DE102006042616B4

DE102006042616B4 - Wellenleiterbauelemente auf der Grundlage akustischer Oberflächenwellen und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102006042616B4
Application number: DE102006042616A
Authority: DE
Inventors: Sergey Dr. Biryukov; Günter Dr. Martin; Manfred Dr. Weihnacht
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date: 2006-09-04
Filing date: 2006-09-04
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2026-09-05
Also published as: DE102006042616A1; WO2008028879A1; US20100007241A1; US8004147B2; EP2067256A1

Abstract

Wellenleiterbauelement auf der Grundlage akustischer Oberflächenwellen, enthaltend mindestens einen interdigitalen Wandler zur Anregung akustischer Oberflächenwellen in einem piezoelektrischen Substrat oder einer piezoelektrischen Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass der beziehungsweise die interdigitalen Wandler in einem definierten Abstand über dem piezoelektrischen Substrat oder der piezoelektrischen Schicht zur Anregung von Wellenfeldern angeordnet sind, wobei das piezoelektrische Substrat als Ring und die piezoelektrische Schicht als ringförmiger Bereich ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft Wellenleiterbauelemente auf der Grundlage akustischer Oberflächenwellen, enthaltend mindestens einen interdigitalen Wandler zur Anregung akustischer Oberflächenwellen in einem piezoelektrischen Substrat oder einer piezoelektrischen Schicht. Die Bauelemente sind beispielsweise als Resonatoren, Filter, Oszillatoren und Sensoren verwendbar.
Es sind bereits Bauelente auf der Grundlage akustischer Oberflächenwellen mit einem piezoelektrischen Substrat oder einer piezoelektrischen Schicht bekannt, bei denen Eingangs- und Ausgangswandler konzentrische Kreise bilden, wobei die Kreise wegen der notwendigen elektrischen Anschlüsse insbesondere des innen positionierten Wandlers nicht geschlossen sind ( DE 2 018 590 C ). Hierbei handelt es sich um Verzögerungsleitungen. Die kreisförmige Struktur der Wandler sorgt dafür, dass die Betriebsdämpfung der Verzögerungsleitung auch ohne Phasenschiebernetzwerke klein ist.
Bei einer anderen Verzögerungsleitung bildet der Substratkristall ein Zylindroid, auf dessen einer der ebenen Flächen der Eingangs- und der Ausgangswandler so angeordnet sind, dass die Oberflächenwelle erst nach mehreren Umrundungen des Zylindroids auf einem spiralförmigen Weg den Ausgangswandler erreicht ( US 3 815 056 ). Infolge des spiralförmigen Weges ist die Laufzeit der Oberflächenwelle vom Eingangs- zum Ausgangswandler sehr groß, wodurch die von der Verzögerungsleitung bewirkte Signalenverzögerung sehr groß ist.
Es sind auch bereits Wellenleiterbauelemente in verschiedenen Ausführungen bekannt.
Bei einer speziellen Ausführung ist das Substrat piezoelektrisch, und auf seiner Oberfläche ist eine strukturierte Metallschicht aufgebracht. Die Metallschicht ist so strukturiert, dass zwei in Richtung der Zinken nebeneinander angeordnete interdigitale Wandler und vier Reflektoren mit geneigten Reflexionsstreifen ausgebildet sind. Die Wandler und Reflektoren sind in zwei Spuren angeordnet, wobei je ein Wandler und zwei Reflektoren eine Spur bilden. Die Reflektorstreifen sind zu den Wandlerzinken so geneigt, dass die von den Wandlern ausgehenden und von den Reflektoren der jeweils anderen Spur reflektierten Oberflächenwellen durch Reflexion um 90° abgelenkt werden. Infolge der vier Reflektoren entsteht so eine Gesamtablenkung von 360°, und das gesamte Wellenfeld innerhalb der Struktur ist ringförmig (F. Sandy and T. E. Parker: „Surface Acoustic Wave Ring Filter", Proc. 1976 IEEE Ultrasonics Symposium, S. 391–396 sowie auch V. P. Plessky, S. N. Kondratiev, R. Stierlein und F. Nyffeler: „SAW Tags: New Ideas", Proc. 1995 IEEE Ultrasonics Symposium, S. 117–120).
Derartige Wellenleiterbauelemente haben den Nachteil, dass sie mit einem relativ großen Gesamtverlust arbeiten, der im wesentlichen in den vorhandenen Reflektoren begründet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wellenleiterbauelemente der bekannten Art, enthaltend mindestens einen interdigitalen Wandler zur Anregung akustischer Oberflächenwellen in einem piezoelektrischen Substrat oder einer piezoelektrischen Schicht, so zu verändern, dass keine Reflektoren bei sonst gleicher Funktion erforderlich sind.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen enthaltenen Merkmalen gelöst.
Die erfindungsgemäßen Wellenleiterbauelemente sind dadurch gekennzeichnet, dass der beziehungsweise die interdigitalen Wandler

a) in einem definierten Abstand über dem piezoelektrischen Substrat oder der piezoelektrischen Schicht zur Anregung von Wellenfeldern angeordnet sind, oder
b) sich im Kontakt mit dem piezoelektrischen Substrat oder der piezoelektrischen Schicht befinden,

Im Falle der Variante a) sind die interdigitalen Wandler über dem piezoelektrischen Substrat oder der piezoelektrischen Schicht in einem Abstand angeordnet, der kleiner als die Periodenlänge der interdigitalen Wandler ist.
Bei der Variante a) ist der piezoelektrische Ring erfindungsgemäß mit gekrümmten und/oder geraden Kanten begrenzt.
Im Falle der Variante a) ist der ringförmige Bereich der piezoelektrischen Schicht und im Falle der Variante b) der ringförmige Bereich der interdigitalen Wandler und/oder der piezoelektrischen Schicht mit gekrümmten und/oder geraden Linien begrenzt.
Im Falle der Variante a) können die interdigitalen Wandler zum piezoelektrischen Substrat oder der piezoelektrischen Schicht relativ verschiebbar angeordnet sein.
Im Falle der Variante a) können die interdigitalen Wandler vorteilhaft auf einem isotropen Material angeordnet sein.
Im Falle der Variante a) kann ein nichtpiezoelektrisches Substrat verwendet sein, das einen oder mehrere ringförmige piezoelektrische Bereiche aufweist, die durch gekrümmte und/oder gerade Linien begrenzt sind.
Im Falle der Variante b) bilden die interdigitalen Wandler unter Vermeidung von Reflektoranordnungen ringförmige Bereiche, die durch gekrümmte und/oder gerade Linien begrenzt sind.
Im Falle der Variante b) sind bei Vorhandensein mehrerer interdigitaler Wandler diese in Wellenausbreitungsrichtung nacheinander angeordnet. Sie bilden dabei ringförmige Bereiche, die durch gekrümmte und/oder gerade Linien begrenzt sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Wellenleiterbauelement können einer oder mehrere Einphasen- oder Mehrphasen-Unidirektionalwandler als interdigitale Wandler vorhanden sein.
Erfindungsgemäß können an die interdigitalen Wandler ein aus mehreren Komponenten bestehendes Wechselfeld angelegt sein, deren Phasen gegeneinander verschoben sind.
Im Falle der Variante b) mit einem ringförmigen interdigitalen Wandler kann das piezoelektrische Substrat eine Scheibe eines Kristalls mit hexagonaler Symmetrie sein, wobei die Normale der Substratoberfläche und die hexagonale Achse zueinander parallel sind.
Im Falle der Variante b) können die interdigitalen Wandler ringförmig vorteilhaft in Gestalt eines Kreises, einer Ellipse oder eines Polygons ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß sind die Schichtdicke der interdigitalen Wandler und/oder der Werkstoff des piezoelektrischen Substrats und der piezoelektrischen Schicht so gewählt, dass die Phasengeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen innerhalb des ringförmigen Bereiches der piezoelektrischen Schicht und innerhalb des ringförmigen Bereiches der interdigitalen Wandler kleiner ist als außerhalb dieser Bereiche.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist die Metallschichtdicke der Finger der interdigitalen Wandler größer oder kleiner als die Schichtdicke der die Finger verbindenden Metallschicht.
Die piezoelektrische Schicht kann auf einem isotropen Material angeordnet sein.
Bei Vorhandensein von mehreren interdigitalen Wandlern in verschiedenen ringförmigen Bereichen sollten diese so dicht benachbart angeordnet sein, dass sich deren Wellenfelder teilweise überlagern. Dies ist realisierbar, indem von wenigstens einem der ringförmig ausgebildeten interdigitalen Wandler wenigstens ein weiterer ringförmiger interdigitaler Wandler umschlossen wird.
Die dargestellten Wellenleiterbauelemente sind als Resonator, Filter, Oszillator oder Bewegungssensor verwendbar.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von mehreren Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Beispiel 1
Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf 1.
Hierbei ist die Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats 1 mit hexagonaler Symmetrie der Kristallklasse 6 mm, z. B. Aluminiumnitrid, mit einer Aluminiumschicht mit einer Schichtdicke h beschichtet, die, auf die Wellenlänge λ bezogen, h/λ = 0,05 beträgt. Die ringförmige Struktur 2 ist durch Strukturierung dieser Aluminiumschicht hergestellt worden. Das Substrat 1 ist so geschnitten, dass die hexagonale Achse des Substratkristalls senkrecht zur Substratoberfläche gerichtet ist. Die ringförmige Struktur 2 hat die Form eines Kreises und umfasst die kreisförmigen Sammelelektroden 3 und 4 sowie das Zinkengebiet 5 mit den Zinken 6. Die Sammelelektroden 3; 4 werden durch konzentrische Kreise begrenzt, deren gemeinsamer Mittelpunkt der Punkt M ist. Die Sammelelektroden 3; 4, und das Zinkengebiet 5 mit den Zinken 6 bilden einen interdigitalen Wandler. Die Zinken 6 des Zinkengebietes 5 zeigen zum Mittelpunkt M. Die Sammelelektroden 3; 4 sind an den elektrischen Eingang angeschlossen, der von den Anschlüssen 7; 8 gebildet wird. Die Struktur 2 mit den Anschlüssen 7; 8 stellt einen Eintorresonator dar. Das Zinkengebiet 5 ist im Zusammenwirken mit den Sammelelektroden 3; 4 ein Wellenleiter für akustische Oberflächenwellen. Dieser führt die Wellen auf einer kreisförmigen Bahn, so dass zur Erzeugung stehender Wellen keine Reflektoren erforderlich sind.
Beispiel 2
Dieses Ausführungsbeispiel wird anhand der 2 beschrieben.
Hierbei ist die Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats 1 mit hexagonaler Symmetrie der Kristallklasse 6 mm, z. B. Aluminiumnitrid, mit einer Aluminiumschicht mit einer Schichtdicke h beschichtet, die, auf die Wellenlänge λ bezogen, h/λ = 0,05 beträgt. Die ringförmige Struktur 2 ist durch Strukturierung dieser Aluminiumschicht hergestellt worden. Das Substrat 1 ist so geschnitten, dass die hexagonale Achse des Substratkristalls senkrecht zur Substratoberfläche gerichtet ist. Die ringförmige Struktur 2 hat die Form eines Kreises und umfasst die Sammelelektroden 31 und 41, 32 und 42 sowie die Zinkengebiete 51; 52. Die Begrenzungen der Sammelelektroden 31; 41; 32; 42 sind Kreisbögen, die miteinander, von schmalen Unterbrechungen abgesehen, konzentrische Kreise um den Mittelpunkt M bilden. Die Sammelelektroden 31; 41 und das Zinkengebiet 51 mit den Zinken 61 bilden einen interdigitalen Wandler. Einen zweiten interdigitalen Wandler bilden die Sammelelektroden 32; 42 und das Zinkengebiet 52 mit den Zinken 62. Die Zinken 61; 62 des Zinkengebietes 51 bzw. 52 zeigen zum Mittelpunkt M. Die Sammelelektroden 31; 41 und 32; 42 sind an den elektrischen Eingang bzw. Ausgang angeschlossen, der von den Anschlüssen 7; 8 bzw. 9; 10 gebildet wird. Die Struktur 2 mit den Anschlüssen 7; 8 sowie 9; 10 stellt einen Zweitorresonator dar. Die Zinkengebiete 51 und 52 sind im Zusammenwirken mit den Sammelelektroden 31; 32 und 41; 42 ein Wellenleiter für akustische Oberflächenwellen. Dieser führt die Wellen auf einer kreisförmigen Bahn, so dass zur Erzeugung stehender Wellen keine Reflektoren erforderlich sind.
Beispiel 3
Dieses Ausführungsbeispiel betrifft die 3.
Hierbei ist die Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats 1 mit hexagonaler Symmetrie der Kristallklasse 6 mm, z. B. Aluminiumnitrid, mit einer Aluminiumschicht mit einer Schichtdicke h beschichtet, die, auf die Wellenlänge λ bezogen, h/λ = 0,05 beträgt. Die ringförmige Struktur 2 ist durch Strukturierung dieser Aluminiumschicht hergestellt worden. Das Substrat 1 ist so geschnitten, dass die hexagonale Achse des Substratkristalls senkrecht zur Substratoberfläche gerichtet ist. Die ringförmige Struktur 2 hat die Form eines gleichseitigen Sechsecks als Beispiel für ein Polygon und umfasst die sechseckigen Sammelelektroden 3 und 4 sowie das Zinkengebiet 5 mit den Zinken 6. Die Sammelelektroden 3; 4 werden durch konzentrische Sechsecke begrenzt, deren gemeinsamer Mittelpunkt der Punkt M ist. Jeweils gegenüber liegende Eckpunkte der sechseckigen Begrenzungen der Sammelelektroden 3; 4 sind durch die geraden Linien 21 bis 26, die auch durch den Mittelpunkt M verlaufen, miteinander verbunden. Die Sammelelektroden 3; 4, und das Zinkengebiet 5 mit den Zinken 6 bilden einen interdigitalen Wandler. Die Sammelelektroden 3; 4 sind an den elektrischen Eingang angeschlossen, der von den Anschlüssen 7; 8 gebildet wird. Die Struktur 2 mit den Anschlüssen 7; 8 stellt einen Eintorresonator dar. Das Zinkengebiet 5 ist im Zusammenwirken mit den Sammelelektroden 3; 4 ein Wellenleiter für akustische Oberflächenwellen. Dieser führt die Wellen auf einer geschlossenen sechseckigen Bahn, so dass zur Erzeugung stehender Wellen keine Reflektoren erforderlich sind.
Beispiel 4
Dieses Ausführungsbeispiel wird anhand der 4 erläutert.
Hierbei ist die Oberfläche eines nichtpiezoelektrischen Substrats 1 mit einer piezoelektrischen Schicht mit hexagonaler Symmetrie der Kristallklasse 6 mm, z. B. Aluminiumnitrid, beschichtet. Die piezoelektrische Schicht ist so strukturiert, dass sie einen kreisförmigen Ring 2 bildet. Die Grenzen des kreisförmigen Rings 2 sind konzentrische Kreise mit dem Mittelpunkt M. Über dem kreisförmigen Ring 2 ist ein zweites nichtpiezoelektrisches Substrat 3 angeordnet. Die Oberfläche des Substrats 3, die dem Substrat 1 und dem kreisförmigen Ring 2 zugewandt ist, trägt die interdigitale Struktur 4, die eine strukturierte Metallschicht ist und aus den Sammelelektroden 5; 6 und dem Zinkengebiet 7 mit den Zinken 8 besteht. Die Sammelelektroden 5; 6 sind kreisbogenförmig begrenzt. Die entsprechenden Vollkreise haben denselben Mittelpunkt M wie die Grenzen des kreisförmigen Rings 2. Alle Strukturelemente, die auf der dem kreisförmigen Ring 2 zugewandten Oberfläche des Substrats 3 angeordnet sind, sind in 4 als dünne Linien dargestellt. Die Oberfläche der interdigitalen Struktur 4 und die Oberfläche des kreisförmigen Rings 2 bilden einen Spalt, dessen Breite kleiner ist als die Länge einer Periode des Zinkengebietes 7. Die interdigitale Struktur 4 bildet zusammen mit demjenigen Teil des kreisförmigen Rings 2, der unter der interdigitalen Struktur 4 positioniert ist, einen interdigitalen Wandler, weil nur infolge des Eindringens des von der interdigitalen Struktur 4 erzeugten elektrischen Feldes in den aus einer piezoelektrischen Schicht bestehenden kreisförmigen Ring 2 akustische Oberflächenwellen im Gebiet des kreisförmigen Rings 2 angeregt werden. Der kreisförmige Ring 2 ist ein Wellenleiter für akustische Oberflächenwellen. Dieser führt die Wellen auf einer kreisförmigen Bahn, so dass zur Erzeugung stehender Wellen keine Reflektoren erforderlich sind. Um die interdigitale Struktur 4 an den Eingang mit den Anschlüssen 11; 12 ohne Behinderung durch den engen Spalt anschließen zu können, sind auf der Oberfläche des Substrats 3, die dem kreisförmigen Ring 2 zugewandt ist, die Leiterbahnen 9; 10, die mit den Sammelelektroden 5; 6 verbunden sind, nach außen geführt. Die gesamte Anordnung stellt einen Eintorresonator dar.

Claims

Wellenleiterbauelement auf der Grundlage akustischer Oberflächenwellen, enthaltend mindestens einen interdigitalen Wandler zur Anregung akustischer Oberflächenwellen in einem piezoelektrischen Substrat oder einer piezoelektrischen Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass der beziehungsweise die interdigitalen Wandler in einem definierten Abstand über dem piezoelektrischen Substrat oder der piezoelektrischen Schicht zur Anregung von Wellenfeldern angeordnet sind, wobei das piezoelektrische Substrat als Ring und die piezoelektrische Schicht als ringförmiger Bereich ausgebildet ist.
Wellenleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die interdigitalen Wandler über dem piezoelektrischen Substrat oder der piezoelektrischen Schicht in einem Abstand angeordnet sind, der kleiner als die Periodenlänge der interdigitalen Wandler ist.
Wellenleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Bereich der piezoelektrischen Schicht mit gekrümmten und/oder geraden Linien begrenzt ist.
Wellenleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die interdigitalen Wandler zum piezoelektrischen Substrat oder der piezoelektrischen Schicht relativ verschiebbar angeordnet sind.
Wellenleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die interdigitalen Wandler auf einem isotropen Material angeordnet sind.
Wellenleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein nichtpiezoelektrisches Substrat verwendet ist, das einen oder mehrere ringförmige piezoelektrische Bereiche aufweist, die durch gekrümmte und/oder gerade Linien begrenzt sind.
Wellenleiterbauelement auf der Grundlage akustischer Oberflächenwellen, enthaltend mindestens einen interdigitalen Wandler zur Anregung akustischer Oberflächenwellen in einem piezoelektrischen Substrat oder einer piezoelektrischen Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass der beziehungsweise die interdigitalen Wandler sich im Kontakt mit dem piezoelektrischen Substrat oder der piezoelektrischen Schicht befinden, und die interdigitalen Wandler und/oder die piezoelektrische Schicht ringförmige Bereiche bilden.
Wellenleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Bereich der interdigitalen Wandler und/oder der piezoelektrischen Schicht mit gekrümmten und/oder geraden Linien begrenzt ist.
Wellenleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die interdigitalen Wandler unter Vermeidung von Reflektoranordnungen ringförmige Bereiche bilden, die durch gekrümmte und/oder gerade Linien begrenzt sind.
Wellenleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorhandensein mehrerer interdigitaler Wandler diese in Wellenausbreitungsrichtung nacheinander angeordnet sind und dabei ringförmige Bereiche bilden, die durch gekrümmte und/oder gerade Linien begrenzt sind.
Wellenleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorhandensein eines ringförmigen interdigitalen Wandlers das piezoelektrische Substrat eine Scheibe eines Kristalls mit hexagonaler Symmetrie ist und die Normale der Substratoberfläche und die hexagonale Achse zueinander parallel sind.
Wellenleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die interdigitalen Wandler ringförmig in Gestalt eines Kreises, einer Ellipse oder eines Polygons ausgebildet sind.
Wellenleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorhandensein von mehreren interdigitalen Wandlern in verschiedenen ringförmigen Bereichen diese so dicht benachbart angeordnet sind, dass sich deren Wellenfelder teilweise überlagern.
Wellenleiterbauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der ringförmig ausgebildeten interdigitalen Wandler von wenigstens einem weiteren ringförmigen interdigitalen Wandler umschlossen wird.
Wellenleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere Einphasen- oder Mehrphasen-Unidirektionalwandler als interdigitale Wandler vorhanden sind.
Wellenleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass an die interdigitalen Wandler ein aus mehreren Komponenten bestehendes Wechselfeld angelegt ist, deren Phasen gegeneinander verschoben sind.
Wellenleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der interdigitalen Wandler und/oder der Werkstoff des piezoelektrischen Substrats und der piezoelektrischen Schicht so gewählt sind, dass die Phasengeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen innerhalb des ringförmigen Bereiches der piezoelektrischen Schicht und innerhalb des ringförmigen Bereiches der interdigitalen Wandler kleiner ist als außerhalb dieser Bereiche.
Wellenleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschichtdicke der Finger der interdigitalen Wandler größer oder kleiner ist als die Schichtdicke der die Finger verbindenden Metallschicht.
Wellenleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Schicht auf einem isotropen Material angeordnet ist.
Verwendung des Wellenleiterbauelements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19 als Resonator, Filter oder Oszillator.
Verwendung des Wellenleiterbauelements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19 als Bewegungssensor.