SE524009C2

SE524009C2 - Adjustable device for acoustic wave and method for tuning device for acoustic wave

Info

Publication number: SE524009C2
Application number: SE0203155A
Authority: SE
Inventors: Sture Petersson; Alexander M Grishin
Original assignee: Sture Petersson; Alexander M Grishin
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2004-06-15
Also published as: WO2004038915A1; SE0203155D0; SE0203155L; AU2003274861A1

Abstract

The invention discloses a tunable acoustic wave device (100; 200) comprising a piezoelectric material (120; 220) with a tunable dielectric permittivity. The dielectric permittivity of the material is tuned by applying a tuning electric field (190), preferably a DC-bias field, low frequency AC field, pulsed electric field or AC electric field superimposed onto an electric field pulse, thereto. By tuning the dielectric permittivity, the operation characteristics of the device (100; 200), including the acoustic wave velocity in the material (120; 220) and the resonance frequency and bandwidth of the device (100; 200), may be tuned. The tuning electric field (190) may applied by superimposing it onto the input high frequency electric field signal of the device (100; 200) or by applying it over at least a portion of the piezoelectric material (120; 220). A piezoelectric material (120; 220) with a tunable dielectric permittivity can be found in ceramic crystalline superparaelectric materials, e.g. perovskite niobates-tantalates.

Description

25 30 524 009 2 drivits av den mycket stora expansionen av marknaderna för cellulär telefoni har SAW-teknologi även använts i högpresterande fördröjningslinor och radarsystem. Nyutkomna SAW-applikationer kan återfinnas i SAW-sensorer och SAW-etiketter. 25 30 524 009 2 driven by the very large expansion of the markets for cellular telephony, SAW technology has also been used in high-performance delay lines and radar systems. New SAW applications can be found in SAW sensors and SAW labels.

För många högfrekventa tillämpningar har kvarts länge varit första valet på grund av dess försumbara temperaturkoefﬁcient för frekvensen, relativt höga hastighet för akustiska bulk- och ytvågor och små utbredningsförluster.For many high-frequency applications, quartz has long been the first choice due to its negligible frequency coefficient of frequency, relatively high velocity for bulk and surface acoustic waves and small propagation losses.

Kvarts har emellertid en väsentlig nackdel i dess låga, såsom i de flesta vanliga material, elektromekaniska kopplingskoefﬁcient, K2 ~ 0,1 % - 0,17 %.However, quartz has a significant disadvantage in its low, as in most common materials, electromechanical coupling coefficient, K2 ~ 0.1% - 0.17%.

Detta begränsar påtagligt den bandbredd som kan uppnås i filter för akustisk våg och frekvensskiftarna i oscillatorkretsar. Dessutom är material med låg K? inte lämpliga för vissa tillämpningar, innefattande mobila system, beroende på hög effektförbrukning i dessa anordningar på grund av deras låga effektiviteter för omvandling mellan elektrisk och mekanisk energi.This significantly limits the bandwidth that can be achieved in acoustic wave filters and the frequency shifts in oscillator circuits. In addition, materials with low K? not suitable for certain applications, including mobile systems, due to the high power consumption of these devices due to their low efficiency for conversion between electrical and mechanical energy.

För att uppnå lämplig K2 och samtidigt utnyttja kvarts fördelarna avsätts tunna filmer av material med hög K2 på kvartssubstraten. Användningen av piezoelektriska mikrometertjocka filmer på icke-piezoelektriska substrat möjliggör att den totala K2 ökar upp till ﬂera procent. Eftersom en SAW-våg emellertid penetrerar till ett djup på ungefär två våglängder under den piezoelektriska filmens yta och således utbreder sig huvudsakligen i substratet bestäms utbredningsförlusten och den höga akustiska kvalitén till stor del fortfarande av substratmaterialet.In order to achieve a suitable K2 and at the same time utilize the quartz advantages, thin films of high K2 material are deposited on the quartz substrates. The use of piezoelectric micrometer-thick films on non-piezoelectric substrates allows the total K2 to increase up to ﬂ your percent. However, since a SAW wave penetrates to a depth of about two wavelengths below the surface of the piezoelectric film and thus propagates mainly in the substrate, the propagation loss and the high acoustic quality are still largely determined by the substrate material.

Jämfört med SAW-teknologin har BAW-anordningar för närvarande större konstruktionsstorlek men banar ändå väg för området med högfrekventa tillämpningar. BAW-anordningar, som fungerar i området mellan 500 MHz och 10 GHz, erfordrar tunna piezoelektriska lager från ett par um ned till 100 nm, vilka inhyser en akustisk våg (tjockleksutsträckande mod) exciterad av elektriskt växelströmsfält. För att minska energiförluster kan en akustisk reflektor tillhandahållas under resonatorn. En sådan reﬂektor skulle kunna 10 15 20 25 30 524 009 s innefatta fria mikrotillverkade membran, luftgap och akustiska interferens- filter.Compared to SAW technology, BAW devices currently have a larger design size but still pave the way for the field of high-frequency applications. BAW devices, operating in the range between 500 MHz and 10 GHz, require thin piezoelectric layers from a few μm down to 100 nm, which house an acoustic wave (thickness extending mode) excited by electric field. To reduce energy losses, an acoustic reflector can be provided under the resonator. Such a reactor could comprise free microfabricated membranes, air gaps and acoustic interference filters.

Användningen av tunna piezoelektriska ﬁlmer är känd både för SAW- och BAW-anordningar. Om de framställs vid starkt c-axelorienterat tillstånd tillhandahåller de såväl hög elektromekanisk kopplingskoefficient som låga införda akustiska förluster.The use of thin piezoelectric films is known for both SAW and BAW devices. If produced in a strong c-axis oriented state, they provide both high electromechanical coupling coefficient and low introduced acoustic losses.

De ﬂesta kända SAW- och BAW-anordningarna är behäftade med en väsentlig nackdel i att deras frekvens inte kan avstämmas. Detta beror på att driftsfrekvensen definieras av anordningens geometri och är därför fast.Most known SAW and BAW devices have a significant disadvantage in that their frequency cannot be tuned. This is because the operating frequency is defined by the geometry of the device and is therefore fixed.

För BAW-anordningar beror driftsfrekvensen på den piezoelektriska filmens tjocklek medan för SAW-anordningar bestäms frekvensen av perioden hos omvandlarnas ﬁngerﬂätade litograﬁska mönster.For BAW devices, the operating frequency depends on the thickness of the piezoelectric film, while for SAW devices, the frequency is determined by the period of the transducers' engraved lithographic pattern.

Nyligen har vissa lösningar föreslagits för erhållande av avstämbara anordningar för akustisk ytvåg. Det amerikanska patentet med nummer 4 078 186 visar en anordning för akustisk ytvåg med en tunn magnetostriktiv film avsatt på ytan mellan dess in- och utomvandlare. Ett variabelt magnetiskt fält påförs filmen för att variera dess karakteristiker och därigenom på motsvarande sätt variera den akustiska ytvågens fördröjning eller fasskifte.Recently, some solutions have been proposed for obtaining tunable surface acoustic wave devices. U.S. Patent No. 4,078,186 discloses a surface acoustic wave device having a thin magnetostrictive film deposited on the surface between its inverter and outverter. A variable magnetic field is applied to the film to vary its characteristics and thereby vary the delay or phase shift of the acoustic surface wave accordingly.

I det amerikanska patentet med nummer 4 342 971 beskriver Clyde et al en anordning för akustisk ytvåg fäst i ett hölje. Ett elektrostriktivt element är även fäst inne i höljet mellan en ände av anordningen och en inre vägg av höljet. En styrsignal påförs elektroder anslutna till elementet för att variera dess storlek. Elementet påför en mekanisk kraft på anordningen för akustisk ytvåg för att ändra avståndet mellan dess in- och utomvandlare och följaktligen tillhandahålls en styrning av fördröjningstiden mellan en påförd insignal och en utsignal. 10 15 20 25 30 . n n o.. ~ n nu o II _: _" ' _ f s. ~ - v ~ ø- I i _ . . . v n . _ ~. n z _ z _ _ _ nn .u -. »i -.«u v _ _ v ' ' " * ' ' ° " . . n 1 . . e u u n . ~ 4 Det amerikanska patentet med nummer 5 343 175 visar en anordning för akustisk ytvåg med ett piezoelektriskt substrat och en mekanism som är mekaniskt kopplad till substratet för att mekaniskt deformera substratet för att modifiera anordningens utsignal.In U.S. Patent No. 4,342,971, Clyde et al. Disclose a surface acoustic wave device mounted in a housing. An electrostrictive element is also attached inside the housing between one end of the device and an inner wall of the housing. A control signal is applied to electrodes connected to the element to vary its size. The element applies a mechanical force to the surface acoustic wave device to change the distance between its input and output converters, and consequently a control of the delay time between an applied input signal and an output signal is provided. 10 15 20 25 30. nn o .. ~ n nu o II _: _ "'_ f s. ~ - v ~ ø- I i _... vn. _ ~. nz _ z _ _ _ nn .u -.» i -. U.S. Patent No. 5,343,175 discloses an acoustic surface wave device having a piezoelectric substrate and a mechanism mechanically coupled to the substrate. to mechanically deform the substrate to modify the output of the device.

En SAW-anordning som är magnetiskt avstämbar visas i det amerikanska patentet med nummer 5 959 388. I anordningen kopplas ett piezoelektriskt material mekaniskt till ett magnetostriktivt material. Spänningar som induceras magnetiskt i det magnetostriktiva materialet kopplas till det piezoelektriska lagret och ändrar hastigheten hos de akustiska vågor som utbreder sig i lagret.A magnetically tunable SAW device is disclosed in U.S. Patent No. 5,959,388. In the device, a piezoelectric material is mechanically coupled to a magnetostrictive material. Voltages that are magnetically induced in the magnetostrictive material are coupled to the piezoelectric layer and change the speed of the acoustic waves propagating in the layer.

Alla de SAW-anordningar som diskuterades ovan avstäms mekaniskt genom deformering av det piezoelektriska lagret genom vilket akustiska ytvågor utreder sig. Sådana mekaniskt varierbara anordningar gensvarar emellertid långsamt och är ganska svåra att tillverka. Akustiska filters avstämbarhet kan istället erhållas genom att införa spänningsberoende kondensatorer i de akustiska ﬁlterna, vilket belyses med de två följande patenten.All of the SAW devices discussed above are mechanically tuned by deforming the piezoelectric layer through which surface acoustic waves propagate. However, such mechanically variable devices respond slowly and are quite difficult to manufacture. The tunability of acoustic filters can instead be obtained by introducing voltage-dependent capacitors in the acoustic filters, which is illustrated by the following two patents.

Det amerikanska patent med nummer 5 291 159 beskriver ett akustiskt resonatorñlter med en parallellkoppling som består av en induktor och en spänningsvariabel kondensatormatris. Ett par akustiska resonatorer har vardera en parallell induktor som är ansluten till varandra och till parallellkopplingsnätet. En av ett par spänningsvariabla kondensator- matriser, vardera med en kommandoinspänning för centrumfrekvensen, ansluts till vardera akustisk resonator och en associerad induktor.U.S. Patent No. 5,291,159 discloses an acoustic resonator filter having a parallel connection consisting of an inductor and a voltage variable capacitor array. A pair of acoustic resonators each have a parallel inductor which is connected to each other and to the parallel connection network. One of a pair of voltage variable capacitor arrays, each with a command voltage for the center frequency, is connected to each acoustic resonator and an associated inductor.

I det amerikanska patentet med nummer 6 018 281 visas ett filter för akustisk ytvåg anslutet i en stegtyp. SAW-ﬁltret har ett element som ändrar kapacitet genom att påföra en spänning. Detta element är anslutet i serie med en resonator som i sin tur är ansluten parallellt med signallinan. 10 15 20 25 30 524 009 5 De två ovan identifierade patenten försöker att uppnå avstämning av akustiska resonatorer eller SAW-ﬁlter genom införning av spänningsvariabla kondensatormatriser eller element. Således måste extra element och enheter anordnas i filterna, vilket ökar konstruktionskomplexiteten och -kostnaden.U.S. Patent No. 6,018,281 discloses a surface acoustic wave filter connected in a step type. The SAW filter has an element that changes capacity by applying a voltage. This element is connected in series with a resonator which in turn is connected parallel to the signal line. 10 15 20 25 30 524 009 5 The two patents identified above attempt to achieve tuning of acoustic resonators or SAW filters by introducing voltage-variable capacitor arrays or elements. Thus, additional elements and units must be provided in the filters, which increases the construction complexity and cost.

I det amerikanska patentet med nummer 5 438 554 visar Yoshida et al en ultraljudssond för icke-invasivt åskådliggörande av det inre av ett objekt, innefattande människokroppen. Sonden innefattar en ultraljudsomvandlare som i sin tur innefattar en kropp av ett första piezoelektriskt material akustiskt kopplad till en kropp av ett andra akustiskt material. Vid driftstemperatur påförs en oscillerande spänning till det första piezo- elektriska materialet med en fast polarisering. Den oscillerande frekvensen genererar akustiska signaler i det första materialet genom materialets elektromekaniska egenskaper. Det andra piezoelektriska materialet har emellertid en Curietemperatur på ungefär 25 °C och är därför slumpmässigt polad och elektromekaniskt inaktiv. Genom att påföra en likströms- förstärkning till detta andra materials kropp blir materialet polariserat och elektromekaniskt aktivt.In U.S. Patent No. 5,438,554, Yoshida et al disclose an ultrasound probe for non-invasively visualizing the interior of an object, including the human body. The probe comprises an ultrasonic transducer which in turn comprises a body of a first piezoelectric material acoustically coupled to a body of a second acoustic material. At operating temperature, an oscillating voltage is applied to the first piezoelectric material with a fixed polarization. The oscillating frequency generates acoustic signals in the first material through the electromechanical properties of the material. However, the second piezoelectric material has a Curie temperature of about 25 ° C and is therefore randomly polarized and electromechanically inactive. By applying a direct current gain to the body of this other material, the material becomes polarized and electromechanically active.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Den föreliggande uppfinningen övervinner dessa och andra nackdelar hos uppstållningar enligt känd teknik.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention overcomes these and other disadvantages of prior art housings.

Det är ett allmänt syfte med uppﬁnningen att tillhandahålla en avstämbar - anordning för akustisk våg.It is a general object of the invention to provide a tunable acoustic wave device.

Det är ett annat syfte med uppﬁnningen att tillhandahålla en anordning för akustisk våg som kan avstämmas elektriskt.It is another object of the invention to provide an acoustic wave device which can be electrically tuned.

Det är ytterligare ett syfte med uppﬁnningen att tillhandahålla ett förfarande för elektrisk avstämning av driftskarakteristikerna hos en anordning för akustisk våg. 10 15 20 25 30 524 009 6 Syften ovan uppnås genom anordningar och förfaranden enligt de medföljande patentkraven. I allmänna ordalag innefattar en anordning för akustisk våg ett piezoelektriskt material med en avstämningsbar dielektrisk permittivitet. Det piezoelektriska materialets dielektriska permittivitet är avstämbart genom att påföra ett elektriskt fält på materialet. Genom att kunna avstämma och variera materialets dielektriska permittivitet kan driftskarakteristikerna hos anordningen för akustisk våg avstämmas. Dessa driftskarakteristiker innefattar, bland annat, hastigheten hos den akustiska våg som utbreder sig genom det piezoelektriska materialet, anordningens resonansfrekvens och bandbredd samt utbredningsriktningen hos akustiska vågens energiﬂöde i materialet, vilket ibland hänvisas till som strålstyrning.It is a further object of the invention to provide a method for electrically tuning the operating characteristics of an acoustic wave device. The above objects are achieved by devices and methods according to the appended claims. In general terms, an acoustic wave device comprises a piezoelectric material with a tunable dielectric permittivity. The dielectric permittivity of the piezoelectric material is tunable by applying an electric field to the material. By being able to tune and vary the dielectric permittivity of the material, the operating characteristics of the acoustic wave device can be tuned. These operating characteristics include, but are not limited to, the velocity of the acoustic wave propagating through the piezoelectric material, the resonant frequency and bandwidth of the device, and the direction of propagation of the energy wave energy i in the material, sometimes referred to as beam control.

Det elektriska fältet är företrädesvis ett likströmsfält, lågfrekvent växel- strömsfält (med en frekvens på upp till 100 kHz - 1 MHz) eller ett pulsat elektriskt fält. Dessutom kan ett lågfrekvent växelströmsfält överlagrat på ett pulsat elektriskt fält användas för avstämning av anordningen för akustisk våg enligt uppfinningen. Det elektriska fältet kan påföras det piezoelektriska materialet genom att överlagras på den högfrekventa elektriska fältinsignal som ska omvandlas till en akustisk vågsignal av den akustiska anordningen.The electric field is preferably a direct current field, a low-frequency alternating current field (with a frequency of up to 100 kHz - 1 MHz) or a pulsed electric field. In addition, a low frequency AC field superimposed on a pulsed electric field can be used to tune the acoustic wave device according to the invention. The electric field can be applied to the piezoelectric material by being superimposed on the high frequency electric field input signal to be converted into an acoustic wave signal by the acoustic device.

Som ett alternativ eller en kombination kan det elektriska fältet påföras över hela eller delvis över den del av det piezoelektriska materialet där den akustiska vågsignalen utbreder sig.As an alternative or combination, the electric field may be applied over all or part of the part of the piezoelectric material where the acoustic wave signal propagates.

Det piezoelektriska materialet med en elektriskt avstämbar dielektrisk permittivitet är företrädesvis ett keramiskt kristallint material för att öka den piezoelektriska effekten och erhålla ett starkt beroende hos den dielektriska permittiviteten på det påförda avstämmande elektriska fältet.The piezoelectric material with an electrically tunable dielectric permittivity is preferably a ceramic crystalline material to increase the piezoelectric effect and obtain a strong dependence of the dielectric permittivity on the applied tuning electric field.

Typiska material som uppfyller uppﬁnningens krav är superparaelektriska material. Med avseende på elektriska egenskaper är sådana material sammansatta av kluster av elektriska dipoler. Dipolerna inom varje kluster är polariserade i en riktning. Olika klusters polarisationsriktningar är emellertid statiskt slumpmässig. Vid ett elektriskt fält med fältstyrkan noll 10 15 20 25 30 524 009 u . . _ . . . n . 1 - ..- na. .v a ...un-u - n u o z : : . . ~ u . . . ~ - v . I 7 . . . . .. . u s.. u.. .- upphäver därför dipolmomenten varandra, vilket resulterar i en netto- polarisering på noll. Genom att päföra ett elektriskt fält roterar klustrenas dipolmoment i det elektriska fältets riktning. Samtidigt ökar den totala polariseringen och blir mättad vid starka påförda elektriska fält. Genom att tillhandahålla sådana superparaelektriska material med stora kluster- storlekar och undvika polarisering av alla kluster i en riktning, genom att förhindra växelverkan mellan klustrena, kan hög dielektrisk permittivitet (susceptibilitet) uppnås vid någorlunda låga elektriska fält. Dessutom kan risken för hysteres och höga förluster i materialet reduceras.Typical materials that meet the requirements of the invention are superparaelectric materials. With respect to electrical properties, such materials are composed of clusters of electrical dipoles. The dipoles within each cluster are polarized in one direction. However, the polarization directions of different clusters are statically random. In the case of an electric field with a field strength of zero 10 15 20 25 30 524 009 u. . _. . . n. 1 - ..- na. .v a ... un-u - n u o z::. . ~ u. . . ~ - v. I 7. . . . ... u s .. u .. .- therefore the dipole moments cancel each other out, which results in a net polarization of zero. By applying an electric field, the dipole moment of the clusters rotates in the direction of the electric field. At the same time, the total polarization increases and becomes saturated with strongly applied electric fields. By providing such superparaelectric materials with large cluster sizes and avoiding polarization of all clusters in one direction, by preventing interaction between the clusters, high dielectric permittivity (susceptibility) can be achieved at relatively low electric fields. In addition, the risk of hysteresis and high losses in the material can be reduced.

Superparaelektriska material med både piezoelektrisk effekt och variabel dielektrisk permittivitet kan framställas genom att anpassa Curie- temperaturen och optimera de piezoelektriska keramikernas (nano)- kristallina struktur. Olika pervoskitniobater, -tantalater, inklusive kalium- niobat (KNbOs), Skulle kunna vara kandidater för sådana material.Superparaelectric materials with both piezoelectric power and variable dielectric permittivity can be produced by adjusting the Curie temperature and optimizing the crystalline structure of the piezoelectric ceramics (nano). Various pervoskitniobates, tantalates, including potassium niobate (KNbOs), could be candidates for such materials.

Den föreliggande uppﬁnningens piezoelektriska material tillhandahålls företrädesvis som en ﬁlm i anordningen för akustisk våg. För anordningar för akustisk ytvåg betyder detta att den piezoelektriska och elektriskt avstämbara ﬁlmen monteras på ett substrat av till exempel kvarts. Relevanta omvandlare (tex. in- och utomvandlare) kan framställas genom fotolitograñ på ﬁlmen. I en anordning för akustisk bulkväg anordnas ﬁlmen mellan topp- och bottenelektroderna (jordelektroden). Genom att utnyttja det nya förfarandet med fysikalisk ångavsättning kan godtyckliga legeringar av olika kompatibla pervoskitsammansättningar enligt uppfinningen tillhandahållas som epitaxiñlmer för användning i anordningar för akustisk våg.The piezoelectric material of the present invention is preferably provided as a film in the acoustic wave device. For surface acoustic wave devices, this means that the piezoelectric and electrically tunable band is mounted on a substrate of, for example, quartz. Relevant converters (eg in- and out-converters) can be produced by photolithography on the menlmen. In a device for acoustic bulk path, the gap between the top and bottom electrodes (the ground electrode) is arranged. By utilizing the new physical vapor deposition method, arbitrary alloys of various compatible pervosite compositions of the invention can be provided as epitaxials for use in acoustic wave devices.

Uppﬁnningen erbjuder följande fördelar: - Avstämning av driftskarakteristikerna hos en anordning för akustisk våg över stora områden; - Inga extra element eller enheter anslutna till anordningen krävs, vilket därigenom medger en liten total anordningsstorlek; - Medger snabb avstämning av anordningen för akustisk våg; 10 15 20 25 30 524 009 s - Medger dynamisk avstämning av anordningen för akustisk våg; - Minskar hysteres och effektförluster; - Tillhandahäller utökade effekthanteringsmöjligheter.The invention offers the following advantages: - Tuning of the operating characteristics of a device for acoustic wave over large areas; No additional elements or units connected to the device are required, thereby allowing a small total device size; - Allows quick tuning of the acoustic wave device; 10 15 20 25 30 524 009 s - Allows dynamic tuning of the acoustic wave device; - Reduces hysteresis and power losses; - Provides extended power management capabilities.

Andra fördelar som erbjuds av den föreliggande uppfinningen kommer att förstås vid läsning av den nedanstående beskrivningen av uppfinningens utföringsformer.Other advantages offered by the present invention will be understood upon reading the following description of the embodiments of the invention.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppñnningen, tillsammans med ytterligare syften och fördelar med denna, kan bäst förstås genom hänvisning till följande beskrivning läst tillsammans med de medföljande ritningarna, i vilka: Fig. 1 illustrerar det elektriska fältets beroende på polarisationen i ett superparaelektriskt material; Fig. 2 illustrerar det elektriska fältets beroende på polariserbarheten i ett superparaelektriskt material; Fig. 3 är en schematiskt perpektivvy av en anordning för akustisk ytvåg försedd med ett piezoelektriskt material med en elektriskt avstämbar dielektrisk permittivitet enligt uppfinningen; Fig. 4 är en tvärsnittsvy av anordningen för akustisk ytvåg i Fig. 3 försedd med styrutrustning för dynamisk avstämning av våganordningens drift; Fig. 5 är en tvärsnittsvy av en anordning för akustisk bulkvåg försedd med ett piezoelektriskt material med en elektriskt avstämbar dielektrisk permittivitet enligt uppfinningen; Fig. 6 är ett ﬂödesdiagram över ett förfarande för avstämning av en anordning för akustisk våg enligt uppfinningen; samt Fig. 7 är ett ﬂödesdiagram över steget att päföra ett elektriskt fält enligt Fig. 6. 10 15 20 25 30 524 009 9 BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Genomgående i ritningarna kommer samma hänvisningsbeteckningar att användas för motsvarande eller lika element.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention, together with further objects and advantages thereof, can best be understood by reference to the following description read in conjunction with the accompanying drawings, in which: Fig. 1 illustrates the dependence of the electric field on the polarization of a superparaelectric material; Fig. 2 illustrates the dependence of the electric field on the polarizability of a superparaelectric material; Fig. 3 is a schematic perspective view of a surface acoustic wave device provided with a piezoelectric material having an electrically tunable dielectric permittivity according to the invention; Fig. 4 is a cross-sectional view of the surface acoustic wave device of Fig. 3 provided with control equipment for dynamically tuning the operation of the wave device; Fig. 5 is a cross-sectional view of a bulk acoustic wave device provided with a piezoelectric material having an electrically tunable dielectric permittivity according to the invention; Fig. 6 is a flow chart of a method for tuning an acoustic wave device according to the invention; and Fig. 7 is a fate diagram of the step of applying an electric field according to Fig. 6. DESCRIPTION OF THE INVENTION Throughout the drawings, the same reference numerals will be used for corresponding or similar elements.

Den föreliggande uppfinningen avser avstämbara anordningar för akustisk våg. Sådana anordningar utnyttjas för att omvandla, i en ingångsomvandlare eller -resonator, en elektriskt fältinsignal till en akustisk vågsignal, innefattade SAW- och BAW-signaler. Därefter kan den akustiska vågsignalen på motsvarande sätt omvandlas, i en utgångsomvandlare eller -resonator, till en elektrisk fältutsignal. Sådana anordningar kan användas för vitt skilda ﬁlter, fördröjníngslinor och högfrekventa generatorer. tillämpningar, innefattande resonatorer, oscillatorer, Avstämbarheten hos en anordning för akustisk våg enligt uppﬁnningen åstadkoms genom att anordna, i våganordningen, ett material som kopplar mekaniska och elektriska fält, vilket material har både piezoelektrisk effekt och en avstämbar dielektrisk permittivitet.The present invention relates to tunable acoustic wave devices. Such devices are used to convert, in an input converter or resonator, an electric field input signal to an acoustic wave signal, including SAW and BAW signals. Thereafter, the acoustic wave signal can be correspondingly converted, in an output converter or resonator, into an electric field output signal. Such devices can be used for widely differing filters, delay lines and high frequency generators. applications, including resonators, oscillators, The tunability of an acoustic wave device according to the invention is achieved by arranging, in the wave device, a material that connects mechanical and electric fields, which material has both piezoelectric effect and a tunable dielectric permittivity.

Den piezoelektriska effekten tillhandahåller en effektiv koppling mellan elektriska och mekaniska fält, dvs. omvandlar elektriska fältsignaler till akustiska vågsignaler och vice versa. En avstämbar dielektrisk permittivitet medger att anordningen för akustisk våg avstäms genom att påföra ett modulerande elektriskt fält på det piezoelektriska materialet. Ett sådant elektriskt fält är företrädesvis ett likströmsfält, lågfrekvent växelströmsfält, pulsat elektriskt fält eller ett lägtfrekvent växelströmsfält överlagrat på ett pulsat elektriskt fält eller elektrisk fältpuls med en godtycklig vågform påförd på våganordningen. Detta påförda modulerande elektriska fältet medger styrning av de funktionella karakteristikerna eller driftskarakteristikerna hos anordningen för akustisk våg, vilket diskuteras i mer detalj nedan.The piezoelectric effect provides an efficient connection between electric and mechanical fields, ie. converts electric field signals into acoustic wave signals and vice versa. A tunable dielectric permittivity allows the acoustic wave device to be tuned by applying a modulating electric field to the piezoelectric material. Such an electric field is preferably a direct current field, low-frequency alternating current field, pulsed electric field or a low-frequency alternating current field superimposed on a pulsed electric field or electric field pulse with an arbitrary waveform applied to the wave device. This applied modulating electric field allows control of the functional characteristics or operating characteristics of the acoustic wave device, which is discussed in more detail below.

Likströmsförspänningsfältet kan användas för att hålla ett konstant värde på anordningens karakteristiker medan det lågfrekventa växelströmsfältet kan användas för att modulera anordningens karakteristiker vid frekvenser upp till 100 kHz - l Ml-lz. Dessutom kan ett pulsat elektriskt fält användas 10 15 20 25 30 524 009 10 för omkoppling mellan två eller ﬂera olika värden på anordningens drifts- karakteristiker. Kombination av ett lågfrekvent växelströmsfält med pulsat elektriskt fält kan användas för att uppnå både omkoppling mellan olika kanaler och modulering av anordningen för akustisk våg inom en viss kanal.The DC bias field can be used to maintain a constant value of the device characteristics while the low frequency AC field can be used to modulate the device characteristics at frequencies up to 100 kHz - 1 M1-1z. In addition, a pulsed electric field can be used for switching between two or olika different values of the operating characteristics of the device. Combining a low-frequency AC field with a pulsed electric field can be used to achieve both switching between different channels and modulation of the acoustic wave device within a certain channel.

Det pulsade elektriska fältet kan vara en puls med godtycklig vågform för att erhålla den önskade omkopplingen av driftskarakteristikernas värden.The pulsed electric field can be a pulse of any waveform to obtain the desired switching of the values of the operating characteristics.

Det modulerande elektriska fältet kan överlagras på den högfrekventa elektriska fältsignalen som ska omvandlas till en akustisk signal i anordningen för akustisk våg. Högfrekventa elektriska fält har i de ﬂesta av dagens anordningar för akustisk våg en driftsfrekvens på upp till 1-2 GHz men den kan även vara upp till ﬂera GHz, t.ex. 10 GHz. Som ett alternativt eller en kombination kan det elektriska fältet påföras över hela eller åtminstone delvis över den del av det piezoelektriska materialet där den akustiska vågsignalen utbreder sig. I sådana fall kan vågsignalen moduleras längs sin utbredning mellan en ingångsomvandlare eller -resonator och en utgångsomvandlare eller -resonator, vilket resulterar i avstämning av anordningens driftskarakteristiker.The modulating electric field can be superimposed on the high frequency electric field signal to be converted into an acoustic signal in the acoustic wave device. In most of today's acoustic wave devices, high-frequency electric fields have an operating frequency of up to 1-2 GHz, but it can also be up to ﬂ your GHz, e.g. 10 GHz. As an alternative or a combination, the electric field may be applied over all or at least partially over the part of the piezoelectric material where the acoustic wave signal propagates. In such cases, the wave signal can be modulated along its propagation between an input converter or resonator and an output converter or resonator, resulting in tuning of the operating characteristics of the device.

Det piezoelektriska materialets dielektriska permittivitet påverkar ﬂera av anordningens driftskarakteristiker eller akustiska karakteristiker, inklusive den akustiska vågens hastighet i materialet, anordningens resonatorfrekvens (driftsfrekvens) och bandbredd samt utbredningsriktningen hos den akustiska vågens energiﬂöde (”strålstyrning”), vilket kommer att diskuteras i mer detalj nedan. Genom att avstämma den dielektriska permittivitet är det således möjligt att avstämma och modulera de ovan identifierade akustiska karakteristikerna hos anordningen och följaktligen driften av anordningen.The dielectric permittivity of the piezoelectric material affects one of the operating characteristics or acoustic characteristics of the device, including the speed of the acoustic wave in the material, the resonator frequency (operating frequency) and bandwidth of the device and the direction of propagation of the acoustic wave energy. . By tuning the dielectric permittivity, it is thus possible to tune and modulate the above-identified acoustic characteristics of the device and consequently the operation of the device.

“Superparaelektriska” material uppfyller materialkraven enligt uppfinningen, dvs. piezoelektrisk effekt och avstämbar dielektrisk permittivitet. Såsom fackmannen vet är ett paraelektriskt material en ensemble av icke-våxel- verkande små elektriska dipoler, t.ex. molekyler. Sådana material har därför en olinjär dielektrisk permittivitet. Jämfört med paraelektriska material är de 10 15 20 25 30 524 009 ll små molekylära dipolerna sammanslagna till större ensembler eller kluster i superparaelektriska material. I varje sådant kluster är dipolerna spontant polariserade i en och samma riktning. Fastän dipolerna är polariserade upp till mättning i en riktningen inom ett kluster har de olika klustrena statiskt slumpmässig polariseringsorientering tills de växelverkar med varandra."Superparaelectric" materials meet the material requirements of the invention, ie. piezoelectric power and tunable dielectric permittivity. As those skilled in the art know, a paraelectric material is an ensemble of non-interacting small electric dipoles, e.g. molecules. Such materials therefore have a nonlinear dielectric permittivity. Compared to paraelectric materials, the small molecular dipoles are fused into larger ensembles or clusters in superparaelectric materials. In each such cluster, the dipoles are spontaneously polarized in one and the same direction. Although the dipoles are polarized up to saturation in one direction within a cluster, the different clusters have a statically random polarization orientation until they interact with each other.

Dessutom är klustrena statiskt fördelade med avseende på deras storlek och läge. Sådana klusterfördelningars karakteristiker kan skräddarsys med tekniska parametrar i tillverkningsprocessen av materialet för anordningar för akustisk våg. För att särskilt tillverka ytterst bra superparaelektriska material bör dipolmomenten i materialet samlas ihop till kluster med så stor klusterstorlek som möjligt. Dessutom bör eventuell växelverkan mellan klustrena minimeras så mycket som möjligt för att undvika spontan polarisering av alla kluster i en riktning. De superparaelektriska materialen kan således tillverkas genom att optimera materialens (nano)struktur och genom anpassning av Curietemperaturen.In addition, the clusters are statically distributed with respect to their size and location. The characteristics of such cluster distributions can be tailored with technical parameters in the manufacturing process of the material for acoustic wave devices. In order to produce extremely good superparaelectric materials in particular, the dipole moments in the material should be collected into clusters with as large a cluster size as possible. In addition, any interaction between the clusters should be minimized as much as possible to avoid spontaneous polarization of all clusters in one direction. The superparaelectric materials can thus be manufactured by optimizing the (nano) structure of the materials and by adjusting the Curie temperature.

Följaktligen är superparaelektriska material sammansatta av stora kluster som växelverkar svagt med varandra genom Coulumb dipol-dipolinteraktion och/ eller elektrostriktiv interaktion över långa avstånd, vilket resulterar i starkt olinjär dielektrisk permittivitet.Consequently, superparaelectric materials are composed of large clusters that interact weakly with each other through Coulumb dipole-dipole interaction and / or electrostrictive interaction over long distances, resulting in strongly nonlinear dielectric permittivity.

Den dielektriska permittiviteten e i superparaelektriska material följer ekvation (1): ß=1+x (1) där 95 är materialets dielektriska susceptibilitet. Susceptibiliteten kan uttryckas genom permittiviteten i vakuum so och materialets differentiella polariserbarhet a = gå enligt ekvation (2): __l_öP ß ä: (2) 10 15 20 25 524 009 12 Polariserbarheten kan i sin tur erhållas från det superparaelektriska materialets polarisation P, vilken följer Langevins lag: P= npoícorhﬂå- kT J (s) kT pOE där n [m4] är koncentrationen av de elektriska dipolerna, po [Cm] är ett elektriskt dipolmoment, k är Boltzmanns konstant, T är temperaturen och E är ett elektriskt fält. Vid ett pålagt elektriskt fält med noll i fältstyrka ﬁnns det ingen nettopolarisering, dvs. alla kluster av molekylära dipoler är slumpmässigt orienterade och upphäver varandra. Ett påfört elektriskt fält orienterar dem i en riktning genom rotering tills full mättnad.The dielectric permittivity e in superparaelectric materials follows equation (1): ß = 1 + x (1) where 95 is the dielectric susceptibility of the material. The susceptibility can be expressed by the permittivity in vacuum so and the differential polarizability of the material a = go according to equation (2): __1_öP ß ä: (2) 10 Langevin's law: P = npoícorh ﬂ å- kT J (s) kT pOE where n [m4] is the concentration of the electric dipoles, po [Cm] is an electric dipole moment, k is Boltzmann's constant, T is the temperature and E is an electric field. In the case of an applied electric field with zero field strength, there is no net polarization, ie. all clusters of molecular dipoles are randomly oriented and cancel each other out. An applied electric field orients them in one direction by rotation until full saturation.

Fig. 1 illustrerar ett superparaelektriskt materials polarisering med den motsvarande polariserbarheten illustrerad i Fig. 2. Polariserbarhetens beroende på det elektriska fältet följer ekvation (4): 2 (AE :âliznpâ (kTJ_ 2 (4) ÖE PoE SiHhZÉ kT Från ekvation (4) följer det att den högsta erhållbara polariserbarheten vid ökar med kvadraten på klustrets P 2 låga elektriska fån am = (gi-Jm = dipolmoment. Den dielektriska permittivitetens motsvarande beroende för superparaelektriska material är: 2 kT 2 f i E p°E sinhz -p-ï- kT 2 @(E) = 1+ ”p° eokT 10 15 20 25 30 524 009 13 Genom att därför påföra ett elektriskt fält E kan materialets dielektriska permittivitiet 8 avstämmas.Fig. 1 illustrates the polarization of a superparaelectric material with the corresponding polarizability illustrated in Fig. 2. The polarization depending on the electric field follows equation (4): 2 (AE: âliznpâ (kTJ_ 2 (4) ÖE PoE SiHhZÉ kT From equation (4) it follows that the highest obtainable polarizability at increases with the square of the cluster P 2's low electric gain am = (gi-Jm = dipole moment. The corresponding dependence of the dielectric permittivity for superparaelectric materials is: 2 kT 2 fi E p ° E sinhz -p-ï - kT 2 @ (E) = 1+ ”p ° eokT 10 15 20 25 30 524 009 13 Therefore, by applying an electric field E, the dielectric permittivity of the material 8 can be tuned.

Fastän materialet i uppﬂnningens piezoelektriska material företrädesvis är ett superparaelektriskt material är det inte begränsat därtill. Även ferroelektriska material kan ha en piezoelektrisk effekt och en elektriskt avstämbar dielektrisk permittivitet. Särskilt ferroelektriska material med starkt korrelerade dipolmoment kan tillverkas med speciella kristallina strukturer för att uppnå superparaelektriska egenskaper. Således kan även sådana ferroelektriska material användas i en anordning för akustisk våg enligt uppfinningen. Typiska ferroelektriska material har en permanent polarisering på grund av samverkande skifte hos vissa av dess atomer eller molekyler i en given riktning. Detta resulterar således i en nettopolarisering (restpolarisering) även vid ett pålagt fält med noll i fältstyrka. Dessutom skulle denna permanenta polarisering kunna ge upphov till hysteres och höga förluster i materialet. Denna nackdel med ferroelektriska material reduceras för material med låga koerciva fält och smala P-E-hysteresloopar.Although the material in the piezoelectric material of the invention is preferably a superparaelectric material, it is not limited thereto. Ferroelectric materials can also have a piezoelectric effect and an electrically tunable dielectric permittivity. Particularly ferroelectric materials with highly correlated dipole moments can be manufactured with special crystalline structures to achieve superparaelectric properties. Thus, such ferroelectric materials can also be used in an acoustic wave device according to the invention. Typical ferroelectric materials have a permanent polarization due to the cooperating shift of some of its atoms or molecules in a given direction. This thus results in a net polarization (residual polarization) even at an applied field with zero field strength. In addition, this permanent polarization could give rise to hysteresis and high losses in the material. This disadvantage of ferroelectric materials is reduced for materials with low coercive fields and narrow P-E hysteresis loops.

Ett optimalt superparaelektriskt material skulle faktiskt vara ett starkt ferroelektist material med noll i koercivt fält och där de stigande och fallande P-E-loopgrenarna skulle kollapsa till en mjuk kurva, vilket visas i Fig. 1.An optimal superparaelectric material would in fact be a strong ferroelectric material with zero in the coercive field and where the rising and falling P-E loop branches would collapse into a soft curve, as shown in Fig. 1.

Genom att använda (superparaelektriska) material med tillräckligt stora dipolkluster åtskilda med avstånd större än vad som krävs för att erhålla ett ferroelektriskt ordnat tillstånd kan därför två mål uppnås samtidigt. För det första förstärks den olinjära dielektriska permittiviteten (susceptibiliteten) eftersom klustrena har ett stort dipolmoment. För det andra uppkommer ingen hysteres i materialet. Dessutom minskar, enligt ekvation (3), det elektriska fält som behövs för att mätta det superparaelektriska materialet Em, ~E och således för att uppnå maximal avstämbarhet med klustrenas Po storlek (dipolmoment). Som en följd kan superparaelektriska material med förhållandevis stora klusterstorlekar (dipolmoment) avstämmas med låga elektriska fält. 10 15 20 25 524 009 14 För att uppnå högre dielektrisk permittivtet (susceptibilitet) för paraelektriska material bör även det paraelektriska materialet sintras, vilket resulterar i större dipolkluster.By using (superparaelectric) materials with sufficiently large dipole clusters separated by distances greater than what is required to obtain a ferroelectrically ordered state, two goals can therefore be achieved simultaneously. First, the nonlinear dielectric permittivity (susceptibility) is enhanced because the clusters have a large dipole moment. Secondly, no hysteresis occurs in the material. In addition, according to equation (3), the electric field required to saturate the superparaelectric material Em, ~ E and thus to achieve maximum tunability decreases with the size of the clusters Po (dipole moment). As a result, superparaelectric materials with relatively large cluster sizes (dipole moments) can be tuned with low electric fields. 10 15 20 25 524 009 14 To achieve higher dielectric permittivity (susceptibility) for paraelectric materials, the paraelectric material should also be sintered, resulting in larger dipole clusters.

Såsom diskuterades ovan, genom att elektriskt avstämma det piezoelektriska materialets dielektriska permittivitet i en anordning för akustisk våg kan drift karakteristiker anordningen själv avstämmas. anordningens och akustiska och följaktligen Med början med de akutiska vågornas hastighet s som i starkt polariserbara kristaller beror på den dielektriska permittiviteten som: 1 m; fö* SOC Eftersom den dielektriska permittiviteten s(E) är elektriskt avstämbar är även den akustiska vågshastigheten elektriskt avstämbar.As discussed above, by electrically tuning the dielectric permittivity of the piezoelectric material in an acoustic wave device, the operating characteristics of the device itself can be tuned. of the device and acoustically and consequently starting with the velocity of the acute waves as in highly polarizable crystals depends on the dielectric permittivity as: 1 m; fö * SOC Since the dielectric permittivity s (E) is electrically tunable, the acoustic wave velocity is also electrically tunable.

I en SAW-anordning är resonansfrekvensen f en funktion av våg- hastigheten och perioden L hos den ﬁngerﬂätade plana omvandlar- strukturen enligt: E f=(n+1)f(ï-) m där n är ett heltal, n = 0,1, 2, Eftersom våghastigheten är avstämbar enligt ekvation (6) är resonansfrekvensen, inklusive centrumfrekvensen fo vid n = 0 , elektriskt avstämbar.In a SAW device, the resonant frequency f is a function of the wave velocity and the period L of the ﬁ nger ﬂ eaten flat converter structure according to: E f = (n + 1) f (ï-) m where n is an integer, n = 0, 1, 2, Since the wave velocity is tunable according to equation (6), the resonant frequency, including the center frequency fo at n = 0, is electrically tunable.

På motsvarande sätt bestäms en SAW-anordnings bandbredd av både det ändliga antalet elektroder i omvandlare, som är ett fast antal för en vald 10 15 20 25 30 524 009 15 omvandlargeometri, och av den akustiska vågshastigheten. Därför kan även en avstämbarhet av denna storhet erhållas.Correspondingly, the bandwidth of a SAW device is determined by both the finite number of electrodes in the converter, which is a fixed number for a selected converter geometry, and by the acoustic wave velocity. Therefore, a tunability of this magnitude can also be obtained.

Slutligen kan elektrisk strålstyrning erhållas enligt uppﬁnningen. Effekten med strålstyrning orsakas av de för SAW- och BAW-anordningar använda kristallernas anisotropi. Effekten uppkommer på grund av att det akustiska energiﬂödets riktning, i allmänhet, inte sammanfaller med fashastighetens riktning hos de akustiska vågorna. Istället ﬂödar energiﬂödet längs en utgående normal till “långsamhetskurvan” ( 1/ s) i utredningsriktningen.Finally, electric beam control can be obtained according to the invention. The effect of beam control is caused by the anisotropy of the crystals used for SAW and BAW devices. The effect arises because the direction of the acoustic energy fate, in general, does not coincide with the direction of the phase velocity of the acoustic waves. Instead, energy ﬂ destroys fate along an outgoing normal to the “slowness curve” (1 / s) in the direction of investigation.

Eftersom ett elektriskt fält är en vektor påverkar den endast vissa komponenter av polariserbarhetstensorn. Genom att påföra ett elektriskt fält kommer således endast vissa av komponenterna hos den akustiska våg- hastigheten att påverkas, vilket resulterar i en förändring i långsamhets- kurvans utseende under fältpåförningen. Som en följd kan det elektriska fältet avstämma utbredningsriktningen hos den akustiska vägens energiﬂöde och strålstyrning erhålls.Because an electric field is a vector, it affects only certain components of the polarizability tensor. By applying an electric field, only some of the components of the acoustic wave velocity will thus be affected, which results in a change in the appearance of the slowness curve during the field application. As a result, the electric field can tune the direction of propagation of the energy of the acoustic path ﬂ fate and beam control is obtained.

Uppﬁnningens piezoelektriska material kan vara ett polykristallint eller amorft material, företrädesvis ett polykristallint eller amorft keramiskt material. Sådana material innefattar icke-metalliska material med kovalenta bindningar. Kristallina keramiska material har emellertid visat sig vara särskilt fördelaktiga enligt uppﬁnningen. Sådana kristallina material förstärker uppñnningens effekter, dvs. tillhandahåller en hög piezo- elektricitet och starkt elektriskt avstämbar dielektrisk permittivitet. Dessa effekter är mindre i polykristallina och amorfa material.The piezoelectric material of the invention may be a polycrystalline or amorphous material, preferably a polycrystalline or amorphous ceramic material. Such materials include non-metallic materials with covalent bonds. However, crystalline ceramic materials have been found to be particularly advantageous according to the invention. Such crystalline materials enhance the effects of the invention, i.e. provides high piezoelectricity and highly electrically tunable dielectric permittivity. These effects are less in polycrystalline and amorphous materials.

Pervoskitniobater, -tantalater är lovande kandidater för avstämbara akustiska anordningar. Till exempel har enskilda kristaller av kaliumniobat (KNbOg) väckt mycket uppmärksamhet på grund av deras ultrahöga elektro- mekaniska kopplingskoefñcient K2 ~ 53 % [1]. De moderna förfarandena med fysikalisk ångavsättning (PVD) möjliggör legeringar av olika kompatibla pervoskitsammansättningar. Som en följd kan kontinuerliga serier av fasta lösningar i form av epitaxiñlmer erhållas [2]. Därför kan epitaxiñlmer 10 15 20 25 30 524 009 16 skräddarsys från det ferroelektriska till det superparaelektriska tillståndet för att få fram de erfordrade piezoelektriska och avstämbara akustiska egenskaperna. En anordning för akustisk våg enligt uppfinningen kan således innefatta en sådan pervoskitniobatﬁlm, -tantalatfilm med hög piezoelektrisk effekt och elektriskt avstämbar dielektrisk permittivitet.Pervoskitniobates, tantalates are promising candidates for tunable acoustic devices. For example, individual crystals of potassium niobate (KNbOg) have attracted much attention due to their ultra-high electromechanical coupling coefficient K2 ~ 53% [1]. The modern physical vapor deposition (PVD) methods enable alloys of various compatible pervosite compositions. As a result, continuous series of solid solutions in the form of epitaxials can be obtained [2]. Therefore, epitaxial systems can be tailored from the ferroelectric to the superparaelectric state to obtain the required piezoelectric and tunable acoustic properties. An acoustic wave device according to the invention may thus comprise such a pervoskitniobate mlm, tantalate film with high piezoelectric power and electrically tunable dielectric permittivity.

Ytterligare exempel på niobater/tantalater som kan användas enligt den föreliggande uppfinningen hittas i referens [3-5].Further examples of niobates / tantalates that can be used in accordance with the present invention are found in reference [3-5].

Fig. 3 illustrerar en anordning för akustisk ytvåg 100 försedd med ett lager 120 av piezoelektriskt material med en avstämbar dielektrisk permittivitet enligt den föreliggande uppfinningen. Anordningen 100 innefattar en kropp 110 på vilken lagret 120 avsätts. Kroppen 100 skulle kunna vara en kvartskristall med lagret 120 som en tunn film, t.ex. en keramisk 120 tillhandahålls en ingångs- 130 och en utgångselektrod 140 eller ñngerﬂätad superparaelektriskt pervoskitniobat-tantalatﬁlm. På filmen omvandlare till exempel genom fotolitografi. En elektrisk fältinsignal som påförs ingångsomvandlaren 130 genererar en akustisk ytvåg i filmen 120.Fig. 3 illustrates a surface acoustic wave device 100 provided with a layer 120 of piezoelectric material having a tunable dielectric permittivity according to the present invention. The device 100 includes a body 110 on which the bearing 120 is deposited. The body 100 could be a quartz crystal with the layer 120 as a thin film, e.g. a ceramic 120 is provided with an input 130 and an output electrode 140 or an super eaten superparaelectric pervoskitniobate tantalate m ch. On the film converter for example through photolithography. An electric field input signal applied to the input converter 130 generates an acoustic surface wave in the film 120.

Vågen utbreder sig mot utgångsomvandlaren 140 där en elektrisk fåltutsignal genereras i omvandlaren 140 baserat på den akustiska ytvågen.The wave propagates towards the output converter 140 where an electric field output signal is generated in the converter 140 based on the surface acoustic wave.

Enligt uppfinningen påförs ett modulerande elektriskt fält, t.ex. lågfrekvent elektriskt växelströmsfält, på den piezoelektriska filmen 120 för att avstämma driftskarakteristikerna, t.ex. anordningens 100 resonansfrekvens och/ eller bandbredd, hos anordningen för akustisk ytvåg 100. Såsom diskuterades ovan kan det elektriska fältet påföras ingångsomvandlaren 130 och/ eller påföras över åtminstone en del av filmen 120 mellan omvandlarna 130 och 140. Det elektriska fältet kommer att avstämma den piezoelektriska filmens 120 dielektriska permittivitet och följaktligen ändra filmens 120 akustiska karakteristiker, inklusive den akustiska ytvågens hastighet, vilket i sin tur kommer att avstämma anordningens 100 resonansfrekvens och/ eller bandbredd.According to the invention, a modulating electric field is applied, e.g. low frequency electric alternating current field, on the piezoelectric film 120 to tune the operating characteristics, e.g. the resonant frequency and / or bandwidth of the device 100, of the surface acoustic wave device 100. As discussed above, the electric field may be applied to the input transducer 130 and / or applied over at least a portion of the film 120 between the transducers 130 and 140. The electric field will tune the piezoelectric the dielectric permittivity of the film 120 and consequently change the acoustic characteristics of the film 120, including the velocity of the surface acoustic wave, which in turn will tune the resonant frequency and / or bandwidth of the device 100.

Anordningen för akustisk ytvåg i Fig. 3 bör ses som en schematisk översikt av en SAW-anordning till vilken den föreliggande uppfinningens lärande kan 10 15 20 25 30 n »o ut O I w u III '_ _' ."'_: ,". .. o o - n oo n ~ :~ z _ _ _ , _ _ _ ,_ , . s. u » ' ' n I i G .u n. , f. - :Mz- n -1 2 : _» 2 _ _ _ ~ 1 2 '_" ',. . .. ... .... .. . . 17 tillämpas. SAW-anordningen kan således utrustas med andra element och enheter för att förbättra dess drift, t.ex. reﬂektorelektroder placerade vid filmen. På liknande sätt kan respektive sida om omvandlarna i omvandlarnas faktiska utförande skilja sig från vad som illustreras i figuren.The device for acoustic surface wave in Fig. 3 should be seen as a schematic overview of a SAW device to which the learning of the present invention can 10 n 20 o 25 O I w u III '_ _'. .. o o - n oo n ~: ~ z _ _ _, _ _ _, _,. s. u »'' n I i G .u n., f. -: Mz- n -1 2: _» 2 _ _ _ ~ 1 2 '_ "',.. ... ... ... Thus, the SAW device can be equipped with other elements and devices to improve its operation, such as reactor electrodes placed at the film. as illustrated in the figure.

Fig. 4 är en tvärsnittsvy av anordningen för akustisk ytvåg 100 i Fig. 3 försedd med styrutrustning för dynamisk avstämning av driften av anordningen för akustisk ytvåg 100. En utsignalsdetektor 160 är anordnad för mätning av den elektriska fältutsignalen från anordningens 100 utgångsomvandlare 140. Baserat på den uppmätta signalen genererar utsignalsdetektorn 160 en styrsignal 180 som sänds till en källa 170 för avstämmande elektriskt fält. Styrsignalen 180 får källan 170 att ändra det avstämmande elektriska fältets 190 storlek och/ eller frekvens. Det elektriska fältet påförs därefter ﬁlmen 120, t.ex. genom ingångsomvandlaren 130.Fig. 4 is a cross-sectional view of the surface acoustic wave device 100 of Fig. 3 provided with dynamic equipment for tuning the operation of the surface acoustic wave device 100. An output detector 160 is provided for measuring the electric field output of the output converter 140 of the device 100. Based on the measured signal generates the output signal detector 160 a control signal 180 which is sent to a source 170 for tuning electric field. The control signal 180 causes the source 170 to change the size and / or frequency of the tuning electric field 190. The electric field is then applied to the film 120, e.g. through the input converter 130.

En anordning för akustisk bulkvåg 200 illustreras schematiskt i en tvärsnittsvy i Fig. 5. BAW-anordningen 200 innefattar i allmänhet en eller ﬂera akustiskt oöverensstämmande lager 250 monterade på en kropp 210 och fungerar som en reﬂektor för akustiska vågor. Liknande reﬂektionseffekt erhålls genom att byta ut lagren 250 mot ett lager av ett dielektriskt ämne, mikrotillverkade membran, luftgap eller akustiska interferensﬁlter. På reﬂektionslagret/-lagrena 250 tillhandahålls en jordelektrod eller -ledare 240. Övre elektroder 230, 235 är separerade från jordelektroden 240 med ett tunt keramiskt, företrädesvis superparaelektriskt, piezoelektriskt lager 220 med en elektriskt avstämbar dielektrisk permittivitet. I BAW-anordningen 200 i Fig. 5 uppnås omvandling av elektriska fältsignaler till akustiska vågsignaler av det piezoelektriska lagret 200 mellan elektroderna 230, 235 respektive 240. Vardera övre elektrod 230, 235 definierar en enskild resonator med det underliggande piezoelektriska lagret 220 och jord- elektroden 240. Dessa två resonatorer är i själva verket elektriskt kopplade i serie med den gemensamma elektroden 240 vid förbindelsepunkten mellan dem. 10 15 20 25 30 524 009 18 Ett ﬂödesdiagram över förfarandet för avstämning av driftskarakteristikerna hos en anordning för akustisk våg enligt uppfinningen illustreras i Fig. 6.A bulk acoustic wave device 200 is schematically illustrated in a cross-sectional view in Fig. 5. The BAW device 200 generally includes one or more acoustically mismatched bearings 250 mounted on a body 210 and acts as an acoustic wave reactor. A similar reaction effect is obtained by replacing the bearings 250 with a bearing of a dielectric substance, micro-fabricated membranes, air gaps or acoustic interference filters. A ground electrode or conductor 240 is provided on the reaction layer (s) 250. Upper electrodes 230, 235 are separated from the ground electrode 240 by a thin ceramic, preferably superparaelectric, piezoelectric layer 220 having an electrically tunable dielectric permittivity. In the BAW device 200 in Fig. 5, conversion of electric field signals into acoustic wave signals is achieved by the piezoelectric layer 200 between the electrodes 230, 235 and 240, respectively. Each upper electrode 230, 235 defines a single resonator with the underlying piezoelectric layer 220 and the ground electrode. 240. These two resonators are in fact electrically connected in series with the common electrode 240 at the point of connection between them. A flow diagram of the method for tuning the operating characteristics of an acoustic wave device according to the invention is illustrated in Fig. 6.

Förfarandet startar i steg S1. I steg S2 påförs ett modulerande eller avstämmande elektriskt fält på det piezoelektriska materialet enligt uppfinningen. Detta elektriska fält kommer att påverka materialets dielektriska permittivitet och därigenom ändra eller avstämma anordningens akustiska karakteristiker, inklusive anordningens resonansfrekvens och bandbredd, genom en förändring i den akustiska vägens hastighet i det piezoelektriska materialet. Förfarandet avslutas i steg S7.The procedure starts in step S1. In step S2, a modulating or tuning electric field is applied to the piezoelectric material according to the invention. This electric field will affect the dielectric permittivity of the material and thereby change or tune the acoustic characteristics of the device, including the resonant frequency and bandwidth of the device, by a change in the speed of the acoustic path in the piezoelectric material. The procedure is completed in step S7.

Fig. 7 är ett ﬂödesdiagram som illustrerar fältpåförningssteget S2 i Fig. 6 i mer detalj. Med början i det valfria steget S3 mäts den elektriska fältutsignalen från anordningen för akustisk våg. Baserat på den uppmätta utsignalen tillhandahålls en styrsignal i det valfria steget S4. I steg S5 genereras det avstämmande elektriska fältet baserat på den erhållna styrsignalen. Därefter tillhandahålls det avstämmande elektriska fältet i steg S6 till det piezoelektriska materialet, vilket medger avstämning av det piezoelektriska materialets dielektriska permittivitet i anordningen.Fig. 7 is a fate diagram illustrating the field application step S2 in Fig. 6 in more detail. Beginning in the optional step S3, the electric field output signal from the acoustic wave device is measured. Based on the measured output signal, a control signal is provided in the optional step S4. In step S5, the tuning electric field is generated based on the obtained control signal. Thereafter, the tuning electric field in step S6 is provided to the piezoelectric material, which allows tuning of the dielectric permittivity of the piezoelectric material in the device.

Förfarandet forsätter därefter till steg S7 .The process then proceeds to step S7.

De utföringsformer som beskrivits ovan ges bara som exempel, och det bör inses att den föreliggande uppfinningen inte begränsas till dessa. Vidare vilka bibehåller de grundläggande underliggande principer som visas och görs anspråk på häri, modifieringar, förändringar och förbättringar, ligger inom omfattningen för uppfinningen. 10 15 [1] [2] [3] [4] [5] 524 009 19 REFERENSER K. Yamanouchi, H. Odagawa, T. Kojima och T. Matsumura, “Theoretical and experimental study of super-high electromagnetic coupling surface acoustic wave propagation in KNbOg single crystal”, Electronics Letters, vol. 33, nr. 3, sidorna 193-194 (1997).The embodiments described above are given by way of example only, and it should be understood that the present invention is not limited thereto. Furthermore, which retains the basic underlying principles shown and claimed herein, modifications, alterations and improvements, are within the scope of the invention. 10 15 [1] [2] [3] [4] [5] 524 009 19 REFERENCES K. Yamanouchi, H. Odagawa, T. Kojima and T. Matsumura, “Theoretical and experimental study of super-high electromagnetic coupling surface acoustic wave propagation in KNbOg single crystal ”, Electronics Letters, vol. 33, no. 3, pages 193-194 (1997).

M.A. Grishin, A.M. Grishin, S.I. Khartsev, och U.O. Karlsson, “High performance ñlms of binary system SñfiOg-PbZroszTioßsOa on Sapphire", Integrated Ferroelectrics 39 (1-4), sidorna 1301-1308 (2001).M.A. Grishin, A.M. Grishin, S.I. Khartsev, and U.O. Karlsson, "High performance ñlms of binary system SñfiOg-PbZroszTioßsOa on Sapphire", Integrated Ferroelectrics 39 (1-4), pages 1301-1308 (2001).

Amerikanskt patent med nummer 3 437 597 Amerikanskt patent med nummer 6 083 415 Amerikanskt patent med nummer 6 093 339U.S. Patent No. 3,437,597 U.S. Patent No. 6,083,415 U.S. Patent No. 6,093,339

Claims

10 15 20 25 30 524 009 20 PATENT REQUIREMENTS

Acoustic wave tunable device (100; 200) comprising a piezoelectric substrate (120; 220) adapted for coupling mechanical and electric fields, characterized in that the piezoelectric substrate (120; 220) has a tunable dielectric permittivity for enable tuning of the operating characteristics of the device.

Device according to claim 1, characterized in that the dielectric permittivity is electrically tunable by applying an electric field (190) to the material (120; 220).

Device according to claim 2, characterized in that the electric field (190) is selected from at least one of the entries in a list of: a low-frequency alternating current field with a frequency up to 1 MHz; - an electric DC bias field; - a pulsed electric field; or - a low frequency AC field with a frequency up to 1 MHz superimposed on a pulsed electric field.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the tunable dielectric permittivity enables tuning of at least one of the operating characteristics in a list of: - acoustic wave velocity of the acoustic wave device (100; 200); - resonant frequency of the acoustic wave device (100; 200); - bandwidth of the acoustic wave device (100; 200); or - direction of propagation of the energy fate of the acoustic wave.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric substrate (120; 220) is a ceramic crystalline material. 10 15 20 25 30 524 009 21

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric substrate (120; 220) is a superparaelectric material.

Device according to claim 6, characterized in that the piezoelectric substrate (120; 220) is made of a superparaelectric material forming clusters of dipoles where the dipoles of a cluster are polarized in one direction, the dipole moments of each cluster being statistically randomly oriented with respect to non-interacting cluster polarization orientation.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric substrate (120; 220) is provided as a ﬁ lm.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric substrate (10O; 220) is a pervoskitniobate, tantalate.

Device according to claim 2, characterized in that the device (100; 200) further comprises: - an output signal detector (160) adapted for measuring an electrical output signal from the device for acoustic wave (100; 200) and generating a control signal (180) based on the measured output signal; and - a source of electric field (170) connected to the detector (160) and arranged to apply the electric field (190) to the piezoelectric substrate (120; 220) based on the control signal (180).

Method for tuning the operating characteristics of an acoustic wave device (100; 200) comprising a piezoelectric substrate (120; 220) adapted for coupling mechanical and electric fields, characterized by the step: - applying an electric field (190) to the piezoelectric substrate (120; 220) for tuning the dielectric permittivity of the piezoelectric substrate (120; 220), thereby allowing tuning of the operating characteristics.

Method according to claim 11, characterized in that the step of applying electric field in turn comprises the step of: - superimposing the electric field (190) on an electric field input signal to be converted by the piezoelectric substrate (120; 220) into an acoustic wave signal .

A method according to claim 11, characterized in that the step of applying electric field in turn comprises the step of: - applying the electric field (190) over at least a part of the piezoelectric substrate (120; 220).

Method according to one of Claims 11 or 13, characterized by the further steps: - measuring an electric field output signal from the acoustic wave device (100; 200); generating the electric field (190) based on the measured output signal.

Method according to one of Claims 11 to 14, characterized in that the electric field (190) is selected from at least one of the entries in a list of: - a low-frequency alternating current field with a frequency of up to 1 MHz; - an electric DC bias field; - a pulsed electric field; or - a low frequency AC field with a frequency up to 1 MHz superimposed on a pulsed electric field.

Method according to one of Claims 11 to 15, characterized in that the tunable dielectric permittivity enables tuning of at least one of the operating characteristics in a list of: - acoustic wave velocity of the acoustic wave device (100; 200); 524 009 23 - resonant frequency of the acoustic wave device (100; 200); - bandwidth of the acoustic wave device (100; 200); or - direction of propagation of the energy of the acoustic path ﬂ destiny.

Method according to one of Claims 11 to 16, characterized in that the piezoelectric substrate (102; 220) is a crystalline ceramic material.

Method according to one of Claims 11 to 17, characterized in that the piezoelectric substrate (120; 220) is a superparaelectric material.

Process according to one of Claims 11 to 18, characterized in that the piezoelectric substrate (120; 220) is a pervoskitniobate tantalate.