CN114520638B - 一种声波换能器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声波换能器结构，涉及声波器件领域，包括金属电极结构，该结构包括叉指电极和以叉指电极的中心线为轴对称分布的宽幅电极、间隙结构和汇流条；第一叉指电极的上端分别连接相应的上宽幅电极、第二叉指电极的下端分别连接相应的下宽幅电极，且第一叉指电极和第二叉指电极沿中心线方向交叉排布；间隙结构包括上、下间隙结构，每个上宽幅电极均与上间隙结构相连，每个下宽幅电极均与下间隙结构相连；汇流条包括上、下汇流条，上间隙结构与上汇流条相连，下间隙结构与下汇流条相连，上、下汇流条外接不同的电势。该结构修改了宽幅电极的布局，使声波换能器结构的电势差仅存在于叉指电极所在区域，抑制了无效声表面波的生成。

Description

一种声波换能器结构

技术领域

本发明涉及声波器件领域，尤其是一种声波换能器结构。

背景技术

声表面波器件由于其能量密度高、传播速度慢、工艺相对简单而具有体积小、稳定可靠、易于生产的特点，受到了广大市场的追捧，广泛应用于通信领域。

声表面波可以应用并设计谐振器、滤波器、多工器等多种器件。这些器件对损耗、Q值等参数较为敏感，而声表面波与体声波器件相比，传统设计的声表面波器件具有插损大、带内平坦度差、杂波干扰导致Q值达不到预期值等缺点，同时声表面波主要工作模式激励的同时，还会引起较多的寄生模式，其中横模激励尤其严重。横模激励是不必要的响应，他会产生杂散响应，造成不必要的能量泄露，使得器件性能恶化。

文献记载遏制横模激励的普遍方法为在换能器内形成活塞模式，以抑制横模激励。活塞模式的生成需要在叉指电极两端增加低声速区域和高声速区域，叉指电极声速介于这两个声速之间，以形成活塞模式，抑制横模的激励。现有的声波换能器结构内的低声速区域的宽幅电极与叉指电极相连，且指条密度与叉指电极密度相当，由于相邻的叉指电极电势不同导致与其相连的相邻的宽幅电极的电势也不同，因此电路结构上相当于在整个谐振电路外并联了一频率略低于叉指电极的本振频率的寄生谐振电路，产生的寄生响应直接影响器件带内平坦度、Q值等特性，整体性能恶化。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种声波换能器结构，本发明的技术方案如下：

一种声波换能器结构，包括衬底和置于衬底上的金属电极结构，其特征在于，金属电极结构包括叉指电极以及以叉指电极的中心线为轴对称分布的宽幅电极、间隙结构和汇流条，设中心线方向为x轴；叉指电极包括第一、第二叉指电极，宽幅电极包括上、下宽幅电极，第一叉指电极的上端分别连接相应的上宽幅电极、第二叉指电极的下端分别连接相应的下宽幅电极，且第一叉指电极和第二叉指电极沿x方向交叉排布；间隙结构包括上、下间隙结构，每个上宽幅电极均与上间隙结构相连，每个下宽幅电极均与下间隙结构相连；汇流条包括上、下汇流条，上间隙结构与上汇流条相连，下间隙结构与下汇流条相连，上、下汇流条外接不同的电势，声波换能器结构的电势差存在于叉指电极所在区域。

其进一步的技术方案为，上宽幅电极与上间隙结构、下宽幅电极与下间隙结构相连的接触边沿不齐平。

其进一步的技术方案为，上、下间隙结构相同，包括由横向、纵向间隙条围成的多个间隙网格以及位于间隙网格内的金属块，且相邻间隙网格的尺寸不同、相邻间隙网格内的金属块的尺寸不同；其中，与宽幅电极相连的横向间隙条分布在y方向的不同位置，汇流条连接横向、纵向间隙条。

其进一步的技术方案为，上、下间隙结构相同，包括分布在第一区域的多个间隙网格、分布在第二区域的多个间隙块、分布在第三区域的多个间隙网格及其内部的金属块，第一、第二和第三区域依次沿y方向分布；间隙网格由横向、纵向间隙条围成，且相邻间隙网格的尺寸不同、相邻间隙网格内的金属块的尺寸不同；第一区域的间隙网格与相应的宽幅电极相连，且与宽幅电极相连的横向间隙条分布在y方向的不同位置；第二区域的间隙块在y方向的两端分别连接第一区域的间隙网格和第三区域的间隙网格；第三区域的间隙网格连接相应的汇流条。

其进一步的技术方案为，位于中心线一侧的宽幅电极、叉指电极和间隙结构的金属化比依次减小；其中，金属化比定义为金属面积除以区域总面积。

其进一步的技术方案为，位于中心线一侧的间隙结构的第二区域、宽幅电极、叉指电极、第三区域和第一区域的金属化比依次减小。

其进一步的技术方案为，上、下宽幅电极在y方向上的长度范围在0.3λ到1.2λ之间，λ定义为电相连的相邻第一叉指电极或相邻第二叉指电极在x方向上的相对距离。

其进一步的技术方案为，同一间隙网格内的金属块的数量小于5个，且互不相连。

本发明的有益技术效果是：

本申请在不需要改变工艺制成以及设计原理的前提下，通过修改宽幅电极的布局，也即在y方向上将宽幅电极与相应的间隙结构电相连，由于同侧的间隙结构等电势，使得上宽幅电极互相电连接，下宽幅电极互相电连接，且加载于上、下汇流条的电势不等，因此整个声波换能器仅在叉指区域存在电势差，非等电位的叉指电极产生声表面波，仍能形成所需的本振响应，同侧的相邻宽幅电极等电势下抑制了无效声表面波的生成，本申请的结构不仅保留了所需的宽幅区域，还达到了遏制宽幅电极带来的寄生效应的目的，使得带内平坦度变好，矩形度也有所改善。同时由于寄生响应的去除，分给寄生响应的能量被收回，本振能量聚拢，整体性能大为改善。当声波传递至间隙结构时，由于宽幅电极与间隙结构之间的接触面不齐平，因此横波无法在此处叠加，横波能量无法聚拢。多个间隙网格构成的网状结构大小不一，且相邻的金属块尺寸不等，能进一步反射泄露的声波，阻碍了寄生模式下的声波传递，达到抑制横波，提升Q值的目的。

附图说明

图1是本申请一实施例提供的一种声波换能器结构及其等效电路图。

图2是本申请一实施例提供的声波换能器上半部分结构的示意图。

图3是本申请一实施例提供的声波换能器上半部分结构以及该结构在y方向上传播的声波速度分布图。

图4是本申请另一实施例提供的声波换能器上半部分结构以及该结构在y方向上传播的声波速度分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

实施例一：

如图1所示，一种声波换能器结构，包括衬底和置于衬底上的金属电极结构，金属电极结构包括叉指电极1以及以叉指电极1的中心线l为轴对称分布的宽幅电极、间隙结构和汇流条，设中心线方向为x轴。叉指电极1包括第一、第二叉指电极101、102，宽幅电极包括上、下宽幅电极2a、2b，第一叉指电极101的上端分别连接相应的上宽幅电极2a、第二叉指电极102的下端分别连接相应的下宽幅电极2b，且第一叉指电极101和第二叉指电极102沿x方向交叉排布。间隙结构包括上、下间隙结构3a、3b，每个上宽幅电极2a均与上间隙结构3a相连，每个下宽幅电极2b均与下间隙结构3b相连。汇流条包括上、下汇流条4a、4b，上间隙结构3a与上汇流条4a相连，下间隙结构3b与下汇流条4b相连，上、下汇流条4a、4b外接不同的电势，则上汇流条4a以及依次相连的上间隙结构3a、上宽幅电极2a和第一叉指电极101的电势相同，下汇流条4b以及依次相连的下间隙结构3b、下宽幅电极2b和第二叉指电极102的电势相同，因此声波换能器结构的电势差存在于叉指电极1所在区域。

可选的，上宽幅电极2a或下宽幅电极2b的电极数应与叉指电极1的电极总数相当，也可以略多于或少于叉指电极1的电极总数。

进一步的，上宽幅电极2a与上间隙结构3a、下宽幅电极2b与下间隙结构3b相连的接触边沿不齐平。由于上、下宽幅电极2a、2b，上、下间隙结构3a、3b相同，本实施例以声波换能器结构的上半部分为例进行说明。

具体的，如图2所示，第一、第二叉指电极101、102的长度都为L1，宽都为W1。电相连的相邻第一叉指电极101或相邻第二叉指电极102在x方向上的相对距离为λ。上宽幅电极2a包括长度为L2的第一宽幅电极201、长度为L4的第二宽幅电极202和长度为L3的第三宽幅电极203。第一宽幅电极201的一端与第一叉指电极101的上端相连，第二宽幅电极202和第三宽幅电极203的一端分别与第二叉指电极102的上端相对应、但不相连，且与第二叉指电极102相距H1距离。第二宽幅电极202和第三宽幅电极203沿x方向间隔第一宽幅电极201交叉排布。

可选的，上宽幅电极2a的长度关系为L4>L2>L3，且L3＝0.8λ,L2＝λ,L4＝1.2λ。上宽幅电极2a的宽度都为W2，且三者的金属化比大于叉指电极1的金属化比，即W2>W1。其中，金属化比定义为金属面积除以区域总面积。

可选的，上宽幅电极2a的电极数小于等于第一叉指电极101的电极数，在本实施例中，设两相邻上宽幅电极2a在x方向上的相对距离为λ/2，使上宽幅电极2a的电极数等于叉指电极1的总电极数。

上间隙结构3a包括由横向、纵向间隙条围成的多个间隙网格以及位于间隙网格内的金属块，且相邻间隙网格的尺寸不同、相邻间隙网格内的金属块的尺寸不同。可选的，同一间隙网格内的金属块的数量小于5个，且互不相连。

具体的，如图2所示，第一横向间隙条301、第二横向间隙条302和纵向间隙条303的宽度都为W3，叉指电极1的金属化比大于横向、纵向间隙条的金属化比，即W1>W3。与第二、第三宽幅电极202、203的另一端相连的第一、第二横向间隙条301、302分布在y方向的不同位置，且两者相距H2距离，也即H2＝W3，靠近上宽幅电极2a一侧的第二横向间隙条302和纵向间隙条303的交点与第一宽幅电极201的另一端相连。一组第一横向间隙条301与一组纵向间隙条303围成第一间隙网格304，一组第二横向间隙条302与一组纵向间隙条303围成第二间隙网格305，第一、第二间隙网格304、305尺寸不同，且分别沿x、y方向交叉排布。第一间隙网格304的宽度为W5、长度为L6，第二间隙网格305的宽度为W5、长度为L5，且L5>L6。第一间隙网格304内设有一个第一金属块306，且位于第一间隙网格304的中心位置，第一金属块306的宽度为W6、长度为L8。第二间隙网格305内设有两个第二金属块307，两个第二金属块307在y方向间隔H3距离排布，且组合处于第二间隙网格305的中心位置，两个第二金属块307的宽度为W4、长度为L7。整个上间隙结构3a最终与上汇流条4a相连，也即上汇流条4a连接上间隙结构3a的横向、纵向间隙条，使信号最终汇流至此。

如图1所示，在上汇流条4a加载电势V1，下汇流条4b接地，则依次相连的上间隙结构3a、上宽幅电极2a和第一叉指电极101的电势均为V1，依次相连的下间隙结构3b、下宽幅电极2b和第二叉指电极102的电势均为0，因此声波换能器结构的电势差存在于叉指电极1所在区域。也即，电势为V1的区域为图中浅色区域，电势为0的区域为图中深色区域。而叉指区域所产生的声表面波运动，产生了所需的本振效应R1。宽幅区域内的上、下宽幅电极2a、2b没有电势差，无法激励新的声波，自然无法产生寄生谐振。在不需要改变工艺制成以及设计原理的前提下，本申请修改了宽幅电极的布局，同时叉指电极布局不做修改，不影响本振响应，又保留了所需的宽幅区域，达到了不以牺牲任何工艺、设计、性能为前提，就能遏制宽幅电极带来的寄生效应。整体器件寄生响应的能量回笼至本振响应，Q值提升，没有寄生谐振后，带内毛刺变少，带内平坦度变好，矩形度提高，整体性能有较为明显的改善。

本申请的声波换能器结构是基于压电衬底设计，压电衬底材料可以为碳酸锂、铌酸锂、氮化铝、硅、氧化锌中的一种或者这些的复合材料。叉指区域、宽幅区域、间隙区域和汇流区域的材料可以相同，也可以不同，材料可以为铝、铜、金、银、镍、钛、铂、铬、镆、铻等材料或者这些的复合材料。

图3为该实施例的声波换能器结构上半部分的每个区域的传播速度，由于质量密度与传播速度呈反比，同种材料下，金属化比越大，质量密度也越大。所以叉指电极1质量密度介于上间隙结构3a和上宽幅电极2a之间，声波经过叉指电极1的传播速度为S1，上宽幅电极2a与叉指电极1使用同样材料，其金属化比则比叉指电极1大，导致质量密度大于叉指电极1，设上宽幅电极2a的传播速度为S2，而上间隙结构3a的质量密度最小，设其传播速度为S3，声波传至上汇流条4a，其金属化比最大，质量密度最大，设其传播速度为S4，因此大小关系为S3>S1>S2>S4。上宽幅电极2a与上间隙结构3a的极大的声速差形成一次活塞模式，从而能过滤非活塞波形，减小寄生模式，提高本器件的Q值。另外，上宽幅电极2a的长度不同，致使上宽幅电极2a与上间隙结构3a的接触边沿(虚线所示)在x方向上不齐平，同时上间隙结构3a由大小不一的网状结构构成，使得声波从叉指电极1传递到上间隙结构3a的路径不等，横波同样无法在此处叠加。横向、纵向间隙条都与上宽幅电极2a相连，因此两者等电势，则不会激励新的模式，从而杜绝新的寄生模式的生成。网状结构内大小不一、个数不等的金属块进一步反射泄露的声波，阻碍了寄生模式下的声波传递，达到抑制横波、提升Q值的目的。

实施例二：

本实施例提供了基于实施例一改进的一种声波换能器结构，具体请参考图4所示的示意图。

同样的，此声波换能器结构的上下部分相似，在此只展示声波换能器结构上半部分的叉指电极1、上宽幅电极2a、上间隙结构3a'和上汇流条4a。与实施例一的区别在于上间隙结构3a'，在此仅对此结构进行详述，其余区域参考实施例一，在此不再赘述。

上间隙结构3a'包括分布在第一区域a的多个间隙网格、分布在第二区域b的多个间隙块308、分布在第三区域c的多个间隙网格及其内部的金属块，第一、第二和第三区域a、b、c依次沿y方向分布，第一区域的间隙网格与上宽幅电极2a相连，第二区域的间隙块308在x方向阵列排布，且在y方向的两端分别连接第一区域的间隙网格和第三区域的间隙网格，第三区域的间隙网格连接上汇流条4a。间隙网格由横向、纵向间隙条围成，且相邻间隙网格的尺寸不同、相邻间隙网格内的金属块的尺寸不同。可选的，同一间隙网格内的金属块的数量小于5个，且互不相连。

可选的，上间隙结构3a'不限于上述三个区域，只需保证上间隙结构3a'的金属化比小于叉指电极的金属化比即可。

具体的，第一横向间隙条301、第二横向间隙条302和纵向间隙条303的长宽均与实施例一相同，与第二、第三宽幅电极202、203的另一端相连的第一、第二横向间隙条301、302分布在y方向的不同位置，且两者相距H2距离，也即H2＝W3，靠近上宽幅电极2a一侧的第二横向间隙条302和纵向间隙条303的交点与第一宽幅电极201的另一端相连。一组第一横向间隙条301与一组纵向间隙条303围成第一间隙网格304，一组第二横向间隙条302与一组纵向间隙条303围成第二间隙网格305，第一、第二间隙网格304、305尺寸不同，在第一区域a中沿x方向交叉排布，在第三区域c中分别沿x、y方向交叉排布。第三区域c的间隙网格及其内部的金属块与实施例一中的排布位置及尺寸相同，在此不再赘述。

本实施例中的间隙网格、间隙块和金属块采用相同材料制成，由于形状不同，金属化比不一样，导致其声波的传播速度也不同。在y方向，从叉指区域到汇流区域的传播速度如下：设叉指电极1的传播速度为S1，上宽幅电极2a的传播速度为S2，上间隙结构3a'的三个区域a、b、c的传播速度分别为Sa、Sb、Sc，上汇流条4a的传播速度为S4，由于质量密度与传播速度呈反比，且上间隙结构3a'的第二区域b、上宽幅电极2a、叉指电极1、第三区域c和第一区域a的金属化比依次减小，因此几者传播速度大小关系为Sa>Sc>S1>S2>S4＝Sb。上间隙结构3a'的三个区域的传播速度都不相同，使得声波在此传输的边界条件被彻底打破，大大抑制了横波在上间隙结构3a'区域的叠加。同时由于S2与Sa之间、Sb和Sc之间都有较大的声速差，形成了两次活塞模式，能抑制横波的生成，从而过滤非活塞波形，减小寄生模式，提高本器件的Q值。

本申请提供的声波换能器结构在不需要改变工艺制成以及设计原理的前提下，修改了宽幅区域的布局，使其每个宽幅电极与间隙结构电相连，经过变化后，原有结构中有电势差的宽幅电极现在与间隙结构等电势，彻底去除了宽幅电极电势差所激励出的新寄生模式，没有了新的寄生模式，原有的低频寄生谐振无法生成，遏制了宽幅电极带来的寄生效应的目的。整体器件带内毛刺变少，平坦度提升，矩形度变高，Q值提升，器件得到较为明显的改善。且叉指区域无需修改任何结构，不影响本振响应，不以牺牲任何工艺、设计、性能的前提下，就能达到遏制宽幅电极带来的寄生效应的目的，实现简单，极易实现。由于间隙区域与宽幅区域接触边沿在x方向不齐平，且y方向上区域的宽度不连续，当声波传递至间隙结构时，由于间隙结构传递路径不等，横波无法在此处叠加，横波能量无法聚拢，寄生模式得以削弱。另外，通过在宽幅区域与间隙区域间金属化比不同，得到较大的声速差，形成活塞模式，能过滤非活塞波形，抑制横波的生成，减小寄生模式，提高器件Q值。最后，宽幅电极长度不同以及间隙结构内不同尺寸的金属块的存在，使得信号在这些地方的边界处传递不平滑，阻碍了横波在这些边界处的叠加，能进一步反射泄露的声波，抑制横波能量的聚拢，并抑制横波的生成。

需要说明的是，上宽幅电极2a的长度也可以相等，通过调整第一、第二横向间隙条301、302分布在y方向的位置保证上宽幅电极2a与上间隙结构3a的接触边沿不齐平即可。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种声波换能器结构，包括衬底和置于所述衬底上的金属电极结构，其特征在于，所述金属电极结构包括叉指电极以及以所述叉指电极的中心线为轴对称分布的宽幅电极、间隙结构和汇流条，设中心线方向为x轴；所述叉指电极包括第一、第二叉指电极，所述宽幅电极包括上、下宽幅电极，第一叉指电极的上端分别连接相应的上宽幅电极、第二叉指电极的下端分别连接相应的下宽幅电极，且所述第一叉指电极和第二叉指电极沿x方向交叉排布；所述间隙结构包括上、下间隙结构，每个所述上宽幅电极均与上间隙结构相连，每个所述下宽幅电极均与下间隙结构相连，所述上宽幅电极与上间隙结构、所述下宽幅电极与下间隙结构相连的接触边沿不齐平；所述汇流条包括上、下汇流条，所述上间隙结构与上汇流条相连，所述下间隙结构与下汇流条相连，所述上、下汇流条外接不同的电势，所述声波换能器结构的电势差存在于叉指电极所在区域。

2.根据权利要求1所述的声波换能器结构，其特征在于，所述上、下间隙结构相同，包括由横向、纵向间隙条围成的多个间隙网格以及位于所述间隙网格内的金属块，且相邻间隙网格的尺寸不同、相邻间隙网格内的金属块的尺寸不同；其中，与所述宽幅电极相连的横向间隙条分布在y方向的不同位置，所述汇流条连接所述横向、纵向间隙条。

3.根据权利要求1所述的声波换能器结构，其特征在于，所述上、下间隙结构相同，包括分布在第一区域的多个间隙网格、分布在第二区域的多个间隙块、分布在第三区域的多个间隙网格及其内部的金属块，第一、第二和第三区域依次沿y方向分布；所述间隙网格由横向、纵向间隙条围成，且相邻间隙网格的尺寸不同、相邻间隙网格内的金属块的尺寸不同；所述第一区域的间隙网格与相应的宽幅电极相连，且与所述宽幅电极相连的横向间隙条分布在y方向的不同位置；所述第二区域的间隙块在y方向的两端分别连接所述第一区域的间隙网格和第三区域的间隙网格；所述第三区域的间隙网格连接相应的汇流条。

4.根据权利要求2所述的声波换能器结构，其特征在于，位于中心线一侧的宽幅电极、叉指电极和间隙结构的金属化比依次减小；其中，所述金属化比定义为金属面积除以区域总面积。

5.根据权利要求3所述的声波换能器结构，其特征在于，位于中心线一侧的所述间隙结构的第二区域、宽幅电极、叉指电极、第三区域和第一区域的金属化比依次减小。

6.根据权利要求1所述的声波换能器结构，其特征在于，所述上、下宽幅电极在y方向上的长度范围在0.3λ到1.2λ之间，λ定义为电相连的相邻第一叉指电极或相邻第二叉指电极在x方向上的相对距离。

7.根据权利要求2或3所述的声波换能器结构，其特征在于，同一间隙网格内的金属块的数量小于5个，且互不相连。

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