CN1677851A - 具有单相单向结构的声表面波延迟线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及声学技术中的一种声表面波延迟线，它包括压电基片和两个以金为电极的单相单向换能器。在此基础上实现一种具有单模控制结构的声表面波延迟线，包括一个长换能器和一个短换能器，长换能器采用梳状结构，梳齿之间距离为短换能器长度，换能器几何中心距离等于长换能器长度，换能器采用电极宽度控制单相单向结构。延迟线采用石英为基片。电极材料为金。由于采用单向换能器结构和单模控制结构，这种延迟线具有低插入损耗的特点，并使得由这种声表面波延迟线构成的振荡器工作在单一模式状态。

Description

具有单相单向结构的声表面波延迟线

技术领域

本发明涉及声学技术中的一种声表面波延迟线(以下简称SAW延迟线)，特别是涉及一种具有单相单向结构的声表面波延迟线。

背景技术

作为例子，常规结构的声表面波延迟线1，它由基片和在其中设置的两个叉指换能器组成，如图1所示，其中9和10为叉指换能器，8为压电基片，叉指换能器9和10之间的距离根据延时要求来确定。

作为例子，常规的具有单相单向结构的声表面波延迟线2，如图2所示，如IEEE 1989 Ultrasonics Symposium Proceeding pp79-89所述的有两个控制电极宽度单相单向换能器(简称为EWC/SPUDT)12和13放置于压电基片11的上表面。上述叉指换能器12和13的单向性是靠置于其中的反射电极14和14’来实现的。其宽度为四分之一波长。其他作为声电换能的叉指电极的宽度为八分之一波长。反射电极的位置是根据这样的原则来安排的：反射电极14使得辐射声波在指向另一个换能器的方向辐射同相相加，而在背离另一个换能器的方向反相相消。一般情况下，反射中心距离离一个邻换能中心的距离d2为八分之三波长，离另一个相邻换能中心的距离d3为八分之五波长。这种EWC/SPUDT原理图如图3所示。

作为例子，常规的具有单相单向结构声表面延迟线3，如图4所示，如IEEE1989 Ultrasonics Symposium Proceeding pp59-64中，它有两个分布声反射型的单相单向换能器(简称为DART/SPUDT)16和17放置于压电基片18的上面。DART/SPUDT工作原理与EWC/SPUDT相同，只是反射电极19和19’的宽度为八分之三波长。

作为例子，常规的应用于声表面波振荡器的具有单模(即使振荡器获得单一频率振荡工作模式)控制结构的声表面波延迟线4和5，如图5和图6所示，该类型的声表面波延迟线在文献IEEE 1973 Ultrasonics Symposium Proceedingpp344-347中进行了介绍。这种具有单模控制结构的延迟线大致有两种，一种方式如图5，图中的一个长叉指换能器20有足够长以保证足够窄的频带，同时使它的长度等于两叉指换能器中心之间的距离，而另一个短叉指换能器21为仅有几对叉指的宽带换能器。图中22为基片。另外一种单模控制方式如图6所示，由长叉指换能器23和短叉指换能器24以及压电基片25组成，实际上它是将图5中的长叉指换能器20的大部分叉指电极周期性的抽掉，形成梳状换能器，并且使得梳齿中心之间的距离d4与延迟线宽带叉指换能器即图中的短叉指换能器24的长度相等。

如上所述，延迟线1所采用的是一种常规结构，这种结构通常采用机电耦合系数较高的基片来获得较低的插入损耗，但是这种延迟线结构由于其较差的三次行程抑制在实际应用中一般不采用这种普通结构。特别是现在声表面波延迟线在传感器中应用日益广泛，出于温度稳定性的考虑这种延迟线一般采用石英作为基片，因此损耗一般都大于20dB(David S.Ballantine，Susan L.Rose，Jay W.Grateand H.Wohltjen，“Correlation of Surface Acoustic Wave Device CoatingResponses with Solubility Properties and Chemical Structure Using PatternRecognition”，Anal.Chem.，vol.58，no.14，December，pp.3058-3066，1986)。而在延迟线2结构中采用了EWC/SPUDT型的结构，可以获得较低的插入损耗，传统上这种SPUDT结构的延迟线通常采用铝作为叉指换能器的电极。根据文献(何世堂等，“声表面波低插入损耗滤波器的研制(I)——控制电极宽度单相单向换能器”，第23卷第3期，pp279-283)中，如图3所示的单向换能器结构中，声波单向辐射的方向并不是固定的，而是取决于反射栅条15的反射相位，而它则与基片和反射栅条的材料有关。研究表明：短路金属栅条的反射系数由金属栅条对晶体表面的压电短路效应和力学负载效应引起的。根据文献(何世堂 陈东培 汪承灏“声表面波单指无内反射叉指换能器结构及其性能分析”压电与声光Vol.14No.5，1992，pp-55-60)对于某些机电耦合系数较小的压电基片，如ST石英，反射主要来源于力学负载的贡献，与栅条厚度成正比，通过调整膜厚控制其大小。对于以铝为电极的EWC/SOUDT结构，通常认为右边方向为正向，如图3中所示。但是对于以金为反射栅条和叉指电极时，由于它具有与铝正好相反的力学负载效应系数相位，原有的以铝为电极的EWC/SPUDT结构形式显然不正确，在图3中就以左边为正向，需要对反射栅条位置进行调整。对于具体EWC/SPUDT结构的声表面波延迟线的设计如文献(何世堂等，“声表面波低插入损耗滤波器的研制(I)——控制电极宽度单相单向换能器”，第23卷第3期，pp279-283)所示，通常取单根栅条的反射系数与栅条数的乘积小于或者等于1，在需要的情况可以对反射栅阵进行加权，以获得更好的幅频和相频特性。但是对于其他类型的基片，如YZ-LiNbO₃、Y128，X LiNbO₃以及X，112°Y LiNbO₃等具有较大的机电耦合系数的材料，由于金属栅条对晶体表面的压电短路效应也比较大，因此其反射系数的相位就由金属膜厚来决定了。延迟线3采用DART/SPUDT结构，实际上其工作原理与EWC/SPUDT相同，只是反射电极19的宽度为八分之三波长。对于延迟线5和6采用单模控制结构，而在实际应用于声表面波振荡器中，这种延迟线所采用的是普通的常规叉指换能器结构，而在实际应用中这种延迟线通常采用石英为基片，因此延迟线损耗比较高。

目前延迟线不仅用于传统的雷达、通信等电子设备中用于信号延迟而且由于利用这种声表面波延迟线的声表面波振荡器具有高频率稳定度的特点而在气体传感器等的研制开发中引起人们广泛的兴趣。这就需要有一种既具有低插入损耗又具有单模控制功能同时所使用金属电极又具有抗腐蚀能力的声表面波延迟线。而在现有技术中应用于声表面波气体传感器中的延迟线以及传统的延迟线却具有以下几点的不足：

1.传统的具有单相单向结构的声表面波延长线通常是以铝作为叉指电极，而在某些特殊情况下，如在某些气体传感器的应用中需要有一种耐腐蚀的金属作为电极，而铝由于它本身的容易氧化等特点而不适合于这些领域的应用。

2.在现有技术中应用于声表面波气体传感器的声表面波延迟线通常不具有单模频率控制的功能而只能依赖于外围电路加以解决，这无疑增加了传感器系统的电子线路的复杂性，增加了系统功耗不利于传感器系统的稳定性。

3.在现有技术应用于气体传感器的声表面波延迟线通常没有采用单相单向结构，而且在实际应用中考虑到温度的稳定性一般采用的基片为石英，因此损耗一般都大于20dB，损耗过大从而影响到由声表面波延迟线和射频放大器构成的声表面波振荡器的频率稳定度，进而影响到由声表面波振荡器构成的气体传感器的灵敏度和稳定性。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的声表面波延迟线所存在的一些问题；为了实现表面波延迟线具有低插入损耗，单模控制结构并且能够具有耐腐蚀的特点，从而提供一种以金为叉指电极，以石英为压电基片，采用EWC/SPUDT结构的并具有单模控制结构的声表面波延迟线。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的具有单相单向结构的声表面波延迟线，包括：一压电基片28，在压电基片28上沿声波传播方向上设置两个采用半导体平面工艺制作的输入端叉指换能器26和输出端叉指换能器27，以及设置一输入端叉指换能器26的反射电极29，和设置一输出端叉指换能器27的反射电极29’；其特征在于：其中任一单相换能器辐射声波的正向指向另一个单相单向换能器；所述的单相单向换能器的电极采用金电极，和采用控制宽度单相单向换能器(EWC/SPUDT)结构，叉指电极宽度为八分之一波长，而反射电极宽度为四分之一波长；输入端叉指换能器26中的反射电极29位于叉指电极对的左边，而输出端叉指换能器27的反射电极29’位于叉指电极对的右边；如图7所示。

本发明提供的具有单相单向结构同时还具有单模控制结构的以金为电极的声表面波延迟线，如图8所示，它包括：一压电基片32，在压电基片32上沿声波传播方向上设置两个长短不一的长叉指换能器30和一短叉指换能器31，以及设置一长叉指换能器30的反射电极34，和设置一短叉指换能器31的反射电极34’，所述的叉指换能器采用EWC/SPUDT结构；其特征在于：还包括在两叉指换能器之间有一块金膜33；所述的长叉指换能器30为梳状换能器结构，并且梳齿之间的间隔与延迟线短叉指换能器31的长度相等，同时两叉指换能器中心之间的距离等于长叉指换能器30的长度；其中长叉指换能器30中的反射电极34位于叉指换能器叉指对的左边，而短叉指换能器31中的反射电极34’位于叉指换能器叉指对的右边。

在上述的技术方案中，所述的图8中延迟线的长叉指换能器的长度一般在100倍波长到600倍波长左右，而短叉指换能器的长度一般为很短的宽带叉指换能器，一般在几十到100倍波长左右。

在上述的技术方案中，所述的图8中延迟线两叉指换能器之间的金膜33，面积大致在3-5mm²，优选的为4mm²左右，主要是作为声表面波气体传感器中敏感膜的载体。

在上述的技术方案中，所述的图7和图8中延迟线的基片28和32为石英基片。

在上述的技术方案中，所述的图7和图8中的延迟线的换能器以金为电极时，其力学负载效应系数为1.5。

在上述的技术方案中，所述的图7中延迟线的输入端叉指换能器26的反射电极29位于叉指对的左边，而输出端叉指换能器27的反射电极29’则位于叉指对的右边。

在上述的技术方案中，所述的图8中延迟线的输入端叉指换能器30的反射电极34位于叉指对的左边，而输出端叉指换能器31的反射电极34’位于叉指对的右边，与以铝为电极的具有EWC/SPUDT结构的延迟线正好相反。

在上述的技术方案中，所述的图7和图8中延迟线叉指换能器中的反射电极宽度均为四分之一波长，而叉指电极宽度均为八分之一波长。

在上述的技术方案中，还包括叉指换能器中的反射栅阵满足单根反射栅条的反射系数与反射栅条数目的乘积趋于1；或对反射栅阵进行加权，以获得幅频特性和相频特性的改善。

本发明的优点在于：本发明中的声表面波延迟线采用以金为电极的EWC/SPUDT结构，获得了比较低的插入损耗，在此基础上本发明还提供了一种采用金电极的EWC/SPUDT结构和单模控制结构的声表面波延迟线，降低了器件的插入损耗，同时采用单模换能器控制结构，使得应用这种延迟线的声表面波振荡器工作在单一频率工作模式，解决了现有技术中存在的问题。另外在本发明中，这种延迟线采用石英为基片，具有良好的温度特性，而且延迟线的叉指换能器采用金作为电极，具有很强的耐腐蚀性，能可靠的应用于各种气体传感器的研制开发。延迟线的叉指换能器之间有一金膜，为各种气体传感器提供了敏感膜的载体。采用这种具有低损耗单模结构的声表面波延迟线对于声表面波气体传感器系统而言，降低了系统的功耗，提高了声表面波振荡器的频率稳定度。

附图说明

图1是展示一常规的以铝为电极的声表面波延迟线

图2是展示一常规的以铝为电极的具有EWC/SPUDT结构的声表面波延迟线

图3是展示EWC/SPUDT结构原理图

图4是展示一常规的以铝为电极的具有DART/SPUDT结构的声表面波延迟线

图5是展示一具有单模控制结构但但不具有梳状结构的声表面波延迟线

图6是展示一具有单模控制结构和梳状结构的声表面波延迟线

图7是展示一具有单相单向换能器结构的以金为电极的声表面波延迟线

图8是展示一具有单相单向换能器结构同时具有单模控制结构的声表面波延迟线

图9是展示应用本发明实施例的声表面波延迟线的幅频响应曲线

图10是展示应用本发明实施例的声表面波延迟线的相频响应曲线

具体实施方式

为了更全面的理解本发明，并为了解本发明另外的目的和优点，现在结合相应附图和实施例对本发明进行详细地说明。

图7展示了本发明的具有EWC/SPUDT结构的SAW延迟线的实施例，该SAW延迟线6由一矩形压电基片28和设置于其上表面的沿声波方向传播的两个长度均为100倍波长的EWC/SPUDT结构的叉指换能器26和27组成，两个叉指换能器之间的距离为150倍波长，声孔径为100倍波长，其中叉指换能器的电极厚度为1200埃，叉指换能器的电极为金电极，压电基片为ST-X石英基片28。

本实施例的特征在于由于采用金为电极，对于小机电耦合系数的基片材料如石英，反射主要源于栅条力学负载效应，以金为反射栅条时的力学负载系数相位与以铝为反射栅条时的力学负载效应系数相位完全相反，因此反射电极的位置与传统的以铝为电极的声表面波延迟线的反射电极完全相反。图7中的以金为电极的EWC/SPUDT结构的SAW延迟线6的输入端叉指换能器26的反射电极29位于叉指对的左边，而输出叉指换能器27的反射电极29’则位于叉指对的右边。

参考图8，展示了本发明声表面波延迟线的又一实施例，该声表面波延迟线是一种具有单相单向换能器结构同时具有单模控制结构的声表面波延迟线7，它由一矩形石英压电基片32和设置于其上表面的沿声波方向传播的两个长短不一的单相单向换能器30和31组成。延迟线电极为金，长叉指换能器30为具有梳状结构的单相单向窄带换能器结构，而叉指短换能器31则为宽带的单相单向换能器结构，长叉指换能器30的梳齿之间的距离与短叉指换能器31长度相同，同时两叉指换能器中心之间距离与长换能器30的长度相同。

图8中的延迟线的长叉指换能器30的反射电极34位于叉指对的左边，而短叉指换能器31的反射电极34’位于叉指对的右边，与图2中以铝为电极的EWC/SPUDT结构的声表面波延迟线2中换能器的反射电极位置完全相反，在图2中，延迟线2的输入端叉指换能器12的反射电极14位于叉指对右边，而输出端叉指换能器13反射电极14’位于叉指对左边。

如图8所示的延迟线实施例，基片材料采用旋转42.75°Y切割，X方向传播石英基片32，电极厚度为1200埃，所述的延迟线7包括两长短不一的EWC/SPUDT结构的两个叉指换能器30和31，其中长叉指换能器30是采用四组电极结构，每一组电极均由20对电极和60对假指构成。短叉指换能器31采用80对电极。电极为金。34和34’为反射电极。声孔径为100倍波长。两个叉指换能器之间距离为150倍波长，两个叉指换能器几何中心距离等于长叉指换能器30的长度，这样以保证振荡器的单一模式控制，另外也提供了足够长的声路径长度，保证了延迟线的高Q(品质因子)值。这种EWC/SPUDT结构和单模结构保证了延迟线的低损耗，最低能达到8个dB，并能保证应用这种声表面波延迟线的声表面波振荡器工作在单一模式状态。基片32为石英，保证了器件良好的稳定特性。在两个叉指换能器30和31之间设置一金膜33，其中金膜33面积在3-5mm²，优选的为4mm²左右，它是用于气体传感器的敏感膜载体，金膜33还设置有一接地点。另外本发明方案采用金电极的一个重要原因是由于金的耐腐蚀性远优于铝电极，更适合于各种气体传感器的应用。

图9与图10分别示出了从网络分析仪中观察到的SAW延迟线1的典型幅频响应(插入损耗约9dB)和相位响应，从图9和图10中可以看出，将这种应用于声表面波气体传感器的时候，通带内相位随着频率线性变化，当相位变化2π时，频率落在幅频响应通带外，插入损耗增加10dB以上，不满足由延迟线构成的声表面波振荡器的幅度起振条件，无法起振。另外从图9和图10中可以看出在通带内只有一个模式起振，实现了声表面波振荡器的单模式工作。

上述的设计方法是在严格按照力学负载效应系数的相位来设计EWC/SPUDT结构中反射电极的位置的，在本发明中所用基片为机电耦合系数较小的石英，根据文献(何世堂 陈东培 汪承灏“声表面波单指无内反射叉指换能器结构及其性能分析”压电与声光Vol.14No.5，1992，pp-55-60)，这种石英基片其反射主要来自于力学负载的贡献，因此不同材料的电极将导致不同相位的反射系数，也决定了单相单向结构中反射电极的位置。

Claims (8)

1.一种具有单相单向结构的声表面波延迟线，包括：一块压电基片、在压电基片上沿声表面波传播方向设置两个单相单向换能器，其中任一单相换能器辐射声波的正向指向另一个单相单向换能器；其特征在于：所述的单相单向换能器的电极采用金电极，和采用控制宽度单相单向换能器结构，叉指电极宽度为八分之一波长，而反射电极宽度为四分之一波长；延迟线输入端叉指换能器中的反射电极位于叉指电极对的左边，而延迟线输出端叉指换能器中的反射电极位于叉指电极对的右边。

2.一种具有单相单向结构和具有单模控制结构的声表面波延迟线，包括：一块压电基片；在压电基片上沿声表面波传播方向设置两个长短不等的单相单向换能器，其中长叉指换能器辐射声波的正向指向短叉指换能器；其特征在于：还包括在两叉指换能器之间有一金膜，金膜还设置有一接地点；所述的单相单向换能器的电极采用金电极；所述的延迟线的长叉指换能器采用梳状结构，其中梳齿之间的距离等于短叉指换能器的长度，两叉指换能器中心之间的距离等于长叉指换能器的长度；其中长叉指换能器中的反射电极位于叉指换能器叉指对的左边，而短叉指换能器中的反射电极位于叉指换能器叉指对的右边；所述的叉指换能器采用控制宽度单相单向换能器结构，叉指电极宽度为八分之一波长，而反射电极宽度为四分之一波长。

3.按权利要求1所述的声表面波延迟线，其特征在于所述的压电基片由ST-X石英构成。

4.按权利要求1或2所述的声表面波延迟线，其特征在于延迟线的换能器以金为电极，其力学负载效应系数为1.5。

5.按权利要求1或2所述的声表面波延迟线，其特征在于还包括换能器中的反射栅阵满足单根反射栅条的反射系数与反射栅条数目的乘积趋于1；或对反射栅阵进行加权。

6.按权利要求2所述的声表面波延迟线，其特征在于所述的长叉指换能器的长度在100倍波长到600倍波长；短叉指换能器的长度为20到100倍波长左右。

7.按权利要求2所述的声表面波延迟线，其特征在于所述的压电基片采用旋转42.75°Y切割，X方向传播石英基片。

8.按权利要求2所述的声表面波延迟线，其特征在于所述的两换能器之间的金膜，面积在3-5mm²。

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