TWI412226B - 共振器、彈性波傳輸元件及其製造方法 - Google Patents

Description

共振器、彈性波傳輸元件及其製造方法

本發明是有關於一種彈性波傳輸元件，且特別是有關於一種具有阻抗匹配功能的彈性波傳輸元件。

阻抗匹配(Impedance Match)是微波電子學裡的一部分，主要用於傳輸線上，來達至所有高頻的微波信號皆能傳至負載點的目的，幾乎不會有信號反射回來源點，從而提升能源效益。

值得一提的是，彈性波(Mechanical Wave)的傳輸也同樣會有訊號反射的問題，上述彈性波亦可稱為機械波。在聲阻抗不匹配的情況嚴重時，彈性波會有大部份的能量會被反射，不符合系統需求。

本發明提出一種以結構缺陷匹配聲阻抗彈性波傳輸元件，其具有第一高聲阻抗區與第二低聲阻抗區。彈性波傳輸元件包括多個匹配結構。上述結構沿第一區往第二區的方向依序配置，分別具有相異缺陷。上述結構的阻抗沿方向依序遞減。

從共振器應用來看，本發明提出一種共振器，其包括共振本體、第一結構與第二結構。第一結構的第一端連接共振本體的第一端，具有第一缺陷。第一結構具有第一聲阻抗。第二結構連接第一結構的第二端，具有第二缺陷。共振本體的聲阻抗大於第一結構的聲阻抗。第一結構的聲阻抗大於第二結構的聲阻抗。

從彈性波傳輸線來看，本發明提出一種彈性波傳輸元件的製造方法。在不同的彈性波材料接合處，依序形成第一缺陷於高聲阻抗基體的第一結構以及第二缺陷於高聲阻抗基體的第二結構。第一結構的聲阻抗小於第二結構的聲阻抗。

為讓本發明的上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

習知在傳遞彈性波時，常發生聲阻抗不匹配的情形進而造成能量無法穿透。有鑑於此，本發明的實施例利用漸進式的結構缺陷，使彈性波傳遞元件具有漸進式的聲阻抗，藉以達成聲阻抗匹配的功效。如此一來可有效降低反射能量。下面將參考附圖詳細闡述本發明的實施例，附圖舉例說明了本發明的示範實施例，其中相同標號指示同樣或相似的步驟。

圖1是依照本發明的一實施例的一種彈性波傳輸聲阻抗轉換元件的示意圖。彈性波傳輸聲阻抗轉換元件10包括基體(Base Body)20。基體20包括結構31～33。結構31具有缺陷41。結構32具有缺陷42。在本實施例中，彈性波傳輸元件10例如是聲波傳輸線、彈性體或其他可傳遞彈性波的介質。缺陷41、42例如是一個或多個凹槽或孔洞。在圖1中，缺陷41、42雖以方形為例進行說明，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，熟習本領域技術者亦可依其需求改變缺陷41、42的形狀，例如圓形、正方形、六邊形、或其他幾何圖形。

圖2是依照本發明的一實施例的一種彈性波傳輸元件的製造方法的流程圖。請合併參照圖1與圖2，首先可由步驟S201，形成一基體20。基體20例如是具有高聲阻抗的材料。

接著，可由步驟S202，沿彈性波的一傳輸方向，例如方向X，依序形成缺陷41於基體20的結構31以及缺陷42於基體20的結構32。在本實施例中，在結構31形成缺陷41會使結構31的平均聲阻抗下降。同理，在結構32形成缺陷42也會使結構32的平均聲阻抗下降。值得一提的是，在本實施例中，由於缺陷41、42為相異的缺陷，因此可設計結構31的聲阻抗小於結構32的聲阻抗，且結構32的聲阻抗小於結構33的聲阻抗。換言之，彈性波傳輸元件10具有漸進式的結構31、32、33及其缺陷41、42。故，彈性波傳輸元件10具有聲阻抗匹配的功能。

更具體地說，彈性波傳輸元件10的結構31、33可分別用來連接第一元件與第二元件，其中第一元件的聲阻抗與結構31的聲阻抗相同，第二元件的聲阻抗與結構33的聲阻抗相同。在此情況下，第一元件透過彈性波傳輸元件10傳輸給第二元件的彈性波，其所衍生的反射能量能被降低。同理，第二元件透過彈性波傳輸元件10傳輸給第一元件的彈性波，其所衍生的反射能量也能被降低。

值得一提的是，上述技術並不限於應用在彈性波傳輸元件。熟習本領域技術者亦可將上述技術應用在其他會產生或接收彈性波的元件。舉例來說，圖3是依照本發明的一實施例的一種共振器的示意圖。共振器50包括高聲阻抗區60、漸進聲阻抗結構71～75與漸進聲阻抗結構81～85。結構71～75依序連接於高聲阻抗區60的第一端，分別有缺陷71’～75’。結構81～85依序連接於高聲阻抗區60的第二端，分別有缺陷81’～85’。共振器例如是低頻或高頻的微機電共振器(Micromechanical Resonator)。

一般來說，傳統微機電共振器是以開槽方式造成極軟的彈力系數，使形變量增加，進而提高輸出電流，降低電阻抗值。但當兩種硬跟軟不同聲阻抗之材料接合時，聲波將產生反射，其反射係數越大其能量穿透比越低，造成共振器彈性波能量無法穿透至輸出端。值得注意的是，在本實施例的共振器50中，在結構71～75、81～85分別形成了缺陷71’～75’、81’～85’，因此高聲阻抗區60、結構71～75的聲阻抗依序遞減，且高聲阻抗區60、結構81～85的聲阻抗依序遞減。如此一來可使共振器50具有聲阻抗匹配的功能，如此，在彈性波的傳輸過程，可抑制反射能量的產生。

雖然上述實施例中已經對共振器、彈性波傳輸元件及其製造方法描繪出了一個可能的型態，但所屬技術領域中具有通常知識者應當知道，各廠商對於共振器、彈性波傳輸元件及其製造方法的設計都不一樣，因此本發明的應用當不限制於此種可能的型態。換言之，只要是在元件上形成漸進式的結構缺陷使元件在彈性波的傳遞方向上具有漸進式的阻抗，就已經是符合了本發明的精神所在。以下再舉幾個實施方式以便本領域具有通常知識者能夠更進一步的了解本發明的精神，並實施本發明。

在圖1中，彈性波傳輸元件10的結構其及缺陷的數量僅是一種選擇實施例，本發明並不以此為限。在其他實施例中，熟習本領域技術者可依其需求改變彈性波傳輸元件的結構及其缺陷的數量。舉例來說，圖4是依照本發明的另一實施例的一種彈性波傳輸元件的示意圖。彈性波傳輸元件11包括結構91～95。結構91包括多個缺陷91’。同理，結構92～94分別包括多個缺陷92’～94’。因此結構95～91的聲阻抗依序遞減。如此一來亦可使彈性波傳輸元件11具有聲阻抗匹配的功效。

又例如，圖5是依照本發明的又一實施例的一種彈性波傳輸元件的示意圖。彈性波傳輸元件12包括結構101～105。結構101包括多個缺陷101’。同理，結構102～104分別包括多個缺陷102’～104’。因此結構105～101的聲阻抗依序遞減。如此一來亦可使彈性波傳輸元件12具有聲阻抗匹配的功效。不僅如此，熟習本領域技術者也可調整缺陷的大小、位置或數量等因數，藉以使特定頻率的能量能有效被傳輸。以下作更詳細的說明。

圖6是依照本發明的又一實施例的多種彈性波傳輸元件的示意圖。圖7是依照本發明的又一實施例的多種傳輸彈性波的傳輸功率與頻率的關係圖。請合併參照圖6與圖7，在本實施例中，元件14的材料聲阻抗與結構105的材料聲阻抗相同，且結構13的材料聲阻抗低於結構101的聲阻抗。當彈性波在元件13中傳輸時，其傳輸功率與頻率的關係如圖7的點狀線L1。當彈性波在元件13與彈性波傳輸元件12之間傳輸時，其傳輸功率與頻率的關係如圖7的點狀線L2。當彈性波在元件13與元件14之間傳輸時，其傳輸功率與頻率的關係如圖7的點狀線L3。

彈性波在元件13中傳輸不會有聲阻抗匹配的問題(如點狀線L1所示)；但彈性波在元件13與元件14之間傳輸時，彈性波因匹配問題使傳輸功率大幅地下降(如點狀線L3所示)。值得注意的是，彈性波傳輸元件12具有漸進式的結構缺陷，使其具有阻抗匹配的功效，因此彈性波在元件13與彈性波傳輸元件12之間傳輸時，反射能量可以被有效被抑制。從圖7中亦可明顯看出，點狀線L2在某些特定頻段比點狀線L3來得優越。

不僅如此，在本實施例中，點狀線L2在頻率6×10⁷ 的傳輸功率相當高，近似於點狀線L1的傳輸功率，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，熟習本領域技術者亦可改變缺陷的大小、位置或數量等因數，藉以使特定頻率的能量能有效被傳輸。

另外，元件中具有不同數量的漸進式結構缺陷亦可抑制特定頻率的反射雜訊。舉例來說，圖8是依照本發明的再一實施例的多種彈性波傳輸元件的示意圖。圖9是依照本發明的再一實施例的多種傳輸彈性波的反射能量與頻率的關係圖。圖10是依照本發明的再一實施例的多種傳輸彈性波的反射能量平均值與121~124結構的關係圖。請合併參照圖8～圖10。元件121包括結構111、118。元件122包括結構111、114、118。元件123包括結構111、113、114、118。元件124包括結構111、112、115、117、118。

在本實施例中，結構111～118的平均聲阻抗分別以50、80、110、200、205、360、515、800為比例進行說明。另外，在本實施例中，彈性波在元件121～124傳輸時，分別會衍生出反射能量Γ1～Γ4。值得一提的是，反射能量Γ2僅在頻率1GHz的反射能量相當低。同理，反射能量Γ3在頻率0.8GHz、1.2GHz的反射能量相當低，反射能量Γ4在頻率0.71GHz、1GHz、1.29GHz的反射能量相當低。依據上述所揭露的內容，在其他實施例中，熟習本領域技術者也可採用不同數量的漸進式結構缺陷來降低反射能量中特定頻率的反射能量。

另一方面，從圖10中也可清楚看出，隨著漸進式結構缺陷的數量上升，反射能量平均值也會隨之降低。據此，在其他實施例中，熟習本領域技術者也可提升漸進式結構缺陷的數量來降低反射能量平均值。

綜上所述，本發明在元件上形成漸進式的結構缺陷使元件在彈性波的傳遞方向上具有漸進式的聲阻抗。因此元件可具有阻抗匹配的功效。另外在本發明的實施例中，還具有下列優點：

1.藉由改變缺陷的大小、位置或數量等因數，可使特定頻率的能量能有效被傳輸。

2.採用不同數量的漸進式結構缺陷可降低反射雜訊中特定頻率的反射能量。

3.提升漸進式結構缺陷的數量可降低反射雜訊的反射能量平均值。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10～12．．．彈性波傳輸元件

13、14、121～124．．．元件

20．．．基體

31～33、71～75、81～85、91～95、101～105、111～118．．．結構

41、42、71’～75’、81’～85’、91’～94’、101’～104’．．．缺陷

50．．．共振器

60．．．共振本體

L1～L3．．．點狀線

S201、S202．．．彈性波傳輸元件的製造方法的各步驟

X．．．方向

Γ1～Γ4．．．反射能量

圖1是依照本發明的一實施例的一種彈性波傳輸元件的示意圖。

圖2是依照本發明的一實施例的一種彈性波傳輸元件的製造方法的流程圖。

圖3是依照本發明的一實施例的一種共振器的示意圖。

圖4是依照本發明的另一實施例的一種彈性波傳輸元件的示意圖。

圖5是依照本發明的又一實施例的一種彈性波傳輸元件的示意圖。

圖6是依照本發明的又一實施例的多種彈性波傳輸元件的示意圖。

圖7是依照本發明的又一實施例的多種傳輸彈性波的傳輸功率與頻率的關係圖。

圖8是依照本發明的再一實施例的多種彈性波傳輸元件的示意圖。

圖9是依照本發明的再一實施例的多種傳輸彈性波的反射能量與頻率的關係圖。

圖10是依照本發明的再一實施例的多種傳輸彈性波的反射能量平均值與不同結構的關係圖。

10．．．彈性波傳輸元件

20．．．基體

31～33．．．結構

41、42．．．缺陷

X．．．方向

Claims (7)

1. 一種彈性波傳輸元件，具有一第一側與一第二側，包括：多個結構，沿該第一側往該第二側的一方向依序配置，分別具有相異缺陷，且該些相異缺陷分別位於該些結構內，該些結構的阻抗沿該方向依序遞減。
2. 如申請專利範圍第1項所述的彈性波傳輸元件，其中該彈性波傳輸元件的該第一側用以連接一第一元件，該彈性波傳輸元件的該第二側用以連接一第二元件，其中該第一元件的聲阻抗大於各該結構的聲阻抗，該第二元件的聲阻抗小於各該結構的聲阻抗。
3. 如申請專利範圍第1項所述的彈性波傳輸元件，其中該第一缺陷為一個或數個凹槽或孔洞構成。
4. 一種共振器，包括：一共振本體；一第一結構，其第一端連接該共振本體的一第一端，具有一第一缺陷，其中該第一結構具有一第一聲阻抗；以及一第二結構，連接該第一結構的一第二端，具有一第二缺陷，其中該共振本體的聲阻抗大於該第一結構的聲阻抗，該第一結構的聲阻抗大於該第二結構的聲阻抗。
5. 如申請專利範圍第4項所述的共振器，更包括：一第三結構，其一第一端連接該共振本體的一第二端，具有一第三缺陷，其中該第三結構具有一第三聲阻抗； 以及一第四結構，連接該第三結構的一第二端，具有一第四缺陷，其中該共振本體的阻抗大於該第三結構的聲阻抗，該第三結構的阻抗大於該第四結構的聲阻抗。
6. 一種彈性波傳輸元件的製造方法，包括：形成一基體；以及沿一彈性波的一傳輸方向，依序形成一第一缺陷於該基體的一第一結構以及一第二缺陷於該基體的一第二結構，其中該第一結構的阻抗小於該第二結構的聲阻抗。
7. 如申請專利範圍第6項所述的製造方法，其中該第一缺陷與該第二缺陷是利用蝕刻方式所形成。