專利名稱：小間距表面聲波換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的領(lǐng)域是工作在特高頻上的表面聲波換能器，一般工作頻率在數(shù)千兆赫茲的數(shù)量級上。
按照傳統(tǒng)，換能器一般根據(jù)其應(yīng)用(有或沒有反射的換能器)而制成每個波長λ內(nèi)有兩個、四個或八個電極的結(jié)構(gòu)，其中，λ對應(yīng)于換能器的中心工作頻率。所有這些類型的換能器，其基片的金屬化表面與空閑表面的面積之比通常在0.25至0.75之間。
現(xiàn)在已經(jīng)生產(chǎn)了一種新的換能器。它們是所謂的小間距換能器，其中，空閑表面非常小，以致于兩個相鄰電極之間的距離能夠達到最小，如

圖1所示。這種換能器的優(yōu)點是它有可能獲得盡可能大的電極寬度，因此每個周期(period)都顯著地減少電極之間的反射現(xiàn)象。這些結(jié)構(gòu)的缺點在于技術(shù)上的困難。作為例子，對于工作在16GHz上的換能器，寬度為λ/2即1.5um的電極不得不隔開大約幾百埃的距離，這就需要一種高精技術(shù)。已經(jīng)建議了各種技術(shù)，尤其是J.H.Hines和D.C.Malocha于1993年6月8日-13日在美國丹佛召開的IEEE MTT-S國際微波討論會的文摘(Cat.97CH3607號)中所建議的。按照此概念，按照大約50/50的金屬化/空閑表面比來實現(xiàn)電極的傳統(tǒng)生產(chǎn)，如圖2a所示。第一組電極上全部覆蓋一層電介質(zhì)材料(圖2b)。然后產(chǎn)生第二組電極，如圖2c所示。因此，有可能獲得隔開微小距離的電極，該距離對應(yīng)于該層電介質(zhì)材料的厚度，然而，第二組電極沒有與壓電基片進行直接電介質(zhì)接觸，因此導致低效率的耦合。
此外，這項技術(shù)天生地導致不可能反射的結(jié)構(gòu)，因此必定導致雙向換能器。
關(guān)于這一點，本發(fā)明建議一種新穎的小間距換能器類型的換能器，用一項簡單的技術(shù)就能獲得，并且使換能器不會有耦合問題。按照本發(fā)明，在垂直于基片平面的方向上借助于蝕刻的格柵而使相鄰的電極之間獲得間距。
更具體地說，本發(fā)明的目的是提供一種表面聲波換能器，它包含一個基片，在該基片上淀積兩個互相交叉的(interdigitated)電極陣列(array)，并且這兩個互相交叉的電極陣列連接到不同的極性，以便產(chǎn)生聲換能單元，該聲換能單元由至少兩個不同極性的相鄰的電極界定，其特征在于，它包含蝕刻凹槽的一個格柵，這些蝕刻凹槽在基片上由臺地(mesa)隔開；所有的臺地和蝕刻凹槽，它們被一個金屬化層覆蓋著，該金屬化層構(gòu)成電極；蝕刻凹槽的深度大于該金屬化層的厚度，以便在兩個相鄰的電極之間在垂直于基片平面的方向上產(chǎn)生一個間距。
這種換能器具有能直接被生產(chǎn)的好處。這是因為在首先使得蝕刻的格柵具有要求的周期性(periodicity)后，就可以著手對該蝕刻的格柵的全部表面進行金屬化。
注意，為了使生產(chǎn)的易變性(sensitivity)最小，最好使臺地比蝕刻凹槽更寬。
特別有利的是，本發(fā)明的小間距換能器可以具有最佳的聲波傳播方向。
因此，按照本發(fā)明的第一實施例，兩個相鄰電極之間的距離等于λ/4，并且也等于臺地和相鄰的蝕刻凹槽之間的距離。該蝕刻凹槽的側(cè)壁產(chǎn)生反射，它使得被返回的傳送波與反射波在最佳方向上同相，而在相反方向上是反相的，以便獲得一個單向換能器，也稱為SPUDT(單相的單向換能器)。在這種換能器中，還顯示，在所述換能器內(nèi)部制作諧振腔是有益的，這在公開的專利申請2,702,899中已經(jīng)具體地描述了。為了建立一個諧振腔，必須局部性地改變表面聲波的方向性。要做到這一點，按照慣例通過局部性地使電極位移來改變所述的相位，從技術(shù)的觀點看，它并不是簡單的事情。
按照本發(fā)明，通過局部性地產(chǎn)生一個較大寬度的蝕刻凹槽，通常為兩倍大小，使得改變方向性變得非常簡單。
按照本發(fā)明的第二實施例，小間距換能器是一個具有λ/2周期的雙向換能器。通常，在λ/2技術(shù)中，這種換能器具有非常好的耦合系數(shù)以及臨界(critical)尺寸，因此它比每個λ長度內(nèi)設(shè)有四個電極的換能器更容易生產(chǎn)。
按照本發(fā)明的第三實施例，該小間距換能器包含λ/3周期的蝕刻凹槽和臺地。這種換能器具有使來自電極的明顯反射顯著減小的優(yōu)點，其目的是尋找某些應(yīng)用。
通過下面參考附圖對非限制性例子的描述，本發(fā)明將會被更好地理解，并且其它優(yōu)點也將顯現(xiàn)。
圖1表示現(xiàn)有技術(shù)的小間距換能器；圖2a至2c表示現(xiàn)有技術(shù)中制造小間距換能器的各個步驟；圖3a表示本發(fā)明的小間距換能器的第一個例子，它具有最佳聲波傳播方向；圖3b表示本發(fā)明的小間距換能器的第二個例子，它具有最佳波傳播方向，該最佳波傳播方向與圖3a所示例子的波傳播方向相反；圖3c表示本發(fā)明的的小間距換能器的第三個例子，其聲波的最佳方向存在局部變化；圖4表示小間距換能器的第四個例子，它包含不同寬度的臺地和蝕刻凹槽；圖5表示本發(fā)明的小間距換能器的第五個例子，其周期為λ/2，并且為雙向；圖6表示本發(fā)明的小間距換能器的第六個例子，它是雙向的，并且其反射率由蝕刻的格柵的周期來調(diào)整；圖7表示本發(fā)明的小間距換能器的第七個例子，它是雙向的，而且其中每個λ長度內(nèi)有3個電極；圖8表示本發(fā)明的小間距換能器的第八個例子，它是單向性的，而且其中每個λ長度內(nèi)有3電極。
根據(jù)本發(fā)明，通常，表面波傳感器包含一個基片，它可以是石英之類的材料制成的，它首先被蝕刻，然后用鋁之類的金屬進行金屬化。所使用的基片最好是LiNbO3、LiTaO3、甚至是Li2B4O7之類的材料制成的。當前，對于在石英之類的基片上進行蝕刻，已經(jīng)有了精確的控制技術(shù)，具體地說，稱為ICP(In ductively Coupled P1asma)的技術(shù)采用了一種高能量等離子體，并且能夠低成本地大量生產(chǎn)蝕刻設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，在小間距換能器中，每個波長λ內(nèi)配置4個電極，從而使該小間距換能器具有最佳表面聲波傳播方向，其反射中心位于離換能中心λ/8處。
按照圖3a所示的例子，在臺地上和在蝕刻的凹槽中淀積電極，這些電極的寬度為λ/4。兩個電極陣列構(gòu)成許多電極對，圖3a中用+和-符號表示，以便建立聲換能中心和反射中心，因此傳送波以與反射波相同的相位返回。
在本發(fā)明的所有構(gòu)形中，基本的是金屬化厚度me小于蝕刻深度ms，如圖3a所示。
按照圖3b所示的本發(fā)明的另一個實施例，通過將臺地和蝕刻凹槽相對于圖3a所示的構(gòu)形而進行換位，就可能顛倒(reverse)聲波的傳播方向。
同樣地，作為公知技術(shù)，特別是本申請人申請的公開號為2,702,899的專利申請中所描述的，可以局部性地折轉(zhuǎn)(turn back)表面波的方向性，以便建立諧振腔，如圖3c所示。為了做到這一點，在蝕刻基片的操作過程中借助于蝕刻掩模，局部性地形成一個具有λ/2的兩倍寬度的蝕刻凹槽就可以了。
圖4表示這類單向換能器的一個實施例，其中臺地或蝕刻凹槽的周期等于λ/4。從技術(shù)的觀點看，臺地的寬度大于蝕刻凹槽的寬度是有益的，但是要維護所需的周期性。按照圖4所示的例子，臺地的寬度通常大約為0.35λ，而蝕刻凹槽的寬度通常大約為0.15λ。
剛剛描述的單向換能器具有非常好的耦合性能。通常，這是因為單向換能器在其電極序列中必須具有與單向性對應(yīng)的不對稱性(以犧牲由完全對稱的結(jié)構(gòu)所保證的雙向性為代價)。然而，這種最佳方向是以損失較少的滿意耦合系數(shù)而獲得的。
按照本發(fā)明中所建議的構(gòu)形，表面波換能器保持理想的電極對稱性，最佳波傳播方向所需要的不對稱性是依靠蝕刻的格柵而產(chǎn)生的。來自電極的明顯反射彼此是對稱的，并且不產(chǎn)生最佳方向，而蝕刻的側(cè)壁導致出現(xiàn)反射，它們在給定方向和相反的方向之間彼此不偏移。因此本發(fā)明有可能獲得小間距的單向換能器，而現(xiàn)有技術(shù)的小間距換能器全部是雙向的，具有來自那些電極的非常明顯的反射。
按照本發(fā)明的第二實施例，在小間距表面波換能器中，每個波長λ內(nèi)可以設(shè)置兩個電極。這種換能器是雙向的，并且相對于其它類型的換能器，特別是與每個λ長度內(nèi)有4個電極的單向換能器相比，具有優(yōu)良的耦合系數(shù)。
這種結(jié)構(gòu)的電極的實例如圖5所示。在此結(jié)構(gòu)中，沒有引入蝕刻的側(cè)壁，如上所述，反射使得有可能產(chǎn)生單向性，但蝕刻的側(cè)壁的出現(xiàn)完全是為了在兩個相鄰的電極之間產(chǎn)生間距。該電極反射系數(shù)的大小最好是被設(shè)置為蝕刻深度的函數(shù)，同時，仍然保持小的金屬化層的厚度。
通常，每個λ長度內(nèi)具有兩個電極的換能器的結(jié)構(gòu)被選擇用于共振器，這是由于電極產(chǎn)生強反射的緣故，因為傳送的和反射的波被同相(兩個相鄰的電極中心之間的距離為λ/2)，所以，電極產(chǎn)生的強反射使表面波高效共振。在某些應(yīng)用中，可以調(diào)整這種結(jié)構(gòu)的共振特性，同時保持由每個λ內(nèi)有2個電極的結(jié)構(gòu)所給予的非常好的耦合系數(shù)。
按照本發(fā)明，以及依靠電極陣列的重疊(superposition)和蝕刻格柵的重疊，就可以使某些電極橫跨(astride)臺地和蝕刻凹槽，如圖6所示。這些電極的寬度仍然為λ/2，但是某些電極具有改進的反射系數(shù)，其中，包括電極反射的影響和蝕刻側(cè)壁反射的影響。這些影響彼此相反，以便減少某些電極的整個反射系數(shù)，因此減少明顯的電極反射現(xiàn)象，在這種換能器中它通常是非常顯著的。
現(xiàn)在我們將描述某些類型的換能器(每個λ長度內(nèi)有4個電極以及每個λ長度內(nèi)有2個電極)；注意，通常本發(fā)明適用于任何類型的換能器，調(diào)用這樣一項技術(shù)，它允許電板寬度有相當大的寬容度(它們可以正好是λ/3寬度)，在保持小間距特性的同時仍然控制著蝕刻凹槽的深度。
更具體地，我們將描述本發(fā)明的換能器，這種換能器具有小的間距并且其電極周期和臺地周期都等于λ/3。利用這種構(gòu)形，明顯的反射被最小化。圖7表示這種換能器的一個例子；這是一個雙向換能器，包含兩個電極陣列，這兩個電極陣列分別連接到分別由+和-符號表示的第一極和第二極性上。
在等于波長λ的長度上，第一陣列包含第一電極，第二陣列包含第二和第三電極。
這種換能器的一個變體是這樣一種換能器，它仍然在每個λ內(nèi)具有3個電極，但是通過采用三個電極陣列而不是兩個電極陣列，而產(chǎn)生單方向性。圖8表示這樣一種換能器，其中，三個電極陣列的三個極性用符號φ1、φ2和φ3表示。
權(quán)利要求
1．一種表面聲波換能器，包含一個基片，其上至少淀積兩個互相交錯的(interdigitated)電極陣列，并且這些電極陣列連接到不同的極性，以便建立由至少兩個不同極性的相鄰電極所界定的聲換能單元，其特征在于，它包含蝕刻凹槽的一個格柵，這些蝕刻凹槽在基片上由臺地隔開；所有的臺地和蝕刻凹槽，它們被一個金屬化層覆蓋著，該金屬化層構(gòu)成電極；蝕刻凹槽的深度大于該金屬化層的厚度，以便在兩個相鄰的電極之間在垂直于基片平面的方向上產(chǎn)生一個間距。
2．按照權(quán)利要求1所述的表面聲波換能器，其特征在于，臺地和蝕刻的凹槽具有不同的寬度。
3．按照權(quán)利要求1至2中的任意一個權(quán)利要求所述的表面聲波換能器，其特征在于它包含臺地和蝕刻凹槽，其寬度滿足下述條件，即一個臺地和一個相鄰的蝕刻凹槽的總寬度等于半波長(λ/2)，所述的波長為所述換能器的工作頻率的特性，所述的互相交錯的電極陣列包含交互的(altemating)電極對，以便建立一個聲波的最佳傳播方向。
4．按照權(quán)利要求2所述的表面聲波換能器，其特征在于它還包含至少一個臺地或至少一個蝕刻凹槽，所述臺地或蝕刻凹槽的寬度等于固有波長的一半(λ/2)，以便局部性地顛倒聲波傳播的最佳方向。
5．按照權(quán)利要求1和2中的任意一個權(quán)利要求所述的表面聲波換能器，其特征在于它包括臺地和蝕刻凹槽，其寬度滿足下述條件，即一個臺地和一個相鄰的蝕刻凹槽的總寬度等于一個固有波長。
6．按照權(quán)利要求5所述的表面聲波換能器，其特征在于它還包括臺地和蝕刻凹槽，其寬度等于四分之一波長(λ/4)，以便使得電極的寬度等于半個波長，并且橫跨臺地和蝕刻凹槽，以減少所述電極的反射系數(shù)。
7．按照權(quán)利要求1和2中 的任意一個權(quán)利要求所述的表面聲波換能器，其特征在于蝕刻凹槽和臺地的周期等于該換能器的工作頻率的固有波長的三分之一。
8．按照權(quán)利要求7所述的表面聲波換能器，其特征在于它包括第一和第二互相交錯的電極陣列，以致于，在等于固有波長的長度上，第一陣列包括連接到第一極性的第一電極，第二陣列包括都連接到第二極性的第二和第三電極。
9．按照權(quán)利要求7所述的表面聲波換能器，其特征在于它包括第一、第二和第三互相交錯的電極陣列，它們被分別連接到第一、第二和第三極性，以致于，在等于固有波長的長度上，該換能器包括交互的(altemation of)來自第一陣列的一個電極、來自第二陣列的一個電極、以及來自第三陣列的一個電極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種所謂的小間距表面聲波換能器,在相鄰的電極之間,它具有非常小的空閑表面,因此它能工作在(數(shù)千兆赫茲數(shù)量級的)特高頻頻率上。本發(fā)明的換能器還包括蝕刻凹槽的一個格柵,這些蝕刻凹槽設(shè)置在基片上,并由臺地隔開。這種陣列被一個構(gòu)成電極的金屬化層覆蓋著,它使得有可能以直接方式獲得這種換能器。應(yīng)用:表面聲波濾波器。
文檔編號H03H9/145GK1303537SQ9980673
公開日2001年7月11日 申請日期1999年5月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月29日
發(fā)明者彼得·賴特 申請人:湯姆森-無線電報總公司