DE102005027457A1

DE102005027457A1 - In der Frequenz abstimmbares SAW-Bauelement und Verfahren zur Frequenzabstimmung

Info

Publication number: DE102005027457A1
Application number: DE200510027457
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr. Riha; Werner Dr. Ruile; Markus Dr. Hauser; Veit Dr. Meister
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2006-12-28

Abstract

Es wird ein mit elektroakustischen Wellen arbeitendes Bauelement vorgeschlagen, bei dem zur Frequenzabstimmung die der SAW-, GBAW- oder BAW-Struktur zugrunde liegende Geometrie verändert wird. Dies gelingt durch Einwirkung eines Aktors auf eine entsprechend beweglich angeordnete Struktur, beispielsweise auf einen Interdigitalwandler. Die SAW- oder GBAW-Struktur kann auf einer mikromechanischen Struktur angeordnet sein, die die über den Aktor bewirkte Längenveränderungen auf die SAW-/GBAW-Struktur umsetzt. Bei einer BAW-Struktur erfolgt die Frequenzabstimmung vorteilhafterweise durch das Anlegen von Elektroden an verschieden dicke Piezoschichten bzw. durch Variation des Anpressdrucks, wobei die dazu notwendigen Bewegungen und Kräfte von Schicht und Elektroden durch Aktuatoren initiiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein in seiner Mittenfrequenz abstimmbares SAW Bauelement, insbesondere ein SAW Filter oder einen mit einem SAW Bauelement arbeitenden Sensor.

SAW-Bauelemente (Oberflächenwellenbauelemente) können vielfältig z. B. als HF-Filter, Verzögerungsleitungen, Resonatoren, Sensoren oder als ID-Tags eingesetzt werden. Größte Bedeutung haben diese Bauelemente insbesondere als Filter in drahtlosen Kommunikationssystemen. Diese Systeme arbeiten weltweit mit regional unterschiedlichen Übertragungsnormen, die sich unter anderem durch unterschiedliche Frequenzlagen für die Sende- und Empfangsbänder sowie durch unterschiedliche Bandbreiten auszeichnen. Auch innerhalb einzelner Regionen werden unterschiedliche Systeme in unterschiedlichen Frequenzbändern parallel betrieben. Da somit die Einsatzmöglichkeit eines nur einer Norm gehorchenden Telekommunikationsendgerät begrenzt ist, sind solche Endgeräte wünschenswert, die mehr als einer Norm gehorchen. Dafür existieren bereits heute Multi-Band-Endgeräte, beziehungsweise kombinierte Multi-Band/Multi-Mode-Endgeräte. Diese weisen dazu in der Regel für jedes Frequenzband ein eigenes Filter auf und können auf diese Weise zwischen unterschiedlichen Sende- und Empfangssystemen hin und her schalten. Aufgrund der Vielzahl der dafür erforderlichen Filter und weiterer erforderlicher Komponenten werden diese Endgeräte jedoch wesentlich teurer und schwerer als zuvor und laufen außerdem dem Trend der zunehmenden Miniaturisierung der mobilen Endgeräte entgegen.

Es wurde bereits vorgeschlagen, für ein Multi-Band/Multi-Mode-Endgerät schaltbare Filter zu verwenden, die zwischen unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen umschalten können, um damit unterschiedliche Frequenzbänder mit einem einzelnen Fil ter abzudecken. Für Filter in SAW-Technik ist es dazu bekannt, auf einem Substrat unterschiedliche Filterelemente oder unterschiedliche Elektrodensätze aufzubringen, zwischen denen umgeschaltet werden kann. Aber hier sind die stets mit elektrischen Verlusten behafteten Schalter und die zusätzliche Chipfläche für die weiteren Elektrodensätze, die diese Technik benötigt, von Nachteil. Außerdem ist es auf diese Weise nur möglich, zwischen konkret vorgegebenen Schaltzuständen auszuwählen, beziehungsweise zu schalten.

Weiterhin wurde bereits vorgeschlagen, analog durchstimmbare (tunable) Filter zu schaffen, um damit ein Filter für unterschiedliche Frequenzen auszulegen. Herkömmliche SAW-Filter sind jedoch für ihre Frequenzstabilität bekannt und daher nicht oder nur in sehr engen Grenzen abstimmbar. Zur Abstimmung ist es bekannt, parallel zum Filter eine variable Kapazität zu schalten, ein variables ferroelektrisches Material zu verwenden, ein Material mit variablen Elastizitäten (GDE-Material), eine in ihrer Leitfähigkeit variable Schicht einzusetzen oder variable Lasten auf einzelne Filterelemente zu geben. Die damit erreichbare durchstimmbare Bandbreite, also der maximal variierbare Frequenzbereich für solche Filter ist aber eher gering und nicht dazu ausreichend, ein SAW-Filter durch Frequenzabstimmung in unterschiedlichen Frequenzbändern betreiben zu können.

In der US 5,959,388 ist ein SAW-Bauelement beschrieben, welches mit einem Magnetfeld abstimmbar ist. Dazu ist auf einem magnetostriktivem Material eine piezoelektrische Schicht aufgebracht, auf der das SAW-Bauelement realisiert ist. Unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes wird in der magnetostriktiven Schicht eine mechanische Verspannung generiert, die zu einer Veränderung der Geschwindigkeit der Oberflächenwelle führt. Auf diese Weise lässt sich die Frequenz des SAW-Bauelements verschieben. Da das Magnetfeld mit einer Spule erzeugt wird, stellt dies eine aufwendige und nur schwer steuerbare Konstruktion dar, die vor allem wegen der energetischen Verluste für mobile Endgeräte nicht geeignet ist.

In der DE 102 08 169 A1 ist eine Lösung zur Frequenzabstimmung beschrieben, bei der mittels zweier Steuerelektroden die Permeabilität eines hybriden Permeabilitätselementes beeinflusst wird. Das hybride Permeabilitätselement besteht dabei zumindest aus einem Verbund einer piezoelektrischen Steuerschicht und einer magnetostriktiven Schicht. Dabei werden die elastischen Eigenschaften der magnetosensitiven Schicht beeinflusst und so auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle in diesem Material.

Aus der DE 102 25 201 A1 ist ein abstimmbares Filter bekannt, bei dem an eine piezoelektrische Schicht – die Abstimmschicht – eine Steuerspannung angelegt wird, die eine steuerbare mechanische Verspannung erzeugt und auf eine anliegende dünne GDE-Schicht überträgt. Diese steht in engem mechanischem Kontakt zu einer piezoelektrischen Anregungsschicht, auf der Elektrodenstrukturen realisiert sind, die Bauelementstrukturen darstellen. Durch die mechanischen Verspannungen werden die elastischen Eigenschaften in der GDE-Schicht (Giant Delta E) bestimmt, und auf die Anregungsschicht übertragen.

Nachteilig an den zuletzt genannten Ausführungen ist, dass beim Abstimmen der Filter Materialeigenschaften in genau definierter Weise geändert werden müssen. Dies erfordert eine hohe reproduzierbare Qualität bei der Herstellung solcher Materialschichten, was bislang nur schwierig zu erreichen ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein weiteres abstimmbares und in seinen Eigenschaften gezielt veränderbares Bauelemente anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal tungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Frequenzabstimmung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.

Die Erfindung gibt ein Bauelement mit einem Substrat an, das eine piezoelektrische Schicht und eine elektrisch leitfähige Struktur zur Erzeugung, Leitung oder Reflexion von akustischen Wellen in der piezoelektrischen Schicht aufweist, bei dem die relative geometrische Anordnung der elektrisch leitfähigen Struktur gegenüber der piezoelektrischen Schicht veränderbar ist. Somit können Bauelement-Eigenschaften gezielt erstmals über Änderung der Bauelementgeometrie variiert bzw. eingestellt werden und nicht wie bekannte Bauelemente über eine Veränderung seiner Materialeigenschaften.

Das Bauelement kann als elektrisch leitfähige Struktur Elektrodenstrukturen für das mit akustischen Wellen arbeitende Bauelement aufweisen, wobei die akustischen Wellen ausgewählt sind aus Oberflächenwellen – SAW –, geführten Bulkwellen – GBAW – oder Bulkwellen – BAW. Mit den Änderungen der Bauelementgeometrie kann beispielsweise die Mittenfrequenz des Bauelements abstimmbar gemacht werden. Es können akustische und elektrische Parameter des Bauelements eingestellt werden. Das Bauelement kann auf diese Weise eine spezielle Schaltungsumgebung angepasst werden. Wichtige Bauelement-Eigenschaften, die das Verhalten des Bauelements im Betrieb kennzeichnen können variiert werden.

Die elektrisch leitfähigen Strukturen können ein Muster von Elektrodenstrukturen umfassen, wobei die Elektrodenstrukturen relativ zueinander und/oder relativ zur nahe angeordneten piezoelektrischen Schicht beweglich angeordnet sein können.

Es kann ein elektrisch, thermisch, magnetisch, pneumatisch, hydraulisch oder anderweitig betreibbarer Aktor vorgesehen sein, der die elektrisch leitfähige Struktur, das Substrat oder beides relativ zueinander bewegen kann.

Die Elektrodenstrukturen können z.B. akustische Oberflächenwellen – SAW – erzeugen, reflektieren oder in ein elektrisches Signal zurückverwandeln.

Die Elektrodenstrukturen können dabei mechanisch miteinander verbunden sein und sind relativ zueinander und relativ zum Substrat beweglich angeordnet. Der Aktor kann die vorgegebenen Abstände von einzelnen oder von ganzen Gruppen von Elektrodenstrukturen zueinander vergrößern oder verkleinern. Mit dem Bauelement gelingt es, die Mittenfrequenz von SAW-Bauelementen zu verändern, da diese sich indirekt proportional zum Abstand p der metallischen Streifen ihrer Elektrodenstruktur verhält: f = v/(2p), wobei v die Geschwindigkeit der SAW im Substrat ist.

Das Substrat ist insbesondere ein herkömmlicher piezoelektrischer Kristall, beispielsweise aus Lithiumtantalat, Lithiumniobat oder Quarz. Das Substrat kann aber auch piezoelektrische Schichten umfassen, die auf Trägermaterialien abgeschieden werden können, beispielsweise Schichten aus ZnO, AlN, KNbO3, PZT. Die elektrisch leitfähige Struktur kann als elektroakustische Struktur und insbesondere als interdigitaler Wandler ausgebildet sein und weist dann zwei kammartig ausgebildete mit ihren Zähnen ineinander geschobene Teilelektroden auf. Die elektroakustischen Strukturen (z.B. Streifen oder Punkte), die auch Reflektoren oder Wellenleiterstrukturen umfassen können, sind beim SAW-Bauelement vorzugsweise so miteinander verbunden, dass das durch die Elekt rodenstrukturen gebildete Muster bei Einwirkung des Aktors als solches im wesentlichen erhalten bleibt und lediglich die Abstände der einzelnen Streifen oder Punkte sich verändern. Die Einwirkung des Aktors erzeugt also eine Kompression oder eine Expansion des Musters.

Die Verbindung der einzelnen Elektrodenstrukturen miteinander folgt dieser Kompression oder Expansion und ist daher längenveränderlich gestaltet. In einer bevorzugten Ausführung sind die elektroakustischen Strukturen der SAW-Struktur über eine mikromechanische Struktur miteinander verbunden. Eine solche kann über an sich bekannte Methoden der Mikrostrukturierungstechniken hergestellt sein und umfasst in der Form veränderliche oder gegeneinander bewegliche Teilstrukturen. Möglich ist es auch, die elektroakustischen Strukturen auf einer elastischen Folie anzuordnen, die über den Aktor gedehnt oder gestaucht werden kann. Eine weitere Möglichkeit besteht darin die einzelnen Elektrodenstrukturen (Finger) lose zu lagern und sie z.B. durch magnetische oder elektrostatische Kräfte auszurichten. Dabei können elektrostatische oder magnetische Abstoßung zwischen den Fingern eine automatische Ausrichtung der Finger untereinander ermöglichen. Möglich ist auch ein Antrieb einzelner Finger ähnlich einem Schrittmotor.

Über die mikromechanische Struktur gelingt es auch, die elektroakustischen Strukturen und insbesondere die Elektrodenstrukturen elektrisch anzuschließen. Dabei können zumindest die einer Teilelektrode zugeordneten Elektrodenstrukturen der SAW-Struktur über elektrisch leitende mikromechanische Strukturen sowohl miteinander als auch die Teilelektrode mit der Signalleitung verbunden werden. Ebenso ist es möglich die einzelnen Elektroden oder Gruppen von Elektrodenstrukturen mit einem Aktor ggf. mit der mikromechanischen Struktur mit einer Kontaktstruktur (Busbar) die sich z.B. auf dem Substrat befindet, in Kontakt zu bringen, z.B. durch Anpressen, oder ein elektrisches Signal in die Elektroden kapazitiv einzukoppeln.

Es ist möglich, die mikromechanische Struktur in Form eines Scherengitters auszubilden, an dem die metallischen Streifen in definierten Abständen befestigt sind. Ein solches Scherengitter ist aus in sich starren Teilstrukturen zusammengesetzt. Diese Teilstrukturen sind in Form zweier ineinander geschobener Zickzacklinien angeordnet, wobei die starren Teilstrukturen an den Ecken beweglich miteinander verbunden sind, wobei sich überkreuzende Teilstrukturen zweier unterschiedlicher Zickzacklinien an den Kreuzungspunkten beweglich miteinander verbunden sind, wobei die beiden Zickzacklinien regelmäßig und beide gleich ausgebildet sind.

Die mikromechanische Struktur kann auch in Form von Federelementen ausgebildet sein, die die einzelnen Finger oder Teilelektroden so miteinander verbinden, dass zwischen allen Streifen die gleich Federwirkung auf die Elektroden einwirkt, die eine symmetrische Expansion oder Kompression ermöglichen.

Ein Federelement kann aus einer mikromechanischen Teilstruktur bestehen, die einen nichtlinearen Verlauf aufweist. Letzterer ermöglicht es, durch Strecken oder weiteres Verbiegen die Gesamtausdehnung des Teilelements zu vergrößern oder zu verkleinern. Eine solche Teilstruktur kann zum Beispiel bogenförmig ausgebildet sein oder mehrere Halbbögen in Form einer Wellenlinie umfassen. Möglich ist es auch, die Teilstruktur in Form einer Zickzacklinie auszubilden, wobei in diesem Fall die Zickzackstruktur aus einem Stück besteht und nur durch Verformung bewegliche Teile aufweist.

Die Federelemente können aber auch aus einer Vielzahl molekularer Federn bestehen, wie sie z.B. durch Polymere oder andere organische Moleküle (wie z.B. DNS, selbstorganisierende Schichten, etc.) realisiert werden können.

Die elektroakustischen Strukturen sind beweglich zum Substrat mit der piezoelektrischen Substrat angeordnet, kann aber auch punktuell an diesem befestigt sein.

Vorteilhaft ist es, wenn die elektroakustischen Strukturen auf der Oberfläche des Substrats aufliegen, damit ein in der Elektrodenstruktur erzeugtes elektrischen Feldes optimal in die piezoelektrische Schicht einkoppeln kann. Um den Abstand der Elektrodenstruktur zur piezoelektrischen Schicht minimal zu halten, ist vorteilhaft eine zuschaltbare Anpressvorrichtung vorzusehen. Diese kann mechanischer, magnetischer, pneumatischer, hydraulischer, vorzugsweise aber elektrostatischer Natur sein. Im letzten Fall wird z.B. eine BIAS-Spannung an die SAW-Struktur angelegt, auf die später beim Betrieb des Bauelementes das elektrische Wechselsignal auf moduliert wird. Mit der BIAS-Spannung entsteht ein elektrisches Feld zwischen SAW-Struktur und Substrat, das dazu vorzugsweise an der von der SAW-Struktur wegweisenden Seite eine Gegenelektrode aufweist. In dem elektrischen Feld erfährt die SAW-Struktur eine Kraft in Richtung des Substrats. Alternativ ist es möglich eine oder mehrere von der Elektrodenstruktur elektrisch isolierte, mit dieser aber mechanisch verbundene Elektroden zu nutzen, an welche die BIAS-Spannung angelegt werden kann. Eine Möglichkeit dafür sind z.B. Elektroden die isoliert auf der von der Elektrodenstruktur abgewandten Seite des Substrats angebracht sind.

Vorteilhaft ist die Anpressvorrichtung so ausgebildet, dass sie zu- und abschaltbar ist. Dies ermöglicht es, die Kompression oder Expansion der elektroakustischen Strukturen ohne Anpressdruck, den Betrieb des Bauelements bei dann gleichbleibender Mittenfrequenz aber mit Anpressdruck durchzuführen. Dadurch wird die mechanische Reibung zwischen elektroakustischen Strukturen und Substrat bei der Frequenzabstimmung vermindert, aber dennoch beim Betrieb des Bauelements ein inniger Kontakt zwischen der elektrisch leitfähigen Struktur und dem Substrat gewährleistet.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung ist so gestaltet dass die elektrisch leitfähige Struktur im Normalfall an das Substrat angepresst ist, mit Hilfe einer Vorrichtung aber abgehoben werden kann (z.B. elektrostatische Abstoßung).

Der Aktor ist elektrisch betreibbar und dazu vorzugsweise als piezoelektrischer Aktor oder als elektrostriktiver Aktor ausgebildet. Ein solcher kann ausreichend miniaturisiert werden, ohne die Dimensionen des Bauelements übermäßig zu vergrößern.

Mittlerweile sind z.B. aus einem Artikel von Chen-Peng Hsu et al. in Transducers 03, Seite 348–351 elektrothermisch funktionierende mikrostrukturierte Aktoren bekannt geworden, die Auslenkungen bis cirka 100 μm erlauben. Wird die Auslenkung des Aktors im Verhältnis eins zu eins auf die Expansion oder Kompression der SAW-Struktur übertragen, so ergibt sich der maximale Frequenzabstimmbereich des SAW-Bauelements aus dem Verhältnis von Aktorauslenkung und Länge der SAW-Struktur.

Es ist auch möglich Aktuatoren einzusetzen die pneumatisch oder hydraulisch arbeiten. Auch ist es möglich die elektroakustischen Strukturen oder auch die einzelnen Elektrodenfin ger bzw. Gruppen von Elektrodenfingern durch einen z.B. elektrostatischen oder elektromagnetischen Direktantrieb zu bewegen (ähnlich Schrittmotor).

Ein SAW Bauelement für den Zwei-Gigahertzbereich weist beispielsweise einen Elektrodenfingerabstand von weniger als 1 μm auf. Ein Interdigitalwandler mit 50 Streifen hat daher eine Abmessung von cirka 50 μm und weniger. Mit einer Auslenkung um cirka 100 μm wird so der Abstand zwischen den Streifen verdreifacht. Die Abhängigkeit der Mittenfrequenz der elektroakustischen Struktur bestimmt sich gemäß der Formel f = v/(2p), wobei v die Geschwindigkeit der Oberflächenwelle auf dem Substrat und p dem Abstand zweier benachbarter Streifen einer regelmäßigen SAW Struktur entspricht. Daraus ergibt sich für das Beispiel ein Tuningfaktor von 0,3, wenn eine Expansion der SAW-Struktur bewirkt wird. Wird dieselbe Auslenkung zur Kompression der SAW-Struktur eingesetzt, kann ein entsprechend höherer Faktor erzielt werden, sofern vom gleichen Ausgangsabstand der metallischen Streifen ausgegangen wird. Betrachtet man jedoch zwei Auslenkungspositionen, die maximaler Kompression und maximaler Expansion entsprechen, so unterscheiden sich diese beiden Positionen unabhängig von Expansion oder Kompression um den gleichen Faktor.

Eine Verdopplung der Gesamtauslenkung der SAW-Struktur kann erzielt werden, wenn zwei Aktoren eingesetzt werden, die an beiden Enden auf die elektroakustischen Strukturen einwirken.

Eine weiter verbesserte Abstimmung beziehungsweise ein weiter vergrößerter Abstimmbereich wird erhalten, wenn die Auslenkung des Aktors modifiziert, also über eine Hebelwirkung reduziert oder verstärkt wird. Dies kann auch nicht-linear erfolgen. Dazu kann in einfacher Weise eine geeignete Mikro struktur eingesetzt werden. Das bereits genannte Scherengitter stellt bereits eine geeignete Ausführung mit Hebelwirkung dar, wobei die Hebelwirkung durch geeignet gewählten Ansatzpunkte des Aktors auf die Enden des Scherengitters noch zusätzlich beeinflusst werden kann. Auf diese Weise kann die Auslenkung des Aktors und damit auch der Abstimmbereich um den Faktor fünf und mehr verstärkt werden.

Wird als mikromechanische Struktur ein Scherengitter eingesetzt, so ist dessen Auslenkung nicht nur vom Winkel zwischen den Teilstrukturen abhängig, sondern auch von der Anzahl der gegeneinander beweglichen Elemente. Jeder weitere Zacken erhöht die maximal mögliche Auslenkung des Scherengitters bei ansonsten unveränderter Einwirkung des Aktors auf das Scherengitter um einen festen Betrag.

Das SAW-Bauelement kann als SAW-Resonator ausgebildet sein und umfasst dann zumindest einen Interdigitalwandler, der vorzugsweise zwischen zwei Reflektoren angeordnet ist. Die komprimier- und expandierbare SAW-Struktur umfasst dann zumindest den Interdigitalwandler, vorzugsweise jedoch auch noch die Reflektoren.

Die SAW-Struktur kann jedoch auch mehrere Interdigitalwandler umfassen. Das Bauelement kann dann als Mehrtorresonator oder als Transversalfilter ausgebildet sein. Unter Transversalfilter wird ein Filter verstanden, welches einen Eingangswandler und einen Ausgangswandler umfasst, und bei dem die vom Eingangswandler erzeugte akustische Oberflächenwelle ohne Resonanzeffekte vom Ausgangswandler in das elektrische Ausgangssignal zurückverwandelt wird.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen alleine der Erläuterung der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt in schematischer Draufsicht eine SAW-Struktur mit einem Aktor vor und nach der Expansion der SAW-Struktur,
2 zeigt eine SAW-Struktur mit zwei Aktoren,
3 zeigt einen Aktor mit SAW-Struktur, die mit Hilfe von Federelementen fixiert sind,
4 zeigt eine als Scherengitter ausgebildete mikromechanische Struktur,
5 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauelement in schematischer perspektivischer Darstellung,
6 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauelement in schematischem Querschnitt,
7 zeigt ein Bauelement mit einer elastischen Folie in perspektivischer Darstellung,
8 zeigt Trägerelemente für einzelne Elektrodenstrukturen in perspektivischer Darstellung,
9 zeigt Trägerelemente und sie verbindende Federelemente,
10 zeigt eine Anordnung von Aktoren, mit der Elektrodenstrukturen einzeln bewegbar sind,
11 zeigt einen elektroakustischen Wandler mit veränderbarer Apertur,
12 zeigt eine elektrostatische Anpressvorrichtung,
13 zeigt eine Anordnung von beweglichen magnetisch gekoppelten Elektrodenstrukturen,
14 zeigt eine Anordnung von elektroakustischen Wandlern, die gegeneinander beweglich sind,
15 zeigt zwei elektroakustische Wandler mit einstellbarer Laufstrecke dazwischen,
16 zeigt zwei elektroakustische Wandlern und einen Reflektor mit einstellbarer Laufstrecke dazwischen,
17 zeigt elektroakustische Strukturen, die einzeln oder in Gruppen rotierbar angeordnet sind,
18 zeigt eine Anordnung gegeneinander beweglicher elektroakustischer Strukturen, die teilweise ins Substrat vergraben angeordnet sind,
19 zeigt eine fächerförmige Anordnung gegeneinander beweglicher Elektrodenfinger, die auf spreizbar angeordnet sind,
20 zeigt eine Anordnung von Elektrodenfingern die gegeneinander nicht linear beweglich sind,
21 zeigt zwei beidseitig eines Substrats angeordneter gegeneinander beweglicher elektroakustischer Strukturen,
22 zeigt zwei elektroakustischer Strukturen, die gegeneinander beweglich und hin zu einem Parallelogramm veränderlich sind,
23 zeigt zwei bogenförmig verzerrbare elektroakustische Strukturen,
24 zeigt zwei elektroakustische Strukturen, die rotierbar und gegeneinander beweglich sind,
25 zeigt zwei elektroakustische Strukturen, die rotierbar und hin zu einem Parallelogramm verzerrbar sind,
26 zeigt eine mikromechanische Struktur zum synchronen Bewegen einer Vielzahl Elektrodenstrukturen (Elektrodenfingern),
27 zeigt eine weitere mikromechanische Struktur zum synchronen Bewegen einer Vielzahl Elektrodenstrukturen (Elektrodenfingern),
28 zeigt ein BAW Bauelement mit einem Substrat variierender Schichtdicke, das gegen die Elektrodenstrukturen beweglich ist,
29 zeigt ein BAW Bauelement mit in der Substrat-Ebene gestauchtem Substrat,
30 zeigt ein BAW Bauelement mit quer zur Substrat-Ebene gestauchtem Substrat,
31 zeigt ein BAW Bauelement mit variabler Massenbelastung an einer Elektrode.
1a zeigt in schematischer Blockdarstellung einen Aktor 2, der mit einer elektroakustischen Struktur 1 verbunden ist. Die Struktur 1 umfasst ein nicht explizit dargestelltes Muster von im wesentlichen parallel zu einer Achse Y ausgerichteter und beispielsweise äquidistanter leitfähiger Streifen und ist durch die Länge l1 definiert. Die Struktur 1 ist beispielsweise an ihrem linken Ende fixiert, ebenso der Aktor 2, beispielsweise mit seinem rechten Ende. Die elektroakustischen Struktur ist z.B. ein SAW Wandler.
Eine Auslenkung des Aktors 2 führt hier zu einer Expansion der Struktur 1 auf die Länge l2 (siehe 1b). Bei dieser Expansion bleibt das Muster der Streifen, also der einzelnen Elektrodenstrukturen erhalten, es ändern sich lediglich die Abstände der Streifen proportional zur Aktorauslenkung, wobei Δl = l2 – l1. Die Abstände der Streifen ändern sich dabei um einen Faktor Δl/l2.
2 zeigt eine alternative Anordnungsmöglichkeit, bei dem auf eine SAW-Struktur 21 an beiden Enden je ein Aktor 22a und 22b einwirkt. Die beiden Aktoren sind relativ zueinander fixiert, sodass eine Auslenkung der Aktoren zu einer Kompression beziehungsweise Expansion der SAW-Struktur 21 führt, die unter Verwendung gleicher Aktoren wie in 1 zur doppelten Auslenkung 2 × Δl führt.
3 zeigt in schematischer Draufsicht eine elektroakustischen Struktur, deren leitfähige Streifen mit Hilfe einer in Form von Federelementen ausgebildeten mikromechanischen Struktur miteinander verbunden sind. Die elektroakustische Struktur umfasst erste leitfähige Streifen 31a, 31a', die einer ersten Teilelektrode eines interdigitalen Wandlers zugeordnet sind. Die Streifen 31b und 31b' sind einer zweiten Teilelektrode dieses Interdigitalwandlers zugeordnet. Der endständige Streifen 31a', der dem Aktor 32 am nächsten ist, kann fest mit dem Aktor verbunden sein, z.B. ebenfalls über eine mikromechanische Struktur. Der andere endständige, vom Aktor entfernte Streifen 31b ist vorteilhafterweise fixiert. Zwischen den leitfähigen Streifen 31a, 31b sind zwei Arten von Federelementen ausgebildet. Erste kürzere Federelemente 33a verbinden einander direkt benachbarte Streifen 31a, 31b, die jedoch unterschiedlichen Teilelektroden des Interdigitalwandlers zugeordnet sind. Dementsprechend sind die Federelemente 33a elektrisch isolierend ausgebildet oder zumindest an der Kontaktstelle mit den leitfähigen Streifen gegen diesen elektrisch isoliert. In entsprechender Weise sind auch die leitfähigen Streifen 31a und 31b' sowie die Streifen 31b' und 31a' miteinander verbunden.
Davon unterschiedliche längere Federelemente verbinden die der gleichen Teilelektrode zugeordneten leitfähigen Streifen. Beispielsweise verbindet das Federelement 33c die Streifen 31b und 31b', das Federelement 33b dagegen die leitfähigen Streifen 31a und 31a'. Diese langen Federelemente sind vorzugsweise elektrisch leitend ausgebildet, beispielsweise elektrisch leitend beschichtet. Auf diese Weise gelingt es, die einer Teilelektrode zugeordneten metallischen Streifen elektrisch zu verbinden. Der elektrische Anschluss der Teilelektroden kann beispielsweise über die Anschlüsse 34a und 34b erfolgen. Möglich ist es jedoch auch, die Teilelektroden beziehungsweise die den Teilelektroden über eine Verbindung zum Aktor 32 elektrisch anzuschließen.
4 zeigt in schematischer Darstellung eine mögliche mikromechanische Struktur, die hier als Scherengitter 45 ausgebildet ist. Diese Mikrostruktur ist aus weitgehend geradlinigen Abschnitten aufgebaut, die an den durch Punkte gekennzeichneten Stellen beweglich miteinander verbunden sind. Diese Art der Fixierung ermöglicht eine Expansion oder Kompression des Scherengitters parallel zur X-Achse.
Wird nun ein Muster leitfähiger Streifen vertikal zur X-Richtung auf dem Scherengitter befestigt, so führt eine Veränderung der Dimension in Richtung X zu einem gleichförmigen Auseinanderbewegen der metallischen Streifen unter Beibehaltung des Musters.
Die Mikrostruktur 45 hat den weiteren Vorteil, dass eine Auslenkung des Scherengitters in X-Richtung unter Ausnutzung einer variierbaren Hebelwirkung erfolgen kann. Für eine einfache Auslenkung wird das Scherengitter 45 beispielsweise an Punkt A fixiert, während der Punkt B parallel zur X-Richtung um die Aktorauslenkung Δl bewegt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Aktor mit zumindest einem der beiden Punkte D oder D' zu befestigen und innerhalb der Zeichenebene vertikal zur X-Richtung auszulenken, wobei sich die beiden Punkte D und D' z.B. aufeinander zu bewegen. Dabei ist es möglich, das Scherengitter in einem der Punkte D oder D' zu fixieren. In dieser Ausführung kann eine Hebelwirkung dadurch erzielt werden, dass der Ansatzpunkt des Aktors am Scherengitter verändert wird, wobei die den Hebel bestimmende Entfernung des Ansatzpunkts zum Punkt B variiert wird. Bei gleichbleibender Aktorauslenkung kann dabei eine wesentlich stärkere Auslenkung der Mikrostruktur 45 erfolgen als dies mit einfacher Auslenkung über den Punkt B möglich ist. Eine Kompression der Scherengitterstruktur 45 erfolgt durch Auseinanderbewegen der Punkte D und D', wobei sich der Abstand zwischen den Punkten A und B, mithin also die Länge der Mikrostruktur 45 verkürzt. Ein Aufeinanderzubewegen der beiden Enden D und D' führt zu einer Expansion des Scherengitters 45.
5 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung ein komplettes Bauelement. Dieses umfasst ein piezoelektrisches Substrat 56, ein regelmäßiges Muster leitfähiger Streifen 51, die durch Federelemente 53 miteinander verbunden sind. An der durch die Streifen gebildeten SAW-Struktur zwei Aktoren 52 angeordnet und mit dem jeweilig endständigen leitfähigen Streifen fest verbunden. Die gesamte Anordnung aus Aktor, SAW-Element und Federelementen ist auf einem Träger 57 realisiert, welcher aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist, beispielsweise Glas, Keramik oder ebenfalls einem kristallinen dielektrischen oder halbleitenden Material. In dieser Anordnung sind nur die Aktoren 52 fest mit dem Träger 57 verbunden. Leitfähige Streifen 51 und Federelemente 53 (alternativ auch andere Mikrostrukturen) sind beweglich zum Träger 57 ausgebildet. Auch das piezoelektrische Substrat 56 weist keine feste Verbindung zur SAW-Struktur beziehungsweise zu den leitfähigen Streifen 51 und den Federelementen 53 auf. Vorzugsweise ist es jedoch fest mit dem Träger 57 oder alternativ mit dem oder den Aktoren 52 verbunden und nur der besseren Übersichtlichkeit wegen hier in größerer Entfernung zum Träger dargestellt.
6 zeigt eine entsprechende Anordnung im schematischen Querschnitt. In dieser Ausführung sind piezoelektrisches Substrat 66 (piezoelektrisch oder mit piezoelektrischer Schicht), Aktoren 62 und Träger 67 fest miteinander verbun den. Die aus den leitfähigen Streifen 61a, 61b gebildete elektroakustische Struktur (Wandler) liegt in diesem Ausführungsbeispiel direkt auf der Oberfläche des (piezoelektrischen) Substrats 66 auf. Auf diese Weise kann das elektrische Feld des Wandlers optimal in den piezoelektrischen Kristall eingekoppelt werden. Ein elektrisches Signal, das in Form einer Wechselspannung an die unterschiedlichen Teilelektroden 61a, 61b der SAW-Struktur 61 angelegt wird, erzeugt im piezoelektrischen Substrat 66 eine akustische Oberflächenwelle, deren Frequenz f1 sich aus der Geschwindigkeit der Oberflächenwelle im Substrat 66 geteilt durch zweimal den Abstand d1 der Teilelektroden 61a, 61b ergibt.
Lässt man nun die Aktoren 62 kontrahieren, so bewegen sich die leitfähigen Streifen 61 in Pfeilrichtung gleichmäßig auseinander. Dabei erhöht sich deren Abstand auf den Wert d2. 6b zeigt die Anordnung während oder kurz nach der Expansion der SAW-Struktur durch Einwirkung der Aktoren 62. Zur Erleichterung der Expansion der elektroakustischen Struktur kann dabei der Abstand zwischen Substrat 66 und Wandler oder Träger 67 erhöht werden, um die Reibung der hier als Federelement 63 ausgebildeten Mikrostruktur beziehungsweise der elektroakustischen Struktur sowohl am Substrat 66 als auch am Träger 67 zu reduzieren. Möglich ist es jedoch auch, die Verbindung zwischen Substrat und Träger fest zu belassen und dafür eine Anpressrichtung vorzusehen, die während des Betriebs des Bauelements, also während der Erzeugung akustischer Oberflächenwellen im piezoelektrischen Substrat 66 die SAW-Struktur 61 fest an das Substrat andrückt. Zur Veränderung der Frequenz durch Expansion oder Kontraktion der elektroakustischen Struktur wird der Anpressdruck durch die Anpressvorrichtung vermindert oder abgestellt. Ist der gewünschte Streifenabstand d2 erreicht, kann der Anpressdruck wieder zu geschaltet werden, um ein erneutes Verrutschen der SAW-Struktur zu vermeiden. Alternativ ist es möglich daß die elektroakustischen Struktur im Ruhezustand angepresst ist und zur Veränderung der Frequenz durch die Anpressvorrichtung abgehoben wird um die Einstellung des gewünschten Streifenabstandes d2 zu ermöglichen.
Federelemente, Scherengitter oder allgemein die Mikrostrukturen sind in an sich bekannter Mikrostrukturierungstechnik hergestellt. Dazu wird auf einer Unterlage, beispielsweise auf dem Träger 67 eine Abfolge strukturbildender Schichten abgeschieden und jeweils nach Schichtabscheidung in gewünschter Weise strukturiert. Bei den einzelnen Schichten wird zwischen Strukturmaterial und Opfermaterial unterschieden. Während das strukturierte Strukturmaterial als Mikrostruktur verbleibt, wird das Opfermaterial in einem späteren Schritt durch Ätzen entfernt, sodass ein freies Volumen entsteht und von einander getrennte oder frei schwebende beziehungsweise frei bewegliche Mikrostrukturelemente verbleiben.
Als strukturbildende Materialien werden vorzugsweise solche Materialien verwendet, für die erprobte Dünnschichtabscheideund Strukturierungsverfahren existieren. Dies sind insbesondere aus der Halbleitertechnik bekannte Schichten, ausgewählt aus den verschiedenen Halbleitermaterialien (z.B. Si), SiO₂, Silizium-Nitrid und andere Oxide, Nitride, Silizide oder andere dielektrische Verbindungen und Metallen oder Legierungen. Eine strukturgenaue Mikrostrukturierung gelingt auf kristallinen Substraten, beispielsweise auf Siliziumwafern.
Ebenfalls in Mikrostrukturierungstechnik kann die elektrische Verschaltung erfolgen. Die metallischen Streifen können beispielsweise in Form einer metallischen Beschichtung von mik rostrukturierten isolierenden Streifen aufgebaut sein. Möglich ist es auch, die metallischen Streifen als isolierte frei schwebende Mikrostrukturen herzustellen. Integriert mit der Herstellung der Mikrostreifen erfolgt auch deren elektrische Anbindung, vorzugsweise durch elektrische Leiterbahnen, die auf der Oberfläche des Trägers nach außen geführt werden. Möglich ist es auch, die elektrische Kontaktierung der SAW-Struktur über Durchkontaktierungen auf die Unterseite des Trägers 67 zu führen.
Die Aktoren 62 können ebenfalls integriert auf der Oberfläche des Substrats, des Trägers oder im Träger 67 selbst erzeugt werden. Möglich ist es jedoch auch, die Aktoren separat zu erzeugen und anschließend auf der Oberfläche des Trägers zu befestigen und mit der SAW-Struktur zu verbinden.
Die Verbindung zwischen Träger 67 und Substrat 66 kann abschließend erfolgen, beispielsweise durch Verkleben. Möglich ist es auch, ein Waferbondverfahren einzusetzen.
7 zeigt als eine weitere Ausführung einer elektroakustischen Struktur 71, die auf einer elastischen Folie 78 auf einem Träger 77 angeordnet ist. Zwei Aktoren 72 sind an zwei Enden der Folie befestigt und können diese dehnen, wobei die SAW Struktur ebenfalls gleichförmig expandiert wird. Nicht dargestellt ist wegen der besseren Übersichtlichkeit das piezoelektrische Substrat.
8 zeigt als Ausschnitt eine beispielhafte Realisierungsmöglichkeit eines Teils einer elektroakustischen Struktur, hier eine Wandlers. Die leitfähigen Streifen EL sind hierbei auf einzelnen Trägerelementen TE mit Hilfe eines Isolators IS gegen diesen isoliert aufgebracht und bilden eine Lamellenartige Struktur. Die Trägerelemente dienen hierbei der Stabilisierung des Systems und können gleichzeitig als Elektrode für eine elektrostatische Anpressvorrichtung genutzt werden. Ebenfalls ist es möglich als Träger magnetisierte oder magnetisierbare Elemente zu verwenden. Eine Ausführung des Trägers mit einer integrierten komplexen Elektrodenstruktur (z.B. Polplatten) zur elektrostatischen Positionierung der Elektroden ist ebenfalls möglich.
9 zeigt eine mögliche Ausführungsform von Federelementen FE, welche die einzelnen Trägerelemente TE miteinander verbinden. Die Federelemente können an den in 8 seitlichen Stirnseiten der Trägerelemente angeordnet und z.B. in Form U-förmiger Mikrostrukturen ausgebildet sein. Diese können auf einer oder auf zwei Seiten der Trägerelemente gleichsinnig oder alternierend angeordnet sein.
10 zeigt Möglichkeiten der relativ zueinander unabhängigen Positionierung einzelner Elektrodenstrukturen bzw. Streifen EL über einen Linearantrieb. Die Streifen EL werden hierbei jede einzeln für sich über einen Linearantrieb positioniert. Der Linearantrieb kann dabei z.B. elektromagnetisch oder elektrostatisch erfolgen. 10a zeigt eine Variante bei der sich die Antriebselemente AE in Positionierrichtung teilweise überlagern. In 10b überlagern sich die Antriebselemente nicht. Ein Streifen EL wird dabei von einem ersten Set von Antriebselementen AE1 erfasst und beispielsweise an ein zweites Set von Antriebselementen AE2 übergeben. Stufenförmig kann er dann über weitere Antriebselemente AEn an eine gewünschte Stelle transportiert werden.
In beiden Varianten ist es möglich einzelne Finger durch z.B. anlegen eines magnetischen Feldes zu bewegen. Im gezeigten Fall wird der Streifen EL1 durch Anlegen eines Feldes an die Pole der Antriebselementen AE1 positioniert. Streifen EL2 wird durch gleichzeitiges Einschalten der Pole der Antriebselementen AE4 und AE5 (10A) bzw. AE3 und AE4 (1B) in einer Zwischenposition gehalten. Eine weitere Feinpositionierung kann erfolgen wenn sich die Feldstärke (magn. oder elektr.) der Pole steuern läßt. Vorteilhafterweise erfolgt die Anordnung der Pole in einer Weise, die einer seitlichen Bewegung der Streifen EL entgegenwirkt, dieser Effekt kann aber auch gezielt genutzt werden um z.B. gleichzeitig die Apertur eines Wandlers zu verändern (z.B. durch zu/abschalten einzelner Elektroden einer Gruppe).
Die Bewegung der Streifen EL erfolgt durch wechselseitiges Umschalten bzw. gleichzeitiges Zuschalten benachbarter Pole. Dieses System ist nicht nur auf die Positionierung von einzelnen Streifen beschränkt sondern kann auch zur Bewegung von miteinander verbundener Streifen oder Elektrodenstrukturen genutzt werden.
11 zeigt die Möglichkeit, die Apertur einer Elektrodenstruktur (Wandler) durch den Einsatz von Aktoren 2 einzustellen. Dies kann einseitig (11A) oder beidseitig (11B) erfolgen. Dazu greift ein Aktor 2 an einer Teilelektrode TEL1 des interdigitalen Wandlers an und zieht sie aus der zweiten Teilelektrode TEL2 heraus, wobei sich die Apertur und so die Überlappung verringert. Gleichzeitig verändert sich dabei auch die Kapazität des Wandlers.
12A zeigt schematisch den Aufbau einer elektrostatischen Anpressvorrichtung im Querschnitt. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird hierbei ein elektrostatisches Feld zwischen einer Gegenelektrode GE und dem Träger (in der Figur in Lamellenform als Trägerelement TE) genutzt um die Elektrodenstreifen EL auf das Substrat SU anzupressen bzw. von diesem abzustoßen. Werden anstelle des Trägers die Elektrodenstreifen für das Feld zum Anpressen/Abstoßen genutzt, so muß die Spannung dem eigentlichen Signal überlagert werden.
12B zeigt das Substrat SU mit der Kontaktelektrode KE, die die einzelnen Elektrodenstreifen kontaktiert und zur Teilelektrode verbindet, in der Draufsicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, daß als Elektrode für das Feld nicht der Träger selbst sondern eine auf seiner Rückseite aufgebrachte Elektrode genutzt wird. Dies ist vor allem bei elastischen und/oder isolierenden Trägern denkbar (z.B. Polymerfolie).
13 zeigt beispielhaft und schematisch die Möglichkeit der Positionierung von Elektrodenstreifen EL, die auf Trägerelementen TE angeordnet sind, durch magnetische Kopplung. In einer möglichen Anordnung ist z.B. ein endständiges Trägerelemente mit einem endständigen Elektrodenstreifen eines Wandlers oder einer Elektrodengruppe fest gelagert, der andere endständige Elektrodenstreifen wird über einen Aktor 2 bewegt. Die dazwischen liegenden Trägerelemente mit Elektrodenstreifen werden sich dann selbst positionieren indem sie sich so anordnen, dass die Abstoßungskräfte minimiert werden. Um zu verhindern dass sich die Trägerelemente unkontrolliert bewegen, können diese in einer Führung FU gelagert sein oder durch andere Maßnahmen (z.B. Scherengitter) in Ihrer Bewegung eingeschränkt werden. Anstelle magnetischer Felder können auch elektrostatische Felder zur Erzeugung der Abstoßungskräfte genutzt werden. In der gezeigten Anordnung werden zur Erzeugung des Magnetfeldes magnetisierte Trägerelemente TE eingesetzt. 13A und 13B zeigen verschiedene durch den Aktor bewirkte Positionierungen in der Draufsicht. 13C zeigt ausschnittsweise einen schematischen Querschnitt durch ein Trägerelement TE und das Substrat SU samt Führung FU.
14 zeigt eine Anordnung, bei der Gruppen von elektroakustischen Strukturen sprich einzelne Wandler oder Reflektoren frei positioniert werden. Durch die Aktoren 2a und 2b können in der dargestellten Anordnung rechter und linker Wandler-Wandler Abstand unabhängig voneinander in der Lage verändert werden. Diese Maßnahme kann mit anderen Modifizierungsmöglichkeiten kombiniert werden (z.B. Aperturänderung). Die Abstände Δl1 und Δl2 können so unabhängig eingestellt bzw. verändert werden. Stellen die elektroakustischen Strukturen Wandler und Reflektoren von SAW Resonatoren dar, können so die Resonanzräume und damit Resonanzfrequenzen verändert werden.
15 zeigt eine Anordnung bei der die Laufstrecke zwischen zwei Wandlern verändert werden kann. Wenn es sich hierbei um z.B. eine metallisierte Laufstrecke handelt, so ermöglichet die Ausführung mit zwei Aktoren, wie dargestellt, gleichzeitig die Veränderung des linken und rechten Abstandes zwischen Laufstrecke und Wandler.
16 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform für eine einstellbare Laufstrecke von einem ersten Wandler W1 über einen Reflektor RF zu einem zweiten Wandler W2. Denkbar ist hier auch die Erweiterung zu einem Z-Weg Filter mit einem oder mehreren beweglichen Reflektoren R. Zumindest eine der Strukturen ist mit einem Aktor beweglich.
17 zeigt in mehreren Ausführungsformen beispielhaft verschiedene Möglichkeiten die Anordnung von Wandlern W zueinander und zur piezoelektrischen Schicht bzw. zum Substrat SU zu verändern. 17a zeigt wie ein zweiter Wandler W2 um einen ersten Wandler W1 geschwenkt werden kann um z.B. die Wellenausbreitungseigenschaften der piezoelektrischen Schicht gezielt nutzen zu können. Alternativ ist es auch möglich piezoelektrische Schicht und darauf fixierten Wandler W1 unter dem Wandler W2 zu bewegen (zu drehen). 17b zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der zusätzlich Wandler 1 gegenüber der piezoelektrischen Schicht gedreht werden kann. 17c zeigt einen Aufbau, bei dem die Ausrichtung einer Gruppe von elektroakustischen Strukturen (Wandler und ggf. Reflektoren) einer akustischen Spur gegenüber der piezoelektrischen Schicht verändert wird, wobei es unerheblich ist ob Spur oder Schicht bewegt werden.
18 zeigt eine Anordnung mit einer feststehenden unteren Elektrodenstruktur, einer darüber liegenden piezoelektrischen Schicht PS und einer darüber beweglich angeordneten oberen Elektrodenstrukturen. Die obere Elektrodenstruktur kann in Ihrer Struktur veränderlich sein, z.B. bezüglich Pitch, Apertur, Chirp oder Fan (Fächerartige Elektrodenstruktur). Gleichzeitig ist es möglich die obere Elektrodenstruktur gegenüber der unteren Elektrodenstruktur drehbar (18C) oder verschiebbar (18B) zu gestalten. Auch eine Kombination dieser Eigenschaften ist möglich.
19 zeigt schematisch den Aufbau einer Elektrodenstruktur mit einseitiger Befestigung der Einzelelektroden (Elektrodenstreifen). Die so gestaltete Anordnung erlaubt die Veränderung des Elektrodenabstandes paralleler Elektrodenstrei fen hin zu einer Fan-Struktur oder Veränderung einer Fan-Struktur bezüglich ihres Öffnungswinkels.
20A und 20B zeigen zwei Stellungen einer mögliche Hebelkonstruktion z.B. in Form einer mikromechanischen Struktur MS die bei seitlich einwirkenden Verstellkräften eine kombinierte Änderung von Pitch und Chirp der Elektrodenstreifen EL einer Elektrodenstruktur bewirkt. Die genauen Einflüsse werden durch die Geometrie der Hebel definiert.
21 zeigt eine Anordnung mit zwei auch unabhängigen auf je einem Träger angeordneten Elektrodenstrukturen, zwischen denen sich eine piezoelektrische Schicht PS befindet. Die Elektrodenstrukturen können beliebig verstellbar sein. Gleichzeitig ist es möglich daß auch die dazwischen liegende piezoelektrische Schicht in Lage und Ausrichtung frei eingestellt werden kann. Diese Anordnung kann genutzt werden um elektroakustische Bauelemente oder Baugruppen aus den Bereichen SAW, BAW und GBAW zu realisieren.
22 zeigt eine Anordnung von Elektrodenstreifen EL, bei denen eine Elektrodenstruktur durch einen Aktor 2b verschoben und eine andere Elektrodenstruktur durch einen Aktor 2a parallelogrammartig gekippt wird. Gleichzeitig ist es möglich daß die Ausrichtung der piezoelektrischen Schicht verändert wird. Dies erlaubt es, die Wellenausbreitung entlang einer anderen Kristallachse der kristallinen piezoelektrischen Schicht zu führen, die andere Eigenschaften aufweisen kann.
23 zeigt Elektrodenstrukturen, bei denen durch den Einsatz von ein oder mehreren Aktoren die Elektrodenform bzw. der Verlauf einzelner Elektrodenstreifen eingestellt wird. Nutzbar ist dies zum Erzielen von Fokussiereffekten. Gleich zeitig ist es möglich daß die Ausrichtung der piezoelektrischen Schicht PS verändert wird.
24 zeigt eine Anordnung von Elektrodenstrukturen, bei denen zumindest eine Elektrodenstruktur mit einem Aktor 2a verschoben und eine andere Elektrodenstruktur mit einem Aktor 2b gedreht wird. Gleichzeitig ist es möglich dass die Ausrichtung der piezoelektrischen Schicht verändert wird.
25 zeigt eine Anordnung von Elektrodenstrukturen, bei der eine Elektrodenstruktur mit einem Aktor 2a gedreht und eine weitere Elektrodenstruktur mit einem Aktor 2b parallelogrammartig deformiert wird. Gleichzeitig ist es möglich daß die Ausrichtung der piezoelektrischen Schicht verändert wird.
26 zeigt beispielhaft eine mögliche Hebelkonstruktion in Form einer mikromechanischen Struktur MS bei der durch einen Aktor 2 über ein Hebelsystem der Pitch p einer elektroakustischen Struktur verändert wird. Anstelle der mikromechanischen Struktur ist auch der Einsatz einer viskosen Trägerschicht (z.B. ein entsprechend viskoses bzw. elastisch verformbares Polymer) möglich, wobei die Veränderung der Dicke zu einer Änderung in der Breite und damit des Pitches p der elektroakustischen Struktur führt.
27 zeigt eine weitere mögliche Hebelkonstruktion z.B. in Form einer mikromechanischen Struktur MS zur Veränderung der Abstände der Elektrodenstreifen EL in einer elektroakustischen Struktur. Hierbei greifen ein oder mehrere Aktoren 2 seitlich der Spur an der Hebelkonstruktion MS an. Anstelle des Hebelsystems können auch hier viskose Materialien eingesetzt werden (z.B. ein entsprechendes Polymer).
28 zeigt eine Anordnung zur Abstimmung eines Bulkresonators, also eines mit BAW arbeitenden elektroakustischen Bauelements. Über einen Aktor 2 kann z.B. die piezoelektrische Schicht PS, die wie hier gezeigt verschiedene Dicken aufweist, gegenüber den Elektroden E1, E2 verschoben werden. In einer weiteren Ausführung ist es möglich, dass die Elektroden E gegenüber der piezoelektrischen Schicht PS bewegt werden. Auch ist es möglich, die eine Elektrode ganzflächig auszuführen und nur die Position der verbleibenden Elektrode gegenüber der piezoelektrischen Schicht zu verändern, wobei es egal ist ob piezoelektrische Schicht oder Elektrode E bewegt werden.
29 zeigt eine Anordnung bei der die Abstimmung durch Dickenänderung der piezoelektrischen Schicht PS durch das Einwirken seitlicher Kräfte (dehnen, stauchen, verzerren) mittels eines Aktors 2 in die piezoelektrische Schicht PS erfolgt.
30 zeigt eine Anordnung, bei der ein BAW Bauelement, z.B. ein FBAR Bauelement, in seinen Eigenschaften durch vertikal auf die Elektrode E einwirkende Kräfte (mittels Erhöhung oder Verringerung des Anpressdrucks) abgestimmt wird.
31 zeigt eine weitere Möglichkeit der Abstimmung eines BAW-Bauelements. Hierbei wird eine bestehende Elektrodenstruktur oder eine einzelne Elektrode E mittels eines Aktors 2 mit einer zusätzlichen Masse M beaufschlagt. Dabei kann es sich lediglich, wie dargestellt, um eine Masse als auch um mehrere gleichzeitig einwirkende oder gegeneinander austauschbare Massen handeln. Alternativ ist es auch möglich, mehrere unterschiedlich schwere Elektroden zu verwenden die abwechselnd eingesetzt werden.
Die Erfindung ist auch nicht auf die nur beispielhaft dargestellten Elektrodenstrukturen und Anordnungen von Elektrodenstrukturen und Aktoren beschränkt. Mit der Erfindung ist es vielmehr möglich, beliebigen Anordnungen elektrisch leitfähiger Strukturen einer Expansion oder Kontraktion zu unterziehen und, wobei die Abstände der elektrisch leitfähigen Strukturen verändert werden. Diese wiederum können frequenzbestimmend für die Mittenfrequenz einer elektroakustischen Struktur oder eines elektroakustischen Bauelements sein. Mit der Erfindung gelingt es daher beispielsweise, ein komplettes SAW-Filter aus derartigen abstimmbaren elektroakustischen Strukturen auszubilden. Ein solches SAW-Filter kann dann in einem weiten Bereich abstimmbar sein und beispielsweise mit den abstimmbaren elektroakustischen Strukturen sowohl im Ein-Gigahertzbereich als auch im Zwei-Gigahertzbereich betrieben werden. Ein abstimmbares Filter hat den weiteren Vorteil, dass es nicht die definierte Bandbreite eines Übertragungsstandards aufweisen muss, da es direkt auf eine gewünschte Frequenz abstimmbar ist. Die natürliche Bandbreite des Filters kann dabei wesentlich geringer sein, als die Bandbreite eines zur Signalübertragung genutzten Frequenzbandes innerhalb eines Übertragungssystems. Ein schmalbandiges Filter kann dementsprechend auch mit steileren Flanken des Passbandes hergestellt werden, sodass sich mit dem erfindungsgemäßen SAW-Bauelement eine gute Selektivität bezüglich der gewünschten Mittenfrequenz erreichen lässt. Mit einem Aktor der eine definierte Auslenkung ermöglicht und einer exakten Mikrostrukturierung kann ein erfindungsgemäßes Bauelement und insbesondere ein erfindungsgemäßes Filter in ausreichender Genauigkeit hergestellt werden und erfordert keinen zusätzlichen Trimmprozess.
Ein erfindungsgemäßes SAW-Bauelement kann auch als Sensor ausgebildet sein, beispielsweise zum Nachweis von Erschütterungen oder sonstigen Beschleunigungen. Solche Sensoren können beispielsweise als Beschleunigungs-/Verzögerungssensor oder als Gyrosensor eingesetzt werden. Durch Abstimmung des Sensors auf eine gewünschte Mittenfrequenz können unterschiedliche Frequenzen, die unterschiedlichen Beschleunigungen zuzuordnen sind, detektiert werden.
Mit der Erfindung gelingt es auch, den Temperaturgang von elektroakustischen Bauelementen zu kompensieren, indem eine durch Temperaturveränderung bedingte Expansion oder Kontraktion einer elektroakustischen Struktur mittels eines Aktors gegenläufig kontrahiert oder expandiert wird. Wird ein Aktor eingesetzt, der allein durch die Temperaturveränderung eine gegenläufige Auslenkung zeigt, kann dies automatisch ohne äußere Steuerung erfolgen.
Die Erfindung ist auch nicht auf die beispielhaft angegebenen Materialien für Träger und piezoelektrisches Substrat oder für die mikromechanische Struktur beschränkt. Erfindungsgemäße Bauelemente können auf Waferebene gefertigt werden, wobei auch die Mikrostrukturierungstechniken großflächig für eine Vielzahl von Bauelementen parallel eingesetzt werden.
Mit einem in seiner Frequenz abstimmbaren SAW-Bauelement kann die Anzahl von SAW-Bauelementen in einem mit mehreren Frequenzbändern arbeitenden Endgerät der mobilen Kommunikation reduziert werden, da ein als Filter ausgebildetes und in seiner Mittenfrequenz abstimmbares erfindungsgemäßes Bauelement im Prinzip alle Bandpassfilter innerhalb eines solchen Mobilfunkendgerätes ersetzen kann.

1, 21, 71: elektroakustische Struktur
2, 22, 32, 52: Aktor
l1, l2: Länge
Δl: Längenunterschied
31, 51: Streifen
33, 53: Federelement
45: Scherengitter
X: Wellenausbreitungsrichtung
56, 66: Substrat
57, 67, 77: Träger
IS: Isolator
TE: Trägerelement
EL: leitfähige Streifen
AE: Antriebselement
TEL: Teilelektrode
GE: Gegenelektrode
SU: Substrat
KE: Kontaktelektrode
FU: Führung
W: Wandler,
RF: Reflektor
PS: piezoelektrische Schicht
E: Elektrode
M: Masse

Claims

Bauelement, – mit einem Substrat (SU), das eine piezoelektrische Schicht (PS) aufweist, – mit einer elektrisch leitfähigen Struktur (E, EL, l) zur Erzeugung, Leitung oder Reflexion von akustischen Wellen in der piezoelektrischen Schicht, – bei dem die relative geometrische Anordnung der elektrisch leitfähigen Struktur gegenüber der piezoelektrischen Schicht (PS) veränderbar ist.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die elektrisch leitfähige Struktur (E, EL, l) geometrisch in sich veränderbar ist.
Mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, – wobei die akustischen Wellen ausgewählt sind aus Oberflächenwellen – SAW –, geführten Bulkwellen – GBAW – oder Bulkwellen – BAW, – bei dem die elektrisch leitfähige Struktur (E, EL, l) ein Muster von Elektrodenstrukturen (EL) umfasst – bei dem die Elektrodenstrukturen relativ zueinander und relativ zur nahe angeordneten piezoelektrischen Schicht (PS) beweglich angeordnet sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Aktor vorgesehen ist, der die elektrisch leitfähige Struktur (E, EL, 1), das Substrat (SU) oder beides relativ zueinander bewegen kann.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die elektrisch leitfähige Struktur (E, EL, 1) elektroakustische Strukturen für FBAR-, GBAW- oder SAW Bauelemente umfasst, bei dem durch die Auslenkung des Aktors (2) eine Einwirkung auf die elektroakustischen Strukturen (EL) erfolgt, so dass deren vorgegebene Abstände vergrößert oder verkleinert werden können.
Bauelement nach Anspruch 5, bei dem die elektroakustischen Strukturen (EL) über eine mikromechanische Struktur (MS) miteinander verbunden sind.
Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die elektroakustische Struktur (EL) auf einer elastischen Folie (78) angeordnet ist, die mit dem Aktor (2) gedehnt oder gestaucht werden kann.
Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem zumindest ein Teil der elektroakustischen Strukturen (EL) über die mikromechanische Struktur (MS) elektrisch an eine Signalleitung angeschlossen ist.
Bauelement nach Anspruch 8, bei dem die mikromechanische Struktur (MS) als Scherengitter (45) ausgebildet ist.
Bauelement nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die mikromechanische Struktur (MS) in Form von Federelementen (33, 53) ausgebildet ist, die die elektroakustischen Strukturen (EL) miteinander verbinden.
Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem eine Anpressvorrichtung vorgesehen ist, die die elektrisch leitfähigen Strukturen (E, EL, l) an das Substrat (SU) andrücken.
Bauelement nach Anspruch 11, bei dem die Anpressvorrichtung durch ein zu- und wegschaltbares elektrisches oder magnetisches Feld, thermisch, pneumatisch oder hydraulisch gesteuert wird.
Bauelement nach Anspruch 11 oder 12, bei dem mit der Anpressvorrichtung durch eine an die elektrisch leitfähige Struktur (E, EL, 1) angelegte BIAS Vorspannung aktiviert wird.
Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 13, bei dem der Aktor (2) mit einer mikromechanischen Hebelvorrichtung verbunden ist, die die Auslenkung des Aktors modifiziert indem sie sie verstärkt, abschwächt oder nichtlinear beeinflusst.
Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 14, bei dem der Aktor (2) ausgewählt ist aus piezoelektrischer, elektrostriktiver, elektromagnetischer und elektrostatischer Aktor.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, ausgebildet als Transversalfilter.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 16, bei dem die Signallaufzeit durch Bewegung mindestens einer der elektroakustischen Strukturen (E, EL, 1) durch einen Aktor (2) verändert wird.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 17, bei dem die Elektrodenstrukturen (EL) im Muster einzeln beweglich und mittels eines Aktors (2) einzeln positionierbar sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 18, bei dem der Aktor (2) eine Rotationsbewegung initialisiert, die über eine entsprechende mechanische Transmissionsvorrichtung die Lage der Elektrodenstrukturen (EL) oder elektroakustischen Strukturen beeinflusst.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 19, bei dem sich die Elektrodenstrukturen (EL) auf Trägerplatten (TE) befinden, die zueinander durch elektrostatische oder magnetische Kräfte positionierbar sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 20, bei dem die Elektrodenstrukturen (EL) kapazitiv kontaktiert sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 20, bei dem die elektrisch leitfähige Struktur durch Anpressen auf Kontaktelektroden auf dem Substrat (SU) kontaktiert ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei dem die Trägerplatten (TE) für die elektrisch leitfähige Struktur ein Material umfassen, welches durch Anlegen eines elektrischen Feldes seine Ausdehnung ändert.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 23, mit einer fächerartig ausgebildeten mikromechanischen Struktur (MS), durch die die Elektrodenstrukturen (EL) positionierbar sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 24, – bei dem die Elektrodenstrukturen (EL) Finger und Busbars umfassen, bei dem einzelne Finger mit Aktoren (2) verbunden sind, – bei dem einzelne Finger wahlweise dem einen oder anderen Busbar zugeschaltet werden können.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 25, bei dem Gruppen von Elektrodenstrukturen (EL), die SAW-Wandler oder Reflektoren ausbilden, gegeneinander positioniert werden können.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 26, bei dem Gruppen von Elektrodenstrukturen (EL) einen SAW-Wandler ausbilden, bei dem die Apertur des SAW-Wandlers mittels Aktoren (2) variiert werden kann.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 27, bei dem Gruppen von Elektrodenstrukturen (EL) einen SAW-Wandler oder SAW-Reflektoren ausbilden, bei dem die SAW-Struktur gegenüber dem Substrat (SU) rotiert werden kann.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 25, welches Elektrodenstrukturen (EL) auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht (PS) und in oder unter der piezoelektrischen Schicht vergrabenen aufweist, wobei die beiden genannten unterschiedlichen Elektrodenstrukturen gegeneinander bewegt werden können.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 29, bei dem die Elektrodenstrukturen (EL) Finger umfassen, deren Form einzeln veränderbar ist, wobei die Finger bogenförmig gespreizt oder gestaucht werden.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 29, bei dem Gruppen von Elektrodenstrukturen (EL) einen SAW-Wandler oder einen SAW-Reflektor ausbilden, bei dem Aktoren (2) und ein Hebelsystem vorgesehen sind, wodurch Pitch und Chirp gleichzeitig veränderbar sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 32, bei dem verschiedene Möglichkeiten der Geometrieänderung kombiniert sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 32, bei dem durch Änderung der Anpresskraft der Elektrodenstrukturen (EL) auf die piezoelektrische Schicht (PS) eine Änderung der Kopplung der Elektrodenstrukturen (EL) mit der piezoelektrischen Schicht und/oder eine Änderung der Frequenzlage erreicht wird.
Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 33, bei dem verschieden schwere oder verschieden breite Elektrodenstrukturen (EL) vorgesehen sind, zwischen denen umgeschaltet werden kann oder bei denen die Massebelastung oder elektrische Belastung je Elektrode (E) gezielt beeinflusst werden kann.
Verfahren zur Frequenzabstimmung eines SAW, BAW oder GBAW Bauelements, bei dem das Bauelement eine piezoelektrische Schicht (PS) und ein Muster von leitfähigen Elektrodenstrukturen (EL) mit vor gegebenen Abständen zueinander aufweist, wobei diese Abstände die Frequenz des Bauelements bestimmen, bei dem mit Hilfe eines Aktors (2) auf die SAW oder GBAW Struktur so eingewirkt wird, dass sich die Abstände der Elektrodenstrukturen verändern.
Verfahren nach Anspruch 35, bei dem die Auslenkung des Aktors (2) über eine als mikromechanische Struktur (MS) ausgebildete Hebelvorrichtung modifiziert und in eine Expansion oder Kompression der SAW oder GBAW Struktur übersetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 35 oder 36, bei dem nach der Einstellung der Abstände der Elektrodenstrukturen (EL) an diese eine BIAS Vorspannung relativ zum Substrat (SU) angelegt wird, so dass die Elektrodenstrukturen (EL) hin zum Substrat gezogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 37, bei dem an den Aktor (2) eine Steuerspannung angelegt wird, die einer bestimmten Auslenkung des Aktors entspricht, wobei mit Auslenkung ein vorbestimmter Abstand einzelner Elektrodenstrukturen (EL) oder Gruppen von Elektrodenstrukturen verbunden ist, so dass mit der Steuerspannung eine vorgegebene Mittenfrequenz des Bauelements eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 38, bei dem n Aktuatoren (2) eingesetzt werden um die Anordnung der Elektrodenstrukturen (EL) räumlich oder flächig zu modifizieren.