DE102018130141A1

DE102018130141A1 - Elektroakustischer Resonator und HF-Filter

Info

Publication number: DE102018130141A1
Application number: DE102018130141.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Huck; Gholamreza Dadgar Javid
Original assignee: RF360 Europe GmbH
Current assignee: RF360 Singapore Pte Ltd
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2020-05-28
Also published as: WO2020109085A1

Abstract

Ein verbesserter elektroakustischer Resonator, das gut mit piezoelektrischen Dünnschichtmaterialien funktioniert, wird bereitgestellt. Der Resonator weist eine Elektrodenstruktur mit einer Mehrzahl von Elektrodenfingern und eine Geschwindigkeitskompensationsstruktur auf, die zum Schaffen eines homogenen Transversalgeschwindigkeitsprofils vorgesehen und ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektroakustische Resonatoren, die kombiniert werden können, um HF-Filter zu bilden, die in drahtlosen Kommunikationsvorrichtungen verwendet werden können.
Elektroakustische Resonatoren können elektrisch kombiniert werden, z.B. in einer leitertypartigen (ladder-type artigen) Schaltungstopologie oder in einer gittertypartigen (lattice-type artigen) Schaltungstopologie, um HF-Filter, wie z.B. Bandpassfilter oder Bandsperrfilter, zu bilden. Solche Filter können in drahtlosen Kommunikationsvorrichtungen verwendet werden. Der Trend zur Miniaturisierung erfordert kleinere räumliche Abmessungen. Der Trend zu einer höheren Anzahl von Drahtlosfunktionen führt zu strengeren Spezifikationen, die eingehalten werden müssen. Daher besteht ein allgemeines Problem darin, Resonatoren für Filter mit guter elektrischer und akustischer Leistungsfähigkeit bereitzustellen, die den Spezifikationen entsprechen.
Herkömmliche elektroakustische Resonatoren können eine akustische Spur umfassen, in der sich akustische Wellen ausbreiten können. Eine Elektrodenstruktur ist auf einem piezoelektrischen Material angeordnet und wandelt - durch den piezoelektrischen Effekt - zwischen elektromagnetischen HF-Signalen und akustischen HF-Signalen um, die sich in der akustischen Spur ausbreiten. Typischerweise ist es wünschenswert, eine einzige akustische Wellenmode zu haben. In realen Wandlern können jedoch Störmoden angeregt werden, die die akustische und elektrische Leistungsfähigkeit des Resonators und somit entsprechend auch des HF-Filters verschlechtern.
Aus der US 2013/0051588 A1 sind elektroakustische Wandler und entsprechende Resonatoren mit reduzierten Verlusten und einer reduzierten transversalen Emission von akustischer Energie und verbesserter Leistungsfähigkeit sowie einer verbesserten Unterdrückung von Transversalmoden bekannt.
Es wurde jedoch festgestellt, dass die darin offenbarten technischen Maßnahmen reduzierte Wirkungen in einem neuen Typ von elektroakustischem Resonator haben können, der das piezoelektrische Material als eine Dünnschicht bereitgestellt verwendet.
Daher ist es wünschenswert, einen verbesserten elektroakustischen Resonator zu haben, der HF-Filter mit guter elektrischer und akustischer Leistungsfähigkeit bereitstellt und mit einem piezoelektrischen Dünnschichtmaterial kompatibel ist.
Ferner sollte ein entsprechender Wandler unterdrückte oder aufgehobene Störmoden, reduzierte akustische Verluste und eine verbesserte dielektrische Festigkeit, um elektrostatische Entladung zu verhindern, sowie eine verbesserte Leistungsbeständigkeit haben.
Zu diesem Zweck wird ein elektroakustischer Resonator nach dem unabhängigen Anspruch bereitgestellt. Abhängige Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen und bevorzugte Filter bereit.
Der elektroakustische Resonator umfasst eine akustische Spur mit einer ersten transversalen Seite und einer zweiten transversalen Seite. Ferner weist der Resonator eine Elektrodenstruktur mit einem ersten elektrischen Anschluss, einem zweiten elektrischen Anschluss und einer Mehrzahl von Elektrodenfingern auf. Jeder der Mehrzahl von Elektrodenfingern ist entweder mit dem ersten oder dem zweiten elektrischen Anschluss elektrisch verbunden. Ferner hat der Resonator eine Geschwindigkeitskompensationsstruktur. Die Geschwindigkeitskompensationsstruktur ist dafür vorgesehen und ausgebildet, ein homogenes Transversalgeschwindigkeitsprofil zu bilden.
Somit weicht der vorliegende elektroakustische Resonator drastisch von den technischen Maßnahmen ab, die in US 2013/0051588 A1 bereitgestellt sind, die ein heterogenes Transversalgeschwindigkeitsprofil empfiehlt.
In dem vorliegenden Resonator ist die akustische Spur der Bereich des piezoelektrischen Materials, der für die Ausbreitung der akustischen Wellen vorgesehen ist. Die Richtung der Ausbreitung der akustischen Wellen bildet die Longitudinalrichtung der akustischen Spur und des Resonators. Die erste transversale Seite und die zweite transversale Seite der akustischen Spur flankieren die akustische Spur und erstrecken sich parallel zu einem mittleren Anregungsbereich der akustischen Spur in die Longitudinalrichtung. Der erste elektrische Anschluss und der zweite elektrische Anschluss können (Strom) Sammelschienen umfassen, die den Elektrodenfingern ein elektromagnetisches HF-Signal liefern, das von einer externen Schaltungsumgebung erlangt wird. Sammelschienen können auf der ersten transversalen Seite bzw. der zweiten transversalen Seite vorgesehen sein. Die Elektrodenfinger haben eine Erstreckung entlang der Transversalrichtung. Die Transversalrichtung ist im Wesentlichen orthogonal zu der Longitudinalrichtung in der Ebene, die im Wesentlichen durch die Oberfläche des piezoelektrischen Materials definiert ist. Die Geschwindigkeitskompensationsstruktur kann ein Material umfassen, das so an bestimmten Stellen in der akustischen Spur vorgesehen ist, dass die Homogenität des Transversalgeschwindigkeitsprofils verbessert wird. Das Transversalgeschwindigkeitsprofil ist als die Geschwindigkeit der akustischen Wellen definiert, die sich in der akustischen Spur ausbreiten, die als sich entlang eines Weges in die Transversalrichtung von einer zu der entsprechenden anderen der ersten transversalen Seite und der zweiten transversalen Seite erstreckend betrachtet wird.
Somit bestimmt das Transversalgeschwindigkeitsprofil die Wellengeschwindigkeit in Abhängigkeit von der transversalen Position.
Es ist anzumerken, dass „x“ eine Position entlang der Longitudinalrichtung bezeichnet. „y“ bezeichnet eine Position entlang der Transversalrichtung und „z“ bezeichnet eine Position entlang der vertikalen Richtung orthogonal zu der Longitudinalrichtung und der Transversalrichtung.
Somit bestimmt das Transversalgeschwindigkeitsprofil die Beziehung zwischen der transversalen Position y und der Geschwindigkeit der akustischen Wellen.
Es wurde festgestellt, dass sich die Ausbreitung akustischer Wellen bei dünnschichtbasierten elektroakustischen Resonatoren von der Ausbreitung von Wellen in herkömmlichen elektroakustischen Resonatoren mit einer auf einem piezoelektrischen Massematerial angeordneten Elektrodenstruktur unterscheidet. Die Wellenausbreitung bestimmt akustische Verluste, die durch Wellenemission in eine Transversalrichtung oder durch Transversalmoden bewirkt werden können.
Leider werden Maßnahmen zur Erlangung einer Kolbenmode, wie sie in der vorstehend genannten Veröffentlichung definiert ist, weniger effektiv, wenn ein piezoelektrisches Dünnschichtmaterial verwendet wird.
Der vorgestellte Resonator basiert auf einem kontraintuitiven zweistufigen Ansatz: Der bereitgestellte Resonator ist mit piezoelektrischen Dünnschichten kompatibel und kann dennoch eine Reduzierung von akustischen Verlusten bewirken. Um jedoch einen entsprechenden Resonator zu erlangen, wurde eine Abweichung von den herkömmlichen Mitteln für notwendig erachtet. Es ist möglich, dass der elektroakustische Resonator eine erste Sammelschiene und eine zweite Sammelschiene umfasst. Ferner kann der Resonator einen mittleren Anregungsbereich zwischen der ersten Sammelschiene und der zweiten Sammelschiene umfassen. Zusätzlich kann der Resonator eine erste Lückenregion zwischen dem mittleren Anregungsbereich und der ersten Sammelschiene und eine zweite Lückenregion zwischen dem mittleren Anregungsbereich und der zweiten Sammelschiene umfassen. Die Geschwindigkeitskompensationsstruktur umfasst dielektrisches Material in der ersten und/oder zweiten Lückenregion.
Die Lückenregion bildet eine elektrische Lücke zwischen den zwei Sammelschienen. Die zwei Sammelschienen - wenn der Resonator in Betrieb ist - sind mit entgegengesetzten Polaritäten verbunden. Ohne eine elektrische Lücke zwischen den Sammelschienen würde der Resonator kurzgeschlossen werden und wäre funktionslos. Um eine elektrische Isolierung zwischen den Sammelschienen zu erreichen, ist ein entsprechende Lücke zwischen dem leitenden Material der einen Elektrode und dem leitenden Material der entsprechenden anderen Elektrode vorgesehen. Dies kann erreicht werden, indem ein Abstand zwischen den Fingerenden einer Elektrode und dem leitenden Material der entsprechenden anderen Elektrode eingehalten wird. Die Situation bei elektroakustischen Resonatoren ist jedoch komplex und jedes Segment des leitfähigen Materials der Elektrodenstruktur hat auch eine Auswirkung auf die Akustik des Resonators. Eine Lücke zwischen dem leitenden Material der zwei Elektroden beeinflusst somit die Ausbreitung der akustischen Wellen. Im Allgemeinen führt eine Reduzierung der Massebelastung von auf dem piezoelektrischen Material angeordnetem Material, die z.B. durch eine Lücke in der Elektrodenstruktur bewirkt wird, zu einer lokalen Erhöhung der akustischen Geschwindigkeit. Eine lokale Erhöhung der akustischen Geschwindigkeit führt zu einer Heterogenität des Transversalgeschwindigkeitsprofils, was der Empfehlung von US 2013/0051588 A1 folgt. Weitere Parameter, die die Geschwindigkeit verändern können, sind die Steifigkeitswerte eines Materials.
Um das kontraintuitive homogene Transversalgeschwindigkeitsprofil zu erlangen, kann die Geschwindigkeitskompensationsstruktur jedoch eine lokale Massebelastung, insbesondere in den Lücken, schaffen, die für die akustischen Wellen eine homogene Umgebung schafft, aber einen Kurzschluss der gegenüberliegenden Elektroden verhindert.
Dementsprechend ist es möglich, dass die Kompensationsstruktur ein solches Material und ein solches Stellenmuster umfasst, dass für die akustischen Wellen eine durch die Massebelastung auf dem piezoelektrischen Material geschaffene homogene akustische Impedanz geschaffen wird. Somit erfahren die akustischen Wellen eine homogene akustische Umgebung zwischen den Sammelschienen.
Es ist möglich, dass das Material der Geschwindigkeitskompensationsstruktur als eine Mehrzahl von dielektrischen Streifen (Patches) bereitgestellt wird, die in der ersten und/oder zweiten Lückenregion angeordnet sind.
Insbesondere können die Patches an den Fingerenden angeordnet sein, die zu der gegenüberliegenden Elektrode hin zeigen.
Es ist möglich, dass das Material der Geschwindigkeitskompensationsstruktur - in einer vertikalen Position - unter dem Material der Elektrodenfinger, über dem Material der Elektrodenfinger und/oder neben dem Material der Elektrodenfinger angeordnet ist.
Wenn das Material der Kompensationsstruktur als an den Fingerenden angeordnete Patches vorgesehen ist, kann das Material so vorgesehen sein, dass es keine Überlappung von Material der Elektrodenfinger und Material der Kompensationsstruktur gibt. Es ist jedoch möglich, dass Material der Elektrodenfinger oder der Elektrodenstruktur mit Material der Kompensationsstruktur überlappt oder umgekehrt, z.B. wenn neben den Elektrodenfingern zusätzliches Material der Kompensationsstruktur vorgesehen ist.
Es ist möglich, dass Material der Geschwindigkeitskompensationsstruktur als Patches mit einer Erstreckung entlang der Longitudinalrichtung vorgesehen ist, die kleiner, gleich oder größer als die Breite der Elektrodenfinger ist.
Die Elektrodenfinger erstrecken sich entlang der Transversalrichtung. Die Breite der Elektrodenfinger ist als die Dicke der Elektrodenfinger in die Longitudinalrichtung definiert. Die Patches können eine Longitudinalerstreckung aufweisen, die gleich der Fingerbreite ist oder von der Fingerbreite abweicht.
Wenn die akustische Impedanz des Materials der Kompensationsstruktur im Wesentlichen gleich der akustischen Impedanz des Materials der Elektrodenfinger ist, dann kann eine Longitudinalerstreckung der Patches gleich der Fingerdicke sein. Insbesondere kann die Höhe der Patches in die vertikale Richtung gleich der Höhe der Elektrodenfinger in die vertikale Richtung sein.
Wenn das für die Kompensationsstruktur gewählte Material eine kleinere (spezifische) akustische Impedanz hat als das Material der Elektrodenstruktur, dann kann die reduzierte Impedanz durch eine erhöhte Massebelastung und/oder ein erhöhtes Volumen bedingt sein. Somit kann ein Übermaß an Höhe, Breite oder Länge der Patches geschaffen werden, um eine insgesamt homogene akustische Impedanz in der akustischen Spur zu erlangen.
Unterschiedliche Erstreckungen in die Longitudinalrichtung, in die Transversalrichtung oder in die vertikale Richtung können jedoch vorteilhaft sein, wenn weitere Auswirkungen auf die Ausbreitung der akustischen Wellen erwünscht sind. So ermöglicht beispielsweise die Erstreckung in die Longitudinalrichtung eine Anpassung der Geschwindigkeit für verschiedene Resonatoren. So können beispielsweise Reihenresonatoren und Parallelresonatoren mit unterschiedlichen Longitudinalerstreckungen vorgesehen werden, um unterschiedliche Zwischenräume und/oder Metallisierungsverhältnisse zu kompensieren. In diesem Zusammenhang kann ein Reihenresonator ein elektroakustischer Resonator sein, der in einem Signalweg eines HF-Filters in Reihe geschaltet ist. Ein Parallelresonator bildet einen Resonator in einem Nebenschlussweg, der den Signalweg des Filters elektrisch mit einem Massepotential verbindet.
Obwohl es möglich ist, dass die Höhe des Materials der Kompensationsstruktur lokal unterschiedlich ist, wird bevorzugt, dass das Material der Kompensationsstruktur in wenigen Produktionsschritten auf die Fläche des Wandlers aufgebracht wird. Daher wird bevorzugt, dass das Material der Kompensationsstruktur eine homogene Höhe über den gesamten Chip aufweist.
Eine spezielle Erstreckung des Materials der Kompensationsstruktur in die Transversalrichtung ermöglicht die Kompensation von Randwinkeln an den Fingerenden, die bei realen Wandlern aufgrund von produktionsreduzierten Einschränkungen auftreten können. Somit ist eine Feinabstimmung des kontinuierlichen Geschwindigkeitsprofils möglich.
Ferner kann die spezifische Form der Patches der Kompensationsstruktur zur weiteren Optimierung modifiziert werden.
Es ist möglich, dass der elektroakustische Resonator Stummelfinger umfasst. Das Material der Geschwindigkeitskompensationsstruktur ist in eine Transversalrichtung zwischen den Stummelfingern und Elektrodenfingern des jeweils gegenüberliegenden elektrischen Anschlusses angeordnet.
Stummelfinger (eine alternative Bezeichnung ist auch Dummy-Finger) können verwendet werden, um die Wellenausbreitung abzustimmen. In herkömmlichen Resonatoren sind die transversalen Lücken zwischen Strukturen der gegenüberliegenden Elektroden eng strukturiert. Enge Lücken entsprechen jedoch kleinen Abständen zwischen den Elektroden.
Die Bereitstellung der Kompensationsstruktur ermöglicht größere Abstände zwischen gegenüberliegenden Elektroden, so dass die dielektrische Festigkeit, z.B. gegenüber ESD-Impulsen (ESD = Electrostatic Discharge), und die Leistungsbeständigkeit erhöht werden.
Es ist möglich, dass das für die Kompensationsstruktur verwendete dielektrische Material eine geringere relative elektrische Permittivität aufweist als das dielektrische Material in der Nähe der Kompensationsstruktur. Dielektrisches Material in der Nähe der Kompensationsstruktur kann das piezoelektrische Material unter der Elektrodenstruktur oder eine Temperaturkompensationsschicht oder eine Trimmschicht über oder unter der Elektrodenstruktur sein. Eine reduzierte relative Permittivität des Materials der Kompensationsstruktur ermöglicht eine Reduzierung des elektrischen Feldes in den transversalen Lücken, so dass die dielektrische Festigkeit und die Leistungsbeständigkeit weiter verbessert werden. Zusätzlich kann eine potentiell verschlechternde Anregung oder Umwandlung von akustischen Wellen in der Lückenregion reduziert werden.
Somit schafft die Bereitstellung der Kompensationsstruktur eine gute Kompatibilität mit Stummelfingern.
Es ist möglich, dass der elektroakustische Resonator aus einem SAW-Resonator (SAW = Surface Acoustic Wave), einem TC-SAW-Resonator (TC = Temperature Compensation), einem GBAW-Resonator (GBAW = Guided Bulk Acoustic Wave) und einem TF-SAW-Resonator (TF = Thin Film) ausgewählt ist.
Ein TC-SAW-Resonator umfasst ein Temperaturkompensationsmaterial über oder unter der Elektrodenstruktur. Die Steifigkeitsparameter des Materials der Temperaturkompensationsstruktur werden so gewählt, dass eine temperaturinduzierte Drift der charakteristischen Frequenzen des Resonators reduziert oder aufgehoben wird. Es ist möglich, dass eine entsprechende Temperaturkompensationsstruktur ein Oxid, wie z.B. ein Siliziumoxid so wie SiO₂, umfasst.
Ein GBAW-Resonator umfasst eine sagittale Wellenleiterstruktur, die über und/oder unter der Elektrodenstruktur angeordnet ist, so dass sich die sich ausbreitenden Wellen an der Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Material und einer entsprechenden Wellenleiterschicht ausbreiten.
Ein TF-SAW-Resonator nutzt ein piezoelektrisches Material, das als eine Dünnschicht bereitgestellt ist. Die Dünnschicht kann unter Verwendung von Dünnschichtverarbeitungstechniken, wie z.B. Wafer-Bonden mit anschließendem mechanischem Polieren oder Smart Cut, und mit herkömmlichen Schichtabscheidetechniken, wie z.B. CVD (Chemical Vapor Deposition), PVD (Physical Vapor Deposition), Sputtern, MBE (Molecular Beam Epitaxy) und dergleichen, bereitgestellt werden.
Es ist möglich, dass das piezoelektrische Dünnschichtmaterial auf einem Trägersubstrat angeordnet ist und Funktionsschichten, z.B. zur Temperaturkompensation, in dem Stapel hinzugefügt sind.
Es ist möglich, dass die Elektrodenstruktur aus einem ungewichteten Wandler, einem apodisierten Wandler, einem geneigten Wandler, einem geknickt geneigten Wandler und einem im Zickzack geneigten Wandler ausgewählt ist. In einem ungewichteten Wandler liefert jedes Paar von Elektrodenfingern im Wesentlichen den gleichen Betrag zur Umwandlung zwischen elektromagnetischen HF-Signalen und akustischen HF-Signalen. Zu diesem Zweck kann die Überlappung entlang der Transversalrichtung benachbarter Elektrodenfinger entgegengesetzter Polarität entlang der Longitudinalrichtung der akustischen Spur gleich sein.
Im Gegensatz dazu liefert ein gewichteter Wandler unterschiedliche Beiträge zur Gesamtanregung akustischer Wellen für verschiedene Paare benachbarter Elektrodenfinger entgegengesetzter Polarität. Zu diesem Zweck kann sich die Transversalüberlappung der benachbarten Finger entlang der Longitudinalrichtung unterscheiden. Ein solcher gewichteter Wandler kann ein apodisierter Wandler sein. Ein apodisierter Wandler kann ein sinusgewichteter Wandler oder ein cosinusgewichteter Wandler sein.
Ein geneigter Wandler hat einen Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen und der Erstreckung der Sammelschienen oder der Lücken, so dass jeder Elektrodenfinger im Vergleich zu den benachbarten Elektrodenfingern in die Transversalrichtung verschoben ist. Typischerweise sind die Elektrodenfinger orthogonal zu der piezoelektrischen Achse des piezoelektrischen Materials ausgerichtet. Die Elektrodenfinger sind typischerweise auch orthogonal zu der Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen der erwünschten akustischen Hauptmode ausgerichtet. Somit ist die Erstreckung der Sammelschienen und der Lücken in einem geneigten Wandler nicht parallel zu der Ausbreitungsrichtung von akustischen Wellen, d.h. zur Longitudinalrichtung.
Es wurde festgestellt, dass geneigte oder apodisierende Resonatoren in einem TF-SAW-Resonator unerwünschte Transversalmoden sogar effektiv reduzieren können.
Ferner wurde festgestellt, dass Beugungseffekte in der Lückenregion eines apodisierten oder geneigten Resonators die Leistungsfähigkeit des Resonators stärker beeinflussen als bei ungewichteten Resonatoren, da die Interaktion zwischen akustischen Wellen und der Lückenregion in entsprechenden Geometrien verstärkt wird. Somit minimiert der kontraintuitive Ansatz, ein homogenes Transversalgeschwindigkeitsprofil bereitzustellen, das einer homogenen akustischen Impedanz sogar in der Lückenregion entsprechen kann, unerwünschte akustische Effekte in der Lückenregion.
Somit können mit den vorstehend beschriebenen Maßnahmen verbesserte elektroakustische Resonatoren erreicht werden, die mit piezoelektrischen Dünnschichtmaterialien kompatibel sind.
Ein geknickt geneigter Wandler weist Segmente entlang der akustischen Spur mit unterschiedlichen Neigungswinkeln auf. Somit weist ein geknickt geneigter Wandler mindestens zwei Segmente auf. Es ist möglich, dass der Neigungswinkel in einem Segment 0° beträgt. Ein solches Segment entspricht einem Segment eines herkömmlichen, nicht geneigten Resonators.
Ein im Zickzack geneigter Wandler umfasst iterativ wiederholte geneigte Segmente mit Neigungswinkeln mit wechselnden Vorzeichen.
Es ist möglich, dass der elektroakustische Resonator aus einem Ein-Tor-Resonator, einem Zwei-Tor-Resonator und einem DMS-Resonator (DMS = Dual Mode SAW) ausgewählt ist.
Ein Ein-Tor-Resonator hat nur ein Tor zur Verbindung mit einer externen Schaltungsumgebung. Ein Zwei-Tor-Resonator hat zwei Tore zur Verbindung mit einer externen Schaltungsumgebung. Eines der zwei Tore kann ein Eingangstor zum Empfangen von elektromagnetischen HF-Signalen sein. Das jeweils andere Tor kann ein Ausgangstor zum Bereitstellen elektromagnetischer HF-Signale an eine externe Schaltungsumgebung sein.
Ein DMS-Resonator kann als ein Ein-Tor-Resonator oder als ein Zwei-Tor-Resonator gebildet sein. In einem DMS-Resonator können sich mehr als eine akustische Hauptmode ausbreiten. Ein DMS-Resonator kann einen ersten IDT (IDT = Interdigitalwandler) und einen zweiten IDT oder mehr als zwei IDT umfassen.
Der Resonator kann einen einzelnen Wandler oder eine Mehrzahl von Wandlern aufweisen. Der eine oder die mehreren Wandler des Resonators können zwischen Elementen eines akustischen Reflektors, z.B. Elementen von Bragg-Reflektoren, angeordnet sein.
Einer oder mehrere Wandler können gewichtet, apodisiert, geneigt, geknickt geneigt oder im Zickzack geneigt sein. Es ist jedoch auch möglich, dass mehrere Wandler so geneigt sind, dass eine Mehrzahl von Wandlern in der akustischen Spur eine geknickte geneigte oder im Zickzack geneigte Anregungsstruktur bildet.
Die IDT von Resonatoren können zwischen den Reflektorstrukturen des Resonators angeordnet sein.
Es ist möglich, den beschriebenen Resonator in einem HF-Filter zu verwenden.
Dementsprechend ist es möglich, dass ein HF-Filter einen elektroakustischen Resonator wie vorstehend beschrieben umfasst.
Das HF-Filter kann ein Bandpassfilter oder ein Bandsperrfilter sein und kann in einer Frontend-Schaltung einer drahtlosen Kommunikationsvorrichtung verwendet werden. Es ist möglich, dass das HF-Filter eine leitertypartige Filtertopologie oder eine gittertypartige Filtertopologie aufweist.
In einer leitertypartigen Filtertopologie sind einer oder mehrere Reihenresonatoren in einem Signalweg zwischen einem Eingangstor und einem Ausgangstor elektrisch in Reihe geschaltet. Einer oder mehrere Parallelresonatoren können in einem oder mehreren Nebenschlusswegen angeordnet sein, die den Signalweg elektrisch mit Masse verbinden.
Eine gittertypartige Filtertopologie kann ein Eingangstor und ein Ausgangstor aufweisen. Das Eingangstor kann einen ersten Eingangsanschluss und einen zweiten Eingangsanschluss umfassen. Das Ausgangstor kann einen ersten Ausgangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss umfassen.
Eine gittertypartige Filtertopologie wird erlangt, wenn ein Resonator den ersten Eingangsanschluss elektrisch mit dem zweiten Ausgangsanschluss verbindet. Eine Signalüberkreuzung von Signalen, die sich über einen ersten Resonator und einen zweiten Resonator ausbreiten, wird erlangt.
Es ist möglich, dass ein solches Filter ein Filter eines Multiplexers ist. Der Multiplexer kann ein Duplexer, ein Quadplexer oder ein Multiplexer einer höheren Ordnung als zwei sein. Eines oder mehrere oder alle Filter des Multiplexers können wie vorstehend beschrieben vorgesehen sein.
Der vorstehend beschriebene Resonator reduziert oder glättet Diskontinuitäten in dem Transversalgeschwindigkeitsprofil über die Kompensationsstruktur, so dass ein Resonator mit guten elektrischen und akustischen Eigenschaften erlangt wird, der mit piezoelektrischen Dünnschichtmaterialien kompatibel ist.
Zentrale Aspekte des bereitgestellten Resonators und Details der bevorzugten Ausführungsformen sind in den beiliegenden schematischen Zeichnungen dargestellt und erläutert.

1 zeigt eine bevorzugte Umgebung akustischer Impedanz, die von den akustischen Wellen erfahren wird;
2 zeigt die entsprechende Elektrodenstruktur;
3 zeigt mögliche Patch-Geometrien in einer Draufsicht von oben;
4 zeigt die entsprechenden Querschnitte der Patches;
5 zeigt eine geneigte IDT-Struktur eines Resonators;
Die 6 und 7 zeigen Ausführungsformen von geknickt geneigten IDT-Strukturen;
8 und 9 zeigen im Zickzack geneigte IDT-Strukturen;
10 zeigt die Elektrodenstruktur eines cosinusgewichteten Wandlers aus einer rein elektrischen Sicht;
11 zeigt eine bevorzugte akustische Impedanz, die auf die akustischen Wellen des in 10 dargestellten Wandlers aufgebracht wird; und
12 zeigt eine mögliche Anwendung der beschriebenen Resonatoren in einem Multiplexer.

1 zeigt eine bevorzugte Struktur akustischer Impedanz in einer Draufsicht von oben. Die Longitudinalrichtung erstreckt sich entlang der x- Richtung. Die Transversalrichtung erstreckt sich entlang der y-Richtung. Im oberen Teil von 1 ist das akustische Transversalgeschwindigkeitsprofil dargestellt. An den Flanken der akustischen Spur sind zwei Sammelschienen BB vorgesehen, die die Elektrodenfinger EF mit einer externen Schaltungsumgebung verbinden. Die Elektrodenfinger EF werden nicht kurz geschlossen, da 1 die akustischen Eigenschaften des Wandlers zeigt. Elektrische Eigenschaften können aus 2 entnommen werden. Die akustische Geschwindigkeit ist zwischen den zwei Sammelschienen BB im Wesentlichen homogen und konstant und entspricht der als v_track bezeichneten akustischen Geschwindigkeit. Die Sammelschienen haben eine höhere Massebelastung. Dementsprechend ist die akustische Geschwindigkeit in dem Bereich der Sammelschienen BB geringer und wird als v_met bezeichnet. Typischerweise umfassen die Sammelschienen Metalle und reduziert die Metallisierung der Sammelschienen die akustische Geschwindigkeit lokal.
1 zeigt die erwünschte Struktur, wenn nur die Akustik des Resonators betrachtet wird. Allerdings sind Diskontinuitäten in der elektrischen Struktur notwendig, um einen Kurzschluss zu vermeiden und die Anregung von akustischen Wellen sicherzustellen.
Dementsprechend zeigt 2 eine mögliche technische Lösung zur Bereitstellung einer Elektrodenstruktur ohne einen Kurzschluss, die die in 1 dargestellte akustische Struktur bereitstellen kann. Zwischen den zwei Sammelschienen können Elektrodenfinger EF und Stummelfinger SF angeordnet sein. Die Enden der Elektrodenfinger EF und die Enden der entsprechend gegenüberliegenden Stummelfinger SF sind durch eine Lücke G getrennt. Die Lücke G schafft eine elektrische Isolierung der zwei Elektroden. In dem Bereich der Lücke G ist Material der Geschwindigkeitskompensationsstruktur VCS vorgesehen, z.B. in Form von Patches P. Die Patches P schaffen die Homogenität der akustischen Geschwindigkeit zwischen den zwei Sammelschienen BB, wie im oberen Teil von 2 dargestellt. Ohne das Vorhandensein der Geschwindigkeitskompensationsstruktur VCS wäre die akustische Geschwindigkeit in den Lücken v_tgap . Durch die Bereitstellung der Kompensationsstruktur VCS kann die Geschwindigkeit in den Lücken G auf die Gesamtgeschwindigkeit in dem mittleren Anregungsbereich v_track reduziert werden. Somit wird das akustische Geschwindigkeitsprofil, wie in 1 dargestellt und wie erwünscht, ohne Kurzschließen der Sammelschienen BB erlangt.
3 zeigt zwei mögliche Anordnungen der Patches P relativ zu dem Elektrodenfinger EF und zu dem Stummelfinger SF in einer Draufsicht von oben. Im linken Teil von 3, wo Material des Elektrodenfingers EF oder des Stummelfingers SF vorhanden ist, ist Material des Patches P auf dem Material des entsprechenden Fingers angeordnet. In einem Bereich, in dem kein Fingermaterial vorhanden ist, kann das Material des Patches P direkt auf dem piezoelektrischen Material angeordnet sein. Somit kann das Patch P die Elektrodenfinger EF und die Stummelfinger SF überlappen, wie im linken Teil von 3 dargestellt.
Im Gegensatz dazu zeigt der rechte Teil von 3 eine Anordnung, bei der das Material des Patches P unter dem Material der Finger angeordnet ist. Somit ist das Material des Patches P immer direkt auf dem piezoelektrischen Material angeordnet. Bei Vorhandensein von Material des Patches P ist das Material der Finger auf dem entsprechenden Patchmaterial angeordnet.
Die zwei in 3 gezeigten Anordnungen sind in 4 in einem Querschnitt parallel zu der yz-Ebene dargestellt. Der obere linke Teil und der obere rechte Teil von 4 entsprechen den in 3 dargestellten idealisierten Anordnungen. Der linke untere Teil und der rechte untere Teil von 4 zeigen eine realistische Verteilung des Materials mit abgerundeten Rändern, wie sie in der Realität hergestellt wurden. Im linken Teil von 4 ist das Material des Patches P zwischen den Fingern EF, SF angeordnet, wo kein Material der Finger vorhanden ist. Wo Material der Finger EF, SF vorhanden ist, ist das Material des Patches P auf den Fingern angeordnet.
Im Gegensatz dazu zeigt der rechte Teil von 4 die umgekehrte Anordnung, bei der das Material des Patches P auf dem piezoelektrischen Material (nicht dargestellt) angeordnet ist, während das Material der Finger EF, SF entsprechend auf dem Material des Patches P angeordnet ist.
5 zeigt eine wichtige Ausführungsform des Resonators, bei der der Wandler, der die Sammelschienen, die Elektrodenfinger, die Stummelfinger und die Patches umfasst, geneigt ist. Somit weicht die Erstreckung der Sammelschienen BB und die Lücke G von einer Erstreckung parallel zu der Longitudinalrichtung x ab, während die Elektrodenfinger ihre Erstreckung im Wesentlichen entlang der Transversalrichtung y beibehalten. Der Neigungswinkel α kann zwischen 2° und 20° liegen, z.B. im Bereich von 10°.
Das Neigen eines Resonators ist ein wirksames Mittel zur Reduzierung von Transversalmoden, sogar oder gerade bei Verwendung eines piezoelektrischen Dünnschichtmaterials. Zusammen mit der Geschwindigkeitsstruktur wird eine gute Leistungsfähigkeit eines TF-SAW-Resonators erreicht.
6 zeigt die Grundfläche eines geknickt geneigten Wandlers. Der Wandler umfasst ein erstes Segment S1 und ein zweites Segment S2. Das erste Segment S1 ist geneigt. Das zweite Segment S2 hat eine herkömmliche Ausrichtung. In dem geneigten Segment S1 sind die Sammelschienen relativ zu den Sammelschienen des herkömmlich angeordneten Segments S2 gedreht. Die Richtung der Erstreckung der Elektrodenfinger ist für alle Segmente gleich.
7 zeigt ein mögliches Layout eines geknickt geneigten Wandlers mit zwei geneigten Segmenten. Ein erstes Segment S1 ist geneigt. Das zweite Segment S2 ist auch geneigt. Die Drehung kann für beide geneigten Segmente S1, S2 im Absolutwert gleich und im Vorzeichen entgegensetzt sein.
8 zeigt das Layout eines im Zickzack geneigten Wandlers mit vier Segmenten. Segmente S1 und S3 haben die gleiche Ausrichtung. Segmente S2 und S4 haben die gleiche Ausrichtung. Somit wird die Kombination von Segmenten S1 und S2 als Segmente S3 und S4 wiederholt. Ferner zeigt 8 einen im Zickzack geneigten Resonator, bei dem jedes Segment geneigt ist.
Im Gegensatz dazu zeigt 9 einen im Zickzack geneigten Wandler, bei dem Segmente S1 und S3 geneigt sind, während Segmente S2 und S4 herkömmlich ausgerichtet sind. Zusätzlich ist die Gesamtstruktur in der xy-Ebene gedreht.
10 zeigt ein mögliches Elektroden-Layout für einen cosinusgewichteten Wandler. Die Sammelschienen BB sind mit Elektroden verbunden und die Länge der lokalen Überlappungsregion unterscheidet sich entlang der Longitudinalrichtung so, dass in dem longitudinalen Mittelbereich des Wandlers ein Maximalwert und in den Randregionen des Wandlers eine reduzierte Überlappungslänge erreicht wird. Dementsprechend folgt die gepunktete Kurve COS den Lücken und zeigt die Cosinuswichtung der Anregung an.
Es ist anzumerken, dass 10 die Konfiguration ausschließlich im Hinblick auf die elektrisch wichtigen Strukturen zeigt, ohne akustisch relevante Teile, wie z.B. Stummelfinger, zu berücksichtigen. Somit kann der Wandler auch Stummelfinger für die „obere“ Elektrode haben.
Im Gegensatz dazu zeigt 11 die akustische Konfiguration, die - aufgrund von Stummelfingern und/oder der Kompensationsstruktur - entlang der Transversalrichtung zwischen den Sammelschienen BB homogen ist. Die Cosinusgewichtung ist nur für die elektrische Anregung vorhanden. Die akustischen Eigenschaften sind homogen - bezogen auf eine λ Periodizität entlang der Longitud inalrichtu ng.
12 zeigt die Anwendungsmöglichkeiten des vorstehend beschriebenen Resonators. 12 zeigt einen Duplexer als eine Ausführungsform eines Multiplexers MUL, auf den das Konzept allgemein anwendbar ist. Der Duplexer umfasst ein Sendefilter TXF und ein erstes Empfangsfilter RXF1 und ein zweites Empfangsfilter RXF2. Das Sendefilter TXF, das erste Empfangsfilter RXF1 und das zweite Empfangsfilter RXF2 bilden Bandpassfilter BPF. Das Sendefilter TXF und das erste Empfangsfilter RXF1 sind in einer leitertypartigen Filtertopologie mit in dem Signalweg elektrisch verbundenen Reihenresonatoren SR realisiert. Parallelresonatoren PR sind elektrisch in Nebenschlusswegen verbunden, die den Signalweg mit Masse verbinden. Die Resonatoren in den leitertypartigen Schaltungstopologien können Ein-Tor-Resonatoren oder Zwei-Tor-Resonatoren sein. Das zweite Empfangsfilter RXF2 ist als ein DMS-Filter mit einem Eingangstor, das drei Eingangsanschlüsse umfasst, und einem Ausgangstor, das zwei Ausgangsanschlüsse umfasst, umgesetzt. Jeder Eingangsanschluss ist mit einem Eingangswandler verbunden. Jeder Ausgangsanschluss ist mit einem Ausgangswandler verbunden. So sind in der akustischen Spur des DMS-Filters fünf Wandler - zwischen Reflektoren - angeordnet. An einen Antennenanschluss AC kann eine Antenne AN angeschlossen werden. Der Antennenanschluss AC ist mit einem Ausgangstor des Sendefilters TXF und einem Eingangstor des ersten Empfangsfilters RXF1 gekoppelt. Zwischen dem AC und dem Eingangstor des ersten Empfangsfilters RXF1 kann eine Impedanzanpassungsschaltung IMC vorgesehen sein, um die Antennenimpedanz bzw. die Ausgangsimpedanz des Sendefilters TXF an die Eingangsimpedanz des Empfangsfilters RXF1 anzupassen.
Der Resonator und das Filter sind nicht auf die vorstehend beschriebenen technischen Merkmale oder die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Resonatoren können weitere akustisch oder elektrisch aktive Elemente, wie z.B. Reflektorelemente oder Impedanzanpassungselemente, umfassen, z.B. zur Impedanzumwandlung. Filter können weitere Resonatoren und akustisch aktive oder inaktive Wandlerstrukturen und Impedanzelemente umfassen.
Bezugszeichenliste

AC:: Antennenanschluss
AN:: Antenne
BB:: Sammelschiene
BPF:: Bandpassfilter
COS:: Cosinusgewichtung
DMS:: DMS-Filter
EF:: Elektrodenfinger
G:: Lücke
IMC:: Impedanzanpassungsschaltung
MUL:: Multiplexer, Duplexer
P:: Patch
PR:: Parallelresonator
RXF1:: erstes Empfangsfilter
RXF2:: zweites Empfangsfilter
S1, .. ,S4:: Wandlersegmente
SF:: Stummelfinger
SR:: Reihenresonator
TXF:: Sendefilter
v:: Geschwindigkeit
VCS:: Geschwindigkeitskompensationsstruktur
vmet:: akustische Geschwindigkeit in der Sammelschiene
vtgap:: akustische Geschwindigkeit in der Lücke
vtrack:: Geschwindigkeit im mittleren Anregungsbereich
x:: Longitudinalrichtung
y:: Transversalrichtung
z:: vertikale Richtung
a:: Neigungs-/Scherwinkel der Sammelschiene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2013/0051588 A1 [0004, 0010, 0017]

Claims

Elektroakustischer Resonator, umfassend - eine akustische Spur mit einer ersten transversalen Seite und einer zweiten transversalen Seite, - eine Elektrodenstruktur mit einem ersten elektrischen Anschluss, einem zweiten elektrischen Anschluss und einer Mehrzahl von Elektrodenfingern, die entweder mit dem ersten oder dem zweiten elektrischen Anschluss elektrisch verbunden sind, - eine Geschwindigkeitskompensationsstruktur, die zum Erstellen eines homogenen Transversalgeschwindigkeitsprofils vorgesehen und ausgebildet ist.
Elektroakustischer Resonator nach dem vorhergehenden Anspruch, umfassend - eine erste Sammelschiene und eine zweite Sammelschiene, - einen mittleren Anregungsbereich zwischen der ersten und der zweiten Sammelschiene, - eine erste Lückenregion zwischen dem mittleren Anregungsbereich und der ersten Sammelschiene und eine zweite Lückenregion zwischen dem mittleren Anregungsbereich und der zweiten Sammelschiene, wobei die Geschwindigkeitskompensationsstruktur dielektrisches Material in der ersten und/oder zweiten Lückenregion umfasst.
Elektroakustischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material der Geschwindigkeitskompensationsstruktur eine homogene akustische Impedanz schafft.
Elektroakustischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material der Geschwindigkeitskompensationsstruktur als eine Mehrzahl von dielektrischen Patches bereitgestellt ist, die in der ersten und/oder zweiten Lückenregion angeordnet sind.
Elektroakustischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material der Geschwindigkeitskompensationsstruktur vertikal unter dem Material der Elektrodenfinger, über dem Material der Elektrodenfinger und/oder neben dem Material der Elektrodenfinger angeordnet ist.
Elektroakustischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material der Geschwindigkeitskompensationsstruktur als Patches mit einer Erstreckung entlang der Longitudinalrichtung vorgesehen ist, die kleiner, gleich oder größer als eine Breite der Elektrodenfinger ist.
Elektroakustischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der Stummelfinger umfasst, wobei Material der Geschwindigkeitskompensationsstruktur in einer Transversalrichtung zwischen den Stummelfingern und den Elektrodenfingern des entsprechend gegenüberliegenden elektrischen Anschlusses angeordnet ist.
Elektroakustischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der aus einem SAW-Resonator, einem TC-SAW-Resonator, einem GBAW-Resonator, einem TF-SAW-Resonator ausgewählt ist.
Elektroakustischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenstruktur aus einem ungewichteten Wandler, einem apodisierten Wandler, einem geneigten Wandler, einem geknickt geneigten Wandler, einem im Zickzack geneigten Wandler ausgewählt ist.
Elektroakustischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der aus einem Ein-Tor-Resonator, einem Zwei-Tor-Resonator, einem DMS-Resonator ausgewählt ist.
HF-Filter, umfassend einen elektroakustischen Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
HF-Filter nach den vorhergehenden Ansprüche, das eine leitertypartige Topologie oder eine gittertypartige Topologie aufweist.
Multiplexer, umfassend ein HF-Filter nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche.