（电磁场与微波技术专业论文）声表面波振荡器集成芯片设计.pdf

硕士论文 声表面波振荡器集成芯片设计 摘要 f fpllrprlrfrlr f r l lf illi j f lrl ijlrrlf y 2 0 615 8 2 声表面波技术是- - i 新兴的技术领域，目前在全世界已经形成新的研究热潮。声表 面波器件具有小型化，多功能，频率高，稳定性好等优点，目前已经广泛应用于现代无 线通信中。其中声表面波滤波器、声表面波谐振器是目前应用最多的声表面波器件。 振荡器是目前广泛使用的频率发生装置，能将直流电信号转换为具有固定频率的交 变电信号。振荡器的种类多种多样，声表面波振荡器是2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初 出现的一种新型振荡器，是一种高稳定、低噪声振荡源。声表面波振荡器具有基频高、 q 值高、稳定性好、相噪低、成本低等优点是新一代c p u 、d s p 和d d s 的理想时钟源， 已广泛应用于第二、第三代移动通信、遥控、遥测技术以及生化医学等领域。 科技的发展日新月异，不管是军用还是民用，都对器件的小型化提出了更高的要求。 本文研究的内容是实现声表面波振荡电路的微型化、集成化，将振荡器电路中的各元器 件集成一起，制成声表面波振荡器集成芯片。 本文从声表面波技术的基础原理和振荡器基础原理出发，结合南京电子器件研究所 ( 5 5 所) 先进的声表面波器件制作工艺线，对声表面波振荡器集成芯片技术进行了初 步探索和研究，成功设计和制作了声表面波振荡器集成芯片。 本文首先介绍了瑞利波，以及激励瑞利波的叉指换能器，分析了谐振器原理，确定 了谐振器结构图并对制作的谐振器进行测试，给出谐振器的等效电路图；分析了振荡器 原理，设计了振荡电路图，并在振荡电路中导入谐振器的等效电路图，进行振荡器的仿 真和优化设计；绘制集成芯片结构图，制成的集成芯片尺寸为5 m m x 5 m m x l 3 5 r a m ，工 作频率为3 1 5 m h z ；最后，制成外围电路p c b 板，将集成振荡器芯片与外围电路元件 焊接到p c b 板上，进行测试，最终测试频率为3 1 5 8 1 m i - i z ，功率为3 2 2 d b m 。 本文的难点在于振荡电路的选择，以及振荡电路中元器件值的确定，制成集成芯片 后，要对芯片进行测试，测试集成芯片上的元器件值，将测试值代入振荡电路中，进行 修改对比，再制成芯片，反复权衡，反复优化。本文是对振荡电路的集成化的初步探索， 对于其它频率的声表面波振荡器的集成化有着重要的参考价值，对声表面波器件在更大 范围内推广应用有着重要的意义，也是声表面波技术应用模块化的新拓展。 关键词：振荡器，声表面波，谐振器，芯片 硕士论文 a b s t r a c t s a w t e c h n o l o g yi sa l le m e b i n g a r e ao f t e c h n o l o g y , w h i c hn o wh a sf o r m e dan e wb o o m i nt h ew o d d s a wd e v i c e sh a v et h ea d v a n t a g e so fm i n i a t u r i z a t i o n , m u l t i f u n c t i o n , h i ：g l l f r e q u e n c y , s t a b i l i t y s a wd e v i c e sh a v e b e e nw i d e l yu s e di nm o d e m w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s s a wf i l t e ra n ds a wr e s o n a t o ra g et h em o s tw i d e l yu s e ds u r f a c ea c o u s t i cw a v ed e v i c e s o s c i l l a t o ri sn o ww i d e l yu s e da sf r e q u e n c yg e n e r a t o r s ，w h i c hc a nc h a n g ed ce l e c t r i c s i g n a l si n t oa c e l e c t r i cs i g n a lw i t hf i x e df r e q u e n c y t h ek i n do fo s c i l l a t o ri sv e r ym u c h t h i sa r t i c l ew i l ls t u d yt h es u r f a c ea c o u s t i cw a v e o s c i l l a t o r t h es u r f a c ea c o u s t i cw a v eo s c i l l a t o ri sn o wp o p u l a rb e c a m eo fh i g hqv a l u e ，h i g l l s t a b i l i t y , h i 曲f r e q u e n c y , n ot i m e sf r e q u e n c yc i r c u i t , s i m p l ec i r c u i t , l o wc o s ta n db e n e f i t s ， m i n i a t u r i z a t i o n , h i g hp e r f o r m a n c e b u tt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yn e v e rs t o p t h i sa r t i c l ei st or e a l i z et h e m i n i a t u r i z a t i o na n di n t e g r a t i o no ft h es u r f a c ea c o u s t i cw a v eo s c i l l a t o rc i r c u i t t h i sa r t i c l ew i l l i n t e g r a t et h eo s c i l l a t o rc i r c u i tc o m p o n e n t s ，a n dm a k ei n t oo s c i l l a t o ri n t e g r a t e dc h i p s t h i sp a p e rw i l la n a l y s et h es u r f a c ea c o u s t i cw a v et e c h n o l o g yf o u n d a t i o np r i n c i p l e ， r a y l e i g hw a v e ，h a t e r - d i g i t a lt r a n s d u c e r , r e s o n a t o r s ，t h ed e s i g no ft h er e s o n a t o r , a n dt h e n a n a l y s et h e o s c i l l a t o rp r i n c i p l e ，c o n s t r u c tt h eo s c i l l a t i o nc i r c u i td i a g r a m , a n di n t r o d u c e s u r f a c ea c o u s t i cw a v et e c h n o l o g yp r o c e s s w h e nt h e o s c i l l a t o r i n t e g r a t e dc h i p i s m a n u f a c t u r e d ，i tw i l lb et e s t e d t h es i z eo ft h ec h i pi so n l y5 m m 5 m m 1 3 $ m m a f t e rt h e t e s t ，t h i sp a p e rw i l ld e s i g nt h eo u t e rc k c u i tp c bb o a r d m o s to ft h ec o m p o n e n t so ft h eo s c i l l a t o rc k c u i th a v eb e e nm a d ei n t ot h ec h i p ，t h eo n e s w h i c hc a nn o tb e e ni n t e g r a t e da g eo n l y3c o m p o n e n t s s ot h eo u t e rc i r c u i ti sv e r ys i m p l e f i n a l l y , t h i sp a p e rw i l lw e l dt h ec h i pa n dt h e3c o m p o n e n t so nt h ep c bb o a r d ，a n dt e s ti t t h e f r e q u e n c yo f t h eo s c i l l a t o ri s315 m h z k e yw o r d s ：o s c i l l a t o r , s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，r e s o n a t o r s ，c h i p i i 硕士论文声表面波振荡器集成芯片设计 1 绪论 振荡器作为频率发生装置，是通信系统中必不可少的器件。目前广泛使用的一般还 是晶体振荡器，晶体振荡器的缺点是基频低，一般在1 0 1 5 0 m h z ，需要倍频才能满足 要求，倍频会增大电路尺寸，并且会恶化相位噪声性能。现在采用声表面波技术的振荡 器开始越来越多的得到广泛应用，主要看中的就是其基频高，不需要倍频电路， 1 0 0 m h z - 4 g h z 范围的频率基本都可以做到。此外，声表面波器件还有高q 值、低损耗、 低成本、高功率承受力、较小的温度系数的特点【l 】【2 】。 1 1 s a w 技术 声表面波( 即s a w ：s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ) 技术是一门新兴的科学技术【3 】【4 】【5 】【6 1 ，只 有区区五十年的历史。这- f - j 新技术综合了声学、电学、材料学、光学、半导体平面工 艺技术等等。s a w 是沿着弹性固体表面传播的一种波，它的能量主要集中于固体表面 的浅浅的一层，并且s a w 的振幅随着固体材料的距离表面深度的增加而迅速减少，这 种波也叫瑞利波。由于s a w 的传播速度比一般的电磁波的传播速度小了1 0 万倍以上， 因此，可以在s a w 的传播过程中对其进行取样和处理，制成各种s a w 器件，可以替 代各种模拟电子学器件的功能。s a w 器件体积小、重量轻、并且性能得到很大改善。 最近这半个世纪以来，半导体平面工艺、材料科学、微机械加工技术( 姬m s ) 、 微电子技术和计算机技术迅猛发展，为s a w 技术的发展提供了良好的环境，s a w 器件 的产量在迅速增加，s a w 器件的种类不断扩展，比如s a w 带通滤波器、s a w 延迟线、 s a w 匹配滤波器、s a w 温度传感器、s a w 振荡器、s a w 卷积器等等。s a w 器件目前 广泛应用于军用和民用移动通信、航天通信、卫星导航、雷达探测、电子对抗、广播电 视等等各类行业。 1 2 声表面波技术发展历史 18 8 0 年，巴黎大学的j a c q u e sc u r i e 和p i e r r ec u r i e 兄弟在矿物实验室发现了石英物 质的压电特性。第二年，研究又更进一步，兄弟两人利用l i p p m a n n 的热力学理论再次 证明了逆压电效应的存在【7 1 ，这便是现代声表面波器件的发展的最根本的理论基础。 1 8 8 5 年，英国物理学家r a y l e i g h j o h u w i l l i a m ( 瑞利) 开始了s a w 的研究。瑞利发表 了一篇题为“沿弹性体平滑表面传播的波”的论文，首次从理论上阐明了除了大众已经知 道的声体波的纵波和横波以外，还存在另外一种波，这种波沿着半无限厚弹性体表面传 播，并且能量集中于表面，随着深度的加深，能量会快速减弱。然而瑞利的这篇论文没 l l 绪论硕士论文 有触及实验事实，只是在文末谨慎地提了一句：“也许本文所论述的声表面波在地震中 起着重大作用。”历史的发展是出人意料的，以这篇论文为起点，后来在全世界掀起了 广泛研究s a w 的热潮。 鉴于瑞利作出的贡献，世人于是称一般意义上的s a w 为瑞利波。瑞利波是p 波和 s v 波混合波，即纵波( p 波) 分量和质点位移方向与表面垂直的横波( s v 波) 分量。 1 9 1 1 年，一个名叫乐甫( l o v e ) 的科学家发现，除了瑞利波之外，还存在另外一 种声表面波。在半无限厚的弹性固体表面上覆上一层慢声速介质层时，在其上传播的波 中有一种横波的质点位移平行于表面，称之为s h 型声表面波。同样，为了纪念乐甫的 功劳，现在称这种波为乐甫波。 和瑞利波不同的是，乐甫波不能存在于无限厚均匀介质上，只能存在于层状弹性体 的慢声速介质层表面，这一特性和电磁波相同。电磁表面波也不能存在于无限厚理想导 体表面，而只能存在于涂有介质层( 也就是慢速度层) 的导体表面。最近发现，即使压 电体上没有其他介质层，由于压电的束缚作用，在半无限厚的均匀介质上也能存在s h 型的声表面波， 正如瑞利所预料的，后世人果然首先在地震领域内开展了声表面波研究工作，并在 理论和检测两方面都取得了大量成果。理论上主要研究多层板状结构的处理以及声表面 波的激励等问题，后者是由兰姆( l a m b ) 最早开始研究的，可以说，只要限于纯弹性 的范畴，几乎对于任何问题都可以求解。以妹泽为首的东京大学地震研究所对上述工作 也作出了不少的贡献。 上世纪四十年代后，s a w 开始应用于无损检测领域。在检测金属零件的表面缺陷 方面，s a w 作为超声波探伤的一种新方法，发挥了重要的作用。如瑞利所说，s a w 在 地震领域检测领域也发挥了重要作用，无损检测所使用的s a w 频率非常高( 为兆赫兹 数量级) ，并且是单一频率( 往往采用脉冲调制) 。 上世纪六十年代，制造工艺进步迅速，光刻技术和集成电路技术对s a w 的发展起 到决定性促进作用。1 9 6 5 年怀特( w h i t e ) 研究团队创造性提出叉指换能器( i n t e r - d i g i t a l t r a n s d u c e r ，简称i d t ) ，如图1 1 所示，将导体物质蒸发到压电基片表面上，形成叉指 电极，叉指电极具有双向声电转换能力，能实现s a w 的发送和接收。在用叉指电极激 励声表面波之后，可以在其传播途中引进或者提取信号，如果适当选取叉指电极的间隔、 数目、长度以及叉指的形状等，能够得到各种各样的传输特性。此外，由于s a w 的能 量集中在弹性固体表面，因此s a w 容易与光、半导体载流子发生作用；又因为容易增 大s a w 的能量密度，所以也便于利用其非线性效应。 2 硕士论文声表面波振荡器集成芯片设计 图1 1 利用叉指电极激励声表面波 在第一个声表面波器件的生产成功的带动下，声表面波器件开始繁荣兴旺起来，而 此时，生产工艺方面在飞跃式进步，从集成电路技术得到灵感，先驱者们采用了电极图 形，这样就可以把多种功能的器件集中到一块基片上。s a w 器件的研究从此在世界上 便如雨后春笋似的开展起来，欧美、日本在s a w 研究方面贡献颇多，走在了世界的前 列。 上世纪七十年代，s a w 技术主要用于军事上，对于s a w 的研究主要还是集中于基 础研究，比如在各种物质中的传播特性、压电效应、温度影响、波的衍射、适合s a w 的压电材料等等。 上世纪八十到九十年代，s a w 技术的开始用于民用，s a w 的低耗散特点迎合了时 代的需要。另一方面，手机的出现，大大推进了s a w 器件的发展。此时，s a w 传感器 开始兴起，以欧美、日本为首的发达国家继续走在世界前列。 1 3 国外声表面波器件的现状 s a w 器件1 9 9 7 年年产量为2 3 0 亿只，1 9 9 9 年为4 3 0 亿只，2 0 0 6 年为6 0 亿只。 国外s a w 器件的生产厂商有很多，其中比较有名的是：日本的富士通公司、三洋公司、 村田公司、东芝公司、日立公司、韩国三星、北美地区的安德森实验室、r f m 、v t i 、 t r w 、n o r t e l 、美国的s a w t e k 、欧洲的c m a c 、e p c o s 、t e l e f i l l 陋r 、t e m e x 、 法国t h o i d _ s o nm i c r o s o n i c 、俄罗斯的o n i i p 、m r r i 、i n s t i t u t eo fs e m i c o n d u c t o rp h y s i c s 等【8 】【9 】。高精度的产品制造技术和高超的衬底材料生长技术是决定s a w 器件性能的关 键，因此日本的公司和德国的e p c o s 公司主宰了世界s a w 器件的生产。 1 4 国内声表面波器件的现状 我国自上世纪七十年代以来，一直从事s a w 的相关研发，4 0 多年来陆陆续续已经 有四十多家研究所、企业、高校从事s a w 的研发工作【1 0 】【n 】。现在，发展得比较好的有 重庆电子科技集团第2 6 所、南京电子器件研究所( 5 5 所) 、北京声学研究所，还有各 大高校：南京大学、上海交通大学、复旦大学、重庆大学、西安电子科技大学等等，此 3 1 绪论 硕士论文 外比较有实力的s a w 生产企业有：北京长峰声表面波公司、德清华莹电子有限公司。 经过这么多年的追赶，国内的s a w 研究取得了不错的成就，声表面波器件产品基 本能达到国外的标准。目前的国内s a w 产品品种繁多，产量巨大，涉及军用和民用， 在市场上占了相当重的比份。现在，2 g h z 以下的s a w 器件国内已经基本成熟，工艺 条件和技术条件基本满足市场需要，适合大批量生产。在更高端的s a w 器件的生产方 面，目前国内在积极开发，尤其是军工行业。但国内的工艺条件、理论水平、制作水平 相比国外还有非常大的差距，这极大的制约了国内的声表面波器件的发展。 1 5 声表面波振荡器的发展状况 随着通信技术的发展，频率工作范围越来越高，并且频段被细分到各个应用领域， 对于不同的应用领域，对振荡器有着各种各样不一样的要求，于是诞生了多种振荡器以 满足不同的需求：l c 振荡器、石英晶体振荡器、硅m e m s 振荡器、薄膜体声波振荡器、 介质振荡器、g 振荡器和s a w 振荡器。 s a w 振荡器【1 2 】是目前应用比较广泛的。它的主要应用频率范围在3 0 m 3 g ，如果 采用高声速薄膜基片或高精度光刻工艺，频率甚至可以高达1 0 g i - i z ，器件尺寸与频率 成反比。 声表面波谐振器采用石英基片，利用压电效应实现信号的选择，因此它有媲美于石 英晶振的温度稳定性和中期频率稳定性，频率稳定度可以达到1 0 1 0 一1 0 1 1 s 量级。无载 q 值可以高达上万，有载q 值能轻松达到5 0 0 0 以上，这就意味着s a w 振荡器能实现 高稳定性，低相位噪声，优异的抗震动，抗电磁干扰等性能。由于s a w 谐振器基波频 率可以达到g h z ，因此不用倍频电路就可以应用于u h f 频段，可以在更小尺寸下得到 优于石英晶体振荡器的相位噪声性能。另外，由于采用半导体工艺加工，可以实现批量 化生产和低成本。 通过各类型振荡器的数据的对比可以发现，在u h f 频率范围内，声表面波振荡器 具有其他种类振荡不可比拟的综合性能，是该频率范围内振荡器的最优选择。 目前，国外众多公司都推出了瑞利波振荡器，如e p s o n 公司、t e m e x 公司、 t r i q u i n t 公司、e p c o s 公司等。以日本e p s o n 公司为例，他们已经推出基波频率 8 0 0 m h z 一2 5 g h z 、+ 2 0 0 x 1 0 6 的高频及高稳定的瑞利波振荡器，工作温度范围 o 7 5 、谐振器外部尺寸规格3 8 m i n x 3 8 r a m 0 9 8 m m 。 目前国内能够投入实用的s a w 振荡器的频率范围在3 0 0 m h z - 1 5 g i - i z 。在更高频段 目前国内的生产工艺条件还跟不上。 1 6 本课题主要研究的内容 4 硕士论文 声表面波振荡器集成芯片设计 本论文研究内容主要包括：分析了谐振器的原理，确定谐振器的等效电路，利用 a d s 软件设计，仿真，调试，优化出了适合的振荡电路拓扑，分析振荡电路拓扑的小 型化可行性，选择合适的小型化方案，利用i a d i t 软件设计出集成模块芯片版图，在南 京电子器件研究所( 5 5 所) 工艺条件下加工成形，最后利用p r o t e l 9 9 s e 软件设计出用 于测试的p c b 版图，将设计出的集成芯片焊接到上面，完成最后的测试。最终验证s a w 振荡器芯片的可行性。 1 7 本章小结 及其等效电路 之与 之上 之上 之与 测试 图1 2 本论文研究步骤 本章首先介绍了s a w 技术的背景知识，包括其发展历史，国内外发展现状以及本 课题要研究的s a w 振荡器的发展情况，最后，简单陈述了本论文的主要研究的内容与 步骤。 2 声表面波谐振器设计硕士论文 声表面波谐振器设计 2 1 声表面波器件的理论基础 2 11 瑞利波 若对物体施加外力，则其形状和体积都会发生变化，即产生所谓的形变，我们称之 为“应变”。当撤去外力时，物体就恢复了原来的状态，这种性质称之为“弹性”，具有这 种性质的物体，称之为弹性体【1 3 】。通常，我们周围的金属和晶体之类的固体或多或少都 具有弹性。在现在我们所讨论的这种情形中，可以不考虑物体的原子结构，只要把它看 作是连续介质就行了。 为了更好的理解研究承受外力作用的连续介质物体的内部状况，可以设想一个通过 参考点的面，假定其两侧的介质通过该面受到了力的作用，通常把这种力称为“应力”。 因此可以认为，应变是由应力产生的。应变和应力之间的关系，只能通过实验来确定。 实验结果表明，当应变和应力较小时，应变与应力成正比，这符合胡克定律 当弹性体上的一点发生受到应力发生应变时，应变会随着时间接连不断地传递下 去。如果把地球看作一个很大的弹性体，那么若其一瞬间在距地球表面几十公里深处产 生断裂层时，由它产生的应变就会沿地壳传播，几秒钟后，地球表面上某一点也会接受 到此应变，这便是人们所感觉到的地震。弹性体内部发生应变则产生波动，于是便以弹 性波的形式传播开来。 弹性波的通常分成两种，一种叫纵波或者疏密波，比如在空气中传播的声波。如果 在某一时刻，空气中存在着压力稍低和略高部分，这种压力差就会照原样以每秒3 4 0 米 的速度传播。此时声波的传播方向就是形成高、低压力差的方向。这种类型的纵波在水 中的传播速度约为1 5 0 0 m s ，在钢铁中约为6 0 0 0 m s 。 在弹性固体中传播的波，除了上面提到的纵波( 也称为p 波) 外，还有横波。横波 是一种质点振动方向( 质点位移方向) 与传播方向相垂直的波。我们知道在三维空间里， 与波传播方向垂直的方向有两个，其中一个的方向是与固体平面垂直的，沿这个方向传 播的波称为s v 波( 垂直切变波) ，另一个的方向与固体平面平行，沿这个方向传播的 波叫做s h 波( 水平切变波) 。横波的传播速度较慢，一般为纵波速度的一半，比如在 钢铁中横波的速度约为3 3 0 0 m s 。 虽然纵波和横波可以在于无限大的各向同性弹性体中无限传播，实际情况是弹性固 体的大小是有限的，当弹性波在传播过程中碰到物体的不连续的地方或者界面( 即表面) 时，就会产生所谓的反射。这正与光照，射到镜面上以及水波遇到障碍物时所发生的反 6 硕士论文声表面波振荡器集成芯片设计 射一样。 弹性波的反射现象相对来说要复杂一些。因为当纵波入射到固体界面时，出现反射 的纵波的同时，还会出现新的横波的成分。另一方面，当s v 横波入射到弹性固体界面 上，也会产生s v 反射波和新的纵波成分。而当s h 波入射时，只会产生s h 反射波。 种种不同的反射现象使得弹性波的解析变得复杂起来。 第一章已经介绍过，瑞利早在1 8 8 5 年已经从理论上验证过，在半无限的弹性固体 的表面上能够传递的一种波，这种波就是现在被称为瑞利波的s a w 。加入从纵波、横 波的质点的运动规律来观察瑞利波的话，那么我们可以观察到，瑞利波是一种在“表面” 边界条件下( 在表面处应力为零) ，由纵波和横波相互叠加而成的波。 i _ f r _ i “i ， 。 一 弋 、- _ 2 1 一l tl 一 r 一 ， i t-l，_f r - - 一 _ r _ f i 1 1 1 l l 一 2 声表面波谐振器设计 硕士论文 图2 2 在压电体上的叉指换能器 本节的重点是对i d t 作进一步了解。i d t 尺寸小，但能高效激励声表面波，而且能 实现反向接收。i d t 是声表面波谐振器、滤波器以及其它表面波器件中必不可少的电声 转换结构。 2 1 2 1 基本结构 如图( 2 3 ) 所示，这是一个i d t 的基本结构【”】。在压电基片上存在着相互交错着 金属的条带，金属条带的尾端都接到同一个电极上，交叉连接到上下两个电极，称之为 叉指。i d t 的几何结构特征有：指宽a ( 即金属带条的宽度) 、指间隔b ( 即金属带条相 互直接的距离) 、声孔径w ( 指条的重叠长度) 、结构周期p ( 指条排列周期，每上下两 根指条电极为一周期) 、指对数目n 。 a 图2 3 单电极叉指换能器基本结构 i d t 形式有很多种，上图所示的结构是最普遍的结构，i d t 每一周期包含2 个指条， 叫单电极叉指换能器。另一种i d t 叫分裂指叉指换能器，顾名思义，叉指是两指与两 指交错放置，i d t 每一周期包含4 根指条，如图( 2 4 ) 所示，这就是分裂指叉指换能 器。还有各种各样其他结构的i d t ，本论文不再做讨论，本文主要研究的是单电极叉指 换能器。 8 硕士论文 声表面波振荡器集成芯片设计 图2 4 分裂指叉指换能器结构 如图( 2 5 ) 所示，这是一个最简单的横向声表面波滤波器的结构，可以实现声表 面波的发送与接收。当在左端i d t 两端加交变电压信号时，压电基片上由于逆压电效 应就会产生波形，波向两边传播，右端i d t 接收到从左边来的声表面波，由于压电效 应，转换为电信号输出。 图2 5 简单横向声表面波滤波器结构 在设计i d t 的时候，每个指条所激发的声表面波相互加强，接收的i d t 的每个指 条接收到的信号重叠加强，从而i d t 可以高效的实现声电转换。 两个i d t 可以相互调换，调换之后声电转换效率不会下降，本论文中，为了便于 陈述，称加交变电压信号的i d t 为激励i d t ，而输出端的i d t 为接收i d t 。此外，如 果i d t 的单指宽度a 每个都相等，指与指的间隔b 每个也都相等，并且a = b ，指周期 舢，且所有指条的声孔径w 都是相等，如图( 2 3 ) 所示，这样的i d t 就是均匀叉 指换能器。均匀叉指换能器是最为典型的，本文中所研究的i d t 都是默认是均匀叉指 换能器。 2 1 2 2 基本特性 如图( 2 6 ) 所示，i d t 是一个由叉指电极交替而成，电信号加载于激励i d t 上时， 叉指电极的瞬时极性正负交错，在压电基片的表面产生电场。 9 2 声表面波谐振器设计硕士论文 圈口田： _ - - 卜i _ _ 一_ 卜 - 卜 - - 一- - 一 图2 6 叉指电极产生交替电场 基片材料为压电材料，在其上加上电场，因为逆压电效应，基片表面产生弹性形变， 交变电信号产生交变电场，基片表面激发起相应的弹性振动，产生的波形在弹性表面上 传播开来形成了声表面波。叉指电极在基片上的排列是交叉周期性排列，叉指交替带有 正负极性，当叉指电极的周期与交变电信号的周期一致的时候，每一对电极所激发的 s a w 相互叠加加强，叠加后的声波是整个i d t 所激发的总的s a w e l 6 1 。 一般来说，我们默认s a w 技术激发出来的s a w 都是瑞利波，瑞利波具有两个质 点位移分量，并且相位彼此相差7 比。i d t 在压电介质内所产生的交变电场分量相位的 相差为r j 2 ，所以i d t 所激发的质点两位移分量相位的相差也为耐2 ，这说明i d t 可以 激发瑞利型s a w 。 上面已经说过很多次，整个i d t 激发出来的s a w 其实就是i d t 上每一对叉指电极 激发的全部的波的叠加。根据波的干涉原理我们可以知道，当i d t 的外加激励交变电 信号的频率与叉指周期p 对应的频率相同时，i d t 上各对叉指电极所激发的波同相位相 加，此时i d t 激发最强；当外加激励交变电信号的频率与叉指周期p 对应的频率不相 等时，此时各对叉指电极激发的波不再同相位相加，激发的波也就随之减弱。从这一点 可以说明，叉指换能器本身就具有频率选择性。 假设i d t 具有n + l 条长度相同的叉指电极，指条的极性是正负交叉排列的，当在 i d t 两端加上交变电信号时，i d t 上每一对叉指电极都会在压电基片上激发起s a w ， 这些s a w 相互叠加加强。为了更好的理解s a w 原理，我们现在假设一种理想状态， 假设i d t 上每一对叉指电极都激发出一个等幅的正弦s a w ，激发出的s a w 在基片上 传播开来，传播的过程中是理想无耗的。因为i d t 上的指条是周期性排列的，所以相 邻的叉指电极激发出的s a w 的相位差为： 口：f ：丝( 2 1 ) 2 w ( 2 1 ) 式中p 为叉指电极对的周期 仇为s a w 在弹性基片上的传播速度 为角频率 可以用公式来表现i d t 整体的总输出为，其结果为所有叉指电极对的输出的波形 的总和： 1 0 硕士论文声表面波振荡器集成芯片设计 县= e o e m 1 一e 弘p + p 2 庙p ( 一1 ) ”1 e j ( 肛1 6 p 】( 2 - 2 ) ( 2 2 ) 式中，可以看到括弧内有交替的正负号，这是因为加在换能器上相邻指条 上的电压极性相反，e o 是用来表示每一对叉指电极所激发出的s a w 的幅度。 当a o = c o p l 2 v , = 7 r 时，也就是p = 2 z c v , l ( d 时，( 2 - 2 ) 式中方括号内的每一项都变 为( + 1 ) ，总输出为 函：n e o e 触( 2 3 ) 此时的电信号频率为( d o = 2 万协p ，激励电信号的波长等于叉指电极的周期，即 a o = p ，该频率称为声同步频率。这说明，当外加信号电压的频率等于i d t 的声同步频 率c o o ，或p = 九。时，i d t 所激发的声波最强。当外加信号电压的频率不等于声同步频 率c o o ，但接近于c o o 时，令c o = c o o + a ( d ，此时相邻叉指电极对的相位差为 a o ：f ：堡型：万( 1 + 鲤) ( 2 - 4 ) 2 协 ( d o 上式代入( 2 2 ) 式，得 b ：s i n n , r ：a 业( d n e o p ，洄+ 脚等，2 2 5 )b = 盟l p 咖 ( 2 5 ) n 瓦坐 由此( 2 5 ) 公式我们可以得到频率响应曲线，曲线是呈s i i l 函数的规律变化 ( s i n ( x ) x ，x = n z 丛( d ( d o ) ，如图( 2 7 ) 所示： 相对振幅 jl l 。 4 艉3 小蜘1 肘1 肘2 瓜 3 尉4 肘 7 图2 7 叉指换能器的幅频特性 当x = n r , 厶( d i ( d o = o 时，s i n ( x ) x = l ，此时罨达到最大，此时也就是处于声同步 2 声表面波谐振器设计 硕士论文 状态。 当x = 7 丛国= 万时，s i n ( x ) x = 0 ，此时巨值最小，此时= i n ，此 处即叉指换能器输出的第一对零值点。 可以看出，叉指换能器所具有的周期数越大，即指条数越多，它的第一对零值 点之间的频率间隔越小，所以它的频响的带宽也越窄。 当a e o = 3 1 2 n 时，换能器频响出现第一个旁瓣的峰值，第一个旁瓣的峰值比主 瓣峰值低。5 a ) 1 = 5 2 n ，7 2 n 时，后面会出现第二个、第三个旁瓣峰值，且其 幅度依次递减。 i d t 激发声表面波的强度与它包含的叉指电极周期段数n 成正比，n 越大激发越强。 由以上讨论可见i d t 的基本特性与它的结构参数密切相关。i d t 的工作频率取决于 它的叉指电极的周p ，p 越短工作频率越高，同时，i d t 的工作带宽取决于它所含有的 叉指电极对数目，指条数越多频响越窄。 下面分析一下叉指换能器的导纳特性，一个由信号源馈电激励的叉指换能器，假设 其没有损耗，则信号源的功率全部转化为声表面波功率，此时换能器可以看作信号源的 一个负载，其输入导纳设为圪( 国) = g 口 ) + 属 ) ，其中g 口洄) 为辐射电导，吃 ) 为 辐射电纳。 i d t 的频谱函数日) 表示一个信号在频域内的各个频率上的分布，当用单位脉冲 激励换能器时，在频域上叉指换能器向两边辐射的每单位频率的总能量为 e ( c o ) = h ( c o ) - h ( 国) + 日( ) e x p ( 一，f ) h ( c o ) e x p ( j o ) r ) = 2l - ( c o ) 1 2 ( 2 6 ) ( 2 6 ) 式中h ( c o ) e x p ( 一j o t ) 是换能器在反方向上的脉冲响应的傅立叶变换，f 为 脉冲响应的时宽。能量e 细) 被声辐射电导所耗散，所以 e ( c o ) = 瑶g 口佃) ( 2 7 ) ( 2 - 7 ) 式中，是q 和) 两端的电压。对于单位脉冲激励下，圪= l ，所以 q ) = e ( c o ) = 2 i h ( c o ) 1 2 ( 2 8 ) ( 2 8 ) 式表明，i d t 输入导纳的实部等于它的脉冲响应的傅里叶变换之幅度平方 的两倍。 因为这个i d t 是一个因果系统所以，换能器输入导纳的虚部是实部的希尔伯特 ( 】m l b e m 变换 驰) = 昙e 等 像1 0 ) 对于存在不能用此变换强述的附加电容、电感或恒定电纳时，输入导纳实部的希尔 伯特变换可以认为是辐射电纳。为了表示叉指阵列的静电容电纳，还需要一附加项，则 1 2 硕士论文 声表面波振荡器集成芯片设计 换能器静电容为c o = n c , ，以等指长均匀周期叉指换能器为例，对j l l ( f ) ：4 配；菇s 证f 取傅立叶变换得到换能器的频谱函数： 脚) - 2 崛1 e x p ( - 等) 警 ( 2 ( 2 - i i ) 式中x = 刀和一) 。f l 了( 2 - 7 ) 式得到此i d t 的辐射导纳的实部 删= 2 m ) 1 2 = 8 k 2 c , f o n 2 坐x 2 = g o 丁s i n = x ( 2 1 2 ) 式( 2 - 1 2 ) 中，g 口= s k 2 c , f o n 2 。i d t 导纳的虚部吃佃) 由实部的希尔伯特变换得 到： 驰m 鼍 亿1 3 ) 2 1 3 反射栅 垦l量旦量量星冒量营旮营量荩量目量 ，。 图2 8 反射栅结构图 从横截面来看，叉指电极的宽度为w ，周期为p ，如图( 2 9 a ) 所示。为了研究s a w 在反射栅中的传播情况，根据阻抗的不连续性，可以给出其等效电路模型，如图( 2 9 b ) 所示。图中卢f 、尼分别是区域i 中s a w 的波数和阻抗。在这种模型中，s a w 在阻抗r 。r 2 不连续处产生反射，并且在每个电极的边缘r - r 2 阻抗都不连续，从而可以发现在每个 电极的边缘处都会有反射。 2 声表面波谐振器设计 硕士论文 ( a ) 基本结构； ( b ) 结构单元 图2 9 等效电路模型 s a w 的阻抗其实并没有明确的物理学定义，s a w 器件的特性通常是由电学端测得 的电学量来描述的，因此没有必要知道实际的场强，分析时只需要知道r i r z 的比值就 可以了。 定义p 是物质密度，定义k 是s a w 的声速，则s a w 的声阻抗可以表示为r = p v s 。 如果在压电基片上沉积上金属栅，那么除了基片表面的机械不连续性会引起反射外，表 面的电学不连续性也会引起反射。 图( 2 1 0 ) 为分析图中栅极的反射情况。本论文定义入射s a w 的振幅为么加。栅极 两段阻抗不匹配，一部分入射波将会被反射，反射是向多个方向的，最主要的是向左右 两端的反射。 图( 2 1 1 ) 的等效电路中，彳一是栅极左侧反射的s a w 振幅，么+ 是栅极右侧反射 的s a w 振幅，且 a - = r - a 抽e x p - 2 邝2 ( l - w 2 ) ) ( 2 - 1 4 ) 彳+ = r + a me x p - j ( 2 f f 2 l + 3 1 w ) ) 厂一和，+ 分别是栅极左侧和栅极右侧的反射系数，且，一= ，+ = ( r l r 2 ) ( r i + r 2 ) ， 推导中假设l ，i “1 。于是每条栅极的反射系数n 为 n = a + - + a - = 2 少- s i n ( ，1 w ) e x p ( - 2 j f l 2 工) ( 2 1 5 ) 以加 这说明栅极的反射特性与栅极中心的反射特性相同，这个等效反射点就称为反射中 j 心。 1 4 硕士论文声表面波振荡器集成芯片设计 彳 彳 彳 i 一一一 i 1 = = = = = = = = = = c = = = 二 仁= = = = ) - 施口2只l口i尺2 j bz 图2 1 0 声表面波在栅极上的入射和反射 因为in | - 2i ，一s i n ( p 叻i ，所以当w a 1 4 时，fnl 取最大值。注意么n = 石2 ， 由，一的符号决定。 下面分析声波在周期为p 的周期性栅阵中的传播特性，如图( 2 8 ) 所示。 假设栅阵无限长，且每一周期栅都与其他周期栅等效。如果存在称为栅模的简正模， 那么他们在任一个周期内的场分布u ( x - ) 与其他周期内的场分布必须相同，所以u ( x ) 满 足f l o q u e t 原理： 甜( x l + p ) = u ( x , ) e x p ( - j , o p ) ( 2 - 1 6 ) 口是栅模的波数。 定义一个函数u o ) = u ( x o e x p ( + j 卢x 1 ) ，由f l o q u e t 原理可知，u 0 1 ) 必须是周期为p 的周期性函数，这说明u o ) 可以用傅立叶展开形式来表示： u ( x 1 ) = ea n e x p ( - 2 ，r j n x l p ) ( 2 1 7 ) - 于是得到 u ( x o = e 山e x p - j ( 3 + 2 n l r p ) x l ( 2 一1 8 ) 月i 式( 2 1 8 ) 说明在周期为p 的周期性栅阵中，场可以用分立波数p 一篁2 7 r n l p + , 6 的 正弦之和来表示。换句话说，空间频率为3 + 2 m r p 的反射波是由波数为卢的入射波经 空间调制产生的，2 万p 称为栅矢。 每一周期栅都会反射波场，这些波场相互干扰。通常，在较宽的整个波段内，这些 干扰相互抵消，总的反射场可以不计，这时方程中刀= 0 的单项式就可以精确描述声场。 但是，在一定的波段范围内，每一周期栅散射的波是同相位的，它们叠加成很强的反射 波，这时必须用方程中的多项式才能精确描述声场，这种反射称为布拉格反射。 2 声表面波谐振器设计 硕士论文 用a ，表示栅阵中s a w 的波长，则相位匹配条件为 2 p = 刀兀或4 7 r p $ 卢2 n r c ( 2 - 1 9 ) 这个条件称为布拉格反射条件，如图( 2 1 1 ) 。因为p 卢2 r r 厶，方程可以写为 图2 1 1 布拉格反射 j 6 i s = 疗万p 或i 卢s + 2 n r r i pl 爿卢，l ( 2 - 2 0 ) 这个关系式解释如下：波数为卢s 的入射s a w 经过空间调制后，产生波数为 卢s + 2 m r p 的各个反射波分量，然后发生了布拉格反射。这些反射波中，只有波数为 卢，- 2 z r p 的反射波分量，且只有与入射s a w 相速相同时，才会增强。 一i可。 i 一 i 忍一2 r , pj 9 s 你和 7 j i 图2 1 2 布拉格反射条件 定义栅阵中s a w 的等效相速为阼，则布拉格频率为 c o n z c v , p 2 2 声表面波单端对谐振器 ( 2 2 1 ) 声表面波谐振器( s a 、r ) 传输模式有很多种，根据此可以对s a w 谐振器分类