МОНОЛИТНЫЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР Российский патент 1997 года по МПК H03H9/56 H01L41/08 

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности пьезотехника, и может быть использовано в устройствах селекции сигналов по частоте, а также при разработке и изготовления среднеполосных монолитных фильтров (МФ).

Известен монолитный фильтр на кристаллической пластинке из лантан-галиевого силиката (ЛГС). Фильтр выполнен на прямом ХУ-срезе, относительные размеры возбуждающих электродов при этом равны
L_x/ H 6; L_z/ H 12,
где L_x размер электрода в направлении электрической оси Х,м;
L_z размер электрода в направлении оптической оси Z, м;
Н толщина пьезоэлектрической пластины, м. [1]
Недостатком данного фильтра является относительно низкая средняя частота его полосы пропускания, которая не превышает 20 МГц, что обусловлено неоптимальностью выбора формы и размеров электродов по отношению к толщине пьезоэлектрической пластины. Кроме того, за пределами основной полосы пропускания известный монолитный фильтр имеет ряд побочных полос пропускания, которые снижают его избирательность.

Известен также монолитный кристаллический фильтр [2] содержащий по крайней мере две пары перекрывающихся возбуждающих электродов, образующих акустически связанные резонаторы, размещенные на пьезоэлектрической пластине из ЛГС, угол между нормалью к главной грани которой и ее механической осью У выбран равным 1^o50'± 1^o, а длина и ширина возбуждающих электродов прямоугольной формы выбраны соответственно из соотношений 8,0 ≅ L/H ≅ 10,5; 6,5 ≅ L/H ≅ 8,0,
где L_x длина возбуждающих электродов в направлении оси Х,м;
L_z ширина возбуждающих электродов в направлении оси Z,м;
Н толщина пьезоэлектрической пластины, м.

Этот монолитный кристаллический фильтр является наиболее близким к заявляемому по технической сущности, количеству сходных существенных признаков и достигаемому результату. Поэтому данное устройство принимаем за прототип и одновременно оно может служить базовым объектом.

Недостатками монолитного кристаллического фильтра [2] как и аналога [1] являются относительно низкая средняя частота полосы пропускания, не более 20 МГц, поскольку выбранные размеры длины и ширины возбуждающих электродов по отношению к толщине пластины не позволяют реализовать технологически малый зазор между электродами, который с ростом частоты при указанных соотношениях размеров электродов значительно уменьшается. Кроме того, с увеличением частоты происходит также снижение избирательности фильтра за счет увеличения уровня и количества побочных полос пропускания. А угол, выбранный между нормалью к главной грани пьезоэлектрической пластины и механической осью У равным 1^o50'± 1 не обеспечивает высокой температурной стабильности средней частоты фильтра в широком диапазоне в области положительных температур.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона в сторону верхних частот, повышение температурной стабильности средней частоты в широком диапазоне области положительных температур, а также повышение избирательности фильтра за счет снижения уровня побочных полос пропускания в полосах задерживания фильтра при сохранении максимальной полосы пропускания.

Это достигается за счет того, что в монолитном кристаллическом фильтре, содержащем по крайней мере два акустически связанных резонатора, каждый из которых образован двумя перекрывающимися возбуждающими электродами, размещенными на главных гранях пьезоэлектрической пластины из лантан-галиевого силиката среза YXl/ ±β, ось акустической связи между которыми размещена вдоль длины пьезоэлектрической пластины, согласно изобретению длина и площадь возбуждающих электродов выбраны соответственно из соотношений:
10,5 < L_x/H ≅ 18,
где L_x размер возбуждающих электродов вдоль длины пьезоэлектрической пластины, м;
Н толщина пьезоэлектрической пластины, м;
84 < S/H² ≅ 200,
где S площадь возбуждающих электродов, м².

Это достигается также за счет того, что в монолитном кристаллическом фильтре угол b между нормалью к главной грани пьезоэлектрической пластины и ее механической осью У в плоскости ZY выбран в пределах
-50^'≅ β < 50^',
где β угол между нормалью к главной грани пьезоэлектрической пластины и ее механической осью Y, град.

Это достигается также за счет того, что в монолитном кристаллическом фильтре пьезоэлектрическая пластина имеет второй поворот вокруг нормали к главной грани, а угол a поворота между продольной осью симметрии пьезоэлектрической пластины и электрической осью Х выбран в пределах
0^° < α ≅ 15^°,
где α угол поворота между продольной осью симметрии пьезоэлектрической пластины и электрической осью Х, град.

Сравнение изобретения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в области пьезотехники не позволило выявить в них вышеуказанные отличительные признаки в качестве самостоятельных функциональных признаков, используемых в какой-либо иной совокупности признаков для решения вышеуказанных задач с достижением положительного эффекта. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена конструкция пьезоэлемента монолитного кристаллического фильтра; на фиг. 2 экспериментальные зависимости температурного коэффициента средней частоты полосы пропускания фильтров в широкой области положительных температур; на фиг. 3 ориентация пьезоэлектрической пластины относительно кристаллографических осей кристалла ЛГС; на фиг. 4 в полярной системе координат нормированный относительно оси Z коэффициент акустический связи в плоскости ZX кристалла ЛГС.

Пьезоэлемент монолитного кристаллического фильтра (МКФ) содержит пьезоэлектрическую пластину 1, две пары перекрывающихся возбуждающих электродов 2,3 и 4,5 соответственно и выводы 6.

МКФ работает следующим образом. Напряжение высокой частоты подается на выводы возбуждающих электродов 2 и 3 входного частотного резонатора и вызывает в нем толщинно-сдвиговые колебания, которые за счет акустической связи передаются в соседний частный резонатор, образованный возбуждающими электродами 4 и 5, и поступают на выходные выводы 6 пьезоэлемента МКФ.

Для повышения высокочастотности в прототипе необходимо было бы уменьшать расстояние между электродами. Однако на частотах 18-20 МГц зазор уже составляет 100-120 мкм. Дальнейшее уменьшение зазора между электродами в прототипе не может быть реализовано технологически, поскольку электроды напыляются через маски, перемычку в которой сделать более тонкой не представляется возможным. Поэтому в заявленном устройстве было найдено иное техническое решение, а именно выбраны другие соотношения между длиной электродов в направлении оси акустической связи, а также между центрами электродов, выбор расстояний между которыми также определяет высокочастотность фильтра и ширину полосы пропускания. Однако для повышения средней частоты полосы пропускания фильтра форма электродов не имеет принципиального значения, т.е. электроды могут быть выполнены прямоугольной формы, в форме полуокружности, половины эллипса или другой формы. Поэтому существенными признаками для повышения средней частоты фильтра можно считать площадь электродов и длину электродов вдоль оси акустической связи, поскольку именно они определяют действующее расстояние между центрами электродов.

Экспериментально МКФ были выполнены на частоты 45 и 71 МГц. Величина длины электродов находилась в пределах 10,5Н < L_x ≅ 18H, где Н - толщина пьезоэлектрической пластины. При этом площадь электродов по отношению к квадрату толщины находилась также в пределах
84 < S/H² ≅ 200.

В частности 3 фильтра, выполненные на частоту 71 МГц с полосой пропускания Df = 245 кГц, имели следующие значения параметров:
L_x/H 17,77; S/H² 187,83
L_x/H 15,43; S/H² 190,4
L_x/H 10,79; S/H² 145,5. При этом верхнее значение S 200Н² позволяет реализовать фильтры на частотах до 80 МГц и выше, а минимальное значение S 84Н² соответствует нижним частотам диапазона 25 МГц и ниже.

Экспериментальные зависимости температурного коэффициента средней частоты полосы пропускания (фиг.2) показывают, что наибольшей стабильностью в области положительных температур фильтры обладают при выборе -50′≅β< 50′. Выбор конкретной величины угла β должен производиться с учетом конкретных кристаллов и завода изготовителя.

С увеличением средней частоты полосы пропускания фильтра увеличивается также количество побочных полос пропускания и снижается величина их затуханий. Скомпенсировать величины затуханий побочных полос пропускания удается с помощью второго поворота пьезоэлектрической пластинки вокруг нормали к главной грани. При этом угол поворота a выбирается из условия α≅ 15^°, в пределах которого практически не уменьшается коэффициент акустической связи. Большое значение коэффициента акустической связи позволяет не уменьшить ширину полосы пропускания и не снизить высокочастотность фильтра.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может использоваться при разработке устройств селекции сигналов по частоте. Изобретение решает задачу расширения частотного диапазона верхних частот. Монолитный кристаллический фильтр содержит пьезоэлектрическую пластину 1 из лантан-галиевого силиката, две пары перекрывающихся возбуждающих электродов 2, 3 и 4,5 и выводы 6. Увеличение верхних частот обеспечивается за счет выбора длины L_x и площади S возбуждающих электродов из соотношений 10,5 < L_x/H < 18; 84 < S/H² < 200, где Н - толщина пьезоэлектрической пластины. Решается также задача снижения уровня побочных полос пропускания, что достигается поворотом пьезоэлектрической пластины вокруг нормали к главной грани в пределах 15^o. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Монолитный кристаллический фильтр, содержащий по крайней мере два акустически связанных резонатора, каждый из которых образован двумя перекрывающимися возбуждающими электродами, размещенными на главных гранях пьезоэлектрической пластины из лантан-галлиевого силиката среза YXl/± β, ось акустической связи между которыми размещена вдоль длины пьезоэлектрической пластины, отличающийся тем, что длина и площадь возбуждающих электродов выбраны соответственно из соотношений
10,5 <L_x/H ≅ 18,
где L_x размер возбуждающих электродов вдоль длины пьезоэлектрической пластины, м;
H толщина пьезоэлектрической пластины, м;
84 <S/H² ≅ 200,
где S площадь возбуждающих электродов, м²;
β угол между нормалью к главной грани пьезоэлектрической пластины и ее механической осью Y, град. 2. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что угол b между нормалью к главной грани пьезоэлектрической пластины и ее механической осью Y в плоскости ZY выбран в пределах
-50′= β<50′.
3. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что пьезоэлектрическая пластина имеет второй поворот вокруг нормали к главной грани, а угол поворота α между продольной осью симметрии пьезоэлектрической пластины и ее электрической осью X выбран в пределах
0^°< α ≅ 15^°,
где α угол поворота между продольной осью симметрии пьезоэлектрической пластины и электрической осью X, град.