CN104838588B - 电声转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有压电层(4)的电声转换器(1)，压电层如此构造，即，在一个空间方向上施加交变电场时激励在三个空间方向上带有振动的振动模式。

Description

电声转换器
技术领域
本发明涉及电声转换器。电声转换器可为利用表面声波工作的转换器(SurfaceAcoustic Wave=SAW)或为利用体积声波工作的转换器(Bulk Acoustic Wave=BAW)。
背景技术
提高电声转换器的耦合系数与降低在转换器中在电能与机械能之间转变时的损失意义相同。很高的耦合系数实现转换器的很大的带宽。
在1973年于纽约、伦敦、悉尼、多伦多出版的B. Auld的文献、第II卷、John Wiley& Sons“Acoustic waves in fields and solids”第347页及以下和第357页及以下说明了一种所谓的“薄板谐振器”。在此，研究板在两个空间方向上的振荡并且说明了相应的模式。
此外，在2012年频率控制研讨会上获得的C.Zuo以及其他人的会议论文“Cross-sectional Dilation Mode Resonator with Very High Electromechanical Couplingup to 10% using AlN“中说明了如何可通过二维的结构提高AlN层的耦合系数。AlN层如此构造，即，激励二维的振荡模式，其中，在AlN层的厚度方向上施加交变电场，其除了在厚度方向上的激励之外附加地引起在宽度方向上的激励。由此相比于例如在FBAR中出现的纯粹的厚度振荡提高机电耦合系数。
发明内容
本发明的目的在于说明提高在电声转换器中的耦合系数的另一可能性。
该目的通过权利要求1的对象解决。其他的设计方案和有利的实施方式为其他的权利要求的对象。
提出了一种具有压电层的电声转换器，压电层如此构造，即，在一个空间方向上施加交变电场时在三个空间方向上激励带有振荡的振荡模式。
相对于在仅仅一个空间方向上或在两个空间方向上带有振荡的振荡模式，耦合系数在三个空间方向上带有振荡的振荡模式的情况下进一步提高。在这种情况下可利用压电张量的更多分量并且有助于耦合系数。
相比于一维的振荡模式，在其中仅仅利用压电张量的一个成分，即，纵向分量或横向分量，在三个空间方向上带有振荡的振荡模式中利用压电张量的至少三个且最高六个成分。
在最大六个成分中，相应三个负责纵向振荡，且三个负责横向振荡。通过利用压电张量的尽可能多的成分实现耦合系数的提高。在此不重要的是，是否仅涉及纵向激励或横向激励，因为它们的任何任意的组合同样满足提高耦合系数的目的。
以这种方式提高其耦合系数的电声转换器例如可用在单过滤器、双工器、谐振器、传感器、谐振滤波器、模块、带阻滤波器或陷波滤波器中。
在一个空间方向上施加的交变电场通常为存在于两个面状电极之间的交变电场。在此，压电层可布置在两个电极之间。压电层在此如此构造，即，没有形成简单的体积声波，在其中压电层仅在一个空间方向上振荡，而是相反激励这样的振荡模式，在其中压电层在三个空间方向上振荡。
压电层例如可具有以下材料中的一种：氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)、钽酸锂、铌酸锂、锆钛酸铅(PZT)和PZT替代材料。此外，压电层可具有压电材料的添加物和掺杂，AlN例如可掺有Sc。
压电层可具有构造有孔穴和/或切口的面状层。
在此已经令人吃惊地显示出，通过构造带有孔穴和/或切口结构的面状层可提高耦合系数。通过构造带有孔穴和/或切口的结构在压电层中出现这样的结构，其使得能够在三个空间方向上实现带有振荡的振荡模式的激励。
转换器可具有这样的区域，在该区域中压电层在在其中声速在压电层中最高的方向上的伸展和压电层在其他的空间方向上的伸展至少一样大。在该区域中可在三个空间方向上特别好地激励带有振荡的振荡模式。该区域设计得越大，电声转换器的耦合系数提高得越明显，因为在这种情况下在三个空间方向上提高带有振荡的振荡模式的份额。
在压电层的边缘区域中，压电层在最高声速的方向上的伸展可小于压电层在其他的空间方向上的伸展。由此可在边缘区域中避免出现干扰模式，其否则可由于压电层的有限的尺寸出现。
压电层在在其中声速在压电层中最高的方向上的伸展可如此选择，即，谐振器在基本模式中运行。为此，压电层的厚度可在转换器的谐振频率的声波长度的30%与70%之间选择。优选地，厚度在转换器的谐振频率的声波长度的40%与60%之间的范围中。此外，还可考虑谐振器在上限模式(Obermode)中运行。
声速在其中最高的方向通过压电层的晶体结构确定。声速在其中最高的方向例如可为垂直于面状电极取向的竖向方向。然而，声速在其中最高的方向还可相对于电极形成任意其他的角度。
电声转换器可具有第一电极和第二电极，其中，压电层的上侧与第一电极连接，且压电层的下侧与第二电极连接。第一电极还被称为顶部电极。第二电极还被称为底部电极。
在此，上侧和下侧相应可直接贴靠在相应的电极处。此外，压电层具有可垂直于上侧和下侧的侧面。侧面还可与上侧和下侧形成其他的角度。侧面可不受电极约束。
第一电极和第二电极例如可具有以下金属和其合金中的一种：Al、Cu、Au、Ag、Pt、Pd、W、Ni、Mo、Nb、V、Ti、Cr、Mg、Fe、Ir、Ru、Rh、Os、Bi、Hf。此外，第一电极和第二电极可具有在此没有明确举出的副族金属和镧系元素以及更早的副族金属的耐熔的碳化物、氮化物和硼化物，尤其族4、5、6(旧称IVB、VB、VIB)，即，Ti、Zr、Hf(族4)、V、Nb、Ta(族5)、Cr、Mo、W(族6)，以及从中的任意的混合系统。电极可包含唯一的传导性材料或由很多层的堆垛建造，其中，这些层中的至少一个具有传导性材料。
压电层可具有多个块体，其具有压电材料的，其中，块体在在其中声速在压电层中最高的方向上的伸展至少和相应的块体在其他的空间方向上的伸展一样大。块体可彼此隔绝。尤其可在两个相邻的块体之间相应布置有间隙，从而相邻的块体并未接触。如下面还将更详细地讨论的那样可在间隙中布置连接结构、真空、空气或任意其他的材料，优选地，布置有带有异常的热机械性能的材料。
此外，压电层可含有其他的块体，其同样具有压电材料并且不满足结构规定。仅仅决定性的是，压电层的所有的块体的主要部分(例如至少70%)满足结构规定。在其中在最高声速的方向上的伸展和在其他的空间方向上的伸展至少一样大的块体使得能够在所有的三个空间方向上实现激励带有振荡的振荡模式。
电极可具有第一电极结构和第二电极结构，其中，每个块体或者与第一电极结构连接或者与第二电极结构连接。与此相应地，可在相邻的块体(在其中，一者与第一电极结构连接，且另一者与第二电极结构连接)处施加不同的电势，从而块体互相相反地彼此耦合。压电层的不同区域的互相相反的耦合实现抑制转换器的非线性。
与此相应地，块体和电极结构可如此布置，即，两个相邻的块体与不同的电极结构连接。
不仅第一电极而且第二电极都可具有第一电极结构和第二电极结构。备选地，转换器可如此设计，即，第一电极和第二电极中的一个具有第一电极结构和第二电极结构并且相应另一电极具有唯一的连续的电极结构。
在两个块体之间可布置连接结构，其使两个块体在侧向方向上彼此连接。侧向方向可垂直于电极的面的法线。连接结构可具有电介质材料。
连接结构可形成桥接部，其从第一块体在侧向方向上延伸至第二块体。在块体之间的间隙不可完全由连接结构填充。
此外，相邻的块体还可在第二侧向方向(其垂直于上述的侧向方向)上通过连接结构连接。
可得到压电层的这样的构造，在其中连接结构具有彼此平行地伸延的第一桥接部，第一桥接部在侧向方向上延伸，并且同样具有彼此平行地伸延的第二桥接部，其垂直于第一连接结构的第一桥接部在第二侧向方向上延伸。第一桥接部和第二桥接部还可布置成彼此有其他的角度。压电层和桥接部例如可如此布置，即，第一桥接部和第二桥接部围成的角度为30°、45°或60°。
在连接结构的第一桥接部和第二桥接部的交点处可相应布置有块体。此外，在桥接部与块体之间可自由地保持间隙。间隙例如可利用真空、空气或电介质材料填充。
电介质材料可具有其他的有利特性，其以期望的方式影响谐振器。电介质材料例如可具有异常的热机械性能，其可最小化谐振器的温度变化过程。电介质材料可为带有小的或负的膨胀系数的不易弯曲或硬的材料，从而其通过出现的压力同样可影响谐振器的温度变化过程。电介质材料的膨胀系数尤其可小于压电材料的膨胀系数。
此外，在其弹性特性方面不同于压电材料的材料例如可用于抑制可能出现的干扰模式或在其频率状况方面进行影响。
桥接部同样可由带有上述说明的特性中的至少一些的这种电介质材料实施。
包括两个彼此侧向耦合的块体和布置在之间的连接结构的结构可在块体振荡的情况下激励表面波状的振荡，例如真正的表面波或兰姆波。在此，块体可互相相反地彼此耦合。连接结构可有助于附加地提高耦合系数。
此外，压电层的区域可由具有异常的热机械特性和/或比压电层更小的刚性的覆盖层覆盖。
如果压电层具有块体，则块体中的至少一个可由具有异常的热机械性能的覆盖层包封。在此，覆盖层可补偿块体的材料的正常的热机械性能。与此相应地总地降低电声转换器的温度敏感性，即，将整个结构的谐振频率和反谐振频率的温度系数在数值上保持得尽可能小。
覆盖层可引起压电层的张紧。该张紧影响转换器的温度特性并且可以期望的方式引起温度补偿。
此外，覆盖层还可用于其他的目的。覆盖层可具有带有小的或负的膨胀系数的不易弯曲的或硬的材料，从而通过出现的张紧同样可影响转换器的温度变化过程。覆盖层的膨胀系数尤其可小于压电材料的膨胀系数。
此外，覆盖层可具有电介质材料，其具有上面针对电介质材料所述的特性中的至少一些并且以期望的方式影响转换器的频率特性和/或温度特性。
但覆盖层还可具有保护压电层不受环境影响的特性。覆盖层例如可引起钝化。
如果压电层通过孔穴和/或切口构造，则孔穴和/或切口的侧壁可利用覆盖层覆盖。同样在这种情况下覆盖层可补偿压电层的正常的热机械特性并且因此降低电声转换器的温度敏感性。
覆盖层的异常的热机械性能例如可为覆盖层的材料在温度提高时硬化。
压电层可具有凹部，其利用具有异常的热机械性能或钝化特性的材料填充。例如可涉及电介质材料。在此，电介质材料可具有上面针对电介质材料讨论的特性中的至少一些。电介质材料以这种方式可影响转换器的频率特性和/或温度特性。
填充材料例如可为Al2O3、Si3N4或SiO2。
凹部可为孔穴和/或切口，利用其可构造压电层。凹部还可为在压电层的两个块体之间的间隙。
填充凹部的材料可为电介质材料。基于材料的异常的热机械性能补偿电声转换器的温度敏感性。
电声转换器的压电层可布置在声反射镜上。声反射镜可通过堆垛构造产生，在其中堆垛的不同的层具有不同的声阻抗。与此相应地由镜反射回从压电层离开的波。
备选地，转换器可布置在基底(例如硅基底、蓝宝石、SiC、尖晶石或金刚石)上或自由悬挂地布置。
压电层可构造有声子带隙结构。在声子带隙结构中运行声波没有在两个或三个空间方向上在阻带频率范围中传播。
压电层可具有包含压电材料的第一子层和包含压电材料的第二子层，并且电声转换器可具有布置在第一子层与第二子层之间的中间层。中间层可具有与压电材料完全不同的热机械性能，尤其具有异常的热机械性能。中间层以这种方式引起将转换器的谐振频率和反谐振频率的温度系数保持得尽可能小。
中间层还可布置在第一电极与压电层之间或布置在压电层与第二电极之间。
中间层可包含以下材料中的一种或具有以下材料中的至少一种：SiO2、GeO2、TeO2、BeF2、B2O3或偏磷酸锌。
下面说明将转换器的谐振频率和反谐振频率的温度系数在数值上保持得尽可能小的其他的方法：中间层可引起压电层的张紧。张紧影响转换器的温度特性并且可以这种方式引起温度补偿。
此外，中间层还可用于其他的目的。中间层可具有带有小的或负的膨胀系数的不易弯曲或硬的材料，从而通过出现的张紧同样可影响转换器的温度变化过程。中间层的膨胀系数尤其可小于压电材料的膨胀系数。
此外可通过中间层改变频率状况或可影响可能出现的干扰模式。
压电层具有晶体结构，其可从选自晶类1、3、m、3m、、32、2、mm2、4、、4mm、222、23、3m、6和6mm中的一种。
在此，晶体结构的定义相应于Nye, J.F.“Physical Properties of Crystals”的定义。在此，晶体结构通过带有结晶学的轴a、b、c的晶体坐标系说明。此外，交变电场通过坐标轴x、y、z说明。根据定义
-在单斜晶的晶类中晶体学的b轴平行于y坐标轴，
-在四方晶系的、三方晶系的和六方晶系的晶类中晶体学的c轴平行于z坐标轴并且晶体学的a轴平行于x坐标轴，并且
-在斜方晶系的以及立方系的晶类中晶体学的a轴平行于x坐标轴，晶体学的b轴平行于y坐标轴并且晶体学的c轴平行于z坐标轴。
在三个空间方向上带有振荡的振荡的激励的振荡模式可包括纵向振荡、横向振荡或两者的组合。
压电层可具有微晶，其晶轴通常平行地取向。有利地，层是似乎外延的或外延的。但如果在用于确定定向的测量方法中例如通过电子背散射衍射(EBSD，ElectronBackscatter Diffraction)或X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)可至少关于晶轴识别出压电层的优选定向。压电层不应为非晶形或多晶或纳米晶，这是足够的。
对于晶类6和6mm(属于其中的尤其是AlN和ZnO)仅迫切需要微晶关于晶体学的c轴的优选定向，因为围绕该轴存在横向的各向同性，即，材料在其特性方面在围绕该轴线旋转时不变。
附图说明
下面借助实施例和相关的附图进一步阐述本发明。附图借助示意性的且并非按比例的图示显示了本发明的不同的实施例。其中：
图1显示了电声转换器，
图2显示了电极，
图3显示了电极的备选的实施方式，
图4显示了电极的另一备选的实施方式，
图5以透视图显示了带有连接结构的压电层，
图6显示了通过转换器的一部分的示意性的截面，
图7以截面显示了转换器的一备选的实施方式，
图8至图26相应显示了通过根据不同的实施例转换器的压电层的截面。
具体实施方式
图1显示了电声转换器1。在此涉及利用体积声波工作的转换器。转换器1具有第一电极2和第二电极3。在第一电极2与第二电极3之间布置有压电层4。压电层4具有上侧5和下侧6，其中，下侧6与上侧5相对而置。上侧5贴靠在第一电极2处。下侧6贴靠在第二电极3处。此外，压电层具有侧面7，其垂直于上侧5和下侧6布置。侧面7没有电极2、3。
如果在第一电极2与第二电极3之间施加交变电压，则由此在压电层4中产生体积声波。
压电层4具有多个块体8，其相应具有压电材料。在块体8之间存在凹部9。在压电层4的凹部9中没有布置压电材料。与此相应地，块体8彼此隔绝。
压电层4如此构造，即，在一个空间方向上施加交变电场时在三个空间方向上激励带有振荡的振荡模式。尤其可在第一电极2处施加第一电势，并且在第二电极3处施加第二电势。与此相应地形成交变电场，其从第一电极2朝第二电极3指向。
压电层4的块体8如此构造，即，其通过存在于第一电极2与第二电极3之间的交变电场激励成在三个空间方向上带有振荡的振荡模式。在此涉及三维的振荡模式。该振荡模式在沿着交变电场的方向上具有一个振荡分量并且在两个其他的空间方向上具有两个振荡分量。在此，不仅可激励纵波而且可激励横波。
通过激励三维的振荡模式相对于一维的振荡模式提高转换器1的耦合系数，因为三维的振荡模式比一维的振荡模式利用压电张量的更多分量。如果压电张量的结构如此提供，即，在一个空间方向上施加交变电场时在所有的三个空间方向上实现激励，这是可行的。这例如对于具有以下晶体结构中的一种的压电材料是这种情况：
-在晶体结构1和3中，假如在x、y或z方向上施加交变电场。
-在晶体结构m中，假如在x或z方向上施加交变电场。
-在晶体结构3m中，假如在y或z方向上施加交变电场。
-在晶体结构中，假如在x或y方向上施加交变电场。
-在晶体结构32中，假如在x方向上施加交变电场。
-在晶体结构2中，假如在y方向上施加交变电场。
-在晶体结构mm2、4、、4mm、6和6mm中的任何一个中，假如在z方向上施加交变电场。
在此，在晶体结构3、3m、mm2、4、4mm、6和6mm中可没有横向振荡的份额的情况下激励振荡。
此外，对于带有其他晶体结构的压电材料，同样可通过施加交变电场在三个空间方向上实现带有振荡的振荡模式，如果并未严格沿着坐标轴施加该交变电场。由此，例如在晶类222、23和43m的情况下沿着空间对角线施加交变电场得到在所有的三个空间方向上的横向振荡。这种可能性对于上述的压电材料同样存在。
倘若压电层4具有定向区域，在三个空间方向上带有振荡的振荡模式可针对压电层4被激励。定向区域的特征在于，压电材料的微晶或晶粒的晶轴在该区域中通常平行地取向。平行地在此不可在严格数学的意义中来理解，而是理解为“除了一些程度的偏差之外在相同的方向上指向”。与此相应地，压电层4不是非晶形的或是多晶或纳米晶。
代替这种情况，压电层4可似乎是外延的或是外延的。如果可在用于定向确定的方法中例如通过电子背散射衍射(Electron Backscatter Diffraction，EBSD)或X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)至少关于一个晶轴识别出压电层4的优选定向，这对于激励三维的振荡模式来说足够。
块体8在在其中声速在压电层中最高的方向上的伸展以T来表示。块体8在两个其他的空间方向上的伸展表示为L1和L2。
块体8在在其中声速在压电层中最高的方向上的伸展T可如此选择，即，谐振器在基本模式中运行。为此，压电层的厚度可在转换器1的谐振频率的声波长度的30%与70%之间。优选地，块体8在该方向上的尺寸在转换器的谐振频率的声波长度的40%与60%之间。此外，还可在上述模式中考虑谐振器的运行。
对于在图1中显示的实施例，声速在平行于第一电极和第二电极2、3的面的法线的方向上最高。在图1中显示的实施例中，块体8在在其中声速在压电层中最高的方向上的伸展T因此等于第一电极2相对于第二电极3的间距。
在其他的实施例中，声速在该方向上在压电层4中最高的方向可相对于第一电极和第二电极2、3的面的法线占据任何其他任意的角度。可激励的模式的声速在哪个方向上最高取决于压电层4更确切地说压电层4的晶粒或微晶关于施加的交变电场的定向。
块体8在剩下的空间方向上的伸展L1、L2最大与块体8在最高声速的方向上的伸展T一样大。
与此相应地，对于压电层4的块体8得到以下结构规定，其说明了块体的纵横比A1、A2：
A1=T/L1≥1且A2=T/L2≥1。
纵横比A1、A2说明了块体8沿着最高声速的方向的伸展T相对于在剩下的方向上的伸展L1、L2的比。如果伸展L1和L2在各向同性的结构中分别等于L，则用于块体8的结构规定可通过唯一的纵横比说明，其必须满足以下的结构规定：
A=T/L≥1。
基于该结构规定对于在1GHz范围中的频率得到这样的块体8，其伸展T、L1、L2在所有的空间方向上非常小。块体8例如可具有在微米范围中的尺寸。出于该原因，块体8中的很多电气地彼此并联。与此相应地，压电层4具有块体8阵列。在此不需要每个块体8满足上述的结构规定。块体8的主要部分(例如块体8的至少70%)满足上述结构规定。
在图1中，块体8的上侧5和下侧6相应具有方形形状。原则上，块体8的上侧5和下侧6的任何任意的形状是可行的，例如矩形、平行四边形、其他的四边形、椭圆形、圆形、六边形、十二边形、其他的n边形以及规则的多边形。此外，块体8的上侧5和下侧6不必具有相同的形状。
对于属于组6mm的晶体的压电层4，正方形、规则的六边形以及规则的十二边形已经证实为上侧5和下侧6的特别有利的形状。在这种情况下可特别好地利用压电张量的对称特性。
通过合适地选择上侧5和下侧6的形状可影响其他干扰性的振荡模式的位置和可激励性，而没有明显改变基本模式的耦合系数。与此相应地，可通过块体8的适合的造型压制可能干扰性的额外模式。
块体8不必具有精确90°棱，而是还可具有凸状或凹状的棱。与此相应地，块体8可变厚或变细。在此决定性的不是棱形状，而是上述的纵横比。
对于在图1中显示的实施例，第一电极2和第二电极3相应具有连续地面状形状。
图2显示了电极2、3的备选的设计方案。在此可涉及第一电极或第二电极2、3。
在图2中显示的电极2、3相应具有第一电极结构10和第二电极结构11。第一电极结构10和第二电极结构11在空间上彼此分开。
第一电极结构和第二电极结构10、11相应梳状地来设计。第一电极结构和第二电极结构10、11相应具有外部的条带12，其在第一空间方向上延伸。第一空间方向在此垂直于相应的电极结构10、11的面的法线。此外，第一电极结构和第二电极结构10、11具有指状的条带13，其相应以外部的条带12为出发点朝相应另一电极结构10、11延伸。指状的条带13在此垂直于相应的外部的条带12。指状的条带13并未与相对而置的电极结构10、11连接。
两个电极结构10、11的指状的条带13彼此搭挂。外部的条带12和指状的条带13使相应多个成排布置的块体8彼此连接。块体8和电极结构10、11在此如此布置，即，在一个方向上相邻的块体8交替地与第一电极结构和第二电极结构10、11连接。
与此相应地，电极2、3设计有两个电极结构10、11实现相邻的块体8与不同的电极结构10、11连接。如果从现在起在两个电极结构10、11处施加不同的电势，则相邻的块体8互相相反地耦合。以这种方式可抑制转换器1的非线性。
转换器1的第一电极2例如可具有连续的面状形状，如在图1中所示，在该处施加参考电势。参考电势例如可为地电势。此外，第二电极3可具有根据图2的设计方案，其中，在第一电极结构和第二电极结构10、11处施加不同的电势。
备选地，不仅第一电极2而且第二电极3可相应具有第一电极结构和第二电极结构10、11。在这种情况下相邻的块体8同样可彼此互相相反地耦合，从而平衡转换器1的非线性。
在图3和4中显示了电极2、3的另一实施方式。在图3和图4中显示的电极具有穿孔网格结构。该穿孔网格结构具有闭合区域14和开口15。电极2、3的该实施方式不仅可用于第一电极2，而且可用于第二电极3。电极2、3的在图1至4中显示的实施方式可任意地作为第一电极和第二电极2、3彼此组合。
图5显示了压电层4的另一实施例。压电层4在此具有连接结构17。该连接结构17布置在两个相邻的块体8之间并且使两个块体8在侧向方向上彼此连接。侧向方向垂直于块体8的上侧5和下侧6的面的法线。
侧向耦合的块体8和连接结构17的组件可产生表面波或兰姆波。如果两个直接相邻的块体8互相相反地耦合并且通过连接结构17彼此侧向连接，则通过在块体8中激励的体积声波此外使包含两个块体8和连接结构17的组件表面波状地运动。
连接结构17具有电介质材料或包含这种材料。
带有连接结构17的压电层4的在图5中显示的实施方式可特别有利地与带有穿孔网格结构的电极2、3的在图3和图4中显示的实施方式中的一个组合。在此，电极2、3可如此定位在压电层4上，即，穿孔网格结构的开口15相应位于压电层4的凹部9之上，在其中即未布置块体8中的一个块体，也未布置连接结构17。于是在连接结构17上有电极2、3的相应闭合区域14。在这种情况下，连接结构17负责电极2、3的很高的机械稳定性，因为连接结构17提供很大的支承面。此外，连接结构17简化了制造方法，因为电极2、3可直接安装在连接结构17上。
在块体8之间的凹部9可以上面讨论的实施方式中的任何一个填充电介质材料。由此可使块体8同样沿侧向彼此耦合。如已经结合在图5中显示的连接结构17讨论的那样，侧向耦合块体8引起在互相相反地耦合的块体8之间激励表面波状的波。
填满在块体8之间的凹部9的电介质材料可具有异常的热机械性能。电介质材料例如可基于异常的热机械性能在加热时硬化。与此相应地，电介质材料的异常的热机械性能补偿块体8的典型地正常的热机械性能。布置在块体8之间的凹部9中的电介质材料实现将转换器1的谐振频率和反谐振频率的温度系数在数值上保持得尽可能小。
此外，填满在块体8之间的凹部9的电介质材料可具有至少一些上面针对电介质材料所提及的特性并且以期望的方式影响转换器的频率特性和/或温度特性。
但填满在块体8之间的凹部9的电介质材料还可具有这样的特性，其保护压电层不受环境影响。例如该材料可引起钝化。
备选地或补偿于利用带有异常的热机械特性的电介质材料填充凹部9，块体8可由具有带有异常的热机械性能的材料的覆盖层盖上。这种覆盖层还实现补偿块体8的热机械性能并且将转换器1的谐振频率和反谐振频率的温度系数在数值上保持得尽可能小。
此外，覆盖层可具有这样的电介质材料，其具有至少一些上面针对电介质材料所提到的特性并且以期望的方式影响转换器的频率特性和/或温度特性。
但覆盖层还可具有这样的特性，其保护压电层不受环境影响。覆盖层例如可引起钝化。
图6显示了通过转换器1的一部分的示意性的截面。在图6中显示了第一电极和第二电极2、3。在第一电极2与第二电极3之间布置有压电层4。压电层4具有：第一子层18，其具有压电材料；和第二子层19，其同样具有压电材料。
此外，转换器1具有中间层20。中间层20布置在压电层4的第一子层与第二子层18、19之间。备选地，中间层20还可布置在电极2、3中的一个与压电层4之间。中间层20可具有异常的热特性。其由此引起补偿压电层4的热特性并且可将转换器1关于不同的温度的频率特征保持得尽可能稳定。与此相应地，中间层20实现将转换器1的谐振频率和反谐振频率的温度系数在数值上保持得尽可能小。
如果中间层20具有异常的热机械性能，则其可用于温度补偿。在这种情况下，中间层20可包含以下材料中的一种或具有以下材料中至少一种：SiO2、GeO2、TeO2、BeF2、B2O3或偏磷酸锌。
图7以截面显示了转换器1的一种备选的实施方式。转换器1在此具有两个温度补偿层20。此外，压电层4具有第一子层18、第二子层19和第三子层21。在两个电极2、3之间交替地布置有压电层4的子层18、19、21和温度补偿层20。
在此处显示的实施例中，块体8始终规则地布置。然而还可部分或完全不规则地布置块体8。块体8的布置可进行调整或完全随机。
此外，不同大小的块体8可彼此组合在转换器1中。如果块体8在上侧5的面的法线的方向上的厚度相等，而块体8在其宽度方面不同，即，在其在垂直于上侧5的面的法线的空间方向上的伸展不同，则由此实现转换器1的干扰模式的填补。
转换器1可布置在层的堆垛上，其中，层在其声阻抗方面不同。层尤其可形成SMR式的反射镜(SMR=Solidly Mounted Resonator，牢固安装谐振器)。不同的声阻抗的层将从压电层4离开的波反射回到压电层4中。
备选地，转换器1可布置在基底材料上，例如硅、蓝宝石、SiC或尖晶石。此外，转换器1还可自由悬挂地布置。
在在此说明的实施例中的任何一个中，块体8可构造有声子带隙结构。与此相应地，运行声波并未在阻带频率范围中在两个或三个空间方向上传播。
根据另一实施例，压电层4还可通过孔穴22和切口23来构造。用于压电层4的通过孔穴22和/或切口23构造的示例在图8至图26中获得。在这些附图中相应示出了通过转换器1的压电层4的截面，其中，截面平面平行于压电层4的上侧5。
图8显示了通过压电层4的截面，其利用随机布置的孔穴22和切口23来构造。
此外，孔穴22中的一些的侧壁利用具有异常的热机械性能的覆盖层16覆盖。覆盖层16补偿压电层4的正常的热机械性能。切口23的侧壁同样可利用覆盖层16覆盖。
此外，覆盖层可具有电介质材料，其至少具有上面针对电介质材料提及的特性中的一些并且以期望的方式影响转换器的频率特性和/或温度特性。
但覆盖层还可具有保护压电层不受环境影响的特性。覆盖层例如可引起钝化。
此外，孔穴22中的一些和切口23中的一些利用具有异常的热机械性能的电介质材料24填充。为此，可使用具有异常的热机械性能的任何材料。
此外，填充材料可具有电介质材料，其至少具有上面针对电介质材料提及的特性中的一些并且以期望的方式影响转换器的频率特性和/或温度特性。
但填充材料还可具有保护压电层不受环境影响的特性。填充材料例如可引起钝化。
此外，在图1的实施例中，电介质材料24可填充在块体8之间的凹部9。备选地，块体8可利用覆盖层16覆盖。
在图9和图10中显示的压电层4通过套叠图1的块体8得到。与此相应地，压电层4在此不再具有彼此隔绝的块体8，而是得到互联的结构。令人吃惊地显示出，互联的结构相对于连续的压电层同样具有提高的耦合系数。如结合在图1中显示的块体8讨论的那样，在互联的结构中同样在三个空间方向上激励带有振荡的振荡模式。
该令人吃惊的且出乎意料的结果在观察具有单独的块体8的压电结构时获得其解释。在图8和图9中显示的压电层4可解释为重叠的或连结的块体108的结构。块体108的连结或搭接引起三维的振荡模式在连结的或搭接的块体108中不再可完美地(即，完整地)构造，但连结的块体108的一部分还总是有助于三维的振荡模式。因此，机电耦合的提高的效果在这种情况下小于在图1显示的实施例的情况，但还总是显著的。
孔穴22和切口23如此定位并且其大小如此选择，即，压电层4在很大的部件的情况下满足纵横比A≥1的上述结构规定。此外，与此相应地实现激励三维的振荡模式。
块体8的上面讨论的实施方式同样对于具有连结的或重叠的块体108(如在图9和图10中显示的那样)的互联的结构是可行的。此外，该实施方式同样可用于利用孔穴22和切口23构造的压电层4。
例如可组合带有电极2、3的如此设计的压电层4，电极相应具有第一电极结构和第二电极结构10、11，如在图2中显示的那样。与此相应地，压电层4的不同的区域可互相相反地彼此耦合。
在此显示的压电层4可布置在带有不同的声阻抗的层堆垛上、布置在基底(例如硅)上或自由悬挂地布置。此外，可在压电层4中插入一个或多个温度补偿层20，如在图6和图7中显示的那样。
孔穴22在压电层4中的布置方案不必是规则的。根据调整规则实现的或纯粹随机进行的布置方案同样是可行的。孔穴22还可如此布置，即，在压电层4中得到带有不同的侧向伸展的区域。与此相应地，可填补压电层4的干扰模式。压电层4的棱在图8和图9中相应笔直地设计。然而该棱形状不是强制要求的。更确切地说，还可实现凸状或凹状的棱。此外，任何其他的棱形状同样是可行的。
在连结的或重叠的块体108之间的凹部9可完全或部分地利用一种或多种材料填充。这些材料可未组织地例如作为完整的填充部或作为侧部覆盖部涂装或本身具有一定的结构，例如更小的孔穴。这些材料中的至少一种可具有异常的热机械性能并且以该方式有助于补偿压电层4的正常的热机械性能。以这种方式可将转换器的谐振频率和反谐振频率的温度系数在数值上保持得很小。
此外，填充材料可具有这样的电介质材料，其至少具有上面针对电介质材料所述的特性中的一些并且以期望的方式影响转换器的频率特性和/或温度特性。
但填充材料还可具有保护压电层不受环境影响的特性。填充材料例如可引起钝化。
带有连结的或重叠的块体108的压电层4还可形成声子带隙结构。
图10至图26相应显示了压电层4的其他的实施方式。压电层4在图10至图26中逐渐从交错移动的块体108朝通过孔穴22和切口23构造的压电层4移去。以令人吃惊的方式显示出，即使对于这样的压电层4也相对于连续的压电层出现耦合系数的提高。因此，如果在连续的压电层中产生孔穴22和/或切口23，则由此提高层的耦合系数。
因此，不必如结合图1显示的那样可识别出块体8，而是单纯地在压电层4中存在孔穴22和/或切口23。
为此的解释是，压电层4的区域仍然满足纵横比的结构规定。孔穴22和切口23为材料提供在侧向方向上足够伸展的可能性，以便在三个空间方向上实现激励带有振荡的振荡模式。
下面讨论纵横比A的与该实施例匹配的定义。在此，作为侧向的伸展L考虑两个相邻的孔穴22的最短的连接线。此外，T说明了压电层4在最高声速的方向的伸展。在此，例如可涉及压电层4在上侧5的面的法线的方向上的伸展。又得出结构规定A=T/L≥1。压电层4至少在一些区域中必须满足结构规定，以便在三个空间方向上实现激励带有振荡的振荡模式，其引起耦合系数的提高。
带有孔穴22和/或切口23的压电层4的实施方式特别有利，因为其在工艺上可最简单地实现。尤其可首先成形连续的压电层4，其紧接着通过产生孔穴22和/或切口23来构造。
孔穴22的形状可是圆形的、椭圆形的、任意多边形的以及不规则的。孔穴22的精确的形状对于所说明的效果不相干。相反，决定性的是，压电层4的主要部分(例如在压电层4的至少70%中)满足纵横比的上述的结构规定。此外，孔穴22不必在下侧6的面的法线的方向上具有相同的截面。更确切地说，孔穴22可逐渐变细或变宽。
压电层4的已经说明的实施例还可用于构造成带有孔穴22和/或切口23的压电层4。孔穴22和/或切口23可详细地如此布置，即，压电层4形成声子带隙结构。
如上所述，孔穴22和/或切口23可填充有一种或多种材料。材料尤其可为带有异常的热机械性能的材料，其补偿压电层4的热机械特性。然而，孔穴22和/或切口23还可保持未填充，从而在孔穴22和/或切口23中存在真空或空气。
此外，填充材料可具有这样的电介质材料，其至少具有上面针对电介质材料所述的特性中的一些并且以期望的方式影响转换器的频率特性和/或温度特性。
但填充材料还可具有这样的特性，其保护压电层不受环境影响。填充材料例如可引起钝化。
孔穴22和/或切口23的布置方案不必是规则的。其可是规则的、部分规则的或不规则的。不规则的布置方案从调变方式到规则的布置方案至涵盖完全随机的布置方案。
此外，孔穴22可彼此组合不同的大小。尤其可在保持相同的层厚度的情况下改变孔穴22的侧向尺寸。由此改善转换器1的特性，因为出现干扰模式的填补。
不同的孔穴形状可彼此组合。
此外，如在图7和8中显示的那样，可将一个或多个温度补偿层20插入到压电层4中。温度补偿层20还可布置在压电层4与一个或两个电极2、3之间。
参考标号列表
1 转换器
2 第一电极
3 第二电极
4 压电层
5 上侧
6 下侧
7 侧面
8 块体
9 凹部
10 第一电极结构
11 第二电极结构
12 外部的条带
13 指状的条带
14 闭合区域
15 开口
16 覆盖层
17 连接结构
18 第一子层
19 第二子层
20 中间层
21 第三子层
22 孔穴
23 切口
24 电介质材料
108 重叠的或连结的块体
T 在最高声速的方向上的伸展
L1、L2、L 在另一空间方向上的伸展。

Claims (20)

1.一种电声转换器(1)，包括单个压电层(4)，其如此构造，使得当在操作期间在一个空间方向上施加交变电场时，在三个空间方向上激励带有振荡的三维振荡模式，其中所述三维振荡模式在沿所述交变电场的方向上具有一个振荡分量，并且在两个另外的空间方向上具有两个振荡分量，从而使得所述压电层（4）在三个空间方向上振荡。
2.根据权利要求1所述的电声转换器(1)，其中，所述压电层(4)具有面状层，其构造有孔穴(22)和/或切口(23)。
3.根据权利要求1所述的电声转换器(1)，其中，所述电声转换器(1)具有这样的区域，在所述区域中，所述压电层(4)在在其中声速在所述压电层(4)中最高的方向上的伸展(T)至少和所述压电层(4)在其他的空间方向上的伸展(L1,L2,L)一样大。
4.根据权利要求3所述的电声转换器(1)，其中，所述压电层(4)在在其中声速在所述压电层中最高的方向上的伸展(T)如此选择，使得所述电声转换器(1)在基本模式中运行。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的电声转换器(1)，进一步包括第一电极(2)和第二电极(3)，其中，所述压电层(4)的上侧(5)与所述第一电极(2)连接，而所述压电层(4)的下侧(6)与所述第二电极(3)连接。
6.根据权利要求1所述的电声转换器(1)，其中，所述压电层(4)具有多个块体(8)，其具有压电材料，并且其中，所述多个块体(8)中的每个块体在在其中声速在所述压电层(4)中最高的方向上的伸展(T)至少和相应的块体在其他的空间方向上的伸展(L1,L2,L)一样大。
7.根据权利要求6所述的电声转换器(1)，进一步包括第一电极（2）和第二电极（3），其中所述压电层（4）的第一侧连接到所述第一电极（2），并且所述压电层（4）的第二侧连接到所述第二电极（3），其中所述第一电极（2）或第二电极（3）中的至少一个包括第一电极结构（10）和第二电极结构（11），以及其中所述多个块体(8)中的每个块体或者与所述第一电极结构(10)连接，或者与所述第二电极结构(11)连接。
8.根据权利要求7所述的电声转换器(1)，其中，所述多个块体(8)和所述第一电极结构(10)和第二电极结构(11)如此布置，使得多个块体(8)中的两个相邻的块体与不同的电极结构(10,11)连接。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的电声转换器(1)，进一步包括在所述多个块体(8)中的两个块体之间布置的连接结构(17)，所述连接结构(17)使所述多个块体(8)中的两个块体在侧向方向上彼此连接。
10.根据权利要求9所述的电声转换器(1)，其中，所述连接结构(17)具有电介质材料。
11.根据权利要求1-4和6-8中任一项所述的电声转换器(1)，其中，所述压电层(4)的区域由覆盖层(16)覆盖，所述覆盖层具有异常的热机械性能和/或钝化特性。
12.根据权利要求1-4和6-8中任一项所述的电声转换器(1)，其中，所述压电层(4)具有凹部(9)，其填充有具有异常的热机械性能和/或比所述压电层(4)更小的刚性的材料(24)。
13.根据权利要求1-4和6-8中任一项所述的电声转换器(1)，其中，所述压电层(4)布置在声反射镜上。
14.根据权利要求1-4和6-8中任一项所述的电声转换器(1)，其中，所述压电层(4)无振荡地布置。
15.根据权利要求1-4和6-8中任一项所述的电声转换器(1)，其中，所述压电层(4)构造成声子带隙结构。
16.根据权利要求1-4和6-8中任一项所述的电声转换器(1)，其中，所述压电层(4)具有含压电材料的第一子层(18)和含压电材料的第二子层(19)，并且其中，所述电声转换器(1)具有中间层(20)，其布置在所述第一子层(18)和所述第二子层(19)之间。
17.根据权利要求1-4和6-8中任一项所述的电声转换器(1)，其中，所述压电层(4)具有选自晶类1、3、m、3m、、32、2、mm2、4、、4mm、222、23、3m、6和6mm中的一种的晶体结构。
18.根据权利要求1-4和6-8中任一项所述的电声转换器(1)，其中，激励的振荡模式包括纵向振荡、横向振荡或两者的组合。
19.根据权利要求1-4和6-8中任一项所述的电声转换器(1)，其中，所述压电层(4)具有微晶，其晶轴通常平行地取向。
20.根据权利要求1-4和6-8中任一项所述的电声转换器(1)，其中，所述压电层(4)是几乎外延的或是外延的。
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