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Oberflächenwellenbauelement sind auf kristallinen piezoelektrischen Substraten aufgebaut und besitzen als Ein- und Ausgangswandler dienende Interdigitalwandler. Diese weisen eine Fingerstruktur auf, mit deren Hilfe entweder ein hochfrequentes elektrisches Signal als akustische Oberflächenwelle in das Substrat eingekoppelt wird oder bei dem eine solche Welle wieder in ein elektrisches Signal zurück verwandelt wird. Bei Oberflächenwellenbauelementen, die überwiegend zur Signalverarbeitung dienen, sind nur die Signale erwünscht und brauchbar, die auf den vorgesehenen akustischen Pfaden vom Eingangswandler in den Ausgangswandler gelangen. Oberflächenwellen, die über einen Wandler hinauslaufen, können aber an Chipkanten und an anderen Strukturen reflektiert und in einen der Wandler zurückgeleitet werden. Dort können sie insbesondere bei Oberflächenwellenfiltern zu einem erhöhten Amplituden- und Gruppenlaufzeit-Ripple führen, welches für die exakte Signalverarbeitung oder Signalübertragung störend ist.
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Zur Unterdrückung solcher in den Wandler zurücklaufender Reflexionen wurden bereits verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen. Möglich ist es beispielsweise die Chipkanten abzuschrägen, so dass eine dort reflektierte Oberflächenwelle aufgrund des Reflexionswinkels nicht mehr in den Wandler zurückläuft. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine beispielsweise durch Siebdruck aufbringbare Dämpfungsmasse im Bereich der Substratkante aufzubringen, die der störenden und über den Wandler hinauslaufenden Oberflächenwelle die Energie entzieht. Mit Konversionstrukturen kann die störende Oberflächenwelle in eine Volumenwelle umgewandelt werden, die in das Bulk-Material des Substrats abgeleitet wird und so den Wandler nicht mehr erreichen kann. Mit Hilfe von sägezahnartig ausgebildeten Reflexionsstrukturen, die den Grenzwinkel der Totalreflexion ausnützen, läßt sich auch bei gerader Substratkante die störende Oberflächenwelle schräg ablenken, so dass die zurücklaufende Welle bei ausreichendem Abstand der Substratkante zum Wandler diesen nicht mehr erreichen kann.
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Aus der Druckschrift
WO92/017937 A1 ist eine Struktur zur Vermeidung störender akustischer Oberflächenwellenanteile bekannt. Solche Wellenanteile werden durch Totalreflexion an einer Oberflächenstruktur aus ihrer ursprünglichen Richtung abgelenkt, so dass sie auf dem Substrat in dafür vorgesehene Bereiche mit erhöhter Absorption gelangen.
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Aus der Patentschrift
US 4 916 348 A ist ein aus mindestens zwei auf oder in der Oberfläche eines SAW-Substrats angeordneten parallelen Elementen bestehendes Gitter zur Ablenkung störender Oberflächenwellen bekannt. Das Gitter kann aus Kerben oder aus strukturierten Erhebungen ausführt sein. Jedes Element reflektiert einen Bruchteil der auftreffenden Wellen in dafür vorgesehene Bereiche auf dem Substrat. Alle Elemente reflektieren dabei im gleichen Winkel.
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Die Druckschrift
DE 30 15 903 A1 beschreibt ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement, bei welchem Wellen störender Schwingungsmoden in Absorbern eliminiert werden, die in beiden Ausbreitungsrichtungen der Wellen direkt hinter den Interdigitalwandlern auf dem Piezosubstrat angeordnet sind.
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Nachteil dieser Lösungen ist, dass sie relativ viel Platz auf der Substratoberfläche benötigen. So erfordert eine per Siebdruck aufgebrachte Dämpfungsstruktur durch die beim Siebdruck üblichen Toleranzen eine relativ große Fläche, die auf dem Substrat zwischen dem Wandler und der Chipkante zur Verfügung stehen muß. Auch eine Sägezahnstruktur hat nur einen begrenzten maximalen Reflexionswinkel, der die störende Oberflächenwelle bei einer großen Apertur nur dann am Wandler vorbeiführt, wenn der Abstand der Sägezahnstruktur zum Wandler aus reichend groß ist. Noch mehr Substratoberfläche ist erforderlich, wenn bei einem Bauelement mit einer großen Apertur lediglich die Substratkante abgeschrägt ist. Soll bei solchen Bauelementen die störende Oberflächenwelle durch Reflexion an den Wandler vorbeigeführt werden, ist entweder ein besonders hoher Ablenkungswinkel (niedriger Reflexionswinkel) oder eine besonders hohe Entfernung zwischen Wandler und Substratkante erforderlich. Bei der Verwendung genormter Gehäuse für die Oberflächenwellenbauelemente steht aber nicht unbegrenzt Substratoberfläche zur Verfügung, insbesondere wenn der Wandler oder andere Strukturen bereits relativ viel Platz (Länge) beanspruchen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Oberflächenwellenbauelement anzugeben, bei dem der störende Anteil der nach Reflexion an der Chipkante in den Wandler zurücklaufenden Oberflächenwelle minimiert ist und bei dem dazu weniger Chipoberfläche verbraucht wird als bei bekannten Lösungen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung gibt ein Oberflächenwellenbauelement an, bei dem auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats zwischen dem Interdigitalwandler und der Substratkante, die die störenden Reflexionen verursachen könnte, ein in Reflektorblöcke aufgeteilter Reflektor vorgesehen ist, der die den Wandler durchlaufende Oberflächenwelle am Wandler vorbei in einen unschädlichen Bereich reflektiert. Jeder Reflektorblock weist eine Fingerstruktur (Grating) mit Fingerperiode auf. Jedem Reflektorblock ist außerdem ein Reflexionswinkel zugeordnet, der für jeden Reflektorblock optimiert sein kann. Auf diese Weise wird ein Reflektor erhalten, der eine Fresnellinsenähnliche Struktur aufweist. Mit einem solchen, in Reflektorblöcke aufgeteilten Reflektor sind hohe Ablenkungswinkel von beispielsweise 90° möglich, ohne dass dafür ein (in Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle gesehen) besonders langer Reflektor erforderlich ist. Die reflektierte Oberflächenwelle wird in einen unschädlichen Bereich reflektiert, der seitlich versetzt neben der akustischen Spur des Bauelements angeordnet sein kann.
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In vorteilhafter Weise umfaßt der unschädliche Bereich eine Struktur, die die abgelenkte Oberflächenwelle dämpft oder unschädlich macht. Dies kann insbesondere eine Konversionsstruktur oder eine Dämpfungsstruktur, beispielsweise eine mittels Siebdruck aufgedruckte Dämpfungsmasse sein. Dabei ist es möglich, dass eine solche Konversions- oder Dämpfungsstruktur zwischen zwei akustischen Spuren angeordnet ist, aus denen erfindungsgemäß mit Hilfe von in Reflektorblöcken aufgeteilten Reflektoren die störenden durchlaufenden Oberflächenwellen seitlich herausgeleitet sind. Daher kann die genannte Dämpfungs- oder Konversionsstruktur für zwei oder mehr akustische Spuren gleichzeitig verwendet werden.
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Jedem der Reflektorblöcke kann dabei ein eigener Reflexionswinkel zugeordnet werden. Damit ist es möglich, in den unterschiedlichen Reflektorblöcken reflektierte Wellenanteile nicht parallel in den unschädlichen Bereich zu leiten, sondern vielmehr die unterschiedlichen Wellenanteile in einem Punkt zu bündeln. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Größe der im unschädlichen Bereich angeordneten Dämpfungs- oder Konversionsstruktur ungefähr auf die Größe beziehungsweise Breite eines Reflektorblocks eingestellt werden kann. Die Wellenfronten der von den einzelnen Reflektorblöcken reflektierten Wellenanteile weisen ungefähr die gleiche Breite wie ein Reflektorblock auf.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die den Wandler durchlaufende störende Oberflächenwelle von den Reflektorblöcken nach unterschiedlichen Seiten abgelenkt. Dies hat den Vorteil, dass bei Verwendung unterschiedlich langer Reflektorblöcke diese so der Größe nach angeordnet werden können, dass die kürzesten Reflektorblöcke außen sitzen, ohne dass dabei der Größenunterschied der Reflektorblöcke zu groß gewählt werden muß. Auf diese Weise erhält man einen Reflektor, bei dem die längsten Reflektorblöcke in der Mitte angeordnet sind, wobei die Länge der Reflektorblöcke zum Rand des Reflektors hin abnimmt.
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Eine besonders vorteilhafte Anwendung findet die Erfindung bei Oberflächenwellenbauelementen, die einen sogenannten Fächerwandler umfassen. Bei einem solchen variiert die Fingerperiode über die Breite des Wandlers, wobei die Fingerperiode abnimmt und damit die Mittenfrequenz kontinuierlich zunimmt. Dieser dann trapezförmig ausgebildete Wandler weist eine höhere Bandbreite auf als ein Wandler mit einheitlicher Fingerperiode. In Kombination mit einem solchen Fächerwandler werden die Reflektorblöcke an die variierende Fingerperiode angepaßt, so dass auch die Fingerperiode innerhalb der Reflektorblöcke variiert. Dabei ist es möglich, jedem Reflektorblock eine unterschiedliche Fingerperiode zuzuordnen, oder auch innerhalb jedes Reflektorblockes die Fingerperiode kontinuierlich zu variieren. Durch die in der Fingerperiode angepaßten Reflektorblöcke wird für jeden Wellenlängenanteil ein optimiertes Reflexionsverhalten im entsprechenden Reflektorblock erzielt.
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Eine weitere Platzersparnis auf dem Oberflächenwellenbauelement kann gegebenenfalls erzielt werden, wenn der Reflektor als elektrische Zuleitung für einen Interdigitalwandler oder auch für einen Masseanschluß des Bauelementes dient. Damit werden längere elektrische Leitungen auf der Substratoberfläche vermieden, die sonst hinter dem Wandler vorbeigeführt werden.
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Besondere Vorteile zeigt die Erfindung, wenn das Oberflächenwellenbauelement als Oberflächenfilter ausgebildet ist. Weitere Anwendungen der Erfindung finden sich in als Verzögerungsleitung ausgebildeten Oberflächenwellenbauelementen oder in als ID-Tag ausgebildeten Oberflächenwellenbauelementen. Diese weisen beispielsweise einen als Ein- und Ausgangswandler dienenden Interdigitalwandler auf, zu dem in vorbestimmten, einem Code entsprechenden Abständen einzelne Reflektoren angeordnet sind. Ein erfindungsgemäßer ausgebildeter Reflektor könnte dann hinter dem Wandler oder dem letzten Reflektor stehen, um zusätzliche, nicht durch die den Code bildenden Reflektoren verursachte Reflexionen zu vermeiden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.
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1 zeigt anhand einer schematischen Darstellung bekannte Lösungen zur Vermeidung von Chipkantenreflexionen
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2 und 3 zeigen verschiedene Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Oberflächenwellenbauelemente in schematischer Darstellung.
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1 zeigt ausschnittsweise und in schematischer, nicht maßstabsgerechter Darstellung ein bekanntes Oberflächenwellenbauelement, welches auf einem piezoelektrischen Substrat S ausgebildet ist. Es umfaßt zumindest einen Interdigitalwandler IDT, der mit zwei elektrischen Anschlüssen versehen ist. Eine den Wandler durchlaufende Oberflächenwelle OFW kann bis zur Substratkante SK laufen, wird dort in einem Punkt P1 reflektiert und verläuft als reflektierte Welle R1 zurück. Zumindest Teile dieser reflektierten Welle R1 können den Wandler IDT erreichen und dort zu störenden Signalen führen.
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Eine weitere bekannte Möglichkeit besteht darin, zwischen dem Wandler IDT und der in Ausbreitungsrichtung X der Oberflächenwelle OFW liegenden Substratkante SK eine Konversionsstruktur KS oder eine Sägezahnstruktur KS oder eine Dämpfungsstruktur KS anzuordnen. Bei einer Sägezahnstruktur wird durch Unterschreiten des Grenzwinkels für Totalreflexion die durchlaufende Oberflächenwelle OFW mit geringem Winkel abgelenkt und trifft beispielsweise im Punkt P2 auf die Substratkante SK auf. Die dort reflektierte Oberflächenwelle R2 ist daher deutlich weiter vom Wandler IDT abgelenkt als die Oberflächenwelle R1, die nur an der Chipkante abgelenkt ist. Dennoch kann auch mit dieser Struktur bei kurzem Abstand KA zwischen Wandler IDT und Substratkante SK ein nicht unerheblicher Anteil der reflektierten Welle den Wandler IDT erreichen und störende Ripple erzeugen.
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2 zeigt in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäß in der Nähe der Substratkante SK angeordneten Reflektor. Dieser ist in mehrere Reflektorblöcke RB1, RB2, .... RBn aufgeteilt, von denen in der Figur hier nur vier dargestellt sind. In Abhängigkeit von der Apertur des Wandlers IDT kann diese Anzahl beliebig gewählt werden, wobei mit zunehmender Anzahl an Reflektorblöcken RB jedoch der Herstellungsaufwand steigt. Jeder Reflektorblock RB weist eine Fingerstruktur auf, deren Finger schräg zur Ausbreitungsrichtung X der Oberflächenwelle OFW angeordnet sind, so dass jedem Reflektorblock RB ein dieser Schrägstellung entsprechender Reflexionswinkel zugeordnet ist. Die Reflektorblöcke RB1 bis RB4 weisen in Ausbreitungsrichtung X gesehen unterschiedliche Längen auf, die in Richtung der abgelenkten Oberflächenwelle R3 abnehmen. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die abgelenkte Oberflächenwelle R3 nicht durch zu weit vorstehende Reflektorblöcke behindert beziehungsweise nochmals reflektiert wird.
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Allgemein wird das Reflexionsverhalten der Reflektorblöcke so optimiert, dass maximale Reflexion Erhalten wird. Dazu kann das Metallisierungsverhältnis n und Schichtdicke d der Reflektorfinger variiert werden und in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ, dem Reflektormaterial und dem Substratmaterial gewählt sein. Auch die Anzahl der Finger wird in Abwägung zwischen zusätzlicher Substratfläche (längerer Reflektor) oder geringerer Reflexionswirkung (kürzerer Reflektor) ausgewählt.
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Die von den Reflektorblöcken RB abgelenkte Oberflächenwelle R3 wird hin zu einem unschädlichen Bereich UB geleitet, in dem sie durch zusätzliche Maßnahmen unschädlich gemacht werden kann. Diese Maßnahmen können eine dort aufgebrachte Dämpfungsstruktur oder eine Konversionsstruktur umfassen.
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes Oberflächenwellenbauelement mit einem Fächerwandler IDT, bei dem die Fingerperiode über die Wandlerbreite (vertikal zur Ausbreitungsrichtung X der Oberflächenwelle) kontinuierlich zunimmt. In der Figur ist dies durch den trapezförmigen Grundriß des Wandlers angedeutet. Mit der variierenden Fingerperiode des Fächerwandlers IDT variiert sich auch der Fingerabstand des diesem Wellenanteil entsprechenden Reflektorblockes RB. Damit weist jeder Reflektorblock durch die angepaßte Fingerperiode ein auf die entsprechende Wellenlänge optimiertes Reflexionsverhalten auf. In dieser Ausführung ist außerdem jedem Reflektorblock ein eigener Reflexionswinkel zugeordnet, der sich in der Neigung der Reflektorfinger relativ zur Ausbreitungsrichtung X der Oberflächenwelle äußert. Der Reflexionswinkel eines jeden Reflektorblocks RB ist so angepaßt, dass die reflektierte Oberflächenwelle R4 in Richtung eines unschädlichen Bereiches UB reflektiert wird. Für einen Teil der Reflektorblöcke, in der Figur die Reflektorblöcke RB1, RB2 und RB3, ist der Reflexionswinkel der Reflektorblöcke so gewählt, dass die reflektierte Oberflächenwelle R5 entgegengesetzt zu den Wellenanteilen der reflektierten Welle R4 an den Wandler vorbeigeleitet wird. Auch in dieser Richtung ist ein weiterer unschädlicher Bereich vorgesehen (in der 3 nicht dargestellt), der eine entsprechende Konversions- oder Dämpfungsstruktur aufweisen kann.
