CN103117728A

CN103117728A - 声表面波谐振器

Info

Publication number: CN103117728A
Application number: CN2013100722770A
Authority: CN
Inventors: 惠国华; 陈丹妮; 尹芳缘
Original assignee: Zhejiang Gongshang University
Current assignee: Zhejiang Gongshang University
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2013-05-22

Abstract

本发明提供一种声表面波谐振器，包括压电基片、叉指换能器、两个反射栅和两个吸声件。压电基片为ST切型石英。叉指换能器刻蚀于压电基片。叉指换能器发出433.92MHz的中心频率，周期节长度M=7.2μm，叉指宽度a=1.9μm，叉指间距b=1.7μm，指条对数N=100，声孔径W=720μm，叉指指条的铝条厚度H=200nm。两个反射栅分别刻蚀于叉指换能器的两侧，每侧的反射栅指条数目N_ref=200，两侧的反射栅与叉指换能器之间的距离s=9.0μm。两个吸声件分别设置于两个反射栅远离叉指换能器的一侧。本发明的声表面波谐振器具有更高的品质因数Q及频率稳定性，不易受环境影响，具备体积小、重量轻等优点。

Description

声表面波谐振器

技术领域

本发明涉及一种谐振器，尤其涉及一种声表面波谐振器。

背景技术

声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）是传播于压电基片材料表面的机械波，其声速仅为电磁波速的十万分之一，其振幅随深入基片本材料的深度增加而迅速减少。SAW最主要的特点就是能量能够集中于表层，使得声表面波组件可以很容易地运用其所携带的能量。基于SAW对某些物理、化学、生物量的敏感特性，许多各具特色的SAW器件被开发出来。

声表面波谐振器（Surface Acoustic Wave Resonators，SAWR）是一种晶体谐振器，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。

品质因数（Q因数，quality factor）表征一个储能器件（如电感线圈、电容等）、谐振电路中所储能量同每周期损耗能量之比的一种质量指标，谐振回路的品质因数为谐振回路的特性阻抗与回路电阻之比，元件的Q值愈大，用该元件组成的电路或网络的选择性愈佳。

传统的SAWR主要广泛用于工作在20MHz以上频段的次中频滤波。然而，很多生物性质需要高频才能够有效地进行检测。传统的SAWR的工作频率、插入损耗、时间延迟、相位延迟等受温度、压力、湿度等外界物理因素影响较大，无法达到高的品质因数Q。其器件在加工制作过程中很难达到较好的频次内和批次间的重复性，严重妨碍了SAWR的产品化。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种具有更高的品质因数（Q）及频率稳定性的声表面波谐振器。

为了实现本发明的目的，本发明提供一种声表面波谐振器，包括压电基片、叉指换能器、两个反射栅和两个吸声件。压电基片为ST切型石英。叉指换能器刻蚀于压电基片。叉指换能器发出433.92MHz的中心频率，周期节长度M=7.2μm，叉指宽度a=1.9μm，叉指间距b=1.7μm，指条对数N=100，声孔径W=720μm，叉指指条的铝条厚度H=200nm。两个反射栅分别刻蚀于叉指换能器的两侧，每侧的反射栅指条数目N_ref=200，两侧的反射栅与叉指换能器之间的距离s=9.0μm。两个吸声件分别设置于两个反射栅远离叉指换能器的一侧。

于本发明的一实施例中，声表面波谐振器是单端口声表面波谐振器。

综上所述，本发明提供的声表面波谐振器具有更高的品质因数Q及频率稳定性，不易受环境影响，且可由IC工艺加工设计，具备体积小、重量轻等优点。本发明提供的声表面波谐振器能稳定可靠地发出高频433MHz，从而提高声表面波谐振器的检测性能，电极响应快、灵敏度高，具有批量重复性好、成本低廉等优势。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为本发明提供的声表面波谐振器的示意图。

图2所示为本发明提供的声表面波谐振器的电极设计示意图。

图3所示为本发明提供的声表面波谐振器的制备工艺流程示意图。

具体实施方式

图1所示为本发明提供的声表面波谐振器的示意图。图2所示为本发明提供的声表面波谐振器的电极设计示意图。图3所示为本发明提供的声表面波谐振器的制备工艺流程示意图。请一并参考图1至图3。

本发明提供一种声表面波谐振器11，包括压电基片1111、叉指换能器1112（Interdigital Transducers，IDT）、两个反射栅1113和两个吸声件1114。压电基片1111为ST切型石英。叉指换能器1112刻蚀于压电基片1111，叉指换能器1112发出433.92MHz的中心频率，周期节长度M=7.2μm，叉指宽度a=1.9μm，叉指间距b=1.7μm，指条对数N=100，声孔径W=720μm，叉指指条的铝条厚度H=200nm。两个反射栅1113分别刻蚀于叉指换能器1112的两侧，每侧的反射栅1113的指条数目N_ref=200，两侧的反射栅1113与叉指换能器1112之间的距离s=9.0μm。两个吸声件1114分别设置于两个反射栅1113远离叉指换能器1112的一侧。

采用ST切型石英作为基底材料而非其它石英晶体切型（譬如AT切、SC切）是因为其更容易在高频率端工作。ST切型(ST=Stable Temperature)其欧拉角度为(0°,132.75°,0°)。有时此切型也称为“X轴方向传播的Y切石英晶体”。

IDT1112为叉指状电极，电信号加于IDT1112两端时，在压电基片1111上激励的声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）向两侧传播在左右两反射栅1113栅极之间和左右反射栅1113之间发生多次反射，反射波仍由IDT1112接收。

本发明主要设计因素包括基底材料的选择与中央的叉指换能器IDT以及两侧的反射栅条的参数设计。为提高检测精度，设计的器件应具备较高的Q值，但同时又要保证足够的相应带宽，这也是本发明的设计技术难点之一。同时，为扩大检测范围以及无线无源的检测需求，应使器件具备较大的声表面波激发强度并尽量减小器件的插入损耗。

SAWR参数设计主要包括对叉指换能器IDT的设计和两侧反射栅的参数设计。IDT主要参数为周期节长度M，叉指宽度a，叉指间隙b，指条对数N，声孔径W等。

1.叉指宽度a，叉指间隙b

对等间距IDT而言，满足a=b=M/4，该参数决定声表面波谐振器的谐振频率，应满足：

M=λ=v/f

其中λ为声表面波波长，v为IDT所激发的声表面波波速（不同压电基底有所不同），f为谐振器的谐振频率。对ST切型石英，v=3158m/s，本发明中IDT中心频率为433MHz，则由上式计算可得λ=7.2μm。考虑蚀刻工艺的误差影响，本发明取a=1.9μm，b=1.7μm。

2.指条对数N

指条对数N主要影响器件带宽及激发声表面波强度，N越大，带宽越窄，Q值越高，以其作为反馈元件的振荡器的频率稳定度越高。其-3dB带宽△f_-3dB满足：

△f_-3dB/f₀=0.8845/N

其中f₀为中心频率。但IDT对数不能过多，IDT对数越多会使(sinX/X)²两旁的零点越接近，造成频宽过窄。同时IDT对数越多激发声表面波强度越大，强度与N²成正比。本发明取N=100。

3.声孔径W

声孔径W主要影响激发声表面波的振幅及器件的插入损耗：W越大，总功率、振幅越大、插入损耗越小；不过过长的重叠长度非但无法降低插入损失，反而只是徒增组件的大小。同时，W越大IDT的等效电容也越大，不利于高频信号。但声孔径太小会使SAW的衍射变得严重。设计中应对各种指标进行综合考虑，取值10～100λ为佳。本发明取W=100λ=720μm。

4.反射栅数目N_ref

金属反射栅可将声波向两侧传递损失的能量反射加以利用，从而降低插入损耗，金属栅电极间距p=λ/2时，IDT中心频率落在金属栅完全反射的频段内。可达到最好的反射效果。反射栅数目应根据具体情况而定，一般建议取N_ref|z|=3～4，对铝条反射栅|z|=0.018。本发明取N_ref=200，即IDT两侧各200条反射栅。

5.延迟距离s

IDT与两侧反射栅之间的距离s称为延迟距离，需满足：

S=λ/4+n(λ/2)

其中n为正整数。延迟距离对于SAWR的响应极为重要，延迟距离应越小越好，以避免声波传输时的损失。本发明取s=5/4·λ=9.0μm。

6.铝条厚度H

由于表面质量沉积和电导率的变化，叉指指条在基底表面会使SAW的传输阻抗发生变化，传输阻抗的跳变将导致SAW的反射，使传输频谱发生畸变。从减少反射角度来说，应使叉指电极的铝膜厚度H尽可能地小，但会导致叉指电极的电阻增大，增加插入损耗，并有可能导致铝条的断裂，降低器件的可靠性。综合考虑后，本发明取铝条厚度H=200nm。

综上所述，本发明的所有参数如下表所示：

中心频率f	433.92MHz
		周期节长度M	7.2μm
叉指（反射栅）宽度a	1.9μm
		叉指（反射栅）间距b	1.7μm
声孔径W	720μm
		IDT指条对数N	100
反射栅指条数目N_ref	200
		传输距离s	9.0μm
铝条厚度H	200nm

使用TANNER L-Edit软件进行器件版图设计，制作掩膜板。利用精密光刻工艺在ST切石英基底表面制作铝制IDT及反射栅图案，其工艺流程如图3所示。主要制备工艺流程包括：研磨、清洗→蒸发电极膜→甩胶前烘→曝光→显影、漂洗、坚膜→腐蚀→去胶。图3中压电基片上的21为电极膜，电极膜上层的22为抗蚀层，23为掩膜。

本发明加工好的SAWR实物体积很小。器件基底采用标准的PIN4封装，也利于其在PCB中的焊接于拆装。器件基底表面IDT部分通过扫描电镜可见通过精密光刻工艺能够在基底材料表面得到平滑规整的表面图案结构，使器件可以得到较高的Q值，提高其稳定性。

于本实施例中，声表面波谐振器是单端口谐振器。然而，本发明对此不作任何限定。

虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims

1. 一种声表面波谐振器，其特征在于，包括：

压电基片，为ST切型石英；

叉指换能器，刻蚀于所述压电基片，叉指换能器发出433.92MHz的中心频率，周期节长度M=7.2μm，叉指宽度a=1.9μm，叉指间距b=1.7μm，指条对数N=100，声孔径W=720μm，叉指指条的铝条厚度H=200nm；

两个反射栅，分别刻蚀于所述叉指换能器的两侧，每侧的反射栅指条数目N_ref=200，两侧的反射栅与叉指换能器之间的距离s=9.0μm；

两个吸声件，分别设置于所述两个反射栅远离所述叉指换能器的一侧。

2. 根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述声表面波谐振器是单端口声表面波谐振器。