JP4903219B2 - バルク超音波により動作する共振器 - Google Patents
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Description
図1は、全部で4つのミラー層を備えた音響的なミラーを有する、バルク超音波により動作する共振器を示す。
図2は、kx≒0且つ副モードの限界周波数での副モードTS2に関する縦方向に依存する、第1の共振器積層体における材料の横方向の変位の計算された実数部および虚数部を示す。
図3は、kx≒0且つ副モードの限界周波数での副モードTS2に関する縦方向に依存する、第2の共振器積層体における材料の横方向の変位の計算された実数部および虚数部を示す。
図4は、kx≒0且つ副モードの限界周波数での副モードTS2に関する縦方向に依存する、第3の共振器積層体における材料の横方向の変位の計算された実数部および虚数部を示す。
図5Aは、絶縁された共振器領域のkx≒0且つ副モードTS2’の限界周波数での副モードTS2に関する縦方向に依存する、第2の共振器積層体の絶縁された共振器領域における材料の横方向の変位の実数部および虚数部を示す。
図5Bは、kx≒0且つ副モードUX3/4の限界周波数でのこの副モードUX3/4に関する縦方向に依存する、第2の共振器積層体の絶縁された音響的なミラー領域における材料の横方向の変位の実数部および虚数部を示す。
図5Cは、kx≒0且つ副モードUX5/4の限界周波数でのこの副モードUX5/4に関する縦方向に依存する、第2の共振器積層体の絶縁された音響的なミラー領域における材料の横方向の変位の実数部および虚数部を示す。
図5Dは、kx≒0且つ副モードTS2’/UX5/4の限界周波数でのこの副モードTS2’/UX5/4に関する縦方向に依存する、第2の共振器積層体の音響的なミラー領域および共振器領域における材料の横方向の変位の実数部および虚数部を示す。
図5Eは、図3による第2の共振器積層体について計算された、絶縁されたミラー領域、絶縁された共振器領域および全体の共振器積層体内を伝播するモードに関する分散曲線を示す。
図6は、横ミラーを備えていない共振器積層体と比較した(シミュレーション)、縦方向主モードTE1に関する部分ミラーおよび全体の共振器積層体の透過係数と周波数の関係を示す。
図7は、横ミラーを備えていない共振器積層体と比較した(シミュレーション)、横モードTS2に関する部分ミラーおよび全体の共振器積層体の透過係数と周波数の関係を示す。
図8Aは、全部で4つのミラー層を備えた種々の共振器積層体に関して計算された分散曲線を示す。
図8Bは、全部で8つのミラー層を備えた種々の共振器積層体に関して計算された分散曲線を示す。
図9は、全部で8つのミラー層を備えた音響的なミラーを有する、バルク超音波により動作する共振器を示す。
図10Aは、絶縁された共振器領域のkx≒0且つ主モードTE1の限界周波数での主モードTE1に関する縦方向に依存する、第2の共振器積層体の絶縁された共振器領域における材料の縦方向の変位の計算された実数部および虚数部を示す。
図10Bは、kx≒0且つ主モードの限界周波数での主モードTE1に関する縦方向に依存する、第2の共振器積層体における材料の縦方向の変位の計算された実数部および虚数部を示す。
1)横モードの限界周波数は共振空間内、すなわち横ミラーの上方の層厚の変化に対して敏感である。層厚の絶対的な変化に対する感度は層の横波の速度に反比例する。層厚を厚くすることにより周波数が低下する。
Claims (24)
- 共振器積層体を備えたバルク超音波により動作する共振器において、
−共振器領域(RE)を有し、該共振器領域(RE)内を音響的な主モードおよび音響的な副モードが伝播し、
−音響的なミラーを有し、該音響的なミラーは前記共振器領域内に前記主モードを閉じ込めるために設けられている第1の部分ミラー(AS1)と第2の部分ミラー(AS2)とを包含し、
−前記第1の部分ミラー(AS1)は前記共振器領域(RE)と前記第2の部分ミラー(AS2)との間に配置されており、
−前記第2の部分ミラー(AS2)は前記共振器の共振周波数において、前記第1の部分ミラー(AS1)および前記共振器領域(RE)を包含する共振空間内に前記副モードを閉じ込めることに適していることを特徴とする、共振器。 - −縦方向が前記共振器積層体の厚み方向に延びており、横方向が前記共振器積層体の水平方向の平面に平行に延びており、
−前記主モード(TE1)は前記縦方向に偏極されている音響波であり、
−前記副モード(TS2)は前記横方向に偏極されている音響波である、請求項1記載の共振器。 - −前記共振器の前記共振周波数では、前記共振器領域(RE)のミラー側とは反対側の境界面に前記主モードの波腹が生じ、該波腹に続く前記主モードの波腹は実質的に前記共振器領域(RE)のミラー側の境界面に生じ、
−前記共振器の前記共振周波数では、前記共振器領域(RE)のミラー側とは反対側の境界面に前記副モードの波腹が生じ、該波腹の次の次の前記副モードの波腹は実質的に前記共振器領域(RE)のミラー側の境界面に生じる、請求項1または2記載の共振器。 - −基板(SU)を有し、該基板(SU)上には前記共振器積層体が配置されており、
−前記第2の部分ミラー(AS2)は前記第1の部分ミラー(AS1)と前記基板(SU)との間に配置されている、請求項1から3までのいずれか1項記載の共振器。 - 前記第1の部分ミラー(AS1)は少なくとも1つの第1のミラー層を包含し、該第1のミラー層の厚さは実質的に(2n+1)λL/4であり、ここでλLは前記共振器の前記共振周波数での前記第1のミラー層の材料に関する前記主モードの波長であり、nは整数である、請求項1から4までのいずれか1項記載の共振器。
- 前記第2の部分ミラー(AS2)は少なくとも1つの第2のミラー層を包含し、該第2のミラー層の厚さは実質的に(2m+1)λS/4であり、ここでλSは前記共振器の前記共振周波数での前記第2のミラー層の材料に関する前記副モードの波長であり、mは整数である、請求項1から5までのいずれか1項記載の共振器。
- 前記第1の部分ミラー(AS1)は少なくとも2つの連続する第1のミラー層(AS11,AS12)を包含する、請求項5記載の共振器。
- 前記第2の部分ミラー(AS2)は少なくとも2つの連続する第2のミラー層(AS21,AS22)を包含する、請求項6記載の共振器。
- 前記第1の部分ミラー(AS1)と前記第2の部分ミラー(AS2)との間に少なくとも1つの中間層(ZS)が設けられており、該中間層(ZS)の厚さは前記第1のミラー層(AS11,AS12)の厚さと前記第2のミラー層(AS21,AS22)の厚さの間の厚さを有する、請求項1から8までのいずれか1項記載の共振器。
- 前記副モードを使用する共振空間の大きさは前記第1のミラー層(AS11,AS12)の数、層厚および材料によって調整されており、前記副モードの限界周波数fc,S=fS(kx,y=0)は前記共振器の前記共振周波数以下に調整されている、請求項6から9までのいずれか1項記載の共振器。
- 前記副モードを使用する共振空間の大きさは前記第1のミラー層(AS11,AS12)の数の選択、前記第1のミラー層(AS11,AS12)の層厚および材料によって調整されており、前記副モードの限界周波数fc,S=fS(kx,y=0)は前記共振器の前記共振周波数以上に調整されている、請求項6から9までのいずれか1項記載の共振器。
- 少なくとも1つの第1のミラー層および第2のミラー層の配置構成は、高い音響的なインピーダンスを有するミラー層と低い音響的なインピーダンスを有するミラー層が交互に配置されているミラー層を包含する、請求項6から11までのいずれか1項記載の共振器。
- −前記第1の部分ミラー(AS1)少なくとも1つの第1のミラー層を包含し、該第1のミラー層の厚さは実質的に(2n+1)λL/4であり、ここでλLは前記共振器の前記共振周波数での前記第1のミラー層の材料に関する前記主モードの波長であり、nは整数であり、
−前記第1の部分ミラー(AS1)は前記共振器領域(RE)と対向している別の第1のミラー層を包含し、該別の第1のミラー層は低い音響的なインピーダンスを有し、該別の第1のミラー層の厚さは前記主モードの1/4波長とは異なる、請求項1から4、6および8から12までのいずれか1項記載の共振器。 - −音響的なミラー(AS)と前記基板(SU)との間に電気的に絶縁された層(IS)が配置されている、請求項1から13までのいずれか1項記載の共振器。
- −前記共振器領域内に前記副モードの2つの波腹が生じ、
−前記副モードの別の波腹が前記共振器領域と対向する前記第1のミラー層(AS12)内に生じる、請求項5から13までのいずれか1項記載の共振器。 - 前記第2のミラー層(AS21,AS22)の数、該第2のミラー層(AS21,AS22)の層厚および材料は、前記副モード(TS2)の波節または波腹が該副モードの限界周波数fc,Sでは実質的に、前記共振器領域(RE)に対向する前記第2の部分ミラー(AS2)の境界面に存在するよう選定されている、請求項6から15までのいずれか1項記載の共振器。
- 前記第2のミラー層(AS21,AS22)の層厚はそれぞれの層の材料に依存して、前記第2のミラー層(AS21,AS22)のインピーダンスよりも低いインピーダンスを有する、前記第2のミラー層(AS21,AS22)の上に位置するミラー層(AS11,ZS)に由来する音響波が前記第2のミラー層(AS21,AS22)に入射する場合に、前記第2のミラー層(AS21,AS22)と前記第2のミラー層(AS21,AS22)の上に位置するミラー層(AS11,ZS)との境界に定在波の波節が生じるように選定されている、請求項16記載の共振器。
- 前記第2のミラー層(AS21,AS22)の層厚はそれぞれの層の材料に依存して、それぞれの第2のミラー層(AS22)が該第2のミラー層(AS22)の上に位置するミラー層(AS11)よりも低い音響的なインピーダンスを有する場合に、前記第2のミラー層(AS22)と前記第2のミラー層(AS22)の上に位置するミラー層(AS11)との境界に前記副モードの定在波の波腹が生じるように選定されている、請求項16記載の共振器。
- 別のミラー層は第1のミラー層(AS11)である、請求項17または請求項18記載の共振器。
- 別のミラー層は前記第1の部分ミラーと前記第2の部分ミラーとの間に配置されている中間層(ZS)であり、該中間層(ZS)の厚さは前記第1のミラー層の厚さと前記第2のミラー層の厚さの間の厚さを有する、請求項17または18記載の共振器。
- −前記共振器領域(RE)および前記第1の部分ミラー(AS1)により形成される配置構成の分散特性は単調に低下し、
−前記第2のミラー層(AS21,AS22)の数、該第2のミラー層(AS21,AS22)の層厚および材料は共振器全体の分散特性が単調に増加するよう選定されている、請求項6から10および12から20までのいずれか1項記載の共振器。 - −前記第1の部分ミラー(AS1)は、高い音響的なインピーダンスと低い音響的なインピーダンスを交互に有する全部で4つの第1のミラー層を有し、
−前記第2の部分ミラー(AS2)は、高い音響的なインピーダンスと低い音響的なインピーダンスを交互に有する全部で4つの第2のミラー層を有する、請求項6から21までのいずれか1項記載の共振器。 - −前記第2の部分ミラー(AS2)における前記副モードに関する反射係数は前記第1の部分ミラー(AS1)における前記副モードに関する反射係数よりも大きく、
−前記第2の部分ミラー(AS2)における前記副モードに関する透過係数は前記第1の部分ミラー(AS1)における前記副モードに関する透過係数よりも少なくとも10dB小さい、請求項6から22までのいずれか1項記載の共振器。 - 前記主モードは、該主モードの共振周波数では前記共振器領域(RE)内の縦方向において実質的に1つの1/4波が生じていることを特徴とし、
前記副モードは、該副モードの共振周波数では前記共振器領域(RE)内に実質的に1つの半波が生じることを特徴とする、請求項1記載の共振器。
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