具有單相單向結構的聲表面波延遲線的製作方法

2023-05-13 01:36:26

專利名稱：具有單相單向結構的聲表面波延遲線的製作方法
技術領域：
本發明涉及聲學技術中的一種聲表面波延遲線(以下簡稱SAW延遲線)，特別是涉及一種具有單相單向結構的聲表面波延遲線。
背景技術：
作為例子，常規結構的聲表面波延遲線1，它由基片和在其中設置的兩個叉指換能器組成，如圖1所示，其中9和10為叉指換能器，8為壓電基片，叉指換能器9和10之間的距離根據延時要求來確定。
作為例子，常規的具有單相單向結構的聲表面波延遲線2，如圖2所示，如IEEE 1989 Ultrasonics Symposium Proceeding pp79-89所述的有兩個控制電極寬度單相單向換能器(簡稱為EWC/SPUDT)12和13放置於壓電基片11的上表面。上述叉指換能器12和13的單向性是靠置於其中的反射電極14和14』來實現的。其寬度為四分之一波長。其他作為聲電換能的叉指電極的寬度為八分之一波長。反射電極的位置是根據這樣的原則來安排的反射電極14使得輻射聲波在指向另一個換能器的方向輻射同相相加，而在背離另一個換能器的方向反相相消。一般情況下，反射中心距離離一個鄰換能中心的距離d2為八分之三波長，離另一個相鄰換能中心的距離d3為八分之五波長。這種EWC/SPUDT原理圖如圖3所示。
作為例子，常規的具有單相單向結構聲表面延遲線3，如圖4所示，如IEEE1989 Ultrasonics Symposium Proceeding pp59-64中，它有兩個分布聲反射型的單相單向換能器(簡稱為DART/SPUDT)16和17放置於壓電基片18的上面。DART/SPUDT工作原理與EWC/SPUDT相同，只是反射電極19和19』的寬度為八分之三波長。
作為例子，常規的應用於聲表面波振蕩器的具有單模(即使振蕩器獲得單一頻率振蕩工作模式)控制結構的聲表面波延遲線4和5，如圖5和圖6所示，該類型的聲表面波延遲線在文獻IEEE 1973 Ultrasonics Symposium Proceedingpp344-347中進行了介紹。這種具有單模控制結構的延遲線大致有兩種，一種方式如圖5，圖中的一個長叉指換能器20有足夠長以保證足夠窄的頻帶，同時使它的長度等於兩叉指換能器中心之間的距離，而另一個短叉指換能器21為僅有幾對叉指的寬帶換能器。圖中22為基片。另外一種單模控制方式如圖6所示，由長叉指換能器23和短叉指換能器24以及壓電基片25組成，實際上它是將圖5中的長叉指換能器20的大部分叉指電極周期性的抽掉，形成梳狀換能器，並且使得梳齒中心之間的距離d4與延遲線寬帶叉指換能器即圖中的短叉指換能器24的長度相等。
如上所述，延遲線1所採用的是一種常規結構，這種結構通常採用機電耦合係數較高的基片來獲得較低的插入損耗，但是這種延遲線結構由於其較差的三次行程抑制在實際應用中一般不採用這種普通結構。特別是現在聲表面波延遲線在傳感器中應用日益廣泛，出於溫度穩定性的考慮這種延遲線一般採用石英作為基片，因此損耗一般都大於20dB(David S.Ballantine，Susan L.Rose，Jay W.Grateand H.Wohltjen，「Correlation of Surface Acoustic Wave Device CoatingResponses with Solubility Properties and Chemical Structure Using PatternRecognition」，Anal.Chem.，vol.58，no.14，December，pp.3058-3066，1986)。而在延遲線2結構中採用了EWC/SPUDT型的結構，可以獲得較低的插入損耗，傳統上這種SPUDT結構的延遲線通常採用鋁作為叉指換能器的電極。根據文獻(何世堂等，「聲表面波低插入損耗濾波器的研製(I)——控制電極寬度單相單向換能器」，第23卷第3期，pp279-283)中，如圖3所示的單向換能器結構中，聲波單向輻射的方向並不是固定的，而是取決於反射柵條15的反射相位，而它則與基片和反射柵條的材料有關。研究表明短路金屬柵條的反射係數由金屬柵條對晶體表面的壓電短路效應和力學負載效應引起的。根據文獻(何世堂 陳東培 汪承灝「聲表面波單指無內反射叉指換能器結構及其性能分析」壓電與聲光Vol.14No.5，1992，pp-55-60)對於某些機電耦合係數較小的壓電基片，如ST石英，反射主要來源於力學負載的貢獻，與柵條厚度成正比，通過調整膜厚控制其大小。對於以鋁為電極的EWC/SOUDT結構，通常認為右邊方向為正向，如圖3中所示。但是對於以金為反射柵條和叉指電極時，由於它具有與鋁正好相反的力學負載效應係數相位，原有的以鋁為電極的EWC/SPUDT結構形式顯然不正確，在圖3中就以左邊為正向，需要對反射柵條位置進行調整。對於具體EWC/SPUDT結構的聲表面波延遲線的設計如文獻(何世堂等，「聲表面波低插入損耗濾波器的研製(I)——控制電極寬度單相單向換能器」，第23卷第3期，pp279-283)所示，通常取單根柵條的反射係數與柵條數的乘積小於或者等於1，在需要的情況可以對反射柵陣進行加權，以獲得更好的幅頻和相頻特性。但是對於其他類型的基片，如YZ-LiNbO3、Y128，X LiNbO3以及X，112°Y LiNbO3等具有較大的機電耦合係數的材料，由於金屬柵條對晶體表面的壓電短路效應也比較大，因此其反射係數的相位就由金屬膜厚來決定了。延遲線3採用DART/SPUDT結構，實際上其工作原理與EWC/SPUDT相同，只是反射電極19的寬度為八分之三波長。對於延遲線5和6採用單模控制結構，而在實際應用於聲表面波振蕩器中，這種延遲線所採用的是普通的常規叉指換能器結構，而在實際應用中這種延遲線通常採用石英為基片，因此延遲線損耗比較高。
目前延遲線不僅用於傳統的雷達、通信等電子設備中用於信號延遲而且由於利用這種聲表面波延遲線的聲表面波振蕩器具有高頻率穩定度的特點而在氣體傳感器等的研製開發中引起人們廣泛的興趣。這就需要有一種既具有低插入損耗又具有單模控制功能同時所使用金屬電極又具有抗腐蝕能力的聲表面波延遲線。而在現有技術中應用於聲表面波氣體傳感器中的延遲線以及傳統的延遲線卻具有以下幾點的不足1.傳統的具有單相單向結構的聲表面波延長線通常是以鋁作為叉指電極，而在某些特殊情況下，如在某些氣體傳感器的應用中需要有一種耐腐蝕的金屬作為電極，而鋁由於它本身的容易氧化等特點而不適合於這些領域的應用。
2.在現有技術中應用於聲表面波氣體傳感器的聲表面波延遲線通常不具有單模頻率控制的功能而只能依賴於外圍電路加以解決，這無疑增加了傳感器系統的電子線路的複雜性，增加了系統功耗不利於傳感器系統的穩定性。
3.在現有技術應用於氣體傳感器的聲表面波延遲線通常沒有採用單相單向結構，而且在實際應用中考慮到溫度的穩定性一般採用的基片為石英，因此損耗一般都大於20dB，損耗過大從而影響到由聲表面波延遲線和射頻放大器構成的聲表面波振蕩器的頻率穩定度，進而影響到由聲表面波振蕩器構成的氣體傳感器的靈敏度和穩定性。

發明內容
本發明的目的在於解決上述的聲表面波延遲線所存在的一些問題；為了實現表面波延遲線具有低插入損耗，單模控制結構並且能夠具有耐腐蝕的特點，從而提供一種以金為叉指電極，以石英為壓電基片，採用EWC/SPUDT結構的並具有單模控制結構的聲表面波延遲線。
本發明的目的是這樣實現的本發明提供的具有單相單向結構的聲表面波延遲線，包括一壓電基片28，在壓電基片28上沿聲波傳播方向上設置兩個採用半導體平面工藝製作的輸入端叉指換能器26和輸出端叉指換能器27，以及設置一輸入端叉指換能器26的反射電極29，和設置一輸出端叉指換能器27的反射電極29』；其特徵在於其中任一單相換能器輻射聲波的正向指向另一個單相單向換能器；所述的單相單向換能器的電極採用金電極，和採用控制寬度單相單向換能器(EWC/SPUDT)結構，叉指電極寬度為八分之一波長，而反射電極寬度為四分之一波長；輸入端叉指換能器26中的反射電極29位於叉指電極對的左邊，而輸出端叉指換能器27的反射電極29』位於叉指電極對的右邊；如圖7所示。
本發明提供的具有單相單向結構同時還具有單模控制結構的以金為電極的聲表面波延遲線，如圖8所示，它包括一壓電基片32，在壓電基片32上沿聲波傳播方向上設置兩個長短不一的長叉指換能器30和一短叉指換能器31，以及設置一長叉指換能器30的反射電極34，和設置一短叉指換能器31的反射電極34』，所述的叉指換能器採用EWC/SPUDT結構；其特徵在於還包括在兩叉指換能器之間有一塊金膜33；所述的長叉指換能器30為梳狀換能器結構，並且梳齒之間的間隔與延遲線短叉指換能器31的長度相等，同時兩叉指換能器中心之間的距離等於長叉指換能器30的長度；其中長叉指換能器30中的反射電極34位於叉指換能器叉指對的左邊，而短叉指換能器31中的反射電極34』位於叉指換能器叉指對的右邊。
在上述的技術方案中，所述的圖8中延遲線的長叉指換能器的長度一般在100倍波長到600倍波長左右，而短叉指換能器的長度一般為很短的寬帶叉指換能器，一般在幾十到100倍波長左右。
在上述的技術方案中，所述的圖8中延遲線兩叉指換能器之間的金膜33，面積大致在3-5mm2，優選的為4mm2左右，主要是作為聲表面波氣體傳感器中敏感膜的載體。
在上述的技術方案中，所述的圖7和圖8中延遲線的基片28和32為石英基片。
在上述的技術方案中，所述的圖7和圖8中的延遲線的換能器以金為電極時，其力學負載效應係數為1.5。
在上述的技術方案中，所述的圖7中延遲線的輸入端叉指換能器26的反射電極29位於叉指對的左邊，而輸出端叉指換能器27的反射電極29』則位於叉指對的右邊。
在上述的技術方案中，所述的圖8中延遲線的輸入端叉指換能器30的反射電極34位於叉指對的左邊，而輸出端叉指換能器31的反射電極34』位於叉指對的右邊，與以鋁為電極的具有EWC/SPUDT結構的延遲線正好相反。
在上述的技術方案中，所述的圖7和圖8中延遲線叉指換能器中的反射電極寬度均為四分之一波長，而叉指電極寬度均為八分之一波長。
在上述的技術方案中，還包括叉指換能器中的反射柵陣滿足單根反射柵條的反射係數與反射柵條數目的乘積趨於1；或對反射柵陣進行加權，以獲得幅頻特性和相頻特性的改善。
本發明的優點在於本發明中的聲表面波延遲線採用以金為電極的EWC/SPUDT結構，獲得了比較低的插入損耗，在此基礎上本發明還提供了一種採用金電極的EWC/SPUDT結構和單模控制結構的聲表面波延遲線，降低了器件的插入損耗，同時採用單模換能器控制結構，使得應用這種延遲線的聲表面波振蕩器工作在單一頻率工作模式，解決了現有技術中存在的問題。另外在本發明中，這種延遲線採用石英為基片，具有良好的溫度特性，而且延遲線的叉指換能器採用金作為電極，具有很強的耐腐蝕性，能可靠的應用於各種氣體傳感器的研製開發。延遲線的叉指換能器之間有一金膜，為各種氣體傳感器提供了敏感膜的載體。採用這種具有低損耗單模結構的聲表面波延遲線對於聲表面波氣體傳感器系統而言，降低了系統的功耗，提高了聲表面波振蕩器的頻率穩定度。


圖1是展示一常規的以鋁為電極的聲表面波延遲線圖2是展示一常規的以鋁為電極的具有EWC/SPUDT結構的聲表面波延遲線圖3是展示EWC/SPUDT結構原理4是展示一常規的以鋁為電極的具有DART/SPUDT結構的聲表面波延遲線圖5是展示一具有單模控制結構但但不具有梳狀結構的聲表面波延遲線圖6是展示一具有單模控制結構和梳狀結構的聲表面波延遲線圖7是展示一具有單相單向換能器結構的以金為電極的聲表面波延遲線圖8是展示一具有單相單向換能器結構同時具有單模控制結構的聲表面波延遲線圖9是展示應用本發明實施例的聲表面波延遲線的幅頻響應曲線圖10是展示應用本發明實施例的聲表面波延遲線的相頻響應曲線具體實施方式
為了更全面的理解本發明，並為了解本發明另外的目的和優點，現在結合相應附圖和實施例對本發明進行詳細地說明。
圖7展示了本發明的具有EWC/SPUDT結構的SAW延遲線的實施例，該SAW延遲線6由一矩形壓電基片28和設置於其上表面的沿聲波方向傳播的兩個長度均為100倍波長的EWC/SPUDT結構的叉指換能器26和27組成，兩個叉指換能器之間的距離為150倍波長，聲孔徑為100倍波長，其中叉指換能器的電極厚度為1200埃，叉指換能器的電極為金電極，壓電基片為ST-X石英基片28。
本實施例的特徵在於由於採用金為電極，對於小機電耦合係數的基片材料如石英，反射主要源於柵條力學負載效應，以金為反射柵條時的力學負載係數相位與以鋁為反射柵條時的力學負載效應係數相位完全相反，因此反射電極的位置與傳統的以鋁為電極的聲表面波延遲線的反射電極完全相反。圖7中的以金為電極的EWC/SPUDT結構的SAW延遲線6的輸入端叉指換能器26的反射電極29位於叉指對的左邊，而輸出叉指換能器27的反射電極29』則位於叉指對的右邊。
參考圖8，展示了本發明聲表面波延遲線的又一實施例，該聲表面波延遲線是一種具有單相單向換能器結構同時具有單模控制結構的聲表面波延遲線7，它由一矩形石英壓電基片32和設置於其上表面的沿聲波方向傳播的兩個長短不一的單相單向換能器30和31組成。延遲線電極為金，長叉指換能器30為具有梳狀結構的單相單向窄帶換能器結構，而叉指短換能器31則為寬帶的單相單向換能器結構，長叉指換能器30的梳齒之間的距離與短叉指換能器31長度相同，同時兩叉指換能器中心之間距離與長換能器30的長度相同。
圖8中的延遲線的長叉指換能器30的反射電極34位於叉指對的左邊，而短叉指換能器31的反射電極34』位於叉指對的右邊，與圖2中以鋁為電極的EWC/SPUDT結構的聲表面波延遲線2中換能器的反射電極位置完全相反，在圖2中，延遲線2的輸入端叉指換能器12的反射電極14位於叉指對右邊，而輸出端叉指換能器13反射電極14』位於叉指對左邊。
如圖8所示的延遲線實施例，基片材料採用旋轉42.75°Y切割，X方向傳播石英基片32，電極厚度為1200埃，所述的延遲線7包括兩長短不一的EWC/SPUDT結構的兩個叉指換能器30和31，其中長叉指換能器30是採用四組電極結構，每一組電極均由20對電極和60對假指構成。短叉指換能器31採用80對電極。電極為金。34和34』為反射電極。聲孔徑為100倍波長。兩個叉指換能器之間距離為150倍波長，兩個叉指換能器幾何中心距離等於長叉指換能器30的長度，這樣以保證振蕩器的單一模式控制，另外也提供了足夠長的聲路徑長度，保證了延遲線的高Q(品質因子)值。這種EWC/SPUDT結構和單模結構保證了延遲線的低損耗，最低能達到8個dB，並能保證應用這種聲表面波延遲線的聲表面波振蕩器工作在單一模式狀態。基片32為石英，保證了器件良好的穩定特性。在兩個叉指換能器30和31之間設置一金膜33，其中金膜33面積在3-5mm2，優選的為4mm2左右，它是用於氣體傳感器的敏感膜載體，金膜33還設置有一接地點。另外本發明方案採用金電極的一個重要原因是由於金的耐腐蝕性遠優於鋁電極，更適合於各種氣體傳感器的應用。
圖9與圖10分別示出了從網絡分析儀中觀察到的SAW延遲線1的典型幅頻響應(插入損耗約9dB)和相位響應，從圖9和圖10中可以看出，將這種應用於聲表面波氣體傳感器的時候，通帶內相位隨著頻率線性變化，當相位變化2π時，頻率落在幅頻響應通帶外，插入損耗增加10dB以上，不滿足由延遲線構成的聲表面波振蕩器的幅度起振條件，無法起振。另外從圖9和圖10中可以看出在通帶內只有一個模式起振，實現了聲表面波振蕩器的單模式工作。
上述的設計方法是在嚴格按照力學負載效應係數的相位來設計EWC/SPUDT結構中反射電極的位置的，在本發明中所用基片為機電耦合係數較小的石英，根據文獻(何世堂 陳東培 汪承灝「聲表面波單指無內反射叉指換能器結構及其性能分析」壓電與聲光Vol.14No.5，1992，pp-55-60)，這種石英基片其反射主要來自於力學負載的貢獻，因此不同材料的電極將導致不同相位的反射係數，也決定了單相單向結構中反射電極的位置。
權利要求
1.一種具有單相單向結構的聲表面波延遲線，包括一塊壓電基片、在壓電基片上沿聲表面波傳播方向設置兩個單相單向換能器，其中任一單相換能器輻射聲波的正向指向另一個單相單向換能器；其特徵在於所述的單相單向換能器的電極採用金電極，和採用控制寬度單相單向換能器結構，叉指電極寬度為八分之一波長，而反射電極寬度為四分之一波長；延遲線輸入端叉指換能器中的反射電極位於叉指電極對的左邊，而延遲線輸出端叉指換能器中的反射電極位於叉指電極對的右邊。
2.一種具有單相單向結構和具有單模控制結構的聲表面波延遲線，包括一塊壓電基片；在壓電基片上沿聲表面波傳播方向設置兩個長短不等的單相單向換能器，其中長叉指換能器輻射聲波的正向指向短叉指換能器；其特徵在於還包括在兩叉指換能器之間有一金膜，金膜還設置有一接地點；所述的單相單向換能器的電極採用金電極；所述的延遲線的長叉指換能器採用梳狀結構，其中梳齒之間的距離等於短叉指換能器的長度，兩叉指換能器中心之間的距離等於長叉指換能器的長度；其中長叉指換能器中的反射電極位於叉指換能器叉指對的左邊，而短叉指換能器中的反射電極位於叉指換能器叉指對的右邊；所述的叉指換能器採用控制寬度單相單向換能器結構，叉指電極寬度為八分之一波長，而反射電極寬度為四分之一波長。
3.按權利要求1所述的聲表面波延遲線，其特徵在於所述的壓電基片由ST-X石英構成。
4.按權利要求1或2所述的聲表面波延遲線，其特徵在於延遲線的換能器以金為電極，其力學負載效應係數為1.5。
5.按權利要求1或2所述的聲表面波延遲線，其特徵在於還包括換能器中的反射柵陣滿足單根反射柵條的反射係數與反射柵條數目的乘積趨於1；或對反射柵陣進行加權。
6.按權利要求2所述的聲表面波延遲線，其特徵在於所述的長叉指換能器的長度在100倍波長到600倍波長；短叉指換能器的長度為20到100倍波長左右。
7.按權利要求2所述的聲表面波延遲線，其特徵在於所述的壓電基片採用旋轉42.75°Y切割，X方向傳播石英基片。
8.按權利要求2所述的聲表面波延遲線，其特徵在於所述的兩換能器之間的金膜，面積在3-5mm2。
全文摘要
本發明涉及聲學技術中的一種聲表面波延遲線，它包括壓電基片和兩個以金為電極的單相單向換能器。在此基礎上實現一種具有單模控制結構的聲表面波延遲線，包括一個長換能器和一個短換能器，長換能器採用梳狀結構，梳齒之間距離為短換能器長度，換能器幾何中心距離等於長換能器長度，換能器採用電極寬度控制單相單向結構。延遲線採用石英為基片。電極材料為金。由於採用單向換能器結構和單模控制結構，這種延遲線具有低插入損耗的特點，並使得由這種聲表面波延遲線構成的振蕩器工作在單一模式狀態。
文檔編號H03H3/00GK1677851SQ200410003479
公開日2005年10月5日 申請日期2004年3月30日 優先權日2004年3月30日
發明者何世堂, 王文, 梁勇 申請人:中國科學院聲學研究所