АСИНХРОННЫЙ РЕЗОНАТОР НА ПОПЕРЕЧНЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Известен синхронный резонатор на поперечных поверхностных акустических волнах (ППАВ), содержащий пьезоэлектрический звукопровод из кварца среза YX/36°+90°, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале размещены встречно-штыревой преобразователь (ВШП) с двумя отражательными решетками (ОР), расположенными симметрично относительно ВШП [1]. При этом шаг электродов ВШП и ОР, коэффициент металлизации электродов в ВШП и ОР одинаковые. За счет большой скорости ППАВ V=5000 м/с шаг электродов и зазоров ВШП и ОР составляет 1,25 мкм на рабочей частоте резонатора 1 ГГц, что облегчает фотолитографию при изготовлении ППАВ-резонатора и позволяет достичь добротность Q=2000-3000. Однако число электродов в ОР большое - 1000 и поэтому размеры резонатора достаточно велики.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является асинхронный резонатор на ППАВ, содержащий пьезоэлектрический звукопровод из кварца среза YX/36°+90°, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале размещены ВШП, две ОР, расположенные симметрично относительно ВШП [2]. При этом шаг электродов ВШП и ОР одинаковый, а коэффициент металлизации электродов в ВШП и ОР разный. Данное техническое решение позволяет увеличить добротность резонатора до Q=4400-4600 на рабочей частоте резонатора 1 ГГц при уменьшенных размерах резонатора (число электродов в ОР 400, меньше, чем в аналоге). Однако достигнутый уровень добротности ограничен топологией асинхронного резонатора. Главной причиной малой добротности является недостаточная отражательная способность ОР. Увеличить отражательную способность ОР можно, увеличив число электродов в ОР. Однако увеличение числа электродов в 2,5 раза (1000 как в аналоге) не привело к увеличению Q. Увеличить отражательную способность ОР можно за счет увеличения толщины А1 электродов, но при большой толщине электродов затрудняется фотолитография, особенно на высоких частотах. Улучшить отражательную способность ОР можно за счет смещения максимума проводимости ВШП резонатора к центру полосы задерживания ОР, где наблюдается максимум коэффициента отражения ОР на кварце [3]. Совпадение по частоте центра полосы задерживания и максимума коэффициента отражения ОР с максимумом проводимости ВШП зависит от соотношения между шагом электродов ОР и ВШП при определенной их толщине. В этом случае ППАВ-резонатор становится асинхронным.
Задачей полезной модели является повышение добротности асинхронного резонатора на ППАВ и уменьшение его размеров.
Поставленная задача достигается тем, что в асинхронном резонаторе на ППАВ, содержащем пьезоэлектрический звукопровод из кварца среза YX/36°+90°, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале размещены ВШП и две ОР, расположенные симметрично относительно ВШП, согласно полезной модели шаг электродов ВШП и ОР выполнен в соответствии с условием:
ОР
d/d=0,993-0,998,
ОР
где d и d - шаг электродов в ВПШ и ОР;
расстояния между центрами смежных электродов ВШП и ОР выполнены равными шагу электродов ОР:
1
2
ОР
d=d=d,
1
2
где d, d - расстояния между центрами смежных электродов ВШП и ОР слева и справа;
толщина электродов h ВШП и ОР выполнена в соответствии с условием:
h/λ=2-2,5%,
где λ=2d - период электродов ВШП.
Предлагаемый асинхронный резонатор на ППАВ представлен на фиг. 1. На фиг. 2 приведены экспериментальные частотные характеристики действительной и мнимой частей проводимости предлагаемого асинхронного ППАВ-резонатора.
ОР
1
2
ОР
Асинхронный резонатор на ППАВ (фиг. 1) содержит пьезоэлектрический звукопровод 1 из кварца среза YX/36°+90°, на котором размещены ВШП 2 и две ОР 3. Шаг электродов d ВШП 2 выполнен меньше шага электродов d ОР 3. Расстояния d и d между центрами смежных электродов ВШП 2 и ОР 3 равны шагу электродов d ОР 3. Электроды ВШП 2 и ОР 3 выполнены с определенной толщиной h.
ОР
1
2
ОР
Принцип работы предлагаемого резонатора на ППАВ подобен принципу, используемому в известном устройстве (прототипе), и основан на эффекте локализации акустической энергии стоячей волны в резонансной полости, ограниченной двумя ОР 3. Стоячая волна образуется в резонаторе за счет возбуждения ВШП 2 акустической волны и многократного ее отражения от ОР 3. Добротность резонатора, связанная с локализованной в нем акустической энергией, определяется при всех равных условиях отражательной способностью ОР 3. Улучшить отражательную способность ОР 3 можно выполнив ППАВ-резонатор асинхронным, когда совпадает по частоте центр полосы задерживания и максимум коэффициента отражения ОР 3 с максимумом проводимости ВШП 2 [3]. Это достигается определенным соотношением между шагом электродов d ОР 3 и шагом электродов d ВШП 2 при определенной их толщине h. При этом для эффективного отражения ППАВ от всех электродов ОР 3 необходимо, чтобы первый электрод ОР 3 слева и справа от ВШП 2 находился на одинаковом расстоянии d и d от смежного электрода ВШП 2 и это расстояние совпадало с шагом электродов d ОР 3. Используя данные многочисленных экспериментов для резонаторов на срезе YX/36°+90° кварца можно предложить следующие параметры топологии асинхронного резонатора на ППАВ:
ОР
d/d=0,993-0,998;
1
2
ОР
d=d=d;
h/λ=2-2,5%.
ОР
Таким образом, отражательная способность OP 3 ППАВ резонатора увеличивается, а значит, увеличивается и добротность предлагаемого резонатора на ППАВ. Поскольку отражательная способность ОР 3 предлагаемого резонатора увеличилась по сравнению с отражательной способностью ОР 3 резонатора-прототипа, то можно использовать уменьшенное число электродов N в ОР 3 для сокращения размеров резонатора на ППАВ.
Кроме того, у асинхронного резонатора за счет увеличенной добротности увеличивается уровень активной части проводимости [4]. Как известно, уровень активной части проводимости резонатора на ПАВ или ППАВ прямо пропорционален апертуре W ВШП [5]:
m
0
s
2
2
G=8⋅f⋅k⋅C⋅N⋅W⋅(1+Г)/(1-Г),
m
0
s
где G - максимум активной части проводимости резонатора на частоте f; k - коэффициент электромеханической связи звукопровода; C - емкость на единицу длины пары электродов ВШП; N - число пар электродов ВШП; W - апертура ВШП; Г - коэффициент отражения ОР.
m
Следовательно, в предлагаемом резонаторе можно использовать уменьшенное значение апертуры W ВШП резонатора (например, W=80λ) по сравнению с апертурой ВШП в резонаторе-прототипе (W=100λ) для обеспечения такого же значения активной части проводимости G=65 мСм как в прототипе и для сокращения размеров резонатора на ППАВ (фиг. 1).
Таким образом, использование предложенного технического решения позволяет обеспечить достижение поставленной задачи - повышение добротности асинхронного резонатора на ППАВ и уменьшения его размеров за счет выполнения электродов ВШП и ОР с разным шагом и выполнения расстояния между центрами смежных электродов ВШП и ОР равным шагу электродов ОР, а также выбора определенной толщины электродов ВШП и ОР.
m
ОР
Результаты экспериментальной проверки предложенного технического решения на асинхронном резонаторе со звукопроводом из кварца среза YX/36°+90° представлены на фиг. 2, где приведены измеренные частотные характеристики действительной и мнимой частей проводимости ППАВ-резонатора на частоту 999,87 МГц. Резонатор обеспечил Q=8600, G=90,5 мСм, при следующих параметрах топологии: число электродов в OP N=350, число пар электродов ВШП N=100, апертура W=80λ. Все параметры топологии меньше, чем у прототипа, размеры кристалла 2,2×0,85×0,3 мм, что позволило его поместить в SMD-корпус габаритами 3,0×3,0×1,2 мм. Таким образом, предлагаемый асинхронный резонатор на ППАВ обеспечивает увеличение добротности почти вдвое при уменьшении его размеров в полтора раза по сравнению с известным устройством.
Источники информации
1. T. Thorvaldson et al. Proc. IEEE Ultrason. Symp., 1994, pp. 99-102.
2. J.-M Friedt et al. Proc. IEEE Ultrason. Symp., 2005, pp. 1315-1318.
3. N.T. Uno and H. Jumonji. IEEE Trans, on Sonics and Ultrasonics, vol. SU-29, №6, 1982, pp. 299-310.
4. W. Wang et al. Proc. IEEE Ultrason. Symp., 2006, pp. 1863-1865.
5. Поверхностные акустические волны. Под ред. А. Олинера - М.: Мир, 1981, с. 144.