CN103415994B - 用于转换表面声波的装置 - Google Patents

Abstract

一种装置，包括：压电基板，被配置为传播表面声波；以及转换器，耦合到所述压电基板，包括被配置为将传播的表面声波转换为电信号的至少一个石墨电极。

Description

用于转换表面声波的装置

技术领域

本发明的实施方式涉及用于转换表面声波的装置。

背景技术

尽管用于将表面声波转换为电信号的装置是已知的，但它们通常产生随着表面声波振幅而变化的交变电信号作为输出。

如果表面声波具有高频率，则输出电信号将以高频率的方式交变。这会使得输出信号的利用很困难，因为基于常规的硅的半导体设备不足以响应于高频率操作。

发明内容

根据本发明的多种但不必要是全部的实施方式，提供有一种装置，包括：压电基板，被配置为传播表面声波；以及转换器，耦合到所述压电基板并且包括被配置为将传播的表面声波转换为电信号的至少一个石墨电极。

根据本发明的多种但不必要是全部的实施方式，提供有一种装置，包括：压电基板，被配置为传播表面声波；转换器，耦合到所述压电基板并且被配置为将传播的表面声波转换为电势；以及地面基准电势节点，被配置为提供独立于所述表面声波的地电势，其中所述转换器包括具有依赖电场的导电性并且被配置为将传播的表面声波转换为电信号的二维电极。

根据本发明的多种但不必要是全部的实施方式，提供有一种装置，包括：压电基板，被配置为传播表面声波；转换器，耦合到所述压电基板，包括被配置为将传播的表面声波转换为电信号的至少一个电极；以及地电势基准节点，被配置为提供独立于所述表面声波的地电势基准，其中所述电极耦合到所述压电基板并且具有依赖于耦合的电场的导电性，以使得由传播的表面声波引起的、在所述压电基板处的变化的电场耦合到所述电极并且变化所述电极的所述导电性。

根据本发明的多种但不必要是全部的实施方式，提供有一种装置，包括：压电基板，被配置为传播表面声波；转换器，耦合到所述压电基板，并且被配置为将传播的表面声波转换为直流电势；以及地电势节点，被配置为提供独立于所述表面声波的地电势。

根据本发明的多种但不必要是全部的实施方式，提供有一种装置，包括：压电基板，被配置为传播表面声波；转换器，耦合到所述压电基板并且被配置为将传播的表面声波转换为输出直流电势。

附图说明

为了更好地理解本发明的实施方式的多种示例，现在将以仅示例的方式对附图进行参考，其中：

图1图示了装置的示例；

图2A图示了在时间的第一时刻的装置的示例；

图2B图示了在图示导电性如何随着图2A所示的装置的电场变化的绘图上，在时间的第一时刻石墨电极的导电性；

图3A图示了在时间的第二时刻的图2A的装置；

图3B图示了在图示导电性如何随着图3A所示的装置的电场变化的绘图上，在时间的第二时刻石墨电极的导电性；

图4图示了表面声波转换器的石墨电极的等同电路；

图5A图示了响应于传播的表面声波、由压电基板产生的电压的示例；

图5B图示了响应于图5A所示的电压的可能的输出信号的示意；

图6A图示了响应于传播的调节表面声波、由压电基板产生的电压的示例；

图6B图示了响应于图6A所示的电压的可能的调整输出信号的示意；

图7A图示了，在时间的第一时刻，具有宽的电极的表面声波转换器；

图7B图示了在时间的第二时刻具有宽的电极的装置；

图8、9和10图示了装置的不同实施方式，在其中表面声波转换器包括多个平行电极；以及

图11图示了包括装置的设备。

具体实施方式

附图图示了装置2，包括：压电基板4，被配置为传播表面声波6；以及转换器8，耦合到压电基板4，并且被配置为将传播的表面声波6转换为电信号11。

表面声波6是沿着展现弹性的材料的表面行进的声波。通常表面声波引起材料的点阵位移。当材料是压电基板4时，由表面声波引起的局部位移引起电势的局部变化。电势可以耦合到转换器8的电极10。电极10可以充电为没有跨电极10和压电基板4之间的接触面的自由电荷的转移的电容器的平板。

图1图示了装置2的示例。装置2包括在压电基板4上形成的石墨电极10。

压电基板被配置为在第一方向X中传播表面声波6。压电基板可以例如由石英、铌酸锂、钽酸锂、硅酸锌等形成。

在该示例中，石墨电极10在正交于第一方向X的第二方向Y中纵向延伸。电极10电容耦合到压电基板4并且将传播的表面声波6转换为电信号11。

石墨电极可以由二维石墨带形成。石墨具有的优势在于使用如用于CMOS电路的类似处理方法（诸如平板刻法）组件制备是可能的。石墨可以是二维（2D）单层。单层石墨是无需任何处理的、在其原始状态的半金属（具有零带隙的半导体）。

石墨电极10形成在室温操作的转换器8。它将传播的表面声波6转换为电信号11。

图2A和图3A图示了类似于图1图示的装置的装置。石墨电极10是二维电极10，其具有如图2B和图3B中图示的依赖电场的导电性。

如从图2B中所能看到的，作为表面声波6的结果的由压电基板4生成的电场跨范围R而变化。在该范围R上，石墨电极10的导电性单调地变化（该范围不会与狄拉克点（Dirac point）重叠）。

在图2A中，表面声波6的最小振幅与石墨电极10的位置一致。压电基板4产生负电压，其导致如图2B所示的石墨电极10的低导电性。

随着表面声波6的最小值移动经过石墨电极10的位置，压电基板4产生增长的电压，其导致石墨电极10的增长的导电性。

在图3A中，表面声波6的最大振幅现在与石墨电极10的位置一致。压电基板产生最大正电压，其导致如图3B所示的石墨电极10的最大导电性。

转换器8的操作可以从图4来理解，图4图示了用于石墨电极10的等同电路。

作为表面声波的结果的由压电基板4产生的电压被建模为图4的Vin。

压电基板4和石墨电极10之间的耦合被建模为图4中的电容C。

石墨电极10的依赖电场的导电性被建模为栅极设备，其具有有着可变跨导（电阻R）（诸如场效应晶体管）的通道。栅极接收由压电基板4（Vin）产生的电压作为输入。通道与电容C串联连接，电容C串联于由压电基板4（Vin）产生的电压。

通道提供输出信号11，其产生与接地基准节点12有关的电压Vout。接地基准电势节点12可以被配置为提供独立于表面声波6的接地基准电势。

当表面声波6的最大振幅与石墨电极10一致时，由压电基板4产生的电压（Vin）最小并且石墨电极的导电性最小。等同电路的时间常数RC最大。

当表面声波的最大振幅与石墨电极10一致时，由压电基板4产生的电压（Vin）最大并且石墨电极的导电性最大。时间常数RC最小。

因此，将认识到，电容C充电时比电容C放电时RC时间常数更小。

随着Vin中的振荡更频繁，时间常数电荷在电容C处累积，其产生直流输出信号11。在这一情景中直流意味着输出信号11具有不会改变（切换）的信号（极性）。

图5A图示了响应于传播的表面声波6、由压电基板4产生的电压（Vin）的示例。该电压Vin具有恒定频率和恒定振幅，其可以大于1Ghz或者甚至大于1Thz。

图5B图示了可能的输出信号11的示意。输出信号11（Vout）具有总体上恒定的值，其伴随由电容C的充电放电循环引起的一些波动。应该注意的是，充电快于放电。

因此，可以将装置2用作能够高频率工作的整流器。

图6A和6B图示了如何可以将装置2用作解调器。

图6A图示了响应于传播的声波6、由压电基板4（Vin）产生的电压的示例。电压Vin具有恒定频率，其可以大于1Ghz或者甚至大于1Thz，并且具有更缓慢地调节的振幅。

图6B图示了可能的输出信号11的示意。输出信号11（Vout）具有追踪图6A中的缓慢地调节的振幅的值。

因此，可以将装置2用作能够在高频率工作的解调器。

图7A和7B图示了类似于先前图示的装置2的装置2。然而，在该示例中，石墨电极10具有大的宽度W。

在该示例中，石墨电极10在第一方向X中具有宽度W，其大于传播的表面声波6的波长的N倍。N大于或等于1。N可以例如大于或等于2、4或10。N可以是整数。

随着表面声波传播经过石墨电极，其在具有表面声波6传播的压电基板4中造成振荡位移。压电基板4中的振荡位移在也具有表面声波6传播的石墨电极10处生成对应的振荡局部电场。振荡电场在也具有表面声波6传播的石墨电极10中生成对应的振荡局部导电性。

因此，表面声波6造成了不同导电性的条带，其平行或垂直于表面声波6的传播的方向。这些条带随着传播的表面声波6移动。如果石墨电极10的宽度W是表面声波的波长λ的整数倍，则高和低导电性条带的数量保持不变，尽管它们的位置随着表面声波6传播。

由对应于表面声波的局部化压电场引入的不同导电性将石墨电极变成包括平行导电/绝缘的条带的、跟随表面声波6的周期性的超结构。跟随表面声波6的传播，该图案是动态的。

因为有恒定数量的导电和非导电的条带，组合的输出信号11将具有基本上恒定的电势。

导电的条带最有助于输出信号11。如果宽度W比表面声波6的波长λ大得多，则输出信号11将对于任何恒定波长的表面声波具有基本上恒定的电势。

如果传播的表面声波的振幅是缓慢调节的，则输出信号11将追踪调节信号。因此可以将装置2用作解调器。

较宽的石墨电极10可以是单电极10。也就是说，转换器8可以仅包括单个石墨电极10。

在图8、图9和图10中，转换器8包括多个平行石墨电极10，每个被配置为将传播的表面声波6转换为电信号11。

如在先前的附图中，多个平行石墨电极10在第二方向Y中延伸，其正交于表面声波6传播于其中的第一方向X。多个平行石墨电极10电互连。

多个平行石墨电极10的每个石墨电极10在第一方向中具有宽度w，其可以小于表面声波6的最大波长的一半。

多个平行石墨电极10可以具有规则周期性，其中它们之间的间隔d。间隔d可以是表面声波的一个波长。间隔d用来将转换器8调整到表面声波的特定频率，从而允许装置3操作为滤波器或检测器。

接地基准电势节点12，在这些示例中，被配置为提供独立于表面声波6的接地基准电势。

在图8和图9中，多个平行石墨电极10在第一方向中对齐，并且以电平行的方式电互连，以输出如信号11的电压。输出电压提供在多个平行石墨电极10从其中延伸的金属连接器14和接地基准电势节点12之间。金属连接器平行延伸到表面声波传播于其中的第一方向中。输出电压可以是直流电压，其小于能够操作肖特基（Schotty）二极管的电压（例如，小于200mV）。

在图8中，多个平行石墨电极10从金属连接器14中延伸，并且终止在自由空间中。

在图8中，多个平行石墨电极10的每个石墨电极10从金属连接器14中延伸并且耦合到在第二方向Y中延伸并且终止在自由空间中的多个平行金属电极16中相应的一个金属电极16。多个平行石墨电极10形成在金属电极16和金属连接器14之间的桥。

在图10中，多个平行石墨电极10以电串联的方式电互连，以输出如信号11的电流。

多个平行石墨电极10能够划分为奇数集合和偶数集合。多个平行石墨电极10中的奇数电极在第一方向中相互对齐。多个平行石墨电极10中的偶数电极在第一方向中相互对齐但不与奇数电极对齐。

金属互连将每个奇数石墨电极连接到其下一个邻近的偶数石墨电极。金属互连将每个偶数石墨电极连接到其下一个邻近的奇数石墨电极。

在该配置中，装置2操作为充电泵。

图11图示了被配置为模块22的装置2的示例。

该模块可以例如是诸如模拟信号处理器、高频整流器、能量收集器、解调器或者接收器的较大设备20的部分。

这里使用的“模块”指代排除由用户或终端制造者增加的某些部分/组件之外的单元或装置。

接收器可以通过使用压电基板4来操作，以将入射微波变换到表面声波6，继而通过装置2表面声波6能够变换到电信号。

尽管已经在前面的段落中参考多种示例对本发明的实施方式进行了描述，但是应该认识到，在不偏离所要求的本发明的范围的前提下，能够得到对给出的示例的修改。例如，尽管图示了石墨电极10可以使用其他的二维电极10。更优的是使用具有随着局部压电电势变化的高电子迁移率的电极。

在前面的描述中所描述的特征可以以除了明确描述的组合之外的组合来使用。

尽管已经参考某些特征描述了功能，然而那些功能还可由描述的或未描述的其他特征执行。

尽管已经参考某些实施方式描述了特征，但是那些特征还可以存在于描述或未描述的其他实施方式中。

尽管在前文说明书中努力引起对本发明的被认为特别重要的那些特征的关注，应当理解申请人在上文引用和/或附图中示出的任何可授予专利的特征或者特征组合方面都要求保护而无论是否已经对它们加以特别强调。

Claims (34)

1.一种用于传播表面声波的装置，包括：

压电基板，被配置为传播表面声波；以及

转换器，电容耦合到所述压电基板，其中所述转换器包括多个平行的二维电极，所述多个平行的二维电极具有依赖于电场的导电性，以使得由所述表面声波引起的变化的电场改变所述多个平行的二维电极的所述导电性，以将所述表面声波转换为电信号，

其中所述多个平行的二维电极在第二方向中延伸，所述第二方向正交于所述表面声波于其中传播的第一方向，

其中所述多个平行的二维电极被划分为奇数电极和偶数电极，所述奇数电极在所述第一方向中相互对齐，所述偶数电极在所述第一方向中相互对齐但不与所述奇数电极对齐，金属互连将每个奇数电极连接到其下一个邻近的偶数电极，并且所述金属互连将每个偶数电极连接到其下一个邻近的奇数电极。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括地面基准电势节点，所述地面基准电势节点被配置为提供独立于所述表面声波的地面基准电势。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述转换器被配置为将所述表面声波转换为输出直流电信号。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述二维电极是石墨电极。

5.根据权利要求4所述的装置，其中在所述压电基板处的所述变化的电场在如下的范围内，在所述范围内所述二维电极的导电性随着电场的变化是单调的。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置为转换具有第一波长的表面声波，并且其中所述多个平行的二维电极在所述表面声波的传播的方向中具有小于所述第一波长的一半的宽度。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置为转换具有第一波长的表面声波，并且其中所述多个平行的二维电极在所述表面声波的传播的方向中具有所述第一波长的规则周期性。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述二维电极是单电极。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述转换器被配置为转换具有最大波长的表面声波，并且其中所述二维电极在所述表面声波的传播的方向中具有大于或等于N倍的所述最大波长的宽度，其中N大于或等于1。

10.根据权利要求9所述的装置，其中N大于或等于2。

11.根据权利要求9所述的装置，其中N大于或等于4。

12.根据权利要求9所述的装置，其中N大于或等于10。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的装置，其中所述转换器被配置为在室温下将所述表面声波转换为电信号。

14.根据权利要求1-12中任一项所述的装置，其中所述表面声波具有大于1Ghz的频率。

15.根据权利要求1-12中任一项所述的装置，其中所述表面声波具有大于1Thz的频率。

16.根据权利要求1-12中任一项所述的装置，其中所述装置被配置为模块。

17.根据权利要求1-12中任一项所述的装置，其中所述装置被包括在模拟信号处理器、高频整流器、能量收集器、解调器或接收器内。

18.一种用于传播表面声波的装置，包括：

压电基板，被配置为传播表面声波；

转换器，电容耦合到所述压电基板，并且被配置为将所述表面声波转换为电势；以及

地电势节点，被配置为提供独立于所述表面声波的地电势，

其中所述转换器包括多个平行的二维电极，所述多个平行的二维电极具有依赖于电场的导电性，以使得由所述表面声波引起的变化的电场改变所述多个平行的二维电极的所述导电性，以将所述表面声波转换为电信号，

其中所述多个平行的二维电极在第二方向中延伸，所述第二方向正交于所述表面声波于其中传播的第一方向，

其中所述多个平行的二维电极被划分为奇数电极和偶数电极，所述奇数电极在所述第一方向中相互对齐，所述偶数电极在所述第一方向中相互对齐但不与所述奇数电极对齐，金属互连将每个奇数电极连接到其下一个邻近的偶数电极，并且所述金属互连将每个偶数电极连接到其下一个邻近的奇数电极。

19.根据权利要求18所述的装置，其中所述转换器被配置为将所述表面声波转换为输出直流电信号。

20.根据权利要求18所述的装置，其中所述二维电极是石墨电极。

21.根据权利要求18所述的装置，其中所述转换器被配置为转换具有最大波长的表面声波，并且其中所述二维电极在所述表面声波的传播的方向中具有大于或等于N倍的所述最大波长的宽度，其中N大于或等于1。

22.根据权利要求18所述的装置，其中所述转换器被配置为在室温下将所述表面声波转换为电信号。

23.根据权利要求18所述的装置，其中所述表面声波具有大于或等于1Thz的频率。

24.根据权利要求18至23中的任一项所述的装置，其中所述装置被包括在模拟信号处理器、高频整流器、能量收集器、解调器或接收器内。

25.一种用于传播表面声波的装置，包括：

压电基板，被配置为传播表面声波；

转换器，电容耦合到所述压电基板，其中所述转换器包括多个平行的二维电极，所述多个平行的二维电极具有依赖于电场的导电性，以使得由所述表面声波引起的变化的电场改变所述多个平行的二维电极的所述导电性，以将所述表面声波转换为电信号；以及

地电势基准节点，被配置为提供独立于所述表面声波的地电势基准，

其中所述多个平行的二维电极在第二方向中延伸，所述第二方向正交于所述表面声波于其中传播的第一方向，

其中所述多个平行的二维电极被划分为奇数电极和偶数电极，所述奇数电极在所述第一方向中相互对齐，所述偶数电极在所述第一方向中相互对齐但不与所述奇数电极对齐，金属互连将每个奇数电极连接到其下一个邻近的偶数电极，并且所述金属互连将每个偶数电极连接到其下一个邻近的奇数电极。

26.根据权利要求25所述的装置，其中所述二维电极是石墨电极。

27.根据权利要求25或26所述的装置，其中所述转换器被配置为转换具有最大波长的表面声波，并且其中所述电极在所述表面声波的传播的方向中具有大于或等于N倍的所述最大波长的宽度，其中N大于或等于1。

28.一种用于传播表面声波的装置，包括：

压电基板，被配置为传播表面声波；

转换器，电容耦合到所述压电基板，所述转换器包括多个平行的二维电极，所述多个平行的二维电极具有依赖于电场的导电性，以使得由所述表面声波引起的变化的电场改变所述多个平行的二维电极的所述导电性，以将所述表面声波转换为直流电势；以及

地电势节点，被配置为提供独立于所述表面声波的地电势，

其中所述多个平行的二维电极在第二方向中延伸，所述第二方向正交于所述表面声波于其中传播的第一方向，

其中所述多个平行的二维电极被划分为奇数电极和偶数电极，所述奇数电极在所述第一方向中相互对齐，所述偶数电极在所述第一方向中相互对齐但不与所述奇数电极对齐，金属互连将每个奇数电极连接到其下一个邻近的偶数电极，并且所述金属互连将每个偶数电极连接到其下一个邻近的奇数电极。

29.根据权利要求28所述的装置，其中所述二维电极是石墨电极。

30.根据权利要求29所述的装置，其中所述转换器被配置为转换具有最大波长的表面声波，并且其中所述二维电极在所述表面声波的传播的方向中具有大于或等于N倍的所述最大波长的宽度，其中N大于或等于1。

31.一种用于传播表面声波的装置，包括：

压电基板，被配置为传播表面声波；

转换器，电容耦合到所述压电基板，其中所述转换器包括多个平行的二维电极，所述多个平行的二维电极具有依赖于电场的导电性，以使得由所述表面声波引起的变化的电场改变所述多个平行的二维电极的所述导电性，以将所述表面声波转换为输出直流电势，

其中所述多个平行的二维电极在第二方向中延伸，所述第二方向正交于所述表面声波于其中传播的第一方向，

其中所述多个平行的二维电极被划分为奇数电极和偶数电极，所述奇数电极在所述第一方向中相互对齐，所述偶数电极在所述第一方向中相互对齐但不与所述奇数电极对齐，金属互连将每个奇数电极连接到其下一个邻近的偶数电极，并且所述金属互连将每个偶数电极连接到其下一个邻近的奇数电极。

32.根据权利要求31所述的装置，其中所述二维电极是石墨电极。

33.根据权利要求32所述的装置，其中所述转换器被配置为转换具有最大波长的表面声波，并且其中所述二维电极在所述表面声波的传播的方向中具有大于或等于N倍的所述最大波长的宽度。

34.根据权利要求31至33中的任一项所述的装置，进一步包括地电势节点，所述地电势节点被配置为提供独立于所述表面声波的地电势。