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Die Erfindung betrifft mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente – insbesondere mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Bauelemente (SAW-Bauelemente) – mit verbessertem ESD-Schutz durch bezüglich der anliegenden elektrischen Feldstärken optimierten Topologien der Elektrodenstrukturen.
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SAW-Bauelemente sind beispielsweise aus der Druckschrift „SAW Devices for Consumer Communication Applications” (IEEE Transactions an Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 40, No. 5, September 1993) bekannt. Die endliche Leitfähigkeit der elektrisch isolierenden Materialien, z. B. der piezoelektrischen Substrate, die in mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelementen zur Anwendung kommen, kann jedoch zu einem Ladungsübertritt zwischen leitenden Schaltungselementen, die sich auf unterschiedlichen elektrischen Potenzialen befinden, führen. Ein solcher Ladungsübertritt, z. B. ein so genannter ESD-Puls, führt regelmäßig zu einer Zerstörung, mindestens aber zu einer funktionalen Beeinträchtigung solcher SAW-Bauelemente.
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Aus der Druckschrift
US 7,388,456 B2 ist bekannt, dass SAW-Filter durch kaskadierte Resonatoren vor ESD-Pulsen geschützt werden können. Insbesonderen in Laddertypestrukturen sei ein Verhältnis von im Wesentlichen 1:1 der Kapazitäten von seriellen und parallelen Wandlern vorteilhaft.
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Aus der
DE 102006010752 A1 sind SAW-Filterstrukturen mit DMS-Filtern und damit verschalteten, kaskadiert ausgeführten Resonatoren bekannt.
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Ferner läuft die Triviallösung, nämlich die Vergrößerung der räumlichen Distanz zwischen den leitenden Strukturen, zum einen dem anhaltenden Trend zur Miniaturisierung zuwider. Zum anderen bestimmen die Wellenlängen akustischer Wellen im Allgemeinen den charakteristischen Abstand solcher Elektrodenstrukturen. So bestimmt die akustische Wellenlänge im Wesentlichen die Fingerperiodizität von Interdigitalstrukturen. Eine einfache Erhöhung der Fingerabstände würde dann die elektroakustischen Eigenschaften solcher Bauelemente erheblich beeinträchtigen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrodentopologie anzugeben, die durch einen verbesserten ESD-Schutz ausgezeichnet ist und deren elektroakustische Eigenschaften im Wesentlichen trotzdem nicht verschlechtert sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine SAW-Filterschaltung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung schlägt eine SAW-Filterschaltung vor, welche einen ersten und einen zweiten Signalport umfasst. Die Filterschaltung umfasst ferner ein piezoelektrisches Substrat, auf dem ein DMS-Filter (Dual-Mode SAW-Filter) mit einem ersten DMS-Port und einem oder mehreren damit verschalteten ersten DMS-Wandlern und mit einem zweiten DMS-Port mit einem oder mehreren damit verschalteten zweiten DMS-Wandlern angeordnet sind. Die Zahl der ersten DMS-Wandler kann eins betragen. Die Zahl der ersten DMS-Wandler kann aber auch höher sein. Ebenso kann die Zahl der zweiten DMS-Wandler eins betragen, aber auch höher sein. Weiterhin umfasst die Filterschaltung eine Verschaltung aus einem oder mehreren SAW-Resonatoren mit Wandlern. Die erste Verschaltung umfasst eine erste Serienverschaltung und eine Parallelverschaltung in einem parallelen Zweig und ist zwischen dem ersten Signalport und mit dem ersten DMS-Port des DMS-Filters verschaltet. Die statische Kapazität der ersten Serienverschaltung beträgt dabei maximal das Vierfache der statischen Kapazität der damit verschalteten ersten DMS-Wandler. Dabei bezeichnet die statische Kapazität von Resonatoren oder Wandlern die Kapazität der Elektrodenstruktur bei Frequenzen, bei denen im piezoelektrischen Substrat keine akustischen Wellen angeregt werden. Unmittelbar benachbarte Elektrodenfinger (EF) unterschiedlicher Wandler haben die gleiche Polarität und sind in einem ersten Mehrtorresonator verschaltet. Der erste Mehrtorresonator ist in dem parallelen Zweig verschaltet.
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Eine solche Kaskadierung von Resonatoren dient im Allgemeinen dazu, die Impedanz der Schaltung anzupassen oder die Dämpfungscharakteristik – sowohl bei Frequenzen des Sperr- als auch bei Frequenzen des Durchlassbereichs – zu optimieren. Dazu war es regelmäßig notwendig, die statische Kapazität solcher, mit der DMS-Struktur in Serie verschalteter, Resonatoren hoch zu gestalten.
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Das serielle Verschalten von einem oder mehreren SAW-Resonatoren zwischen dem ersten Signalport und dem ersten DMS-Port hat hier prinzipiell jedoch folgenden Effekt: Elektrische HF-Spannungen, die zwischen dem Signalport, welcher ein Eingang einer Filterschaltung sein kann, und dem ersten DMS-Port, der den Eingang einer vor ESD-Pulsen zu schützenden DMS-Filterschaltung darstellen kann, werden im Wesentlichen entsprechend dem Verhältnis der statischen Kapazitäten der Elektrodenstrukturen der Resonatoren und der ersten DMS-Wandler aufgeteilt. Der DMS-Port, d. h. die DMS-Filterstruktur, „sieht” also nicht mehr die volle anliegende Spannung, sondern nur noch den Teil der Spannung, der sich aus dem Verhältnis der statischen Kapazitäten des DMS-Wandlers und der in der Serienverschaltung verschaltenten SAW Resonatoren ergibt. Die am DMS-Port anliegende Teilspannung ist dabei um so geringer, je geringer die Kapazität der ersten Serienverschaltung aus SAW-Resonatoren ist. Diese prinzipielle Sichtweise ist dann gültig, wenn das Frequenzspektrum der ESD-Pulse keine oder nur wenige Frequenzkomponenten der Arbeitsfrequenz der Resonatoren aufweist; es wurde also erkannt, dass die ESD-Festigkeit auf Kosten der Güte der Filterwirkung erhöht werden kann. Es wurde ferner ein Verhältnis der statischen Kapazitäten gefunden, bei dem der ESD-Schutz derart verbessert ist, dass die resultierende Verschlechterung der Filtercharakteristik maximal zu tolerierende Werte nicht überschreitet.
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Dieses Dilemma ist durch die vorliegende Erfindung also in vorteilhafter Weise gelöst. Durch die angegebene quantitative Beziehung der Kapazitäten der kapazitiven Elemente ist eine SAW-Filterschaltung angegeben, welche sowohl die Ansprüche bezüglich ESD-Festigkeit als auch bezüglich der elektroakustischen Filtercharakteristik befriedigt. Je nach tolerierbarem Güteverlust kommen auch maximale Verhältnis von 3,5 oder 3 oder sogar 2,5 in Frage.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die SAW-Filterschaltung eine zweite Serienverschaltung aus SAW-Resonatoren, die zwischen dem zweiten Signalport und dem zweiten DMS-Port verschaltet ist. Die statische Kapazität der zweiten Serienverschaltung beträgt dabei maximal das Vierfache der statischen Kapazität der damit verschalteten zweiten DMS-Wandler. Es gilt die gleiche Argumentation wie oben. Auch hier können Verhältnisse von 3,5 oder 3 oder 2,5 in Frage kommen.
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Analog zur oben genannten Argumentation wird dadurch die ESD-Festigkeit noch weiter verbessert, ohne dass eine zu starke Beeinträchtigung der Filtercharakteristik in Kauf genommen werden muss.
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Der Schutz gegen elektrostatische Entladung bzw. Überspannung der Filterschaltung kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch noch weiter verbessert werden, dass die statische Kapazität CS1 der ersten Serienverschaltung maximal das Doppelte der Summe der statischen Kapazitäten der Resonatoren CP1 der Verschaltung in einem Parallelzweig und der damit verschalteten ersten DMS-Wandler CDMS1 beträgt: CS1 <= 2·(CP1 + CDMS1), oder äquivalent: CP1 <= 0.5·CS1 – CDMS1
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Mit anderen Worten: Die statische Kapazität der Verschaltung aus Parallelresonatoren ist kleiner als die Differenz zwischen der Hälfte der statischen Kapazität der ersten Serienverschaltung und der statischen Kapazität der ersten DMS-Wandler.
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Ferner kann eine zweite Verschaltung aus SAW-Resonatoren in einem Parallelzweig, der mit dem zweiten DMS-Port verschaltet ist, die ESD-Festigkeit weiterhin verbessern. Dann beträgt die statische Kapazität CS2 der zweiten Serienverschaltung maximal das Doppelte der Summe der statischen Kapazitäten der zweiten Verschaltung in einem Parallelzweig CP2 und der damit verschalteten zweiten DMS-Wandler CDMS2; analog zu oben ergibt sich: CS2 <= 2·(CP2 + CDMS2), oder äquivalent: CP2 <= 0.5·CS2 – CDMS2
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In einer Ausführungsform umfasst die SAW-Filterschaltung einen zweiten Mehrtorresonator in der zweiten Serienverschaltung, der ersten (in einem Parallelzweig verschalteten) Verschaltung oder der zweiten (in einem Parallelzweig verschalteten) Verschaltung. Im Gegensatz zu einem einfachen Resonator mit einer aus zwei Elektroden bestehenden Interdigitalstruktur (Wandler) umfasst ein Mehrtorresonator im Allgemeinen mindestens zwei Wandler. Einer davon ist dann ein erster Wandler – z. B. ein Eingangswandler. Ein anderer ist ein zweiter Wandler – z. B. ein Ausgangswandler. Möglich ist jedoch auch, die zumindest zwei Wandler des Mehrtorresonators parallel zu verschalten und beispielsweise mit den beiden Ästen einer ein symmetrisches Signal führenden Signalleitung des Filters zu verbinden.
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Die oben genannten Merkmale gelten unabhängig davon, ob die Signalführung in der Filterschaltung symmetrisch (d. h. balanced) oder asymmetrisch (d. h. unbalanced/gegen Masse) geführt ist. Entsprechend können unabhängig voneinander sowohl der erste Signalport als auch der zweite Signalport sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch geführt sein. Die DMS-Struktur kann also als Balun (d. h. als „balanced-unbalanced” Konverter/als Symmetrier-Anpassschaltung) verwendet werden.
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In einer Ausführungsform ist im SAW-Filter zumindest ein Wandler, der in einer der Verschaltungen, ausgewählt aus erster Serienverschaltung, zweiter Serienverschaltung, erster Verschaltung, zweiter Verschaltung und DMS-Filter, verschaltet sein kann, neben einem oder mehreren weiteren Wandlern entlang der longitudinalen Richtung angeordnet. Die longitudinale Richtung ist dabei bestimmt durch die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen, die von den Elektrodenstrukturen der Wandler an der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats angeregt werden und sich in der so genannten akustischen Spur ausbreiten. Zwischen Wandlern in der akustischen Spur können ein oder mehrere strukturierte Reflektorelemente angeordnet sein. Es ist vorteilhaft, wenn diese Reflektorelemente floatend, d. h. nicht mit Masse verschaltet sind. Dann nämlich ist die Spannung, die zwischen den Reflektorelementen und den Fingerstrukturen der Wandler anliegt, reduziert. Insbesondere kann die Verschaltung einen Mehrtorresonator umfassen.
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In einer Ausgestaltung ist ein Reflektorelement zwischen einem ersten und einem zweiten Wandler des zweiten Mehrtorresonators angeordnet. Der Mehrtorresonator ist seriell, d. h. in Serie im Signalpfad, verschaltet. Das Reflektorelement umfasst mindestens zwei strukturierte Reflektorfinger.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn unmittelbar benachbarte Elektrodenfinger unterschiedlicher Wandler, welche nebeneinander innerhalb der akustischen Spur angeordnet sind, die gleiche Polarität aufweisen.
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Solche unmittelbar benachbarten Elektrodenfinger unterschiedlicher Wander oder Resonatoren können mit Masse verschaltet sein.
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Solche unmittelbar benachbarten Elektrodenfinger unterschiedlicher Wandler können in einem Mehrtorresonator verschaltet sein. Der Mehrtorresonator wiederum kann parallel, d. h. in einem parallelen, mit Masse verschalteten Zweig, verschaltet sein.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn ein einem zweiten Wandler benachbarter erster Wandler und dieser erste Wandler derart ausgebildet sind, dass ihre unmittelbar benachbarten Elektrodenfinger mit Masse verschaltet sind – unabhängig davon, ob die Wandler in einem Ein- oder Mehrtorresonator verschaltet sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Filterschaltung sind zwischen benachbarten Elektrodenfingern unterschiedlicher Wandler und gegenpoligen Potenzials Reflektorelemente auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet.
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Auch zwischen benachbarten Elektrodenfingern unterschiedlicher Polarität und unterschiedlicher Wandler, welche beide erste Wandler oder welche beide zweite Wandler sind, können Reflektorelemente auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet sein.
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Auch zwischen benachbarten Elektrodenfingern unterschiedlicher Polarität und unterschiedlicher Wandler, welche beide in ein und demselben Resonator, z. B. einem Mehrtorresonator, verschaltet sind, können Reflektorelemente auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet sein. Ein solcher Mehrtorresonator kann in einer Serienverschaltung oder in einer Parallelverschaltung verschaltet sein.
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In einer Ausführungsform umfasst eine Serienverschaltung, z. B. die erste Serienverschaltung, oder eine Verschaltung, z. B. die erste Verschaltung, kaskadiert verschaltete Resonatoren.
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Als weiterführende Maßnahme zur Verbesserung der ESD-Festigkeit von SAW-Filterschaltungen kann die zwischen einem Signalport und einem DMS-Port anliegende Spannung durch weitere kapazitive Elemente, die in Serie verschaltet sind, reduziert sein. Dabei kommen als kapazitive Elemente nicht nur SAW-Resonatorstrukturen in Frage, sondern ganz allgemein aus metallisierten Strukturen gebildete kapazitive Elemente. Insbesondere sind solche kapazitiven Elemente vorteilhaft, die auf dem piezoelektrischen Substrat strukturiert sind oder als metallisierte Flächen in einem HTTC- oder LTTC-Mehrlagensubstrat integriert sind. Insbesondere kommen auch solche strukturierten Interdigitalwandler in Frage, deren elektroakustischer Kopplungskoeffizient aufgrund der Ausrichtung relativ zum piezoelektrischen Substrat verschwindet.
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Vorteilhaft ist es, wenn eine SAW-Filterschaltung derart realisiert ist, dass die zwischen einem Signalport und einem DMS-Port anliegende Spannung nicht zwischen zwei Elektrodenstrukturen abfällt, deren Fingermitten einen geringeren Abstand als die Hälfte der akustische Wellenlänge einer Mittenfrequenz haben.
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Im Folgenden wird die SAW-Filterschaltung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Filterschaltung,
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2 eine Ausgestaltung, in der der erste Signalport symmetrisch und der zweite Signalport asymmetrisch ausgeführt ist,
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3A die Anordnung zweier nebeneinander angeordneten Interdigitalstrukturen, welche zwischen zwei reflektierenden Elementen angeordnet sind,
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3B zwei Interdigitalstrukturen, welche durch ein reflektierendes Element getrennt sind,
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4A zwei Interdigitalstrukturen, bei denen benachbarte Fingerelektroden auf unterschiedlichem Potenzial liegen,
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4B zwei Interdigitalstrukturen, bei denen benachbarte Elektrodenfinger auf Massepotenzial liegen.
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1 illustriert eine SAW-Filterschaltung SAWF mit verbesserter ESD-Festigkeit. Eine DMS-Filterstruktur DMS ist in Serie zu einem seriellen Resonator SR zwischen einem ersten Signalport SP1 und einem zweiten Signalport SP2 verschaltet. Beide Signalports sind hier unbalanced ausgeführt. Der eine serielle Resonator SR stellt die einfachste Ausführung der genannten Serienverschaltung dar.
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2 illustriert eine Ausgestaltung einer bezüglich des ESD-Schutzes verbesserten SAW-Filterschaltung SAWF, deren erster Signalport SP1 balanced ausgeführt ist. Entsprechend ist auch der erste DMS-Port DMSP1 balanced ausgeführt. In jedem der beiden Zweige der balanced ausgeführten Signalleitungen ist eine Serienverschaltung SV aus einem oder mehreren SAW-Resonatoren verschaltet. Die Serienverschaltung der Resonatoren wird hier durch den dargestellten einen Serienresonator SR symbolisiert. Zwischen den Serienresonatoren SR und dem jeweiligen ersten DMS-Port-Eingang DMSP1 ist je eine Verschaltung PV von Resonatoren in einem Parallelzweig mit dem ersten DMS-Port verschaltet. Die Verschaltung ist durch die Parallelresonatoren PR symbolisiert. Die Parallelresonatoren sind also in einem z. B. gegen Masse geschalteten Querzweig angeordnet. Zwischen dem unbalanced geführten zweiten Signalport SP2 und dem entsprechend unbalanced geführten zweiten Port DMSP2 des DMS-Filters ist eine zweite Serienverschaltung aus SAW-Resonatoren verschaltet, die durch einen Serienresonator SR symbolisiert ist.
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Die hier dargestellte Verschaltung ist schematisch. Kombinationen von Serien- und Parallelresonatoren, wie sie z. B. in ladder-type Schaltungen verschaltet sind, sind ebenfalls denkbar und stellen mögliche Ausgestaltungen der Erfindung dar. Masseseitige Ausgänge von Parallelresonatoren PR balanced geführter Signalleitungen können miteinander verschaltet sein: Sie können untereinander und mit Masse verschaltet sein; sie können jedoch auch eine so genannte floatende Masse darstellen, wenn sie lediglich miteinander verschaltet sind, ohne mit Masse galvanisch verbunden zu sein.
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3A illustriert schematisch eine mögliche relative Anordnung der Wandler zueinander. Zwei nebeneinander angeordnete Wandler W1, W2 sind in einer akustischen Spur zwischen zwei reflektierenden Elementen RE angeordnet. Die Wandler können Wandler in der ersten Serienverschaltung, in der zweiten Serienverschaltung, in der ersten Verschaltung, in der zweiten Verschaltung oder in dem DMS-Filter sein. Ihre relative Ausrichtung zu den Kristallachsen des piezoelektrischen Substrats PS hängt vom gewünschten elektroakustischen Kopplungskoeffizienten ab. Ist eine elektroakustische Wechselwirkung der Wandler gewünscht, so wird ein entsprechend hoher Kopplungskoeffizient eingestellt. Ist dagegen lediglich ein hoher Wert der Kapazität solcher Interdigitalstrukturen gewünscht, so wird ein verschwindender Kopplungskoeffizient eingestellt. Die Einstellung des Kopplungskoeffizienten geschieht durch Auswahl einer geeigneten Orientierung der Wandler relativ zu den Kristallachsen des Substrats PS.
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3B illustriert ein reflektierendes Element RE, das als strukturierte Metallisierung auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats erzeugt zwischen zwei Wandlern angeordnet ist und die benachbarten Fingerelektroden der beiden Wandler trennt. Liegen beide Wandler bzw. deren zueinander weisende endständige Elektrodenfinger auf unterschiedlichem elektrischen Potenzial, so ist die ESD-Festigkeit dadurch verbessert. Insbesondere ist sie dann verbessert, wenn das reflektierende Element RE mit Massepotenzial verschaltet ist.
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4A illustriert das Problem zweier Interdigitalwandler, deren benachbarte Fingerelektroden auf unterschiedlichem Potenzial liegen: die zwischen den benachbarten Elektrodenfingern anliegende Spannung fällt i. A. auf einer Länge ab, die in der Größenordnung einer halben Wellenlänge λ der vom Wandler erezugten akustischen Oberflächenwellen liegt.
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4B illustriert eine Alternativlösung, in der die benachbarten Elektrodenfinger unterschiedlicher Wandler nicht auf unterschiedlichem Potenzial, sondern beide gemeinsam auf Massepotenzial liegen. Die Elektrodenfinger in 4B sind derart angeordnet und verschaltet, dass die zwischen den beiden verschiedenen DMS-Ports anliegende Spannung nicht an einer Strecke abfällt, die geringer als eine akustische Wellenlänge λ ist. Die Durchschlagsfestigkeit von ESD-Pulsen von einem Wandler zu einem benachbarten innerhalb einer DMS-Struktur ist somit weiter erhöht.
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Diejenigen Merkmale zur Verbesserung des Schutzes gegen ESD-Pulse, welche die Anordnung von Elektrodenfingern oder Resonatoren bzw. deren Verschaltung betreffen, sind im Allgemeinen gleichermaßen für Wandler in DMS-Strukturen und für Wandler in sonstigen Ein- oder Mehrtorresonatoren anwendbar.
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Soll der ESD-Schutz noch weiter verbessert sein – auch wenn die Filtercharakteristik dann verschlechtert würde – können auch die entsprechend gefährdeten (z. B. seriell oder parallel) verschalteten Resonatoren kaskadiert werden.
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Bezugszeichenliste:
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- SP1:
- erster Signalport
- SR:
- Serienresonator
- SAWF:
- SAW-Filterschaltung
- DMS:
- DMS-Filter
- SP2:
- zweiter Signalport
- SV:
- Serienverschaltung aus SAW-Resonatoren
- PV:
- Parallelverschaltung aus SAW-Resonatoren
- DMSP1:
- erster DMS-Port
- DMSP2:
- zweiter DMS-Port
- PS:
- piezoelektrisches Substrat
- RE:
- reflektierendes Element
- EF:
- Elektrodenfinger
- W1:
- erster DMS-Wandler
- W2:
- zweiter DMS-Wandler
