Устройство на поверхностных акустических волнах

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может использоваться в акустоэлектронных устройствах для обработки сигналов на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Достигаемый технический результат заключается в обеспечении уменьшения апертуры устройства в 2-3 раза и соответственно во столько же раз обеспечивается уменьшение размеров пьезоэлектрического звукопровода. Устройство содержит пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены входной и выходной встречно-штыревые преобразователи. Устройство содержит дополнительные элементы, такие как отражатели с короткозамкнутыми электродами и/или экранирующие структуры. Внутренняя область шины, примыкающая к активной области, имеет сплошную металлизацию. Средняя область шины выполнена в виде периодически расположенных окон, свободных от металлизации. Внешняя область шины имеет сплошную металлизацию, при этом ее ширина выбирается исходя из условия минимизации омического сопротивления всей шины в целом. 4 ил.

 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может использоваться в акустоэлектронных устройствах для обработки сигналов на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

В известных [1] устройствах для обработки сигналов на ПАВ, таких как линии задержки, резонаторы и фильтры, для формирования заданных амплитудно и фазо-частотных характеристик используются различные конструктивные элементы: встречно-штыревые преобразователи (ВШП), отражательные структуры, экранирующие структуры и т.п. Современные требования по микроминиатюризации радиоэлектронных компонент накладывают дополнительные условия по минимизации их габаритных размеров. Любой конструктивный элемент в устройстве на ПАВ в части линейных размеров характеризуется протяженностью (L) вдоль распространения акустических волн и эффективной шириной активной области, в которой происходит возбуждение, распространение и прием акустических волн, называемой апертурой (W).

Величина протяженности L определяется из условия заданных выходных параметров и выбранного для этого конструктивного решения устройства. Величина апертуры W выбирается исходя из требований согласования импедансов и минимизации расхода пьезоэлектрического звукопровода. Для типовых конструкций устройств на ПАВ величина апертуры составляет 20÷30 длин волн.

Известна конструкция [2], функционально представляющая собой фильтр на ПАВ (фиг.1), содержащая пьезоэлектрический звукопровод 1, на рабочей поверхности которого расположены: входной ВШП 2, два выходных ВШП 3 и две отражательные структуры с короткозамкнутыми электродами 4.

Недостатком данной конструкции является то, что с уменьшением апертуры до значений W≤10λ, где λ - длина волны, наблюдаются искажения, которые приводят к увеличению неравномерности в полосе пропускания фильтра.

В структурах с апертурой менее 10 длин волн необходимо создать условия распространения ПАВ, при которых локализация волны будет осуществляться в пределах активной области, т.е. ширина пучка акустических волн будет равна апертуре W. Коэффициент металлизации (К_м) в структуре элементов ПАВ определяется как отношение металлизированной части поверхности к общей поверхности, в частности, применительно к активной области это отношение ширины электрода к суммарной ширине электрода и промежутка. В реальных структурах устройств на ПАВ коэффициент металлизации К_м в активной области близок к 50%, а контактные шины, расположенные вдоль распространения, имеют сплошную металлизацию К_м, равную 100%. При этом с учетом замедления ПАВ под металлизированной поверхностью происходит затягивание акустических волн под контактные шины, что приводит к искажению выходных характеристик устройства.

Известен закороченный полосковый волновод [1], представляющий собой очень тонкую металлическую полоску на пьезоэлектрической подложке. Металлическая полоска закорачивает электрическое поле, связанное с распространением поверхностной волны в пьезоэлектрике, вызывая тем самым изменение скорости ПАВ Δν в данной области. Поскольку скорость волны ν на свободной поверхности выше скорости волны под металлизированной областью, то такая область локализует акустическую волну. В данном случае замедление волны осуществляется посредством эффекта закорачивания. С увеличением толщины металлизированной области появляется дополнительная нагрузка массой, которая приводит к дополнительному замедлению волны и усиливает волноводный эффект (степень локализации волны). Этим эффектом объяснятся затягивание акустических волн под контактные шины в конструкции фильтра на ПАВ, показанной на фиг.1. Уход волн из активной области приводит к искажениям выходных сигналов и накладывает ограничения на уменьшение апертуры и, соответственно, на снижение габаритных размеров устройства в целом.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.

Это достигается тем, что для создания условий волноводного эффекта контактные шины всех элементов, расположенные вдоль распространения акустических волн, выполнены с соблюдением следующих соотношений: внутренняя область шины, примыкающая к активной области, имеет сплошную металлизацию, при этом ее ширина в 1,2÷6 раз меньше длины волны, следующая за ней в поперечном направлении средняя область шины имитирует свободную поверхность, выполненную в виде периодически расположенных окон, свободных от металлизации и обеспечивающих усредненный коэффициент металлизации на 10÷50% меньше, чем у активной области, при этом ее ширина больше или равна двум длинам волн, внешняя область шины имеет сплошную металлизацию, при этом ее ширина выбирается исходя из условия минимизации омического сопротивления всей шины в целом и линейными размерами контактных площадок для присоединения внешних выводов.

На фиг.2 показан фрагмент структуры устройства на ПАВ, раскрывающий сущность изобретения; конструкция шины, которая вследствие волноводного эффекта обеспечивает локализацию волн в активной области.

Область 5 - активная область устройства с коэффициентом металлизации К_м0, значение которого выбирается исходя из конструктивных особенностей устройства в целом.

Область 6 - внутренняя область шины для осуществления электрического контакта, имеет сплошную металлизацию К_м1=100%, при этом ее ширина должна быть меньше длины волны в 1,2÷6 раз.

Область 7 - средняя область шины, обеспечивающая границу раздела для волновода и должна иметь минимальный коэффициент металлизации, удовлетворяющий соотношению: усредненный коэффициент металлизации меньше, чем у активной области (К_м2<К_м0) на 10÷50%, при этом ширина Н области 7 должна составлять не менее n длин волны (Н≥nλ), где n≥2.

Область 8 - внешняя область шины для осуществления электрического контакта, имеет сплошную металлизацию К_м3=100%, при этом ширина области 8 выбирается из соображений минимизации омического сопротивления всей конструкции шины, включая области 6 и 7, с учетом линейных размеров контактных площадок для присоединения внешних выводов.

Устройство, включающее данную структуру, работает следующим образом. При подаче на входной ВШП электрического сигнала, он возбуждает в пьезоэлектрическом звукопроводе ПАВ, распространяющуюся в направлении выходного ВШП, и преобразуется последним в электрический выходной сигнал. В силу того, что все частотно-избирательные компоненты (ВШП, отражательные структуры) выполнены в виде акустического волновода, т.е. имеют сформированную границу раздела за счет разности распространения скорости волны на свободной и металлизированной поверхности, происходит локализация энергии в активной области распространения волны. Практическая реализация границы раздела обусловлена применением в шинах областей с различным коэффициентом металлизации, что обеспечивает локализацию акустических волн в активной области (рабочей апертуре) устройства на ПАВ.

Перечень фигур чертежей.

Фигура 1 показывает конструкцию фильтра на ПАВ на основе продольно-связанных мод с использованием отражательных структур с короткозамкнутыми электродами.

Фигура 2 показывает фрагмент структуры устройства на ПАВ с конструкцией шины, обеспечивающей локализацию ПАВ в активной области устройства.

Фигура 3 показывает экспериментальные амплитудно-частотные характеристики фильтров на ПАВ, выполненных в двух исполнениях.

Фигура 4 показывает топологию устройства на ПАВ с конструкцией шины, обеспечивающей волноводное распространение акустических волн.

Пример. Выполнены фильтры на ПАВ на центральную частоту 586 МГц с полосой пропускания 8 МГц. В структуре аналогичной, показанной на фиг.1, ВШП 2 и ВШП 3 содержат 41 и 19 штырей соответственно. Две отражательные структуры 4 содержат по 100 короткозамкнутых электродов. Апертура акустического канала равна 0,08 мм, что составляет 10 длин волн. В качестве пьезоэлектрического звукопровода 1 использован YX1/+64° - срез монокристаллического ниобата лития. Фильтры выполнены в двух исполнениях:

в первом варианте шины выполнены сплошной металлизацией с коэффициентом металлизации, равным 100%, при этом в полосе пропускания амплитудно-частотной характеристики неравномерность составляет более 1 дБ в виде «провала», фиг.3, кривая 9;

во втором варианте (фиг.4) контактные шины выполнены в соответствии с предлагаемым изобретением, внутренняя область шины 5, примыкающая к активной зоне, имеет сплошную металлизацию шириной 5 мкм. При этом длина волны составляет 8 мкм, таким образом, ширина области 5 в 1,6 раза меньше длины волны. Следующая за ней средняя область шины имитирует свободную поверхность с включением окон, свободных от металлизации, и имеет усредненный коэффициент металлизации 35% (коэффициент металлизации активной области составляет 50%), при этом ширина средней области составляет 20 мкм, что соответствует 2,5 длинам волн. Внешняя область шины имеет сплошную металлизацию, при этом ее ширина на протяженных участках составляет 10 мкм, а на участках для присоединения вводов до 200 мкм. При этом, как показано на фиг.3, кривая 10, неравномерность в полосе пропускания составила менее 0,2 дБ.

Изобретение обеспечивает малую неравномерность амплитудно-частотной характеристики в полосе пропускания фильтра на ПАВ и позволяет снизить размеры пьезоэлектрического звукопровода в 2-3 раза за счет уменьшения апертуры.

Источники информации

1. Поверхностные акустические волны. Под редакцией А.Олинера. - М.: МИР, 1981.

2. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров Р.В., ПАВ-фильтры на основе продольно-связанных структур. М.: Электронная промышленность, 2004 г., №1, с.14.

Устройство на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащее пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены элементы, формирующие выходные характеристики устройства, в том числе входной встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и, по крайней мере, один выходной ВШП, также может включать другие элементы, такие как отражательные структуры с короткозамкнутыми электродами и/или экранирующие структуры, отличающееся тем, что контактные шины всех элементов, расположенные вдоль распространения акустических волн, выполнены с соблюдением следующих соотношений: внутренняя область шины, примыкающая к активной области, имеет сплошную металлизацию, при этом ее ширина в 1,2÷6 раз меньше длины акустической волны, следующая за ней в поперечном направлении средняя область шины выполнена в виде периодически расположенных свободных от металлизации окон, обеспечивающих усредненный коэффициент металлизации на 10-50% меньше чем у активной области, при этом ее ширина больше или равна двум длинам волн, внешняя область шины имеет сплошную металлизацию, при этом ее ширина выбирается, исходя из условия минимизации омического сопротивления всей шины в целом и линейных размеров контактных площадок для присоединения внешних выводов.