где v - фазовая скорость поверхностной акустической волны и θ - угловое отклонение вертикали к направлению зубца от данного направления R, причем, однако исключены направления вертикальные к плоскости симметрии кристалла-подложки. Кроме того, в связи с этим для расположения встречно-штыревой структуры электродов должны быть исключены поверхности кристаллической подложки, параллельные плоскости симметрии кристалла-подложки, или вертикальные к оси симметрии 2-го, 4-го или 6-го порядка кристалла-подложки.
По другому признаку изобретения электродные материалы и толщина их слоя выбираются таким образом, что сдвиг фазы Ф5 между системой возбуждающих
электродов и системой отражающих электродов в каждой ячейке преобразователя получают посредством уравнения
,
лежит между 41,4° и 48,6° или между -48,6° и -41,4°, или между 131,4° и 138,6° или между
s1
s2
01
02
-138,6° и -131,4°, причем ω и ω - резонансные частоты короткозамкнутого и ω и ω - разомкнутого встречно-штыревого преобразователя с бесчисленным множеством зубцов, у которых в каждой ячейке преобразователя расстояние между системами возбуждающих и отражающих электродов - между 0,115 и 0,135 или между -0,135 и -0,115, или между 0,365 и 0,385 или между -0,385 и -0,365 соотношения фазовой скорости поверхностной волны и частоты, при которой преобразователь излучает поверхностную волну с максимальной амплитудой.
В соответствии с настоящим изобретением под системой возбуждающих электродов понимается зависимая от геометрии встречно-штыревой структуры электродов, пьезоэлектрической кристаллической подложки и электрических потенциалов однонаправленного преобразователя линия, параллельная кромкам зубцов, в которой возбуждается электрическая потенциальная волна, которая является составляющей сгенерированных поверхностных акустических волн.
Под системой отражающих электродов в соответствии с настоящим изобретением понимается зависимая от геометрии встречно-штыревой структуры электродов, пьезоэлектрической кристаллической подложки и электрических потенциалов однонаправленного преобразователя линия, параллельная кромкам зубцов, в которой отражается сгенерированная системой возбуждающих электродов электрическая потенциальная волна, которая является составляющей отраженных поверхностных акустических волн.
Слой систем возбуждающих и отражающих электродов для однонаправленного преобразователя можно определить известным способом посредством обычных компьютерных программ из:
- типа пьезоэлектрической кристаллической подложки, на которой расположены встречно-штыревые преобразователи,
- данного среза кристаллической подложки,
- установки кромок зубцов встречно-штыревых преобразователей к осям пьезоэлектрической кристаллической подложки,
- положений зубцов во встречно-штыревых преобразователях,
- ширины и толщины зубцов встречно-штыревых преобразователей,
- материала, из которого состоят зубцы встречно-штыревых преобразователей,
- величины электрического потенциала на границе с зубцами встречно-штыревых преобразователей.
На практике требуются большие затраты времени, если даже невозможно найти решения для ячеек с заданными параметрами свойств посредством изменения ширины и положения зубцов вручную. Однако в качестве вспомогательных средств можно воспользоваться компьютерными методами оптимизации. Например, на рынке имеются соответствующие функции оптимизации на языке программирования MATLAB. Для расчета параметров свойств структуры ячеек, которая имеется на текущем этапе оптимизации, требуется программа анализа, которая производит численный расчет свойств параметров. Поэтому не могут быть указаны аналитические соотношения между параметрами свойств и структурой ячеек. Такие программы анализа можно купить.
Особенно неожиданно то, что преобразователи с «естественными» однонаправленными свойствами возможны даже тогда, когда главное направление распространения поверхностных акустических волн с осью симметрии 3-го порядка является высокосимметричным направлением кристалла-подложки, для которого также действует dv/dθ=0. Данная возможность создания преобразователя с «естественными» однонаправленными свойствами до сих пор не была использована.
Далее описываются предпочтительные и целесообразные варианты осуществления изобретения.
Электроды могут быть выполнены в виде системы слоев, причем система слоев может содержать даже один слой.
Ячейка преобразователя может содержать два одинаковых по ширине зубца с разной полярностью, с расстоянием между серединами зубцов 0,5 соотношения фазовой скорости поверхностной волны и частоты, при которой преобразователь излучает поверхностную волну с максимальной амплитудой.
Ячейка преобразователя может содержать также зубцы разной ширины, если электродные материалы и толщина их слоев выбраны таким образом, что в одной ячейке преобразователя, которая содержит два одинаковых по ширине зубца с разной полярностью, с расстоянием 0,5 соотношения фазовой скорости поверхностной волны и частоты, при которой преобразователь излучает поверхностную волну с максимальной амплитудой, расстояние между системами возбуждающих и отражающих электродов лежит вне диапазонов от 0,115 до 0,135 и от -0,135 до -0,115, и от 0,365 до 0,385 и от -0,385 до -0,365 соотношения фазовой скорости поверхностной волны и частоты, при которой преобразователь излучает поверхностную волну с максимальной амплитудой.
Это предпочтительно особенно тогда, когда, например, система слоев должна быть использована в качестве электродного материала, которая требует слишком большой толщины слоя одного из электродных материалов, чтобы попасть в один из требуемых диапазонов расстояния между системами возбуждающих и отражающих электродов. В этом случае «естественное» однонаправленное излучение может быть дополнено посредством сгенерированного однонаправленного излучения. Вследствие этого самые узкие зубцы ячейки преобразователя могут быть шире, чем при отсутствующем «естественном» однонаправленном излучении.
3
3
Предпочтительно, если кристалл-подложка имеет ось симметрии 3-го порядка. Это относится, например, к LiNbO, LiTaO и кварцу, причем данные кристаллы, кроме того, относятся к тригональной системе.
3
Подложка может быть Y-срезом LiNbO, и кромки зубцов могут быть установлены вертикально к его оси 3-го порядка или Z-оси.
3
3
14
3
0,5
0,5
3
2
14
3
0,5
0,5
3
2
14
3
b
3
2
14
3
a
3
2
14
3
b
3
2
14
3
a
3
2
14
Кристалл-подложка может быть также кристаллом из семейства лангасита, состоящего из лангасита ([LaGaGa(GaSi)O]), ланганита ([La(GaNb)GaGaO]), лангатата ([La(GaTa)GaGaO]), CNGS (CaNGaSiO), CTGS (CaTGaSiO), SNGS (SrNGaSiO), STGS (SrTGaSiO).
Зубцы направлены вертикально к оси симметрии 3-го порядка.
Предпочтительно, если в случае выполнения структуры электродов в виде системы со многими слоями плотность по меньшей мере одного из электродных материалов больше, чем плотность алюминия и/или фазовая скорость поперечной акустической волны одного из электродных материалов в плотном состоянии меньше, чем фазовая скорость поперечной акустической волны алюминия в плотном состоянии.
Электродный материал предпочтительно может быть выбран из включающей медь, серебро, золото и платину группы, причем в случае выполнения структуры электродов в виде системы со многими слоями по меньшей мере один слой может состоять из одного электродного материала этой группы.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения зубцы структуры электродов могут быть скрыты при помощи карманов в подложке. При этом расстояние между системами возбуждающих и отражающих электродов может варьироваться с глубиной карманов без изменения конструкции ячеек. Это возможно также, если подложка или подложка и структура электродов покрыты токонепроводящим слоем, причем зубцы структуры электродов могут быть скрыты при помощи карманов в слое. При этом зубцы могут быть скрыты частично или полностью в подложке или в слое, или зубцы могут заполнить карманы только частично.
Вариант осуществления изобретения
Ниже изобретение более подробно поясняется при помощи примера осуществления и чертежа.
3
3
На Y-срезе пьезоэлектрической 1 LiNbO-подложки 1, нормаль Y-среза параллельна кристаллографической Y-оси LiNbO, расположена структура электродов встречно-штыревого преобразователя 2 с зубцами 21, 22, 23 и 24, причем зубцы 21 и 22 соединены с коллектором 3 и зубцы 23 и 24 с коллектором 4. Зубцы 21 и 23 образуют друг с другом ячейку преобразователя так же, как и зубцы 22 и 24.
Все зубцы от 21 до 24 одинаковы по ширине и расстояние между центральными линиями, направленными параллельно кромкам зубцов, например зубцов 21 и 23, составляет 0,5 соотношения фазовой скорости поверхностной волны и частоты, при которой преобразователь излучает поверхностную волну с максимальной амплитудой.
Преобразователь, показанный на чертеже, представлен схематически только с таким количеством зубцов, какое требуется для пояснения признаков варианта осуществления. Преобразователь может содержать гораздо больше зубцов, чем представлено на чертеже.
Электродная структура состоит из платины. Преимущества данного выбора материала заключаются в том, что коэффициент отражения на одну ячейку преобразователя большой и добиваются стабильности структуры электродов при высоких температурах. Толщина слоя платины составляет 2,7% расстояния между центральными линиями зубцов 21 и 22 или зубцов 23 и 24, направленных параллельно осям зубцов.
Толщина слоя структуры электродов выбирается таким образом, что в каждой ячейке преобразователя расстояние между системами возбуждающих и отражающих электродов лежит между 0,115 и 0,135 или между -0,135 и -0,115, или между 0,365 и 0,385 или между -0,385 и -0,365 соотношения фазовой скорости поверхностной волны и частоты, при которой преобразователь излучает поверхностную волну с максимальной амплитудой. Для достижения этих расстояний между системами возбуждающих и отражающих электродов имеются три возможные толщины слоя платины, а именно 0,015, 0,027 и 0,048 длины волны, которая соответствует соотношению фазовой скорости поверхностной волны и частоты, при которой преобразователь излучает поверхностную волну с максимальной амплитудой. В данном примере выбрана толщина слоя платины 0,048 данной длины волны.
В данном случае материал структуры электродов задан. Аналитическая связь между механическими свойствами электродного материала и толщиной его слоя, с одной стороны, и расстоянием между системами возбуждающих и отражающих электродов, с другой стороны, не может быть указана. Поэтому эти расчеты ввиду сложных зависимостей возможны только в численном виде. При этом толщина слоя электродного материала варьируется так долго, пока рассчитываемое при помощи компьютерной программы расстояние между системами возбуждающих и отражающих электродов не попадет в один из вышеуказанных диапазонов.
При работе преобразователя 2 через его электрические соединения 5 и 6 подается высокочастотное напряжение переменного тока. Хотя структура электродов преобразователя 2 не имеет предпочтительного направления, в направлении 7 он излучает более высокую амплитуду поверхностных волн, чем в противоположном направлении 8, то есть преобразователь 2 имеет «естественное» однонаправленное излучение, и направление 7 называется прямым направлением.
3
Направление 7 параллельно кристаллографической Z-оси LiNbO, которая является осью симметрии 3-го порядка. Для данного направления действует dv/dθ=0, где v -фазовая скорость поверхностной акустической волны и θ - угловое отклонение перпендикуляра к направлению зубца от данного направления. Это свойство поясняется параболической кривой 10, которая представляет собой зависимость фазовой скорости поверхностной волны от угла 9. Угол θ соответствует углу 9 на чертеже. Нанесенная на чертеж в качестве пояснительного элемента ось абсцисс 11 обозначает изменение угла 0, которое влечет за собой изменение фазовой скорости поверхностной волны, выраженное посредством кривой 10.
Если структура электродов так поворачивается, что направление 7' является прямым направлением, то из-за параболической зависимости фазовой скорости поверхностной волны от угла 9 получается только небольшое изменение фазовой скорости v поверхностной волны. Следовательно, распределение частот преобразователя 2 нечувствительно к погрешностям расположения структуры электродов на подложке, и преобразователь 2 проявляет все же однонаправленные свойства.
Перечень позиций
1 пьезоэлектрическая подложка
2, 2' встречно-штыревой преобразователь
21, 22, 23, 24 зубцы
3, 4 коллекторы
5, 6 соединения
7, 7' направление/прямое направление
8 направление
9 угол
10 кривая
11 ось абсцисс.