монолитный пьезоэлектрический фильтр

Формула изобретения

МОНОЛИТНЫЙ ПЪЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР, содержащий пьезоэлектрическую пластину, на которой сформированы по меньшей мере два акустически связанных точечных резонатора с электродами, нанесенными на противоположные поверхности пьезоэлектрической пластины, отличающийся тем, что пьезоэлектрическая пластина выполнена со сферическими выступами на по меньшей мере одной ее поверхности и на выступах симметрично размещены электроды, причем расстояние S между основаниями сферических выступов выбрано из условия

S 10h,

где h толщина пластины в ее плоской части.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроакустическим устройствам, а более конкретно к монолитному пьезоэлектрическому фильтру.

Известен монолитный полосовой кварцевый фильтр [1] содержащий пластину, работающую на колебаниях сдвига по толщине, и размещенные на ней резонаторные секции, отделенные друг от друга акустическими барьерами в виде выступов, канавок или отверстий.

Локализация акустической энергии в области точечных резонаторов осуществляется только за счет массы электродов, что неприемлемо для создания малогабаритных узкополосых фильтров в диапазоне частот 3-10, МГЦ.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является монолитный пьезоэлектрический фильтр [2] содержащий пьезоэлектрическую кварцевую плоскую пластину, на которой сформированы два или более точечных резонатора электродами, нанесенными на противоположные поверхности пластины друг против друга. Ширина полосы пропускания фильтра в такой конструкции определяется размерами электродов и расстоянием между ними.

Поэтому для реализации узкополосных фильтров ( F<1 кГц) в этом диапазоне частот приходится удалять электроды друг от друга на расстояние, превышающее десять толщин пластины, и значительно увеличить размер электродов в направлении акустической связи. Это приводит к общему увеличению габаритов фильтра.

Изобретение обеспечивает конструктивное выполнение и расположение резонаторов монолитного пьезоэлектрического фильтра с более глубокой локализацией акустической энергии в области точечных резонаторов, т. е. создание миниатюрного узкополосного фильтра.

Поставленная задача решается тем, что в монолитном пьезоэлектрическом фильтре, содержащем пьезоэлектрическую пластину, на которой сформированы, по меньшей мере, два акустических связанных точечных резонатора с электродами, нанесенными на противоположные поверхности пьезоэлектрической пластины, резонаторы сформированы в зонах пьезоэлектрической пластины, в которых, по меньшей мере, на одной ее поверхности выполнены выступы сферической формы, на которых симметрично размещены электроды; причем расстояние между основаниями сферических выступов выбрано из условия: S 10h, где h толщина плоской зоны пьезоэлектрической пластины.

Выполнение точечных резонаторов в виде локальных выступов сферической формы обеспечивает более глубокую локализацию энергии, что приводит к уменьшению акустической связи между точечными резонаторами. Показателем акустической связи является разность резонансных частот плоской зоны пьезоэлектрической пластины и частоты точечного резонатора; чем больше эта разность, тем меньше акустическая связь. В данной конструкции фильтра разность частот может меняться в широких пределах в зависимости от геометрии локальных сферических выступов. Таким образом, малоэффективное управление сферической связью за счет изменения массы электродов заменяется в данной конструкции эффективным способом, связанным с формированием сферических выступов на пьезоэлектрической пластине. Например, при средней частоте монолитного фильтра 5 МГц оптимальной толщиной электродов с технологической точки зрения и обеспечения высокой добротности является толщина, понижающая частоту пьезоэлектрической пластины не более чем на 20 кГц. Таким образом, с помощью массы электродов разность частот пластины и точечных резонаторов не может превышать 20 кГц. При формировании точечных резонаторов с помощью локальных сфер можно увеличить эту разность частот до 200 кГц и более.

На фиг. 1 показана конструкция предложенного монолитного пьезоэлектрического фильтра, поперечное сечение; на фиг. 2 графики изменения полосы фильтра от расстояния между точечными резонаторами для различных радиусов сферы выступов при частоте 3 МГц; на фиг. 3 тоже, что на фиг. 2, для частоты 5 МГц; на фиг. 4 то же, что на фиг. 2, для частоты 10 МГц; на фиг. 5 график зависимости полосы пропускания фильтра от радиуса сферы выступа для средней частоты 4,9 МГц.

Монолитный пьезоэлектрический фильтр содержит пьезоэлектрическую пластину 1 толщинно-сдвиговых колебаний, на которой выполнены, по крайней мере, два акустически связанных точечных резонатора в виде локальных сферических выступов 2 на основных сторонах пластины. Один из резонаторов имеет металлические тонкопленочные электроды 3 и 4, а другой электроды 5 и 6. Все электроды 3-6 нанесены симметрично сферическим выступом 2. Выступы 2 сформированы на пластине 1 как единое продолжение материала пьезоэлектроника, например, методом травления с помощью защитных масок. Выступы 2 имеют сферическую поверхность или близкую к сферической, которая, например, моделируется ступенчатой структурой 7. Точечные резонаторы расположены так, что расстояние между основаниями сферических выступов 2 должно быть S 10h где h толщина плоской зоны пластины 1.

На фиг. 2 показаны графики зависимости полосы F пропускания фильтра от расстояния S между точечными резонаторами для частоты 3 МГц; кривая A для плоской пластины, кривая B для радиуса R сферы выступов 2 (фиг. 1), равного 30 см; кривая C (фиг. 2) для R=20 см, кривая D для R=10 см. На фиг. 3 приведены те же зависимости F от S, но для частоты 5 МГц. На фиг. 4 приведены те же зависимости F от S, но для частоты 10 МГц, кривая A₂ для плоской пластины, кривая B₂ для радиуса R=50 см, кривая C₂ для R=30 см, кривая D₂ для R= 15 см. На фиг. 5 показан график зависимости F от радиуса R сферы выступов 2 (фиг. 1) для средней частоты, равной 4,9 МГц.

Монолитный пьезоэлектрический фильтр работает следующим образом. На входные электроды, например электроды 3, 5, поступает сигнал широкого спектра частот. Сигналы, частоты которых соответствуют собственным резонансным частотам системы, вызовут появление резонансного отклика на выходных электродах 5, 6. Диапазон частот сигналов, пропускаемых фильтром, зависит главным образом от геометрии локальных сферических выступов 2. Поскольку размеры выступов 2 могут изменяться в широких пределах, то появляется возможность создать малогабаритный узкополосный монолитный фильтр в диапазоне частот 3-10 МГц.

Для выбора оптимальной конструкции фильтра на фиг. 2-5 приведены расчетные значения полосы F пропускания монолитного фильтра для различной геометрии точечных резонаторов и различного их взаимного расположения. Расчеты выполнения для кварца АТ-среза в диапазоне частот 3-10 МГц. Анализ графиков, приведенных на фиг. 2-4, показывает, что полоса F пропускания фильтра уменьшается с уменьшением радиуса R сферы выступа 2 и с увеличением расстояния S между локальными точечными резонаторами. Для сравнения показаны зависимости для плоской кварцевой пластины. Например, чтобы получать F=1 кГц, в монолитном фильтре, выполненном на плоской пластине, нужно разнести электроды точечных резонаторов на 4 мм (кривая A на фиг. 3). Такая же полоса F получается при формировании точечных резонаторов сферическими выступами 2 с радиусом сферы 20 см, но расстояние S между выступами 2 равно 2 мм. Таким образом, габариты фильтра значительно уменьшаются. Кроме того, установлено граничное условие для выбора расстояние между локальными выступами 2 в фильтре: S10h, где h толщина плоской зоны пластины 1.

Во всех случаях при расстоянии (фиг. 2-4) между точечными резонаторами в заявляемом фильтре, сравнимом с десятью толщинами h пластины, F стремится к минимальному значению.

На фиг. 5 видно, как изменяется полоса F пропускания фильтра в зависимости от радиуса R сферы локальных выступов 2 (фиг. 1) на частоте 4,9 МГц.

Очевидно, что точечные резонаторы в фильтре можно выполнить в виде односторонних сферических выступов 2. Тогда для сохранения полосы F пропускания фильтра необходимо уменьшить радиус сферы в 2 раза.

Возможна реализация многорезонансных фильтров, например, состоящих из шести точечных резонаторов на одной пластине 1.

Изготовлены партии монолитных фильтров на пластинах 1 кварца с АТ-срезом. Все пластины на окончательном этапе обработки подвергались механической шлифовке на корунде с зерном 5 мкм, а затем шлифовались либо механическим способом, либо в растворах на основе плавиковой кислоты. Перед напылением электродов 3-6 пластины 1 подвергались термовакуумному отжигу.

Изобретение может быть использовано в качестве селектирующего устройства в диапазоне частот от 3 до 10 МГц.