CN101562434A - 单相单向声表面波换能器和改进的反射器 - Google Patents

Abstract

一种用于声表面波(SAW)器件的单向换能器(100)。在一个实施例中，器件包括在其中有垂直于SAW传播方向(170)的开路反射器(130)的压电基片(150)上的规定的区域；以及位于规定的区域内和被连接到相反的总线条(160)的一对低反射率换能器电极(140)，该电极(140)垂直于SAW传播方向(170)，以及被放置成电极对(140)的激励中心位于离反射器(130)在SAW的中心频率下约八分之七瑞利波长。

Description

单相单向声表面波换能器和改进的反射器

本申请是申请号为200480029431.5、申请日为2004年10月8日、名称为“单相单向声表面波换能器和改进的反射器”的发明专利申请的分案申请。

相关专利申请的相互参考

本专利申请要求2003年10月8日提交的、题目为“A SinglePhase Unidirectional SAW Transducer”的、与本发明共同转让的、美国临时专利申请序列号No.60/509,693的权利，该专利申请在此引用以供参考。

技术领域

本发明总的涉及声表面波(SAW)器件，更具体地，涉及用于SAW器件的单相单向声表面波换能器和改进的反射器。

背景技术

永无止境的趋于更小的电子器件的趋势不断地增加开发更小的和更有效的元件的压力。例如，无线通信系统不断需要被使用于信号处理的无源元件的增强的性能，特别是工作在1GHz以上频率的那些元件。在SAW滤波器的情形下，典型地要求的特性包括低插入损耗、低通带波纹(ripple)、高相位线性度和高选择性。为了满足这些要求，经常使用单相单向换能器(SPUDT)。SPUDT器件也可被使用于SAW传感器和SAW射频识别标签。

SPUDT结构要求这样地放置反射器和换能器，以使得在每个单元内换能的中心相对于反射的中心进行移位。理想地，这个相移应当等于±π的一半(±π/2)。在大多数SPUDT结构中，八分之一瑞利SAW波长宽的电极和从四分之一到八分之三波长宽的反射器被使用来得到无反射的换能。在大多数情形下，电极是八分之一波长或更窄。因此，在GHz的范围，电极的临界尺寸超出对于基于光刻的大规模制作技术的可实现性的极限范围。

对于工作在2GHz和更高的频率的SAW器件，波长约为2μm。因此，八分之一波长宽的电极具有0.25μm的绝对宽度。对于从2％到10％的波长的厚度，电极的绝对高度约为40-200nm。对于电极的这个小的铝截面使得电阻损耗变为高到无法接受。为此，SPUDT换能器很少使用于1GHz以上。

因此，本领域所需要的是可以通过利用基于光刻的大规模制造技术生产的、工作在高于1GHz频率的基片上的低损耗单向换能器。

另外，本领域所需要的是使用于SAW射频识别标签的更好的反射器结构。在SAW识别标签的情形下，重要的是，响应于换能器生成的询问脉冲，尽可能多地获取反射的能量。如果位于基片上的铝反射器是与换能器相同的尺寸并且如果反射器是直的并且基本上垂直于询问脉冲，则在反射脉冲中将不包括大量由换能器生成的能量。这是因为由换能器生成的一部分能量，由于该能量在远离换能器向SAW标签面行进时尺寸扩大，所以不影响反射器。

因此，本领域所需要的是具有获取更多的询问脉冲能量以便返回更强有力的反射信号到换能器的能力的、在SAW标签上使用的更好的反射器。

发明内容

为了解决现有技术的上述的缺陷，本发明提供用于SAW器件的单向换能器。在一个实施例中，器件包括(1)在其上有垂直于SAW传播方向的开路反射器的压电基片上的规定的区域；以及(2)位于规定的区域内并被连接到相反的总线条的一对低反射率换能器电极，电极垂直于SAW传播方向，并被放置成该对电极的激励中心位于离反射器在SAW的中心频率下约八分之七瑞利波长。

因此，本发明提供一种把SAW的能量集中在SAW基片上一个方向的换能器。这样的器件在这样的SAW器件作为SAW识别标签的情形下是有利的。对于SAW RFID标签，希望只处理一组反射信号。另外，本发明提供更强有力的询问脉冲，因为否则会被丢弃的由换能器生成的能量被加到SAW询问脉冲的能量。

在一个实施例中，本发明提供规定的区域，其距离约等于在SAW的中心频率下约两倍瑞利波长加上在SAW的中心频率下的波长乘以正整数减1。在另一个实施例中，换能器电极间隔开为在SAW的中心频率下约一半的瑞利波长的距离。在再一个实施例中，换能器电极每个具有在SAW的中心频率下约四分之一的瑞利波长的宽度。

为了制造方便起见，有利的是使用铝用于反射器和换能器电极。本发明的实施例提供具有低的总反射率的电极。在本发明的一个实施例中，电极具有约等于在SAW的中心频率下十分之一的瑞利波长的厚度。本发明的有利的实施例提供具有压电基片的器件，使得该对电极与反射器的机械反射率与反射率的电的部分相比较具有相反的符号。这样的压电基片是128⁰LiNbO₃。

在又一个实施例中，电极的宽度小于四分之一波长。在再一个实施例中，反射器的波长是在0.3波长与0.5波长之间。

本发明的有利的实施例提供至少两个开路反射器，具有约四分之一波长的宽度并互相间隔开约半个波长的距离。在本发明的另一个实施例中，该对电极的激励中心位于离反射器在SAW的中心频率下约八分之七瑞利波长，在等于该八分之七瑞利波长的±10％的量内变化。

本发明的有用的实施例提供多个电极对，每个电极对偏移个等于多个波长的距离，并且以相同的极性的顺序被连接到相同的总线条(bus bar)。在另一个实施例中，器件还包括多个等效的反射器，每个反射器互相偏移等于多个波长的距离，使得反射器不覆盖电极。

器件的另一个有用的实施例还为它提供包括规定区域的周期的组。在这个实施例中，规定区域的周期的组以等于规定区域的长度或比该长度大整数个波长的周期被准周期地放置，波长沿压电基片的长度缓慢的改变(啁啾地改变)。这里描述的本发明被有用地用作为用于低损耗应用的单向SAW。

本发明再一个实施例提供多个规定区域，被放置在并行的声音子信道中，在垂直于波的传播方向的方向上被分隔开可以与波长相比的距离，并且被并联地电连接。

当然，本发明的具体的有用的应用是用于SAW识别标签。因此，这里描述的器件在规定的区域位于SAW识别标签上时被有用地利用。

本发明的极其有用的实施例提供SAW器件，它包括(1)其上有SAW换能器的压电基片；和(2)位于基片上的反射器，用于反射对于由SAW换能器生成的询问脉冲的应答，反射器被安排在基片上，基本上匹配于询问脉冲的绕射场。在一个实施例中，反射器位于询问脉冲的远场区，而在另一个实施例中，它位于近场区。

当然，器件还可包括被安排在基片上的多个反射器。在这样的情形下，多个反射器的至少一个反射器可被放置在近场区以及多个反射器的至少一个反射器被放置在询问脉冲的远场区，这仍旧属于本发明的打算的范围。

本发明还提供被弯曲成基本上匹配于在询问脉冲的绕射场中的等相位线的反射器。在又一个实施例中，反射器被弯曲成基本上匹配于在询问脉冲的绕射场中的等幅度线。在再一个实施例中，反射器被弯曲成基本上匹配于在询问脉冲的绕射场中的等相位线和等幅度线。特别有用的实施例提供被分段为形成基本上弯曲的形状并且基本上匹配于在询问脉冲的绕射场中的等相位线和等幅度线的反射器。

本发明还可被有用地利用来使得反射器把反射的脉冲聚焦到换能器，使得反射信号基本上匹配于询问脉冲的幅度和相位分布。

本发明可以在反射器是开路金属条带或短路时被有用地利用。本发明也可以在非金属反射器的情形下被有用地利用。本发明的有用的实施例提供分段的反射器。在分段的反射器的情形下，有用的实施例提供在每个分段之间约等于四分之一波长的间隔。在另一个实施例中，反射器被设计成包围询问脉冲的主瓣和第一副瓣。在其中反射器包围询问脉冲的主瓣和第一副瓣的一个实施例中，八个分段被使用于主瓣，四个分段被使用于每个副瓣，总共16个分段。

本发明的重要的实施例提供SAW器件，它具有(1)其上有SAW换能器的压电基片；和(2)在基片上的反射器，用于反射对于由SAW换能器生成的询问脉冲的应答，其中反射器以基本上弯曲的配置被安排在基片上，以基本上匹配于询问脉冲的绕射场的幅度和相位。

以上概述了本发明的优选的和替换的特性，这样，本领域技术人员可以很好地了解后面的、本发明的详细说明。此后将描述本发明的附加特性，形成本发明的权利要求的主题。本领域技术人员应当看到，他们可以容易地使用所公开的概念和具体的实施例作为用于设计或修正用于实现本发明的相同的目的的其它结构的基础。本领域技术人员还应当看到，这样的等效的结构没有背离本发明的精神和范围。

附图说明

为了更全面地了解本发明，现在参考以下结合附图作出的说明，其中：

图1显示按照本发明构建的单向换能器器件；

图2显示利用一个以上的电极对、按照本发明构建的单向换能器器件的变例；

图3显示通过利用多个换能器电极对和反射器调节SAW器件的换能性和反射率的调节；

图4显示利用图1所示的那种周期性分布的SPUDT单元的、按照本发明构建的基本单向SAW换能器；

图5显示利用按照本发明构建的至少一个单向换能器的SAW滤波器；

图6显示生成在公共声音信道中的表面声波的并联的SAW换能器；

图7显示利用按照本发明构建的至少一个单向换能器的SAW标签；

图8A-8F显示在离换能器各个距离处在压电基片上对于询问脉冲的幅度和相位的绕射波形。

图9显示按照本发明构建的、被安排成基本上匹配于询问脉冲的绕射场的、在压电上的反射器；

图10是使用图9上详细显示的那种反射器的代表性SAW标签；以及

图11显示按照本发明构建的基本上匹配于询问脉冲的绕射场的等幅度线和等相位线的分段的金属开路反射器的代表性例子。

具体实施方式

一开始参考图1，图上显示按照本发明构建的单向换能器器件100。显示的是压电基片150的顶视图，压电基片具有被放置在它的表面上的单元110。单元110具有约两倍于SAW瑞利波长(以在压电基片150上生成的SAW的中心频率确定的)的长度。在单元110中显示有强反射的、半个波长宽的浮动的或开路反射器130和弱反射的、四分之一波长宽的电极对140，被使用来激励在压电基片上的SAW。每个电极140被连接到总线条160，这样，电极140被连接到相反极性的总线条160。所显示的器件100具有被连接到相反极性的总线条160的一对电极140，由此浮动反射器130的内部反射被使用来使得电极140成为单向SAW换能器。

本发明提供在具有约等于在SAW的中心频率下约两倍瑞利波长加上瑞利波长乘以正整数减1的长度120的空间中被构建在压电基片150上的单向SAW换能器。在图1所示的实施例中，正整数被假设为1，因此长度120等于两倍瑞利波长。SAW的传播方向170是从左到右。电极140可以是铝的，被放置成近似垂直于传播方向170，以及被间隔开等于约一半的瑞利波长的距离。每个电极140约为四分之一瑞利波长宽，以及每个电极分别被连接到相反极性的总线条160。

在单元110内有平行于电极对140取向的、开路反射器130(它可以是铝)。反射器130被放置成使得反射的中心位于离电极对140的激励中心约八分之七波长的距离，该激励中心被取为在电极140之间的缝隙的中心。SAW的占优势的方向是从反射器130到电极对140。

在某些压电基片150中，反射率的机械部分与反射率的电的部分相比较，具有相反的符号。这样的压电基片150的使用达到对于四分之一宽的浮动或短路反射器130和电极140的低损耗，这是因为基本上抵销电极140的总的反射率。这样的基片材料的例子是128⁰LiNbO₃，其中四分之一波长宽的电极140对于等于约0.1％到10％的波长的厚度的铝电极140很弱地反射。铝基合金，诸如具有低的Cu百分比的AlCu等等，以及其它也可以被用作为用于反射器和电极的材料。为了达到最大的反射率，开路反射器130的宽度处在0.3的波长与0.5的波长之间。反射的中心处在宽的短路或浮动反射器130的中心附近，以及激励的中心处在四分之一波长宽电极140之间的缝隙的中心。从反射中心到激励中心的标称距离可以通过调节在单元110内反射器130的位置一个相应的位移以便找到最佳的单向性而在±10％的波长内变动。在图1上SAW主要地传播到右面。在单元110内生成的和反射的前向传播的波(忽略电极140中的四分之一波长宽的手指的反射率)的比较表明，相位差等于+4π，因此传播的波建设性地干涉。反射系数的相位是+π/2，参考点为在128⁰LiNbO₃上的开路反射器的中心。对于相反方向，在生成的和反射的信号之间的相位差是5π，它们趋于互相抵销。在这种结构中所有的关键尺寸，包括缝隙，是四分之一波长的量级。

在其中128⁰LiNbO₃被使用于四分之一波长宽电极140的场合，对于0.1％到10％的波长的金属厚度，电极140很弱地反射。实际上，对于128⁰LiNbO₃，从1％到8％的范围的铝厚度最适用于本发明的用途。厚度范围受到对于低厚度的增加的电阻率和在产生对于高厚度的高宽比铝剖面时的困难限制。而且，对于每个特定的厚度，可以找出或确定相应于电极140的消失反射率(vanishing reflectivity)的金属化比值(a/p)。

例如，在短路的长的光栅中，对于2.5％的相对铝厚度，对于a/p＝0.5的反射系数接近于零。对于较高的厚度，金属化比值必须减小以达到低的反射率。对于单个半波长宽的浮动或开路反射器130，发现反射系数明显大于对于短路的四分之一波长宽电极140的反射系数，最大值出现在0.3与0.5之间的金属化比值a/p。

可以看到，类似的方法可被应用到其它基片和材料，用于电极和反射器，呈现相反的符号的机械的和电的反射率。满足这个准则的另一个例子是YZ-LiNbO3。本发明的重要的特性是，使用上述的结构作为弱的反射电极140和强的反射器130。

现在转到图2，图上显示利用具有反射器对230的换能器的单向换能器器件200的实施例。在这个实施例中，单元210具有一对浮动或开路反射器230，在这一对中每个反射器230具有约四分之一波长的宽度。在这一对中每个反射器230之间有约半个波长的间隔。反射的中心被取为在两个反射器230之间的间隔的中间。从反射中心到电极240的激励中心的标称距离是八分之七波长，并且它可以通过调节在单元210内反射器230的位置一个相应的位移以便找到最佳的单向性而在±10％的换能器电极240的间隔内变动。反射器对230被放置在两对换能器电极240之间，它们被顺序连接到两个总线条260。这个结构的关键尺寸是八分之一波长的数量级，这使得这个结构比起参照图1描述的结构，对于高频应用不太有吸引力。

现在转到图3，图上显示一个实施例，其中SAW器件300包括基本上等效于第一对电极340的至少另一对电极345，每个附加电极对345离第一电极对偏移多个波长的距离，以及以与第一电极对340相同的极性顺序连接到相同的总线条360。

在另一个实施例中，SAW器件包括基本上等效于第一反射器330的至少另一个反射器335，每个附加反射器335离第一反射器330偏移多个波长的距离，以及如果存在附加的电极对345，则波长数(m)将是m≠n+1，以避免反射器330，335与换能器电极340，345重叠。这里，正的n，m相应于向右位移。这个过程允许人们改变沿结构的换能器电极对340，345和反射器330，335的数目，因此创建具有改进的性能的加权的单向结构。

现在转到图4，图上显示SAW器件400，它包括图1所示的相同部分的周期的组，其中换能器电极440周期地连接到相反的极性的总线条460，周期等于两个波长。这里，在每个部分，只使用一对电极440，反射器430只包括一个半波长宽以及是浮动或开路的。这个实施例相应于未加权的单向SAW换能器。可以看到，在单端电路中，信号被连接到一个总线条460，而另一个总线条460被接地。这个单向换能器可被使用于生成具有低损耗的SAW，以及具有多个应用，例如用于SAW传感器、致动器等等。

现在转到图5，图上显示用于滤波器应用的实施例，其中至少一个单向SAW换能器500被连接到输入总线条560，用作为输入换能器和生成在某个声音信道570上的SAW，接收换能器590，如图所示地，被连接到被放置在同的一声音信道570的输出总线条565。应当指出，接收换能器590具有多于两个的电极545。还应当指出，在本发明的任何实施例中，换能器可以具有任何数目的电极，并且仍旧属于本发明的打算的范围。

现在转到图6，图上显示一个实施例，其中至少两个单向SAW器件600被放置在垂直于波的传播方向上由与波长可比较的距离分隔开的、和并联电连接的、孔径W的并行的声音子信道610中。在所显示的具体的情形下，四个单向换能器被并联连接。换能器被具有约一个波长的宽度的、窄的总线条682，683分隔开。由所有的换能器生成的、朝着前向方向(向右)的SAW产生具有接近于4W的总的孔径的单个声音波束。所述换能器的并联连接减小电阻损耗和绕射损耗。

在图7上显示被使用于SAW标签应用的SAW器件，其中一个单向换能器700和SAW识别标签720被应用在声音信道710中来产生相应于承载这样的SAW识别标签720的器件的识别码的应答信号。

将会看到，在SAW器件中使用的几个已知的解决方案可被应用于本发明。例如，所述单向换能器可以是啁啾的，即它包括准周期地放置的多个部分，该周期等于所述部分的长度或比该部分的长度大整数倍波长，波长沿结构的长度缓慢地改变。

另一个可能性是使用扇形结构。本领域技术人员可以看到，这样的标准变例被包括在本发明的范围中。

本发明中四分之一波长和更宽的电极电极的使用允许通过标准光刻技术制造高达2-3GHz的频率范围的器件。宽的和浮动的电极作为反射器的使用大大地减小电阻损耗，特别是在其中宽的孔径是重要的、诸如SAW标签的应用中。

现在转到图8A-8F，图上显示在离换能器的各种距离处在压电基片上询问脉冲的幅度810和相位820的绕射波形。处理两个极端，图8A上显示近场区波形和图8B上显示远场区波形。正如可以在图8F上看到的，当询问脉冲从换能器得到时，它扩散和绕射。图8F显示，脉冲的幅度810和相位820具有主瓣830和作为主瓣830的肩的副瓣835。这些波瓣830，835构成将被反射的能量的大部分。有利地，试图获取尽可能多的这种反射的能量。

现在转到图9，图上显示被安排成基本上匹配于询问脉冲的绕射场的、按照本发明构建的压电基片上的反射器。在图10上显示使用在图9上详细地显示的那种反射器1010的代表性SAW标签。如图所示，按照本发明构建的反射器1010可被使用在询问脉冲的近场区1020，获取图8A所示的能量，或使用远场区1030，获取图8F所示的能量。当然，在SAW RFID标签1000的情况中通常使用多个这样的反射器1010，这意味着，这里描述的一个或多个这种反射器1010可以被使用在基片上的近场区1020，其它的被使用在同一个基片上的远场区1030，它们全部属于本发明的打算的范围。

如图9所示，反射器被成形或被弯曲成基本上匹配于询问脉冲的绕射场的等相位线或等幅度线，或二者。当然，如果使用非金属反射器，或如果在金属反射器的情形下反射器没有被电隔离，则只需要匹配于询问脉冲的等相位线。

把反射器分段，以便形成成匹配于询问脉冲的绕射场的等相位线或等幅度线的基本弯曲的形状，可以有很大的好处。从制造的观点看来这是有利的，因为形成匹配于信号轮廓的曲线比起使用信道直线来近似它，是更困难的。在金属反射器的情形下，分段的另一个好处是反射器上的电压是更容易控制的。在本发明的一个实施例中，已经发现，把反射器分段成由约为由换能器传播的SAW的中心频率的四分之一波长的间隔分开的分段是有利的。

使反射器弯曲的另一个优点在于，允许反射的信号被聚焦以使得允许应答脉冲具有与询问脉冲在它被换能器检测时的相同的近似的形状，因此，应答脉冲将具有与到达反射器的询问脉冲的部分基本上相同的相位和幅度，

这里描述的设计可被使用于开路反射器或短路反射器。它也可被使用于非金属反射器。在非金属反射器和短路金属反射器的情形下，只需要匹配于询问信号的等相位线。

正如从图8F可以看到的，反射器包围询问脉冲的主瓣830和第一副瓣835是有利的。当然，在近场区反射器的情形下，正如从图8A可以看到的，只需要反射器包围主瓣830，因为副瓣835实际上是不可区分的。已经发现，当使用分段反射器时在远场的情形下，使用四个分段用于每个副瓣835和八个分段用于主瓣830，一个反射器总共十六个分段，是有利的。

转到图11，图上是按照本发明构建的分段的金属开路反射器，它基本上匹配于询问脉冲的绕射场的等幅度线和等相位线。

虽然已详细地描述了本发明，但本领域技术人员应当看到，他们可以在不背离本发明的精神和范围的条件下在它的最广义的形式下作出各种改变、替换和更改。

Claims (18)

1.一种SAW器件，包括：

其上有SAW换能器的压电基片；和

位于所述基片上的反射器，用于反射对于由所述SAW换能器生成的询问脉冲的应答，所述反射器被安排在所述基片上以基本上匹配于所述询问脉冲的绕射场。

2.如权利要求1中所述的器件，其中所述反射器位于所述询问脉冲的远场区。

3.如权利要求1中所述的器件，其中所述反射器位于所述询问脉冲的近场区。

4.如权利要求1中所述的器件，还包括被安排在所述基片上的多个反射器。

5.如权利要求4中所述的器件，其中所述多个反射器的至少一个反射器被放置在近场区，所述多个反射器的至少一个反射器被放置在所述询问脉冲的远场区。

6.如权利要求1中所述的器件，其中所述反射器被弯曲成基本上匹配于在所述询问脉冲的绕射场中的等相位线。

7.如权利要求1中所述的器件，其中所述反射器被弯曲成基本上匹配于在所述询问脉冲的绕射场中的等幅度线。

8.如权利要求1中所述的器件，其中所述反射器被弯曲成基本上匹配于在所述询问脉冲的绕射场中的等相位线和等幅度线。

9.如权利要求1中所述的器件，其中所述反射器被分段以形成基本上弯曲的形状，以基本上匹配于在所述询问脉冲的绕射场中的等相位线或等幅度线。

10.如权利要求8中所述的器件，其中所述反射器把反射的脉冲聚焦到所述换能器，所述反射的脉冲基本上匹配于由所述换能器生成的所述询问脉冲的幅度和相位分布。

11.如权利要求1中所述的器件，其中所述反射器是开路金属条带。

12.如权利要求1中所述的器件，其中所述反射器是短路金属条带。

13.如权利要求1中所述的器件，其中所述反射器是非金属的。

14.如权利要求1中所述的器件，其中所述反射器是分段的。

15.如权利要求14中所述的器件，其中在每个所述分段之间的间隔约等于四分之一波长。

16.如权利要求1中所述的器件，其中所述反射器包围所述询问脉冲的主瓣和第一副瓣。

17.如权利要求6中所述的器件，其中所述反射器包围所述询问脉冲的主瓣和第一副瓣，所述主瓣使用八个分段，每个所述副瓣使用四个分段。

18.一种SAW器件，包括：

其上有SAW换能器的压电基片；和

在所述基片上的反射器，用于反射对于由所述SAW换能器生成的询问脉冲的应答，所述反射器以基本上弯曲的配置被安排在所述基片上，以基本上匹配于所述询问脉冲的绕射场的幅度和相位。

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