RU2450427C2

RU2450427C2 - Magnitoelectric resonator

Info

Publication number: RU2450427C2
Application number: RU2010131806/08A
Authority: RU
Inventors: Мирза Имамович Бичурин (RU); Мирза Имамович Бичурин; Сергей Владимирович Аверкин (RU); Сергей Владимирович Аверкин; Геннадий Алексеевич Семенов (RU); Геннадий Алексеевич Семенов
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2012-05-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: magnitoelectric resonator consists of composite magnitoelectric material representing multilayer structure of piezoelectric layer, ferromagnetic layer and bias system, at that lay-out of interdigital transducer is applied to piezoelectric layer from side of ferromagnetic layer.

EFFECT: improvement of resonator quality factor, possibility of quality-factor control by magnetic field.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области электроники и позволяет улучшить характеристики магнитоэлектрического резонатора (Р), работающего в области магнитоакустического резонанса. Предлагается использование в радиотехнике на частотах длинноволнового диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) в качестве резонатора с управляемой добротностью.The invention relates to the field of electronics and can improve the characteristics of a magnetoelectric resonator (P) operating in the field of magnetoacoustic resonance. It is proposed the use in radio engineering at the frequencies of the long-wavelength range of superhigh frequencies (microwave) as a resonator with a controlled Q factor.

Основное применение резонаторов заключается в их использовании для построения генераторов и полосно-пропускающих фильтров.The main use of resonators is to use them to build oscillators and bandpass filters.

Для частотного диапазона от 30 до 1500 МГц наибольшее распространение получили резонаторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ), выполненные на основе встречно-штыревого (ВШП) преобразователя. Резонансная частота такого резонатора определяется какFor the frequency range from 30 to 1500 MHz, resonators based on surface acoustic waves (SAWs) made on the basis of the interdigital (IDT) transducer are most widely used. The resonant frequency of such a resonator is defined as

,

где λ - период преобразователя, V_SAW - скорость ПАВ на частично металлизированной поверхности. Скорость ПАВ на частично металлизированной поверхности можно определить следующим образом:where λ is the period of the converter, V _SAW is the speed of the surfactant on a partially metallized surface. The surfactant speed on a partially metallized surface can be determined as follows:

,

где V_f - скорость ПАВ на свободной поверхности пьезоэлектрического материала, k_s - коэффициент электромеханической связи, d_n - коэффициент металлизации.where V _f is the surfactant speed on the free surface of the piezoelectric material, k _s is the electromechanical coupling coefficient, d _n is the metallization coefficient.

Другой тип резонаторов, применяемый на частотах от 300 МГц до 10-20 ГГц, использует ферромагнитный резонанс (ФМР). Резонансная круговая частота таких резонаторов зависит от приложенного к резонатору постоянного магнитного поля Н_e0 и формы резонатора:Another type of resonator used at frequencies from 300 MHz to 10-20 GHz uses ferromagnetic resonance (FMR). The resonant circular frequency of such resonators depends on the constant magnetic field H _e0 applied to the resonator and the shape of the resonator:

ω₀=γ(H_e0-4πМ₀),ω ₀ = γ (H _e0 -4πМ ₀ ),

где γ - магнитомеханическое отношение, М₀ - постоянная намагниченность ферромагнитного материала, из которого выполнен резонатор. Приведенная формула справедлива для случая бесконечно тонкой пластины и используется, когда резонатор представляет собой тонкую пленку из ферромагнитного материала, а магнитное поле перпендикулярно плоскости ферромагнитной пленки. Зависимость резонансной частоты от напряженности внешнего магнитного поля, приложенного к резонатору, позволяет настраивать подобные резонаторы с помощью подмагничивающих обмоток.where γ is the magnetomechanical ratio, M ₀ is the constant magnetization of the ferromagnetic material from which the resonator is made. The above formula is valid for the case of an infinitely thin plate and is used when the resonator is a thin film of ferromagnetic material and the magnetic field is perpendicular to the plane of the ferromagnetic film. The dependence of the resonant frequency on the intensity of the external magnetic field applied to the resonator allows tuning of such resonators using magnetizing windings.

В магнитоэлектрических резонаторах, состоящих из композитного магнитоэлектрического материала, резонансная частота может быть перестроена как магнитным, так и электрическим полем, приложенным к резонатору. В данном изобретении предлагается магнитная перестройка резонансной частоты.In magnetoelectric resonators consisting of a composite magnetoelectric material, the resonant frequency can be tuned by both magnetic and electric fields applied to the resonator. The present invention provides magnetic resonance frequency tuning.

Недостатком известных магнитоэлектрических резонаторов со слоистой структурой (чередующиеся ферромагнитные и пьезоэлектрические слои) является обратная зависимость резонансной частоты магнитоакустического резонанса от толщины пьезоэлектрического слоя резонатора.A disadvantage of the known magnetoelectric resonators with a layered structure (alternating ferromagnetic and piezoelectric layers) is the inverse dependence of the resonant frequency of the magnetoacoustic resonance on the thickness of the piezoelectric resonator layer.

Для работы в области СВЧ требуется толщина слоя из пьезоэлектрического материала порядка нанометров. Получение слоев такой толщины представляет технологическую проблему.To work in the microwave region, a layer thickness of a piezoelectric material of the order of nanometers is required. Obtaining layers of this thickness is a technological problem.

Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является резонатор на поверхностных акустических волнах, в котором резонансная частота определяется периодом ВШП и скоростью поверхностной волны в пьезоэлектрическом материале (см. Das P., Lanzl С., Tiersten H. А pressure sensing acoustic surface wave resonator / 1979 Ultrason. Symp.1976, P.306-308) [1].The closest technical solution adopted for the prototype is a surface acoustic wave resonator in which the resonant frequency is determined by the IDT period and the surface wave velocity in the piezoelectric material (see Das P., Lanzl C., Tiersten H. A. pressure sensing acoustic surface wave resonator / 1979 Ultrason. Symp. 1976, P.306-308) [1].

Недостатком прототипа является невозможность получения высоких значений добротности резонатора и управления добротностью с помощью схемотехнических решений.The disadvantage of the prototype is the impossibility of obtaining high values of the quality factor of the resonator and control the quality factor using circuitry solutions.

Задачей изобретения является снижение требований к технологии, улучшение добротности резонатора, возможность управления добротностью при помощи магнитного поля.The objective of the invention is to reduce the requirements for technology, improving the quality factor of the resonator, the ability to control the quality factor using a magnetic field.

Для решения данной задачи предложен резонатор магнитоэлектрический, состоящий из магнитоэлектрического композитного материала, в котором между ферромагнитным слоем и пьезоэлектрическим слоем нанесена топология ВШП. Резонансная частота ВШП определяется его топологическими размерами, как и резонансная частота предлагаемого магнитоэлектрического резонатора в целом. При этом толщина пьезоэлектрического слоя выбирается, исходя из технологических соображений и скорости звука в пьезоматериале. В отличие от резонатора, описанного в [4], магнитоакустический резонанс следует ожидать при совпадении частоты ФМР и частоты резонанса ВШП, а не частот ФМР и акустического резонанса тонкого пьезоэлектрического слоя, что снимает требование к заданной толщине пьезоэлектрического слоя. Прикладывая к резонатору магнитное поле заданной напряженности, можно сдвигать частоту ФМР относительно частоты резонанса ВШП и управлять шириной резонансной полосы, а следовательно, и добротностью резонатора.To solve this problem, a magnetoelectric resonator is proposed, consisting of a magnetoelectric composite material in which the IDT topology is applied between the ferromagnetic layer and the piezoelectric layer. The resonant frequency of the IDT is determined by its topological dimensions, as well as the resonant frequency of the proposed magnetoelectric resonator as a whole. The thickness of the piezoelectric layer is selected based on technological considerations and the speed of sound in the piezoelectric material. Unlike the resonator described in [4], magnetoacoustic resonance should be expected when the FMR frequency and IDT resonance frequency coincide, rather than the FMR frequency and the acoustic resonance of a thin piezoelectric layer, which removes the requirement for a given thickness of the piezoelectric layer. Applying a magnetic field of a given intensity to the resonator, it is possible to shift the FMR frequency relative to the IDT resonance frequency and control the resonance band width, and hence the quality factor of the resonator.

Предлагаемое изобретение позволяет получить следующий технический результат: а) управлять добротностью резонаторов в цепях полосно-пропускающих или полосно-заграждающих фильтров СВЧ для управления шириной полосы пропускания или режекции; б) подстраивать полосу пропускания или режекции фильтра СВЧ по частоте в окрестностях центральной частоты.The present invention allows to obtain the following technical result: a) to control the quality factor of the resonators in the chains of bandpass or bandpass microwave filters to control the bandwidth or notch; b) adjust the bandwidth or notch of the microwave filter in frequency in the vicinity of the center frequency.

Для пояснения предполагаемого изобретения предложены чертежи.To explain the alleged invention proposed drawings.

Фиг.1 - Конструкция магнитоэлектрического резонатора с управлением магнитным полем.Figure 1 - Design of a magnetoelectric resonator with magnetic field control.

Фиг.2 - Ориентация полей в магнитоэлектрическом резонаторе.Figure 2 - Orientation of the fields in the magnetoelectric resonator.

Устройство состоит из пьезоэлектрического слоя 1, на который методом электронной литографии или фотолитографии нанесена топология ВШП 2 и контактные площадки 3. Поверх ВШП нанесен ферромагнитный слой 4, причем между слоями обеспечен жесткий механический контакт. Полученный магнитоэлектрический композит с ВШП, расположенным между слоями, помещается в магнитное поле, создаваемое подмагничивающей системой 5 с обмоткой управления 6.The device consists of a piezoelectric layer 1, on which the IDT 2 topology and contact pads 3 are applied by electronic lithography or photolithography. A ferromagnetic layer 4 is applied on top of the IDT, and hard mechanical contact is provided between the layers. The obtained magnetoelectric composite with IDT located between the layers is placed in a magnetic field created by a magnetizing system 5 with a control winding 6.

Устройство работает следующим образом. В случае несовпадения резонансной частоты ВШП и частоты ФМР ферромагнитного слоя магнитоэлектрический резонатор работает как обычный резонатор на ПАВ. При этом высокочастотный электрический сигнал для возбуждения резонатора подается на контактные площадки 3. Изменяя ток в обмотке управления 6, добиваются совпадения резонансной частоты ВШП и частоты ФМР.The device operates as follows. In the case of a mismatch between the resonant frequency of the IDT and the FMR frequency of the ferromagnetic layer, the magnetoelectric resonator operates as a conventional SAW resonator. In this case, a high-frequency electrical signal for exciting the resonator is supplied to the contact pads 3. By changing the current in the control winding 6, the resonant frequency of the IDT and the FMR frequency coincide.

Стоячая акустическая волна в пределах ВШП за счет магнитоупругого взаимодействия вызывает изменение намагниченности механически контактирующего ферромагнитного слоя. В случае, когда частота ФМР оказывается равной резонансной частоте ВШП, возникает магнитоакустический резонанс, что приводит к возрастанию добротности предлагаемого магнитоэлектрического резонатора. Изменение тока в обмотке управления подмагничивающей системы сдвигает частоту ФМР относительно резонансной частоты ВШП, что позволяет управлять добротностью резонатора. Переменное электрическое поле в пределах ВШП Е, переменное магнитное поле в ферромагнитной пленке h и внешнее магнитное поле подмагничивающей системы Н₀ показаны на фиг.2.A standing acoustic wave within the IDT due to magnetoelastic interaction causes a change in the magnetization of a mechanically contacting ferromagnetic layer. In the case when the FMR frequency is equal to the resonant frequency of the IDT, magnetoacoustic resonance occurs, which leads to an increase in the quality factor of the proposed magnetoelectric resonator. A change in the current in the control winding of the magnetizing system shifts the FMR frequency relative to the resonant frequency of the IDT, which allows controlling the quality factor of the resonator. An alternating electric field within the IDT E, an alternating magnetic field in the ferromagnetic film h and an external magnetic field of the magnetizing system H ₀ are shown in FIG.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет реализовывать магнитоэлектрические резонаторы с управлением добротностью, без необходимости применения пьезоэлектрических слоев в виде тонких пленок, что является более простым и технологически отработанным способом.Thus, the present invention allows the implementation of magnetoelectric resonators with Q-factor control, without the need for piezoelectric layers in the form of thin films, which is a simpler and more technologically advanced method.

Источники информацииInformation sources

1. Das P., Lanzl С., Tiersten H. A pressure sensing acoustic surface wave resonator / 1979 Ultrason. Symp.1976, P.306-308. - прототип.1. Das P., Lanzl S., Tiersten H. A pressure sensing acoustic surface wave resonator / 1979 Ultrason. Symp. 1976, P.306-308. - prototype.

2. United States Patent, patent Number 3878477, Apr. 15, 1975, J.Fleming, H.Karrer. Acoustic surface wave oscillator force-sensing devices.2. United States Patent, patent Number 3878477, Apr. 15, 1975, J. Fleming, H. Karrer. Acoustic surface wave oscillator force-sensing devices.

3. Мэттьюз Г. Фильтры на поверхностных акустических волнах // М.: Радио и связь, 1981.3. Matthews G. Filters on surface acoustic waves // M .: Radio and communication, 1981.

4. М.I.Bichurin, V.М.Petrov, V.М.Laletsin, G.Srinivasan. Resonance magnetoelectric effects in layered magnetostrictive-piezoelectric composites / Physical Review В 68, 132408 (2003).4. M.I. Bichurin, V. M. Petrov, V. M. Laletsin, G. Srinivasan. Resonance magnetoelectric effects in layered magnetostrictive-piezoelectric composites / Physical Review B 68, 132408 (2003).

Claims

A magnetoelectric resonator, consisting of a composite magnetoelectric material, which is a layered structure of a piezoelectric layer, a ferromagnetic layer and a magnetizing system, characterized in that the topology of the interdigital transducer (IDT) is applied to the piezoelectric layer from the side of the ferromagnetic layer.