-
Die
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Elektrotechnik/Elektronik
und betrifft einen Resonator auf der Basis akustischer Oberflächenwellen,
der zwei Einzelresonatoren enthält. Ein solcher erfindungsgemäßer
Doppelresonator kann als Bandpassfilter oder als Komponente von
Bandpassfiltern, als frequenzbestimmende Komponente in Oszillatoren sowie
als Sensor verwendet werden.
-
Es
sind bereits Doppelresonatoren bekannt, die zwei Einzelresonatoren
auf der Basis akustischer Oberflächenwellen enthalten,
die auf einem piezoelektrischen Kristallsubstrat angeordnet sind
und die mindestens einen interdigitalen Wandler enthalten, wobei
die Richtungen senkrecht zur Zinkenrichtung der interdigitalen Wandler
der beiden Einzelresonatoren voneinander verschieden sind.
-
Bei
einer ersten speziellen Ausführung ist der Doppelresonator
auf einem ST-Schnitt von Quarz angeordnet, und die Richtung senkrecht
zu den Zinkenkanten der interdigitalen Wandler eines der Einzelresonatoren
des Doppelresonators ist parallel zur X-Achse von Quarz gerichtet
(
US 4,272,742 , nachstehend
benannt mit [1]). Die X-Achse von Quarz ist mit der Richtung der
zweizähligen Rotationsachse identisch. Demzufolge ist die
Ableitung des Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz 1. Ordnung nach
dem Winkel, den die Richtung senkrecht zu den Zinken der interdigitalen
Wandler mit der X-Achse des Substratkristalls bildet, des betreffenden
Einzelresonators gleich null oder nahezu gleich null. Darüber
hinaus sind die Bedingungen so gewählt, dass der Temperaturkoeffizient
der Resonanzfrequenz 1. Ordnung selbst gleich null oder nahezu gleich
null ist. Der Vorteil dieser Ausrichtung der interdigitalen Wandler
ist deshalb, dass der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz
1. Ordnung nur wenig empfindlich gegenüber Schwankungen
der Richtung senkrecht zu den Zinken der interdigitalen Wandler ist,
z. B. infolge von Fehlern der Ausrichtung der Belichtungsmaske zur
Herstellung der interdigitalen Strukturen. Die Druckschrift [1]
enthält neben Doppelresonatoren auch Doppelverzögerungsleitungen mit
den gleichen Merkmalen wie oben anhand von Doppelresonatoren beschrieben.
Die Druckschrift [1] enthält weiterhin die Lehre, dass
die Differenz der Phase des Doppelresonators/der Doppelverzögerungsleitung
und der Phase eines der Einzelresonatoren/einer der Einzelverzögerungsleitungen
bei einer Bezugstemperatur (Raumtemperatur) 90° betragen
soll. Diese Lehre wird in einer Publikation (
T. I. Browning
and M. F. Lewis, „A novel technique of improving the temperature
stability of SAW/SSBW devices", Proc. IEEE Ultrasonics
Symposium 1978, S. 474–477, nachstehend benannt
mit [2]) mit Erfolg auf eine Doppelverzögerungsleitung
angewandt, indem die Temperaturstabilität der Doppelverzögerungsleitung
im Vergleich zu jeder der Einzelverzögerungsleitungen wesentlich
verbessert wurde. Dieser Befund wurde durch die Anwendung der in
den Druckschriften [1] und [2] vermittelten Lehre bei eigenen Untersuchungen
bestätigt. Die Anwendung dieser Lehre auf Doppelresonatoren
war jedoch nicht erfolgreich. Es wurde auch keine Publikation gefunden,
in der die Anwendung dieser Lehre auf Doppelresonatoren erläutert
wird. Die Nichtanwendbarkeit der Lehre aus den Druckschriften [1]
und [2] auf Resonatoren wird im Folgenden begründet. Diese
Lehre setzt voraus, dass sich die Amplituden der Einzelresonatoren
/ Einzelverzögerungsleitungen an der Mittenfrequenz des Einzelresonators/der
Einzelverzögerungsleitung, dessen/deren Richtung senkrecht
zu den Zinken der interdigitalen Wandler parallel zur X-Achse von ST-Quarz
gerichtet ist, im gesamten betrachteten Temperaturbereich nicht
oder nur sehr wenig ändern. Für Verzögerungsleitungen
ist das leicht erfüllbar, wenn die Bandbreite hinreichend
groß gewählt wird. Da bei Verzögerungsleitungen
Amplitude und Phase unabhängig voneinander eingestellt
werden können, ist die geforderte Phasendifferenz von 90° trotz
gleicher Frequenzlage des Durchlassbereichs beider Einzelverzögerungsleitungen
einstellbar. Die Situation ist bei Resonatoren gänzlich
anders. Die Forderung, dass sich die Amplituden der Einzelresonatoren
an der Frequenz, die an der Bezugstemperatur als Betriebsfrequenz
gewählt wurde, im gesamten betrachteten Temperaturbereich
nicht oder nur sehr wenig ändern, kann bei Resonatoren
dann nicht eingehalten werden, wenn, wie es die meisten Anwendungen
fordern, der Gütefaktor sehr groß (bei 10000) und
die Bandbreite sehr klein ist. Außerdem sind bei Resonatoren
Amplitude und Phase miteinander verknüpft, so dass die
geforderte Phasendifferenz von 90° eine Differenz der Resonanzfrequenzen
der Einzelresonatoren zur Folge hat. Die beschriebenen Resonatoreigenschaften
führen dazu, dass sich die temperaturbedingten Änderungen
der Amplituden der Einzelresonatoren an der Mittenfrequenz des Einzelresonators,
dessen Richtung senkrecht zu den Zinken der interdigitalen Wandler
parallel zur X-Achse von ST-Quarz gerichtet ist, auf die Temperaturabhängigkeit
der Resonanzfrequenz des Doppelresonators so auswirkt, dass dessen
Temperaturstabilität nicht verbessert werden kann.
-
Bei
einer zweiten speziellen Ausführung sind Doppelresonatoren
auf einem ST-Schnitt von Quarz angeordnet, wobei die Richtungen
senkrecht zu den Zinkenkanten der interdigitalen Wandler der Einzelresonatoren
mit der kristallografischen X-Achse von Quarz einen Ausbreitungswinkel
bilden, der zwischen 40° und 45° bzw. 45° und
50° liegt (
DE
10 2006 027 060 A1 , nachstehend benannt mit [3]). Dabei handelt
es sich um Eintorresonatoren. Die Ausbreitungswinkel sind so gewählt,
dass die Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz 1. Ordnung
der Einzelresonatoren entgegengesetzte Vorzeichen haben. Das ist
deshalb möglich, weil in der Nähe des Ausbreitungswinkels
von 45° der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz
1. Ordnung bei Raumtemperatur eine Nullstelle mit Vorzeichenwechsel
hat. Die interdigitalen Wandler der Einzelresonatoren sind parallel
geschaltet. Wie in
G. Martin, R. Kunze und B. Wall, „Temperature-Stable
Double SAW Resonators", IEEE Transactions an Ultrasonics,
Ferroelectrics, and Frequency Control Bd. 55, Nr. 1 (Jan. 2008),
Seiten 199–207 (nachstehend benannt mit [4]),
im Detail gezeigt wird, können auf diese Weise sowohl der
Temperaturkoeffizient der Antiresonanzfrequenz 1. Ordnung als auch
2. Ordnung des Doppelresonators kompensiert werden. Desweiteren wird
gezeigt, dass die Temperaturstabilität der Resonanzfrequenz
des Doppelresonators ohne zusätzliche Bauelemente, z. B.
eine Kapazität in Reihe mit der Parallelschaltung der Einzelresonatoren,
nicht verbessert werden kann.
-
Bei
einer dritten speziellen Ausführung sind Doppel- und Mehrfachresonatoren
auf einem Substrat aus Quarz mit dem Eulerwinkelbereich (0°,
113° ... 135°, 40° ... 49°)
angeordnet (
US 7,042,133
B2 , nachstehend benannt mit [5]). Die Kompensation des Temperaturkoeffizienten
der Frequenz 1. Ordnung als auch 2. Ordnung des Doppelresonators
wird durch Parallelschaltung von Einzelresonatoren mit unterschiedlichen Umkehrtemperaturen
erreicht, die zum Teil oberhalb bzw. unterhalb von Raumtemperatur
liegen. Infolgedessen gibt es Einzelresonatoren mit entgegengesetzten
Vorzeichen des Temperaturkoeffizienten der Frequenz 1. Ordnung.
In der Druckschrift wird nur von „Frequenz” gesprochen.
Ob damit die Resonanz-, die Antiresonanz- oder eine Oszillatorfrequenz
gemeint ist, geht aus der Druckschrift [5] nicht hervor.
-
In
Betracht gezogen wird auch ein Doppelresonator, bei dem zwei Eintorresonatoren
mit unterschiedlichen Richtungen senkrecht zu den Zinkenkanten der
interdigitalen Wandler und entgegengesetzten Vorzeichen des Temperaturkoeffizienten der
Resonanzfrequenz 1. Ordnung in Reihe geschaltet sind. Zu jedem Einzelresonator
ist dort eine Induktivität parallel geschaltet (
DE 10 2004 060 901
A1 , nachstehend benannt mit [6]).
-
Weiterhin
wird ist ein Doppelresonator bekannt, bei dem zwei Zweitorresonatoren
mit unterschiedlichen Richtungen senkrecht zu den Zinkenkanten der
interdigitalen Wandler und entgegengesetzten Vorzeichen des Temperaturkoeffizienten der
Resonanzfrequenz 1. Ordnung eine Kaskade bilden (
DE 10 2004 028 421 A1 ,
nachstehend benannt mit [7]). Dabei ist der Ausgang des ersten Einzelresonators über
zwei elektrische Verbindungen an den Eingang des jeweils zweiten
Einzelresonators angeschlossen. Eine Koppelinduktivität
ist zwischen diese elektrischen Verbindungen geschaltet.
-
Die
Lösung in [1] hat den Nachteil, dass die vermittelte Lehre
nicht auf Resonatoren anwendbar ist. Die Lösungen in [3],
[4], [5], [6] und [7] haben das gemeinsame Merkmal, dass die Richtungen
senkrecht zu den Zinkenkanten der interdigitalen Wandler der Einzelresonatoren
in einem Bereich liegen, wo der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz
1. Ordnung das Vorzeichen wechselt und zwar häufig im Bereich des
Ausbreitungswinkels zwischen 40° und 50°. Der
Nachteil ist, dass dort der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz
oder Antiresonanzfrequenz 1. Ordnung recht stark vom Ausbreitungswinkel
abhängt. Deshalb ist die Temperaturabhängigkeit
der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz sehr empfindlich
gegenüber Schwankungen der Richtung senkrecht zu den Zinkenkanten der
interdigitalen Wandler. Da die Ausrichtung der Belichtungsmaske
auf den Kristallscheiben sowie die Kristallorientierung selbst stets
innerhalb eines Toleranzbereichs liegen, können die dadurch
verursachten Schwankungen der Orientierung der Resonatorstrukturen
auf der Oberfläche der Kristallscheiben zu große
Schwankungen des Temperaturgangs der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz
zur Folge haben. Im Vergleich mit der Lösung in [1] sind
die Lösungen in [3], [4], [5], [6] und [7] auf Resonatoren anwendbar.
-
Die
Erfindung richtet sich auf temperaturstabile Doppelresonator auf
der Basis akustischer Oberflächenwellen, die zwei Einzelresonatoren
enthalten, die auf einem piezoelektrischen Kristallsubstrat angeordnet
sind und die mindestens einen interdigitalen Wandler enthalten,
wobei die Richtungen senkrecht zur Zinkenrichtung der interdigitalen
Wandler der beiden Einzelresonatoren (als Wandlerrichtungen bezeichnet)
voneinander verschieden sind.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Doppelresonatoren, die Einzelresonatoren
mit entgegengesetzten Vorzeichen des Temperaturkoeffizienten der
Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz 1. Ordnung enthalten,
so zu verändern, dass der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz oder
Antiresonanzfrequenz 1. Ordnung nur wenig empfindlich gegenüber
Schwankungen der Richtung senkrecht zu den Zinken der interdigitalen
Wandler ist.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:
- a) mindestens einer der beiden Einzelresonatoren weist
einen Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz
1. Ordnung auf, dessen Ableitung nach dem Winkel, den die Wandlerrichtung
mit einer Rotationsachse des Kristallsubstrats bildet, gleich null
oder beinahe null ist, und
- b) beide Einzelresonatoren unterscheiden sich im Vorzeichen
des Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz
1. Ordnung,
wobei der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz
oder Antiresonanzfrequenz 1. Ordnung derjenige für eine
vorgegebene Bezugstemperatur ist.
-
Der
Vorteil eines Doppelresonators, bei dem die erfindungsgemäße
Kombination dieser Merkmale realisiert ist, gegenüber einem
Doppelresonator nach der Lehre der Druckschrift [3] wird im ersten
Ausführungsbeispiel quantitativ demonstriert.
-
Nach
einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Ableitung des Temperaturkoeffizienten
1. Ordnung der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz nach dem
Winkel, den die Richtung senkrecht zu den Zinken der interdigitalen
Wandler eines der Einzelresonatoren mit einer Rotationsachse des Substratkristalls
bildet, gleich null oder beinahe gleich null sein. Alternativ kann
auch die Ableitung des Temperaturkoeffizienten 1. Ordnung der Resonanzfrequenz
oder Antiresonanzfrequenz nach dem Winkel, den die Richtung senkrecht
zu den Zinken der interdigitalen Wandler des jeweils zweiten Einzelresonators
mit einer Rotationsachse des Substratkristalls bildet, gleich null
oder beinahe gleich null sein.
-
Die
Einzelresonatoren können erfindungsgemäß Eintor-Oberflächenwellenresonatoren
sein, die parallel geschaltet sind.
-
Dabei
kann gemäß der Erfindung bei der Konzipierung
des Bauelementes die Apertur desjenigen Eintor-Oberflächenwellenresonators,
dessen Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz
1. Ordnung kleiner als null ist, bei größerer
Dicke der Elektrodenschicht kleiner gewählt werden, und/oder
es kann die Apertur des Eintor-Oberflächenwellenresonators,
dessen Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz
1. Ordnung größer als null ist, bei größerer
Dicke der Elektrodenschicht größer gewählt werden.
-
Bei
der Parallelschaltung kann erfindungsgemäß auch
die Fingeranzahl des Wandlers desjenigen Eintor-Oberflächenwellenresonators,
dessen Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz
1. Ordnung kleiner als null ist, bei größerer
Dicke der Elektrodenschicht kleiner gewählt werden, und/oder
es kann die Fingeranzahl des Wandlers desjenigen Eintor-Oberflächenwellenresonators,
dessen Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz
1. Ordnung größer als null ist, bei größerer
Dicke der Elektrodenschicht größer gewählt
werden.
-
Die
Einzelresonatoren können erfindungsgemäß auch
Eintor-Oberflächenwellenresonatoren sein, die in Reihe
geschaltet sind.
-
Hierbei
kann erfindungsgemäß bei der Konzipierung des
Bauelementes die Apertur desjenigen Eintor-Oberflächenwellenresonators,
dessen Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz
1. Ordnung kleiner als null ist, bei größerer
Dicke der Elektrodenschicht größer gewählt werden,
und/oder die Apertur des Eintor-Oberflächenwellenresonators,
dessen Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz
1. Ordnung größer als null ist, kann bei größerer
Dicke der Elektrodenschicht kleiner gewählt werden.
-
Auch
bei der Reihenschaltung kann erfindungsgemäß die
Fingeranzahl des Wandlers desjenigen Eintor-Oberflächenwellenresonators,
dessen Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz
1. Ordnung kleiner als null ist, bei größerer
Dicke der Elektrodenschicht größer gewählt
werden, und/oder die Fingeranzahl des Wandlers desjenigen Eintor-Oberflächenwellenresonators, dessen
Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz
1. Ordnung größer als null ist, kann bei größerer
Dicke der Elektrodenschicht kleiner gewählt werden.
-
Alternativ
können nach der Erfindung die Einzelresonatoren auch Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren
sein.
-
Hierfür
ist vorgesehen, dass die Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren
eine Kaskade bilden, wobei der Ausgangswandler des ersten Zweitor-Oberflächenwellenresonator
mit dem Eingangswandler des zweiten Zweitor-Oberflächenwellenresonators
verbunden ist und wobei die miteinander verbundenen Wandler die
Koppelwandler sind.
-
Erfindungsgemäß kann
dabei bei der Konzipierung des Bauelementes die Apertur desjenigen Zweitor-Oberflächenwellenresonators,
dessen Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz
1. Ordnung kleiner als null ist, bei größerer
Dicke der Elektrodenschicht größer gewählt werden,
und/oder es kann die Apertur desjenigen Zweitor-Oberflächenwellenresonators,
dessen Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz
1. Ordnung größer als null ist, bei größerer
Dicke der Elektrodenschicht kleiner gewählt werden.
-
Auch
hierbei kann erfindungsgemäß die Fingeranzahl
des Koppelwandlers desjenigen Zweitor-Oberflächenwellenresonators,
dessen Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz
1. Ordnung kleiner als null ist, bei größerer
Dicke der Elektrodenschicht größer gewählt werden,
und/oder kann die Fingeranzahl des Koppelwandlers desjenigen Zweitor-Oberflächenwellenresonators,
dessen Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz
1. Ordnung größer als null ist, bei größerer
Dicke der Elektrodenschicht kleiner gewählt werden.
-
Das
für den Doppelresonator erfindungsgemäß vorgesehene
Substrat ist vorzugsweise ein Schnitt eines Kristalls der Kristallklasse 32.
-
Dabei
ist es nach der Erfindung vorteilhaft, wenn der Temperaturkoeffizient
der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz 1. Ordnung des als
Substrat verwendeten Kristallschnitts bei einem Winkel ungleich
null, den die Richtung senkrecht zu den Zinken der interdigitalen
Wandler mit der kristallografischen X-Achse des Substratkristalls
bildet, ein relatives Maximum hat.
-
Bei
einem der beiden Einzelresonatoren kann erfindungsgemäß die
Richtung senkrecht zu den Zinkenkanten parallel zur kristallografischen X-Achse
des Substratkristalls gerichtet sein.
-
Erfindungsgemäß kann
bei einem der Einzelresonatoren der Winkel zwischen der Richtung senkrecht
zu den Zinkenkanten der Wandler und der kristallografischen X-Achse
des Substratkristalls gleich oder annähernd gleich dem
Winkel sein, bei dem das Maximum des Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz
oder Antiresonanzfrequenz 1. Ordnung liegt.
-
Vorzugsweise
ist der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz
1. Ordnung derjenige bei Raumtemperatur gewählt.
-
Die
Erfindung ist nachstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen
und drei zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
-
Beispiel 1
-
Das
Beispiel betrifft einen Doppelresonator, der in 1 dargestellt
ist und der mit zwei Eintor-Oberflächenwellenresonatoren
in Parallelschaltung aufgebaut ist.
-
Die
beiden Eintor-Oberflächenwellenresonatoren 2; 3 sind
hierbei auf einem Substrat 1, das ein Schnitt von Quarz
mit den Eulerwinkeln (0°; 125,5°; θ)
ist, angeordnet. Die Eintor-Oberflächenwellenresonatoren 2; 3 sind
zusammengesetzt aus zwei Reflektoren 21; 22 und
einem interdigitalen Wandler 23 bzw. zwei Reflektoren 31; 32 und
einem interdigitalen Wandler 33.
-
Das
in 1 enthaltene Diagramm zeigt den Temperaturkoeffizienten
der Resonanzfrequenz/Antiresonanzfrequenz erster Ordnung (bezeichnet
mit TCF1) als Funktion des 3. Eulerwinkels θ oder theta, auch
Ausbreitungswinkel genannt. Die Dicke der Aluminiumschicht, die
die Wandler 23; 33 und Reflektoren 21; 22; 31; 32 bilden,
beträgt 0,055 der Periodenlänge einer der Wandler 23; 33.
Die Aperturen 24; 34 der Wandler 23; 33 sind
voneinander verschieden. Die Richtung der Sammelelektroden 211; 221; 231; 212; 222; 232 entspricht der
Richtung senkrecht zu den Zinken des Wandlers 23 und der
Streifen der Reflektoren 21; 22 und ist parallel
zur kristallografischen X-Achse, also θ ist hier 0°.
Mit dem Pfeil 26 wird auf die entsprechende Stelle im Diagramm
in 1 hingewiesen. Die Richtung der Sammelelektroden 311; 321; 331; 312; 322; 332 des
Wandlers 33 und der Reflektoren 31; 32 ist
um den Winkel von θ = 40,5° gegenüber
der kristallografischen X-Achse geneigt. Mit dem Pfeil wird auf
die entsprechende Stelle im Diagramm in 1 hingewiesen.
-
Wie
das Diagramm zeigt, haben die Richtungen mit den Ausbreitungswinkeln θ =
40.5° und θ = 0° einen Temperaturkoeffizienten
der Resonanzfrequenz/Antiresonanzfrequenz 1. Ordnung, der größer bzw.
kleiner als null ist. Quarz mit den Eulerwinkeln (0°; 125,5°; θ)
und mit Θ = 0° wird in Oberflächenwellenbauelementen
dann als Substratmaterial verwendet, wenn der Temperaturkoeffizient
der Resonanzfrequenz/Antiresonanzfrequenz 1. Ordnung bei Raumtemperatur
gleich null oder beinahe gleich null sein soll. Bei der vorliegenden
Erfindung soll aber der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz/Antiresonanzfrequenz
1. Ordnung des Eintor-Oberflächenwellenresonators mit θ =
0° ungleich null und negativ sein. Andererseits soll die
Eigenschaft, dass die Ableitung des Temperaturkoeffizienten der
Resonanzfrequenz/Antiresonanzfrequenz erster Ordnung nach dem Ausbreitungswinkel
für θ = 0° null oder beinahe gleich null
ist, erhalten bleiben. Um diesen Zustand zu erreichen, wird die
Dicke der Aluminiumschicht entsprechend einem Bruchteil von 0,055
der Periodenlänge einer der Wandler 23; 33 eingestellt.
Die Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz/Antiresonanzfrequenz
2. Ordnung beider Richtungen haben das gleiche Vorzeichen.
-
Die
Wandler 23; 33 sind über die Verbindungen 25, 35 und 4 miteinander
und mit einer Kapazität 5 parallel geschaltet.
Der aus den Eintor-Oberflächenwellenresonatoren 2; 3 und
der Kapazität 5 gebildete Resonator ist ein Zweipol,
dessen Anschlüsse 6; 7 seine zwei Pole
darstellen. Die Kompensation sowohl des Temperaturkoeffizienten
erster als auch zweiter Ordnung der Resonanzfrequenz/Antiresonanzfrequenz
ohne Induktivitäten ist ohne eine Kapazität oder
Induktivität in Reihe mit der Parallelschaltung der Eintor-Oberflächenwellenresonatoren 2; 3 nur
an oder in der Nähe der hochfrequenten Antiresonanz möglich.
Unter dieser Voraussetzung gelingt es, mit der Einstellung des Verhältnisses
der Aperturen 24 und 34 und der Zinkenanzahl der
Wandler 23; 33 sowie der Kapazität 5 sowohl
den Temperaturkoeffizienten der Antiresonanzfrequenz erster als
auch zweiter Ordnung der Antiresonanzfrequenz zu kompensieren.
-
Die
Richtungen, gegeben durch die Ausbreitungswinkel θ = 40.5° und θ =
0°, haben, wie das Diagramm in 1 zeigt,
den gemeinsamen Vorteil, dass die Ableitung des Temperaturkoeffizienten
der Resonanzfrequenz/Antiresonanzfrequenz erster Ordnung nach dem
Ausbreitungswinkel verschwindet oder zumindest sehr klein ist. Deshalb
ist zu erwarten, dass der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz/Antiresonanzfrequenz
erster Ordnung des in diesem Beispiel beschriebenen Doppelresonators
gegen Schwankungen des Ausbreitungswinkels weniger empfindlich ist
als ein Doppelresonator, der entsprechend der Lehre der Druckschrift
[3] Ausbreitungswinkel, die zwischen 40° und 45° bzw.
45° und 50° liegen, verwendet.
-
Diese
Wirkung der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand eines
Vergleichs des in diesem Beispiel beschriebenen Doppelresonators mit
einem Doppelresonator nach der Lehre der Druckschrift [3] demonstriert.
Für den letzteren werden die Ausbreitungswinkel θ =
42° bzw. θ = 46° gewählt. Aus
dem Diagramm von 1 geht hervor, dass der Temperaturkoeffizient
der Resonanzfrequenz/Antiresonanzfrequenz erster Ordnung im Bereich
dieser Ausbreitungswinkel stark vom Ausbreitungswinkel abhängt.
-
Das
Verfahren, die gesuchte Empfindlichkeit zu berechnen, besteht aus
den folgen Schritten.
- a) Berechnung des Temperaturkoeffizienten
der Antiresonanzfrequenz erster Ordnung für θ =
0° und 40,5°, Bestimmung der Differenz der größten und
der kleinsten Antiresonanzfrequenz im betrachteten Temperaturbereich,
geteilt durch die Antiresonanzfrequenz bei Raumtemperatur
- b) Erhöhung der Ausbreitungswinkel um 0,1° und Berechnung
des Temperaturkoeffizienten der Antiresonanzfrequenz erster Ordnung
für θ = 0,1° und 40,6° mit den
gleichen Parametern wie die Struktur im Punkt a), Bestimmung der
Differenz der größten und der kleinsten Antiresonanzfrequenz
im betrachteten Temperaturbereich, geteilt durch die Antiresonanzfrequenz
bei Raumtemperatur
- c) Berechnung des Temperaturkoeffizienten der Antiresonanzfrequenz
erster Ordnung für θ = 42° und 46°,
Bestimmung der Differenz der größten und der kleinsten
Antiresonanzfrequenz, geteilt durch die Antiresonanzfrequenz bei
Raumtemperatur
- d) Erhöhung der Ausbreitungswinkel um 0,1° und Berechnung
des Temperaturkoeffizienten der Antiresonanzfrequenz erster Ordnung
für θ = 42,1° und 46,1° mit
den gleichen Parametern wie die Struktur im Punkt c), Bestimmung
der Differenz der größten und der kleinsten Antiresonanzfrequenz
im betrachteten Temperaturbereich, geteilt durch die Antiresonanzfrequenz
bei Raumtemperatur.
-
Die
erhaltenen und auf Raumtemperatur bezogenen Änderungen
der Antiresonanzfrequenz als Funktion der Temperatur im Bereich –70°C
bis 30°C sind in 2 dargestellt.
Es zeigt sich, dass der Temperaturkoeffizient der Antiresonanzfrequenz
erster Ordnung für den Doppelresonator mit θ =
42° und 46° wesentlich empfindlicher auf die vorgegebene Änderung
von 0,1° reagiert als der erfindungsgemäße Doppelresonator.
Die Differenz der größten und der kleinsten Antiresonanzfrequenz
im betrachteten Temperaturbereich, geteilt durch die Antiresonanzfrequenz
bei Raumtemperatur erhöht sich beim Doppelresonator mit θ =
42° und 46° bei der Änderung des Ausbreitungswinkels
um 0,1° von 8,3 auf 48,5 ppm. Im Fall des erfindungsgemäßen
Doppelresonators erhöht sich diese Größe
jedoch von 11,5 auf nur 16,5 ppm.
-
Beispiel 2
-
Das
Beispiel betrifft einen Doppelresonator, der in 3 dargestellt
ist und der mit zwei Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren
aufgebaut ist, die eine Kaskade bilden.
-
Die
beiden Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren 2; 3 sind
hierbei auf einem Substrat 1, das ein Schnitt von Quarz
mit den Eulerwinkeln (0°; 125,5°; θ)
ist, angeordnet. Sie sind aufgebaut mit zwei Reflektoren 21; 22 und
einem interdigitalen Wandler 24 bzw. aus zwei Reflektoren 31; 32 und
einem interdigitalen Wandler 34. Außerdem ist
in den Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren 2 bzw. 3 zwischen
dem Wandler 24 bzw. 34 und dem Reflektor 21 bzw. 31 ein
Koppelwandler 23 bzw. 33 angeordnet.
-
Das
in 3 enthaltene Diagramm zeigt den Temperaturkoeffizienten
der Resonanzfrequenz erster Ordnung (bezeichnet mit TCF1) als Funktion
des 3. Eulerwinkels θ oder theta, auch Ausbreitungswinkel
genannt. Die Elektroden bestehen aus einer Aluminiumschicht mit
einer Dicke von 0,055 der Periodenlänge eines der Wandler.
Die Richtung der Sammelelektroden 231; 232 des
Koppelwandlers 23, der Sammelelektroden 241; 242 des Wandlers 24 und der
Sammelelektroden 211; 212; 221; 222 der
Reflektoren 21; 22 ist parallel zur kristallografischen X-Achse
von Quarz, d. h., der Ausbreitungswinkel θ ist hier 0°.
Der Pfeil 27 verweist auf die entsprechende Stelle im Diagramm
von 3. Dort ist der Temperaturkoeffizient erster Ordnung
der Resonanzfrequenz des Oberflächenwellenresonators 2 negativ. Die
Richtung der Sammelelektroden 331; 332 des Koppelwandlers 33,
der Sammelelektroden 341; 342 des Wandlers 34 und
der Sammelelektroden 311; 312; 321; 322 der
Reflektoren 31; 32 ist um den Winkel 40,5° gegenüber
der kristallografischen X-Achse von Quarz geneigt. Der Pfeil 37 verweist
auf die entsprechende Stelle im Diagramm von 3. Der Temperaturkoeffizient
erster Ordnung der Resonanzfrequenz des Oberflächenwellenresonators 3 ist
für diesen Ausbreitungswinkel positiv. Die Richtungen,
gegeben durch die Ausbreitungswinkel θ = 40.5° und θ =
0°, haben, wie das Diagramm in 3 zeigt,
den gemeinsamen Vorteil, dass die Ableitung des Temperaturkoeffizienten
der Resonanzfrequenz erster Ordnung nach dem Ausbreitungswinkel
verschwindet oder zumindest sehr klein ist. Deshalb ist der Temperaturkoeffizient
der Resonanzfrequenz erster Ordnung des in diesem Beispiel beschriebenen
Doppelresonators gegen Schwankungen des Ausbreitungswinkels weniger
empfindlich als ein Doppelresonator, der entsprechend dem Ausführungsbeispiel
in der Druckschrift [7] Ausbreitungswinkel von 30° bzw. 47.5° verwendet.
Die Zwischenräume 25 und 35 zwischen
dem Wandler 24 und dem Koppelwandler 23 des Oberflächenwellenresonators 2 bzw.
dem Wandler 34 und dem Koppelwandler 33 des Oberflächenwellenresonators 3 sind
gleich breit. Jeweils eine Kammelektrode des Wandlers 24 und
des Wandlers 34 stehen über die am Massepotential
liegende Verbindung 4 miteinander in elektrischem Kontakt.
Jede Kammelektrode des Koppelwandlers 23 steht mit einer
Kammelektrode des Koppelwandlers 33 über die Verbindungen 5 und 6 elektrisch
in Verbindung, wobei die Verbindung 5 an das Massepotential
angeschlossen ist. Mit anderen Worten, die Oberflächenwellenresonatoren 2; 3 bilden
eine Kaskade, bei der der Ausgang des Oberflächenwellenresonators 2 an den
Eingang des Oberflächenwellenresonators 3 angeschlossen
ist. Zwischen die Verbindungen 5 und 6 ist eine
Koppelinduktivität 7 geschaltet. Diese bildet zusammen
mit den Kapazitäten der Koppelwandler 23 und 33 einen
Schwingkreis. Der Wandler 34 des Oberflächenwellenresonators 3 dient
als Eingang 8 und der Wandler 24 des Oberflächenwellenresonators 2 dient
als Ausgang 9 des Doppelresonators. Die Aperturen 26 und 36 des
Koppelwandlers 23 und des Wandlers 24 bzw. des
Koppelwandlers 33 und des Wandlers 34 sowie die
Koppelinduktivität 7 sind so gewählt,
dass die Variation der Resonanzfrequenz im gegebenen Temperaturbereich
minimal ist. Der Abstand der Mitten benachbarter Zinken, der Abstand der
Mitten benachbarter Reflektorstreifen, die Zwischenräume 25 und 35 zwischen
dem Koppelwandler 23 und dem Wandler 24 bzw. dem
Koppelwandler 33 und dem Wandler 34 und die Zwischenräume
zwischen dem Koppelwandler 23 und dem Reflektor 21, dem
Wandler 24 und dem Reflektor 22, dem Koppelwandler 33 und
dem Reflektor 31 sowie dem Wandler 34 und dem
Reflektor 32 in den Oberflächenwellenresonatoren 2; 3 sind
so gewählt, dass jeweils eine Resonanz beider Oberflächenwellenresonatoren 2; 3 bei
Raumtemperatur an der gleichen Frequenz liegen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 4272742 [0003]
- - DE 102006027060 A1 [0004]
- - US 7042133 B2 [0005]
- - DE 102004060901 A1 [0006]
- - DE 102004028421 A1 [0007]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - T. I. Browning
and M. F. Lewis, „A novel technique of improving the temperature
stability of SAW/SSBW devices”, Proc. IEEE Ultrasonics Symposium
1978, S. 474–477 [0003]
- - G. Martin, R. Kunze und B. Wall, „Temperature-Stable
Double SAW Resonators”, IEEE Transactions an Ultrasonics,
Ferroelectrics, and Frequency Control Bd. 55, Nr. 1 (Jan. 2008),
Seiten 199–207 [0004]