SE524009C2 - Avstämbar anordning för akustisk våg samt förfarande för avstämning av anordning för akustisk våg - Google Patents

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.

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.

Kvarts har emellertid en väsentlig nackdel i dess låga, såsom i de flesta vanliga material, elektromekaniska kopplingskoefficient, 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.

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.

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.

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.

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.

För BAW-anordningar beror driftsfrekvensen på den piezoelektriska filmens tjocklek medan för SAW-anordningar bestäms frekvensen av perioden hos omvandlarnas fingerflätade litografiska mönster.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Den föreliggande uppfinningen övervinner dessa och andra nackdelar hos uppstållningar enligt känd teknik.

Det är ett allmänt syfte med uppfinningen att tillhandahålla en avstämbar - anordning för akustisk våg.

Det är ett annat syfte med uppfinningen att tillhandahålla en anordning för akustisk våg som kan avstämmas elektriskt.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Andra fördelar som erbjuds av den föreliggande uppfinningen kommer att förstås vid läsning av den nedanstående beskrivningen av uppfinningens utföringsformer.

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.

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.

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.

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.

Det pulsade elektriska fältet kan vara en puls med godtycklig vågform för att erhålla den önskade omkopplingen av driftskarakteristikernas värden.

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.

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.

“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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Ytterligare exempel på niobater/tantalater som kan användas enligt den föreliggande uppfinningen hittas i referens [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.

Vågen utbreder sig mot utgångsomvandlaren 140 där en elektrisk fåltutsignal genereras i omvandlaren 140 baserat på den akustiska ytvågen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Förfarandet forsätter därefter till steg 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).

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).

Amerikanskt patent med nummer 3 437 597 Amerikanskt patent med nummer 6 083 415 Amerikanskt patent med nummer 6 093 339

Claims (19)

10 15 20 25 30 524 009 20 PATENTKRAV

1. Avstämbar anordning för akustisk våg ( 100; 200) innefattande ett piezo- elektriskt substrat (120; 220) anpassat för koppling av mekaniska och elektriska fält, kännetecknad av att det piezoelektriska substratet (120; 220) uppvisar en avstämbar dielektrisk permittivitet för att möjliggöra avstämning av anordningens driftskarakteristiker.

2. Anordning enligt patentkrav 1, kännetecknad av att den dielektriska permittiviteten är elektriskt avstämbar genom påförande av ett elektriskt fält (190) på materialet (120; 220).

3. Anordning enligt patentkrav 2, kännetecknad av att det elektriska fältet (190) väljs från åtminstone en av posterna i en lista av: ett lågfrekvent växelströmsfält med en frekvens upp till 1 MHz; - ett elektriskt likströmsförspänningsfält; - ett pulsat elektriskt fält; eller - ett lågfrekvent växelströmsfält med en frekvens upp till 1 MHz överlagrad på ett pulsat elektriskt fält.

4. Anordning enligt något av de föregående patentkraven, kännetecknad av att den avstämbara dielektriska permittiviteten möjliggör avstämning av åtminstone en av driftskarakteristikerna i en lista av: - akustisk våghastighet hos anordningen för akustisk våg (100; 200); - resonansfrekvens hos anordningen för akustisk våg (100; 200); - bandbredd hos anordningen för akustisk våg (100; 200); eller - utbredníngsriktning hos den akustiska vågens energíflöde.

5. Anordning enligt något av de föregående patentkraven, kännetecknad av att det piezoelektriska substratet ( 120; 220) är ett keramiskt kristallint material. 10 15 20 25 30 524 009 21

6. Anordning enligt något av de föregående patentkraven, kännetecknad av att det piezoelektriska substratet (120; 220) är ett superparaelektriskt material.

7. Anordning enligt patentkrav 6, kännetecknad av att det piezoelektriska substratet (120; 220) är tillverkat av ett superparaelektriskt material som bildar kluster av dipoler där ett klusters dipoler är polariserade i en riktning, vardera klusters dipolmoment är statistiskt slumpmässigt orienterad avseende icke-växelverkande klusters polariseringsorientering.

8. Anordning enligt något av de föregående patentkraven, kännetecknad av att det piezoelektriska substratet (120; 220) är tillhandahållet som en film.

9. Anordning enligt något av de föregående patentkraven, kännetecknad av att det piezoelektriska substratet (l02; 220) är en pervoskitniobat, -tantalat.

10. Anordning enligt patentkrav 2, kännetecknad av att anordningen (100; 200) vidare innefattar: - en utsignalsdetektor (160) anpassad för mätning av en elektrisk utsignal från anordningen för akustisk våg ( 100; 200) och genering av en styrsignal (180) baserat på den uppmätta utsignalen; samt - en källa för elektriskt fält (170) ansluten till detektorn (160) och anordnad för att påföra det elektriska fältet (190) på det piezoelektriska substratet (120; 220) baserat på styrsignalen (180).

11. Förfarande för avstämning av driftskarakteristikerna hos en anordning för akustisk våg (100; 200) som innefattar ett piezoelektriskt substrat (120; 220) anpassat för koppling av mekaniska och elektriska fält, kännetecknat av steget: - påföra ett elektriskt fält (190) på det piezoelektriska substratet ( 120; 220) för avstämning av det piezoelektriska substratets ( 120; 220) 10 15 20 25 30 " 524 009 22 dielektriska permittivitet, vilket därigenom medger avstämning av driftskarakteristikerna.

12. Förfarande enligt patentkrav 11, kännetecknat av att steget att påföra elektriskt fält i sin tur innefattar steget: - överlagring av det elektriska fältet (190) på en elektrisk fältinsignal som ska omvandlas av det piezoelektriska substratet (120; 220) till en akustisk vågsignal.

13. Förfarande enligt patentkrav 11, kännetecknat av att steget att påföra elektriskt fält i sin tur innefattar steget att: - påföra det elektriska fältet (190) över åtminstone en del av det piezoelektriska substratet (120; 220).

14. Förfarande enligt något av patentkraven 11 eller 13, kännetecknat av de ytterligare stegen: - mätning av en elektriskt fältutsignal från anordningen för akustisk våg (l00; 200); - generering av det elektriska fältet (190) baserat på den uppmätta utsignalen.

15. Förfarande enligt något av patentkraven 11 till 14, kännetecknat av att det elektriska fältet (190) väljs från åtminstone en av posterna i en lista av: - ett lågfrekvent växelströmsfält med en frekvens upp till 1 MHz; - ett elektriskt likströmsförspänningsfält; - ett pulsat elektriskt fält; eller - ett lågfrekvent växelströmsfält med en frekvens upp till 1 MHz överlagrad på ett pulsat elektriskt fält.

16. Förfarande enligt något av patentkraven 11 till 15, kânnetecknat av att den avstämbara dielektriska permittiviteten möjliggör avstämning av åtminstone en av driftskarakteristikerna i en lista av: - akustisk våghastighet hos anordningen för akustisk våg (l00; 200); 10 15 524 009 23 - resonansfrekvens hos anordningen för akustisk våg (100; 200); - bandbredd hos anordningen för akustisk våg (100; 200); eller - utbredningsriktning hos den akustiska vägens energiflöde.

17. Förfarande enligt något av patentkraven 11 till 16, kännetecknat av att det piezoelektriska substratet (102 ; 220) är ett kristallint keramiskt material.

18. Förfarande enligt något av patentkraven 11 till 17, kännetecknat av att det piezoelektriska substratet (120; 220) är ett superparaelektriskt material.

19. Förfarande enligt något av patentkraven 11 till 18, kännetecknat av att det piezoelektriska substratet (120; 220) är en pervoskitniobat, -tantalat.