DE10012865A1 - Oberflächenwellenelement mit mehreren Spuren zur Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen - Google Patents

Abstract

Das Oberflächenwellenelement umfasst ein Substrat (1) mit einer planen Oberfläche (2), auf welcher mehrere Spuren (3, 4) zur Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen bestimmt sind, deren jede von einer Wandleranordnung (5) ausgeht. Jede Spur hat eine Anordnung, umfassend zumindest einen letzten Reflektor (6) an einem der Wandleranordnung (5) abgewandten Ende. Mehrere letzte Reflektoren auf verschiedenen Spuren reflektieren von der Wandleranordnung gleichzeitig erzeugte Oberflächenwellen, derart, dass die reflektierten Oberflächenwellen gleichzeitig an der Wandleranordnung eintreffen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Oberflächenwellenelement umfas­ send:

• a) ein Substrat mit einer planen Oberfläche, auf welcher meh­ rere Spuren zur Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen bestimmt sind;
• b) eine auf der Oberfläche angeordnete Wandleranordnung, von der jede Spur ausgeht und welche eine eindeutige Beziehung zwischen den akustischen Oberflächenwellen auf den Spuren sowie einem anliegenden elektrischen Signal definiert; und
• c) auf jeder Spur eine zugehörige Anordnung umfassend zumin­ dest einen letzten Reflektor, welcher an einem der Wand­ leranordnung abgewandten Ende der Spur angeordnet ist.

Ein solches Oberflächenwellenelement geht hervor aus dem US- Patent 5,691,698, siehe insbesondere Fig. 2, 3 und 4 nebst zugehöriger Beschreibung, sowie der EP 0 619 906 B1, siehe insbesondere Fig. 3b, 5 und 9, jeweils mit zugehöriger Be­ schreibung.

Weitere Dokumente des Standes der Technik, die den maßgebli­ chen technologischen Hintergrund betreffen, sind US-Patent 5,841,214, US-Patent 5,919,779, EP 0 651 344 B1, EP 0 746 775 B1, DE 43 33 342 A1 und DE 43 33 340 C1.

Das oben beschriebene Oberflächenwellenelement dient insbe­ sondere als passive Identifizierungsmarke. Es enthält eine Anordnung von Reflektoren, welche den genannten letzten Re­ flektor umfaßt. Diese Anordnung ist dazu bestimmt, ein vorge­ gebenes hochfrequentes elektromagnetisches Signal in ein für die Anordnung der Reflektoren charakteristisches Signal umzu­ formen. Das vorgegebene Signal ist insbesondere ein kurzer Impuls und wird von dem Oberflächenwellenelement umgeformt in eine Folge mehrerer kurzer Impulse, welche für die Anordnung der Reflektoren charakteristisch ist. Zu diesem Zweck wird das ursprüngliche elektrische Signal der Wandleranordnung zu­ geführt und von dieser in akustische Oberflächenwellen, wel­ che sich auf den Spuren ausbreiten, umgewandelt. Die Oberflä­ chenwellen werden an der Anordnung der Reflektoren teilweise reflektiert, und die reflektierten Oberflächenwellen gelangen zurück zu der Wandleranordnung und werden dort wieder in e­ lektrische Signale verwandelt. Deren Kombination ist für die Anordnung der Reflektoren wie gewünscht charakteristisch.

Es besteht ein Wunsch dahingehend, das Oberflächenwellenele­ ment mit einer möglichst großen Variabilität hinsichtlich der Charakteristik der Anordnung der Reflektoren, also einem gro­ ßen Codeumfang, auszustatten. Dies bedingt unmittelbar, dass eine größere Vielzahl von Reflektoren verwendet werden muss. Dementsprechend müssen die auf dem Oberflächenwellenelement vorzusehenden Spuren vergleichsweise lang sein. Dieses wie­ derum führt allerdings dazu, dass ein deutlich erhöhter Dämp­ fungseffekt in Kauf genommen werden muss, denn eine akusti­ sche Oberflächenwelle wird bei ihrer Ausbreitung auf einem Oberflächenwellenelement merklich gedämpft. Bei einer Fre­ quenz bei 2,45 GHz beträgt diese Dämpfung auf einem substrat aus Liethiumniobat bezogen auf eien Laufzeit einer Oberflä­ chenwelle etwa 6 dB/µs. Eine solche Dämpfung wirkt sich um so stärker aus, je weiter ein Reflektor von der Wandleranordnung entfernt ist. Hinzu kommt, daß ein Reflektor eine einfallende Oberflächenwelle auch stets zu einem gewissen Anteil in eine Volumenwelle konvertiert und damit einen zusätzlichen Dämp­ fungseffekt bewirkt. Dies gilt besonders für den fertigungs­ technisch günstigen Splitfinger-Reflektor und insbesondere dann, wenn dieser Reflektor nicht auf seiner Grundwelle, son­ dern auf einer Oberwelle betrieben wird. Der Betrieb eines Reflektors auf einer Oberwelle wiederum ist günstig wegen ei­ ner erhöhten Reflektivität, jedoch ungünstig wegen einer re­ duzierten Bandbreite. Somit erfordert die Auslegung eines O­ berflächenwellenelements unter Anwendung der herkömmlichen technischen Lehre stets einen Kompromiß hinsichtlich der zu erzielenden betrieblich relevanten Eigenschaften.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Oberflächenwellenelement anzugeben, bei dem eine neue Vorkeh­ rung zum Ausgleich der unerwünscht hohen Dämpfung getroffen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe angegeben wird ein Oberflächenwel­ lenelement umfassend:

• a) ein Substrat mit einer planen Oberfläche, auf welcher meh­ rere Spuren zur Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen bestimmt sind;
• b) eine auf der Oberfläche angeordnete Wandleranordnung, von der jede Spur ausgeht und welche eine eindeutige Beziehung zwischen den akustischen Oberflächenwellen auf den Spuren sowie einem anliegenden elektrischen Signal definiert; und
• c) auf jeder Spur eine zugehörige Anordnung umfassend zumin­ dest einen letzten Reflektor, welcher an einem der Wand­ leranordnung abgewandten Ende der Spur angeordnet ist. Bei diesem Oberflächenwellenelement sind mehrere letzte Re­ flektoren auf verschiedenen Spuren derart angeordnet, dass sie von der Wandleranordnung gleichzeitig erzeugte Ober­ flächenwellen derart reflektieren, dass die reflektierten Oberflächenwellen gleichzeitig an der Wandleranordnung eintreffen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mehrere Reflektoren auf verschiedenen Spuren zusammenwirken in der Weise, dass sich die reflektierten Oberflächenwellen an der Wandleranordnung durch konstruktive Interferenz verstärken, wodurch die nachteilige Dämpfung zumindest teilweise ausgeglichen wird.

Das Substrat kann als ganzes piezoelektrisch sein, beispiels­ weise in Form eines piezoelektrischen Kristalls wie Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder Langasit. Auch kann das Substrat aus einem beliebigen Material bestehen und eine piezoelektrische Schicht aufweisen, welche die Oberfläche mit den Spuren für die Oberflächenwellen bildet.

Bevorzugt ist es, diese ausgleichende Wirkung auf zumindest zwei Spuren auch mehrfach auszunutzen, derart, dass auf jeder dieser Spuren zwei hintereinander angeordnete letzte Reflek­ toren vorgesehen sind und diese Letzten Reflektoren jeweils paarweise im vorstehend beschriebenen Sinne zusammenwirken.

Ebenfalls vorzugsweise sind die auf dem Oberflächenwellenele­ ment vorgesehenen Spuren untereinander parallel.

Besonders vorzugsweise ist auf jeder Spur des Oberflächenwel­ lenelements zumindest ein weiterer Reflektor zwischen der Wandleranordnung und jedem letzten Reflektor angeordnet.

Mit zusätzlichem Vorzug umfassen die Spuren eine erste Spur und eine zweite Spur, wobei die erste Spur eine geringere An­ zahl von letzten Reflektoren und weiteren Reflektoren auf­ weist als die zweite Spur, und wobei in der ersten Spur zu­ mindest ein nicht-reflektierender Phasenkorrektor angebracht ist. Diese Weiterbildung geht aus von dem Gedanken, dass ein Reflektor auch demjenigen Teil einer Oberflächenwelle, den er nicht reflektiert, beeinflusst, indem ihm nämlich eine durch seine Bauart bestimmte Phasenverschiebung aufprägt. Wenn also eine erste Spur weniger Reflektoren als eine zweite Spur auf­ weist, so ist davon auszugehen, dass sie einer Oberflächen­ welle, welche die Spur entlang des längstmöglichen Weges durchläuft, eine andere Phasenverschiebung erteilt als eine zweite Spur einer entsprechenden Oberflächenwelle. Dieser Ef­ fekt wird durch den Phasenkorrektor ausgeglichen.

Eine bevorzugte Weiterbildung des Oberflächenwellenelements ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeden zwei einander unmittelbar benachbarten Spuren eine zugehörige akustische Sperre, insbesondere ein Absorber, angeordnet ist. Eine solche Sperre vermeidet ein Übersprechen von Oberflächenwellen zwischen einander benachbarten Spuren.

Die Wandleranordnung umfasst vorzugsweise für jede Spur einen zugehörigen Wandler; vorzugsweise sind alle diese Wandler e­ lektrisch untereinander parallel geschaltet.

Ebenfalls vorzugsweise ist die Wandleranordnung unidirektio­ nal hinsichtlich der Erzeugung von Oberflächenwellen; dies ermöglicht bei gegebener Abmessung des Substrats besonders lange Spuren sowie große maximale Laufzeiten und damit einen besonders großen Codeumfang.

Das Oberflächenwellenelement jedweder Ausgestaltung ist vor­ zugsweise ausgelegt für einen Betrieb mit Oberflächenwellen einer Frequenz zwischen 100 MHz und 4 GHz.

Insbesondere ist das Oberflächenwellenelement ein Bestandteil einer Identifizierungsmarke.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Die Darstellungen der Zeichnungen sind zu verstehen als Skizzen; in keinem Fall wird geltend gemacht, dass die Zeichnung eine maßstabsgetreue vollständige oder teilweise Widergabe eines realen Oberflächenwellenele­ mentes sei. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Oberflächenwellenelement;

Fig. 2, 3 und 4 Ausführungsbeispiele für Elemente, die in Fig. 1 nur schemenhaft dargestellt sind.

Das in Fig. 1 dargestellte Oberflächenwellenelement ist auf­ gebaut auf einem Substrat 1 aus einem piezoelektrischen Kris­ tall, insbesondere Quarz, Lithitmmniobat, Lithiumtantalat oder Langasit. Auf diesem Substrat 1 ist eine plane Oberfläche 2 gebildet, und auf dieser planen Oberfläche 2 sind die Elemen­ te des Oberflächenwellenelements angeordnet. Zunächst sind drei Spuren 3 oder 4 zur Ausbreitung akustischer Oberflächen­ wellen bestimmt. Die akustischen Oberflächenwellen werden er­ zeugt von einer Wandleranordnung umfassend drei elektroakus­ tische Wandler 5. Jeder Wandler 5 definiert eine eindeutige Beziehung zwischen den akustischen Oberflächenwellen auf der zugehörigen Spur 3 oder 4 sowie einem anliegenden elektri­ schen Signal; Mittel zum Anlegen dieses elektrischen Signals sind der Übersicht halber nicht dargestellt. Jede Spur 3 oder 4 umfasst eine Anordnung von letzten Reflektoren, welche für die erste Spur 3 einen einzigen letzten Reflektor 6 und für die zweiten Spuren 4 jeweils zwei letzte Reflektoren 6 um­ fasst. Die drei äußerst rechts angeordneten letzten Reflekto­ ren 6 sind derart angeordnet, dass von den Wandlern 5 gleich­ zeitig erzeugte Oberflächenwellen derart reflektiert werden, dass die reflektierten Oberflächenwellen wieder gleichzeitig an den Wandlern 5 eintreffen. Dasselbe gilt für die links ne­ ben den soeben genannten letzten Reflektoren 6 angeordneten weiteren Reflektoren 6 auf den beiden zweiten Spuren 4. Diese beiden weiteren letzten Reflektoren wirken wie vorstehend be­ schrieben zusammen.

Alle Spuren 3 und 4 sind untereinander parallel, und jede Spur enthält neben dem entsprechenden zumindest einen letzten Reflektor 6 eine Anordnung weiterer Reflektoren 7. Dabei liegt jeder weitere Reflektor 7 zwischen der Anordnung der Wandler 5 und jedem letzten Reflektor 6. Es ist weder vorge­ sehen noch erwünscht, dass weitere Reflektoren 7 auf ver­ schiedenen Spuren 3 oder 4 zusammenwirken, wie vorstehend für die letzten Reflektoren 6 beschrieben, und zwar aus folgendem Grunde: Da jeder Reflektor 6 oder 7 eine akustische Oberflä­ chenwelle nur teilweise reflektiert, entstehen neben der er­ wünschten, jeweils nur an einem einzigen Reflektor 6 oder 7 reflektierten Oberflächenwellen auch mehrfach reflektierte Oberflächenwellen, und dies um so mehr, je mehr Reflektoren 6 und 7 auf einer Spur 3 oder 4 vereinigt sind. Es ist deshalb erstrebenswert, die Anzahl von Reflektoren für jede Spur mög­ lichst gering zu halten. Dieses Kriterium gilt allerdings nur eingeschränkt für die letzten Reflektoren 6, da eine Einbe­ ziehung dieser in eine mehrfach reflektierte Oberflächenwelle eine extrem hohe Laufzeit für diese mehrfach reflektierte O­ berflächenwelle erfordert, wodurch sich bereits eine zeitli­ che Trennung einer solchen mehrfach reflektierten Oberflä­ chenwelle von den erwünschten reflektierten Oberflächenwellen ergibt.

Neben der teilweisen Reflexion hat jeder Reflektor 6 oder 7 die Eigenschaft, dass er demjenigen Teil einer Oberflächen­ welle, den er nicht reflektiert, eine spezifische Phasenver­ schiebung mitteilt. Vorliegend enthält die erste Spur 3 einen zweiten Reflektor 6 weniger als jede zweite Spur 4. Die Pha­ senverschiebung einer vom Wandler 5 zum letzten Reflektor 6 der ersten Spur 3 gelaufenen Oberflächenwelle wäre dement­ sprechend anders als die Phasenverschiebung einer in einer zweiten Spur 4 zum entsprechenden letzten Reflektor 6 gelau­ fenen Oberflächenwelle. Um dies zu kompensieren ist in der ersten Spur 3 ein nicht-reflektierender Phasenkorrektor 8 vorgesehen; er erteilt der ihn passierenden Oberflächenwelle eine Phasenverschiebung entsprechend der Phasenverschiebung, die diese Oberflächenwelle an einem letzten Reflektor 6 er­ halten würde und gleicht damit das Fehlen des zweiten letzten Reflektors 6 in der ersten Spur 3 aus.

Zwischen jeden zwei einander unmittelbar benachbarten Spuren 3 oder 4 ist eine zugehörige akustische Sperre 9 in Form ei­ nes Absorbers 9 angeordnet. Dieser Absorber 9 kann ein auf die Oberfläche 2 aufgebrachtes Polymer sein. Die Absorber 9 verhindern, dass es zu Rückwirkungen zwischen Oberflächenwel­ len auf verschiedenen Spuren 3 und 4 kommt, und vermeiden so­ mit betriebliche Störungen.

Jeder Wandler 5 ist an einem Ende der Oberfläche 2 angeordnet und emittiert sowie empfängt Oberflächenwellen unidirektio­ nal; dies hat den Vorzug, dass die Spuren 3 und 4 besonders lang ausgelegt werden können. Entlang der Verlaufsrichtung der Oberflächenwellen ist jede Spur 3 oder 4 abgeschlossen mit weiteren Sperren 10, insbesondere Absorbern 10 wie be­ schrieben oder Volumenkonversionsstrukturen, welche Oberflä­ chenwellen in Volumenwellen umwandeln und somit von der Ober­ fläche 2 abführen. Das Oberflächenwellenelement gemäß Fig. 1 ist ausgelegt für einen Betrieb mit Oberflächenwellen einer Frequenz zwischen 100 MHz und 4 GHz, wobei insbesondere ein Betrieb in dem standardisierten ISM-Frequenzband bei 2,45 GHz in Betracht gezogen wird. Das Oberflächenwellenelement ist primär bestimmt als Bestandteil einer Identifizierungsmarke; mit entsprechend ausgelegten Reflektoren 6 oder 7 ist es al­ lerdings auch möglich, das Oberflächenwellenelement als Sen­ sor zu betreiben; entsprechende Hinweise sind den zitierten Dokumenten des Standes der Technik entnehmbar.

Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele für Ele­ mente, die in dem Oberflächenwellenelement gemäß Fig. 1 zum Einsatz kommen. Fig. 2 zeigt einen Wandler 5, welcher Ober­ flächenwellen allein in der mit einem Pfeil markierten Rich­ tung aussendet; fachsprachlich wird dieser Wandler S als "SPUDT" bezeichnet. Fig. 3 zeigt einen Reflektor des Typs "Split-Finger", der sowohl als letzter Reflektor 6 als auch als weiterer Reflektor 7 zum Einsatz kommen kann. Ein solcher Reflektor zeichnet sich dadurch aus, dass seine Betriebsei­ genschaften weitgehend unabhängig sind von der Dicke der Me­ tallisierung, die diesen Reflektor bildet.

Fig. 4 zeigt einen nicht-reflektierenden Phasenkorrektor 8. Dieser wird ebenso wie ein Wandler 5 oder ein Reflektor 6 o­ der 7 ausgeführt als Leiterbahnstruktur, wobei die Leiterbah­ nen im Unterschied zu den Leiterbahnen eines Reflektors nicht unterbrochen sind. Die beiden sich nur über die halbe Breite des Phasenkorrektors 8 erstreckenden Leiterbahnen dienen da­ zu, Streueffekte an den Begrenzungen des Phasenkorrektors 8 zu verhindern. Der einem Reflektor sehr ähnliche Phasenkor­ rektor 8 wird mit denselben Mitteln und nach denselben Grundsätzen wie ein Reflektor dimensioniert und unterliegt hinsichtlich der bei der Fertigung einzuhaltenden Toleranzen denselben Bedingungen wie ein Reflektor. Es sei erwähnt, dass als Phasenkorrektor auch ein einfacher entsprechend dimensio­ nierter Metallstreifen benutzt werden kann; allerdings hat dessen Auslegung unter Umständen anderen Grundsätzen als die Auslegung eines Reflektors zu folgen und würde dementspre­ chend die Auslegung des gesamten Oberflächenwellenelements erschweren.

Claims (12)

1. Oberflächenwellenelement umfassend:

• a) ein Substrat (1) mit einer planen Oberfläche (2), auf welcher mehrere Spuren (3, 4) zur Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen bestimmt sind;
• b) eine auf der Oberfläche (2) angeordnete Wandleranordnung (5), von der jede Spur (3, 4) ausgeht und welche eine ein­ deutige Beziehung zwischen den akustischen Oberflächen­ wellen auf den Spuren (3, 4) sowie einem anliegenden e­ lektrischen Signal definiert;
• c) auf jeder Spur (3, 4) eine zugehörige Anordnung umfassend zumindest einen letzten Reflektor (6), welcher an einem der Wandleranordnung (5) abgewandten Ende der Spur (3, 4) angeordnet ist;

dadurch gekennzeichnet, dass mehrere letzte Reflektoren (6), welche auf verschiedenen Spu­ ren (3, 4) angeordnet sind, von der Wandleranordnung (5) gleichzeitig erzeugte Oberflächenwellen derart reflektieren, dass die reflektierten Oberflächenwellen gleichzeitig an der Wandleranordnung (5) eintreffen.

2. Oberflächenwellenelement nach Anspruch 1, bei dem zumindest zwei Spuren (3, 4) zwei hintereinander angeordnete letzte Re­ flektoren (6) aufweisen.

3. Oberflächenwellenelement nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Spuren (3, 4) untereinander parallel sind.

4. Oberflächenwellenelement nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem auf jeder Spur zumindest ein weiterer Reflektor (7) zwischen der Wandleranordnung (5) und jedem letzten Reflektor (6) angeordnet ist.

5. Oberflächenwellenelement nach Anspruch 4, bei dem die Spu­ ren (3, 4) eine erste Spur (3) und eine zweite Spur (4) umfas­ sen, wobei die erste Spur (3) eine geringere Anzahl von letzten Reflektoren (6) und weiteren Reflektoren (7) aufweist als die zweite Spur (4), und in der ersten Spur (3) zumindest ein nicht-reflektierender Phasenkorrektor (8) angebracht ist.

6. Oberflächenwellenelement nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem zwischen jeden zwei einander unmittelbar benachbarten Spuren (3, 4) eine zugehörige akustische Sperre (9) angeordnet ist.

7. Oberflächenwellenelement nach Anspruch 6, bei dem die Sperre (9) ein Absorber (9) ist.

8. Oberflächenwellenelement nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Wandleranordnung (5) für jede Spur (3, 4) einen zugehörigen Wandler (5) umfasst.

9. Oberflächenwellenelement nach Anspruch 8, bei dem alle Wandler (5) elektrisch untereinander parallelgeschaltet sind.

10. Oberflächenwellenelement nach einem der vorigen Ansprü­ che, bei dem die Wandleranordnung (5) unidirektional hin­ sichtlich der Erzeugung von Oberflächenwellen ist.

11. Oberflächenwellenelement nach einem der vorigen An­ sprüche, welches ausgelegt ist für einen Betrieb mit Oberflä­ chenwellen einer Frequenz zwischen 100 MHz und 4 GHz.

12. Oberflächenwellenelement nach einem der vorigen Ansprü­ che, welches ein Bestandteil einer Identifizierungsmarke ist.