DE102018118003A1

DE102018118003A1 - SAW-Vorrichtung mit einem geneigten Resonator

Info

Publication number: DE102018118003A1
Application number: DE102018118003.9A
Authority: DE
Inventors: Gholamreza Dadgar Javid; Christian Huck
Original assignee: RF360 Europe GmbH
Current assignee: RF360 Singapore Pte Ltd
Priority date: 2018-07-25
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2020-01-30
Also published as: WO2020020645A1

Abstract

Eine SAW-Vorrichtung umfasst auf einem piezoelektrischen Substrat eine akustische Spur, die sich zwischen zwei akustischen Reflektoren erstreckt. Zwei oder mehr IDT-Abschnitte (IS) sind in der akustischen Spur vorhanden und bilden mindestens einen elektroakustischen Resonator. Jeder IDT-Abschnitt weist eine Verlängerung entlang einer jeweiligen Neigungsachse (LA) auf, die einen Winkel α mit der x-Achse einschließt. Mindestens zwei angrenzende IDT-Abschnitte besitzen unterschiedliche Neigungswinkel.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine SAW-Vorrichtung, die eine Konstruktion mit einem geneigten Resonator verwendet, um störende Transversalmoden zu unterdrücken, aber ein kompakteres Layout aufweist, das weniger Chipfläche als gegenwärtige Konstruktionen einnimmt. Die SAW-Vorrichtung kann ein elektroakustisches Filter oder ein Multiplexer sein.
Elektroakustische Filter, z. B. Multiplexer, können in Drahtloskommunikationssystemen verwendet werden. In derartigen Filtern sind elektroakustische Resonatoren in einer Filtertopologie angeordnet. Elektroakustische Resonatoren setzen den piezoelektrischen Effekt ein, um zwischen HF-Signalen und akustischen Wellen umzuwandeln. Typische elektroakustische Resonatoren sind SAW-Resonatoren (SAW = akustische Oberflächenwelle) einschließlich TCSAW- (temperaturkompensierte SAW), TFSAW- (Dünnfilm-SAW) und GBAW-Resonatoren (Guided Bulk Acoustic Wave - geführte akustische Volumenwelle). In SAW- und GBAW-Resonatoren sind kammförmige Elektrodenstrukturen mit ineinandergreifenden Elektrodenfingern auf einem piezoelektrischen Material angeordnet. Angeregte akustische Wellen breiten sich entlang einer Oberfläche des piezoelektrischen Materials in eine bevorzugte Richtung parallel zu der kristallografischen x-Achse gegeben ist, aus.
Geneigte Resonatoren erstrecken sich entlang einer Neigungsachse, die einen Neigungswinkel mit der x-Achse einschließt. Die Elektrodenfinger der kammförmigen Elektrodenstrukturen erstrecken sich normal zur x-Achse, sind aber kontinuierlich zueinander in Transversalrichtung verschoben, wenn von einem ersten Finger zu einem angrenzenden zweiten Finger gehend.
Eine geneigte Resonatorkonstruktion erzeugt jedoch spezifische Nachteile. Sofern eine akustische Spur mit geneigten Resonatoren und eine andere akustische Spur, die nicht geneigt ist, auf demselben Chip angeordnet sind, erfordert dies im Endeffekt mehr Chipfläche als eine Konstruktion, bei der alle akustischen Spuren entweder nicht geneigt oder alle geneigt sind.
Es ist daher ein Ziel, eine SAW-Vorrichtung bereitzustellen, die das oben erwähnte Problem vermeidet.
Dieses und andere Ziele werden durch eine SAW-Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch erfüllt. Ausführlichere Merkmale und vorteilhafte Ausführungsformen werden durch abhängige Ansprüche gegeben.
Eine SAW-Vorrichtung wird vorgeschlagen, die ein piezoelektrisches Material umfasst. Das piezoelektrische Material kann ein Volumenmaterial sein, das zum Bilden eines Substrats der SAW-Vorrichtung oder einer Dünnfilmschicht auf einem beliebigen Trägersubstrat zweckmäßig ist. Alternativ dazu wird das Substrat aus einem piezoelektrischen Volumenkristall geschnitten. Eine akustische Spur erstreckt sich auf dem piezoelektrischen Material zwischen zwei akustischen Reflektoren. Zwei oder mehr IDT-Abschnitte sind in der akustischen Spur angeordnet. Jeder IDT-Abschnitt weist einen Interdigitaltransducer auf, der dazu ausgelegt ist, eine SAW anzuregen, die sich entlang einer x-Achse ausbreitet. Die zwei oder mehr IDT-Abschnitte bilden eine Interdigitalelektrode eines elektroakustischen Resonators. Diese Interdigitalelektrode ist dazu ausgelegt, eine SAW anzuregen, die sich parallel zu einer x-Achse, die in der Oberfläche des Substrats definiert ist, ausbreitet, alle Elektrodenfinger der Interdigitalelektrode sind normal zur x-Achse angeordnet.
Jeder IDT-Abschnitt erstreckt sich longitudinal entlang einer jeweiligen Neigungsachse, die durch die Mitte des IDT-Abschnitts geht und einen Winkel α mit der x-Achse von -30° ≤ α ≤ 30° einschließt. Ein erster Winkel α1 eines ersten IDT-Abschnitts unterscheidet sich von einem zweiten Winkel α2 eines zweiten IDT-Abschnitts, der direkt angrenzend zum ersten IDT-Abschnitt in derselben akustische Spur angeordnet ist.
Die Interdigitalelektrode, die die IDT-Abschnitte umfasst, weist zwei Sammelschienen und sich davon erstreckende Elektrodenfinger auf. Die Elektrodenfinger und die Sammelschiene bilden zusammen die kammförmige Elektrodenstruktur. Die Elektrodenfinger von zwei kammförmigen Elektrodenstrukturen greifen ineinander und bilden ein Überlappungsgebiet. Gegenüber den Fingerspitzen von überlappenden Fingern der Interdigitalelektrode können nicht überlappende Stummelfinger vorhanden sein, die mit der jeweiligen gegenüberliegenden Sammelschiene verbunden sind. Die Neigungsachse eines IDT-Abschnitts ist eine Neigungsachse und erstreckt sich parallel zur longitudinalen Verlängerung des IDT-Abschnitts und somit ist die Neigungsachse parallel zur Ausdehnung des Überlappungsgebiets.
Im Folgenden wird eine Konstruktion, die eine derartige SAW-Resonatorstruktur mit zwei IDT-Abschnitten umfasst, eine gebrochene geneigte Resonatorkonstruktion genannt.
Die Sammelschienen können parallel zueinander und parallel zur Neigungsachse angeordnet sein. In einem IDT-Abschnitt, der bezüglich der x-Achse geneigt ist, sind die Elektrodenfinger weiterhin normal zur x-Achse, aber nicht mehr normal zur Neigungsachse des IDT-Abschnitts.
Alternativ dazu sind die Sammelschienen nicht parallel zur Neigungsachse und schließen - zusammen mit der x-Achse - einen Winkel ein, der kleiner als der Winkel zwischen der Neigungsachse und der x-Achse ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Sammelschienen parallel zur x-Achse. Eine derartige Anordnung benötigt Stummelfinger mit unterschiedlichen Längen, die ein jeweiliges Dreieck der Nicht-Überlappungsgebiete zwischen dem Überlappungsgebiet und einer jeweiligen Sammelschiene ausfüllen.
Vorzugsweise sind nicht überlappende Stummelfinger auch in jenen SAW-Vorrichtungen vorhanden, bei denen sich die Sammelschienen parallel zur Neigungsachse erstrecken.
Mindestens ein Überlappungsgebiet eines IDT-Abschnitts der SAW-Vorrichtung ist geneigt. Aufgrund der geneigten Orientierung ist die Überlappung zwischen einem ersten und einem angrenzenden zweiten Elektrodenfinger in einer Transversalrichtung normal zur x-Achse um einen kleinen Betrag bezüglich der Überlappung zwischen dem zweiten und einem angrenzenden dritten Elektrodenfinger verschoben. Der mindestens eine weitere IDT-Abschnitt kann auch geneigt sein oder kann einen Neigungswinkel α gleich null aufweisen.
Eine derartige SAW-Einrichtung liefert zusätzliche Freiheitsgrade, wenn die SAW-Vorrichtung, die ein Filter sein kann, konstruiert wird. Die gewinkelte Anordnung unterschiedlicher IDT-Abschnitte ermöglicht, die Oberflächenfläche optimal auszunutzen, ohne zu viel Platz zu verlieren und somit, ohne wertvolle Oberflächenfläche zu verschwenden, während störende Transversalmoden weiterhin unterdrückt werden.
Vorzugsweise kann ein erster Neigungswinkel α₁ eines ersten IDT-Abschnitts so gewählt werden, dass er zwischen 5° und 20° liegt, während ein zweiter Neigungswinkel α₂ eines zweiten IDT-Abschnitts so gewählt werden kann, dass er zwischen -5° und -20° liegt. In diesem Zusammenhang und definitionsgemäß muss ein Winkel mit einem positiven Wert so verstanden werden, dass er einen Winkel bezeichnet, der gegen den Uhrzeigersinn gemessen wird, während ein negativer Winkel einen Winkel bezeichnet, der im Uhrzeigersinn gemessen wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist ein erster Neigungswinkel α₁ eines ersten IDT-Abschnitts den gleichen absoluten Wert wie der Neigungswinkel α₂ eines angrenzenden zweiten IDT-Abschnitts auf, besitzt aber ein umgekehrtes Vorzeichen.
Durch diese Winkelkombination ist der erste IDT-Abschnitt zur x-Achse geneigt, während der zweite IDT-Abschnitt so geneigt ist, dass er sich weg von der x-Achse erstreckt, oder umgekehrt. In beiden Fällen bilden die beiden angrenzenden IDT-Abschnitte eine V-förmige Anordnung, die einen Winkel zwischen 140° und 170° einschließt.
Gemäß einer ersten allgemeinen Ausführungsform gehören der erste und zweite IDT-Abschnitt zu derselben Interdigitalelektrode und weisen somit mindestens eine gemeinsame Sammelschiene auf. Daher wird ein gekrümmter oder gebrochener Resonator erzielt. Ein derartiger Resonator kann als ein Eintor-Resonator in einer Filtertopologie verwendet werden.
Schon bekannte geneigte Resonatoren weisen nur eine lineare Ausdehnung auf und in bekannten geneigten Konstruktionen weisen alle geneigten Resonatoren einer jeweiligen SAW-Vorrichtung den gleichen Neigungswinkel auf.
Wenn sich zwei angrenzende IDT-Abschnitte eine gemeinsame Sammelschiene teilen und auf der gegenüberliegenden Seite des Interdigitaltransducers zwei Sammelschienenabschnitte elektrisch voneinander getrennt sind, wird eine elektrische und akustische Reihenschaltung der beiden IDT-Abschnitte erzielt.
Falls zwei angrenzende IDT-Abschnitte zusammen einen Resonator bilden, können sie sich auch alle ihre Sammelschienen teilen. Dann sind beide IDT-Abschnitte parallel geschaltet.
Drei oder mehr IDT-Abschnitte können eine Zickzacktopologie bilden, die erlaubt, dass noch mehr Oberflächenfläche auf dem Substrat eingespart wird, die für andere Strukturen oder zum Reduzieren der Größe der SAW-Vorrichtung verwendet werden kann.
Bei einer Zickzacktopologie sind die Winkel von aufeinanderfolgenden IDT-Abschnitten abwechselnd größer oder geringer als der jeweilige Winkel des vorangegangenen IDT-Abschnitts. Dies bedeutet eine Reihe von mindestens drei aufeinanderfolgenden Neigungswinkel α₁ bis α₃ mit der Bedingung $α_{1} > α_{2} < α_{3}$
oder $α_{1} < α_{2} > α_{3.}$
Bei einer spezifischen Ausführungsform kann das Folgende gelten: $α_{1} = α_{3} = - α_{2} .$
Bei einer Zickzacktopologie oder bei einer Anordnung von nur zwei angrenzenden IDT-Abschnitten können die absoluten Werte eines ersten Winkels α₁ und eines zweiten Winkels α₂ gleich, aber nicht gleich null sein, das heißt | α₁ | = | α₂ | und α₂ = -α₁. Für mehr als zwei IDT-Abschnitte kann dies für jedes Paar von benachbarten IDT-Abschnitten gelten. Dann wird eine symmetrische Anordnung erzielt.
In einer Zickzacktopologie können zwei IDT-Abschnitte elektrisch in Reihe geschaltet sein und einen einzelnen länglichen Resonator bilden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform bilden zwei aufeinanderfolgende IDT-Abschnitte eine V-förmige Anordnung mit zwei Schenkeln. Die Fläche zwischen den beiden Schenkeln kann dann dazu verwendet werden, um dort ein passives Element zu platzieren, das durch eine metallisierte Struktur auf der Oberfläche des Substrats gebildet werden kann. Das passive Element kann elektrisch mit mindestens einem der IDT-Abschnitte verbunden sein. Derartige passive Elemente können als Anpassungselemente der SAW-Vorrichtung z. B. einer SAW-Filtervorrichtung verwendet werden. Diese Elemente können mit einem oder mehreren IDT-Abschnitten in Reihe oder parallel geschaltet sein. Das passive Element kann eine Kapazität oder eine Induktivität sein. Durch das Anordnen eines derartigen passiven Elements zwischen den beiden Schenkeln einer V-förmigen Anordnung von zwei aufeinanderfolgenden IDT-Abschnitten kann eine effiziente Platzverwaltung leicht erzielt werden.
Ein derartiges passives Element kann eine Kapazität sein, die mit einer inneren Sammelschiene des ersten Schenkels der V-förmigen Anordnung von IDT-Abschnitten gekoppelt werden kann. Es kann jedoch auch von Vorteil sein, das passive Element zwischen den beiden Schenkeln zu platzieren, ohne dass das Element irgendeine der Sammelschienen der V-förmigen Anordnung kontaktiert.
Das passive Element, z. B. eine Induktivität oder eine Kapazität, kann als ein Anpassungselement verwendet werden.
Es ist möglich, dass zwei oder mehr passive Elemente, die von derselben oder einer unterschiedlichen Art sein können, auf der Oberfläche des Substrats zwischen den Schenkeln einer V-förmigen Anordnung von zwei angrenzenden IDT-Abschnitten angeordnet sind.
Aber ein beliebiges anderes leitfähiges Element der SAW-Vorrichtung kann alternativ dazu auch mit dem passiven Element und mindestens einem IDT-Abschnitt gekoppelt sein.

- Schließlich kann eine SAW-Vorrichtung unterschiedliche Formen von Resonatoren und IDT-Abschnitten umfassen, die in einer Mehrzahl von akustischen Spuren angeordnet sind. Eine Spur umfasst zwei oder mehr geneigte IDT-Abschnitte mit unterschiedlichen Neigungswinkeln α. Des Weiteren umfasst jede der anderen Spuren unabhängig eine Anordnung von
- nur einem geneigten IDT-Abschnitt, oder
- zwei oder mehr Resonatoren mit einem oder mehreren IDT-Abschnitten, die jeweils einen geneigten IDT-Abschnitt umfassen, oder
- einem Resonator mit einem oder mehreren IDT-Abschnitten, die einen Neigungswinkel α von null Grad aufweisen.

Bei einer derartigen SAW-Vorrichtung weisen mindestens zwei der Spuren unterschiedliche Anordnungen auf. Alle möglichen Ausführungsformen, wie oben erläutert, können in einer einzigen SAW-Vorrichtung auf ein und demselben Substrat realisiert werden. Daher eröffnet eine derartige Vorrichtung eine Vielfalt von zusätzlichen Freiheitsgraden für den Gestalter der SAW-Vorrichtung z. B. der Filtervorrichtung.
Die SAW-Vorrichtung kann ein Substrat aufweisen, das von einem Kristall-Stab ausgeschnitten wird. Darüber hinaus kann die SAW-Vorrichtung als eine TCSAW-Vorrichtung (= temperaturkompensierte SAW) umgesetzt sein, die eine zusätzliche Schicht eines Materials mit einem positiven Temperaturkoeffizienten der Frequenz umfasst. Alternativ dazu kann die Erfindung in einer TFSAW (= Dünnfilm-SAW-Vorrichtung) umgesetzt sein, die aus einem Wafer, wie oben erwähnt, mit anschließender Dünnung der Waferdicke gebildet wird. Der piezoelektrische Wafer kann vor der Dünnung mit einem beliebigen Trägersubstrat wafergebondet werden. Eine TFSAW kann auch durch eine epitaktische Abscheidung eines piezoelektrischen Materials auf einem Trägersubstrat gebildet werden, wodurch eine oder mehrere zusätzliche Schichten eingeschlossen werden, um dem TFSAW-Wafer eine gewünschte Funktionalität bereitzustellen.
Die SAW-Vorrichtung kann Elektrodenfinger und gegenüberliegende Stummelfinger mit einem Transversalspalt zwischen dem Elektrodenfinger und der zugewandten Spitze eines jeweiligen Stummelfingers aufweisen, die minimiert wird, sodass sie zum Beispiel zwischen 100 nm und 500 nm beträgt. Es ist vorteilhaft, den Transversalspalt zu minimieren, wodurch Photolithografiebeschränkungen sowie Leistungsbeständigkeit- und ESD-Auflagen während der Herstellung beachtet werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die SAW-Vorrichtung einen IDT-Abschnitt aufweisen, dessen Sammelschienen parallel zur Neigungsachse orientiert sind, und die Länge der Stummelfinger wird aus 0,5λ bis 5λ gewählt, wobei λ die Wellenlänge der akustischen Welle ist, die sich in der akustischen Spur ausbreitet.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform kann die SAW-Vorrichtung zwei angrenzende IDT-Abschnitte aufweisen, die zum selben Resonator gehören, aber unterschiedliche Längen und unterschiedliche Neigungswinkel aufweisen.
Bei einer spezifischeren Ausführungsform ist die Vorrichtung auf einem Substrat angeordnet, das einen Dünnfilm oder ein Volumenmaterial aus Lithium-Tantalat LT mit einer Kristallorientierung vom y-Schnitt rot-42XY oder y-Schnitt rot-50XY umfasst.
Die Vorrichtung weist einen geneigten IDT-Abschnitt mit einem bevorzugten Neigungswinkel α von |α| = 10° ± 2° und Stummelfingern mit einer bevorzugten Länge von 2λ ± 0,5λ auf.
Im folgenden Abschnitt wird die Erfindung ausführlicher unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen und die zugehörigen Figuren erläutert. Die Figuren sind nur schematisch und können manche Einzelheiten in vergrößerter Form abbilden oder können es unterlassen, mögliche Einzelheiten darzustellen, die an einer anderen Stelle oder in einer anderen Figur beschrieben oder dargestellt sind.

1A stellt eine schematische Abbildung einer ersten Ausführungsform des elektroakustischen Resonators mit zwei IDT-Abschnitten dar, die unterschiedliche Winkel mit der x-Achse einschließen,
1B stellt mehr Einzelheiten des IDT-Abschnitts dar, der nur schematisch in 1A abgebildet ist;
2 stellt eine andere Ausführungsform von zwei IDT-Abschnitten dar, die unterschiedliche Winkel mit der x-Achse einschließen;
3 stellt vier aufeinanderfolgende IDT-Abschnitte dar, die eine Zickzackanordnung bilden;
4 stellt simulierte Admittanzkurven einer Struktur gemäß 1A im Vergleich zu einer Struktur dar, wie in 1B dargestellt;
5 stellt unterschiedliche Weisen des Verschaltens von zwei aufeinanderfolgenden IDT-Abschnitten dar, die gegeneinander geneigt sind;
6A und 6B stellen zwei aufeinanderfolgende IDT-Abschnitte dar, die über unterschiedliche passive Elemente verbunden sind;
7 zeigt einen geneigten IDT-Abschnitt mit Sammelschienen, die parallel zur x-Achse orientiert sind, und in Stummelfinger mit unterschiedlichen Längen resultieren;
8 stellt eine Anordnung von zwei IDT-Abschnitten dar, die zur x-Achse mit unterschiedlichen Winkeln geneigt sind, aber mit zwei gemeinsamen Sammelschienen, die parallel zur x-Achse orientiert sind, mit Stummelfingern mit variierenden Längen;
9 stellt zwei geneigte IDT-Abschnitte eines Eintor-Resonators dar, die zwischen zwei Reflektoren angeordnet sind; und
10 stellt eine SAW-Vorrichtung dar, die eine Anzahl von unterschiedlichen akustischen Spuren mit unterschiedlichen Anordnungen von Resonatoren und IDT-Abschnitten umfasst.

1A stellt eine einfache Ausführungsform der Erfindung, die zwei angrenzende IDT-Abschnitte RS1 und RS2 umfasst, in einer vereinfachten Abbildung dar. Ein erster IDT-Abschnitt IS1 erstreckt sich entlang einer ersten Neigungsachse LA1, die einen Winkel α1 zur x-Achse einschließt, wobei die x-Achse die Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle ist. Der direkt angrenzende zweite IDT-Abschnitt IS2 schließt einen Neigungswinkel α2 zur x-Achse ein, wobei α1 nicht gleich α2 ist. Der zweite IDT-Abschnitt IS2 erstreckt sich parallel zur zweiten Neigungsachse LA2. Zur Verdeutlichung ist jede Neigungsachse LA_i angrenzend zum jeweiligen Resonatorabschnitt IS_i abgebildet. Die Neigungswinkel α_i können absolute Werte zwischen 0 und 30 Grad aufweisen. Ein optimierter Neigungswinkel α wird in Abhängigkeit vom piezoelektrischen Material und den gewünschten Eigenschaften der SAW-Vorrichtung, von der die abgebildete Anordnung ein Teil ist, gewählt. Zur Vereinfachung stellt 1A weder die akustischen Reflektoren noch weitere Elemente, die zum Bilden eines Resonators notwendig sind, dar.
1B stellt einen beispielhaften IDT-Abschnitt IS dar, der seine wichtigsten Teile abbildet. Der IDT-Abschnitt IS umfasst zwei Sammelschienen BB, BB', von denen sich Elektrodenfinger EF erstrecken, um abwechselnd ineinanderzugreifen. Die Elektrodenfinger EF sind normal zur x-Achse orientiert und bilden ein Überlappungsgebiet, das sich parallel zur Neigungsachse LA erstreckt. Ein Neigungswinkel α wird zwischen der x-Achse und der Neigungsachse LA gemessen. Die Sammelschienen BB können parallel zur Neigungsachse orientiert sein oder alternativ dazu von einer derartigen parallelen Orientierung abweichen.
Nicht dargestellt sind Stummelfinger, die in einer bevorzugten IDT-Abschnittskonstruktion im Nicht-Überlappungsgebiet vorhanden sind, das zwischen dem Überlappungsgebiet und einer jeweiligen Sammelschiene angeordnet ist. Falls die Orientierung der Sammelschiene BB von der Orientierung einer Neigungsachse LA abweicht, entsteht ein Nicht-Überlappungsgebiet mit einer dreieckigen Form (zum Beispiel in 7 oder 8 dargestellt). Vorzugsweise ist die Überlappung zwischen zwei angrenzenden Elektrodenfingern EF entlang der gesamten Länge des IDT-Abschnitts IS dieselbe und ist weiter bevorzugt in allen IDT-Abschnitten RS dieselbe.
2 stellt eine andere Ausführungsform dar, wie zwei aneinandergrenzende IDT-Abschnitte RS1, RS2 relativ zueinander angeordnet sein können. In diesem Beispiel schließt der erste IDT-Abschnitt IS1 einen Neigungswinkel α1 mit der x-Achse ein, während sich der zweite IDT-Abschnitt IS2 parallel zur x-Achse erstreckt, sodass der Neigungswinkel α des zweiten IDT-Abschnitts IS2 0 ist. Des Weiteren unterscheiden sich die Länge der abgebildeten beiden IDT-Abschnitte, sie kann aber auch die gleiche sein.
3 stellt eine Zickzackanordnung von aufeinanderfolgenden IDT-Abschnitten RS dar. Abgebildet sind vier IDT-Abschnitte RS1 bis RS4, aber eine Zickzackanordnung kann allgemein mit drei oder mehr IDT-Abschnitten erzielt werden. Jeder IDT-Abschnitt IS umfasst einen Neigungswinkel α, der zwischen der Neigungsachse LA des jeweiligen IDT-Abschnitts und der x-Achse eingeschlossen ist. Jeder IDT-Abschnitt kann einen anderen Neigungswinkel aufweisen. Jeder IDT-Abschnitt kann eine Länge aufweisen, die für alle IDT-Abschnitte gleich sein kann. Darüber hinaus kann die Länge für zwei aneinandergrenzende IDT-Abschnitte unterschiedlich sein oder kann für alle der IDT-Abschnitte unterschiedlich sein.
Jeder der IDT-Abschnitte schließt einen Neigungswinkel α mit der x-Achse ein, wobei die Neigungswinkel von zwei aufeinanderfolgenden IDT-Abschnitten RSn, RS(n+1) unterschiedlich sind. Wie in 3 dargestellt, kann sich eine Zickzackanordnung von IDT-Abschnitten insgesamt parallel zur x-Achse erstrecken, aber es ist auch möglich, dass sich die Zickzacktopologie mit einem Winkel bezüglich der x-Achse erstreckt. Dies bedeutet, dass nicht nur IDT-Abschnitte geneigt sind, sondern dass auch die gesamte Zickzackanordnung gegenüber der x-Achse geneigt sein kann.
Darüber hinaus, obwohl eine symmetrische Anordnung von IDT-Abschnitten bevorzugt wird, kann die Anordnung möglicherweise auch kein Symmetrieelement aufweisen.
Wie schon erläutert, können unterschiedliche IDT-Abschnitte RS elektrisch verbunden sein oder nicht. In allen Fällen gehören jedoch unterschiedliche IDT-Abschnitte innerhalb einer Spur zu demselben Resonator.
5 stellt beispielhaft in jeweiligen Blockdiagrammen vier unterschiedliche Möglichkeiten zum elektrischen Verbinden von zwei angrenzenden IDT-Abschnitten RS dar, die innerhalb einer akustischen Spur zwischen zwei Reflektoren RF angeordnet sind. Die Figur ist nur schematisch gezeichnet und stellt nicht irgendeine geometrische Einzelheit dar, wie etwa einen Neigungswinkel von mindestens einem der IDT-Abschnitte RS1, RS2.
5A stellt zwei aneinandergrenzende IDT-Abschnitte RS1, RS2 innerhalb einer akustischen Spur dar. Eine Sammelschiene ist beiden IDT-Abschnitten gemein. Die andere Sammelschiene ist geteilt, sodass jeder IDT-Abschnitt seinen eigenen Sammelschienenabschnitt aufweist, der vom Sammelschienenabschnitt des anderen IDT-Abschnitts getrennt ist. Die resultierende Struktur ist eine elektrische Reihenschaltung des ersten und zweiten IDT-Abschnitts IS1, RS2 zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss T1, T2.
5B stellt zwei IDT-Abschnitte dar, die die gleiche Anordnung von Sammelschienen wie die in 5A dargestellte aufweisen, aber mit einer anderen Schaltung. Jede Sammelschiene oder jeder Sammelschienenabschnitt der IDT-Abschnitte weist ihren bzw. seinen eigenen elektrischen Anschluss T auf, was ermöglicht, beide IDT-Abschnitte RS1, RS2 parallel oder in Reihe zu schalten.
5C stellt eine Anordnung dar, bei der jeder der beiden abgebildeten IDT-Abschnitte RS1, RS2 seine eigene Sammelschiene an beiden Seiten des Interdigitaltransducers aufweist, sodass kein galvanischer Kontakt zwischen den beiden IDT-Abschnitten vorhanden ist. Ungeachtet dessen ermöglichen die vier Anschlüsse der beiden IDT-Abschnitte eine beliebige gegenseitige Schaltung der beiden IDT-Abschnitte.
5D stellt die einfachste Anordnung von zwei angrenzenden IDT-Abschnitten dar, die sich beide Sammelschienen teilen. Eine erste und eine zweite Sammelschiene sind beiden IDT-Abschnitten RS1, RS2 gemein. Jede Sammelschiene ist mit einem jeweiligen Anschluss T an einer jeweiligen Seite der Anordnung gekoppelt.
Die in den 5A bis 5D dargestellten Anordnungen können Eintor-Resonatoren repräsentieren, während 5C auch als ein Zweitor-Resonator geschaltet werden kann.
Jeweils zwei aufeinanderfolgende IDT-Abschnitte RS1, RS2 mit unterschiedlichen Neigungswinkeln α bilden eine V-förmige Anordnung. Es ist etwas Platz zwischen den inneren Schenkeln der V-förmigen Anordnung frei gelassen, um darin ein Element, wie ein passives Element PE anzuordnen.
6A stellt eine sehr allgemeine Abbildung von einer derartigen Anordnung dar, die den Freiraum zwischen den beiden Schenkeln der V-förmigen Anordnung verwendet. Ein passives Element PE kann mit einem oder beiden IDT-Abschnitten oder mit einem beliebigen anderen Element der SAW-Vorrichtung oder der Schaltung, in der die SAW-Vorrichtung angeordnet ist, verbunden sein. Das passive Element kann zum Beispiel eine Kapazität oder eine Induktivität sein.
6B stellt eine Anordnung mit zwei IDT-Abschnitten dar, die zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss T1, T2 in Reihe geschaltet sind. Hier verbindet das passive Element eine erste Sammelschiene, die mit dem Anschluss T1 verbunden ist, und die gegenüberliegende Sammelschiene. Aber wie oben erläutert, ist auch eine beliebige andere Verbindung mit einem beliebigen Element der SAW-Vorrichtung möglich. Das passive Element PE kann als ein Anpassungselement der SAW-Vorrichtung verwendet werden.
Eine Anordnung, bei der der Freiraum zwischen den beiden Schenkeln der V-förmigen Anordnung verwendet wird, um ein beliebiges Element der SAW-Vorrichtung oder einer Schaltung dort zu platzieren, führt zu einer besseren Ausnutzung des verfügbaren Platzes. Dann ist es möglich, die Fläche der SAW-Vorrichtung zu reduzieren, da der Platz für das zusätzliche Element, wie das passive Element PE, an einer anderen Stelle auf der Oberfläche des Substrats eingespart wird.
7 stellt einen IDT-Abschnitt IS dar, der einen Interdigitaltransducer umfasst. Der Transducer umfasst eine erste und eine zweite Sammelschiene BB1, BB2. Elektrodenfinger EF erstrecken sich von jeder Sammelschiene, um in einem Überlappungsgebiet OR ineinanderzugreifen. Zwischen der Spitze eines Elektrodenfingers EF und der Sammelschiene, die nicht mit diesem Elektrodenfinger EF verbunden ist, ist ein Stummelfinger SF angeordnet. Dadurch wird das Nicht-Überlappungsgebiet zwischen dem Überlappungsgebiet und einer jeweiligen Sammelschiene BB mit Stummelfingern und dem Nicht-Überlappungsabschnitt der Elektrodenfinger EF gefüllt.
Ein weiteres Merkmal des abgebildeten Interdigitaltransducers ist die Orientierung des Überlappungsgebiets OR, das parallel zur Neigungsachse dieses IDT-Abschnitts ist. Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Anordnungen sind die Sammelschienen nicht parallel zur Neigungsachse. Daher ist das Überlappungsgebiet OR entlang der Neigungsachse LA orientiert und LA ist gegen die sich linear erstreckenden Sammelschienen geneigt. Dies bedeutet, dass jedes Nicht-Überlappungsgebiet des IDT-Abschnitts ein Dreieck ist. Dann weisen die Stummelfinger SF notwendigerweise verschiedene Längen auf, um das Nicht-Überlappungsgebiet NOR vollständig zu füllen. Eine der Mittelachsen LA kann jedoch parallel zur x-Achse orientiert sein, sodass neben dem nicht vermeidbaren Transversalspalt und optional kurzen Stummelfingern SF kein variierendes Nicht-Überlappungsgebiet NOR angrenzend zu diesem IDT-Abschnitt IS gebildet wird.
8 stellt die Anordnung von zwei derartigen IDT-Abschnitten RS1, RS2 dar, die jeweils einen anderen Neigungswinkel α bezüglich der x-Achse aufweisen. Beide aneinandergrenzenden IDT-Abschnitte teilen sich ihre Sammelschienen BB1, BB2, sodass jede gemeinsame Sammelschiene eine lineare und gerade Verlängerung aufweist, die parallel zur x-Achse, aber nicht parallel zur Neigungsachse von einem beliebigen der beiden IDT-Abschnitte angeordnet sein kann. Hier wird auch das schematisch abgebildete Nicht-Überlappungsgebiet NOR zwischen dem Überlappungsgebiet OR und der gegenüberliegenden Sammelschiene BB mit Stummelfingern SF gefüllt.
Gemäß einer Variante kann das Nicht-Überlappungsgebiet NOR mit einer kontinuierlichen Metallschicht bedeckt sein, die durch ein entsprechendes Strukturieren einer oder mehrerer Sammelschienen gebildet werden kann. Dann weist ein jeweiliger Sammelschienenabschnitt eine dreieckige Form auf.
Resonatoren, die durch mindestens einen IDT-Abschnitt gebildet werden, sind innerhalb einer akustischen Spur zwischen zwei Reflektoren RF angeordnet. Da nur ein geneigter Resonator in der akustischen Spur vorhanden ist, bildet die SAW-Vorrichtung einen Eintor-SAW-Resonator.
4 stellt die Simulationsergebnisse eines Eintor-Resonators mit zwei geneigten IDT-Abschnitten mit unterschiedlichen Neigungswinkeln dar, die eine V-förmige Anordnung bilden, wie zum Beispiel in 8 abgebildet. Als eine Referenz wird ein SAW-Resonator, der nur einen geneigten IDT-Abschnitt umfasst, verwendet, wie zum Beispiel in 7 dargestellt. Beide Resonatoren sind in ihrer statischen Kapazität aufgrund derselben aktiven Apertur, die durch die Fläche des Überlappungsgebiets OR gegeben ist, vergleichbar.
4 zeigt den Realteil, den Imaginärteil und den absoluten Wert der Admittanz. Aus der Figur kann entnommen werden, dass die Admittanzkurven einer geneigten Geometrie, wie vom Stand der Technik bekannt, und einer gebrochenen geneigten Geometrie gemäß der Erfindung (mit zwei IDT-Abschnitten, die unterschiedlich zur x-Achse geneigt sind) einen vergleichbaren Verlauf aufweisen. Innerhalb des Sperrbands des Resonators kann fast keine Differenz erkannt werden. Es scheint, dass eine gebrochene geneigte Konstruktion gemäß der Erfindung die Kurve gleichmäßiger mit einer kleineren Welligkeit in der oberen Sperrbandhälfte macht. Über die beiden Sperrbänder hinaus zeigt die Admittanz der gebrochenen geneigten Konstruktion mehr Welligkeit, die anscheinend dem Auftreten von longitudinalen Fabry-Perot-Resonanz zuzuschreiben ist, die stärker an der Grenzfläche von zwei aneinandergrenzenden IDT-Abschnitten auftritt, die einen Winkel von größer als 0 dazwischen aufweisen.
9 ist eine andere Abbildung eines Eintor-Resonators mit zwei geneigten IDT-Abschnitten zum Bilden einer V-förmigen Anordnung. Hier ist auch jede Sammelschiene BB1, BB2 beiden IDT-Abschnitten RS1, RS2 gemein, erstreckt sich linear und kann parallel zur x-Achse angeordnet sein oder nicht. Dies bedeutet, dass dreieckige Nicht-Überlappungsgebiete zwischen den Überlappungsgebieten OR1, OR2 und der benachbarten Sammelschiene BB gebildet werden. In 9 ist das Überlappungsgebiet OR als die Fläche zwischen den zwei gestrichelten Linien abgebildet. Zur selben Zeit ist die gestrichelte Linie die Stelle des Fingerspalts zwischen der Spitze eines überlappenden Elektrodenfingers und des gegenüberliegenden Stummelfingers. Es wird bevorzugt, dass der Transversalspalt so klein wie möglich ist. Mit der gegenwärtig verfügbaren Technologie kann ein kleiner Spalt von 100 nm bis 500 nm erzielt werden.
An beiden Seiten des dargestellten Resonators ist ein jeweiliger akustischer Reflektor RF1, RF2 platziert, um die akustische Energie dazwischen einzuschließen. Die gestrichelten Linien erstrecken sich in einen Teil des jeweiligen Reflektors, was bedeutet, dass die Reflektorfinger jedes akustischen Reflektors RF teilweise ineinandergreifen, obwohl sie elektrisch kurzgeschlossen sind. Alternativ dazu müssen sich die Spalte nicht in den Reflektor erstrecken, sodass jeder Reflektorfinger mit beiden Reflektorsammelschienen verbunden ist.
Aus 9 kann ferner ersehen werden, dass die Apertur, die durch die Transversallänge einer Fingerüberlappung definiert wird, entlang der x-Achse von Finger zu Finger in die y-Richtung verschoben ist. Aber die Verschiebung ist klein genug, dass die Aperturen, die die größte Verschiebung bezüglich der äußersten Öffnung am Anfang oder Ende des Resonators aufweisen, weiterhin eine gemeinsame Überlappung aufweisen, wenn man parallel zur x-Achse schaut. Dies bedeutet, dass die Kopplung zwischen unterschiedlichen Enden eines IDT-Abschnitts weiterhin hoch genug ist, um einen geeigneten Betrieb des Resonators zu ermöglichen.
10 stellt beispielhaft eine SAW-Vorrichtung dar, die eine Anzahl von Resonatoren, die in geneigte IDT-Abschnitte unterteilt werden können, sowie Resonatoren, die nicht in IDT-Abschnitte unterteilt sind, und Resonatoren, die nicht bezüglich der x-Achse geneigt sind, umfasst. Im linken Teil sind zwei V-förmige Anordnungen von zwei IDT-Abschnitten jeweils angrenzend zueinander angeordnet, sodass die IDT-Abschnitte der beiden Anordnungen parallel zueinander kaskadiert sind. Im rechten Teil der abgebildeten Schaltung ist eine Zickzackanordnung von IDT-Abschnitten dargestellt. Der in der Schaltung dargestellte, obere Resonator und der untere Resonator umfassen nur einen IDT-Abschnitt, der keinen Neigungswinkel mit der x-Achse bildet. Durch eine derartige Anordnung unterschiedlich orientierter Resonatoren und IDT-Abschnitte kann eine optimale Ausnutzung des verfügbaren Platzes ohne eine starke Leistungsverschlechterung erzielt werden.
Die Erfindung ist mit Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen und Figuren erläutert worden, ist aber nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Der breiteste Schutzumfang der Erfindung wird durch die Kombination von in Anspruch 1 gegebenen Merkmalen definiert.
Bezugszeichenliste

IDT: Interdigitaltransducer mit
EF: Elektrodenfingern und
SF: Stummelfingern
BB: Sammelschiene
IS: IDT-Abschnitt,
RF: Akustischer Reflektor
X: x-Achse (Ausbreitungsrichtung der SAW)
LA: Neigungsachse
α: Winkel zwischen x-Achse und Neigungsachse
PE: Passives Element, umgesetzt als
OR: Überlappungsgebiet
NOR: Nicht-Überlappungsgebiet
T: Anschluss eines IDT-Abschnitts

Claims

SAW-Vorrichtung, umfassend: - ein Substrat mit mindestens einer Schicht eines piezoelektrischen Materials - eine akustische Spur auf dem piezoelektrischen Material, die sich zwischen zwei akustischen Reflektoren erstreckt - zwei oder mehr IDT-Abschnitte (IS) einer Interdigitalelektrode, die in der akustischen Spur angeordnet sind wobei - die Interdigitalelektrode dazu ausgelegt ist, eine SAW anzuregen, die sich parallel zur x-Achse, die in der Oberfläche des Substrats definiert ist, ausbreitet, wobei alle Elektrodenfinger der Interdigitalelektrode normal zur x-Achse angeordnet sind - jeder IDT-Abschnitt (ISn) eine Neigungsachse aufweist, die einen Neigungswinkel α_n mit der x-Achse von -30° ≤ α_n ≤ 30° einschließt - ein erster Winkel α₁ eines ersten IDT-Abschnitts (IS1) unterschiedlich zu einem zweiten Winkel α₂ eines zweiten IDT-Abschnitts (IS2), der sich angrenzend zum ersten IDT-Abschnitt (IS 1) befindet, gesetzt wird.
SAW-Vorrichtung des vorangegangenen Anspruchs, wobei der erste Winkel α₁ zu 5° < α₁ < 15° gesetzt wird, wobei der zweite Winkel α₂ zu -5° > α₂ >-15° gesetzt wird.
SAW-Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der erste und der zweite IDT-Abschnitt (IS1, IS2) zu derselben Interdigitalelektrode gehören und somit mindestens eine gemeinsame Sammelschiene aufweisen.
SAW-Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend drei oder mehr IDT-Abschnitte (IS 1, IS2, ISn), die derart in einer Zickzacktopologie angeordnet sind, dass die Neigungswinkel eines anschließenden IDT-Abschnitts (IS_n) abwechselnd größer und geringer sind als der Neigungswinkel des jeweiligen vorangegangenen IDT-Abschnitts (IS_n-1).
SAW-Vorrichtung nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei die absoluten Werte eines ersten Neigungswinkels α1 und eines zweiten Neigungswinkels α2 gleich sind, α₂ = -α₁.
SAW-Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die IDT-Abschnitte nur eine Interdigitalelektrode bilden, die in der akustischen Spur zwischen den beiden Reflektoren angeordnet ist, sodass die Vorrichtung einen Eintor -SAW-Resonator ausbildet.
SAW-Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, - wobei zwei aufeinanderfolgende IDT-Abschnitte (IS1, IS2) eine V-förmige Anordnung mit zwei Schenkeln bilden - wobei die Fläche zwischen den beiden Schenkeln durch ein passives Element (PE) belegt wird, das durch eine Metallisierung auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird - wobei das passive Element elektrisch mit mindestens einem der Resonator-IDT-Abschnitte (IS) verbunden ist.
SAW-Vorrichtung des vorangegangenen Anspruchs, wobei das passive Element (PE) eine Kapazität oder eine Induktivität ist, die mit einer inneren Sammelschiene eines Schenkels gekoppelt ist.
SAW-Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das passive Element (PE) eine Kapazität ist, die die inneren Sammelschienen von zwei IDT-Abschnitten koppelt, die zu unterschiedlichen Resonatoren gehören.
SAW-Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei jeder IDT-Abschnitt (IS) Elektrodenfinger (EF) aufweist, die abwechselnd mit einer ersten und einer zweiten Sammelschiene (BB) verbunden sind, wobei Elektrodenfinger mit der ersten und zweiten Sammelschiene verbunden sind und sich gegenseitig in einem Überlappungsgebiet (OR) überlappen, wobei ein Nicht-Überlappungsgebiet zwischen einer jeweiligen Sammelschiene und dem Überlappungsgebiet (OR) angeordnet ist, wobei Stummelfinger im Nicht-Überlappungsgebiet (NOR) angeordnet sind, wobei sich der Winkel α zwischen den Sammelschienen (BB) und der x-Achse vom Winkel α zwischen der Neigungsachse (LA) und der x-Achse unterscheidet.
SAW-Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Winkel zwischen den Sammelschienen und der x-Achse null ist und der Winkel α zwischen der Neigungsachse (LA) und der x-Achse größer als null ist.
SAW-Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend eine Mehrzahl von akustischen Spuren, wobei jede Spur unabhängig eine Anordnung umfasst, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird: - nur ein geneigter IDT-Abschnitt (IS), oder - zwei oder mehr geneigte IDT-Abschnitte (IS) mit unterschiedlichen Neigungswinkeln α, oder - zwei oder mehr kaskadierte Resonatoren mit einem oder mehreren IDT-Abschnitten (IS), oder - einen Resonator mit einem oder mehreren IDT-Abschnitten (IS) mit einem Neigungswinkel α von null Grad wobei mindestens zwei der Spuren unterschiedliche Anordnungen aufweisen, die aus der obigen Gruppe gewählt werden.
SAW-Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, die als eine Dünnfilm-SAW-Vorrichtung mit oder ohne Temperaturkompensationsmittel, eine temperaturkompensierte Volumen-SAW-Vorrichtung, eine nicht kompensierte Volumen-SAW-Vorrichtung oder eine GBAW umgesetzt ist.
SAW-Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Transversalspalt zwischen einem Elektrodenfinger und der zugewandten Spitze eines jeweiligen Stummelfingers minimiert wird, sodass er zwischen 100 nm und 500 nm liegt.
SAW-Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Sammelschienen (BB) eines IDT-Abschnitts (IS) parallel zur Neigungsachse (LS) orientiert sind und die Länge der Stummelfinger zwischen 1,5A, und 2,5λ liegt, wobei λ die Wellenlänge der akustischen Hauptmode ist, die sich in der akustischen Spur ausbreitet.
SAW-Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zwei aneinandergrenzende IDT-Abschnitte (IS) derselben Interdigitalelektrode unterschiedliche Längen und unterschiedliche Neigungswinkel aufweisen.
SAW-Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, die auf einem Substrat angeordnet ist, das einen Dünnfilm oder ein Volumenmaterial von LT mit einer Kristallorientierung vom y-Schnitt rot-42XY oder y-Schnitt rot-50XY umfasst, die einen geneigten IDT-Abschnitt (IS) mit einem Neigungswinkel α von |α| = 10° ± 2° aufweist, die Stummelfinger mit einer Länge von 1,5λ bis 2,5λ aufweist, wobei ein Transversalspalt zwischen den Spitzen eines überlappenden Fingers und eines jeweiligen Stummelfingers zu etwa 350 nm oder weniger gesetzt wird.