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Die Selektion von mikroakustischen Filtern wie SAW-Filtern (SAW = surface acoustic wave) oder BAW Filtern (BAW = bulk acoustic wave) wird von elektromagnetischem Übersprechen beeinflusst. Eine optimale und reproduzierbare Selektion erfordert ein Unterdrücken des elektromagnetischen Übersprechens unter das Niveau der Akustik im Sperrbereich.
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Ein Übersprechen tritt auf, wenn im Filter zwei stromführende Metallisierungen wie Elektroden, Wandler oder Zuleitungen vorhanden sind, die mit dem Ein- bzw. Ausgang verbunden sind und die elektromagnetisch miteinander koppeln. Eine solche Kopplung kann eine oder mehrere verschiedene Wechselwirkungen umfassen, die entweder per Fernwirkung über kapazitive, induktive oder Wellenleiter-Kopplung erfolgen, oder die eine direkte Kopplung über eine galvanische Verbindung darstellen. Das übersprechen führt zu Wechselwirkungen zwischen dem Eingang und dem Ausgang von Filtern, die nicht von der Akustik bestimmt sind. Das Übersprechen führt daher in der Transferfunktion zu unerwünschten Signalen, die die genannte Selektion im Sperrbereich verschlechtern.
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Zur Verminderung kapazitiven Übersprechens ist es bekannt, Abschirmstrukturen, beispielsweise einen mit Masse verbundenen Abschirmbalken zwischen Ein- und Ausgangswandlern anzuordnen. Ein solcher Abschirmbalken kann beispielsweise in Form von zusätzlichen Reflektorstreifen oder in Form von im Wandler endständigen, verbreiterten und mit Masse verbundenen Elektrodenfingern des Wandlers realisiert sein.
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Aus der
US 7,116,187 B2 ist es bekannt, in einem SAW Bauelement eine parasitäre Kapazität zur Verbesserung der Filtercharakteristik zu verwenden.
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Aus der
DE 10 2004 037 821 A1 ist ein SAW Bauelement mit zwei Wandlern bekannt, bei dem in einem ersten der Wandler ein zum zweiten Wandler weisender endständiger Finger so weit verlängert ist, dass er mit einem gegenüberliegenden Anschlusspad des zweiten Wandlers eine kapazitive Kopplung ausbildet.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen ausreichenden Abstand zwischen den Ein- und Ausgangswandlern einzuhalten.
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Für ein symmetrisch/unsymmetrisch arbeitendes SAW-Filter wurde vorgeschlagen, die Koppelkapazität, die einer der beiden symmetrischen Ausgangsanschlüsse zu einem Eingangswandler ausbildet, zu erhöhen, um für beide ausgangsseitigen Anschlüsse die gleiche Kopplung und sich daher kompensierende Koppelkapazitäten zu erhalten.
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Eine Reduzierung und lokale Auslöschung des elektromagnetischen Übersprechens in einem schmalen Frequenzbereich gelingt auch auf experimentellem Weg durch Änderung des On-Chip-Layouts, die allerdings je nach Fertigungsmöglichkeiten eine aufwändige Optimierung erfordern kann.
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Mit Hilfe eines externen passiven Netzwerks kann das elektromagnetische Übersprechen ebenfalls kompensiert werden.
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Die genannten bekannten Maßnahmen zur Kompensation des elektromagnetischen Übersprechens sind entweder in ihrer Wirkung begrenzt oder nur aufwändig zu realisieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine einfache Möglichkeit anzugeben, mit der das elektromagnetische Übersprechen reduziert oder im Idealfall sogar vollständig kompensiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein mikroakustisches Filter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Reduzierung des Übersprechens sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
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Es wird ein mikroakustisches Filter vorgeschlagen, welches einen ersten und einen zweiten Wandler aufweist, die auf einem gemeinsamen piezoelektrischen Substrat realisiert sind. Der erste Wandler ist mit einer Eingangsseite, der zweite Wandler mit einer Ausgangsseite des Filters verbunden. Jeder Wandler weist zwei Anschlusspads auf, die mit den unterschiedlichen Elektroden des Wandlers verbunden sind. Bei einem SAW Filter können die beiden Anschlusspads auf der gleichen Seite oder auf unterschiedlichen Seiten einer akustischen Spur angeordnet sein. Die Anordnung beider Anschlusspads auf die gleiche Seite der akustischen Spur gelingt beispielsweise durch einen verlängerten Elektrodenfinger, der den Busbar auf der einen Seite der akustischen Spur mit dem Anschlusspad auf der anderen Seite der akustischen Spur verbindet.
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Weiter weist das mikroakustische Filter eine Koppelleitung auf, die ein erstes Anschlusspad des ersten Wandlers mit einem Koppelpad verbindet. Das Koppelpad ist als Metallfläche ausgebildet und in der Nähe desjenigen Anschlusspads des zweiten Wandlers angeordnet, welches die größere Entfernung zum ersten Anschlusspad des ersten Wandlers aufweist.
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Mit diesem Koppelpad und der Zuleitung wird eine zusätzliche elektromagnetische Kopplung in das Filter eingebaut, die vom Vorzeichen her der vorhandenen, unerwünschten aber durch das Design unvermeidbaren, elektromagnetische Kopplung entgegenwirkt. Eine unerwünschte kapazitive Kopplung tritt z. B. üblicherweise zwischen solchen Strukturen an unterschiedlichen Wandlern auf, die einander am nächsten benachbart sind, in der Regel zwischen benachbarten Anschlusspads von erstem und zweitem Wandler.
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Mit der Koppelleitung und dem damit verknüpften Koppelpad wird eine Kopplung mit dem weiter entfernten Anschlusspad hergestellt, welches üblicherweise eine dem nächstgelegenen benachbarten Anschlusspad entgegengesetzte Polarität aufweist. Die unerwünschte Kopplung zwischen dem ersten und dem nächstgelegenen benachbarten Anschlusspad wird dadurch kompensiert.
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Durch geeignete Dimensionierung des Koppelpads und/oder geeignete Wahl des Abstands zwischen Koppelpad und entsprechendem Anschlusspad des zweiten Wandlers kann diese zusätzliche Kopplung in der Gröle eingestellt werden. Im optimalen Fall kann die vom Design vorgegebene unerwünschte Kopplung durch die zusätzlich eingeführte, aber entgegen gesetzt wirkende Kopplung sogar vollständig kompensiert werden.
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Mit dem zusätzlichen Koppelpad gelingt es, nicht nur die Kompensation der vorhandenen unerwünschten elektromagnetischen Kopplungen zwischen Ein- und Ausgangswandler bzw. zwischen erstem und zweitem Wandler, sondern auch der Effekte, die durch elektromagnetisches Übersprechen zwischen erstem und zweitem Wandler hervorgerufen werden.
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Das Koppelpad und die dazugehörige Koppelleitung können mit nur geringem Flächenbedarf auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats erzeugt werden und benötigen zur Herstellung keine aufwändigen Prozesse. Auch die Optimierung von Koppelleitungen und insbesondere von Koppelpads gelingt ohne Probleme und kann nahezu unabhängig vom übrigen Design des SAW- oder BAW-Filters durchgeführt werden.
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In einer Ausführung der Erfindung sind erster und zweiter Wandler durch eine Abschirmstruktur getrennt. Die Abschirmstruktur umfasst einen metallischen Streifen, der bei SAW-Filtern z. B. quer über die akustische Spur, in der die beiden miteinander koppelnden ersten und zweiten Wandler angeordnet sein können, geführt ist, oder der allgemein zwischen den Anschlusspads oder Elektroden zweier miteinander koppelnder Wandler angeordnet ist. Die Abschirmstruktur vermindert das unerwünschte kapazitive Übersprechen zwischen erstem und zweitem Wandler.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eines der mit Masse verbundenen Anschlusspads der Abschirmstruktur als Abschirmpad ausgebildet und dazu zumindest teilweise um ein benachbartes Anschlusspad des benachbarten Wandlers geführt. Dies bedeutet, dass das mit Masse verbundene Abschirmpad in einer Richtung – bei SAW Filtern in transversaler Richtung – eine größere Ausdehnung als das benachbarte Anschlusspad aufweist. Darüber hinaus weist es noch eine solche longitudinale Ausdehnung auf, dass es in longitudinaler Richtung, also parallel zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle, das benachbarte Anschlusspad zumindest teilweise überlappt.
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In einer Ausführung der Erfindung kann das mit Masse verbundene Anschlusspad der Abschirmstruktur so zum Abschirmpad verlängert sein, dass es um das benachbarte Anschlusspad herum wieder Richtung akustische Spur geführt ist. Auf diese Weise ist das benachbarte Anschlusspad praktisch an drei Seiten von dem verlängerten Abschirmpad umgeben.
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Die Koppelleitung kann als metallischer Leiterabschnitt auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet sein. Bei SAW-Filtern kann der Leiterabschnitt vollständig außerhalb der akustischen Spur zum Koppelpad geführt werden.
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Möglich ist es auch, die Koppelleitung durch die akustische Spur hindurch zu führen und dazu beispielsweise einen mit dem ersten Anschlusspad des ersten Wandlers verbundenen Elektrodenfinger transversal zur Ausbreitungsrichtung entsprechend zu verlängern und dann mit einem weiteren metallischen Leiterabschnitt auf dem Substrat weiterzuführen.
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Möglich ist es jedoch auch, die Koppelleitung zumindest teilweise als Bonddraht auszuführen.
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In einer weiteren Ausführung umfasst die Koppelleitung Leiterabschnitte, die nicht direkt auf dem Substrat angeordnet sind, sondern oberhalb oder unterhalb des Substrats ausgebildet sein. Solche Leiterabschnitte können beispielsweise auf einem Gehäuseteil des mikroakustischen Filters, unterhalb des Substrats oder insbesondere bei Flip-Chip-Anordnung des Substrats auch auf einem Trägersubstrat ausgeführt sein. Vertikale Verbindungen zwischen Leiterabschnitten der Koppelleitung, die direkt auf dem Substrat und solchen, die nicht direkt auf dem Substrat angeordnet sind, können durch Bumps, Bondverbindungen, Bonddrähte oder Durchkontaktierungen realisiert sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird das SAW-Filter so ausgebildet, dass die elektromagnetische Kopplung zwischen erstem und zweitem Wandler reduziert ist. Dazu wird in zumindest einem der Wandler der Strompfad, umfassend Stromzuführungen und -abführungen zu den Anschlusspads, die Anschlusspads selbst sowie den über die Akustik verlaufenden Anteil des Strompfads so geführt, dass er zumindest in einer Projektion auf die Oberfläche des Substrats eine Überkreuzung ausbildet. Durch diese Überkreuzung wird eine erste Schleife vollständig geschlossen und eine zweite Stromschleife zumindest zum Teil ausgebildet. Beide Schleifen können mit einem elektromagnetischen Feld jeweils in einander entgegengesetzter Weise koppeln.
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Durch die Überkreuzung wird in der vollständig geschlossenen Schleife ein Feld induziert, das dem Feld, das in der zumindest teilweisen zweiten Schleife induziert wird, entgegengesetzt ist. Somit üben die auf die beiden Schleifen einwirkende vorhandenen elektromagnetischen Felder einander entgegenwirkende Kopplungseffekte auf den Strompfade aus, die sich im Idealfall vollständig kompensieren.
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In der Projektion der beiden Schleifen auf die Substratoberfläche ergeben sich dort von den Schleifen umschlossene erste und zweite Flächen, die in einem einstellbaren gewünschten Verhältnis zueinander stehen. Ein optimales Verhältnis kann z. B. dann erreicht sein, wenn die durch die beiden Schleifen induzierten Kopplungen einander im Betrag entsprechen und aufgrund der gegenläufigen Wirkung einander kompensieren.
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In einer weiteren Ausführung wird vorgeschlagen, auch den entsprechenden Strompfad des zweiten Wandlers so zu führen, dass eine dritte Schleife ausgebildet wird. Somit gelingt es, durch Variation der Flächenverhältnisse der von den Schleifen umschlossenen, auf das Substrat projizierten Flächen die elektromagnetische Kopplung und damit das Übersprechen zwischen erstem und zweiten Wandler sowie auch zwischen erster und dritter sowie zwischen zweiter und dritter Schleife zu kompensieren.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird der Strompfad im zweiten Wandler so geführt, dass sich auch hier zumindest in der genannten Projektion eine Überkreuzung der Strom führenden Leiterabschnitte ergibt. Das Filter umfasst üblicherweise einen Chip, der aus dem Material des Substrats ausgebildet ist. Dieser Chip kann nun auf einem Gehäuseunterteil oder auf einem Trägersubstrat montiert sein. Die elektrische Verbindung zwischen den Anschlusspads auf dem Chip und entsprechenden Anschlussflächen am Gehäuseunterteil oder auf dem Trägersubstrat kann mittels Bonddrähten erfolgen. In diesem Fall kann die Formung des zumindest einen Strompfads zu einer vollständig geschlossenen Schleife durch entsprechende Führung der Bonddrähte bewerkstelligt werden.
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Möglich ist es jedoch auch, das einen Chip umfassende Filter mittels Flip-Chip-Montage des Chips auf einem Gehäuseunterteil oder einem Trägersubstrat zu montieren. Die Bump-Verbindungen, mit denen die Flip-Chip-Montage erfolgt, stellen dabei die vertikalen Leiterabschnitte des Strompfads dar. Zur Ausbildung der Stromschleifen werden dann Leiterabschnitte vorgesehen, die auf dem Gehäuseunterteil oder auf dem Trägersubstrat verlaufen und über die, auf das Substrat projiziert, die gewünschte Überkreuzung realisiert werden kann. Möglich ist es jedoch auch, den Strompfad durch Leiterabschnitte zu realisieren, die in mehr als zwei voneinander unterschiedlichen Leiterebenen angeordnet sind. Weitere Leiterebenen können beispielsweise auf der Unterseite des Substrats, auf der Unterseite des Trägersubstrats oder auf der Unterseite des Gehäuseunterteils realisiert sein.
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Der genannte Strompfad umfasst zumindest einen Abschnitt, der durch die Akustik zwischen Elektrodenfingern unterschiedlicher Polarität des gleichen Wandlers realisiert ist. Ist dieser Wandler homogen aufgebaut, so verschmiert sich der Strompfad über die gesamte Wandlerfläche. Vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem SAW-Filter zumindest einer der Wandler in transversaler Richtung kaskadiert ist, wobei die Kaskadierung in zumindest zwei Längsabschnitten des Wandlers, die den Wandler in longitudinaler Richtung unterteilen, unterschiedlich ist. Der Strompfad verläuft dann im Wesentlichen über die Längsabschnitte, die innerhalb des Wandlers den geringsten Kaskadierungsgrad aufweisen. Durch eine entsprechende Aufteilung des Wandlers in Längsabschnitte mit unterschiedlicher Kaskadierung ist es daher möglich, den (Haupt-)Strompfad innerhalb des Wandlers geometrisch zu definieren.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Längsabschnitt mit der geringsten Kaskadierungsstufe nicht am zum benachbarten zweiten Wandler weisenden Ende des ersten Wandlers angeordnet ist. Auf diese Weise wird von Haus aus durch den größeren Abstand des Strompfads in beiden Wandlern die Kopplung reduziert. Erfindungsgemäß kann es jedoch vorteilhaft sein, den Längsabschnitt mit dem geringsten Kaskadierungsgrad in Längsrichtung so anzuordnen, dass die durch eine Überkreuzung des Strompfads eingeschlossene, auf die Oberfläche des Chips projizierte Fläche eine ausreichende Größe aufweist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Diese dienen allein zur Veranschaulichung der Erfindung und sind daher schematisch, nicht detailgetreu und auch nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Zur besseren Darstellung können einzelne Teile auch in der Größe verzerrt dargestellt sein.
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Es zeigen:
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1 zwei Wandler eines Filters mit einer Koppelleitung, die zu einem Koppel-Pad führt,
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2 zwei Wandler mit zwei Koppelleitungen, die zu jeweils einem Koppel-Pad führen,
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3 zwei Wandler wie in 1, bei denen zusätzlich eine Abschirmstruktur zwischen erstem und zweitem Wandler angeordnet ist,
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4a zwei Wandler mit einer Abschirmstruktur wie in 3, bei denen ein Abschirm-Pad verlängert ist,
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4b zwei Wandler mit einer Variation einer Abschirmstruktur wie in 3, bei denen ein Abschirm-Pad verlängert ist,
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5 zwei Wandler, bei denen die Stromzuführungen zu dem Wandler jeweils eine Schleife ausbilden,
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6 im schematischen Querschnitt ein SAW-Bauelement, welches in Flip-Chip-Bauweise auf einen Träger gebondet ist,
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7 die Übertragungsfunktion für ein Filter mit den beiden Wandlern von 1,
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8A und 8B die Übertragungsfunktion eines Filters mit zwei Wandlern wie in 2,
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9 ein SAW-Filter, bei dem eine Koppelleitung zwei in unterschiedlichen akustischen Spuren angeordnete Wandler verkoppelt.
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1 zeigt eine einfache Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt sind zwei Wandler W1 und W2 eines SAW-Filters, die zusammen ein Transversalfilter bilden oder Teil eines Transversalfilters sind. Obwohl hier als Normalfingerwandler dargestellt, können die Wandler W1, W2 auch eine SPUDT- oder RSPUDT-Struktur aufweisen, und außerdem noch als FAN-Wandler oder als gewichteter Wandler ausgeführt sein. Der erste Wandler W1 weist ein oberes Anschlusspad AP11 und ein unteres Anschlusspad AP12 auf. Ebenso weist der zweite Wandler W2 ein oberes Anschlusspad AP21 und ein unteres Anschlusspad AP22 auf. Zusätzlich zu der nicht vermeidbaren elektromagnetischen Kopplung zwischen direkt benachbarten Anschlusspads unterschiedlicher Wandler, beispielsweise der Kopplung zwischen den beiden oberen Anschlusspads AP11 und AP21 von erstem und zweitem Wandler, ist hier erfindungsgemäß eine weitere Kopplung zwischen dem oberen Anschlusspad AP11 des ersten Wandlers W1 und dem unteren Anschlusspad AP22 des zweiten Wandlers erzeugt. Dies wird erreicht, indem in der Nähe des Anschlusspads AP22 ein Koppelpad KP angeordnet ist, welches zum Anschlusspad AP22 eine Koppelkapazität CK ausbildet. Über eine Koppelleitung, welche beliebige, gegebenenfalls strukturell unterschiedliche Leiterabschnitte umfasst und hier beispielsweise als eine auf dem Substrat verlaufende Leiterbahn dargestellt ist, ist das Koppelpad mit dem oberen Anschlusspad AP11 des ersten Wandlers W1 verbunden. Da oberes und unteres Anschlusspad eines Wandlers eine unterschiedliche Polarität aufweisen, wird durch diese zusätzliche Koppelkapazität CK eine Kompensation der bestehenden Kopplung zwischen den beiden unmittelbar benachbarten Anschlusspads AP11 und AP21 erreicht.
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Weiterhin ist es nun möglich, die Größe dieser zusätzlichen Koppelkapazität CK durch verschiedene einfache Maßnahmen zu verändern und geeignet so einzustellen, dass die beiden sich kompensierenden Kopplungen betragsmäßig gleich sind und sich so vollständig kompensieren können. Dazu ist es möglich, den Abstand zwischen dem Koppelpad KP und dem benachbarten Anschlusspad AP22 zu verändern. Einfacher ist es jedoch, die relative Lage der beiden koppelnden Pads zu belassen und lediglich die Größe des Koppelpads KP zu verändern. Dies kann beispielsweise auch durch nachträgliches Trimmen nach dem Erzeugen des Filters erfolgen.
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Weiterhin ist es möglich, über die Stromführung zum Koppelpad, also über die Lage der Koppelleitung relativ zu den beiden Wandlern weitere elektromagnetische und insbesondere induktive Wirkungen gezielt zu erzeugen, die ebenfalls zur Kompensation bestehender Kopplungen genutzt werden können.
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2 zeigt eine weiter optimierte Ausgestaltung eines Filters, von dem hier wieder zwei Wandler W1, W2 dargestellt sind, die beispielsweise einen Eingangswandler und einen Ausgangswandler des Filters darstellen. Ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel (1) beschrieben, ist auch hier ein oberes Anschlusspad AP21 des zweiten Wandlers W2 über eine Koppelleitung KL1 mit einem Koppelpad KP1 verbunden, welches in relativer Nähe zum unteren Anschlusspad AP12 des ersten Wandlers W1 angeordnet ist und mit diesem eine Koppelkapazität CK1 ausbildet.
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Zusätzlich wird in diesem Ausführungsbeispiel eine weitere künstlich eingeführte Koppelkapazität CK2 realisiert, die sich zwischen einem zweiten Koppelpad KP2 und dem unteren Anschlusspad AP22 des zweiten Wandlers ausbildet. Das zweite Koppelpad KP2 ist über einen verlängerten Elektrodenfinger, also quer über die akustische Spur hinweg mit dem oberen Anschlusspad AP11 des ersten Wandlers W1 verbunden. Mit diesen beiden Koppelkapazitäten CK1 und CK2 wird jeweils ein Paar weit voneinander entfernter Anschlusspads miteinander verkoppelt. Durch geeignete Bemessung der Kapazität und damit der Kopplung gelingt es, alle Kopplungen, die zwischen Metallisierungen der beiden Wandler bzw. des Filters auftreten, vollständig zu kompensieren.
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In einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels ist es möglich, die zweite Koppelleitung KL2 nicht über einen verlängerten Elektrodenfinger, sondern über eine um die beiden Wandler herum laufende Koppelleitung an das obere Anschlusspad AP11 anzuschließen. Dazu wäre allerdings eine Überkreuzung der ersten Koppelleitung KL1 erforderlich. Dies kann auf dem Substrat erfolgen, indem im Kreuzungsbereich zwischen den beiden Koppelleitungen ein elektrisch isolierendes Material angeordnet wird. Dies kann ein organisches oder anorganisches und entsprechend auf den Bereich der Überkreuzung der beiden Koppelleitungen strukturiertes Dielektrikum sein.
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Möglich ist es jedoch auch, die zweite Koppelleitung zumindest im Kreuzungsbereich in einer anderen Ebene zu führen, um einen direkten galvanischen Kontakt der beiden Koppelleitungen KL1, KL2 miteinander zu vermeiden. Die zweite Ebene kann beispielsweise auf einem Trägersubstrat, auf einem Gehäuseteil oder auf der Unterseite des piezoelektrischen Substrats sein, auf dem die beiden Wandler realisiert sind. Im letzten Fall ist es erforderlich, die entsprechende Koppelleitung um die Substratkante herum zu führen oder mittels einer Durchkontaktierung durch das piezoelektrische Substrat hindurch zu führen.
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Ein Übergang in eine andere Ebene auf einem Trägersubstrat oder einem Gehäuse kann über Bumps oder andere elektrisch leitende erhabene Strukturen erfolgen, die eine Höhe aufweisen, die die Höhe der zu überkreuzenden anderen Leitung übertrifft.
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3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der ähnlich wie in 1 ein Koppelpad KP über eine Koppelleitung KL mit dem oberen Anschlusspad eines ersten Wandlers W1 verbunden ist. Das Koppelpad KP bildet mit dem unteren Anschlusspad, also mit dem weiter entfernten Anschlusspad des zweiten Wandlers W2, eine Koppelkapazität CK aus.
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Zusätzlich zu dieser Maßnahme, die das kapazitive Übersprechen kompensiert, ist hier auch noch eine Abschirmung realisiert, die zur Reduzierung des elektromagnetischen Übersprechens dient. Diese Abschirmstruktur AS besteht aus einem oder mehreren mit Masse verbundenen metallischen Streifen, die zwischen den beiden Wandlern W1, W2 quer über die akustische Spur verlaufen.
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Vorzugsweise haben die Streifen der Abschirmstruktur AS eine größere Breite als die Elektrodenfinger der Wandler W. Zusätzlich sind die Anschlusspads der Abschirmstruktur AS ausreichend breit und lang ausgebildet, dass sie zumindest die zur Abschirmstruktur AS hin weisenden Enden der benachbarten Anschlusspads AP der beiden Wandler W überragen bzw. sogar teilweise umschließen.
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Allein diese mit Masse verbundene Abschirmstruktur, gebildet aus den über die akustische Spur verlaufenden Streifen und deren vergrößerten Anschlusspads, ist ausreichend, einen Teil des durch elektromagnetische Kopplung erzeugten Übersprechens zu vermeiden bzw. die durch den Stromfluss innerhalb eines Wandlers induzierten elektromagnetischen Felder in Richtung des benachbarten Wandlers abzuschirmen.
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4A zeigt eine Weiterbildung einer solchen Abschirmstruktur AS zur Vermeidung des elektromagnetischen Übersprechens. In dieser Ausführung ist das mit Masse verbundene Anschlusspad der Abschirmstruktur AS vollständig um ein benachbartes Anschlusspad AP11 des ersten Wandlers W1 geführt. Auf diese Weise ist ein elektromagnetisches Feld, welches sich im Bereich der durch einen Kreis angedeuteten Bondstelle auf dem Anschlusspad AP11 konzentriert, noch besser abgeschirmt als im Ausführungsbeispiel gemäß 3.
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Zusätzlich ist auch hier eine kapazitive Entkopplung durch Einführung einer kompensierenden Koppelkapazität CK reduziert. Die Koppelkapazität wird zwischen dem unteren Anschlusspad AP12 des ersten Wandlers W1 und einem Koppelpad KP gebildet, welches über eine Koppelleitung KL mit den oberen Anschlusspads AP21 des zweiten Wandlers W2 verbunden ist. Mittels dieser beiden Maßnahmen kann das kapazitive Übersprechen zwischen erstem und zweitem Wandler vollständig kompensiert und das elektromagnetische Übersprechen durch entsprechende Abschirmung des Anschlusspads AP eines Wandlers weitgehend vermieden werden.
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4B zeigt eine Variante von 4A, bei der nun die Koppelleitung KL auf der anderen Seite um die Wandler W1 und W2 herum und daher nun um die Abschirmstruktur herum geführt ist.
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9 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung anhand eines zumindest zwei akustische Spuren aufweisenden SAW-Filters. In einer ersten Spur ist ein erster mit dem Eingang verbundener Wandler W11 angeordnet, der z. B. Teil eines Resonators ist. Dieser Wandler W11 ist mit zwei Anschlusspads APIN1 und APIN2 verbunden.
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In einer zweiten zur ersten Spur parallelen akustischen Spur sind fünf weitere Wandler W21 bis W25 nebeneinander angeordnet, von denen drei Wandler W21, W23 und W25 elektrisch in Reihe mit dem Wandler W11 geschaltet. Die in der zweiten akustischen Spur alternierend zu den Wandlern W21, W23 und W25 angeordneten Wandler W22 und W24 sind mit dem Ausgang zuzuordnenden Anschlusspads APOUT1, APOUT2 verbunden.
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Eine Koppelleitung KL verbindet hier das Anschlusspad APOUT2 des Ausgangs mit einem Koppelpad KP, das in der Nähe des mit dem Eingang verbundenen Anschlusspad APIN2 angeordnet ist. Dadurch ist der Eingang kapazitiv mit dem Ausgang über zwei akustische Spuren hinweg gekoppelt.
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In einer (nicht dargestellten) Ausführung kann die Koppelleitung KL durch einen Wandler oder einen Reflektor der zweiten akustischen Spur geführt sein.
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5 zeigt in einer weiteren Ausführung, wie insbesondere das induktive Übersprechen, bzw. die Kopplung, die zum Übersprechen führt, nahezu vollständig kompensiert werden kann. Dazu wird die Stromführung, also der genaue Verlauf des Strompfads im Bereich eines Wandlers so vorgegeben, dass sich eine Stromschleife ausbildet, die induktiv ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Vorzugsweise wird die Stromführung so gestaltet, dass sich noch eine zusätzliche Schleife zumindest teilweise ausbildet.
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In der 5 ist eine vollständige Schleife dargestellt, die eine auf die Substratoberfläche projizierte Querschnittsfläche F1 aufweist. Weiter ist zumindest teilweise eine zweite Schleife mit der auf die Substratoberfläche projizierten Querschnittsfläche F2 ausbildet. Aufgrund der Überkreuzung ergibt sich für die beiden Schleifen ein jeweils anderer Drehsinn und damit ein entgegengesetzt gepoltes elektromagnetisches Feld.
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Im Bereich des ersten Wandlers W1 ist durch eine vorgegebene durch das Design bedingte Stromführung zumindest ansatzweise eine weitere Schleife mit einer auf die Substratoberfläche projizierten Querschnittsfläche F0 gebildet, die ein weiteres elektromagnetisches Feld erzeugt.
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Das elektromagnetische Feld über dem ersten Wandler W1 koppelt nun mit den beiden durch den induktiven Effekt der beiden Stromschleifen gebildeten Feldern über dem zweiten Wandler W2 in einander entgegengesetzter Weise. Erfindungsgemäß ist es nun möglich, das Verhältnis der Querschnittsflächen F1 und F2, die von den beiden Stromschleifen am zweiten Wandler W2 gebildet werden, so einzustellen, dass sich die entsprechenden Kopplungen mit dem Feld am ersten Wandler bestmöglich kompensieren. In der Regel ist es dazu erforderlich, dass die Querschnittsfläche derjenigen Schleife, die weiter vom ersten Wandler W1 entfernt ist, größer ist als die näher zum ersten Wandler W1 angeordnete erste Stromschleife mit der Fläche F1.
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Zur Ausbildung von Stromschleifen im Bereich eines Wandlers tragen alle Strom führenden Teile, also alle Metallisierungen auf dem Substrat, die Wandler W1, W2 und ihre Anschlusspads AP, sowie entsprechende auf dem Substrat oder gegebenenfalls oberhalb oder unterhalb des Substrats angeordnete Leiterabschnitte bei. Dargestellt sind als Beispiel für solche Leiterabschnitte mit den Anschlusspads AP verbundene Bonddrähte BD.
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Zusätzlich trägt der Strom, der innerhalb des Wandlers vom oberen zum unteren Anschlusspad oder umgekehrt fließt, zur Stromführung bei, obwohl hier keine direkte galvanische Kopplung der beiden Teilelektroden der beiden Wandler stattfindet. Die elektroakustische Wandlung bzw. die Anregung von akustischen Oberflächenwellen führt zu einer einem Stromfluss entsprechenden Energieübertragung, die über einen geometrisch zuordenbaren Strompfad erfolgt.
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Während die Stromführung über Leiterabschnitte, Bumps und Bonddrähte BD in einfacher Weise geometrisch vorgegeben werden kann, kann die Stromführung in einem Normalfingerwandler in der Regel nicht gesteuert werden, da sich der Strom dort über alle Finger annähernd gleichmäßig verteilt. Möglich ist es jedoch, einen Wandler in Längsabschnitte zu unterteilen und in den Längsabschnitten unterschiedliche Kaskadierungen von Wandlerstrukturen zu schaffen.
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Eine Kaskadierung erhält man, wenn ein Wandler in transversaler Richtung, also quer zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle, in zwei Teilwandler aufgeteilt wird, die seriell miteinander verschaltet sind. Durch die Kaskadierung wird die Spannung zwischen den Teilelektroden der Teilwandler reduziert und somit auch die Anregungsstärke und der Stromfluss, der durch diese Kaskade fließt. Dies bedeutet im Ergebnis, dass der Stromfluss dort am größten ist, wo der geringste Kaskadierungsgrad eingestellt ist.
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In der 5 ist der erste Wandler W1 in drei Längssegmente aufgeteilt, die – von links nach rechts gesehen – ein Längssegment mit einer Vierfach-Kaskade, ein zweites Längssegment mit einer Zweifach-Kaskade und ein drittes Längssegment mit einer Sechsfach-Kaskade darstellen. Der geringste Kaskadierungsgrad ist hier im zweiten oder mittleren Längssegment, sodass der Strompfad quer durch den Wandler überwiegend durch das zweite Längssegment erfolgt. In der 5 ist die Kaskadierung des zweiten Wandlers W2 der Einfachheit halber spiegelbildlich ausgeführt, sodass auch hier der durch den zweiten Wandler W2 führende Strompfad durch das zweite Längssegment erfolgt. Dies hat den weiteren Vorteil, dass bereits dadurch die Entfernung der Strompfade in den beiden Wandlern erhöht und so die Kopplung reduziert ist.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung können die Längssegmente so variiert werden, dass der Strompfad quer durch den entsprechenden Wandler über ein anderes Längssegment folgt. Auf diese Weise gelingt es, den Strompfad zu verschieben und dabei auch die auf die Substratoberfläche projizierte Querschnittsfläche F der jeweiligen Stromschleife zu verändern und damit die Stärke des dabei erzeugten elektromagnetischen Feldes. Im unteren Teil von 5 ist angedeutet, wie die im oberen Teil eingesetzte vereinfachte Schreibweise in Form von Elektrodenstrukturen des Wandlers, also durch Wandlerstrukturen, realisiert werden kann.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 kann die kapazitive Kopplung zwischen erstem und zweitem Wandler durch entsprechende Einstellung der Koppelkapazität vollständig kompensiert werden. Darüber hinaus können durch entsprechende Ausformung der Stromschleifen auch das induktive oder andere Formen elektromagnetischen Übersprechens kompensiert werden. Ein Filter auf der Basis dieser beiden Wandler zeigt daher im Idealfall überhaupt kein Übersprechen zwischen Ein- und Ausgang mehr, sodass auch keine durch das Übersprechen induziertem Signale mehr in der Übertragungsfunktion auftauchen, die möglicherweise in einem unerwünschten Frequenzbereich zum Auftreten von Störsignalen bei der Signalübertragung führen könnten.
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6 zeigt im schematischen Querschnitt ein mikroakustisches Filter, hier speziell ein SAW-Filter, das in Form von Wandlerstrukturen WS, Leiterabschnitten und Anschlusspads realisierenden Metallisierungen auf einem piezoelektrischen Substrat SU aufgebaut ist. Das Filter ist über Bump-Verbindungen BU elektrisch und mechanisch mit einem Trägersubstrat TS verbunden, wobei die Wandlerstrukturen WS, aus der die Wandler ausgebildet sind, auf der zum Trägersubstrat TS hin weisenden Oberfläche des Substrats SU ausgebildet sind.
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Das Trägersubstrat TS kann Teil eines Gehäuses sein und beispielsweise dessen Unterseite oder Oberseite ausbilden. Möglich ist es jedoch auch, das Filter, das im Wesentlichen auf dem Substrat realisiert ist, durch eine geeignete, mit dem Trägersubstrat TS abschließende Abdeckung zu verkapseln. Mit einem derartigen Aufbau gelingt es nun, Leiterabschnitte LA auf der zum Trägersubstrat TS weisenden Oberfläche des Substrats SU, auf der zum Substrat SU weisenden Oberfläche des Trägersubstrats TS als auch innerhalb oder unterhalb des Trägersubstrats auszubilden. Durch die Anordnung der Leiterabschnitte LAS und LAT auf unterschiedlichen Ebenen gelingt es, die Stromzu- und -abführung zu den Wandlerstrukturen so zu gestalten, dass sich die in 5 erläuterten Stromschleifen ausbilden. Dazu ist es auch möglich, den Übergang von einer Metallisierungsebene zur nächsten in Form separater Bumps herzustellen, die nur der Gestaltung des Strompfads dienen. Eine der Metallisierungsebenen, die zur Ausformung des Strompfads beitragen, kann zwischen zwei dielektrischen Schichten des vorzugsweise mehrschichtigen Trägersubstrats TS angeordnet sein. Zusätzlich können elektrische Verbindungen durch das Trägersubstrat TS hindurch zu auf dessen Unterseite angeordneten Außenkontakten des Filters führen.
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7 zeigt anhand einer Übertragungskurve (hier der gemessene Verlauf des Streuparameters S21) den Effekt, der durch eine Verminderung des kapazitiven Übersprechens erzielt werden kann. In der Figur ist ein wie in 3 ausgebildetes Filter mit Koppelleitung und Koppelpad einem ähnlich aufgebauten Filter gegenübergestellt, welches keine Koppelleitung und kein Koppelpad aufweist. In einem Frequenzbereich unterhalb des Passbandes zeigt sich der Effekt der kompensierten kapazitiven Kopplung besonders deutlich. Durch die Verschiebung der Frequenzlage eines vorhandenen Pols liegt die Kurve für das kompensierte Filter (gemäß 3) deutlich unter der Kurve des Filters ohne kompensierte Kopplung.
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8A und 8B zeigen die Übertragungsfunktion eines gemäß 5 ausgebildeten SAW-Filters anhand des Streuparameters S21, wobei in 8A ein engerer Frequenzbereich um das Passband und in 8B zusätzlich der obere Sperrbereich dargestellt ist. Es zeigt sich auch hier, dass durch die kompensierten kapazitiven und elektromagnetischen Kopplungen eine deutlich verbesserte Selektion zu beobachten ist. In nahezu allen Frequenzbereichen liegt die Dämpfung im Sperrbereich unterhalb der Übertragungskurve eines Filters ohne Kompensation kapazitiven oder elektromagnetischen Übersprechens. Damit ist gezeigt, dass durch die vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Maßnahmen kapazitives und elektromagnetisches Übersprechen weitgehend bis vollständig gelingt und auf diese Weise Filter erhalten werden können, die ein verbessertes Übertragungsverhalten und insbesondere eine verbesserte Selektion im Sperrbereich aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- AP
- Anschlusspad
- AS
- Abschirmstruktur
- BD
- Bonddraht
- BU
- Bump
- CK
- Koppelkapazität
- F0, F1, F2
- Flächen innerhalb von Stromschleifen
- KL
- Koppelleitung
- KP
- Koppelpad
- LAT, LAS
- (metallischer) Leiterabschnitt
- SU
- piezoelektrisches Substrat
- TS
- Trägersubstrat
- W1, W2
- erster, zweiter Wandler
- WS
- Wandlerstrukturen
