DE102006047698A1

DE102006047698A1 - Mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator

Info

Publication number: DE102006047698A1
Application number: DE102006047698A
Authority: DE
Inventors: Edgar Dr. Schmidhammer
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2006-10-09
Filing date: 2006-10-09
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2026-10-10
Also published as: US20080084136A1; US7541717B2; DE102006047698B4

Abstract

Es wird ein mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator mit einem Resonatorbereich (1) angegeben, der zwei Elektroden (11, 13) und eine zwischen diesen angeordnete piezoelektrische Schicht (12st eine Nut (4) ausgebildet, die einen elektroakustischen aktiven Bereich der piezoelektrischen Schicht (12) zumindest teilweise umgibt.

Description

Ein mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator ist beispielsweise aus der Druckschrift WO 01/06647 A1 bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen verlustarmen akustischen Volumenwellen arbeitenden Resonator anzugeben.
Es wird ein mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator mit einem Resonatorbereich angegeben, der zwei Elektroden und eine zwischen diesen angeordnete piezoelektrische Schicht umfasst. In der piezoelektrischen Schicht ist eine Nut ausgebildet, die einen elektroakustisch aktiven Bereich der piezoelektrischen Schicht zumindest teilweise umgibt.
Die piezoelektrische Schicht erstreckt sich in einer Lateralebene vorzugsweise über die Grundfläche der Elektroden hinaus. Unter einem aktiven Bereich versteht man einen zwischen den Elektroden angeordneten Bereich der piezoelektrischen Schicht, in dem eine akustische Welle durch ein elektrisches Signal angeregt wird.
Die Polarisationsrichtung der piezoelektrischen Schicht ist durch die Ausrichtung ihrer piezoelektrischen Achse charakterisiert, die vorzugsweise im Wesentlichen vertikal ausgerichtet ist. Bereits durch eine leicht Verkippung der Piezoachse um nur wenige Grade können in der Piezoschicht Lateralmoden (Schermoden) angeregt werden, die sich in einer Lateralebene ausbreiten und damit aus dem aktiven Resonatorbereich nach außen laufen, was zu Energieverlusten und folglich zu einer höheren Signaldämpfung im Resonator führen kann.
Eine im aktiven Bereich angeregte Wellenmode ist in der Nut nicht mehr ausbreitungsfähig. Eine laterale Wellenmode, die auf eine Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht und der Nut trifft, wird daher im Wesentlichen vollständig zurück reflektiert und bleibt somit innerhalb des aktiven Bereichs.
Durch die Nut kann die Ausbreitung lateraler Wellenmoden weitestgehend unterbunden werden. Dadurch gelingt es, eine hohe Resonatorgüte zu erzielen. Außerdem gelingt es, den angegebenen Resonator durch die Nut von benachbarten Resonatoren akustisch zu entkoppeln.
Dadurch gelingt es, in einem HF-Filter, das mit akustischen Volumenwellen arbeitende Resonatoren umfasst, im Passband eine Welligkeit der Übertragungsfunktion zu reduzieren und besonders steile Flanken am Rande des Passbands zu erzielen. Insbesondere gelingt es, eine Nahselektion des Filters zu verbessern.
Die Nut schneidet in einer Variante die piezoelektrische Schicht nur bis zu einer bestimmten Tiefe an. Die Tiefe der Nut beträgt vorzugsweise mindestens 50% der Dicke der piezoelektrischen Schicht. In einem unterhalb der Nut angeordneten Bereich der piezoelektrischen Schicht ist die Grenzfrequenz für eine akustische Mode aufgrund einer kleineren Materialbelastung höher als im aktiven Bereich der piezoelektrischen Schicht. Daher ist eine im aktiven Bereich angeregte Wellenmode unterhalb der Nut nicht ausbreitungsfähig und wird dort exponentiell gedämpft.
In einer weiteren Variante wird die piezoelektrische Schicht durch die Nut durchgeschnitten, wobei die Tiefe der Nut min destens so groß ist wie die Dicke der piezoelektrischen Schicht.
Der Resonator umfasst in einer vorteilhaften Variante einen akustischen Spiegel, der mit dem Resonatorbereich fest verbunden ist. Der Spiegel ist vorzugsweise zwischen dem Resonatorbereich und einem Trägersubstrat angeordnet.
Der akustische Spiegel umfasst mindestens zwei Spiegelschichten mit voneinander unterschiedlichen akustischen Impedanzen. Der Spiegel kann auch mehr als zwei Schichten umfassen, wobei die Schichten mit einer relativ hohen und relativ niedrigen akustischen Impedanz abwechselnd angeordnet sind.
Die Dicke der Spiegelschichten beträgt vorzugsweise im Wesentlichen eine Viertelwellenlänge (oder ein ganzzahliges Vielfaches davon) bei der Resonanzfrequenz des Resonators.
Die Nut kann so tief ausgebildet sein, dass sie zumindest die oberste Spiegelschicht anschneidet oder durchschneidet. Möglich ist aber auch, dass mindestens zwei Spiegelschichten durch die Nut betroffen sind.
Die Nut ist vorzugsweise in einem Ätzverfahren erzeugt. Dabei kommt ein Trockenätzen oder ein Nassätzen in Betracht. Die Nut kann im Prinzip mithilfe eines Lasers erzeugt werden. Die Form der Nut, insbesondere die Schräge deren Wände, hängt vom zur Erzeugung der Nut angewandten Verfahren ab. Die Nut kann einen V-förmigen Querschnitt aufweisen. Als besonders vorteilhaft wird eine Nut mit relativ steilen Seitenwänden betrachtet. Die Nut kenn beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt oder einen Querschnitt in Form einer Trapez auf weisen. Die Breite der Nut, ihre Tiefe und/oder ihre Form kann im Prinzip beliebig sein.
Die piezoelektrische Schicht umfasst vorzugsweise AlN.
Die Nut ist in einer Variante zumindest teilweise mit einem Füllmaterial gefüllt, das dielektrisch, aber nicht piezoelektrisch ist, so dass im Bereich der Nut keine akustische Welle angeregt werden kann. Das Füllmaterial ist vorzugsweise elastisch. Damit wird eine herauslaufende Welle gedämpft.
Die Nut bleibt in einer weiteren Variante ungefüllt bzw. mit Luft gefüllt.
Innerhalb eines von der Nut zumindest teilweise umgrenzten Bereichs der piezoelektrischen Schicht beträgt ein Verkippungswinkel der piezoelektrischen Achse vorzugsweise nicht mehr als 2°. Außerhalb des von der Nut begrenzten Bereichs der Piezoschicht ist der Verkippungswinkel vorzugsweise größer als 2°. Je größer der Verkippungswinkel in einem bestimmten Bereich der Piezoschicht ist, desto stärker werden dort laterale akustische Moden angeregt. Durch die Nut wird ein elektroakustisch aktiver Bereich der Piezoschicht, der bezüglich der Ausrichtung der Piezoachse relativ homogen ist, von einem außen liegenden Bereich dieser Schicht abgegrenzt, in dem relativ starke Lateralwellenmoden anregbar sind.
Der Resonator mit einer Nut ist anhand einer schematischen und nicht maßstabgetreuen Figur erläutert. Diese zeigt einen Resonatorbereich 1, einen akustischen Spiegel 2 und ein Trägersubstrat 3.
Der Resonatorbereich 1 umfasst Elektroden 11, 12 und eine zwischen diesen angeordnete piezoelektrische Schicht 12 beispielsweise aus AlN. Die Ausrichtung der Piezoachse der Piezoschicht 12 ist mit Pfeilen angedeutet.
Der Spiegel 2 ist zwischen dem Resonatorbereich 1 und dem Trägersubstrat 3 angeordnet. Der Spiegel umfasst zwei Spiegelschichten 21, 22 mit voneinander unterschiedlichen akustischen Impedanzen.
Es ist eine V-förmige Nut 4 vorgesehen, die die piezoelektrische Schicht 12 und die untere Elektrode 11 durchschneidet und die oberste Spiegelschicht anschneidet. Die Nut trennt einen aktiven Bereich der piezoelektrischen Schicht, innerhalb dessen die Piezoachse vertikal ausgerichtet ist, von einem außen liegenden Bereich der Piezoschicht, in dem die Piezoachse gekippt ist.
Die Nut ist vorzugsweise umlaufend, d. h. rahmenförmig, ausgebildet. Die Nut kann aber auch mehrere Gräben umfassen, die hintereinander entlang einer Umlaufrichtung um den aktiven Bereich angeordnet sind. Zur Entkopplung von zwei nebeneinander angeordneten Resonatoren ist die Anordnung der Nut in einem zwischen diesen Resonatoren angeordneten Bereich der Piezoschicht im Prinzip ausreichend.
Der angegebene Resonator ist auf das in der Figur gezeigte Ausführungsbeispiel nicht beschränkt. Der Spiegel kann eine beliebige Anzahl von Spiegelschichten aufweisen. Das Material sowie die Zusammensetzung des Trägersubstrats und der Elektroden kann beliebig gewählt sein.

1: Resonatorbereich
11, 13: Elektroden
12: piezoelektrische Schicht
2: akustischer Spiegel
21, 22: Spiegelschichten
3: Trägersubstrat
4: Nut

Claims

Mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator – mit einem Resonatorbereich (1), der zwei Elektroden (11, 13) und eine zwischen diesen angeordnete piezoelektrische Schicht (12) umfasst, – wobei in der piezoelektrischen Schicht (12) eine Nut (4) ausgebildet ist, die einen elektroakustisch aktiven Bereich der piezoelektrischen Schicht (12) zumindest abschnittsweise umgibt.
Resonator nach Anspruch 1, – wobei die Tiefe der Nut (4) mindestens 50% der Dicke der piezoelektrischen Schicht (12) beträgt.
Resonator nach Anspruch 1 oder 2, – mit einem akustischen Spiegel (2), der mit dem Resonatorbereich (1) fest verbunden ist, – wobei der akustische Spiegel (2) mindestens zwei Spiegelschichten (21, 22) mit voneinander unterschiedlichen akustischen Impedanzen aufweist.
Resonator nach Anspruch 3, – wobei die Tiefe der Nut (4) zumindest so groß ist wie Dicke der piezoelektrischen Schicht (12).
Resonator nach Anspruch 3, – wobei die Nut (4) zumindest in die oberste Spiegelschicht (22) eindringt.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, – wobei die Nut (4) in einem Ätzverfahren erzeugt ist.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, – wobei die Nut (4) einen V-förmigen Querschnitt aufweist.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, – wobei die piezoelektrische Schicht (12) AlN umfasst.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, – wobei die Nut (4) mit einem elastischen Material gefüllt ist.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, – wobei innerhalb eines von der Nut (4) zumindest teilweise umgrenzten Bereichs der piezoelektrischen Schicht (12) ein Verkippungswinkel der piezoelektrischen Achse 2° nicht übersteigt.