具有嵌入压电层中的电极的弹性表面波器件及其设计和生产的制作方法

本发明的领域是具有复合结构的弹性表面声波(saw)器件，该复合结构并入了嵌入压电材料的薄层中的电极。

背景技术：

1、弹性表面声波器件或saw器件用于广泛的应用中，特别是用于电子器件中，其中它们形成滤波器、振荡器、延迟线和变压器的核心元件。

2、压电材料在由于机械应力而变形时产生电压，并且在施加电压时相反地变形。

3、因此，当交变电信号被施加到与压电层接触的一个或更多个电极时，在该压电材料处产生机械信号(即，振荡或振动)：电信号被转换成机械信号。

4、在压电材料中传播的机械信号表现出对电交变信号的频率依赖性，该频率依赖性是电极的特性、压电材料的性质以及诸如弹性波器件的形状和构成器件的其它结构之类的其它因素的函数。

5、弹性波器件利用这种频率依赖性以借助于表面声波(saw)谐振器或saw换能器提供一种或更多种功能，这些谐振器或换能器越来越多地用于形成例如在电信应用的rf信号的发送和接收中使用的所谓“saw滤波器”。

6、saw滤波器包括至少一个弹性表面声波换能器，该弹性表面声波换能器潜在地被由周期性布置的电极构成的反射镜包围，并且满足所谓的布拉格条件(bragg condition)，通过将换能器发射的波朝向换能器同相反射而形成谐振器。滤波器可以有利地由这种谐振器的组合构成，并且也可以以至少一个输入换能器和至少一个输出换能器为特征。其可以利用谐振器或换能器之间的电或弹性耦合。其时间响应可以是有限的(在常规横向滤波器的情况下)或无限的(在谐振器滤波器的情况下)。在所有情况下，本领域技术人员将这些结构不加区别地称为saw滤波器。

7、换能器的几何形状和尺寸以及所用材料的类型和形状决定了saw滤波器的特性，诸如耦合和反射因子、品质因子q、带宽、杂散响应、比所用谐振更高阶的谐振的抑制以及所用模式的温度依赖性。

8、专利文献wo 2021/053401公开了一种saw换能器，该saw换能器包括形成叉指梳状的电极，并且具有嵌入压电层中的特殊性，如图1所示。

9、这些电极的声阻抗低于压电层的声阻抗，从而通过以高于用于切割压电层的基本模式的频率的频率在电极壁上反射，将切割模式的传播基本上包含在电极体积内，称为“电极模式”。

10、然而，电极的叉指梳状配置和借助于梳状的两个相邻叉的相反极性的激励使得电极模式能够在压电层中产生相干传播剪切波，从而导致对于操作弹性波长λ的谐振现象。

11、换能器的操作弹性波长λ通过关系式fr＝v/λ与换能器的谐振频率fr相关，其中v表示压电层中的传播速度。

12、专利文献wo 2021/053401的saw换能器使得能够使用比常规saw换能器中所采用的频率更高的频率，该常规saw换能器通常基于位于压电层表面上的薄膜电极，并且对于该常规saw换能器而言，弹性波具有从该层的本征模式得出的频率。在本文档的其余部分中，对常规saw器件或换能器的引用将是指基于位于压电层表面上的薄膜电极的这种换能器。

13、这是因为电极模式的谐振频率fr由电极体积中的弹性波的谐振限定，这发生在比常规器件中的压电层的固有模式更高的频率处。

14、然而，除了谐振频率fr之外的特性对于实际应用而言是重要的，特别是频率响应的纯度，并且本领域的技术人员在选择适于形成采用电极模式的saw换能器的衬底的材料时正在寻找优化和/或替代方案。

技术实现思路

1、本发明的第一目的是提供弹性表面声波器件，该弹性表面声波器件能够采用电极模式并表现出对于实际应用而言可接受的性能，特别是具有从实际应用的角度来看可接受的频率响应的频谱纯度，并且由衬底对用于切割压电层的基本模式的衰减来调节。

2、本发明的第二个目的是提供一种用于选择适用于saw器件的衬底的方法，该saw器件包括嵌入压电层中的电极，并且被设计成通过这些电极特有的弹性模式的激励来操作。

3、本发明的第三个目的是提供一种在saw器件的生产中集成了合适衬底的选择的生产方法。

4、为此，本发明涉及一种弹性表面波器件，该弹性表面波器件包括压电层、嵌入压电层中的电极以及承载压电层和电极的衬底，该衬底满足以下两个条件：

5、-压电层中具有电极的弹性模式的衰减小于0.1db/λ；以及

6、-用于切割衬底的体积弹性模式与用于切割压电层的基本弹性模式的速度之间的速度比小于具有等于1的值的预定速度比，

7、衬底选自砷化镓和具有60gpa至180gpa之间的杨氏模量、0.15至0.35之间的泊松比以及2000kg/m3至6000kg/m3之间的密度的玻璃。

8、这种具有嵌入式电极的、旨在通过这些电极的固有弹性模式的激励而操作的saw器件将令人满意地操作，如果采用以这样一种方式选择的衬底的话：该衬底与压电层和嵌入式电极组合，满足关于以上定义的衰减和速度比的两个条件，即，传播电极模式比用于切割压电层的基本模式占优势。

9、符合关于衰减或传播损耗的条件确保了衬底能够获得弹性电极模式，即，弹性电极模式实际上可以被激励并且在压电层中适当地传播，并且用于如上所述的包括嵌入压电层中的电极的saw器件中。

10、这种弹性电极模式的一个优点是，对于不要求在当前技术上可行的极限下的生产方法的器件，它允许获得相对高的操作频率(例如超过3ghz)，并且确保了其可靠性和稳健性。

11、根据本发明的其它非限制性特征(单独地或以任何技术上可行的组合)：

12、-用于切割压电层的基本模式的衰减与弹性电极模式的衰减的比率大于10；

13、-电极完全穿过压电层；

14、-衬底由具有60gpa至80gpa之间的杨氏模量、0.15至0.25之间的泊松比以及2100kg/m3至2400kg/m3之间的密度的玻璃形成；

15、-衬底由砷化镓形成。

16、本发明扩展到一种确定衬底与弹性表面波器件的匹配的方法，该弹性表面波器件包括压电层、嵌入压电层中的电极和所述衬底，该方法借助于计算机系统来实现，并且包括在以下情况下发出表示衬底与弹性表面波器件匹配的信号的步骤：

17、-压电层中具有电极的弹性模式的衰减小于0.1db/λ；并且

18、-用于切割衬底的体积弹性模式与用于切割压电层的基本弹性模式的速度之间的速度比小于具有等于1的值的预定速度比，

19、根据本发明的其它非限制性特征(单独地或以任何技术上可行的组合)：

20、-该计算机系统包括计算机计算单元和计算机存储器，该计算机存储器在功能上与该计算机计算单元通信并且存储数据库，该数据库存储与电极、压电层和衬底的几何形状和性质有关的参数，该计算机计算单元实现以下步骤：

21、-从计算机存储器数据库检索数据，包括与电极、压电层和衬底的几何形状和性质有关的参数；

22、-基于检索到的数据计算压电层中弹性电极模式的衰减；

23、-将压电层中弹性电极模式的衰减与0.1db/λ的预定义衰减值进行比较；

24、-从检索到的数据计算用于切割衬底的体积弹性模式与用于切割压电层的基本弹性模式之间的速度比；

25、-将该速度比与预定速度比值进行比较；

26、-在以下情况下发出表示衬底与弹性表面波器件的匹配的信号：

27、-压电层中电极弹性模式的衰减小于预定义衰减值；并且

28、-该速度比小于预定速度比值。

29、根据本发明的其它非限制性特征，单独地或以任何技术上可行的组合应用于该器件以及该方法：

30、-速度比的预定值等于0.9；

31、-电极弹性模式的衰减attn由公式定义，其中对于产生弹性切割波的传播模式的电极激励，δ是每个电极的声反射系数，函数log表示十进制对数，使得log(e)～0.434，并且fh和fb是与弹性切割波的谐振相关联的频率，在fh和fb处弹性波器件的电纳分别达到其最高点和最低点。

32、本发明还扩展到一种用于生产具有嵌入压电层中的电极的saw器件的方法，该方法包括所述确定方法。