CN106788315A - 一种反射栅阵金属点阵精确加权的声表面波谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的反射栅阵金属点阵精确加权的声表面波谐振器，包括压电基片，在所述压电基片上溅射金属叉指换能器和反射栅，反射栅包括分别设置在金属叉指换能器左右两侧的第一短路栅和第二短路栅，所述第一短路栅和第二短路栅在所述金属叉指换能器左右两侧对称分布，在第一短路栅和第二短路栅设置加权函数加权的金属点阵，在相邻两根反射栅条之间金属点的间距大于或者等于谐振器中最小相邻两根反射栅条之间的间距。本发明的有益效果是在第一短路栅和第二短路栅上设置函数加权的金属点阵的基础上，通过增大反射孔径，减小由于反射孔径过小衍射严重从而影响反射精度的问题，实现金属点阵加权更加精确，进一步旁瓣抑制，提高SAW谐振器的频率响应性能。

Description

一种反射栅阵金属点阵精确加权的声表面波谐振器
技术领域
本发明属于信号与信息处理技术领域，尤其是涉及一种反射栅阵金属点阵精确加权的声表面波谐振器。
背景技术
声表面波(SAW)谐振器，由于其性能好、体积小、成本低，易于批量生产等特点，被广泛应用于工业控制领域。
一般SAW谐振器，是在压电基片表面加工金属叉指换能器(InterdigitalTransducer，IDT)和反射栅。通常谐振器仅仅关心主谐振峰的性能。但是由于反射栅采用周期且不加权的结构，旁峰比较高。
文献“Analysis of general planar waveguides with N segments,”(IEEEUltrason.Symp.,pp.137–141,2000.)和Ken-ya Hashimoto编著的《声表面波器件模拟与仿真》(pp.213-218)中指出在主谐振峰外有较多的旁峰波动，基本原理如图1所示。该书(pp.25-27)对栅条的反射特性进行了分析。其中，入射SAW的振幅为Ain，A-是栅条左侧反射的SAW振幅，A+是栅条右侧反射的SAW振幅，r-和r+分别是栅条左侧和栅条右侧的反射系数，并且r-＝-r+。形成旁峰的机理包括两类：第一类为SAW垂直于指条传播，声波经过多次反射情况下，形成主峰和多个旁峰，这类旁峰的频率通常在主谐振峰的两侧；第二类为SAW在谐振器里面发生斜入射，形成高阶旁峰，旁峰的频率高于主谐振峰，如《声表面波器件模拟与仿真》书中的图5.10，这种旁峰模式又称为横波模式。
为了消除旁峰模式的影响，已经出现了几种声表面波谐振器的结构设计。
专利“点阵结构的声表面波谐振器”(申请号201310210349.3)，在声表面波谐振器的IDT上设置金属点阵，点阵在垂直于指条方向(X方向)上周期性分布，平行于指条方向(Y方向)随机分布。该发明通过Y方向的非周期性消除高阶横波模式，但是没有抑制第一类旁峰。
专利“金属点阵栅阵加权的声表面波谐振器”(申请号CN201320307230.3)，在声表面波谐振器的反射栅设置金属点阵，该发明可以抑制第一类旁峰。但是存在声波衍射变大的情况。《声表面波器件模拟与仿真》书中的图1.10指出，声波衍射的临界长度与换能器孔径大小成正比。当CN201320307230.3专利中，反射栅加权的金属点数过多，会导致孔径过小，声波衍射的临界长度(见书《声表面波器模拟与仿真》P8.公式1.6的菲涅尔区)也随之变小，通常超过最细线宽时衍射影响较大。这种衍射严重的现象会影响声波反射精度，恶化加权效果，旁瓣仍然存在。
上述结构均试图降低旁峰干扰，抑制第一类旁峰中周期反射栅引起的声波旁峰模式。但是反射栅采用金属点阵加权，会导致反射栅孔径太小、声波衍射过大的情况存在。为了消除由于孔径过小导致的声波衍射变大的情况需要对反射栅金属点阵精确加权，该技术有待于进一步改进和发展。
发明内容
本发明的目的是为了更加精确实现反射栅金属点阵加权，消除由于反射点孔径过小衍射严重，影响反射精度的问题，提供一种反射栅阵金属点阵精确加权的声表面波谐振器。
本发明的技术方案是：一种反射栅阵金属点阵精确加权的声表面波谐振器，包括压电基片，在所述压电基片上溅射金属叉指换能器和反射栅，所述反射栅包括分别设置在金属叉指换能器左右两侧的第一短路栅和第二短路栅，所述第一短路栅和第二短路栅在所述金属叉指换能器左右两侧对称分布，在所述第一短路栅和第二短路栅设置加权函数加权的金属点阵，在相邻两根反射栅条之间金属点的间距大于或者等于谐振器中最小相邻两根反射栅条之间的间距。
进一步，所述第一短路栅和第二短路栅之间的金属点阵长度，采用加权函数f(n)进行加权。
进一步，所述加权函数f(n)为Hamming函数、反余弦函数或者kaiser函数。
进一步，所述反射栅的第一短路栅和第二短路栅的金属栅材料为铝，厚度为2600埃；周期λ为7.051微米。
进一步，所述第一短路栅和第二短路栅的栅条宽度与间隔宽度比为0.4。
进一步，所述第一短路栅和第二短路栅均包含184根金属指条。
进一步，所述金属叉指换能器为单端谐振器结构。
进一步，所述压电基片的材质选用石英、铌酸锂、钽酸锂或者硅酸镓镧。
进一步，所述的压电基片材质采用ST-X石英。
进一步，所述金属点阵采用金属铝，厚度为2600埃；栅条孔径A为310微米。
本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，在第一短路栅和第二短路栅上设置函数加权的金属点阵的基础上，对反射孔径小位置的金属点进行合并加权，通过优化金属点阵分布结构，通过增大反射孔径，减小由于反射孔径过小衍射严重从而影响反射精度的问题，实现金属点阵加权更加精确，进一步旁瓣抑制，提高SAW谐振器的频率响应性能。
附图说明
图1是SAW在栅条上的入射和反射；
图2是含有金属点阵的栅条各部分参数示意图；
图3是反射栅阵金属点阵普通加权的声表面波谐振器结构示意图；
图4是反射栅阵金属点阵精确加权的声表面波谐振器结构示意图；
图5是三种加权函数示意图；
图6是Hamming点阵精确加权的SAW谐振器回波损耗S11；
图7是反余弦点阵精确加权的SAW谐振器回波损耗S11；
图8是Kaiser点阵精确加权的SAW谐振器回波损耗S11。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图2含有金属点阵的栅条各部分参数示意图所示，包括压电基片21，在所述压电基片21上溅射IDT和反射栅22，反射栅22在IDT两侧对称设置，在反射栅22上溅射金属点阵23。其中金属点阵23设置在反射栅22相邻两根栅条之间，金属点阵23的填补长度，由加权函数决定。
入射SAW的振幅为Ain，A-是栅条左侧反射的SAW振幅，A+是栅条右侧反射的SAW振幅，r-和r+分别是栅条左侧和栅条右侧的反射系数，并且r-＝-r+。
根据上述计算公式，如果在相邻两根栅条之间某段位置设置一个金属点(高度W1)，此处的两根金属栅条被短路，该短路局域表面金属连续从而反射率为0。通过调整每根反射栅条上金属短路点的个数、高度的设定，每根反射栅条的反射率成有规律的变化，从而实现了反射栅加权，达到对主谐振峰两侧旁峰抑制的效果。
本发明提供的反射栅金属点阵精确加权的声表面波谐振器，对反射栅进行点阵加权指的是在反射栅阵中的栅条之间设置短路点阵结构。假设反射栅阵中栅条孔径为A(孔径，Aperture)；第N根栅条上有m个金属点，所有m个金属点高度W的和为总高度LL(n)，LL(n)＝W*(1-f(n))；其中f(n)可以为各种常见的加权函数，比如Hamming函数、Kaiser函数、反余弦函数等，如图5所示；n≤反射栅根条。连接金属点的高度W1可以为选定的固定值和变化值；两个金属点之间的排列间距W2。同时，对相邻两根当相邻两根反射栅相邻两根栅条之间的金属点排列间距W2，进行判断。
当相邻两根反射栅栅条之间的金属点排列间距W2，小于SAW谐振器结构的最小线宽La时，所述最小线宽La为SAW谐振器结构中最小相邻两根反射栅条之间的间距，将此时m个金属点分别进行两两合并，使得反射信号在菲涅尔区，此时，金属点高度金属点高度变为2*W1，两个金属点之间的排列间距2*W2。再继续判断2*W2与La的大小关系。如果仍小于La时，将m个金属点分别进行三三合并、四四合并…直到合并后的金属点间距大于或等于最小线宽La。
本发明提供的反射栅采用点阵结构的声表面波谐振器，如图3所示，包括压电基片31，在所述压电基片31上溅射金属叉指换能器32和反射栅，所述反射栅包括分别设置在金属叉指换能器32左右两侧的第一短路栅33和第二短路栅34，所述第一短路栅33和第二短路栅34在所述金属叉指换能器32左右两侧对称分布，在所述第一短路栅和第二短路栅设置加权函数加权的金属点阵35，在相邻两根反射栅条之间金属点的间距大于或者等于谐振器中最小相邻两根反射栅条之间的间距。
在所述金第一短路栅33的相邻栅条之间和第二短路栅34的相邻栅条之间金属点阵35的点阵高度，采用加权函数f(n)进行加权。其中f(n)可以为各种常见的加权函数，比如Hamming函数、Kaiser函数、反余弦函数等，如图5所示；n≤第一短路栅33或第二短路栅34的栅条数。金属点的高度W1可以为选定的固定值和变化值；两个金属点之间的排列间距W2。其中，Nw、W2的计算公式如下所示：
Nw＝A*(1-f(n))/W1；n＝1,2,3…，n为整数，且n≤第一短路栅33或第二短路栅34的栅条根数。
W2＝A/Nw-W1；
以金属点阵加权的栅条根数n＝180为例，加权函数f(n)分别为Hamming函数、反余弦函数(Arc cos)或者Kaiser函数时，f(n)的具体数值如图4所示。代入上述Nw、W2的计算公式，即可计算出每两根金属栅条之间的金属点数Nw、以及金属点之间的排列间距W2。
所述反射栅的第一短路栅33和第二短路栅34的金属指条材料为铝，厚度为2600埃；周期λ为7.051微米。
所述第一短路栅33和第二短路栅34的栅条宽度与间隔宽度比为0.4。所述第一短路栅33和第二短路栅34，均包含184根金属指条。
所述金属叉指换能器32为单端谐振器结构。
所述压电基片31的材质常见的有石英、铌酸锂、钽酸锂或者硅酸镓镧等。
所述金属点阵35采用金属铝，厚度为2600埃；栅条孔径A为310微米；SAW谐振器的最小线宽为2.8微米。
以金属点阵加权的栅条根数为180根，W1为1.25λ为例，当加权函数f(n)为Hamming函数时，代入上述Nw、W2的计算公式，
Nw＝A*(1-f(n))/W1，W2＝A/Nw-W1；
n＝1时，
Nw＝310*(1-0.08)/(1.25*7.051)＝32,
W2＝310/32-(1.25*7.051)＝0.88微米，小于最小线宽2.8微米。
此时，将32个金属点，两两合并，金属点高度变为2*W1，金属点数Nw＝16，同时W2＝1.76微米，仍小于最小线宽2.8微米；
将32个金属点，每3个合并，金属点高度变为3*W1，金属点数Nw＝11，同时W2＝2.67微米，仍小于最小线宽2.8微米；
将32个金属点，每4个合并，金属点高度变为4*W1，金属点数Nw＝8，同时W2＝3.2微米，大于最小线宽2.8微米；金属点阵优化合并结束。
以此类推到n＝2,3…180。
实施方案一：
基片采用ST-X石英。反射栅的金属点阵35，采用Hamming函数加权、精确加权两种方式加权。具体反射栅采用Hamming函数点阵加权、精确加权两种方式加权之后的SAW谐振器结构，通过软件仿真模拟，得到该SAW谐振器的S11参数，如图6所示。采用精确加权，与反射栅金属点阵35采用Hamming函数加权的SAW谐振器S11对比，旁峰从0.02517减小到约0.0034。
实施方案二：
基片采用ST石英；反射栅的金属点阵35，采用反余弦函数加权、精确加权两种方式加权。具体反射栅采用反余弦函数点阵加权、精确加权两种方式加权之后的SAW谐振器结构，通过软件仿真模拟，得到该SAW谐振器的S11参数，如图7所示。采用精确加权，与反射栅金属点阵35采用反余弦函数加权的SAW谐振器S11参数对比，旁峰从0.0225减小到约0.0125。
实施方案三：
基片采用ST石英；反射栅的金属点阵35，采用Kaiser(beta＝3.2)函数、精确加权两种方式加权。具体反射栅采用Kaiser函数点阵加权、精确加权两种方式加权之后的SAW谐振器结构，通过软件仿真模拟，得到该SAW谐振器的S11参数，如图8所示。采用精确加权，与反射栅金属点阵35采用Kaiser(beta＝3.2)函数加权的SAW谐振器S11参数对比，旁峰从0.0184减小到约0.0076。
通过以上3个实施例对比，可以看出，反射栅上金属点阵函数点阵的基础上，通过对金属点精确加权，消除由于反射孔径小，导致声波衍射严重，影响反射精度的情况。通过优化加权方式，进一步抑制旁瓣，提高SAW谐振器的频率响应性能。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种反射栅阵金属点阵精确加权的声表面波谐振器，其特征在于：包括压电基片，在所述压电基片上溅射金属叉指换能器和反射栅，所述反射栅包括分别设置在金属叉指换能器左右两侧的第一短路栅和第二短路栅，所述第一短路栅和第二短路栅在所述金属叉指换能器左右两侧对称分布，在所述第一短路栅和第二短路栅设置加权函数加权的金属点阵，在相邻两根反射栅条之间金属点的间距大于或者等于谐振器中最小相邻两根反射栅条之间的间距。
2.根据权利要求1所述的反射栅阵金属点阵精确加权的声表面波谐振器，其特征在于：所述第一短路栅和第二短路栅之间的金属点阵长度，采用加权函数f(n)进行加权。
3.根据权利要求2所述的反射栅阵金属点阵精确加权的声表面波谐振器，其特征在于：所述加权函数f(n)为Hamming函数、反余弦函数或者kaiser函数。
4.根据权利要求1所述的反射栅阵金属点阵精确加权的声表面波谐振器，其特征在于：所述反射栅的第一短路栅和第二短路栅的金属栅材料为铝，厚度为2600埃；周期λ为7.051微米。
5.根据权利要求1所述的反射栅阵金属点阵精确加权的声表面波谐振器，其特征在于：所述第一短路栅和第二短路栅的栅条宽度与间隔宽度比为0.4。
6.根据权利要求1所述的反射栅阵金属点阵精确加权的声表面波谐振器，其特征在于：所述第一短路栅和第二短路栅均包含184根金属指条。
7.根据权利要求1所述的反射栅阵金属点阵精确加权的声表面波谐振器，其特征在于：所述金属叉指换能器为单端谐振器结构。
8.根据权利要求1所述的反射栅阵金属点阵精确加权的声表面波谐振器，其特征在于：所述压电基片的材质选用石英、铌酸锂、钽酸锂或者硅酸镓镧。
9.根据权利要求1所述的反射栅阵金属点阵精确加权的声表面波谐振器，其特征在于：所述的压电基片材质采用ST-X石英。
10.根据权利要求1所述的反射栅阵金属点阵精确加权的声表面波谐振器，其特征在于：所述金属点阵采用金属铝，厚度为2600埃；栅条孔径A为310微米。
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