DE102015120654A1

DE102015120654A1 - Elektroakustischer Wandler mit verringerten Nichtlinearitäten zweiter Ordnung

Info

Publication number: DE102015120654A1
Application number: DE102015120654.4A
Authority: DE
Inventors: Werner Ruile; Markus Mayer; Thomas Ebner
Original assignee: SnapTrack Inc
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2017-06-01
Also published as: WO2017089090A1; US20180351531A1; EP3381124A1; CN108770380A

Abstract

Es wird ein Wandler mit verringerten Nichtlinearitäten zweiter Ordnung angegeben. Der Wandler umfasst zur Verringerung der Nichtlinearitäten einen Isolationsbereich zwischen den Elektrodenfingern und der jeweils gegenüberliegenden Stromsammelschiene und ein dielektrisches Material zur Reduzierung der elektrischen Feldstärke im Isolationsbereich.

Description

Die Erfindung betrifft elektroakustische Wandler mit verringerter Störung durch nichtlineare Effekte zweiter Ordnung.
Elektroakustische Wandler können in HF-Filtern Verwendung finden. Zusammen angeordnet und miteinander verschaltet können sie Bandpassfilter bilden, die aufgrund ihrer kleinen Baugröße für tragbare Kommunikationseinrichtungen, z.B. in Frontend-Schaltungen, gut geeignet sind.
Elektroakustische Wandler umfassen im Allgemeinen auf einem piezoelektrischen Material, z.B. einem einkristallinen Substrat, angeordnete Metallstrukturen mit kammförmig ineinander greifenden Elektrodenstrukturen mit Stromsammelschienen und Elektrodenfingern. Durch den piezoelektrischen Effekt wandeln solche Strukturen zwischen elektrischen und akustischen Wellen, wobei die halbe akustische Wellenlänge λ/2 im Wesentlichen durch den Abstand der Mitten benachbarter Elektrodenfinger unterschiedlicher Polarität bestimmt ist. Der elektroakustisch aktive Bereich eines solchen Wandlers, die akustische Spur, umfasst dabei die nebeneinander liegenden Elektrodenfinger entgegengesetzter Polarisation.
Stummelfinger wurden bisher zur Reduzierung störender transversaler Effekte verwendet.
Z.B. aus dem Beitrag „Generation Mechanisms of Second-Order non-Linearity in Surface Acoustic Wave Devices" (K. Hashimoto, R. Kodaira, T. Omori; 2014 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings, S. 791) ist bekannt, dass eine nichtlineare Störung zweiter Ordnung bei der zweiten harmonischen Frequenz durch Erzeugen einer dielektrischen Verschiebung D in Transversalrichtung auftreten kann.
Z.B. aus dem Beitrag „Effective Suppression Method for 2nd nonlinear Signals of SAW-Devices" (R. Nakagawa, H. Kyoya, H. Shimizu, T. Kihara; 2014 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings; S. 782) ist bekannt, dass solche Störungen durch Auftrennen der akustischen Spur verringert werden können.
Problematisch bei dieser Verbesserung der elektrischen Eigenschaften ist die durch das Auftrennen erzwungene Verschlechterung der akustischen Eigenschaften.
Es besteht deshalb der Wunsch nach Wandlern, die sowohl gute elektrische Eigenschaften, insbesondere verringerte Nichtlinearitäten zweiter Ordnung, als auch gute akustische Eigenschaften aufweisen.
Dazu wird der Wandler gemäß Anspruch 1 angegeben. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
Der elektroakustische Wandler umfasst ein piezoelektrisches Material, zwei auf dem piezoelektrischen Material nebeneinander angeordnete und parallel ausgerichtete Stromsammelschienen und zwischen den Stromsammelschienen angeordnete Elektrodenfinger zur Anregung akustischer Wellen. Die Elektrodenfinger sind jeweils mit einer der beiden Stromsammelschienen verschaltet. Der Wandler umfasst ferner einen Isolationsbereich, der zwischen den Elektrodenfingern und der jeweils anderen, gegenüberliegenden Stromsammelschiene angeordnet ist und die Elektrodenfinger von dieser gegenüberliegenden Stromsammelschiene galvanisch trennt. Ferner hat der Wandler ein dielektrisches Material zur Reduzierung der elektrischen Feldstärke im Isolationsbereich.
3 zeigt die prinzipielle Anordnung der Stromsammelschienen und der Elektrodenfinger relativ zur Ausbreitungsrichtung x der akustischen Wellen. Die Elektrodenfinger sind mit einer Seite mit einer der beiden Stromsammelschienen verbunden. Auf der jeweils anderen Seite sind sie von der gegenüberliegenden Stromsammelschiene isoliert, um einen elektrischen Kurzschluss zu vermeiden. Nebeneinander angeordnete Elektrodenfinger und entsprechend die beiden gegenüberliegenden Stromsammelschienen liegen auf unterschiedlichem elektrischem Potenzial. Entsprechend den zugehörigen elektrischen Ladungen, die auf den Elektrodenstrukturen angehäuft sind, liegen elektrische Felder zwischen den entgegengesetzt geladenen Strukturen an. Im Bereich zwischen den Elektrodenstrukturen ist die Feldstärke reziprok zum Abstand d: |E →| ∝ 1 / d (1) 2 zeigt den entsprechenden Abschnitt des Wandlers und verdeutlicht die Problematik: In üblichen Wandlern sind neben den konventionellen Elektrodenfingern auch Fingerstummel mit den Stromsammelschienen verbunden. Der Abstand zwischen einem Stummelfinger und dem Elektrodenfinger der gegenüberliegenden Elektrode wird mit d_G bezeichnet. Ist der Wandler im Betrieb, so liegt zwischen diesen Metallisierungen ein elektrisches Feld an, dessen Stärke in y-Richtung reziprok zum Abstand ist:
Der Bereich zwischen den Enden der Stummelfinger und den Enden der gegenüberliegenden Elektrodenfinger wird mit „Gap“ bezeichnet.
Nichtlineare Störungen entstehen dadurch, dass der Tensor der Permitivität eine von Null verschiedene Komponente ε_yyy aufweist. Dadurch bewirkt die Komponente E_y des elektrischen Felds eine in y-Richtung anliegende Komponente der dielektrischen Verschiebung D_y: D_y ⁽²⁾ = 1 / 2ε_yyy(E_y ⁽¹⁾)² (3)
Diese Komponente der dielektrischen Verschiebung ist proportional zum Quadrat der Komponente des elektrischen Felds, weshalb eine zeitliche Variation des elektrischen Felds eine zeitliche Variation der dielektrischen Verschiebung mit der doppelten Frequenz bewirkt.
Verglichen mit den bekannten Wandlerstrukturen der 2 hat der vorliegende Wandler den Isolationsbereich mit dem dielektrischen Material zwischen den Elektrodenfingern, insbesondere den Enden der Elektrodenfingern der einen Elektrode, und der jeweils anderen, gegenüberliegenden Stromsammelschiene. In y-Richtung gesehen an der Stelle der sonst üblichen Stummelfinger ist der räumliche Abstand zwischen den Enden der einen Elektrodenfinger und der Ladung tragenden Metallisierung der gegenüberliegenden Stromsammelschiene dadurch vergrößert. Bei gleicher Differenz der Ladungsdichten und bei vergrößertem Abstand ist die elektrische Feldstärke entsprechend verringert. Entsprechend verringert ist deshalb auch die Komponente der dielektrischen Verschiebung in transversaler Richtung D_y, wodurch die dadurch verursachten Störungen der zweiten Ordnung ebenfalls verringert sind.
Ein typisches Verhältnis von Stummelfingerlänge und Breite des Gaps D_g liegt bei etwa 4/5:1/5. Durch die entsprechende Verfünffachung des Abstands der entgegengesetzt geladenen Elektrodenstrukturen ist somit eine Reduktion der verursachten Störungen der zweiten Ordnung um den Faktor 5² = 25 möglich.
Das Ersetzen der Stummelfinger durch den Isolationsbereich mit einem dielektrischen Material hat den Nachteil, dass die Prozessierungs-Schritte zur Herstellung des Wandlers aufwändiger sind. Verglichen mit der Triviallösung, der Weglassen der Stummelfinger, sind die akustischen Eigenschaften des Wandlers verbessert.
Das piezoelektrische Material kann ein piezoelektrisches Substrat sein.
Ein Vorteil eines Wandlers, bei dem der Bereich, der in konventionellen Wandlern durch die Bezeichnung „Gap“ definiert ist, durch das dielektrische Material aufgefüllt, ist besteht in der Reduktion der transversalen elektrischen Feldstärke im Substrat und der damit einhergehenden Nichtlinearität und Verringerung der Anregung akustischer Wellen im Gap. Das Dielektrikum auf dem Substrat extrahiert Feldstärke aus dem Substrat. Die parasitäre Gesamtkapazität kann dadurch allerdings vergrößert sein. Entscheidend ist die Veränderung im Substrat.
Es ist möglich und vorteilhaft, dass das dielektrische Material die elektrische Feldstärke E im piezoelektrischen Material, z. B. in einem einkristallinen Substrat, während des Betriebs des Wandlers in der Transversalrichtung verringert.
Die Transversalrichtung steht dabei orthogonal zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen, der Longitudinalrichtung, und parallel zur Oberfläche des piezoelektrischen Materials. Die Elektrodenfinger zeigen im Wesentlichen in Transversalrichtung.
Es ist deshalb auch möglich und vorteilhaft, dass das dielektrische Material die dielektrische Verschiebung D im Substrat während des Betriebs des Wandlers in der Transversalrichtung verringert.
Es ist möglich, dass das dielektrische Material mehrere Lagen umfasst. Die Lagen können unterschiedliche Materialien umfassen, unterschiedliche laterale Abmessungen haben und/oder unterschiedliche Dicken aufweisen.
Es ist möglich, dass das dielektrische Material als Stummelfinger im Isolationsbereich strukturiert ist.
Es ist alternativ möglich, dass das dielektrische Material als Finger, der die Elektrodenfinger mit der jeweils gegenüberliegenden Stromsammelschiene verbindet aber galvanisch von dieser isoliert, strukturiert ist.
Alternativ ist es ebenso möglich, dass das dielektrische Material in zwei durchgehenden Streifen entlang der beiden Stromsammelschienen strukturiert ist und auf dem piezoelektrischen Material und auf den Elektrodenfingern angeordnet ist.
Es ist möglich, dass das dielektrische Material Finger aufweist, deren Dichte, Breite und Höhe so gewählt sind, dass die Reflexion dieser dielektrischen Finger der Reflexion der übrigen Elektrodenfinger ähnelt oder gleicht. Je besser die akustische Impedanz des dielektrischen Materials an die akustische Impedanz der übrigen Elektrodenfinger angepasst ist, desto besser, da ungestörter, können sich die akustischen Wellen ausbreiten.
Es ist möglich, dass das dielektrische Material Finger aufweist, die in einem Überlappungsbereich mit Elektrodenfingern der gegenüberliegenden Stromsammelschiene überlappen und das dielektrische Material im Überlappungsbereich auf den Elektrodenfingern angeordnet ist.
Ebenso ist es möglich, dass das dielektrische Material Finger aufweist, die in einem Überlappungsbereich mit Elektrodenfingern der gegenüberliegenden Stromsammelschiene überlappen und die Elektrodenfinger im Überlappungsbereich auf dem dielektrischen Material angeordnet ist.
Ist das dielektrische Material im Überlappungsbereich zwischen dem piezoelektrischen Material und dem Elektrodenfingern, so ist die piezoelektrische Kopplung zwischen Elektrodenfinger und piezoelektrischem Material verringert, während die akustische Kopplung durch das Vorhandensein des Materials der Elektrodenfinger idealerweise unverändert ist. Dadurch kann die Ausbreitung der akustischen Wellen verbessert werden da die Anregung der akustischen Wellen an den Fingerenden reduziert ist und dadurch ein Anregungsprofil, das dem Ausbreitungsprofil der akustischen Wellen besser entspricht, erhalten werden kann.
Aber auch eine Überlappung, bei der das dielektrische Material auf den Elektrodenfingern angeordnet ist, ist vorteilhaft, da eine solche Überlappung herstellungstechnisch einfacher zu realisieren ist als bündige Abschlüsse der entsprechenden Materialien an der Grenzfläche.
Es ist ferner möglich, dass der Wandler eine Materiallage zur Temperaturkompensation aufweist. Die Materiallage zur Temperaturkompensation bedeckt die freiliegenden Oberseiten der Elektrodenfinger, die freiliegenden Oberseiten des piezoelektrischen Materials und die freiliegenden Oberseiten des dielektrischen Materials. Die akustische Impedanz der Materiallage zur Temperaturkompensation unterscheidet sich dabei von den akustischen Impedanzen der Elektrodenfinger und des dielektrischen Materials.
Es ist möglich, dass das piezoelektrische Material LiNbO₃ (Lithiumniobat) umfasst.
Es ist möglich, dass das LiNbO₃ den Kristallschnitt rot-128YX hat.
Das Material der Elektrodenfinger kann Al (Aluminium) als Hauptbestandteil umfassen. Das dielektrische Material kann SiO₂ (Siliziumdioxid) umfassen.
Es ist möglich, dass das piezoelektrische Material LiTaO₃ (Lithiumtantalat) umfasst.
Es ist möglich, dass das LiTaO₃ den Kristallschnitt YXl/42 gemäß der IEEE-Definition für Kristallschnitte hat.
Das Material der Elektrodenfinger kann Cu (Kupfer) als Hauptbestandteil umfassen. Das dielektrische Material kann Ta₂O₅ (Tantaloxid) oder GeO₂ (Germaniumoxid) als Hauptbestandteil umfassen.
Andere piezoelektrische Materialien wie Quarz sind ebenfalls möglich.
Alternativ ist es möglich, dass das dielektrische Material mit dem piezoelektrischen Material, das auch als Trägersubstrat unter den Elektrodenstrukturen verwendet wird, übereinstimmt.
Letzteres ist möglich und zu realisieren, indem die Elektrodenstrukturen und das dielektrische Material in entsprechend geformte Ausnehmungen an der Oberseite des piezoelektrischen Materials eingebettet oder angeordnet sind.
In einer durch eine gute akustische Impedanzanpassung verbesserten Ausführungsform beträgt die Höhe der Elektrodenfinger 8 % der akustischen Wellenlänge λ. Die Breite der Elektrodenfinger beträgt 60 % der halben akustischen Wellenlänge λ/2, was einem Metallisierungsverhältnis η von 60 % entspricht. Das dielektrische Material weist Finger auf, deren Höhe 14 % der akustischen Wellenlänge λ beträgt. Die Breite der Finger aus dem dielektrischen Material beträgt 60 % der halben akustischen Wellenlänge λ/2.
Neben der Reflexion ist vorteilhafterweise auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle im Bereich des dielektrischen Materials durch die Dimensionierung der Höhe, der Breite und der akustischen Impedanz des dielektrischen Materials an die Reflexion und an die Geschwindigkeit der Welle im mittleren Anregungsbereich in der Mitte zwischen den Stromsammelschienen angepasst.
Um die Anpassung bezüglich der Reflexion und der akustischen Geschwindigkeit zu erfüllen, können Finger aus dem dielektrischen Material eine Breite oder eine Höhe haben, die von der entsprechenden Breite bzw. Höhe der Fingerelektroden abweicht.
Die Elektrodenfinger und die Struktur des dielektrischen Materials müssen nicht gezwungenermaßen homogen, d.h. konstant über die longitudinale Ausbreitungsrichtung sein. Entlang der Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen können die Fingerbreiten und die Fingerabstände wie z.B. bei RSPUDT-Filtern (RSPUDT = Resonant SPUDT [Single Phase Unidirectional Transducer]) variieren.
Es ist möglich, dass das dielektrische Material im Isolationsbereich so strukturiert ist, dass die unteren Stoppbandkanten des durch die Elektrodenfinger gebildeten Wellenleiters und des durch die Strukturen des dielektrischen Materials gebildeten Wellenleiters übereinstimmen.
Dazu ist z. B. möglich, dass die Höhe des dielektrischen Materials so eingestellt ist, dass die unteren Stoppbandkanten des durch die Elektrodenfinger gebildeten Wellenleiters und des durch die Strukturen des dielektrischen Materials gebildeten Wellenleiters übereinstimmen.
Nachfolgend werden Funktionsprinzipien des Wandlers und beispielhafte Ausführungsformen anhand von schematischen Figuren gezeigt.
Es zeigen:
1: Das Funktionsprinzip des dielektrischen Materials im Isolationsbereich,
2: Die Problematik konventioneller Wandler,
3: Die Anordnung eines Wandlers auf einem piezoelektrischen Material und die Ausrichtung der Elektrodenfinger und der Stromsammelschienen relativ zu der Ausbreitungsrichtung x der akustischen Wellen,
4: Eine Ausführungsform mit dielektrischem Material in Form von Stummelfingern,
5: Eine Ausführungsform mit Fingern aus dielektrischem Material, die sich bündig an die Elektrodenfinger anschließen,
6: Einen Querschnitt durch einen Wandler mit einer Temperaturkompensationslage,
7: Einen Querschnitt durch die yz-Ebene in einer Ausführungsform, bei der das dielektrische Material bündig neben dem entsprechenden Elektrodenfinger strukturiert ist,
8: Einen Querschnitt durch die yz-Ebene, bei dem das dielektrische Material und das Material der Elektrodenfinger überlappen und das Metall der Elektrodenfinger im Überlappungsbereich unter dem dielektrischen Material angeordnet ist,
9: Einen Querschnitt durch die yz-Ebene einer Ausführungsform, bei der das dielektrische Material und die Elektrodenfinger überlappen und das dielektrische Material zwischen dem Metall der Elektrodenfinger und dem piezoelektrischen Material angeordnet ist,
10: Eine Ausführungsform, bei der das dielektrische Material in zwei Streifen entlang der longitudinalen Ausbreitungsrichtung strukturiert ist,
11: Den Realteil und den Imaginärteil der Dispersionsrelation eines Elektrodenfingers aus Aluminium,
12: Den Realteil und den Imaginärteil der Dispersionsrelation eines Wellenleiters, dessen Fingerstrukturen aus Siliziumdioxid bestehen.
1 zeigt die Wirkungsweise des dielektrischen Materials DM im Isolationsbereich IB eines elektroakustischen Wandlers IDT vor dem Hintergrund eines in 2 gezeigten konventionellen Wandlers: Der Abstand eines Elektrodenfingers EFI1 zu mit der gegenüberliegenden Stromsammelschiene verschalteten leitenden Material – und damit die Breite d_IB des Isolationsbereichs – ist durch das Vorsehen des dielektrischen Materials DM vergrößert, z.B. verfünffacht, ohne die akustischen Eigenschaften im Wesentlichen zu stören. Dadurch verringert sich die Feldstärke E_y, entsprechend dem Zahlenbeispiel auf ein Fünftel, wenn d_iB = 5 d_G ist. Durch die quadratische Abhängigkeit der dielektrischen Verschiebung vom elektrischen Feld ergibt sich eine Reduktion der Störung bei doppelten Frequenzen durch die von Null verschiedene Tensorkomponente ε_yyy; entsprechend bezeichnen die Zahlen in den Klammern der dargestellten Gleichung das Vielfache der Grundfrequenz.
Entsprechend zeigt 2 einen konventionellen Wandler, bei dem durch einen recht kleinen Abstand d_G ein relativ starkes elektrisches Feld in Transversalrichtung E_y wirksam ist.
3 zeigt die Ausrichtung des elektroakustischen Wandlers IDT, seiner Stromsammelschienen BB (englisch: Bus Bar) und seiner Elektrodenfinger EFI relativ zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen x und der Transversalrichtung y. Die Stromsammelschienen BB und die Elektrodenfinger EFI sind dabei so auf einem piezoelektrischen Material PM angeordnet und ausgerichtet, dass ein möglichst hoher elektroakustischer Kopplungskoeffizient κ² erhalten wird. Dazu ist der Schnittwinkel des piezoelektrischen Materials, welches im Allgemeinen aus einem einkristallinen piezoelektrischen Wafer besteht, ausgewählt.
4 zeigt eine Ausführungsform des Wandlers IDT, bei dem das dielektrische Material in Form von Stummelfingern SF zwischen den Enden der Elektrodenfinger EFI und der entgegengesetzten Stromsammelschiene BB angeordnet ist.
Es gilt zu beachten, dass der Isolationsbereich nicht zusammenhängend zu sein braucht. Entsprechend braucht auch das dielektrische Material nicht aus einer einzigen Ansammlung zu bestehen. Das dielektrische Material kann auf die entsprechenden Stellen der Fingerenden der Elektrodenfinger verteilt sein.
Das dielektrische Material kann aus verschiedenen Lagen bestehen, z. B. um eine gute akustische Impedanzanpassung zu erhalten. Eine Kombination mit Verfahren zur Optimierung anderer Parameter kann somit ohne zusätzlichen Mehraufwand bei der Herstellung erhalten werden.
Die halbe akustische Wellenlänge λ/2 ist durch den Abstand zweier benachbarter Anregungszentren bestimmt. Ein Anregungszentrum liegt in der Mitte zwischen zwei Elektrodenfingern unterschiedlichen Potenzials.
5 zeigt eine Ausführungsform, bei dem die sogenannten „Gaps“ vollständig durch fingerförmig strukturierte Abschnitte F des dielektrischen Materials DM aufgefüllt sind.
6 zeigt einen Querschnitt durch die xz-Ebene, wobei die Koordinate z die Höhe angibt. Die freiliegenden Oberflächen des piezoelektrischen Materials PM, die freiliegenden Oberflächen der Elektrodenfinger EFI und die freiliegenden Oberflächen des dielektrischen Materials DM sind durch das Material einer Temperaturkompensationslage TKL bedeckt, um ein Funktionieren des elektroakustischen Wandlers innerhalb vorgegebener Spezifikationen in einem breiten Temperaturbereich zu gewährleisten. Das Material der Temperaturkompensationslage TKL und das piezoelektrische Material PM sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass Temperaturgänge der Frequenzen verringert und im Idealfall kompensiert werden.
Damit das dielektrische Material gut dazu beitragen kann, einen akustischen Leiter zusammen mit den Elektrodenfingern EFI zu bilden, sind die akustischen Impedanzen des dielektrischen Materials und der Elektrodenfinger vorzugsweise sehr ähnlich und idealerweise identisch aber verschieden von der akustischen Impedanz der Temperaturkompensationslage TKL.
7 zeigt einen Querschnitt durch die yz-Ebene einer Ausführungsform, bei der sich das dielektrische Material zwischen der Stromsammelschiene BB und dem gegenüberliegenden Elektrodenfinger EFI bündig an diesen Elektrodenfinger EFI anschließt, so dass – bei entsprechender Dimensionierung der Höhe, der Breite und der akustischen Impedanz des dielektrischen Materials – ein idealer Wellenleiter erhalten wird.
8 zeigt einen Querschnitt durch die yz-Ebene einer vereinfacht herstellbaren Ausführungsform, bei dem das dielektrische Material und der gegenüberliegende Elektrodenfinger EFI zumindest teilweise überlappen, wobei das dielektrische Material DM auf der Oberseite des piezoelektrischen Materials PM und im Überlappungsbereich auf der Oberseite des Elektrodenfingers EFI angeordnet ist.
9 zeigt einen Querschnitt durch die yz-Ebene einer einfacher herstellbaren Ausführungsform, bei der ähnlich zur Ausführungsform der 8 das dielektrische Material DM und der Elektrodenfinger EFI in einem Überlappungsbereich übereinander angeordnet sind. In der in 9 gezeigten Ausführungsform ist dabei das dielektrische Material DM im Überlappungsbereich unter dem Material des Elektrodenfingers EFI angeordnet. Dadurch ist die elektroakustische Kopplung im Überlappungsbereich verringert. Die akustischen Wellenleitereigenschaften können dadurch nochmals verbessert sein.
10 zeigt eine Ausführungsform, bei der das dielektrische Material großflächig in zu den Stromsammelschienen BB parallel ausgerichteten Streifen auf der Oberseite des piezoelektrischen Materials angeordnet ist. Das dielektrische Material kann dabei durch das Material der Elektrodenfinger auf verschiedene nicht zusammenhängende Bereiche verteilt sein.
Es ist allerdings auch möglich, dass dielektrische Material eines einzelnen Streifens großflächig auch über den entsprechenden Abschnitt des Elektrodenfingers aufzubringen, wodurch die Herstellung vereinfacht wird. Der Verbesserten Darstellung halber ist das dielektrische Material in 10 im Bereich der Elektroden transparent.
11 zeigt den Realteil (durchgezogene Linie) und den Imaginärteil (gestrichelte Linie) der Dispersionsrelation eines Wellenleiters (z. B. des akustisch aktiven Bereichs) mit Elektrodenfingern aus Aluminium, gewichtet mit dem Pitch p. Der Imaginärteil ist dabei zusätzlich auf das Metallisierungsverhältnis η normiert.
Die Stoppbandkante SBK bei etwa 1,98 GHz ist durch einen klein werdenden Realteil und durch einen groß werdenden Imaginärteil gekennzeichnet.
12 zeigt die entsprechenden Kurven für einen Wellenleiter (z. B. des Isolationsbereichs) mit Fingerstrukturen aus Siliziumdioxid, wobei die untere Stoppbandkante SBK ebenfalls bei etwa 1,98 GHz zu liegen kommt.
Die 11 und 12 zeigen somit Wellenleiterstrukturen, deren untere Stoppbandkanten aufeinander abgestimmt sind, um die Wellenausbreitung bei verringerten Nichtlinearitäten im gesamten Wandler zu verbessern. Die Kurven 11 und 12 zeigen somit deutlich, dass Fingerstrukturen aus Aluminium und aus Siliziumdioxid so dimensioniert werden können, dass sie gemeinsam in einer akustischen Spur verwendbar sind. So kann Siliziumdioxid leicht als das dielektrische Material zur Verringerung der elektrischen Feldstärke zur Verringerung nichtlinearer Störungen zweiter Ordnung verwendet werden.
Der Wandler ist nicht auf die beschriebenen oder gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Wandler, die weitere Strukturen zur Verbesserung der Wellenleitereigenschaften oder zur Verringerung von elektrischen Störungen aufweisen, stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsformen dar.
Bezugszeichenliste

BB:

Stromsammelschiene

d_IB:

Breite des Isolationsbereichs IB

d_G:

Breite des Gaps

DM:

dielektrisches Material

D_y:

Komponente der dielektrischen Verschiebung

EFI1, EFI2, EFI:

Elektrodenfinger

E_y:

Komponente des elektrischen Felds

F:

Finger

f:

Frequenz

IB:

Isolationsbereich

IDT:

Wandler

p:

Pitch

PM:

piezoelektrisches Material

q:

Wellenzahl

S:

Streifen

SBK:

Stoppbandkante

SF:

Stummelfinger

TKL:

Temperaturkompensationslage

x:

Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen

y:

Transversalrichtung

z:

Höhe

ε_yyy:

Tensorkomponente der Permitivität

η:

Metallisierungsverhältnis

λ:

akustische Wellenlänge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Beitrag „Generation Mechanisms of Second-Order non-Linearity in Surface Acoustic Wave Devices“ (K. Hashimoto, R. Kodaira, T. Omori; 2014 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings, S. 791) [0005]
Beitrag „Effective Suppression Method for 2nd nonlinear Signals of SAW-Devices“ (R. Nakagawa, H. Kyoya, H. Shimizu, T. Kihara; 2014 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings; S. 782) [0006]

Claims

Elektroakustischer Wandler (IDT) mit verringerten Nichtlinearitäten zweiter Ordnung, umfassend – ein piezoelektrisches Material (PM), – zwei auf dem piezoelektrischen Material (PM) nebeneinander angeordnete und parallel ausgerichtete Stromsammelschienen (BB), – zwischen den Stromsammelschienen (BB) angeordnete Elektrodenfinger (EF) zur Anregung akustischer Wellen, die jeweils mit einer der beiden Stromsammelschienen (BB) verschaltet sind, – einen Isolationsbereich (IB), der zwischen den Elektrodenfingern (EF) und der jeweils anderen, gegenüberliegenden Stromsammelschiene (BB) angeordnet ist und die Elektrodenfinger (EF) von dieser Stromsammelschiene (BB) galvanisch trennt, – ein dielektrisches Material (DM) zur Reduzierung der elektrischen Feldstärke im Isolationsbereich (IB).
Wandler nach dem vorherigen Anspruch, wobei das dielektrische Material (DM) die elektrische Feldstärke im piezoelektrischen Material (PM) während des Betriebs des Wandlers (IDT) in der Transversalrichtung verringert.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das dielektrische Material (DM) die dielektrische Verschiebung im piezoelektrischen Material (PM) während des Betriebs des Wandlers in der Transversalrichtung verringert.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das dielektrische Material (DM) mehrere Lagen umfasst.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das dielektrische Material (DM) als Stummelfinger (SM) im Isolationsbereich (IB) strukturiert ist.
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das dielektrische Material (DM) als Finger (F), die die Elektrodenfinger (EF) mit der jeweiligen gegenüberliegenden Stromsammelschiene (BB) verbinden und galvanisch isolieren, strukturiert ist.
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das dielektrische Material (DM) in zwei durchgehenden Streifen (S) entlang der beiden Stromsammelschienen (BB) strukturiert ist und auf dem piezoelektrischen Material (PM) und auf den Elektrodenfingern (EF) angeordnet ist.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das dielektrische Material (DM) Finger (F) aufweist, deren Dichte, Breite und Höhe so gewählt sind, dass die Reflektion dieser dielektrischen Finger (F) der Reflexion der Elektrodenfinger (EF) gleicht.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das dielektrische Material (DM) Finger (F) aufweist, deren Dichte, Breite und Höhe so gewählt sind, dass die akustische Geschwindigkeit im Isolationsbereich (IB) der akustischen Geschwindigkeit im Bereich der Elektrodenfinger (EF) gleicht.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das dielektrische Material (DM) Finger (F) aufweist, die in einem Überlappungsbereich mit Elektrodenfingern (EF) der gegenüberliegenden Stromsammelschiene (BB) überlappen und das dielektrische Material (DM) im Überlappungsbereich auf den Elektrodenfingern (EF) angeordnet ist.
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das dielektrische Material (DM) Finger (F) aufweist, die in einem Überlappungsbereich mit Elektrodenfingern (EF) der gegenüberliegenden Stromsammelschiene (BB) überlappen und die Elektrodenfinger (EF) im Überlappungsbereich auf dem dielektrischen Material (DM) angeordnet sind.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine Materiallage (TKL) zur Temperaturkompensation, die die Elektrodenfinger (EF), das piezoelektrische Material (PM) und das dielektrische Material (DM) bedeckt und deren akustische Impedanz sich von den akustischen Impedanzen der Elektrodenfinger (EF) und des dielektrischen Materials (DM) unterscheidet.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – das piezoelektrische Material (PM) LiNbO₃ umfasst, – das Material der Elektrodenfinger (EF) als Hauptbestandteil Al umfasst und – das dielektrische Material (DM) als Hauptbestandteil SiO₂ umfasst.
Wandler nach dem vorherigen Anspruch, wobei das piezoelektrische Material (PM) LiNbO₃ den Kristallschnitt rot XY 128 hat.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das piezoelektrische Material (PM) LiNbO₃ umfasst, das Material der Elektrodenfinger (EF) Cu umfasst, das dielektrische Material (DM) ein Material umfasst, das ausgewählt ist aus: Ta₂O₅, GeO₂, einem piezoelektrischen Material.
Wandler nach dem vorherigen Anspruch, wobei das piezoelektrische Material (PM) LiTaO₃ den Kristallschnitt YXl/42 hat.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die Höhe der Elektrodenfinger (EF) 8% der akustischen Wellenlänge λ und die Breite der Elektrodenfinger (EF) 60% der halben akustischen Wellenlänge λ/2 beträgt, – das dielektrische Material (DM) Finger (F) aufweist, deren Höhe 14% der akustischen Wellenlänge λ beträgt und deren Breite 60% der halben akustischen Wellenlänge λ/2 beträgt.
Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das dielektrische Material (DM) im Isolationsbereich (IB) so strukturiert ist, dass die unteren Stoppbandkanten des durch die Elektrodenfinger (EF) gebildeten Wellenleiters und des durch die Strukturen des dielektrischen Materials (DM) gebildeten Wellenleiters übereinstimmen.