РЕЗОНАТОР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
SURFACE ACOUSTIC WAVE RESONATOR

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к пьезотехнике и акустоэлектронике, и может быть использовано в радиоэлектронике для создания частотозадающих устройств, в том числе высокочастотных генераторов сигнала, а также датчиков физических величин.
Задающий генератор генерирует электрические колебания определенной частоты и конструируется с таким расчетом, чтобы в нем гармонические колебания возбуждались без внешних воздействий. В этом процессе основным элементом является резонатор, например резонатор на поверхностных акустических волнах (ПАВ), представляющий собой колебательный контур, в котором, при поступлении в него энергии, возникают затухающие со временем колебания тока. Резонатор должен обладать высокой добротностью, чтобы происходила компенсация потерь, определяющих затухание колебаний. Добротность определяет ширину резонанса и характеризует способность резонатора сохранять накопленную энергию. Достигнутый уровень технологий при правильных конструктивных решениях позволяет в настоящее время создавать резонаторы, обладающие большой добротностью. Высокодобротные резонаторы имеют, как правило, более высокую временную стабильность частоты (меньше старение). У резонаторов с малым значением величины добротности чаще наблюдаются большее старение.
3
3
Из предшествующего уровня техники известно, что основным пьезоэлектрическим материалом для высокодобротных резонаторов на ПАВ служат высокостабильные срезы кварца. Кварцевые резонаторы на ПАВ находят применение в высокостабильных частотно-задающих генераторах благодаря высокой термической стабильности кварца, которая прямо связана с его структурой и отражается на величине коэффициента электромеханической связи (КЭМС), позволяющего получать высокодобротные резонаторы. Другие пьезоэлектрические материалы, например ниобат лития (LiNbO) или танталат лития (LiTaO), используются в резонаторах, которые находят применение в фильтрах на ПАВ (Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. – М.: Мир, 1990, 584 с.).
3
3
Недостатком кварцевых резонаторов на ПАВ являются потери на распространение акустической волны, которые возрастают на высоких частотах, вызывая затухание сигнала и снижение добротности резонаторов. В резонаторах на основе ниобата лития или танталата лития на высоких частотах акустические потери намного меньше, чем в кварцевых резонаторах, что обусловлено параметрами кристаллической решетки материалов. Однако резонаторы на подложках из LiNbO или LiTaO также обладают низкой добротностью на высоких частотах, вызванной большими потерями энергии в металлических элементах конструкции, связанными с высоким КЭМС для распространения ПАВ на свободной поверхности, обусловленным природой материала.
3
Из уровня техники известен резонатор на поверхностных акустических волнах (Европейский патент на изобретение ЕР 0481733 А1, МПК Н03Н 9/02, Н03Н 9/145, Н03Н 9/25, опубл. 22.04.1992), содержащий пьезоплату из ниобата лития (LiNbO), на поверхности которой сформирован встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и не менее двух отражающих структур (ОС), состоящих из массивов отражателей. Повышение добротности резонатора в данном техническом решении достигается путем аподизации (весовой обработки) встречно-штыревого преобразователя, то есть с помощью избирательного изменения перекрытия (апертуры) электродов по протяженности ВШП по некоторому закону, описываемому уравнением, так, что максимум перекрытия оказывается в определенном месте ВШП, например в середине.
2
Наиболее близким по технической сущности аналогом (прототипом) к заявленному изобретению является резонатор на поверхностных акустических волнах (Европейский патент на изобретение ЕР 2239846 А2, МПК Н03Н 9/02, Н03Н 9/145, опубл. 13.10.2010), состоящей из пьезоплаты, выполненной из танталата лития или ниобата лития, на поверхности которой сформированы встречно-штыревой преобразователь и отражающие структуры, расположенные по обе стороны от ВШП. Повышение добротности резонатора в данном техническом решении достигается за счет совместного использования аподизации электродов встречно-штыревого преобразователя и нанесении на поверхность резонатора ламинирующего покрытия, которое улучшает температурные характеристики устройства и снижает пьезоактивность монокристаллического материала подложки, при этом сильно не подавляя и не поглощая акустические волны. В качестве покрытия может использоваться диоксид кремния (SiO) или оксинитрид кремния (SiON).
3
3
Недостатком резонаторов на ПАВ, предложенных в патентах ЕР 0481733 А1 и ЕР 2239846 А2, является их низкая добротность, обусловленная высоким КЭМС материала пьезоплаты (LiNbO или LiTaO), и потерями сигнала, связанными с присутствием проводящих элементов конструкции в областях структуры, определяющих добротность резонатора.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение добротности резонатора на ПАВ.
Технический результат достигается тем, что в резонаторе на поверхностных акустических волнах, содержащем подложку из пьезоэлектрического материала с высоким КЭМС, на поверхности которой сформированы встречно-штыревой преобразователь ВШП и не менее двух отражающих структур, состоящих из массивов отражателей, выполненных с шириной и периодом следования, кратным определенной доле длины волны, ВШП разделен на две секции акустической полостью, длина которой между двумя секциями электродов ВШП выбирается из диапазона
R
R
0,01 λ/δf<L<3,0 λ/δf,
R
R
где L - длина акустической полости, δf - относительная ширина полосы отражения отражающих структур, которая может принимать значение δf=0,003..0,03, λ - длина поверхностной акустической волны на свободной поверхности на резонансной частоте.
Важнейшими параметрами при проектировании устройств на ПАВ являются, КЭМС, коэффициент отражения ПАВ от электродов и скорость акустической волны под электродной структурой. Подложка резонатора на ПАВ, как и в прототипе, выполнена из плотного пьезоэлектрического материала с высоким КЭМС, что обуславливает высокий коэффициент отражения ПАВ от электродов, определяемый соотношением акустических импедансов (произведения скорости звука на плотность материала) в пьезоэлектрическом материале и металле. Возникающие паразитные отражения в ВШП приводят к искажению целевой одномодовой характеристики с большой добротностью и к появлению множества резонансов с меньшей добротностью. Потери энергии при этом увеличиваются.
В предложенном техническом решении, в отличие от прототипа, используется разделение ВШП, состоящего из малого числа электродов, на две части и их расположение по краям области со свободной поверхностью пьезоэлектрического материала. Эта область является акустической полостью. Она необходима для увеличения протяженности ВШП, то есть протяженности области, в которой происходит интерференция отраженного от ОС сигнала. В своей совокупности две секции ВШП и свободная полость между ними представляют собой ВШП прототипа, но с много меньшим числом электродов. Удаление перекрывающей апертуру ВШП металлизации способствует сохранению накопленной энергии колебательной системы. Уменьшение относительной длины пути волны под металлом ВШП по отношению к длине пути волны по свободной поверхности позволяет снизить потери энергии, связанные с отражением ПАВ от металлизации. Увеличивается отношение накопленной энергии (растущей с длиной пути) к потерянной энергии за каждый период колебаний, то есть повышается добротность колебательной системы.
Снижение искажения целевого сигнала и повышение добротности резонатора достигается также снижением эффективного КЭМС в структуре. Известно, что КЭМС может быть определен через относительную разность скоростей ПАВ на металлизированной и не металлизированной поверхностях, то есть КЭМС - это выражение замедления акустической волны. Под металлизацией скорость ПАВ меньше, чем на свободной поверхности. При использовании в резонаторе известной структуры ВШП, с электродами вместо акустической полости, эффективный КЭМС близок к КЭМС ПАВ на свободной поверхности. В предложенном техническом решении в ВШП есть участок без металлизации - удалена значительная часть электродов с образованием свободной акустической полости. Общее изменение скорости ПАВ ВШП складывается из изменения скорости ПАВ на участках под электродными структурами и на участке свободной поверхности пьезоэлектрического материала. В акустической полости скорость ПАВ не меняется, следовательно, общее изменение скорости ПАВ меньше, чем в известных ВШП. Усредненное по расстоянию между ОС относительное замедление ПАВ, то есть эффективный КЭМС, меньше, чем в случае цельного ВШП, что приводит к снижению эффективного коэффициента отражения в ВШП и повышению добротности резонатора.
Известно, что в структуре резонатора имеются продольные моды колебаний, расположенные через определенный частотный интервал. Общепринято выбирать одну из этих мод в качестве рабочего колебания резонатора. При выборе длины акустической полости, соответствующей диапазону 0,01 λ/δfR<L<3,0 ω/δfR, в области высокого отражения ОС присутствует одна основная мода колебаний и ограничивается появление ближайших продольных мод резонатора.
Максимальная длина акустической полости ограничена появлением резонансов от мод резонатора помимо основного резонанса. Дополнительные резонансные пики затрудняют или делают невозможной работу электронной системы, работающей с таким резонатором. При уменьшении L растет относительная длина пути под металлом ВШП, что снижает добротность. Кроме того, при уменьшении ВШП, останутся продольные моды, уменьшенные на скатах амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) основной моды. Поэтому секции ВШП приближены к отражающим структурам и разнесены между собой на расстояние, при котором пространственное распределение амплитуды генерируемых ПАВ в ВШП осуществляется таким образом, что частоты ближайших продольных мод резонатора попадают на нулевые значения АЧХ основной моды. Затухание стоячей волны уменьшается, и потери энергии в системе снижаются.
Указанный диапазон для выбора длины акустической полости позволяет расположить секции электродов в пространственном минимуме амплитуды основной моды отраженных от ОС акустических волн и связанной с ними компоненты электромагнитных волн, что приводит к появлению единственного резонанса основной моды при интерференции волн в акустической полости и уменьшает переотражения и потери энергии в ВШП, влияющие на величину добротности.
Использование в изобретении совокупности приведенных отличительных признаков приводит к значительному снижению эффективного КЭМС по сравнению с КЭМС ПАВ на свободной поверхности подложки пьезоэлектрика и позволяет повысить добротность резонатора.
Формула 0,01 λ/δfR<L<3,0 λ/δfR связывает АЧХ коэффициента отражения с возможными пределами выбора расстояния L. Параметры выбираются так, чтобы в области высокого отражения ОС присутствовала только одна мода колебаний. Длина акустической полости L в общем случае кратна целому числу полуволн, но с поправками на разную скорость ПАВ в области ОС, акустической полости и в секциях электродов ВШП. Данная формула закрывает весь диапазон полезных для достижения технического результата значений L и уточняется в предложенных в изобретении вариантах.
Длина акустической полости между секциями электродов ВШП может быть выбрана из меньшего диапазона 0,01 λ/δfR<L<0,5 λ/δfR+λ, что дополнительно обеспечивает наличие одного резонансного пика в АЧХ и повышает эксплуатационные характеристики резонатора, так как с увеличением расстояния резонансные пики идут чаще, и тогда они входят в полосу отражения и появляются в АЧХ.
R
R
Исходя из принципа изобретения необходимо минимизировать относительное количество металлизации в ВШП резонатора. Это предполагает максимально возможный размер свободной поверхности. Длина акустической полости ВШП, выбранная из диапазона 0,25 λ/δf<L<3,0 λ/δf, близка к половине максимального расстояния L и обеспечивает размер акустической полости, начиная с которого уже наблюдается существенное улучшение добротности резонатора.
R
R
Диапазон 0,5 λ/δf - λ/10<L<0,5 λ/δf + λ/10 выбора длины полости ВШП достаточен для компенсации разброса дополнительного набега фазы в секциях ВШП при использовании различных пьезоэлектрических материалов подложек и материалов напыления, их различных толщин и коэффициентов металлизации.
Дополнительное уточнение для получения одного резонансного пика в АЧХ, повышающего эксплуатационные характеристики резонатора, возможно при использовании двух альтернативных диапазонов для выбора длины акустической полости ВШП:
R
R
0,5 λ/δf + λ/4 - λ/10<L<0,5 λ/δf + λ/4 + λ/10 или
R
R
0,5 λ/δf - λ/4 - λ/10<L<0,5 λ/δf - λ/4 + λ/10,
где +λ/4 или -λ/4 обеспечивают положение АЧХ пары секций ВШП в нужной области частот вблизи резонансной частоты резонатора, а -λ/10 и +λ/10 отражают возможные уточнения положения, связанные с вариантами расчета. Данное расположение электродов позволяет обеспечивать возбуждение и прием полезной составляющей акустических колебаний в резонаторе. Знак +/- выбирается для положительного или отрицательного коэффициента отражения от отдельного отражающего элемента в отражающих структурах. Эксплуатационные характеристики резонатора улучшаются за счет роста добротности без появления паразитных резонансов.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - структура резонатора на поверхностных акустических волнах;
Фиг. 2 - вариант структуры резонатора на поверхностных акустических волнах с инвертированием одной из секций электродов ВШП;
Фиг. 3 - амплитудно-частотная характеристика предлагаемого резонатора на поверхностных акустических волнах;
Фиг. 4 - амплитудно-частотная характеристика резонатора на поверхностных акустических волнах при использовании цельного ВШП.
Резонатор на поверхностных акустических волнах (фиг. 1) содержит подложку 1 из ниобата лития, танталата лития или другого пьезоэлектрического материала с высоким коэффициентом электромеханической связи и малыми акустическим потерями на высоких частотах, на поверхности которой методами планарной технологии сформирован встречно-штыревой преобразователь 2, разделенный на две секции электродов 3 и 4, и расположено не менее двух отражающих структур 5, состоящих из массивов отражателей. Отражатели выполнены с шириной и периодом следования, кратным определенной доле длины волны, и представляют собой множество канавок или выступов, выполненных из материала подложки или диэлектрического материала последовательными циклами напыления и травления.
Между секциями электродов 3 и 4 в ВШП 2 находится акустическая полость 6, не содержащая электродов и перекрывающих апертуру ВШП 2 неоднородностей. Длина акустической полости 6 между двумя секциями 3 и 4 ВШП 2 выбирается из диапазона
0,01 λ/δfR<L<3,0 λ/δfR,
где L - длина акустической полости, δfR - относительная ширина полосы отражения отражающих структур, которая может принимать значение δfR=0,003..0,03, λ - длина поверхностной акустической волны на свободной поверхности на резонансной частоте.
Для улучшения параметров резонаторов на основе пьезоэлектрических материалов с изотропией распространения ПАВ по кристаллографическому направлению целесообразно использовать ВШП, секции которого содержат одинаковое количество электродов, а также ВШП, в котором секции электродов расположены центрально симметрично, так как, например, несимметричные структуры, позволяют решать определенные задачи за счет разницы импедансов соединяемых секций.
Оптимальным вариантом исполнения является резонатор на ПАВ, в котором каждая секция ВШП содержат от 2 до 20 электродов. Увеличение количества электродов приводит к возрастанию потерь энергии в ВШП и снижению добротности резонатора. При уменьшении количества электродов в секции ВШП до одного резко ухудшается значение проводимости резонатора и его невозможно согласовать с обычными цепями электрического тракта.
Расстояние между краем близлежащего к отражающей структуре электрода каждой из секций ВШП резонатора и близлежащим отражателем соответствующей отражающей структуры является более технологичным, если составляет от 0,25λ до 20λ (например, при стравливании лишнего металла с отражающих структур).
Структура, в которой величина расстояния между центром близлежащего к отражающей структуре электрода каждой из секций ВШП и центром близлежащего отражателя соответствующей отражающей структуры находится в интервале от (0,5-0,125+N)⋅λ-λ/10 до (0,5+0,125+N)⋅λ+λ/10, где λ - длина ПАВ на свободной поверхности на резонансной частоте, N=0, 1, 2, … - целое число, позволяет компенсировать разброс дополнительного набега фазы в секциях ВШП, возникающий при использовании различных материалов конструкции, для получения одного резонансного пика в АЧХ.
Путем моделирования и экспериментальной проверки подобраны наиболее оптимальные диапазоны для выбора шага электродов ВШП. В зависимости от материала исполнения структуры величина шага электродов ВШП находится в интервале от (0,48+N)⋅λ до (0,52+N)⋅λ или в интервале от 0,48⋅(1+2N)⋅λ до 0,52-(1+2N)⋅λ, где λ - длина ПАВ на свободной поверхности на резонансной частоте, N=0, 1, 2, … - целое число.
Путем моделирования и экспериментальной проверки подобраны также альтернативные варианты исполнения структуры резонатора, в которых наиболее оптимальная величина шага отражателей в отражательных структурах находится в интервале от (0,48+N/2)⋅λ до (0,52+N/2)⋅λ, где λ - длина ПАВ на свободной поверхности на резонансной частоте, N=0, 1, 2, … - целое число.
Наиболее оптимальное расстояние между отражающими структурами составляет целое число половин длины акустической волны ±10%, а именно расстояние между отражающими структурами составляет N-λ/2+λ/10 или N⋅λ/2 - λ/10, где λ - длина ПАВ на свободной поверхности на резонансной частоте, N=0, 1, 2, … - целое число. N⋅λ/2 необходимо для получения резонанса приблизительно в центре диапазона отражения ОС, а -λ/10 и +λ/10 отражают возможные уточнения положения, связанные с вариантами расчета при различном уровне потерь в материале и выбираются для положительного или отрицательного коэффициента отражения от отдельного отражающего элемента в отражающих структурах.
Возможен вариант структуры резонатора на поверхностных акустических волнах с инвертированием одной из секций электродов ВШП 2, например секции 3 (фиг. 2). ВШП 2 в данном исполнении имеет центрально симметричную структуру. Причем общее число электродов, подключенных к верхней шине ВШП, равно числу электродов, подключенных к нижней шине, как при четном числе электродов, так и при нечетном числе электродов. Тем самым достигается более точное совпадение электрических параметров каждой из шин ВШП при включении резонатора в симметричную балансную цепь, что приводит к уменьшению влияния паразитных компонентов и снижению потерь электрического сигнала, которые могут исказить АЧХ и уменьшить добротность резонатора.
Предложенный в изобретении резонатор на ПАВ для высокочастотных генераторов сигнала может также использоваться в качестве датчика физических величин (например, гироскопа, датчика влажности, газового или биохимического датчика), в котором в акустической полости ВШП на подложке из пьезоэлектрического материала сформированы периодические или непериодические неоднородности, выполненные в форме полосок, точек или других геометрических фигур из металла, диэлектрика или вытравленные в материале подложки.
Периодические неоднородности, вытравленные в подложке или выполненные, например, из вольфрама, золота или платины, с размерами и периодом следования, кратными определенной доле длины волны, используются в гироскопах, в которых при вращении датчика под действием силы Кориолиса в акустической полости под структурами неоднородностей индуцируется ПАВ, взаимодействующая с основной ПАВ. Измерение угловой скорости в гироскопе осуществляется на основе измерения замедления основной ПАВ или измерения интенсивности ПАВ, индуцированной силой Кориолиса.
В качестве непериодических неоднородностей в акустической полости ВШП могут использоваться селективные диэлектрические покрытия для датчиков влажности, а также газовых и биохимических датчиков. В них за счет поглощения чувствительными слоями или массивами молекул определяемого вещества изменяется скорость поверхностной акустической волны.
Периодические или непериодические неоднородности, сформированные в акустической полости между двумя секциями электродов ВШП, не перекрывают апертуру ВШП и содержат незначительное количество металла, что не приводит к возрастанию потерь энергии в ВШП и снижению добротности резонатора. Датчики, выполненные на основе резонаторов с высокой добротностью, обладают высокими эксплуатационными характеристиками.
Резонатор на поверхностных акустических волнах работает следующим образом.
Энергия колебаний подводится и выводится из резонансной полости, расположенной между центрами отражающих структур 5 резонатора, встречно-штыревым преобразователем 2. При подаче электрического сигнала высоких или сверхвысоких частот на секции электродов 3 и 4 ВШП 2 происходит преобразование электрической энергии в энергию акустических волн. Генерация поверхностных акустических волн секциями электродов 3 и 4 происходит синфазно при симметричной и антисимметричной конструкции за счет синфазного подключения электрического сигнала. ПАВ излучаются ВШП 2 в обе стороны вдоль поверхности пьезоэлектрической подложки 1 и достигают отражающих структур 5, где отражаются от массивов отражателей, образующих ОС 5, и направляются обратно к ВШП 2. Акустические волны, перенаправленные ОС 5 к ВШП 2, практически не испытывают отражения от секций электродов 3 и 4 ВШП 2 вследствие малого числа электродов ВШП 2, по сравнению с количеством отражателей ОС 5, и проходят дальше, попадая в центральную область резонансной полости резонатора, расположенную в акустической полости 6 между двумя секциями электродов 3 и 4 ВШП 2, где интерферируют. При наложении прямых и отраженных от ОС 5 ПАВ, вследствие их синфазности, происходит накопление энергии динамической системой в области резонанса, что приводит к резкому возрастанию амплитуды волнового процесса, то есть интерференция будет максимальной. Поверхностные акустические волны, интерферировавшие в центральной области резонансной полости, отражаются к секциями электродов 3 и 4 ВШП 2, где происходит обратное преобразование механической энергии акустических волн в электрическую энергию.
Величина добротности может быть измерена по амплитудно-частотной характеристике резонатора. Добротность определяется отношением резонансной частоты к ширине полосы пропускания резонатора на половине амплитуды резонанса и обратно пропорциональна КЭМС. Ширина полосы пропускания прямо пропорциональна КЭМС. Измеренная АЧХ предлагаемого резонатора на поверхностных акустических волнах (фиг. 3) и измеренная АЧХ выполненного на тех же материалах резонатора на поверхностных акустических волнах при использовании цельного ВШП (фиг. 4) показывают, что ширина полосы пропускания предложенного резонатора намного меньше, чем ширина полосы пропускания резонатора с цельным ВШП. Разработанное техническое решение позволило снизить эффективный КЭМС резонатора на ПАВ и повысить его добротность с величины 8300 (фиг. 4) до величины 11200 (фиг. 3).
Предложенная в изобретении топология позволяет снизить величину потерь энергии и повысить уровень добротности резонаторов на основе ниобата лития, танталата лития или других пьезоэлектрических материалов с высоким коэффициентом электромеханической связи для осуществления возможности работы таких резонаторов на высоких частотах.
Источники информации
1. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. – М.: Мир, 1990, 584 с.
2. Европейский патент на изобретение. ЕР 0481733 А1, МПК Н03Н 9/02, Н03Н 9/145, Н03Н 9/25, опубл. 22.04.1992.
3. Европейский патент на изобретение. ЕР 2239846 А2, МПК Н03Н 9/02, Н03Н 9/145, опубл. 13.10.2010.