CN103929147A

CN103929147A - 一种高品质因子的单端对声表面波谐振器

Info

Publication number: CN103929147A
Application number: CN201310012272.9A
Authority: CN
Inventors: 王文; 周寒冰
Original assignee: Salisense Technology Co ltd; Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Salisense Technology Co ltd; Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2033-01-11
Also published as: CN103929147B

Abstract

本发明涉及一种高品质因子的单端对声表面波谐振器，包括一块压电基片（22）、置于压电基片（22）表面的一个叉指换能器（24），和分布在叉指换能器（24）两侧的第一反射器（23）和第二反射器（25）；所述的第一反射器（23）和第二反射器（25）与叉指换能器（24）之间的边缘间距均为0.625λ，λ为声波波长。所述的叉指换能器（24）采用布莱克曼窗函数切指加权结构。所述的叉指换能器（24）、第一反射器（23）和第二反射器（25）均采用铝材料电极，电极占空比为1.3～1.5。所述的叉指换能器（24）、第一反射器（23）和第二反射器（25）的铝电极膜厚为1.1%～1.5%λ。本发明获得单端对SAW谐振器的小体积、高Q值和较小带外波动等特性。

Description

一种高品质因子的单端对声表面波谐振器

技术领域

本发明涉及声学技术中的声表面波谐振器（以下简称SAW谐振器），特别是涉及一种用于温度及压力传感器的具有高品质因子、小体积切具有较小带内波动的异步型单端对声表面波谐振器。

背景技术

具有高品质因子的单端对SAW谐振器广泛用于高频率稳定度的声波振荡器之中。近年来，单端对SAW谐振器因其简单结构以及高品质因子（Q值）与低损耗等特点开始在各种声表面波传感器之中获得较大应用。特别是在一些声表面波温度传感器（如美国Sengenuity公司所推出的电力设备温度传感系统）、用于汽车轮胎压力监控的压力传感器系统（如英国的TRT公司所推出的由三个谐振器构成的用于TPMS的胎压及胎温检测系统）中已经获得了实际应用。在无线SAW传感器应用中，SAW谐振器的性能特别是品质因子以及带内波动特性直接影响到传感器性能。基于ISM规则考虑，在无线传感器应用中，传感器的工作频率集中在434MHz与2.4GHz两个频段。如何使得谐振器在上述两个频段获得高品质因子是目前的一个研究热点。

作为例子，常规结构的单端对SAW谐振器，它是一种同步型的谐振器，由压电基片12和置于压电基片12上面的叉指换能器14和分置于叉指换能器14两边的第一反射器13和第二反射器15组成，如图1所示。第一反射器13和第二反射器15一般采用短路栅结构，第一反射器13和第二反射器15与叉指换能器14的边缘间距l₁和l₂分别为0.25λ，λ为声波波长。叉指换能器14、第一反射器13和第二反射器15的电极宽度均是0.25λ，并采用铝电极。这种同步型结构所存在的问题是其带内波动比较大，将可能导致一个或者多个伪谐振点，Q值也较低，从而直接影响到上述无线传感器性能。为改善其品质因子，一般采用比较长的反射器（Waldemar S,“Scattering matrix approach to one-port SAW resonator”,IEEE UFFC,Vol.47,No.6,2000,pp:1615-1618），尽管获得了较高的Q值，但是也增加了带外波动，同时大幅增加了器件的面积，从而增加传感器体积，不利于传感器的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的用于温度及压力传感器的单端对SAW谐振器所存在的一些问题：为了实现SAW谐振器具有小体积、高Q值和较小的带外波动等性能，从而提供一种以铝为电极，对叉指换能器进行布莱克曼窗切指加权，并调整叉指换能器与反射器的边缘间距所实现的一种异步型单端对SAW谐振器。

为实现上述发明目的，本申请提出了一种高品质因子的单端对声表面波谐振器，所述的单端对声表面波谐振器21包括一块压电基片22、置于压电基片22表面的一个叉指换能器24，和分布在叉指换能器24两侧的第一反射器23和第二反射器25；其特征在于：所述的第一反射器23和第二反射器25与叉指换能器24之间的边缘间距均为0.625λ，λ为声波波长，以在采用较少的反射器电极条件下获得高Q值，从而获得单端对SAW谐振器的小体积。总之，所述的SAW谐振器21由一块压电基片22，在压电基片22上利用半导体工艺设置的一个叉指换能器24和分布于叉指换能器24两边的第一反射器23和第二反射器25组成。

作为上述技术方案的一种改进，所述的叉指换能器24采用布莱克曼窗函数切指加权结构。所述的布莱克曼窗切指加权结构，包括：叉指电极和切指后填充的假指，以保持声传播路径传播速度的均匀性，较小带外波动。

作为上述技术方案的另一种改进，所述的第一反射器23和第二反射器25均采用短路栅结构。

作为上述技术方案的再一种改进，所述的叉指换能器24、第一反射器23和第二反射器25均采用铝材料电极，电极占空比（即电极宽度与电极间间隙宽度之比）为1.3～1.5，以获得高Q值。

作为上述技术方案的还一种改进，所述的叉指换能器24、第一反射器23和第二反射器25的铝电极膜厚为1.1%～1.5%λ。

作为上述技术方案的又一种改进，考虑到在温度与压力传感器应用，所述的压电基片为绕Y向旋转0到35度之间任意角度切割的石英基片。其机电耦合系数为0.23%，温度系数为14～25ppm/°C，且具有良好的压力灵敏度。

本发明的优点在于，本发明涉及一种具有高Q值单端对SAW谐振器，包括一块Y向切割且X向传播的石英基片，在压电基片上沿声表面波传播方向设置的一个叉指换能器和分置于叉指换能器两边的两个短路栅反射器。叉指换能器、第一反射器和第二反射器均采用铝电极材料，并采用较大的电极占空比（1.3～1.5）。叉指换能器采用布莱克曼窗切指加权结构，且通过调整第一反射器和第二反射器与叉指换能器之间的边缘间距为0.625λ来缩减反射器长度以获得单端对SAW谐振器的小体积、高Q值和较小带外波动等特性。本发明通过上述异步型结构，使得这种SAW谐振器在使用较短的反射器长度的情况下具有较小的带外波动和高Q值的特点。

附图说明

图1是常规的同步型单端对SAW谐振器的结构示意图；

图2是本发明的异步型单端对SAW谐振器的结构示意图；

图3是本发明的SAW谐振器叉指换能器的布莱克曼加权结构的示意图；

图4是本发明一实施例的SAW谐振器的典型导纳曲线图；

图5是本发明实施例的SAW谐振器的典型反射系数S11曲线图。

附图标识

11.同步型SAW谐振器

12.同步型SAW谐振器的压电基片

13.同步型SAW谐振器的第一反射器

14.同步型SAW谐振器的叉指换能器

15.同步型SAW谐振器的第二反射器

21.本发明的SAW谐振器

22.本发明的SAW谐振器的压电基片

23.本发明的SAW谐振器的第一反射器

24.本发明的SAW谐振器的叉指换能器

25.本发明的SAW谐振器的第二反射器

26.本发明的SAW谐振器的叉指换能器中的叉指电极

27．本发明的SAW谐振器的叉指换能器中的假指

具体实施方式

为了更全面的理解本发明，并为了解本发明另外的目的和优点，现在结合相应附图和实施例对本发明进行详细地说明。

图2展示了本发明的单端对SAW谐振器21的实施例，该SAW谐振器21由一个矩形压电基片22和设置于其上的一个叉指换能器24和置于叉指换能器24两边的第一反射器23和第二反射器25组成。为获得特定的温度系数（15~25ppm）和良好的压力灵敏度，压电基片22为绕Y向旋转0到35度之间任意角度切割的石英基片。

本实施例的特征在于SAW谐振器21的叉指换能器24采用布莱克曼窗切指加权结构，如图3所示，图中黑色电极为叉指电极26，灰色电极为切指后填充的假指27，以保持声传播路径传播速度的均匀性。第一反射器23和第二反射器25均采用短路栅结构；所述的叉指换能器24、第一反射器23和第二反射器25的电极均采用铝材料，且电极占空比为1.3~1.5。其中，铝电极膜厚为1.25%到1.5%λ，第一反射器23和第二反射器25与叉指换能器24之间的边缘间距l₃和l₄均为0.625λ，从而使得SAW谐振器在采用较短的反射器之时也能获得较高的Q值和较小的带内波动特性，从而有效降低了器件的体积。

如图2所示的实施例，制备了SAW谐振器的样品，其中，谐振器的工作频率为434MHz频段，基片材料采用绕Y向旋转10度切割的石英基片，铝电极膜厚为1000埃，第一反射器和第二反射器长度均为130λ，叉指换能器长度为40λ，且采用布莱克曼窗切指加权结构，第一反射器和第二反射器与叉指换能器之间的边缘间距均为0.625λ，声孔径为80λ。这样，SAW谐振器即可获得良好的频响特性，特别是获得了较小的带内波动和较好的空载品质因子，且所制备SAW谐振器样品表面面积仅为2.3mm×0.6mm。

图4和图5分别示出了本发明实施例的SAW谐振器的典型导纳曲线和反射系数（S11）曲线，从图中可以看出，本实施例的异步型SAW谐振器具有高Q值（空载Q值>10000）和较低的带内波动的特点。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种高品质因子的单端对声表面波谐振器，所述的单端对声表面波谐振器（21）包括一块压电基片（22）、置于压电基片（22）表面的一个叉指换能器（24），和分布在叉指换能器（24）两侧的第一反射器（23）和第二反射器（25）；其特征在于：所述的第一反射器（23）和第二反射器（25）与叉指换能器（24）之间的边缘间距均为0.625λ，λ为声波波长。

2.按权利要求1所述的单端对声表面波谐振器，其特征在于，所述的叉指换能器（24）采用布莱克曼窗函数切指加权结构。

3.按权利要求3所述的单端对声表面波谐振器，其特征在于，所述的布莱克曼窗切指加权结构，包括：叉指电极（27）和切指后填充的假指（26）。

4.按权利要求1所述的单端对声表面波谐振器，其特征在于，所述的第一反射器（23）和第二反射器（25）均采用短路栅结构。

5.按权利要求1所述的单端对声表面波谐振器，其特征在于，所述的叉指换能器（24）、第一反射器（23）和第二反射器（25）均采用铝材料电极，电极占空比为1.3～1.5。

6.按权利要求5所述的单端对声表面波谐振器，其特征在于，所述的叉指换能器（24）、第一反射器（23）和第二反射器（25）的铝电极膜厚为1.1%～1.5%λ。

7.按权利要求1所述的单端对声表面波谐振器，其特征在于，所述的压电基片为绕Y向旋转0到35度之间切割的石英基片。