DE102015118231A1

DE102015118231A1 - Elektroakustischer Wandler mit reduzierten störenden Transversalmoden

Info

Publication number: DE102015118231A1
Application number: DE102015118231.9A
Authority: DE
Inventors: Felix Dürnberger; Ulrike Rösler
Original assignee: SnapTrack Inc
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2015-10-26
Publication date: 2017-04-27
Also published as: WO2017071885A1

Abstract

Es wird ein elektroakustischer Wandler mit verringerten Störungen durch Transversalmoden angegeben. Dazu umfasst der Wandler einen Streifen im elektroakustischen Bereich, in dem die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen verringert oder erhöht ist. Die Gesamtfläche veränderter akustischer Geschwindigkeit beträgt dabei nicht mehr als 10% der Geschwindigkeit im Übrigen elektroakustischen Bereich.

Description

Die Erfindung betrifft elektroakustische Wandler, die z.B. in elektroakustischen Filtern Verwendung finden können und die weniger stark ausgeprägt Transversalmoden, die die Filtereigenschaften verschlechtern, aufweisen.
In elektroakustischen Wandlern sind fingerförmige, ineinandergreifende Elektrodenstrukturen, sog. Interdigitalstrukturen, auf einem piezoelektrischen Material angeordnet. Während des Betriebs wird durch den piezoelektrischen Effekt zwischen HF-Signalen und akustischen Wellen, die an der Oberseite des piezoelektrischen Materials propagieren, gewandelt. Solche Wandler haben eine Resonanz- und eine Antiresonanzfrequenz. Sind die Wandler miteinander verschaltet und diese charakteristischen Frequenzen geeignet aufeinander abgestimmt, so können Bandsperr- oder Bandpassfilter mit sehr steilen Passbandflanken erhalten werden.
Während des Betriebs solcher Filter propagieren akustische Wellen in der dafür vorgesehenen Richtung, der Longitudinalrichtung, die orthogonal zu den Elektrodenfingern ausgerichtet ist. Allerdings werden in realen Bauteilen auch sogenannte Transversalmoden angeregt, die sich in Transversalrichtung, der Richtung der Elektrodenfinger, ausbreiten. Die Transversalmoden verursachen Energieverluste, wodurch die Güte der Wandler reduziert ist. Ferner führen sie zu unerwünschten Welligkeiten der Durchlasscharakteristik der Filter.
Aus dem Beitrag „Suppression Mechanism of Transverse-Mode Spurious Responses in SAW-Resonators on a SiO2/Al/LiNbO3 Structure" (von H. Nakamura, H. Nakanishi, R. Goto, K. Hashimoto; Ultrasonics Symposium 2011) ist bekannt, eine Siliziumdioxid-Schicht aufzutragen, um störende Transversalmoden in schmalbandigen Filtern zu verringern.
Aus der WO 2015/007319 A1 sind elektroakustische Wandler bekannt, bei denen der gesamte elektroakustisch aktive Bereich so strukturiert ist, dass ein periodisches transversales Geschwindigkeitsprofil erhalten wird.
Ferner ist es möglich, mittels sogenannter Gap-Wichtungen, bei denen die Breite des Gap entlang der Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen variiert wird, die Störmoden zu reduzieren. Dabei ist das Gap (engl.: Lücke) der Bereich zwischen Stromsammelschiene und Fingerenden der gegenüberliegenden Elektrode. Um aber die gleiche Impedanz des Wandlers beizubehalten, vergrößern sich bei dieser Methode die Abmessungen des Wandlers stark.
Bei breitbandigen Filtern könnte die Apertur, die Breite des Überlappungsbereichs der Finger, verringert werden, um störende Transversalmoden zu verringern. Diese Maßnahme würde die Einfügedämpfung jedoch erhöhen. Die Einfügedämpfung wäre in Extremfällen soweit erhöht, dass das Filter nicht mehr sinnvoll einsetzbar wäre.
Es besteht deshalb der Wunsch nach elektroakustischen Wandlern, in denen Transversalmoden verringert sind und die oben genannten Nachteile nicht auftreten.
Dazu wird ein Wandler gemäß dem unabhängigen Anspruch angegeben. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Wandlers an.
Ein Wandler mit verringerten störenden Transversalmoden, der auch breitbandig einsetzbar ist und eine geringe Einfügedämpfung aufweist, hat ein piezoelektrisches Substrat, an dessen Oberfläche akustische Wellen ausbreitungsfähig sind. Der Wandler hat ferner zwei Stromsammelschienen auf dem Substrat und Elektrodenfinger auf dem Substrat, die abwechselnd mit je einer der Stromsammelschienen verbunden sind. Der Wandler hat weiterhin einen aktiven Bereich, in dem die Elektrodenfinger überlappen und der einen Hauptbereich mit mindestens 90% der Fläche des aktiven Bereichs enthält. Die akustischen Wellen haben im Hauptbereich eine Geschwindigkeit v₁. Die akustischen Wellen haben in zumindest einem oder mehreren Streifen im aktiven Bereich eine Geschwindigkeit v₂, die von der Geschwindigkeit v₁ verschieden ist.
Die Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen wird dabei als Longitudinalrichtung bezeichnet. Die Elektrodenfinger sind im Allgemeinen orthogonal dazu entlang der Transversalrichtung ausgerichtet. Der elektroakustisch aktive Bereich hat eine Breite, die üblicherweise als Apertur bezeichnet wird. Die Gesamtfläche F des aktiven Bereichs ist im Wesentlichen das Produkt der Apertur A und der Länge L des aktiven Bereichs: F = A L.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der anregbaren Wellen ist somit in dem Großteil des Wandlers konstant. Lediglich der eine oder die mehreren wenigen Streifen stellen Störungen der allgemeinen Ausbreitungsgeschwindigkeit dar. Die Streifen verlaufen üblicherweise entlang der Longitudinalrichtung.
Verglichen mit den oben genannten Lösungen zur Reduktion störender Transversalmoden wird hier ein Wandler angegeben, der einfach herzustellen ist, der breitbandig verwendbar ist und der eine geringe Einfügedämpfung im Durchlassbereich des entsprechenden Filters aufweist. Verglichen mit der komplexen Struktur, die aus der WO 2015/007319 A1 bekannt ist, stellen die Streifen mit veränderter Ausbreitungsgeschwindigkeit lediglich kleine Störungen mit dem Potenzial, störende Transversalmoden effizient zu verringern, dar.
Da der Anteil an der gesamten Fläche des elektroakustisch aktiven Bereiches sehr klein ist, arbeitet der Wandler bei seinen charakteristischen Frequenzen und mit den vorgesehenen akustischen Anregungen nahezu störungsfrei, wodurch die Einfügedämpfung verglichen mit Wandlern mit sehr kleiner Apertur quasi nicht verschlechtert ist. Verglichen mit konventionellen Wandlern ist die Einfügedämpfung sogar verbessert, da störende Transversalmoden keinen Verlustkanal darstellen.
Es ist möglich, dass die Elektrodenfinger in den Streifen eine andere Breite und/oder eine andere Höhe als im Hauptbereich aufweisen.
Die Elektrodenfinger werden im Allgemeinen durch lithographische Verfahren als Metallisierungen auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats strukturiert. Die Elektrodenfinger weisen dabei im Allgemeinen ein Material hoher Leitfähigkeit, z.B. Aluminium oder Kupfer auf und haben eventuell einen Schichtaufbau, der zusätzliche Schichten wie eine Haftvermittlungsschicht mit Titan oder eine Diffusionsverminderungsschicht mit schwereren Metallen aufweist.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen hängt unter anderem von den Steifigkeitswerten des piezoelektrischen Materials und von der Massenbelegung an der Oberseite ab. Die Geschwindigkeit steigt mit steigenden Steifigkeitswerten und verringert sich mit zunehmender Massenbelegung. Die akustische Geschwindigkeit kann gesteigert werden, wenn ein Material hoher Festigkeit ein an der Oberseite des piezoelektrischen Materials abgeschieden wird. Deshalb ermöglicht eine Variation der Elektrodenfinger, die lokal im entsprechenden Streifen angewendet wird, eine hohe Zahl an Freiheitsgraden, um die akustische Geschwindigkeit zu beeinflussen. Die akustische Geschwindigkeit kann lokal in den Streifen verändert werden, wenn die Elektrodenfinger in den Streifen lokal verbreitert sind, wenn also das Metallisierungsverhältnis η im Bereich der Streifen größer als im Hauptbereich des Wandlers ist. Das Metallisierungsverhältnis η ist dabei definiert als Quotient η = F/P aus Fingerbreite F geteilt durch den Pitch P, dem mittleren Abstand A der Fingermitten benachbarter Elektrodenfinger: P = F + A.
Alternativ zur Variation des Metallisierungsverhältnisses η oder zusätzlich dazu kann die Höhe der Fingermetallisierung in den Streifen verändert sein, um die entsprechende Geschwindigkeit v₂ von der Geschwindigkeit v₁ im Hauptbereich abzuheben.
Es ist möglich, dass die Streifen jeweils eine Breite B zwischen 0,5P und 5P aufweisen, wobei P der oben definierte Pitch der Elektrodenfinger ist.
Üblicherweise beträgt die Apertur ein Vielfaches, z.B. das Hundertfache, des Pitches. Ein Streifen von der Breite zwischen 0,5 P und 5 P stellt deshalb nur eine kleine Störung der Ausbreitung der akustischen Wellen dar.
Es ist möglich, dass sich das Metallisierungsverhältnis η in den Streifen um 0.05 oder mehr verglichen mit dem Metallisierungsverhältnis im Hauptbereich abweicht. Die Änderung des Metallisierungsverhältnisses bzw. der Höhe der Elektrodenfinger im Streifen und die Streifenbreite selbst sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass die eigentliche Hauptmode des Wandlers möglichst ungestört ausbreitungsfähig ist. Die Hauptmode wird dabei umso mehr gestört, je breiter der Streifen ist und je größer der Unterschied zwischen v₁ und v₂. Insofern können sich bezüglich der Hauptmode eine stärkere Veränderung der Geschwindigkeiten und eine verringerte Breite des Streifens kompensieren, so dass insgesamt der Einfluss auf die Hauptmode verringert ist und die transversale Störmode effizient reduziert ist.
Dabei ist zu beachten, dass der Hauptbereich, in dem die Hauptmode im Wesentlichen ungestört ausbreitungsfähig ist, nicht zwangsläufig zusammenhängen muss. Ein Streifen oder mehrere Streifen können den Hauptbereich in Teilbereiche unterteilen.
Es ist ferner möglich, dass die Elektrodenfinger in einem Übergangsbereich zwischen dem Hauptbereich oder Teilen des Hauptbereichs und den Streifen ein Übergangsprofil aufweisen. Das Übergangsprofil kann dabei ein Rechteck-Profil, ein Trapez-Profil oder ein Ellipsen-Profil sein, welches die Breite des Elektrodenfingers im Übergangsbereich kontinuierlich oder stufenweise in die Breite im Streifen überführt.
Pro Streifen mit veränderter Ausbreitungsgeschwindigkeit kann der Hauptbereich zwei Teilbereiche umfassen, die jeweils in Ausbreitungsrichtung gesehen seitlich des Streifens angeordnet sind. Entsprechend kann jeder Streifen auch zwei Übergangsbereiche aufweisen, die zwischen dem Streifen selbst und den entsprechenden Teilbereichen des Hauptbereichs angeordnet sind.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Breite der Elektrodenfinger an der Grenze zwischen Hauptbereich und Streifen ohne einen Übergangsbereich direkt von einer Breite in die andere Breite übergeht.
Es ist möglich, dass die Zahl der Streifen n beträgt und die Streifen den Hauptbereich entsprechend in n + 1 gleichgroße Bereiche teilen. n kann dabei 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr betragen.
Der Gesamtanteil der elektroakustisch aktiven Fläche des Wandlers, die durch die Streifen eingenommen wird, liegt dabei stets bei 10% oder weniger.
Es ist möglich, dass in den Streifen auf jedem Finger lokal ein leitendes Material, z.B. ein Metall, angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass ein dielektrisches Material gemeinsam über eine Vielzahl von Elektrodenfingern und über die Bereiche zwischen den Elektrodenfingern angeordnet ist.
Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die akustische Geschwindigkeit v₂ kleiner als die Geschwindigkeit v₁ im Hauptbereich sein soll, da dadurch die Massenbelegung erhöht ist.
Ein elektrisch leitender Streifen, der quer über die Elektrodenfinger gelegt ist, würde diese kurzschließen, weshalb ein solcher Materialstreifen nur ein dielektrisches Material umfassen kann, zumindest, wenn er direkt auf den Elektrodenfingern angeordnet ist. Soll ein Metall verwendet werden, so ist stets auf die elektrische Isolation entgegengesetzt gepolter Elektrodenfinger zu achten.
Die Verwendung von Metall zur Erhöhung der Massenbelegung ist vorteilhaft, da die Elektrodenfinger selbst Metall umfassen und die entsprechenden Schritte zur Abscheidung des Metalls während des Herstellungsprozesses der Wandler leicht beherrschbar sind.
Es ist möglich, dass der Wandler zwei weitere Stromsammelschienen umfasst. Auch mit diesen weiteren Stromsammelschienen sind abwechselnd verbundene Elektrodenfinger mit einem weiteren aktiven Bereich vorhanden. Im weiteren aktiven Bereich überlappen die zusätzlichen Elektrodenfinger ebenfalls und definieren somit einen Hauptbereich, der mindestens 90% der Fläche des aktiven Bereichs enthält. Auch in diesem Hauptbereich haben die akustischen Wellen die Geschwindigkeit v₁. Der Wandler hat zusätzlich einen oder mehrere Streifen, in dem die Wellen die Ausbreitungsgeschwindigkeit v₂ haben. Der Wandler ist ein Zweitor-Wandler.
Dabei können die weiteren Wandlerstrukturen in Ausbreitungsrichtung gesehen hinter den ursprünglichen Wandlerstrukturen angeordnet sein. Die Streifen mit veränderter Geschwindigkeit und die Hauptbereiche der eigentlichen Geschwindigkeit können bündig aneinander angeordnet sein.
Zweitor-Wandler, z.B. DMS-Filter (DMS = Dual Mode SAW; SAW = Surface Acoustic Wave = akustische Oberflächenwelle) eignen sich besonders gut, Bandpassfilter mit steilen Filterflanken und geringem Flächenbedarf zu bilden. Die streifenförmigen Maßnahmen zur Verringerung der störenden Transversalmoden können sich dabei in Longitudinalrichtung gesehen über alle Wandlerstrukturen erstrecken.
Es ist ferner möglich, dass der Wandler einen oder zwei innere Reflektoren aufweist. Die inneren Reflektoren sind dabei in Longitudinalrichtung gesehen zwischen den jeweils einem Tor zugeordneten Wandlerstrukturen eines Zweitor-Wandlers angeordnet und können fingerförmige Metallisierungen umfassen.
Die fingerförmigen Metallisierungen der Reflektoren können dabei ebenfalls das Geschwindigkeitsprofil im Hauptbereich und Streifen mit den beiden Geschwindigkeiten v₁ und v₂ aufweisen.
Es ist ferner möglich, dass der Wandler zwei äußere Reflektoren aufweist. Die äußeren Reflektoren grenzen den aktiven Bereich in Ausbreitungsrichtung der Wellen gesehen ein, wobei die elektroaktiven Wandlerstrukturen zwischen den äußeren Reflektoren angeordnet sind.
Über die äußeren Reflektoren kann eine akustische Barriere erhalten werden, so dass die akustische Energie im Wesentlichen im Wandler konzentriert bleibt und aufgrund des verringerten Energieabflusses die Güte des Wandlers erhöht ist.
Die äußeren Reflektoren können dabei ebenfalls fingerförmige Strukturen umfassen, deren Breite in Hauptbereichen und in Streifenbereichen der Breite bzw. Höhe der elektroaktiven Wandlerstrukturen angepasst ist.
Es ist möglich, dass der Wandler Verbindungsschienen umfasst. Die Verbindungsschienen stellen elektrische Verschaltungen analog zu den Stromsammelschienen dar. Die Verbindungsschienen verschalten dabei die Fingerstrukturen eines Reflektors.
Es ist möglich, dass die Schienen, z.B. die Stromsammelschienen und/oder die Verbindungsschienen, eine entlang der Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen gesehen unterschiedliche Breite aufweisen.
In konventionellen Wandlern sind möglichst breite Stromsammelschienen bevorzugt, da über solche die ohmschen Verluste des Wandlers am geringsten gehalten werden können.
Da ohnehin ein Abstand zwischen Stromsammelschienen und den Fingerenden der Elektrodenfinger entgegengesetzter Polarität zur elektrischen Isolation eingehalten werden muss, ist der elektroakustische Bereiche durch die Gaps und gegebenenfalls durch einen Bereich mit Stummelfingern auch akustisch vom Bereich der Stromsammelschienen getrennt.
Es wurde jedoch herausgefunden, dass insbesondere bei elektroakustischen Wandlern, die mit Scherwellenmoden arbeiten, der Bereich der Stromsammelschienen oder der Verbindungsschienen die Ausbreitung der akustischen Wellen dennoch vorteilhaft beeinflusst werden kann, obwohl die Bereiche der Schienen und der elektroakustisch aktive Bereich eigentlich relativ weit voneinander entfernt sind.
Mit einer entlang der Longitudinalrichtung gesehen variierenden Breite der Schienen kann somit eine Wichtung ähnlich der Überlapp-Wichtung oder ähnlich einer Wichtung im Bereich des Gap erhalten werden und störende Transversalmoden reduziert werden, ohne dass die Hauptmode negativ beeinflusst wird.
Es ist ferner zusätzlich oder alternativ möglich, dass die Schienen, die Stromsammelschienen und/oder die Verbindungsschienen, eine Wichtung durch eine entlang der Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen unterschiedliche Geometrie aufweisen.
Insbesondere ist dabei möglich, dass die Stromsammelschienen eine lineare Wichtung aufweisen.
Die lineare Wichtung wird insbesondere durch eine lineare Abnahme der Breite der Stromsammelschienen erhalten.
Ebenso ist es möglich, dass die Verbindungsschienen eine lineare Wichtung aufweisen.
Eine – von einem Ende der akustischen Spur aus gesehen – lineare Abnahme der Breite in einer Form, in der die nach außen weisende Seite der Stromsammelschiene einen gleichen Abstand von der gegenüberliegenden Stromsammelschiene behält, wird bevorzugt. In dem Fall ändert sich der Abstand der zur gegenüberliegenden Stromsammelschiene weisenden Seite von dieser gegenüberliegenden Stromsammelschiene.
Die zur gegenüberliegenden Stromsammelschiene weisende Seite einer Stromsammelschiene stellt durch ihre Massenbelegung einen Übergang der akustischen Impedanz für akustische Wellen dar. Propagieren transversale Störmoden zwischen den Stromsammelschienen hin und her, so erreicht ein variierender Abstand der Stromsammelschienen voneinander eine Aufweichung entsprechender Resonanzen der Störmoden.
Es ist möglich, dass die Schienen eines „M“-Wichtung oder eine „V“-Wichtung aufweisen.
Dabei ist eine „M“-Wichtung gegeben, wenn die Breite der Schienen vom Übergang einer Stromsammelschiene zu einer Verbindungsschiene sprunghaft abnimmt, während der Erstreckung der Verbindungsschiene linear zunimmt, danach wieder linear abnimmt und wieder sprunghaft an der Übergangsstelle zur nächsten Stromsammelschiene ansteigt. Die Form der Schienen erinnert dabei an den Buchstaben „M“.
Eine „V“-Wichtung ist dabei dann gegeben, wenn die Breite einer Schiene entlang ihres Verlaufs zuerst bis zu einer minimalen Breite abnimmt und danach wieder zunimmt.
Es ist ferner möglich, dass der Wandler im Wesentlichen spiegelsymmetrisch bezüglich einer Achse entlang der Ausbreitungsrichtung aufgebaut ist.
Es ist zusätzlich oder alternativ möglich, dass der Wandler einen spiegelsymmetrischen Aufbau hat und die Spiegelachse orthogonal zur Ausbreitungsrichtung ausgerichtet ist.
Die Symmetrie bezieht sich dabei weniger auf eine strenge Vorschrift zur Anordnung der Elektrodenfinger, da diese bezüglich der zu charakteristischen Frequenzen passenden Wellenlängen angeordnet sind. Die Symmetrie betrifft vielmehr die Form der Stromsammelschienen bzw. der Verbindungsschienen.
Es ist möglich, dass das piezoelektrische Substrat Lithiumtantalat (LiTaO₃), Lithiumniobat (LiNbO₃) oder Quarz umfasst. Das piezoelektrische Substrat kann dabei ein monokristallines Substrat sein und einen Kristallschnitt haben, der so ausgerichtet ist, dass die an der Oberfläche ausbreitungsfähigen akustischen Wellen Scherwellen sind.
Es ist möglich, dass der oder die Streifen mit der akustischen Geschwindigkeit v₂ nicht am in longitudinaler Richtung gesehen seitlichen Rand des akustischen Bereichs angeordnet sind. Damit unterscheiden sich die Streifen von Maßnahmen zum Ausbilden eines optimalen Anregungsprofils, des sogenannten Piston-Modes.
Die oben vorgestellten Wandler können einzeln oder in Kombination in einem HF-Filter Verwendung finden.
In dem Hauptbereich kann das Metallisierungsverhältnis z.B. bei η = 0,55 liegen.
Im Bereich der Streifen kann das Metallisierungsverhältnis auf 0,71 vergrößert sein: η = 0,71.
Die Wichtung der Verbindungsschienen, insbesondere der Reflektoren zwischen den Stromsammelschienen eines Mehrtorwandlers, kann in einem linearen Übergangsbereich eine Veränderung BS2 erfahren, die z.B. bis zu dem sechsfachen Pitch reichen kann.
Die Verbindungsschienen können an ihrer breitesten Stelle eine Breite aufweisen, die um einen Betrag BS1 kleiner ist als die maximale Breite der Stromsammelschienen, wobei BS1 zwischen dem negativen zweifachen Pitch 2P und dem vierfachen Pitch 4P liegen kann.
Der Wandler wird anhand von Ausführungsbeispielen und schematischen Darstellungen in den Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1: Eine einfache Ausführungsform mit einem Streifen S.
2: Eine Ausführungsform mit gewichteten Schienen.
3: Eine Ausführungsform mit „M“-Wichtung.
4: Eine Ausführungsform mit eingerückten Verbindungsschienen zweier innerer Reflektoren.
5: Eine schematische Darstellung eines Wandlers, bei dem das Metallisierungsverhältnis im Streifen S lokal reduziert ist.
6: Eine Ausführungsform mit zwei Streifen S1, S2.
7: Die Darstellung eines Elektrodenfingers und seiner Verbreitung im Bereich eines Streifens.
8: Die Darstellung der Verbreiterung eines Elektrodenfingers im Streifen mit trapezförmigem Übergang.
9: Die Darstellung der Verbreiterung eines Fingers mit elliptischem Übergang.
10: Die Bedeutung der Größen A, B, BS1, BS2.
11: Einen Ausschnitt eines Elektrodenfingers, der im Bereich des Streifens eine Fingerbreite D2 aufweist, die im Vergleich zur Fingerbreite D1 des Hauptbereichs vergrößert ist.
12: Einen Ausschnitt eines Elektrodenfingers, der im Bereich des Streifens eine verringerte Breite D2 aufweist.
13: Der Einfluss der Wichtung der Schienen.
14: Den Einfluss der lokalen Veränderung der Geschwindigkeit im elektroakustischen Bereich.
15: Den Einfluss von Wichtung und unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf die berechnete Einfügedämpfung im Passband einer spezifischen Ausführungsform.
1 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines einfachen elektroakustischen Wandlers EAW mit zwei Stromsammelschienen BB und Elektrodenfingern EF die abwechselnd mit jeweils einer der beiden Stromsammelschienen BB verbunden und dadurch verschaltet sind. Das nicht mit einer Stromsammelschiene verschaltete Ende eines Elektrodenfingers EF ist von der gegenüberliegenden Stromsammelschiene getrennt und dadurch isoliert. Nebeneinander angeordnete Elektrodenfinger EF werden während des Betriebs des Wandlers mit entgegengesetzt gerichtetem Potenzial beaufschlagt. Das piezoelektrische Material zwischen den benachbarten Elektrodenfingern wird dadurch zur Aussendung akustischer Oberflächenwellen oder zur Aussendung von geführten akustischen Volumenwellen (GBAW = Guided Bulk Acoustic Wave), wenn die Elektrodenstruktur durch ein Material ganzflächig bedeckt ist, angeregt. Der Abstand der Fingermitten, Pitch P, und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen bestimmen die Arbeitsfrequenz des Wandlers. Der Pitch P entspricht dabei im Wesentlichen der halben Wellenlänge λ/2 der akustischen Welle. Der Bereich, in dem entgegengesetzt gepolte Elektrodenfinger überlappen, ist der elektrisch aktive Bereich. Seine Breite ist die Apertur. Der Wandler bzw. sein elektroakustisch aktiver Bereich hat eine Länge L. Die elektroakustisch aktive Fläche berechnet sich damit im Allgemeinen zu F = L A. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt von den Materialkonstanten des piezoelektrischen Materials und des Elektrodenmaterials ab. Materialien mit hoher Festigkeit haben eine hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit. Niedrigere Festigkeiten bedingen niedrige Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Ferner hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Massenbelegung auf dem Substrat ab. In einem Streifen S, der in der Mitte des elektroakustisch aktiven Bereichs angeordnet ist und den elektroakustisch aktiven Bereich somit in drei Teilbereiche unterteilt, weist eine erhöhte Fingerbreite auf. In diesem Fall steigt die Massenbelegung und die akustische Geschwindigkeit im Streifen S v₂ ist gegenüber der Geschwindigkeit v₁ im übrigen Bereich verringert.
Der Streifen S hat dabei eine Breite B, wobei die Breite B deutlich geringer als die Apertur A ist. Der Streifen S ist dabei so schmal, dass die Hauptmode im Hauptbereich des Wandlers quasi ungestört arbeitet. Die Änderung der Geschwindigkeit im Streifen S ist dabei so groß, dass transversale Störmoden effektiv verringert sind.
Verglichen mit konventionellen Maßnahmen zur Verringerung der Störungen durch Transversalmoden ist der vorliegende elektroakustische Wandler EAW mit relativ einfachen Mitteln herstellbar und in einem breitbandig arbeitenden Filter verwendbar.
2 zeigt beispielhaft einen Zweitorwandler mit jeweils zwei Stromsammelschienen BB auf einer Seite der akustischen Spur, wobei die beiden einzelnen Strukturen, die jeweils einem Tor zugeordnet sind, durch einen inneren Reflektor R getrennt sind. Der innere Reflektor R hat vier Verbindungsschienen VS und fingerförmige Reflektorstrukturen, die jeweils von zwei gegenüberliegenden Verbindungsschienen VS verschaltet und verbunden sind. Sowohl die Stromsammelschienen EB als auch die Verbindungsschienen VS weisen eine Wichtung auf. Ihre Breite nimmt über die gesamte Länge der entsprechenden Schiene linear ab. Die minimale Breite ist im Zentrum des Wandlers angeordnet. Der Wandler ist spiegelsymmetrisch mit einer Spiegelachse, die orthogonal zur Longitudinalrichtung ausgerichtet ist. In den Bereichen der Stromsammelschienen, die durch die Abnahme der Breite der Stromsammelschienen nicht bedeckt sind, sind Stummelfinger vorgesehen, um die Wellenleitung der Hauptmode zu verbessern.
Die beiden inneren Verbindungsschienen VS einer Seite haben eine Form, die an die Form des Buchstabens „V“ erinnert. Sie haben eine „V“-Wichtung.
3 zeigt einen Zweitorwandler, bei dem die Breite der Stromsammelschienen über die Länge des Wandlers konstant bleibt. Ein innerer Reflektor hat fingerförmige Reflektorstrukturen, die randseitig durch eine Verbindungsschiene verbunden und verschaltet sind. Die Verbindungsschiene hat in der Mitte die größte Breite, während die Breite nach außen hin abnimmt. Die Stromsammelschienen an dem Übergang zur Verbindungsschiene haben eine Breite, die die Breite der Verbindungsschiene an der Stelle übersteigt. An dem Ort der Verbindungsschiene haben die Schienen somit eine Form, die an den Buchstaben „M“ erinnert. Der Wandler der 3 hat eine „M“-Wichtung.
4 zeigt einen Zweitorwandler, bei dem sowohl die Stromsammelschienen als auch die Verbindungsschienen über die Länge des Wandlers gesehen eine konstante Breite aufweisen. Die Breite der Verbindungsschienen ist dabei geringer als die Breite der Stromsammelschienen. Die fingerförmigen Reflektorelemente des inneren Reflektors sind somit in den Bereich der Schienen eingerückt.
5 zeigt einen Wandler, bei dem die Fingerbreite im Streifen S verglichen mit der Fingerbreite im Hauptbereich H verringert ist. Die Verringerung der Fingerbreite setzt sich auch in den fingerförmigen Reflektorstrukturen des Reflektors R jeder Seite des Wandlers fort.
6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, bei der der Hauptbereich H des elektroakustisch aktiven Bereichs durch einen ersten Streifen S1 und einen zweiten Streifen S2 in drei Abschnitte unterteilt ist. Die beiden Streifen S1, S2 sind dabei so angeordnet, dass die Teilbereiche des Hauptbereichs H im Wesentlichen gleich breit sind.
6 zeigt somit einen Wandler mit mehr als einem Streifen und einer Symmetrie mit einer Spiegelebene, die entlang der Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen ausgerichtet ist.
7 zeigt einen Abschnitt eines Elektrodenfingers vergrößert und illustriert eine mögliche Form der Verbreiterung des Elektrodenfingers im Streifen S. Die Breite des Elektrodenfingers verändert sich dabei sprunghaft von der Breite im Hauptbereich H auf die Breite im Streifen S.
8 zeigt eine alternative Form, bei der die Fingerbreite von der Breite im Hauptbereich H zur vergrößerten Breite im Streifen S in einem Übergangsbereich Ü linear zunimmt. Der Streifen ist somit im Übergangsbereich trapezförmig.
9 zeigt eine alternative Möglichkeit, bei der die Fingerbreite im Streifen in einem Übergangsbereich einen elliptischen Verlauf hat.
10 zeigt die Bedeutung charakteristischer Größen, die die Verringerung der Störung durch Transversalmoden in einem elektroakustischen Wandler beeinflussen. B bezeichnet die Breite des Streifens. A bezeichnet die Breite des elektroakustisch aktiven Bereichs, d.h. die Apertur. BS1 bezeichnet die Breitendifferenz, um die die Verbindungsschiene VS an ihrer breitesten Stelle schmäler ist als die Stromsammelschiene BB an ihrer breitesten Stelle. BS2 bezeichnet die Breitendifferenz zwischen der schmalsten Stelle und der breitesten Stelle der Verbindungsschiene.
11 erläutert die spezifischen Abmessungen, die die Variation des Metallisierungsverhältnisses angeben. B ist dabei die Breite des Streifens. Um die Breite des Elektrodenfingers nicht mit der Breite des Streifens zu verwechseln, gibt es auch die Möglichkeit, den Begriff Fingerbreite F zu verwenden. Insofern kann die Fingerbreite im Hauptbereich den Wert D1 haben, während die Fingerbreite im Streifen der Wert D2 aufweisen kann. Bei dem in 11 gezeigten Ausschnitt eines Elektrodenfingers ist die Fingerbreite D2 im Streifen größer als die Fingerbreite D1 im Hauptbereich.
Im Gegensatz dazu zeigt 12 einen Abschnitt eines Elektrodenfingers, bei der die Fingerdicke D2 im Bereich des Streifens geringer ist als die Dicke D1 im Hauptbereich.
13 verdeutlicht die Auswirkung der Wichtung der Stromsammelschienen bzw. der Verbindungsschienen: Die gestrichelte Kurve zeigt die Übertragungsfunktion eines konventionellen Wandlers. Die durchgezogene Linie zeigt die Übertragungsfunktion eines Wandlers mit entsprechend eingestellter Wichtung der Schienen. Der Einbruch der Übertragungsfunktion im konventionellen Wandler ist auf eine Störmode zurückzuführen, die im Wandler mit Schienen-Wichtung an den Rand des Passbands verschoben werden konnte.
Die Welligkeit im Passband ist verringert.
14 zeigt die Auswirkung der Wichtung einer Verbindungsschiene eines inneren Reflektors: Die gestrichelte Linie zeigt die Einfügedämpfung im Passband eines konventionellen Wandlers. Welligkeiten der Durchlasskurve sind auf Störmoden zurückzuführen. Die durchgezogene Kurve zeigt den entsprechenden Wandler mit gewichteten Verbindungsschienen des inneren Reflektors.
15 zeigt den Einfluss der Kombination aus veränderter Ausbreitungsgeschwindigkeit in einem Streifen, die durch ein verändertes Metallisierungsverhältnis η erreicht wird und eine „M“-Wichtung: Die gestrichelte Kurve zeigt die Durchlasskurve eines konventionellen Wandlers. Die durchgezogene Kurve zeigt die Übertragungsfunktion eines Wandlers, bei dem das Metallisierungsverhältnis in einem Streifen lokal auf 0,71 erhöht ist, während das Metallisierungsverhältnis im Übrigen Hauptbereich bei 0,55 liegt. Der Streifen hat dabei eine Breite von 3 µm. Ferner hat der innere Reflektor eine „M“-Wichtung, wobei BS1 + BS2, die Einrückung der Verbindungsschiene, 18 µm beträgt.
Neben den oben genannten Merkmalen kann der Wandler auch weitere Merkmale, z.B. eine Gap-Wichtung, aufweisen um transversale Störmoden zu verringern. Die in den Figuren gezeigten Merkmale dienen der technischen Erläuterung und stellen keine Einschränkung des Schutzbereichs dar.
Bezguszeichenliste

A:: Apertur, Breite des elektroakustisch aktiven Bereichs
B:: Streifenbreite
BB:: Stromsammelschiene
BS1:: Breitendifferenz zwischen Verbindungsschiene und Stromsammelschiene
BS2:: Änderung der Breite einer Schiene
F, D1:: Breite/Dicke eines Elektrodenfingers im Hauptbereich
D2:: Breite/Dicke eines Elektrodenfingers in einem Streifen
EAW:: elektroakustischer Wandler
EF:: Elektrodenfinger
H:: Hauptbereich
L:: Länge des elektroakustisch aktiven Bereichs
M:: „M“-Wichtung
P:: Pitch (Mittenabstand benachbarter Elektrodenfinger)
R:: Reflektor
R:: Reflektor
S:: Streifen
S1:: erster Streifen
S2:: zweiter Streifen
S21:: frequenzabhängige Übertragungsfunktion
Ü:: Übergangsbereich
V:: „V“-Wichtung
VS:: Verbindungsschiene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/007319 A1 [0005, 0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Suppression Mechanism of Transverse-Mode Spurious Responses in SAW-Resonators on a SiO2/Al/LiNbO3 Structure” (von H. Nakamura, H. Nakanishi, R. Goto, K. Hashimoto; Ultrasonics Symposium 2011) [0004]

Claims

Elektroakustischer Wandler (EAW), umfassend – ein piezoelektrisches Substrat, an dessen Oberfläche akustische Wellen ausbreitungsfähig sind, – zwei Stromsammelschienen (BB) auf dem Substrat, – Elektrodenfinger (EF) auf dem Substrat, die abwechselnd mit je einer der Stromsammelschienen (BB) verbunden sind, – einen aktiven Bereich (A), in dem die Elektrodenfinger (EF) überlappen und der einen Hauptbereich (H) mit mindestens 90% der Fläche des aktiven Bereichs (A) enthält, wobei – die Wellen im Hauptbereich (H) eine Geschwindigkeit v₁ haben, – in einem oder mehr Streifen (S, S1) im aktiven Bereich (A) die Wellen eine Geschwindigkeit v₂ ≠ v₁ haben.
Wandler nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Elektrodenfinger (EF) in den Streifen (S) eine andere Breite (D2) und/oder Höhe als im Hauptbereich (H) aufweisen.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Streifen (S) eine Breite B zwischen 0,5 P und 5 P aufweisen und P der Pitch der Elektrodenfinger (EF) ist.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Metallisierungsverhältnis η in den Streifen (S) um 0.05 oder mehr abweicht.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Elektrodenfinger (EF) in einem Übergangsbereich (Ü) zwischen dem Hauptbereich (H) und den Streifen (S) ein Rechteck-Profil, ein Trapez-Profil oder ein Ellipsen-Profil aufweisen.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Zahl der Streifen (S) n beträgt und die Streifen (S) den Hauptbereich (H) in n + 1 gleich große Bereiche teilen und n = 1, 2, 3, 4, 5 oder 6.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in den Streifen (S) – auf jedem Finger (EF) lokal ein leitendes Material oder – ein dielektrisches Material gemeinsam über eine Vielzahl von Elektrodenfingern (EF) und die Bereiche dazwischen angeordnet ist.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend – zwei weitere Stromsammelschienen (BB), – damit abwechselnd verbundene Elektrodenfinger (BB) mit einem aktiven Bereich (A), in dem die Elektrodenfinger (EF) überlappen und der einen Hauptbereich (H) mit mindestens 90% der Fläche des aktiven Bereichs (A) enthält und in dem die Wellen die Geschwindigkeit v₁ haben, – einem oder mehr Streifen (S1, S), in dem die Wellen die Geschwindigkeit v₂ haben, wobei der Wandler (EAW) ein Zweitor-Wandler ist.
Wandler nach dem vorherigen Anspruch, umfassend einen oder zwei innere Reflektoren (R).
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend zwei äußere Reflektoren (R), die den aktiven Bereich (A) in Ausbreitungsrichtung der Wellen eingrenzen.
Wandler nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, umfassend Verbindungsschienen (VS), wobei die Reflektoren (R) Fingerstrukturen umfassen und die Verbindungsschienen (VS) die Strukturen eines Reflektors (R) verbinden.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Stromsammelschienen (BB) und/oder Verbindungsschienen (VS) eine entlang der Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen unterschiedliche Breite aufweisen.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Stromsammelschienen (BB) und/oder Verbindungsschienen (VS) eine Wichtung durch eine entlang der Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen unterschiedliche Geometrie aufweisen.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Stromsammelschienen (BB) eine lineare Wichtung aufweisen.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend zwei Verbindungsschienen (VS), die eine lineare Wichtung aufweisen.
Wandler nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Stromsammelschienen (BB) und/oder Verbindungsschienen (VS) eine „M“-Wichtung oder eine „V“-Wichtung aufweisen.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, der spiegelsymmetrisch bezüglich einer Achse entlang der Ausbreitungsrichtung aufgebaut ist.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, der spiegelsymmetrisch bezüglich einer Achse orthogonal zur Ausbreitungsrichtung aufgebaut ist.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das piezoelektrische Substrat – LiTaO₃, LiNbO₃ oder Quarz umfasst und – einen Kristallschnitt aufweist, dass die an der Oberfläche ausbreitungsfähigen akustischen Wellen Scherwellen sind.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Streifen (S) oder die mehreren Streifen (S1, S2, S) mit der akustischen Geschwindigkeit v₂ nicht am seitlichen Rand des akustischen Bereichs (A) angeordnet sind.
HF-Filter mit einem oder mehreren Wandlern (EAW) nach einem der vorherigen Ansprüche.