CN112968687A - 一种高品质因数声表面波谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高品质因数声表面波谐振器，该谐振器为单端口谐振器，该谐振器包括衬底层、设置在衬底层上的压电基底、设置在压电基底上的金属电极层；金属电极层包括叉指电极、母线和反射栅，反射栅对称布置在叉指电极的两侧，母线与叉指电极连接；沿着声表面波谐振器的主传播方向，反射栅的栅条为长度递增的直线段，或者，反射栅的栅条包括中部的竖直直线段和两端向叉指电极方向弯折的弯折段，使得单侧的反射栅整体呈扇形，竖直直线段的长度不小于叉指电极的孔径。本发明利用扇形反射栅，并同时采用栅形母线，将由中间叉指电极向声表面波主传播方向以外方向的声表面波反射回去，减少能量损失，提高品质因数。

Description

一种高品质因数声表面波谐振器

技术领域

本发明涉及声波传感器领域，具体涉及一种高品质因数声表面波谐振器。

背景技术

声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)器件由于高工作频率、高频率品质因数、高灵敏度、高稳定性等特点，不仅在电路滤波器领域有着广泛应用，而且在质量传感、温度传感、气体传感、生物化学传感、湿度传感、气压传感等方面均得到广泛运用。SAW器件的品质因数是其最重要的技术指标，SAW器件作为滤波器，其品质因数越高，则滤波器滚降特性就越好，带外抑制也越大，SAW器件作为传感器，其品质因数越高，则传感灵敏度就越高。

声表面波器件的金属电极对器件性能影响巨大，调整声表面波器件的电极设计，可以极大的改变声表面波器件的品质因数。现在有许多设计围绕声表面波器件的叉指电极，但是反射栅和母线，也同样会影响声表面波器件品质因数。优化反射栅与母线设计，可以进一步提升声表面波器件的品质因数。

声表面波器件工作时，叉指电极会在压电材料表面激发声表面波，但真正利用的只有主传播方向的声表面波，即声表面波谐振器孔径辐射方向的声表面波。然而声表面波器件形成的声表面波在叉指电极外围，并非只向主传播方向传播，而是会从叉指电极周围开始，向外四面八方的辐射声表面波。所以这些四散的声表面波能量无法被利用，造成了能量损失，降低了品质因数。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种高品质因数声表面波谐振器，该谐振器相较同尺寸的声表面波谐振器有更高的品质因数。具体技术方案如下：

一种高品质因数声表面波谐振器，该谐振器为单端口谐振器，该谐振器包括：

衬底层；

设置在衬底层上的压电基底；

设置在所述压电基底上的金属电极层；

所述的金属电极层包括叉指电极、母线和反射栅，所述反射栅对称布置在所述叉指电极的两侧，所述母线与叉指电极连接；

沿着声表面波谐振器的主传播方向，所述反射栅的栅条为长度递增的直线段，或者，所述反射栅的栅条包括中部的竖直直线段和两端向叉指电极方向弯折的弯折段，使得单侧的反射栅整体呈扇形，所述竖直直线段的长度不小于所述叉指电极的孔径，所述叉指电极向声表面波主传播方向以外方向的声表面波被所述反射栅反射回去。

进一步地，所述反射栅的栅条的两端的弯折为直线弯折或弧形弯折。

进一步地，所述母线为栅形母线，且所述母线的栅条方向垂直于所述叉指电极的方向，从而收集垂直于主传播方向的声表面波能量，将这些能量重新汇入叉指电极。

进一步地，所述反射栅的栅条之间的间距与所述叉指电极的电极间距相等，反射栅的栅条的宽度与叉指电极的宽度相等。

进一步地，所述反射栅的栅条数目为1～500，所述母线的栅条数目为1～500。

本发明的有益效果如下：

本发明利用扇形反射栅，将由中间叉指电极向声表面波主传播方向以外方向的声表面波反射回去，减少能量损失，提高品质因数。本发明采用栅形母线，栅条方向垂直于叉指电极方向，栅形母线收集垂直方向散射的声表面波能量，将这些能量重新汇入叉指电极，减少能量损失，提高品质因数。这两点改进，使得本发明的声表面波谐振器相对于同尺寸的声表面波谐振器具有更高的品质因数。

附图说明

图1为本发明实施例一的高品质因数声表面波谐振器的结构示意图；

图2为本发明实施例二的高品质因数声表面波谐振器的结构示意图；

图3为本发明实施例三的高品质因数声表面波谐振器的结构示意图；

图4为四个不同的表面波谐振器的品质因素随频率的变化曲线图；

图5为四个不同的表面波谐振器的S11参数图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

声表面波器件工作时，周期性的叉指电极会形成周期性的电场，由于逆压电效应，会在压电材料上形成周期性的质点位移，从而引起固体质点的振动，并以伴有电场分布的弹性波的形式从叉指换能器末端传播出去，最终在压电材料表面激发声表面波。反射栅可以将传播出来的声表面波反射回去形成驻波，增大品质因数，并最终产生谐振。实际声表面波器件当中，声表面波的传播方向并非只沿单一方向传播，而是向四周传播。但是，传统均匀长度、直线形的反射栅，只能将主传播方向的声表面波反射回去，也即声表面波谐振器孔径辐射方向，而其他方向的波则无法利用，产生了能量损耗，降低了品质因数。

如图1所示，本发明的高品质因数声表面波谐振器，该谐振器为单端口谐振器，包括衬底层3、压电基底2和金属电极层1。压电基底2位于衬底层3上，金属电极层1位于压电基底2上。金属电极层1包括叉指电极4、母线5和反射栅6，反射栅6为两个，对称布置在叉指电极4的两侧，母线5与叉指电极4连接。反射栅6的两端向叉指电极4的方向弯折，单侧反射栅的整体形状呈扇形。

如图1所示，作为其中一种实施方式，反射栅6的栅条分为上下两端的圆弧段和中部的直线段。沿着声表面波谐振器孔径辐射的主方向，栅条中部的直线段长度不变，两端的圆弧段长度均匀递增。反射栅6的栅条平行均匀布置，反射栅6的栅条的宽度与叉指电极宽度相同，反射栅6的栅条的间距与叉指电极间距相同，反射栅指条数1-500。为了使用当前位置声表面波波阵面的形状，反射栅6的栅条的直线段不小于叉指电极4的孔径。优选两者相等。反射栅6的栅条的圆弧段曲率可以不一样。

如图2所示，反射栅6的栅条上下两端也可以为直线弯折。

如图3所示，扇形反射栅6的栅条圆弧段的曲率也可以为零，即栅条为长度递增的直线段。

本发明利用扇形反射栅，将倾斜于声表面波主传播方向的声表面波反射回去，反射回去的声表面波将会重新汇入叉指电极4，同样可以形成驻波，形成的质点位移可以与主传播方向的声表面波叠加，加强声表面波振动，最终减少能量损失，提高品质因数。

位于叉指电极4左右两侧的反射栅仅能将左右两侧的声表面波反射回去，而垂直于声表面波主传播方向，即上下方向的声表面波则仍然存在能量损失。

因此，为了进一步提高品质系数，如图1～3所示，将原有的整块金属母线设计成同尺寸的栅形母线，母线的栅条的方向与叉指电极4方向垂直。母线的栅条短路连接，并与叉指电极相连。声表面波同样会向主传播方向的垂直方向传播，由于压电效应，声表面波周期性的质点位移会产生周期性的电场，不同方向电场会在电极上形成不同极性的电势，设置栅形母线，位于电势极性相同的位置，会抬高母线电势，从而使垂直方向散射声表面波的能量重新回到叉指电极4，减少了能量损失，提高了品质因数。

下面通过具体的实验来说明本发明的声表面波谐振器的技术效果。

该实施例中的声表面波谐振器结构和图1相同。电极层1为铂电极，电极厚度600nm，电极周期9.4um，叉指电极与反射栅的电极宽度与电极间距均为四分之一个周期。反射栅为扇形反射栅，母线为栅形母线。压电基底2为氮化铝薄膜，衬底层3为碳化硅。声表面波器件波长为9.4um，工作在433MHz附近。

分别对常规器件、单独的栅形母线器件、单独的扇形反射栅器件、扇形反射栅与反射栅形母线结合的器件进行实验。作为对照，常规器件为均匀反射栅，整片金属母线，其他设计一样。

如图5所示，为本发明实例谐振器S11参数，选择带宽范围内的极值点作为谐振点。如图4所示，为本发明实例仿真所得品质因数，通过该图可以得到各发明实例与常规谐振器谐振点的品质因数，通过比较可以发现相对于具有均匀、等长反射栅和整块金属母线的常规器件，品质因数分别提高了12％和5％。本发明将两者结合，相对于常规声表面波谐振器而言，品质因数可以提高25％以上。

此外，实验结果也同样表明，单独设计扇形反射栅、单独设计栅形母线均能提升品质因数10％，将两者结合均可以增大品质因数30％。在没有额外增加器件版图尺寸的情况下，对品质因数起到了一个很大的提升。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高品质因数声表面波谐振器，其特征在于，该谐振器为单端口谐振器，该谐振器包括：

衬底层；

设置在衬底层上的压电基底；

设置在所述压电基底上的金属电极层；

所述的金属电极层包括叉指电极、母线和反射栅，所述反射栅对称布置在所述叉指电极的两侧，所述母线与叉指电极连接。

沿着声表面波谐振器的主传播方向，所述反射栅的栅条为长度递增的直线段，或者，所述反射栅的栅条包括中部的竖直直线段和两端向叉指电极方向弯折的弯折段，使得单侧的反射栅整体呈扇形，所述竖直直线段的长度不小于所述叉指电极的孔径，所述叉指电极向声表面波主传播方向以外方向的声表面波被所述反射栅反射回去。

2.根据权利要求1所述的高品质因数声表面波谐振器，其特征在于，所述反射栅的栅条的两端的弯折为直线弯折或弧形弯折。

3.根据权利要求1或2所述的高品质因数声表面波谐振器，其特征在于，所述母线为栅形母线，且所述母线的栅条方向垂直于所述叉指电极的方向，从而收集垂直于主传播方向的声表面波能量，将这些能量重新汇入叉指电极。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的高品质因数声表面波谐振器，其特征在于，所述反射栅的栅条之间的间距与所述叉指电极的电极间距相等，反射栅的栅条的宽度与叉指电极的宽度相等。

5.根据根据权利要求1～3中任意一项所述的高品质因数声表面波谐振器，其特征在于，所述反射栅的栅条数目为1～500，所述母线的栅条数目为1～500。

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