Термостабильный фильтр на поверхностных акустических волнах

Изобретение относится к области акустоэлектроники и может быть использовано при разработке и изготовлении узкополосных фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с низким температурным коэффициентом частоты. Техническим результатом является увеличение температурной стабильности узкополосных приборов на ПАВ и уменьшение ухода центральной частоты при изменении температуры окружающей среды. Термостабильный фильтр на ПАВ содержит пьезоэлектрическую подложку со сформированными на поверхности встречно-штыревыми преобразователями и с закрепленной на обратной стороне пьезоэлектрической подложки биметаллической пластиной. Биметаллическая пластина имеет жесткое крепление в центре пьезоэлектрической подложки, а на концах биметаллической пластины жестко закреплены пружинные элементы, которые свободно поджаты к концам пьезоэлектрической подложки с усилием, образующим предварительный изгиб пьезоэлектрической подложки при температуре окружающей среды 20-25°С и приводящий к увеличению первоначальной центральной частоты ПАВ фильтра на 2-4 кГц. 5 ил.

 

Изобретение относится к области акустоэлектроники и может быть использовано при разработке и изготовлении узкополосных фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с низким температурным коэффициентом частоты (ТКЧ).

Известен узкополосный фильтр на ПАВ, состоящий из пьезоэлектрической подложки и встречно-штыревых преобразователей (ВШП), сформированных на рабочей поверхности кварцевой подложки ST-среза [1]. Подложки из монокристаллического кварца ST-среза имеют минимальное значение ТКЧ. Недостатком такого фильтра является в ряде случаев недопустимый уход центральной частоты при изменении температуры. Это особенно заметно для узкополосных фильтров на ПАВ, даже при использовании пьезоэлектрических подложек из монокристаллического кварца с минимальным значением ТКЧ. Так, например, при температуре 80°С изменение частоты для фильтров на кварцевых подложках ST-среза составляет δF/F=150.10^-6.

Известен узкополосный фильтр на ПАВ в качестве пьезоэлектрической подложки, в котором использована кварцевая подложка с ориентацией YXL/42⁰45^I [2]. При температуре 80°С изменение частоты таких ПАВ фильтров составляет δF/F=75.10^-6 [2]. Однако и это значение ТКЧ достаточно велико для создания узкополосных приборов на ПАВ. Так, например, узкополосный фильтр на частоту 65 МГц с полосой пропускания 40 кГц, изготовленный на кварцевых подложках ориентации YXL/42⁰45^I, при изменении температуры от 20 до 85°С имел уход частоты минус 18 кГц, что неприемлемо для ряда радиоэлектронных устройств.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому фильтру на ПАВ является термостабильная линия задержки на ПАВ [3] (прототип), состоящая из пьезоэлектрической подложки (звукопровода), электроакустических преобразователей (встречно-штыревых преобразователей - ВШП), сформированных на ее рабочей поверхности, и биметаллической пластины, жестко соединенной с нижней стороной пьезоэлектрической подложки. При изменении температуры биметаллическая пластина, а вместе с ней и пьезоэлектрическая подложка изгибаются, что ведет к деформации кристаллической решетки на рабочей поверхности пьезоэлектрической пластины и тем самым к компенсации температурного изменения скорости акустической волны и, как следствие, к увеличению термостабильности устройства.

Недостатком такого технического решения является то, что ПАВ фильтр, изготовленный по такому принципу, не будет одинаково термостабильным из-за различного изменения скорости акустической волны при отрицательных и положительных изменениях температуры окружающей среды. Результаты наших экспериментов показали, что фильтр на ПАВ с центральной частотой 65,128 МГц, выполненный на кварцевой подложке ST-среза с ориентацией YXL/42⁰45^/, имеет сложную зависимость ухода частоты F от температуры Т.

На фиг.1 показана такая зависимость. Из фиг.1 видно, что в отрицательной области температур (0- минус 40°С) уход составляет +2 кГц (при этом центральная частота ПАВ фильтра остается неизменной), а в положительной области температур (0- плюс 85°С) уход составляет -18 кГц (при этом центральная частота ПАВ фильтра снижается). Следовательно, в отрицательном диапазоне температур фильтр на ПАВ является термостабильным, а в положительном диапазоне - не является термостабильным. Экспериментально нами установлено, что центральная частота такого фильтра линейно зависит от стрелы прогиба пьезоэлектрической подложки. На фиг.2 показана экспериментальная зависимость ухода частоты ПАВ фильтра (65,128 МГц) от стрелы прогиба пьезоэлектрической подложки. Изгиб биметаллической пластины от температуры также носит линейный характер, и стрела прогиба определяется известным выражением Y=kl²ΔT/4h [4], где: Y - стрела прогиба, k - коэффициент чувствительности биметаллической пластины, l - длина биметаллической пластины, ΔТ - изменение температуры, h - толщина биметаллической пластины. Поэтому ПАВ фильтр на основе известного технического решения [3] будет термостабильньм лишь в положительном диапазоне температур и не будет термостабильным в отрицательном диапазоне температур. Действительно, при увеличении температуры, за счет температурной зависимости материала звукопровода, частота ПАВ фильтра на основе технического решения [3] будет снижаться до величины -18 кГц, при этом одновременно за счет изгиба подложки - частота будет увеличиваться на +18 кГц, что приведет к компенсации ухода частоты. Тем самым в положительном температурном интервале фильтр будет термостабильным. В отрицательном температурном интервале пьезоэлектрическая подложка изогнется в сторону биметаллической пластины - частота ПАВ фильтра уменьшится на 16 кГц. Следовательно, при отрицательных температурах окружающей среды ПАВ фильтр не будет термостабильным.

Задача изобретения - получение термостабильного ПАВ фильтра в широком диапазоне изменения температур от отрицательных до положительных значений.

В известном устройстве на ПАВ, состоящем из звукопровода - пьезоэлектрической подложки, со сформированными на поверхности ВШП и с размещенной на обратной стороне биметаллической пластины, жестко скрепленной с пьезоэлектрической подложкой, предлагается жесткое крепление на концах биметаллической пластиной убрать и заменить на свободное поджатие с усилием, приводящим к первоначальному изгибу пьезоэлектрической подложки таким образом, чтобы центральная частота ПАВ фильтра увеличилась на 2-4 кГц при температуре окружающей среды 20-25°С. На фиг.3 показан ПАВ фильтр при изменении температуры в положительном диапазоне температур (более 0°С). Здесь: 1 - пьезоэлектрическая подложка, 2 - ВШП, 3 - биметаллическая пластина, 4 - жесткое крепление биметаллической пластины с пьезоэлектрической подложкой, 5, 6 - пружинные элементы на биметаллической пластине, образующие предварительный изгиб пьезоэлектрической подложки. Эти пружинные элементы жестко соединены с биметаллической пластиной и свободно касаются пьезоэлектрической подложки. Как вариант - эти пружинные элементы могут быть на пьезоэлектрической подложке и свободно касаться биметаллической пластины. В качестве пружинных элементов могут быть использованы плоские пружины, цилиндрические пружины, резиновые прокладки и т.п. Предварительный изгиб пьезоэлектрической подложки необходим для подъема центральной частоты (см. фиг.1) до уровня, при котором она не изменяется при изменении температуры менее 0°С. При росте температуры свыше 20°С происходит дальнейший изгиб пьезоэлектрической подложки, приводящий к деформации кристаллической решетки пьезоэлектрической подложки и к температурной компенсации изменения скорости акустической волны, тем самым - к повышению термостабильности ПАВ фильтра. При снижении окружающей температуры происходит изгиб биметаллической пластины в другую сторону и при 0°С концы биметаллической пластины перестают давить на концы пьезоэлектрической подложки. При температуре окружающей среды меньше 0°С появляется зазор между концами биметаллической пластины и пьезоэлектрической подложкой (см. фиг.4 - обозначения те же, как и на фиг.3). Пьезоэлектрическая пластина при этом не изгибается и частотно-температурная характеристика ПАВ фильтра соответствует частотно-температурной характеристики традиционного ПАВ фильтра, выполненного на основе пьезоэлектрической подложки ST-среза. При этом (см. фиг.1) в широком диапазоне отрицательных температур (0- минус 40°С) фильтр остается термостабильным. Параметры биметаллической пластины (стрела прогиба, чувствительность, длина, толщина) и параметры пружинных элементов выбираются экспериментально из условия компенсации температурного ухода частоты ПАВ фильтра в положительной области температур.

В качестве примера был изготовлен узкополосный фильтр на ПАВ со следующими характеристиками: центральная частота фильтра 65,128 кГц; полоса пропускания 40 кГц; диапазон рабочих температур от -40 до +85°С; пьезоэлектрическая подложка из кварца ориентации YXL/42⁰45^I; длина подложки - 32 мм, ширина - 6 мм, толщина - 1 мм. Биметаллическая пластина изготавливалась из термобиметаллического материала марки ТБ 129/79 с размерами: длина 32 мм, толщина 1,0 мм, ширина 6 мм. На фиг.5 приведена экспериментальная зависимость ухода частоты от температуры для предложенного термостабильного ПАВ фильтра. Видно, что уход частоты при изменении температуры от -40 до +85°С составил ±2 кГц, в то время как уход частоты обычного (нетермостабильного) ПАВ фильтра составил -18 кГц (см. фиг.1).

Источники информации

1. В.В.Дмитриев и др. Интегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации и обработки сигналов. М., «Радио и связь», 1985, с.95.

2. И.Зеленка. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М., «Мир», 1990, с.481.

3. Авторское свидетельство СССР №586543, кл. Н 03 Н 9/30, 25.01.78 г.

4. Ф.Кашпар. Термобиметаллы в электротехнике. М.-Л., Госэнергоиздат, 1961, с.49.

Термостабильный фильтр на ПАВ, содержащий пьезоэлектрическую подложку со сформированными на поверхности встречно-штыревыми преобразователями и с закрепленной на обратной стороне пьезоэлектрической подложки биметаллической пластиной, отличающийся тем, что биметаллическая пластина имеет жесткое крепление в центре пьезоэлектрической подложки, а на концах биметаллической пластины жестко закреплены пружинные элементы, которые свободно поджаты к концам пьезоэлектрической подложки с усилием, образующим предварительный изгиб пьезоэлектрической подложки при температуре окружающей среды 20-25°С и приводящим к увеличению первоначальной центральной частоты ПАВ фильтра на 2-4 кГц.