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 пьезоэлектрической подложки и встречно-штыревых преобразователей (ВШП), сформированных на рабочей поверхности кварцевой подложки ST-среза и помещенных в корпус [1]. Недостатком узкополосных фильтров на ПАВ, изготовленных на подложках ST-среза, является недопустимо большой уход центральной частоты при изменении температуры окружающей среды. Так, например, при температуре +80°C изменение центральной частоты фильтра на ПАВ на кварцевых подложках ST-среза составляет δF/F=150·10.
-6
Известен узкополосный фильтр на ПАВ, в качестве пьезоэлектрической подложки в котором использована кварцевая подложка ST-среза с ориентацией YXL42°45' [2]. При температуре +80°C изменение центральной частоты таких ПАВ фильтров составляет δF/F=75·10 [2]. Однако и это изменение центральной частоты в ряде случаев достаточно велико для создания узкополосных фильтров на ПАВ с узкой полосой пропускания. Так, например, узкополосный фильтр на частоту 70 МГц с полосой пропускания 40 кГц, изготовленный на кварцевых подложках YXL33°-среза, при изменении температуры от 20°C до 80°C имел уход частоты минус 18-20 кГц, что неприемлемо для радиоэлектронных устройств.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому фильтру на ПАВ является термостабильный фильтр на ПАВ [3] (прототип), 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. При увеличении температуры (от комнатной - в область положительных температур) происходит изгиб биметаллической пластины, которая своими концами поджимает пьезоэлектрическую подложку с образованием стрелы прогиба. При этом происходит деформация кристаллической решетки пьезоэлектрической подложки, что приводит к изменению скорости поверхностной акустической волны и тем самым к повышению термостабильности фильтра на ПАВ. При уменьшении температуры (от комнатной - в область отрицательных температур) биметаллическая пластина изгибается в противоположную сторону, при этом поджатия пьезоэлектрической подложки не происходит, подложка при этом не изгибается и частотно-температурная характеристика фильтра на ПАВ соответствует частотно-температурной характеристике обычного (нетермостабильного) фильтра на ПАВ. Недостатками такого технического решения являются следующие.
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. Недостаточная виброустойчивость, так как концы пьезоэлектрической подложки не закреплены.
3. Недостаточная температурная компенсация 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).
Задача изобретения - уменьшение габаритов термостабильного фильтра на ПАВ, увеличение виброустойчивости, улучшение температурной стабильности.
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 вместо биметаллической пластины плоскую пластину (из металла или диэлектрика) с отверстием посредине пластины (прямоугольным, круглым или иной формы) и 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 «мягким» - резиноподобным клеем с большим КЛТР.
Частотно-температурная характеристика обычного (нетермостабильного) узкополосного фильтра на ПАВ приведена на фиг.1. При этом (см. фиг.1) фильтр на ПАВ в широком диапазоне отрицательных температур (плюс 20°C - минус 40°C) остается термостабильным (уход частоты не более 3 кГц). В диапазоне положительных температур (плюс 20°C - плюс 80°C) фильтр является нетермостабильным - уход частоты составляет 19 кГц. На фиг.2 приведена конструкция термостабильного узкополосного фильтра на ПАВ. Здесь 1 - звукопровод-пьезоэлектрическая подложка, 2 - ВШП на поверхности звукопровода 1, 3 - плоская пластина с отверстием 4 для крепления звукопровода твердым (жестким) клеем 8 к посадочному месту корпуса 6 и отверстиями 5 для крепления звукопровода 1 резиноподобным клеем 7 к посадочному месту корпуса 6, причем звукопровод 1 своими концами опирается на перемычки 9 на концах пластины.
Термостабильный фильтр на ПАВ работает следующим образом.
т
т
т
т
p
т
p
p
р
р
p
т
При росте температуры окружающей среды от комнатной (20°C) происходит термическое расширение твердого клея 8, имеющего низкий КЛТР, вверх, в сторону звукопровода 1, тем самым приподнимая центр звукопровода на величину Δd:Δd=d·α·ΔТ (здесь d - толщина плоской пластины, α - КЛТР твердого клея, ΔT - разница температур). При этом также происходит термическое расширение резиноподобного клея 7 с большим значением КЛТР на величину Δd, значительно превышающую значение Δd от расширения твердого клея. Так как стенки боковых отверстий 5 препятствуют расширению резиноподобного клея в плоскости пластины 3, то линейное расширение усиливается вверх - в сторону концов звукопровода (объемное термическое расширение преобразуется в линейное термическое расширение - линейное перемещение увеличивается в 3 раза). Концы звукопровода 1 в центре боковых отверстий 5 приподнимутся на величину Δd: Δd=d·3α·ΔТ (здесь d - толщина плоской пластины, ΔТ - разница температур, α - КЛТР резиноподобного клея), значительно превышающую подъем звукопровода 1 в центре крепления 4. При этом произойдет изгиб звукопровода 1, 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. 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 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 фильтр на ПАВ имеет более высокую виброустойчивость. На фиг.4 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 ±3 кГц, в то время как уход центральной частоты обычного (нетермостабильного) фильтра на ПАВ составил 18-19 кГц.
Источники информации
1. В.В.Дмитриев и др. Интегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации и обработки сигналов. - М.: «Радио и связь», 1985, с.95.
2. И.Зеленка. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и акустических волнах. - М.: «Мир», 1990, с.481.
3. Термостабильный фильтр на поверхностных акустических волнах. Патент РФ №2284649, H03H 3/08, H03H 9/64 от 21.12.2004 г., опубл. 27.09.2006 г., Бюл. №27.