CN100474771C - 具有声学效应材料的器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有声学效应材料的器件，其声学常数至少可以部分地被改变。所述声学效应材料至少部分地处于相变点和/或在相变点附近。

Description

具有声学效应材料的器件

技术领域

本发明涉及滤波器形式的具有声学效应材料的器件以及运行这种器件的方法。

背景技术

因为移动电信系统标准在世界范围内不同，而且在发送范围内根据所需带宽的不同而提出越来越多的不同标准，所以人们希望有一种可以覆盖所有这些标准或者至少这些标准的一部分的移动电信装置。在这种情况下，出现了发送频带和接收频带处于不同的频率问题，此外还有不同带宽的问题。因此迫切地需要可以电子调谐的电信装置滤波器，使之可以通过软件把电话调节到所希望的标准。

目前还没有解决以上问题的调谐滤波器。当前应对的方法是采用电信技术中得到检验的表面波滤波器(OFW滤波器)并按照需要在这些滤波器之间来回切换。OFW器件以多种多样的形式用作可无线电请求的或者自行发送传感器、识别标志或者滤波器。现有技术的实施形式公开于：例如，DE 198 60 058 Cl、EP 0 746 775 B1、EP 0 655 701 B1、EP 0 651 344 B1、EP 0 619 906 B1、US 5 691 698、US 5 841 214、US5 966 008、US 5 910 779，US 6 029 324、US 6 084 503。

OFW滤波器本身以其稳定性而著称从而遗憾地不能够调谐或者只能在非常窄的限界内调谐。在一个装置中使用多个滤波器当然会导致需要较大的位置并且提高了成本，因为针对每个标准分别需要一个滤波器。所述的OFW滤波器还不能用半导体技术集成化，所以必须遵从混合电路方案。

为了至少绕开这种混合电路方案，人们一再提出用体波工作的FBARS(薄膜体波谐振器)，所述的FBARS可以至少部分兼容CMOS地制造。然而这里对每个标准也需要自身的滤波器甚至于多个滤波器。这种方法的主要问题在于，在生产技术上没有掌握所要求的频率精度，从而不能批量生产，也就不能降低成本。

由EP 0 834 989 A2公知一种FBAR，其弹性常数可以至少部分地改变。然而这种改变却小得不能够抵消制造波动，更谈不到实现可调谐滤波器。

R.E.N ewnham，A.Amin：“Smart System：Microphones，fishFarming，and beyond”CHEMTECH，[Online] Band 29，Nr.12，ol.December 1999，38-46页，American Chemical Society公开具有临近第二相变点组成的压电陶瓷。用来测量传感器中的负荷并且在致动器中产生负荷。

US-A-4,464,639说明了铁电晶体的特性，特别是在这种晶体中铁电和压电状态之间的关系，以及电场引起的压力和负荷可改变性。此外还说明了在居里点从铁电相到顺电相的相变。该文献说明一种通过高于相变温度极化来调节晶体频率特性的方法，和用这种方法的运行，其中可以达到叉指式变换器的双倍频率。最后示出了一种滤波器的应用，所述滤波器在相变温度以上被制造，在相变温度以下运行。

发明内容

因此本发明的任务是，提出一种滤波器，在运行过程中，其声学常数可以在这样的程度上进行改变：借助于各所考虑电信标准的频率范围内的控制来调节该声学常数。这里，声学常数特别被理解为弹性常数，譬如刚性，以及密度。所述的材料常数确定音速，从而确定声学效应材料中的声振动的频率。

所述的任务通过一种滤波器，尤其是用于电信装置的滤波器以及运行具有声学效应材料的滤波器的方法解决。所述滤波器具有声学效应材料，所述材料的声学常数至少可以部分地改变以在运行过程中调谐所述滤波器，在运行过程中为了调谐所述滤波器，所述的声学效应材料至少部分地处在相变点和/或在相变点附近。在所述方法中，改变所述声学效应材料的声学常数以在运行过程中调谐滤波器，并且在运行过程中为了调谐滤波器，所述的所述声学效应材料至少部分地运行在相变点和/或在相变点附近。

本发明基于以下认识：在材料的相变点和/或相变点附近可以获得大的声学常数改变。通过改变声学效应材料的声学常数可以用所希望的方式调节声学效应材料中传播的声波的频率。这不论是对表面波还是体波都适用，从而可以选择性地构成滤波器以利用表面波和/或体波工作。如果所述滤波器的具有声学效应材料至少部分是压电材料，那么可追溯到公知的把电磁波转换成声波的技术。因此尤其可以设想表面波器件上装入叉指式换能器，或者在体波器件的声学效应材料的两个相对侧面上设置电极。

如果可以把声学效应材料的声学常数影响得产生至少0.5％的速度改变，就说明接近相变点。这足以补偿制造波动。然而最好更充分应用为最少1％、5％的速度改变，特别是10％的速度改变。

用压电材料作声学效应材料时优选地把相变点选在铁电相与顺电相之间的相变点。这里声学效应材料的声学常数可以在宽的范围内改变，尤其是通过改变压电耦合改变。为了能够较大程度地充分利用压电效应把电磁波耦合进声学效应材料中的声波，此时，最好应当在相变点的铁电相一侧工作。

如果声学效应材料的一个空间上确定的部分处在第一相，而另一个空间上确定的部分在第二相，就可以避免直接在相变点按照Kramers-Kronig关系出现的衰减。

优选地，所述滤波器含有改变声学效应材料的声学常数的装置和/或含有这种装置的连接端口。所述的装置例如可以具有尤其是在声学效应材料上施加电压的元件，借助于所述电压可以改变材料的声学常数。施加电压的元件例如可以用安排在所述滤波器上尤其是安排在声学效应材料上的电极的形式构成。对于交流电压也可以采用感应性工作元件。

改变声学常数的装置也可以具有调节温度，尤其调节声学效应材料温度的元件，借助于所述温度可以改变材料的声学常数。改变温度的元件可以以加热和/或冷却装置的形式构成。尤其可以考虑珀耳贴元件。

改变声学常数的装置也可以具有调节其它热力学量，例如压力，尤其调节声学效应材料中的压力的元件，借助于所述压力就可以改变材料的声学常数。

所述的滤波器优选地实施为表面波器件、体波器件或者静电耦合的薄膜振子，尤其是在其声学效应材料方面确定尺寸使之可以用作为所希望的频率范围内的滤波器。

在根据本发明的运行具有声学效应材料的滤波器的方法中，改变所述声学效应材料的声学常数，其中声学效应材料至少部分地处在相变点和/或在相变点附近。

附图说明

在所述方法中有利地采用上述类型的滤波器，和

本发明的其它重要特征和优点由参照附图对一个实施例的说明给出。附图中

图1是具有声学效应材料的滤波器，和

图2是控制所述滤波器的电路。

具体实施方式

图1中示出具有声学效应材料2的器件1形式的滤波器。所述的声学效应材料2由压电物质例如LiNbO₃、LiTaO₃、Bi₁₂GeO₂₀、Li₂B₄O₇、AlPO₄、GaAs、ZnO和/或石英构成。

声学效应材料至少部分地处于相变点和/或在相变点附近。所述的相变点尤其是铁电材料的居里点。众所周知，在居里点附近介电常数ε随着温度发生强烈变化，另外也随着所加的电场发生强烈变化。这种变化通过压电耦合改变材料的刚性c：

$c=c_0+\frac{d^2}{\mathrm{\ϵ}}.$

式中c₀代表没有压电效应时的吸音材料的刚性，而d代表声学效应材料的压电常数。介电常数ε、刚性c、c₀和压电常数d一般为张量。

如果ε的值很大，譬如在居里点就是这样的情况，从而通过压电效应使声学效应材料得到的压电刚性化(piezoelectric stiffening)式中可以去掉

d²/ε，

从而得到近于不存在压电效应的刚性。反之，如果ε下降，就会出现加强的刚性。这里声学效应材料在其总体涉及的体积内自行改变。

声学常数的这种改变性有很大的不稳定性，尤其是与温度相关。另一种不稳定性来自于制造，也可来自于可能发生的老化。为了控制所有的这些不稳定性，需要可以据以进行调节的固定基准。在这种情况下，不稳定性的时间常数非常不同。制造确定的不稳定性与时间无关，因此可以通过施加电压的U的校正值U_制造加以补偿，该校正值存储于固定的存储器中。补偿老化稳定性的校正值U_老化却需要不时地设定为最新状态。这种老化效应中当然地还包括所有电子线路自身出现的效应。相反地，补偿温度的校正值U_温度却需要不断地更新，因为不仅缓慢改变的环境温度起作用，而且温度本身可也在运行中改变(自身发热)。

除了校正电压外，如果是可连续调谐的滤波器最后还要能够自行连续调谐频率，以能够设定相应的频带及频率f_设定。为此，施加电压U_设定。

总之在两个在声学效应材料2上平面布置的电极3、4上叠加有上述所有电压：

U_FBAR＝U_设定+U_老化+U_制造+U_温度+U_复位。

由实施为FBAR的器件1产生的频率f_实际与固定基准频率f_基准相关。其中不断地跟踪调节U_FBAR直至f_实际-f_基准为所希望的值f_设定-f_基准。这里还补偿上以上没有专门说明的所有可能的其它效应。

此外在声学效应材料2上还安排有珀耳贴元件5，用所述的珀耳贴元件5通过加热或冷却声学效应材料达到温度补偿。这里，在较好的热绝缘和较小的热容(薄膜)的情况下，加热及冷却声学效应材料的时间常数较小。

除了用FBARS作体积厚度振子外，本发明的一个扩展还在于，在压电耦合薄膜振子中加入声致改变层(MEMS)，如例如Clark T.-C.Nguyen：“Micromachining Technologies for MiniaturizedCommunication Devices”，Proceedings of SPIE，Santa Clara，Canifonia，1998，第24-38页所述。其中改变振动薄膜的刚性从而同样得到频率调谐。这种谐振器的最好在中间频率范围使用，与放在前端区的厚度振子不同。利用这个扩展不仅能够使前端滤波器，还能够使中间频率滤波器可以采用半导体技术进行集成，连同与之相关联的优点。前端滤波器和中间频率滤波器甚至制造在带有部分共用的控制和调节装置的芯片上。

图2是控制的举例。其中两个根据本发明的器件1、1`实施为单门谐振器(Eintorresonator)并且安排成可调谐的梯形滤波器。经输入端6向可调谐的梯形滤波器中输入输入信号，其中器件1`被串联接入信号通道，而器件1被并联接地。用上述的方式经控制电压U1、U2控制这两个器件的声学常数从而控制其频率。从微控制器9经D/A转换器7、8调节控制电压U1、U2。在可调谐梯形滤波器的输出端12可以引出以所希望的方式滤波的有用信号。

在与信号通道串联连接的器件1`的输出端上设有用于测量接收场强的装置10。由测量接收场强的装置10所测量的接收场强经A/D转换器11馈送到微控制器9。

器件1、1`构成的与接收方串联的梯形滤波器由微处理器9在其中间频率上失谐直到测量接收场强的装置10的输出达到最大的接收场强。

此外并不是一定要无间隙地覆盖当前的移动通信中800MHz至2.5GHz范围的整个频带。覆盖900MHz至2GHz就足够了。这里对FBARS可以应用谐波。较低的频率范围由基波覆盖，而较高的范围则采用一次谐波。通过在FBARS的薄膜结构中的适当电极构形和相应的控制可以达到模式选择，也就是所述的滤波器最好要么以基波运行要么以谐波运行。

Claims (10)

1.滤波器，所述滤波器具有声学效应材料(2)，所述材料(2)的声学常数至少可以部分地改变以在运行过程中调谐所述滤波器，

其特征在于，

为了在运行过程中调谐所述滤波器，所述的声学效应材料至少部分地处在相变点和/或在相变点附近。

2.如权利要求1所述的滤波器，

其特征在于，

所述滤波器是用于电信装置的滤波器。

3.如权利要求1所述的滤波器，

其特征在于，

所述声学效应材料(2)至少部分地是压电材料。

4.如权利要求3所述的滤波器，

其特征在于，

相变点是铁电相与顺电相之间的相变点。

5.如权利要求1-4之一所述的滤波器，

其特征在于，

所述声学效应材料(2)的一部分处于一个相，而声学效应材料(2)的另一部分处于另一相。

6.如权利要求1-4之一所述的滤波器，

其特征在于，

所述滤波器(1)具有改变声学效应材料的声学常数的装置(3、4、5)和/或这种装置的连接端口。

7.如权利要求6所述的滤波器，

其特征在于，

用于改变声学常数的装置(3、4)具有在声学效应材料(2)上施加电压的元件，借助于所述电压可以改变声学效应材料(2)的声学常数。

8.如权利要求6所述的滤波器，

其特征在于，

用于改变声学常数的装置(5)具有调节温度的元件，借助于所述温度可以改变声学效应材料(2)的声学常数。

9.如权利要求1-4所述的滤波器，

其特征在于，

所述的滤波器(1)是表面波器件、体波器件或者薄膜振子。

10.运行具有声学效应材料(2)的滤波器(1)的方法，其中

-改变所述声学效应材料(2)的声学常数以在运行过程中调谐滤波器，并且

-为了在运行过程中调谐所述滤波器，所述的所述声学效应材料(2)至少部分地运行在相变点和/或在相变点附近。

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