CN117353697A - 一种叉指换能器、声表面波谐振器和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种叉指换能器、声表面波谐振器和装置，涉及射频滤波技术领域，其中谐振器包括：压电基底和设于该压电基底工作面上的导电材料薄膜图形，调节导电材料薄膜图形中的叉指换能器以形成标准声速区、与标准声速区相比传播弹性波的音速更低的低声速区、与标准声速区相比传播弹性波的音速更高的高声速区，并设置叉指换能器的电极指中位于标准声速区部分的电极指长度从区域中部向区域端部方向逐渐变大或变小，该谐振器和装置具有良好的横模抑制效果。
Description
技术领域
本发明涉及射频滤波技术领域，尤其是一种叉指换能器、声表面波谐振器和装置。
背景技术
声表面波装置作为频率源器件，广泛应用于通信、遥控、报警等系统，而声表面波装置通常存在由横模造成的杂散波，导致器件性能降低。传统的抑制横向模式的叉指换能器100结构如图1所示，在IDT电极101的弹性表面波传播方向两侧，配置有反射器102A、102B。该叉指换能器100应用于声表面波装置的实测导纳/电导-频率曲线图如图2所示。通过观察曲线可以看到，传统的叉指换能器结构并不能很好的抑制横向模式，导致通带内的波动较大，无法应用于高性能的声表面波装置中。
另一现有技术中，对叉指换能器100进行了加权处理，即叉指换能器200的两相对电极指211和212位于激发区的电极指长度从区域中部向区域端部方向逐渐变小，如图3所示。叉指换能器200应用于声表面波装置的实测导纳/电导-频率曲线图如图4所示。通过观察曲线可以看到，加权后的叉指换能器结构显示出比传统的叉指换能器结构更好的横向模式抑制水平，带内的波动减小，但仍然存在细小的抖动，需要进一步优化。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种叉指换能器、声表面波谐振器和装置，利用活塞模式(piston mode)和特定形状的标准声速区来实现具有良好的横模抑制效果的大带宽弹性波器件。本发明的技术方案如下：
第一方面，本申请提供了一种叉指换能器，包括相对交错设置的多根第一电极指和多根第二电极指，以及与第一电极指始端相连的第一汇流条和与第二电极指始端相连的第二汇流条，每根电极指末端分别插入相对侧的两根相邻电极指之间且互不接触；在第一电极指和第二电极指沿弹性波传播方向上相互交叉所形成的区域中，区域边缘设置成低声速区，其余部分为标准声速区，靠近第一汇流条的区域边缘与第一汇流条之间、靠近第二汇流条的区域边缘与第二汇流条之间为高声速区，标准声速区传播弹性波的音速介于低声速区和高声速区之间；
第一电极指和第二电极指位于标准声速区部分的电极指长度从区域中部向区域端部方向逐渐变大或变小；
第一电极指和第二电极指位于低声速区的部分设置成电极指质量增部，电极指质量增部的指条单位长度质量大于第一电极指和第二电极指位于标准声速区的部分的指条单位长度质量；
第一电极指和第二电极指的主体采用重金属电极材料。
其进一步的技术方案为，两侧的低声速区沿弹性波传播方向的叉指换能器中轴对称分布，或者一侧的低声速区沿弹性波传播方向水平分布。
其进一步的技术方案为，重金属电极材料由铜、铂、钨、金、银、钼、钽中的一种或多种组成。
其进一步的技术方案为，第一电极指和第二电极指位于标准声速区部分的电极指长度从区域中部向区域端部方向以固定加权系数逐渐变大或变小。
其进一步的技术方案为，第一电极指和第二电极指中位于标准声速区的中部的电极指长度大于等于第一电极指和第二电极指中位于标准声速区的端部的电极指长度的0.5倍。
其进一步的技术方案为，沿弹性波传播方向上，电极指质量增部的宽度大于第一电极指和第二电极指位于标准声速区的部分的宽度；和/或，沿垂直于区域平面方向上，电极指质量增部的厚度大于第一电极指和第二电极指位于标准声速区的部分的厚度。
第二方面，本申请还提供了一种声表面波谐振器，包括：
压电基底；
设于压电基底工作面上的导电材料薄膜图形；
其中，导电材料薄膜图形形成有至少一个叉指换能器和两个反射器，两个反射器沿弹性波传播方向分别布置在叉指换能器的两侧，叉指换能器为第一方面所述的叉指换能器。
其进一步的技术方案为，压电基底为具有压电性的块体材料，或者，压电基底为压电多层材料。
第三方面，本申请还提供了一种声表面波装置，该装置为声表面波滤波器或多工器，均包括位于串联臂上的谐振器和位于并联臂上的谐振器，其中：
谐振器为第二方面所述的声表面波谐振器。
本发明的有益技术效果是：
与现有的声表面波谐振器和装置相比，本申请将叉指换能器的第一电极指和第二电极指设置成三个声速区以形成活塞模式，其中标准声速区的电极指长度从区域中部到端部逐渐变大或变小，即将电极指延伸方向设为标准声速区的宽度所在方向时，所形成的标准声速区的宽度为加权变化，活塞模式和加权变化均有横模抑制的功能，同时使用使得横向模式被抑制的更加彻底；本申请取消在叉指换能器中设置假指，并采用重金属电极材料作为IDT电极主体，最大化避免了标准声速区的声能量泄露。
附图说明
图1是一现有的叉指换能器结构示意图。
图2是一现有的声表面波谐振器的实测导纳/电导-频率曲线图。
图3是另一现有的叉指换能器结构示意图。
图4是另一现有的声表面波谐振器的实测导纳/电导-频率曲线图。
图5是本申请实施例一提供的叉指换能器结构示意图。
图6是本申请实施例一提供的叉指换能器中各音速部分的配置情况示意图。
图7本申请实施例一提供的叉指换能器另一结构示意图。
图8是本申请实施例一提供的另一叉指换能器中各音速部分的配置情况示意图。
图9是本申请实施例一提供的不同加权系数的声表面波谐振器的实测电导-频率曲线图。
图10是本申请实施例一提供的声表面波谐振器与现有的声表面波谐振器的实测导纳/电导-频率曲线对比图。
图11是本申请实施例一提供的声表面波谐振器与现有的声表面波谐振器的实测品质因数-频率曲线对比图。
图12是本申请实施例一提供的声表面波谐振器不同电极材料的实测导纳/电导-频率曲线对比图。
图13本申请实施例一提供的声表面波谐振器不同电极材料的实测品质因数-频率曲线对比图。
图14是本申请实施例二提供的不同加权系数的声表面波谐振器的实测电导-频率曲线图。
图15是本申请实施例二提供的声表面波谐振器与现有的声表面波谐振器的实测导纳/电导-频率曲线对比图。
图16是本申请实施例二提供的声表面波谐振器与现有的声表面波谐振器的实测品质因数-频率曲线对比图。
图17是本申请实施例三提供的叉指换能器结构示意图。
图18是本申请实施例三提供的叉指换能器中各音速部分的配置情况示意图。
图19是本申请实施例四提供的声表面波滤波器的拓扑结构示意图。
图20是现有的声表面波滤波器的实测插入损耗-频率曲线图。
图21是本申请实施例四提供的声表面波滤波器的实测插入损耗-频率曲线图。
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：
请参考图5所示，本实施例提供了一种声表面波谐振器，包括压电基底31、设于压电基底31工作面上的导电材料薄膜图形。其中，压电基底31为压电多层材料，导电材料薄膜图形形成有至少一个叉指换能器32和两个反射器33A、33B。定义平行于坐标系中的x轴的方向为电极指排列方向，该方向也为弹性波传播方向，定义平行于坐标系中的y轴的方向为电极指延伸方向，定义平行于坐标系中的z轴的方向为声表面波谐振器的高度方向。则两个反射器33A、33B沿x轴方向分别布置在叉指换能器32的两侧。
详细而言，压电多层材料实现为由上至下依次层叠设置的300nm厚的32°YX切向的铌酸锂薄膜、200nm厚的二氧化硅、1μm厚的多晶硅和硅块体，导电材料薄膜实现为200nm厚的铜。
进一步地，每一个反射器都包括多根反射栅电极指以及在多根反射栅电极指延伸方向上相互对置的第三汇流条和第四汇流条，每根反射栅电极指都具有各自的第一端部和第二端部，反射栅电极指的第一端部与第三汇流条直接连接，反射栅电极指的第二端部与第四汇流条直接连接。
本实施例重点对叉指换能器进行优化改进，使其能呈现出良好的横模抑制功能。如图5所示，叉指换能器32包括相对交错设置的多根第一电极指301和多根第二电极指302，以及与第一电极指301的始端相连的第一汇流条303和与第二电极指302的始端相连的第二汇流条304，每根第一电极指301的末端分别插入相对侧的两根相邻第二电极指302之间且互不接触，每根第二电极指302的末端分别插入相对侧的两根相邻第一电极指301之间且互不接触。
将第一电极指301和第二电极指302设置成三个声速区以形成活塞模式。结合图6所示，在第一电极指301和第二电极指302沿弹性波传播方向上相互交叉所形成的区域中，区域边缘(即第一电极指301和第二电极指302的末端部分)设置成低声速区，其余部分为标准声速区，靠近第一汇流条303的区域边缘与第一汇流条303之间、靠近第二汇流条304的区域边缘与第二汇流条304之间为高声速区。其中，第一电极指301和第二电极指302位于低声速区的部分设置成电极指质量增部311，电极指质量增部311的指条单位长度质量大于第一电极指301和第二电极指302位于所述标准声速区的部分的指条单位长度质量。沿弹性波传播方向上，电极指质量增部311的宽度大于第一电极指301和第二电极指302位于所述标准声速区的部分的宽度；和/或，沿垂直于区域平面方向上(即垂直压电基底31的工作面方向)，电极指质量增部311的厚度大于第一电极指301和第二电极指302位于标准声速区的部分的厚度。
通过对第一电极指301和第二电极指302的末端部分进行加宽、加厚的形式增大电极指末端单位长度质量，这样在低声速区传播的弹性波音速低于在标准声速区传播的弹性波音速，在高声速区传播的弹性波音速高于在标准声速区传播的弹性波音速，从而形成活塞模式，具有横模抑制的功能。
第一电极指301和第二电极指302位于标准声速区部分的电极指长度从区域中部向区域端部方向逐渐变小，比如以固定加权系数逐渐变小。在本实施例中，沿y轴方向设置的两个低声速区沿弹性波传播方向的叉指换能器中轴对称分布，均为具有尖端的屋顶形状，且尖端朝向高声速区。图7提供了叉指换能器另一结构示意图，与图5所示的叉指换能器唯一的区别是：第一电极指301和第二电极指302位于标准声速区部分的电极指长度从区域中部向区域端部方向逐渐变大，比如以固定加权系数逐渐变大。在本实施例中，沿y轴方向设置的两个低声速区沿弹性波传播方向的叉指换能器中轴对称分布，均为具有尖端的屋顶形状，且尖端朝向标准声速区。
同样的，将第一电极指301和第二电极指302设置成三个声速区以形成活塞模式。结合图10所示，在第一电极指301和第二电极指302沿弹性波传播方向上相互交叉所形成的区域中，区域边缘(即第一电极指301和第二电极指302的末端部分)设置成低声速区，其余部分为标准声速区，靠近第一汇流条303的区域边缘与第一汇流条303之间、靠近第二汇流条304的区域边缘与第二汇流条304之间为高声速区。其中，第一电极指301和第二电极指302位于低声速区的部分设置成电极指质量增部311，电极指质量增部311的指条单位长度质量大于第一电极指301和第二电极指302位于所述标准声速区的部分的指条单位长度质量。沿弹性波传播方向上，电极指质量增部311的宽度大于第一电极指301和第二电极指302位于所述标准声速区的部分的宽度；和/或，沿垂直于区域平面方向上(即垂直压电基底31的工作面方向)，电极指质量增部311的厚度大于第一电极指301和第二电极指302位于标准声速区的部分的厚度。
图9显示了本申请实施例一提供的不同加权系数的声表面谐振器的实测电导-频率曲线图。其中加权系数为第一电极指301和第二电极指302中位于标准声速区的中部的电极指长度与第一电极指301和第二电极指302中位于标准声速区的端部的电极指长度的比值。当比值大于1时，此时对应图5所示的叉指换能器结构；当比值小于1时，此时对应图7所示的叉指换能器结构，且要求比值不小于0.5，即第一电极指301和第二电极指302中位于标准声速区的中部的电极指长度大于等于第一电极指301和第二电极指302中位于标准声速区的端部的电极指长度的0.5倍。从曲线可以发现，不管是图5的加权形式还是图7的加权形式，通带内的波动都较为平稳，即都具备不同程度的横向模式抑制能力。
图10显示了本申请实施例一提供的声表面波谐振器与现有的声表面波谐振器的实测导纳/电导-频率曲线对比图。图11显示了本申请实施例一提供的声表面波谐振器与现有的声表面波谐振器的实测品质因数-频率曲线对比图。通过对比可以进一步发现，本实施例提供的叉指换能器结构在不损失大量品质因数的前提下，具有更好的横向模式抑制能力。
图12是本申请实施例一提供的声表面波谐振器不同电极材料的实测导纳/电导-频率曲线对比图。图13本申请实施例一提供的声表面波谐振器不同电极材料的实测品质因数-频率曲线对比图。通过对比可以进一步发现，本实施例提供的叉指换能器结构的电极指主体采用铜比采用铝测得的品质因数更高，且在不损失大量品质因数的前提下，电极指主体采用铜比采用铝测得的通带内的波动更为平稳，具有更好的横向模式抑制能力。因此，鉴于铜的密度要大于铝，使用重金属电极材料的叉指换能器结构能够提供更高的品质因数以及更好的横向模式抑制能力。
实施例二：
请参考图5所示，本实施例提供了一种声表面波谐振器，包括压电基底31、设于压电基底31工作面上的导电材料薄膜图形。与实施例一唯一的区别是：本实施例提供的压电基底31为块体材料。详细而言，块体材料实现为15°YX切向的铌酸锂块体，导电材料薄膜实现为200nm厚的铜。
图14显示了本申请实施例二提供的不同加权系数的声表面谐振器的实测电导-频率曲线图。其中加权系数为第一电极指301和第二电极指302中位于标准声速区的中部的电极指长度与第一电极指301和第二电极指302中位于标准声速区的端部的电极指长度的比值。当比值大于1时，此时对应图5所示的叉指换能器结构；当比值小于1时，此时对应图7所示的叉指换能器结构，且要求比值不小于0.5，即第一电极指301和第二电极指302中位于标准声速区的中部的电极指长度大于等于第一电极指301和第二电极指302中位于标准声速区的端部的电极指长度的0.5倍。从曲线可以发现，不管是图5的加权形式还是图6的加权形式，通带内的波动都较为平稳，即都具备不同程度的横向模式抑制能力。
图15显示了本申请实施例二提供的声表面波谐振器与现有的声表面波谐振器的实测导纳/电导-频率曲线对比图。图16显示了本申请实施例二提供的声表面波谐振器与现有的声表面波谐振器的实测品质因数-频率曲线对比图。通过对比可以进一步发现，本实施例提供的叉指换能器结构在不损失大量品质因数的前提下，具有更好的横向模式抑制能力。
实施例三：
请参考图17所示，本实施例提供了另一种声表面波谐振器，包括压电基底41、设于压电基底41工作面上的导电材料薄膜图形。其中，导电材料薄膜图形形成有至少一个叉指换能器42和两个反射器43A、43B，且两个反射器43A、43B沿x轴方向分别布置在叉指换能器42的两侧。导电材料薄膜实现为70nm厚的铂。
压电基底41、反射器结构的限定与实施例一或二相同，叉指换能器42同样包括第一电极指401、第二电极指402、第一汇流条403、第二汇流条404，其中第一电极指401和第二电极指402的末端均设置成电极指质量增部411以形成活塞模式，第一电极指401和第二电极指402位于标准声速区部分的电极指长度从区域中部向区域端部方向逐渐变小。具体连接关系可参考实施例一或二提供的叉指换能器32，两者区别在于：在本实施例中，沿y轴方向设置的两个低声速区中的一个低声速区沿弹性波传播方向水平分布，则另一个低声速区为具有尖端的屋顶形状，且尖端朝向高声速区，由此形成的三个声速区如图18所示。在本实施例中叉指换能器42同样存在另一结构，与图17所示的叉指换能器唯一的区别是：第一电极指401和第二电极指402位于标准声速区部分的电极指长度从区域中部向区域端部方向逐渐变大，则另一个低声速区的尖端朝向标准声速区。
基于与实施例一或二相同的理由，本实施例结构能呈现出良好的横模抑制功能。
实施例四：
请参考图19所示，本实施例提供了一种声表面波滤波器，包括了位于串联臂上的谐振器S1～S4，以及位于并联臂上的谐振器P1～P4。其中，串联臂谐振器和并联臂谐振器为实施例一、二、三中的任意声表面波谐振器，具体结构在此不再赘述。
图20是现有声表面波滤波器的实测插入损耗-频率曲线图，图21是本实施例提供的声表面波滤波器的实测插入损耗-频率曲线图。基于与实施例一、二或三相同的叉指换能器结构，本实施例的结构既能呈现出良好的横模抑制功能，又能够在通带边缘处减小滤波器的插入损耗。
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 (9)
1.一种叉指换能器，其特征在于，包括相对交错设置的多根第一电极指和多根第二电极指，以及与第一电极指始端相连的第一汇流条和与第二电极指始端相连的第二汇流条，每根电极指末端分别插入相对侧的两根相邻电极指之间且互不接触；在所述第一电极指和所述第二电极指沿弹性波传播方向上相互交叉所形成的区域中，区域边缘设置成低声速区，其余部分为标准声速区，靠近第一汇流条的区域边缘与所述第一汇流条之间、靠近第二汇流条的区域边缘与所述第二汇流条之间为高声速区，所述标准声速区传播弹性波的音速介于所述低声速区和所述高声速区之间；
所述第一电极指和所述第二电极指位于所述标准声速区部分的电极指长度从区域中部向区域端部方向逐渐变大或变小；
所述第一电极指和所述第二电极指位于所述低声速区的部分设置成电极指质量增部，所述电极指质量增部的指条单位长度质量大于所述第一电极指和所述第二电极指位于所述标准声速区的部分的指条单位长度质量；
所述第一电极指和所述第二电极指的主体采用重金属电极材料。
2.根据权利要求1所述的叉指换能器，其特征在于，两侧的低声速区沿弹性波传播方向的叉指换能器中轴对称分布，或者一侧的低声速区沿弹性波传播方向水平分布。
3.根据权利要求1所述的叉指换能器，其特征在于，所述重金属电极材料由铜、铂、钨、金、银、钼、钽中的一种或多种组成。
4.根据权利要求1所述的叉指换能器，其特征在于，所述第一电极指和所述第二电极指位于所述标准声速区部分的电极指长度从区域中部向区域端部方向以固定加权系数逐渐变大或变小。
5.根据权利要求4所述的叉指换能器，其特征在于，所述第一电极指和所述第二电极指中位于所述标准声速区的中部的电极指长度大于等于所述第一电极指和所述第二电极指中位于所述标准声速区的端部的电极指长度的0.5倍。
6.根据权利要求1所述的叉指换能器，其特征在于，沿弹性波传播方向上，所述电极指质量增部的宽度大于所述第一电极指和所述第二电极指位于所述标准声速区的部分的宽度；和/或，沿垂直于区域平面方向上，所述电极指质量增部的厚度大于所述第一电极指和所述第二电极指位于所述标准声速区的部分的厚度。
7.一种声表面波谐振器，其特征在于，包括：
压电基底；
设于压电基底工作面上的导电材料薄膜图形；
其中，所述导电材料薄膜图形形成有至少一个叉指换能器和两个反射器，两个反射器沿弹性波传播方向分别布置在所述叉指换能器的两侧，所述叉指换能器为权利要求1-6任一所述的叉指换能器。
8.根据权利要求7所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述压电基底为具有压电性的块体材料，或者，所述压电基底为压电多层材料。
9.一种声表面波装置，其特征在于，所述装置为声表面波滤波器或多工器，均包括位于串联臂上的谐振器和位于并联臂上的谐振器，其中：
所述谐振器为权利要求7或8所述的声表面波谐振器。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311414557.5A CN117353697A (zh) | 2023-10-27 | 2023-10-27 | 一种叉指换能器、声表面波谐振器和装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311414557.5A CN117353697A (zh) | 2023-10-27 | 2023-10-27 | 一种叉指换能器、声表面波谐振器和装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN117353697A true CN117353697A (zh) | 2024-01-05 |
Family
ID=89366571
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311414557.5A Pending CN117353697A (zh) | 2023-10-27 | 2023-10-27 | 一种叉指换能器、声表面波谐振器和装置 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN117353697A (zh) |
-
2023
- 2023-10-27 CN CN202311414557.5A patent/CN117353697A/zh active Pending
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