CN113114154A - 一种横向模式抑制的声表面波谐振器 - Google Patents

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骆伟
赵广宏
焦海龙
张小辉
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Abstract

一种横向模式抑制的声表面波谐振器，基片中心位置处设置有叉指换能器，叉指换能器两侧设置有第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵，叉指换能器和第一金属反射栅阵之间形成第一间隙，叉指换能器和第二金属反射栅阵之间形成第二间隙；叉指换能器两端汇流条处均连接输出引线；定义声孔径垂直方向为x轴，叉指换能器、第一金属反射栅阵、第二金属反射栅阵的上方汇流条在同一直线上，且该直线与x轴的夹角为偏向角，能流角在‑10°～+10°之间，偏向角与能流角不重合，且偏向角与能流角的角度差在‑20°～0°或0°～+20°之间。本发明采用与能流角不同的偏向角进行电极布局来抑制横向模式，无需增加复杂的设计和工艺，且可以保持器件的高Q值，提升声表面波谐振器的性能。

Description

一种横向模式抑制的声表面波谐振器
技术领域
本发明属于传感器设计领域，涉及一种横向模式抑制的声表面波谐振器。
背景技术
声表面波传感器因其自身具有独特的无线无源检测能力，在高温、强辐射、密闭等复杂恶劣环境中展现出极大的测量优势，具有广阔的应用前景。为了克服无线传输距离对声表面波传感器信号的影响，实现传感器的温度补偿，敏感元件在设计时常采用不同切型下的多个谐振器差动组合而成。例如，声表面波温度传感器常采用2个谐振器，压力传感器常采用3个谐振器，在应变或扭矩传感器中则采用5个甚至更多的谐振器。因此，声表面波谐振器在无线无源传感器的实现中起着至关重要的作用，其高性能指标决定着整个多谐振器敏感元件的性能，将提升传感器测量精度，增加无线传输距离。
为了提升声表面波谐振器的性能，需要抑制其横向模式杂散峰，减少声波横向能量的泄露，传统的横向模式抑制方法主要有两种：一种是加权换能器，即以主要的横向模的轮廓加权换能器，常用的有余弦、余弦平方、高斯、海明等加权函数，同时为提高谐振器的旁瓣抑制可以对反射栅进行变迹加权或抽指加权，但该方法会导致器件品质因数(Q值)降低。另一种是减小声孔径，但会因增加散射损耗而降低Q值，同时为了保证阻抗匹配需增加换能器数量。最近，公开号为CN 111200417A的中国专利，公开了一种具有横模抑制功能的声表面波换能器及其制备方法，通过开设凹槽使得声表面波换能器的叉指区边缘的声速低于叉指区中心的声速，第一单指区和第二单指区的声速高于叉指区中心的声速，利用声波横向反射特性的变化，有效地抑制其横向模式。相比于传统平面工艺，其实现中增加了复杂的体加工工艺。
由上述分析可以发现，在抑制声表面波谐振器横向模式的同时，仍然面临着谐振器Q值降低，或立体加工工艺复杂等问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种横向模式抑制的声表面波谐振器，该谐振器采用与能流角不同的偏向角进行电极布局来抑制横向模式，无需增加复杂的设计和工艺，且可以保持器件的高Q值，提升声表面波谐振器的性能。
本发明解决技术的方案是：
一种横向模式抑制的声表面波谐振器，包括基片、叉指换能器、第一金属反射栅阵、第二金属反射栅阵、第一间隙和第二间隙；基片上中心位置处设置有叉指换能器，叉指换能器的一侧设置有第一金属反射栅阵，另一侧设置有第二金属反射栅阵，叉指换能器和第一金属反射栅阵之间形成第一间隙，叉指换能器和第二金属反射栅阵之间形成第二间隙；所述叉指换能器两端汇流条处均连接输出引线；定义声孔径垂直方向为x轴，叉指换能器、第一金属反射栅阵、第二金属反射栅阵的上方汇流条在一条直线上，叉指换能器、第一金属反射栅阵、第二金属反射栅阵的下方汇流条在另一条直线上，叉指换能器、第一金属反射栅阵、第二金属反射栅阵的上方汇流条所在直线与x轴的夹角为偏向角，声波传播群速度方向和相速度方向的夹角为能流角；所述能流角在-10°～+10°之间，偏向角与能流角不重合，且偏向角与能流角的角度差在-20°～0°或0°～+20°之间。
所述叉指换能器不加权。
所述基片为石英基片、LiNbO3基片、LiTaO3基片、LGS基片或LGT基片。
所述叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的材料相同，为Al、Au、Cu、Pt或金属复合材料。
所述叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的金属化比相等，金属化比为0.1～0.6。
所述第一间隙和第二间隙宽度相等或不相等，第一间隙和第二间隙宽度均为所述叉指换能器电周期的0.25～2.5倍。
所述第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的同步频率相同，均为叉指换能器同步频率的0.95～1.05倍。
所述第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵均与叉指换能器平行。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明的一种横向模式抑制的声表面波谐振器具有设计简单的优势。本发明是通过采用与能流角不同的偏向角进行电极布局来抑制横向模式，避免了传统的换能器加权方法所引入的复杂平面结构，即无需对换能器或反射栅进行复杂的变迹加权或抽指加权设计。
(2)本发明采用半导体平面工艺实现，避免了通过开设沟槽或增镀覆盖层等抑制方法所带来的复杂立体加工工艺。
(3)本发明的一种横向模式抑制的声表面波谐振器具有高Q值的特点。本发明不改变谐振器的声孔径长度，避免了传统的声孔径减小方法而引起的散射损耗增加、Q值降低。
附图说明
图1为本发明的一种横向模式抑制的声表面波谐振器结构示意图；
图2为本发明实施例的横向模式抑制的声表面波谐振器与未采用偏向角布局的能流角切型的声表面波谐振器的频率响应测试曲线对比图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提出一种横向模式抑制的声表面波谐振器，包括基片1、叉指换能器2、第一金属反射栅阵3、第二金属反射栅阵4、第一间隙5和第二间隙6；基片1上中心位置处设置有叉指换能器2，叉指换能器2的一侧设置有第一金属反射栅阵3，另一侧设置有第二金属反射栅阵4，叉指换能器2和第一金属反射栅阵3之间形成第一间隙5，叉指换能器2和第二金属反射栅阵4之间形成第二间隙6；所述叉指换能器2两端汇流条处均连接输出引线；定义声孔径垂直方向(声波传播相速度方向)为x轴，叉指换能器2、第一金属反射栅阵3、第二金属反射栅阵4的上方汇流条在一条直线上，叉指换能器2、第一金属反射栅阵3、第二金属反射栅阵4的下方汇流条在另一条直线上，上方汇流条和下方汇流条所在直线平行，上方汇流条所在直线与x轴的夹角为偏向角，声波传播群速度方向和相速度方向的夹角为能流角。所述能流角在-10°～+10°之间，偏向角与能流角不重合，且偏向角与能流角的角度差在-20°～0°或0°～+20°之间。
叉指换能器2不加权。基片1为石英基片、LiNbO3基片、LiTaO3基片、LGS基片或LGT基片。
叉指换能器2、第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4的材料相同，均为Al、Au、Cu、Pt或金属复合材料。
叉指换能器2、第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4的金属化比相等，金属化比为0.1～0.6。
第一间隙5和第二间隙6宽度相等或不相等，第一间隙5和第二间隙6宽度均为所述叉指换能器2电周期的0.25～2.5倍。
第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4的同步频率相同，均为叉指换能器同步频率的0.95～1.05倍。
第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4均与叉指换能器2平行。
实施例：
如图1所示，本发明提供的一种横向模式抑制的声表面波谐振器，包括：
以x轴为0°，则能流角为+5°，偏向角为-5°。
偏向角与能流角的角度差为-10°。
叉指换能器不加权。
基片选用AT石英(欧拉角(0°,-54.7°,θ))压电片，声表面波在相速度传播方向角θ(θ＝22°)上具有自然单向性。
叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵选用金属Al材料，金属化比相等，金属化比为0.25。
第一间隙5和第一间隙6相等，均为叉指换能器电周期的0.25倍。
第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4的同步频率相同，为叉指换能器同步频率的1.002倍，且与叉指换能器2平行。
如图2所示，本发明提供的横向模式抑制的声表面波谐振器(即偏向角＝-5°，能流角＝5°)，其频率响应测试曲线如实线所示；未采用偏向角布局的能流角切型的声表面波谐振器(即偏向角＝能流角＝5°)，其频率响应测试曲线如虚线所示。
由实验结果可以清楚发现，当偏向角＝能流角时，谐振器的横向模式杂散峰明显；当采用本发明提供的谐振器时，横向杂散峰得到了显著抑制，且器件的Q值保持不变。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种横向模式抑制的声表面波谐振器，其特征在于：包括基片(1)、叉指换能器(2)、第一金属反射栅阵(3)、第二金属反射栅阵(4)、第一间隙(5)和第二间隙(6)；基片(1)上中心位置处设置有叉指换能器(2)，叉指换能器(2)的一侧设置有第一金属反射栅阵(3)，另一侧设置有第二金属反射栅阵(4)，叉指换能器(2)和第一金属反射栅阵(3)之间形成第一间隙(5)，叉指换能器(2)和第二金属反射栅阵(4)之间形成第二间隙(6)；所述叉指换能器(2)两端汇流条处均连接输出引线；定义声孔径垂直方向为x轴，叉指换能器(2)、第一金属反射栅阵(3)、第二金属反射栅阵(4)的上方汇流条在一条直线上，叉指换能器(2)、第一金属反射栅阵(3)、第二金属反射栅阵(4)的下方汇流条在另一条直线上，叉指换能器(2)、第一金属反射栅阵(3)、第二金属反射栅阵(4)的上方汇流条所在直线与x轴的夹角为偏向角，声波传播群速度方向和相速度方向的夹角为能流角；所述能流角在-10°～+10°之间，偏向角与能流角不重合，且偏向角与能流角的角度差在-20°～0°或0°～+20°之间。
2.根据权利要求1所述的一种横向模式抑制的声表面波谐振器，其特征在于：所述叉指换能器(2)不加权。
3.根据权利要求1所述的一种横向模式抑制的声表面波谐振器，其特征在于：所述基片(1)为石英基片、LiNbO3基片、LiTaO3基片、LGS基片或LGT基片。
4.根据权利要求1所述的一种横向模式抑制的声表面波谐振器，其特征在于：所述叉指换能器(2)、第一金属反射栅阵(3)和第二金属反射栅阵(4)的材料相同，为Al、Au、Cu、Pt或金属复合材料。
5.根据权利要求1所述的一种横向模式抑制的声表面波谐振器，其特征在于：所述叉指换能器(2)、第一金属反射栅阵(3)和第二金属反射栅阵(4)的金属化比相等，金属化比为0.1～0.6。
6.根据权利要求1所述的一种横向模式抑制的声表面波谐振器，其特征在于：所述第一间隙(5)和第二间隙(6)宽度相等或不相等，第一间隙(5)和第二间隙(6)宽度均为所述叉指换能器(2)电周期的0.25～2.5倍。
7.根据权利要求1所述的一种横向模式抑制的声表面波谐振器，其特征在于：所述第一金属反射栅阵(3)和第二金属反射栅阵(4)的同步频率相同，均为叉指换能器同步频率的0.95～1.05倍。
8.根据权利要求1所述的一种横向模式抑制的声表面波谐振器，其特征在于：所述第一金属反射栅阵(3)和第二金属反射栅阵(4)均与叉指换能器(2)平行。
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