CN1303537A - 小间距表面声波换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种所谓的小间距表面声波换能器,在相邻的电极之间,它具有非常小的空闲表面,因此它能工作在(数千兆赫兹数量级的)特高频频率上。本发明的换能器还包括蚀刻凹槽的一个格栅,这些蚀刻凹槽设置在基片上,并由台地隔开。这种阵列被一个构成电极的金属化层覆盖着,它使得有可能以直接方式获得这种换能器。应用:表面声波滤波器。

Description

小间距表面声波换能器
本发明涉及的领域是工作在特高频上的表面声波换能器，一般工作频率在数千兆赫兹的数量级上。
按照传统，换能器一般根据其应用(有或没有反射的换能器)而制成每个波长λ内有两个、四个或八个电极的结构，其中，λ对应于换能器的中心工作频率。所有这些类型的换能器，其基片的金属化表面与空闲表面的面积之比通常在0.25至0.75之间。
现在已经生产了一种新的换能器。它们是所谓的小间距换能器，其中，空闲表面非常小，以致于两个相邻电极之间的距离能够达到最小，如图1所示。这种换能器的优点是它有可能获得尽可能大的电极宽度，因此每个周期(period)都显著地减少电极之间的反射现象。这些结构的缺点在于技术上的困难。作为例子，对于工作在16GHz上的换能器，宽度为λ/2即1.5um的电极不得不隔开大约几百埃的距离，这就需要一种高精技术。已经建议了各种技术，尤其是J.H.Hines和D.C.Malocha于1993年6月8日-13日在美国丹佛召开的IEEE MTT-S国际微波讨论会的文摘(Cat.97CH3607号)中所建议的。按照此概念，按照大约50/50的金属化/空闲表面比来实现电极的传统生产，如图2a所示。第一组电极上全部覆盖一层电介质材料(图2b)。然后产生第二组电极，如图2c所示。因此，有可能获得隔开微小距离的电极，该距离对应于该层电介质材料的厚度，然而，第二组电极没有与压电基片进行直接电介质接触，因此导致低效率的耦合。
此外，这项技术天生地导致不可能反射的结构，因此必定导致双向换能器。
关于这一点，本发明建议一种新颖的小间距换能器类型的换能器，用一项简单的技术就能获得，并且使换能器不会有耦合问题。按照本发明，在垂直于基片平面的方向上借助于蚀刻的格栅而使相邻的电极之间获得间距。
更具体地说，本发明的目的是提供一种表面声波换能器，它包含一个基片，在该基片上淀积两个互相交叉的(interdigitated)电极阵列(array)，并且这两个互相交叉的电极阵列连接到不同的极性，以便产生声换能单元，该声换能单元由至少两个不同极性的相邻的电极界定，其特征在于，它包含：
蚀刻凹槽的一个格栅，这些蚀刻凹槽在基片上由台地(mesa)
隔开；
所有的台地和蚀刻凹槽，它们被一个金属化层覆盖着，该金
属化层构成电极；
蚀刻凹槽的深度大于该金属化层的厚度，以便在两个相邻的电极
之间在垂直于基片平面的方向上产生一个间距。
这种换能器具有能直接被生产的好处。这是因为在首先使得蚀刻的格栅具有要求的周期性(periodicity)后，就可以着手对该蚀刻的格栅的全部表面进行金属化。
注意，为了使生产的易变性(sensitivity)最小，最好使台地比蚀刻凹槽更宽。
特别有利的是，本发明的小间距换能器可以具有最佳的声波传播方向。
因此，按照本发明的第一实施例，两个相邻电极之间的距离等于λ/4，并且也等于台地和相邻的蚀刻凹槽之间的距离。该蚀刻凹槽的侧壁产生反射，它使得被返回的传送波与反射波在最佳方向上同相，而在相反方向上是反相的，以便获得一个单向换能器，也称为SPUDT(单相的单向换能器)。在这种换能器中，还显示，在所述换能器内部制作谐振腔是有益的，这在公开的专利申请2,702,899中已经具体地描述了。为了建立一个谐振腔，必须局部性地改变表面声波的方向性。要做到这一点，按照惯例通过局部性地使电极位移来改变所述的相位，从技术的观点看，它并不是简单的事情。
按照本发明，通过局部性地产生一个较大宽度的蚀刻凹槽，通常为两倍大小，使得改变方向性变得非常简单。
按照本发明的第二实施例，小间距换能器是一个具有λ/2周期的双向换能器。通常，在λ/2技术中，这种换能器具有非常好的耦合系数以及临界(critical)尺寸，因此它比每个λ长度内设有四个电极的换能器更容易生产。
按照本发明的第三实施例，该小间距换能器包含λ/3周期的蚀刻凹槽和台地。这种换能器具有使来自电极的明显反射显著减小的优点，其目的是寻找某些应用。
通过下面参考附图对非限制性例子的描述，本发明将会被更好地理解，并且其它优点也将显现。
图1表示现有技术的小间距换能器；
图2a至2c表示现有技术中制造小间距换能器的各个步骤；
图3a表示本发明的小间距换能器的第一个例子，它具有最佳声波传播方向；
图3b表示本发明的小间距换能器的第二个例子，它具有最佳波传播方向，该最佳波传播方向与图3a所示例子的波传播方向相反；
图3c表示本发明的的小间距换能器的第三个例子，其声波的最佳方向存在局部变化；
图4表示小间距换能器的第四个例子，它包含不同宽度的台地和蚀刻凹槽；
图5表示本发明的小间距换能器的第五个例子，其周期为λ/2，并且为双向；
图6表示本发明的小间距换能器的第六个例子，它是双向的，并且其反射率由蚀刻的格栅的周期来调整；
图7表示本发明的小间距换能器的第七个例子，它是双向的，而且其中每个λ长度内有3个电极；
图8表示本发明的小间距换能器的第八个例子，它是单向性的，而且其中每个λ长度内有3电极。
根据本发明，通常，表面波传感器包含一个基片，它可以是石英之类的材料制成的，它首先被蚀刻，然后用铝之类的金属进行金属化。所使用的基片最好是LiNbO3、LiTaO3、甚至是Li2B4O7之类的材料制成的。当前，对于在石英之类的基片上进行蚀刻，已经有了精确的控制技术，具体地说，称为ICP(In ductively Coupled P1asma)的技术采用了一种高能量等离子体，并且能够低成本地大量生产蚀刻设备。
根据本发明的第一实施例，在小间距换能器中，每个波长λ内配置4个电极，从而使该小间距换能器具有最佳表面声波传播方向，其反射中心位于离换能中心λ/8处。
按照图3a所示的例子，在台地上和在蚀刻的凹槽中淀积电极，这些电极的宽度为λ/4。两个电极阵列构成许多电极对，图3a中用+和-符号表示，以便建立声换能中心和反射中心，因此传送波以与反射波相同的相位返回。
在本发明的所有构形中，基本的是金属化厚度me小于蚀刻深度ms，如图3a所示。
按照图3b所示的本发明的另一个实施例，通过将台地和蚀刻凹槽相对于图3a所示的构形而进行换位，就可能颠倒(reverse)声波的传播方向。
同样地，作为公知技术，特别是本申请人申请的公开号为2,702,899的专利申请中所描述的，可以局部性地折转(turn back)表面波的方向性，以便建立谐振腔，如图3c所示。为了做到这一点，在蚀刻基片的操作过程中借助于蚀刻掩模，局部性地形成一个具有λ/2的两倍宽度的蚀刻凹槽就可以了。
图4表示这类单向换能器的一个实施例，其中台地或蚀刻凹槽的周期等于λ/4。从技术的观点看，台地的宽度大于蚀刻凹槽的宽度是有益的，但是要维护所需的周期性。按照图4所示的例子，台地的宽度通常大约为0.35λ，而蚀刻凹槽的宽度通常大约为0.15λ。
刚刚描述的单向换能器具有非常好的耦合性能。通常，这是因为单向换能器在其电极序列中必须具有与单向性对应的不对称性(以牺牲由完全对称的结构所保证的双向性为代价)。然而，这种最佳方向是以损失较少的满意耦合系数而获得的。
按照本发明中所建议的构形，表面波换能器保持理想的电极对称性，最佳波传播方向所需要的不对称性是依靠蚀刻的格栅而产生的。来自电极的明显反射彼此是对称的，并且不产生最佳方向，而蚀刻的侧壁导致出现反射，它们在给定方向和相反的方向之间彼此不偏移。因此本发明有可能获得小间距的单向换能器，而现有技术的小间距换能器全部是双向的，具有来自那些电极的非常明显的反射。
按照本发明的第二实施例，在小间距表面波换能器中，每个波长λ内可以设置两个电极。这种换能器是双向的，并且相对于其它类型的换能器，特别是与每个λ长度内有4个电极的单向换能器相比，具有优良的耦合系数。
这种结构的电极的实例如图5所示。在此结构中，没有引入蚀刻的侧壁，如上所述，反射使得有可能产生单向性，但蚀刻的侧壁的出现完全是为了在两个相邻的电极之间产生间距。该电极反射系数的大小最好是被设置为蚀刻深度的函数，同时，仍然保持小的金属化层的厚度。
通常，每个λ长度内具有两个电极的换能器的结构被选择用于共振器，这是由于电极产生强反射的缘故，因为传送的和反射的波被同相(两个相邻的电极中心之间的距离为λ/2)，所以，电极产生的强反射使表面波高效共振。在某些应用中，可以调整这种结构的共振特性，同时保持由每个λ内有2个电极的结构所给予的非常好的耦合系数。
按照本发明，以及依靠电极阵列的重叠(superposition)和蚀刻格栅的重叠，就可以使某些电极横跨(astride)台地和蚀刻凹槽，如图6所示。这些电极的宽度仍然为λ/2，但是某些电极具有改进的反射系数，其中，包括电极反射的影响和蚀刻侧壁反射的影响。这些影响彼此相反，以便减少某些电极的整个反射系数，因此减少明显的电极反射现象，在这种换能器中它通常是非常显著的。
现在我们将描述某些类型的换能器(每个λ长度内有4个电极以及每个λ长度内有2个电极)；注意，通常本发明适用于任何类型的换能器，调用这样一项技术，它允许电板宽度有相当大的宽容度(它们可以正好是λ/3宽度)，在保持小间距特性的同时仍然控制着蚀刻凹槽的深度。
更具体地，我们将描述本发明的换能器，这种换能器具有小的间距并且其电极周期和台地周期都等于λ/3。利用这种构形，明显的反射被最小化。图7表示这种换能器的一个例子；这是一个双向换能器，包含两个电极阵列，这两个电极阵列分别连接到分别由+和-符号表示的第一极和第二极性上。  在等于波长λ的长度上，第一阵列包含第一电极，第二阵列包含第二和第三电极。
这种换能器的一个变体是这样一种换能器，它仍然在每个λ内具有3个电极，但是通过采用三个电极阵列而不是两个电极阵列，而产生单方向性。图8表示这样一种换能器，其中，三个电极阵列的三个极性用符号φ1、φ2和φ3表示。

Claims (9)

1．一种表面声波换能器，包含一个基片，其上至少淀积两个互相交错的(interdigitated)电极阵列，并且这些电极阵列连接到不同的极性，以便建立由至少两个不同极性的相邻电极所界定的声换能单元，其特征在于，它包含：
蚀刻凹槽的一个格栅，这些蚀刻凹槽在基片上由台地隔开；
所有的台地和蚀刻凹槽，它们被一个金属化层覆盖着，该金
属化层构成电极；
蚀刻凹槽的深度大于该金属化层的厚度，以便在两个相邻的电极
之间在垂直于基片平面的方向上产生一个间距。
2．按照权利要求1所述的表面声波换能器，其特征在于，台地和蚀刻的凹槽具有不同的宽度。
3．按照权利要求1至2中的任意一个权利要求所述的表面声波换能器，其特征在于：它包含台地和蚀刻凹槽，其宽度满足下述条件，即一个台地和一个相邻的蚀刻凹槽的总宽度等于半波长(λ/2)，所述的波长为所述换能器的工作频率的特性，所述的互相交错的电极阵列包含交互的(altemating)电极对，以便建立一个声波的最佳传播方向。
4．按照权利要求2所述的表面声波换能器，其特征在于：它还包含至少一个台地或至少一个蚀刻凹槽，所述台地或蚀刻凹槽的宽度等于固有波长的一半(λ/2)，以便局部性地颠倒声波传播的最佳方向。
5．按照权利要求1和2中的任意一个权利要求所述的表面声波换能器，其特征在于：它包括台地和蚀刻凹槽，其宽度满足下述条件，即一个台地和一个相邻的蚀刻凹槽的总宽度等于一个固有波长。
6．按照权利要求5所述的表面声波换能器，其特征在于：它还包括台地和蚀刻凹槽，其宽度等于四分之一波长(λ/4)，以便使得电极的宽度等于半个波长，并且横跨台地和蚀刻凹槽，以减少所述电极的反射系数。
7．按照权利要求1和2中 的任意一个权利要求所述的表面声波换能器，其特征在于：蚀刻凹槽和台地的周期等于该换能器的工作频率的固有波长的三分之一。
8．按照权利要求7所述的表面声波换能器，其特征在于：它包括第一和第二互相交错的电极阵列，以致于，在等于固有波长的长度上，第一阵列包括连接到第一极性的第一电极，第二阵列包括都连接到第二极性的第二和第三电极。
9．按照权利要求7所述的表面声波换能器，其特征在于：它包括第一、第二和第三互相交错的电极阵列，它们被分别连接到第一、第二和第三极性，以致于，在等于固有波长的长度上，该换能器包括交互的(altemation of)来自第一阵列的一个电极、来自第二阵列的一个电极、以及来自第三阵列的一个电极。
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