СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ УЗКОПОЛОСНОГО ПРИБОРА НА ПАВ Российский патент 2005 года по МПК H03H9/64 

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/42°45^I [2]. При температуре 80°С изменение частоты таких ПАВ фильтров составляет δF/F=150·10^-6 [2]. Однако и это значение ТКЧ достаточно велико для создания узкополосных фильтров на ПАВ. Так, например, узкополосный фильтр на частоту 65 МГц с полосой пропускания 40 кГц изготовленный на кварцевых подложках ориентации YXL/42°45^I при изменении температуры от 20°С до 70°С, имел уход частоты минус 16 кГц, что неприемлемо для входных цепей радиоэлектронных устройств.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому фильтру на ПАВ является фильтр [4], состоящий из пьезоэлектрической подложки (звукопровода) и ВШП, сформированных на рабочей поверхности подложки, и управляющих электродов, сформированных на противоположной рабочей стороне подложки. Для того чтобы уменьшить температурный уход частоты на управляющих электродах создают дополнительное электрическое поле, под действием которого производится деформация кристалла, приводящая к изменению расстояния между ВШП. Таким образом, при изменении управляющего напряжения, подводимого к электродам, происходит изменение задержки электрического сигнала, что позволяет также изменять центральную частоту фильтра на ПАВ и тем самым компенсировать температурную зависимость частоты фильтра на ПАВ.

Недостатками такого фильтра являются:

1 - необходимость в дополнительном источнике электрического сигнала, что не позволяет использовать такой фильтр в пассивных электронных устройствах;

2 - недостаточная компенсация ухода частоты при изменении температуры от отрицательных до положительных значений. Приложение управляющего напряжения позволяет изменять частоту лишь в одном направлении, например в сторону увеличения.

Задача изобретения - создание узкополосного фильтра на ПАВ с уменьшенным уходом центральной частоты при изменении температуры окружающей среды без использования дополнительного электрического напряжения. Эта задача достигается следующим образом.

В известном фильтре на ПАВ [4], состоящим из пьезоэлектрической подложки, со сформированной на его рабочей поверхности ВШП, в котором увеличение температурной стабильности основано на изменении расстояния между ВШП путем деформации кристаллической решетки пьезоэлектрической подложки, предлагается с нерабочей стороны подложки размещать и жестко скреплять с пьезоэлектрической подложкой пластину из материала с коэффициентом линейного термического расширения (КЛТР), превышающим КЛТР пьезоэлектрической подложки фильтра на ПАВ. При изменении температуры окружающей среды происходит изгиб системы подложка-пластина. С рабочей стороны пьезоэлектрической подложки образуется стрела прогиба, величина которой зависит от соотношения КЛТР и толщин подложки и пластины и разности температур и т.п. Экспериментально определено, что при изгибе пьезоэлектрической подложки происходит изменение центральной частоты δF узкополосного прибора на ПАВ по линейному закону, определяемому выражением:

Здесь k - постоянный коэффициент, ΔY - стрела прогиба пьезоэлектрической подложки.

Если стрела прогиба образуется со стороны встречно-штыревых преобразователей, то центральная частота узкополосного фильтра на ПАВ увеличивается, а если стрела прогиба образуется с нерабочей стороны подложки, то частота фильтра уменьшается. При увеличении температуры окружающей среды центральная частота узкополосного фильтра на ПАВ, сформированного на одиночной пьезоэлектрической подложке, уменьшается, а центральная частота узкополосного фильтра на ПАВ, где с нерабочей стороны пьезоэлектрической подложки жестко закреплена пластина с КЛТР большим, чем КЛТР пьезоэлектрической подложки - увеличивается. Тем самым происходит компенсация температурного ухода частоты и увеличение температурной стабильности узкополосного фильтра на ПАВ. Параметры системы пьезоэлектрическая подложка-пластина выбираются из следующих выражений, полученных из теории биметаллических пластин. При изменении температуры на величину ΔT происходит изгиб системы подложка-пластина на величину ΔY:

Здесь Δα - разница КЛТР пластины и пьезоэлектрической подложки, l - длина пластины, h_n - величина, определяемая из выражения:

h₁ и h₂ - толщина пьезоэлектрической подложки и пластины, соответственно; E₁ и Е₂ - модули упругости подложки и пластины, соответственно; h - суммарная толщина системы подложка-пластина.

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 20°С до 70°С;

пьезоэлектрическая подложка из кварца ориентации YXL/42°45^I;

длина подложки - 34 мм, ширина - 6 мм, толщина - 1 мм.

При изменении температуры от 20°С до 70°С центральная частота фильтра уменьшалась на 16 кГц. В соответствие с выражением (1) изгиб подложки со стороны ВШП на величину 75 мкм приводил к увеличению частоты фильтра также на 16 кГц. Для того чтобы такая величина изгиба образовывалась автоматически при работе фильтра в рабочем интервале температур, с нерабочей стороны пьезоэлектрической подложки жестко приклеивалась цинковая пластина. КЛТР цинка равен 30·10^-6 1/°С, что превышает КЛТР монокристаллического кварца (16,9·10^-61/°С). Толщина цинковой пластины выбиралась из выражений (2) и (3) таким образом, чтобы изгиб системы подложка-пластина при изменении температуры от 20°С до 70°С составлял 75 мкм, при этом происходила компенсация температурного ухода частоты узкополосного фильтра на ПАВ и тем самым повышение его температурной стабильности. На фиг.1 показана конструкция узкополосного фильтра на ПАВ. Здесь 1 - пластина из цинка, склеенная с пьезоэлектрической подложкой из кварца 2; 3 - встречно-штыревые преобразователи; 4 - линия изгиба системы подложка-пластина при изменении температуры от 20 до 70°С; 5 - стрела прогиба ΔY.

На фиг.2 показана экспериментальная зависимость изменения центральной частоты узкополосного фильтра на ПАВ от стрелы прогиба. На фиг.3 приведена экспериментальная зависимость изменения центральной частоты фильтра на ПАВ с центральной частотой 65,128 МГц от температуры для случаев, когда использовалась одиночная подложка из кварца (кривая 1) и для системы подложка кварца - цинковая пластина (кривая 2).

На фиг.3 кривая 1 - узкополосный фильтр на основе пьезоэлектрической подложки из кварца ориентации YXL/42°45^I; кривая 2 - узкополосный фильтр на основе системы кварцевая пьезоэлектрическая подложка - цинковая пластина, жестко скрепленная с нерабочей стороной подложки.

Из фиг.3 видно, что уход частоты при использовании предлагаемого технического решения уменьшился с 16 кГц до 2-3 кГц при изменении температуры от 20°С до 70°С. Тем самым повысилась температурная стабильность узкополосного фильтра на ПАВ.

Вариантом узкополосного фильтра на ПАВ с повышенной температурной стабильностью является следующее техническое решение. Предлагается с нерабочей стороны пьезоэлектрической подложки фильтра на ПАВ размещать биметаллическую пластину. Биметаллическая пластина жестко соединена с пьезоэлектрической подложкой стойками в центре и на концах подложки, как это показано на фиг.4. Здесь 1 - пьезоэлектрическая подложка со сформированными на рабочей поверхности ВШП 2; 3 - стойки крепления подложки 1 с биметаллической пластиной 4.

Повышение температурной стабильности узкополосного фильтра на ПАВ в этом случае осуществляется следующим образом. При увеличении температуры происходит снижение центральной частоты фильтра на ПАВ из-за отрицательного ТКЧ подложки. При этом одновременно происходит изгиб биметаллической пластины таким образом, чтобы со стороны ВШП 2 появилась стрела прогиба, что ведет к увеличению центральной частоты узкополосного фильтра на ПАВ. Тем самым происходит компенсация температурного ухода частоты и повышение температурной стабильности узкополосного фильтра на ПАВ. Параметры биметаллической пластины выбираются в соответствии с выражениями 2 и 3:

Здесь Δα - разница КЛТР нижней части биметаллической пластины и верхней части биметаллической пластины; ΔТ - разница между максимальной и минимальной рабочей температурой прибора на ПАВ; l - длина пластины, h_n - величина, определяемая из выражения:

h₁ и h₂ - толщина верхней и нижней части биметаллической пластины, соответственно;

E₁ и Е₂ - модули упругости верхней и нижней части биметаллической пластины, соответственно; h - суммарная толщина биметаллической пластины.

При необходимости регулирования ухода частоты ПАВ фильтра от температуры не с номинального значения температуры, например 20°С, а с более высокого значения температуры, например 35°С, используется вариант конструкции фильтра на ПАВ, приведенный на фиг.4. Боковые стойки 3 на фиг.4, в этом варианте жестко не скрепляются с пьезоэлектрической подложкой; между стойками и подложкой оставляется зазор, величина которого определяется разницей между температурой начала регулирования компенсации ухода частоты и номинальным исходным значением температур. Величина зазора определяется из выражений 1-3. Вариант узкополосного фильтра на ПАВ с повышенной температурной стабильностью показан на фиг.5.

Здесь 1 - пьезоэлектрическая подложка со сформированными на рабочей поверхности ВШП 2; 3 - стойки крепления подложки 1 с биметаллической пластиной 4; 5 - зазор между стойками 3 и пьезоэлектрической подложкой 1.

Повышение температурной стабильности узкополосного фильтра на ПАВ в этом случае осуществляется следующим образом. При увеличении температуры происходит снижение центральной частоты фильтра на ПАВ из-за отрицательного ТКЧ подложки. При этом одновременно происходит изгиб биметаллической пластины 4, что ведет к уменьшению зазора 5. Начиная с заданного значения температуры стойки 3 пластины 4 начинают контактировать с пьезоэлектрической подложкой 1; подложка начинает изгибаться, тем самым начинается процесс температурной компенсации ухода частоты узкополосного фильтра на ПАВ.

В качестве примера был изготовлен узкополосный фильтр на ПАВ со следующими характеристиками:

центральная частота фильтра 65,128 кГц;

диапазон рабочих температур от -40°С до 70°С;

пьезоэлектрическая подложка из кварца ориентации YXL/42°45^I;

длина подложки - 34 мм, ширина - 6 мм, толщина - 1 мм.

Исходя из фиг.3 температура начала температурной компенсации ухода частоты фильтра на ПАВ была выбрана равной 35°С. Частота фильтра при изменении температуры от 20°С до 35°С, как следует из фиг.3, уменьшается на 2 кГц. При этом, исходя из фиг.1, зазор 5 между стойками 3 и подложкой 1 (см. фиг.5) должен составлять 8 мкм. В качестве биметаллической пластины 4 нами использовалась пластина из алюминия, толщиной 0,5 мм, скрепленная с пластиной из стали толщиной также 0,5 мм. Температурная компенсация ухода частоты начиналась с 35°С до 70°С. При этом уход частоты при изменении температуры от -40°С до 70°С не превышал 2 кГц.

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. H.Sato, K.Onishi, T.Shimamura, Y.Tomita. Temperature Stable SAW Devices Using Directly Bonded LiTaO₃/Glass Substrates. Pros. IEEE Ultrason. Symp., 1998.

4. В.И.Речицкий. Акустоэлектронные радиокомпоненты. М., «Радио и связь», 1987, с.156.

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). Техническим результатом является увеличение температурной стабильности узкополосных приборов на ПАВ и уменьшение ухода центральной частоты при изменении температуры окружающей среды. Способ основан на изменении расстояния между встречно-штыревыми преобразователями путем деформации кристаллической решетки пьезоэлектрической подложки. На обратной стороне пьезоэлектрической подложки размещают биметаллическую пластину или пластину из материала с коэффициентом термического расширения, превышающим коэффициент термического расширения пьезоэлектрической подложки. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ повышения температурной стабильности узкополосного прибора на ПАВ, основанный на изменении расстояния между встречно-штыревыми преобразователями путем деформации кристаллической решетки пьезоэлектрической подложки при размещении на ее обратной стороне биметаллической пластины, отличающийся тем, что биметаллическую пластину снабжают стойками, которые размещают в ее середине и на концах, причем биметаллическую пластину жестко соединяют в середине с пьезоэлектрической подложкой, а на концах пластины между стойками и подложкой выполняется зазор, величина которого определяется разницей между температурой начала регулирования компенсации ухода частоты и номинальным исходным значением температур и выбирается из экспериментальных зависимостей ухода частоты от температуры и величины стрелы прогиба биметаллической пластины.2. Способ повышения температурной стабильности узкополосного прибора на ПАВ, основанный на изменении расстояния между встречно-штыревыми преобразователями путем деформации кристаллической решетки пьезоэлектрической подложки, отличающийся тем, что на обратной стороне пьезоэлектрической подложки жестко закреплена пластина из материала с коэффициентом термического расширения, превышающим коэффициент термического расширения пьезоэлектрической подложки, а параметры пластины (коэффициент термического расширения, толщина и длина) выбираются из условия компенсации температурного ухода частоты прибора на ПАВ.