专利名称：具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及声学技术中的一种声表面波滤波器(以下简称SAW滤波器)，特别是涉及一种具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器。
背景技术：
常规的具有扇形结构的声表面波滤波器1，如图1所示，如文献1、IEEE 1998 Ultrasonics Sypisium Proceedings pp 27-37中所述的其中两个扇形换能器3、4采用控制电极宽度单相单向结构(简称EWC/SPUDT)。在图1中2为压电基片，换能器3、4的单向性是由置于器件中间的反射电极5实现，尤其是反射电极5所指示的所有反射电极的作用是使辐射声波在指向另一个换能器的方向辐射同相相加，在背离另一个换能器的方向反相相消。
作为另一个例子，常规的SAW谐振式单相单向滤波器2，如图2所示，该类型滤波器在文献2、IEEE 1994 Ultrasonics SypisiumProceedings pp 1-6中进行了介绍，它由两个如图2所示的谐振式换能器9、10组成。其中图2中2为基片；以左向右为正向，11代表一个正向谐振式单相单向单元；12代表一个反向谐振式单相单向单元。换能器9由若干个与11相同的换能器单元电端并联而成，换能器10由若干个与12相同的换能器单元电端并联而成。该结构是基于EWC/SPUDT变换而成，换能器换能阵指条宽度为八分之一波长，反射栅的反射宽度可以变化，该结构在换能器中形成谐振腔，从而可以实现比普通SPUDT更高的矩形系数。其中谐振式单相单向换能器单元可以为如图3(a)，图3(a)中13代表正向反射栅区间中以波长为周期的部分，14代表反向反射栅区间中以波长为周期的部分。图3(b)中正向反射栅部分对应图3(a)中13，反向向反射栅部分对应图3(a)中14，空反射栅对应于反射栅抽指加权。作为本例图3(a)中谐振式单相单向换能器的改进型，如文献3、IEEE 1998Ultrasonics Sypisium Proceedings pp 47-50中所介绍谐振式单相单向换能器的换能器单元可以是如图4中的两种结构。
如上所述，滤波器1采用的EWC/SPUDT型的扇形滤波器，可以获得滤波器的矩形系数和低的插入损耗。而在滤波器2中，由谐振式单相单向换能器结构组成的滤波器有如下特性，它能够在换能器中间形成谐振腔，增长脉冲响应长度，从而可以在器件尺寸不变的前提下实现更小的矩形系数，或者是矩形系数一定地情况下，减小器件尺寸。但是有些情况谐振式单相单向换能器结构不实用，例如宽带滤波器。扇形滤波器的指条是倾斜形的，根据研究发现，扇形滤波器的频率响应可以根据如下方式求出把整个扇形滤波器的孔径微分成若干小的通道尾首串联，如图1所示，每一通道j称为副滤波器(sub-filter)。对于副滤波器(如图1中的第j通道)，当其孔径相对于扇形滤波器中心频率处对应的波长足够小的时候，该副滤波器就可以看成是一个孔径非倾斜的普通滤波器。副滤波器的中心频率由副滤波器的指条宽度决定，即由波长决定，扇形换能器中扇形的窄端对应频率高的副滤波器，扇形的宽端对应频率低的副滤波器。如图2中阴影标识部分的11。同普通均匀孔径滤波器一样，每一副滤波器中包含左右两换能器如图1中阴影标识部分7，8，这样，副滤波器就可以当作孔径均匀普通滤波器来计算，副滤波器的频率响应也就可以根据普通滤波器的方法求解，扇形滤波器总的频率响应等于所有副滤波器频率响应的和。滤波器1采用的扇形换能器结构虽然可以作到较小的矩形系数，但是在某些特殊应用的情况下，如相同器件尺寸的前提下要求更小的矩形系数，或者在相同的矩形系数情况下要求更小器件尺寸时，采用常规方法的扇形滤波器是不能满足要求的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种由压电基片和两个单相单向扇形换能器组成的具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器，它能够在保持现有扇形滤波器优点，同时尺寸保持不变，达到进一步减小滤波器的矩形系数，或者矩形系数不变时达到进一步减小器件尺寸的目的，从而解决现有技术尚难解决的问题。
本发明的目的是这样实现的本发明提供的具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器，包括在压电基片上沿声波传播方向上有两个采用半导体平面工艺制作的扇形换能器，其特征在于所述的扇形换能器采用谐振式单相单向结构，该扇形换能器沿声表面波方向分为任意个副滤波器，其中副滤波器之间采用串联、并联或串、并联混合相连，如图5所示。
所述的副滤波器之间采用串联是副滤波器依次与其紧邻的下一个副滤波器尾首相连。
所述的副滤波器之间采用并联是尾首相连的每个副滤波器的电端之间采用并联结构，如图6(a)所示的扇形滤波器分为两个副滤波器，这两个副滤波器电端并联，即其上面副滤波器窄端通过电极与它紧相连的下面副滤波器的宽端相连，紧邻两副滤波器连接电极的上下指条连接位置相同，连接在两副滤波器的电极由输入端与地端交替出现，然后通过电极分别把所有的输入端、地端连到一起。
所述的副滤波器之间采用分段串联，其中副滤波器由左右两个谐振式单相单向换能器组成，其中每一个谐振式单相单向换能器包括2个或者2个以上谐振式单相单向单元，(如图3(a)、4所示)，每个谐振式单相单向单元电端间可以采用分段串联，如图6(c)所示，每一副滤波器的换能器采用谐振式单相单向单元结构串联，即换能器的左右紧邻两谐振式单相单向单元之中，其中第一单元接上下电极的指条倒向，然后选两单元中电极宽的一端或者窄的一端相联，另一端断开，形成副滤波器中的换能器的分段串联结构，最后每个副滤波器尾首连接，形成这个扇形换能器的串联结构，如图6(b)所示。
所述的副滤波器中的谐振式单相单向单元间可以采用串、并联混合结构，即可以先按并联结构形成几个副滤波器并联，然后对每一副滤波器采用分段串联结构；或者可以先对每一副滤波器采用分段串联，然后对串联后的每段采用并联结构连接，如图6(d)是先分为两副滤波器并联然后对每副滤波器采用两段串联。
还包括谐振式单相单向扇形滤波器的指条可以进行孔径加权，使滤波器的指条成弯曲形状；如图7所示。
还包括谐振式单相单向扇形滤波器中的单个换能器中的反射电极可采用EWC/SPUDT加权、抽指加权或者两者相结合。所述的扇形滤波器的指宽由其频率响应的通带频率决定扇形滤波器最宽端对应的波长λmax对应于通带的最低端频率f0-BW/2，其最窄端对应的波长λmin对应于通带频率的最高端频率f0+BW/2，滤波器中间的指宽对应的波长λ(f)于其频响通带中间相对应的频率f。f0滤波器的中心频率，BW滤波器的带宽。对于频响通带的每一频率点的副滤波器对应于一个普通谐振式单相单向滤波器。所以副滤波器的指宽与排列方式同普通谐振式单相单向滤波器相同。
本发明的优点在于，本发明提供的具有单相单向结构的声表面波谐振式扇形滤波器在器件尺寸一定情况下，与常规的单相单向扇形换能器相比，谐振式单相单向扇形滤波器能够实现大约两倍普通换能器长才能实现的矩形系数；当器件矩形系数一定的情况下，器件中扇形换能器长度可以减小一半。与常规的谐振式单相单向滤波器相比，常规谐振式单相单向滤波器相对带宽通常小于10％，谐振式单相单向扇形滤波器继承了扇形滤波器的优点，能够实现更宽的带宽，带宽可达到30％以上。
图1是常规EWC/SPUDT式扇形滤波器的一平面略图。
图2是常规谐振式单相单向结构滤波器的一平面略图。
图3(a)是是在垂直于晶片与指条的面中，一常规谐振式单相单向结构滤波器中可以采用的谐振式单相单向单元结构的一切面略图；其中指宽窄的为1/8波长，宽的为1/8-3/8波长；虚线间距为1个波长；图3(b)正向反射栅部分对应图3(a)中13，反向向反射栅部分对应图3(a)中14，空反射栅对应于反射栅抽指加权。
图4是在垂直于晶片与指条的面中，一常规谐振式单相单向结构滤波器中可以采用的改进型谐振式单相单向单元结构的一切面略图；图中指宽窄的为1/8波长，宽的为1/8-3/8波长；
图5是本发明的具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器结构的一平面略图。
图6(a)是本发明的具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器中，采用并联结构的扇形滤波器的一平面略6(b)是本发明的具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器中，采用串联结构的扇形滤波器的一平面略图。
图6(c)是本发明的副滤波器采用串联结构的一平面略图。
图6(d)是本发明的具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器中，采用串并联混合结构的副滤波器的一平面略图。
图7是本发明的一采用可用于扇形滤波器的孔径加权扇形滤波器平面略图。
图8是本发明的波滤器实施例的平面示意图。
图9是本发明的又一种波滤器实施例的平面示意图。
图10是本发明的另一种波滤器实施例的平面示意图。
图面说明1-滤波器 2-基片3-扇形滤波器的左换能器 4-扇形滤波器的右换能器5-反射栅条 6-副滤波器7-副滤波器的左换能器 8-副滤波器的右换能器9-谐振式滤波器的左换能器 10-谐振式滤波器的右换能器11-正向谐振式单相单向单元12-反向谐振式单相单向单元13-正向反射栅区间中以波长为周期的部分，14-反向反射栅区间中以波长为周期的部分具体实施方式
实施例1按图5制作一具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器，中心频率为f0＝49MHz，带宽方BW＝14MHz。副滤波器采用如图2所示的常规谐振式单相单向换能器结构，其副滤波器的谐振式单相单向单元采用图3(a)单元。图3(a)中13代表正向反射栅区间中以波长为周期的部分，14代表反向反射栅区间中以波长为周期的部分。图3(b)中正向反射栅部分对应图3(a)中13，反向反射栅部分对应图3(a)中14，空反射栅对应于反射栅抽指加权。该滤波器1包括在型号为YX-128°的铌酸锂基片2沿声波传播方向上，采用半导体平面工艺制作两个扇形换能器3、4，镀铝膜厚1500埃，孔径为100λ0，扇形滤波器指条排列方式为左换能器3由128个同图2中的正向谐振式单相单向单元11，不分段构成。右换能器4由84个如图2中反向谐振式单相单向单元12，不分段构成。λ0扇形换能器中心频率对应的波长。
所述的扇形换能器的指宽由其频率响应的通带频率决定即扇形滤波器最宽端对应的波长λmax为对应于通带的最低端频率f0-BW/2即42MHz，其最窄端对应的波长λmin对应于通带频率的最高端频率f0+BW/2即56MHz。所以扇形换能器的最宽端反射栅条(电极)5、换能电极(反射栅条以外的指条)、指条间距的宽度分别是1/4λmax和1/8λmax，1/8λmax，最窄端反射栅条(电极)5与换能电极(反射栅条以外的指条)宽度分别是1/4λmin和1/8λmin，1/8λmin。这样每根指条由最宽端与最窄端连接成一个梯形指条，梯形的高即扇形换能器的孔径。
由于所有副滤波器均采用谐振式单相单向滤波器2，所以能够达到比普通单相单向滤波器更高的矩形系数。所有副滤波器频率响应的和即总的扇形换能器的频率响应，因此该结构又具有普通扇形换能器大的相对带宽的优点。
实施例2按图9制作一具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器，扇形滤波器中心频率f0＝65MHz，带宽BW＝9MHz。其基本结构与实施例1相同。不同处为基片材料型号为YZ铌酸锂，铝膜厚1600埃，左换能器3按图6(b)均分为两段串联构成。即其中副滤波器按图6(c)所示。每一副滤波器的左换能器采用谐振式单相单向单元结构串联，即左换能器的左右紧邻两谐振式单相单向单元之中，其中地一单元接上下电极的指条倒向，然后选两单元中电极宽的一端或者窄的一端相联，另一端断开，形成副滤波器中的换能器的分段串联结构，最后每个副滤波器尾首连接，形成这个扇形换能器的串联结构。
实施例3按图9制作一具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器，扇形滤波器中心频率f0＝70MHz，带宽BW＝9MHz。其基本结构与实施例1相同。不同处为基片材料石英，铝膜厚1200埃，左换能器的两副滤波器之间采用并联结构，如图6(a)所示的扇形滤波器分为两个副滤波器，这两个副滤波器电端并联，即其上面副滤波器窄端通过电极与它紧相连的下面副滤波器的宽端相连，紧邻两副滤波器连接电极的上下指条连接位置相同，连接在两副滤波器的电极由输入端与地端交替出现，然后通过电极分别把所有的输入端、地端连到一起。换能器指条排列方式采用海明加权后抽指加权实现，指对数为186对，谐振单元采用如图2中的正向谐振式单相单向单元11，反射栅采用换能器时域卷积后抽指加权实现。右换能器采取由260个如图2中的反向谐振式单相单向单元12没有分段的谐振式单相单向单元构成的换能器，反射栅采用换能器时域卷积后抽指加权实现。孔径为90λ0。
实施例4按图10制作一具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器，扇形滤波器中心频率f0＝60MHz，带宽BW＝8.2MHz。其基本结构与实施例3相同。不同之处为基片材料型号为36°Y切钽酸锂，铝膜厚1300埃，左换能器分为两等孔径的副滤波器，两副滤波器之间采用并联结构，同实施例3，副滤波器内部均采用串联结构，同实施例2。制作如两副滤波器的左换能器采用如图2的正向谐振单元数70，右换能器如图2的反向谐振单元数为100。孔径为80λ0。
谐振式单相单向扇形滤波器的具体制作步骤如下由器件提出的矩形系数要求，初步确定单个副滤波器的矩形系数。再根据通常的优化方法求得同一通道中两个副滤波器的谐振式单相单向单元的组合结构，并求得该副滤波器的频率响应；每一副滤波器对应一中心频率，扇形滤波器的副滤波器中心频率对应与其波长(最窄指宽为1/8波长)，最宽端的副滤波器中心频率对应于扇形滤波器的通带频率的最低点，最窄端的副滤波器中心频率对应于扇形滤波器的通带频率的最高点；对于不同的副滤波器有不同的中心频率，根据相同的原理求出所有副滤波器的频率响应，然后对所有副滤波器求和，得到总的滤波器响应。
权利要求
1.一种具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器，包括在压电基片上沿声波传播方向上有两个采用半导体平面工艺制作的扇形换能器，其特征在于所述的扇形换能器采用谐振式单相单向结构，该扇形换能器沿声表面波方向分为任意个副滤波器，其中副滤波器之间采用串联、并联或串、并联混合相连。
2.按权利要求1所述的具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器，其特征在于所述的副滤波器之间采用串联是所有副滤波器与其紧邻的下一个副滤波器尾首相连。
3.按权利要求1所述的具有单相单向结构的声表面波谐振式扇形滤波器，其特征在于所述的副滤波器之间采用电端并联；其上面副滤波器窄端通过电极与它紧相连的下面副滤波器的宽端相连，紧邻两副滤波器连接电极的上下指条连接位置相同，连接在两副滤波器的电极由输入端与地端交替出现，然后通过电极分别把所有的输入端、地端连到一起。
4.按权利要求1所述的具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器，其特征在于所述的副滤波器之间连接采用副滤波器与其紧邻的下一个副滤波器尾首相连，包括每个谐振式单相单向单元电端间采用分段串联；其中左换能器的左右紧邻两谐振式单相单向单元之中的一单元接上下电极的指条倒向，然后选两单元中电极宽的一端或者窄的一端相联，另一端断开，形成副滤波器中的换能器的分段串联结构，最后每个副滤波器尾首连接形成分段串联结构。
5.按权利要求1所述的具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器，其特征在于所述的副滤波器之间连接采用滤波器中的谐振式单相单向单元可以采用串、并联混合结构。
6.按权利要求1所述的具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器，其特征在于还包括谐振式单相单向扇形滤波器中的单个换能器中的反射电极可采用控制电极宽度加权、抽指加权或者两者相结合。
7.按权利要求1所述的具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器，其特征在于副滤波器的指宽由其频率响应的通带频率决定，其扇形滤波器的指宽的最宽端对应的指宽对应于通带的最低端频率，其最窄端对应的指宽对应于通带频率的最高端频率，滤波器中间的指宽对应于其频响通带中间相对应的频率。
8.按权利要求1所述的具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器，其特征在于所述的副滤波器中由左右两个谐振式单相单向换能器组成，其中每一个谐振式单相单向换能器由2个或者2个以上谐振式单相单向单元组成。
全文摘要
本发明涉及具有单相单向结构的声表面波扇形滤波器，包括在压电基片上沿声波传播方向上有两个采用半导体平面工艺制作的扇形换能器，所述的扇形换能器采用谐振式单相单向结构，该扇形换能器沿声表面波方向分为任意个副滤波器，其中副滤波器之间采用串联、并联或串、并联混合相连。该扇形滤波器在器件尺寸一定情况下，与常规的单相单向扇形换能器相比实现大约两倍普通换能器长才能实现的矩形系数；当器件矩形系数一定的情况下，器件中扇形换能器长度可以减小一半。与常规的谐振式单相单向滤波器相比，常规谐振式单相单向滤波器相对带宽通常小于10％，谐振式单相单向扇形滤波器继承了扇形滤波器的优点，能够实现更宽的带宽，带宽可达到30％以上。
文档编号H03H9/00GK1442951SQ02104118
公开日2003年9月17日 申请日期2002年3月6日 优先权日2002年3月6日
发明者李红浪, 何世堂 申请人:中国科学院声学研究所