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Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf elektroakustische Resonatoren mit reduzierten Transversalmoden und auf entsprechende Filter und Filterkomponenten.
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In mobilen Kommunikationsgeräten werden RF-Filter benötigt, um erwünschte RF-Signale von unerwünschten RF-Signalen zu trennen. Filtertopologien können auf Resonatoren wie elektroakustischen Resonatoren basieren, bei denen sich akustische Wellen durch ein piezoelektrisches Material hindurch oder an dessen Oberfläche ausbreiten. Konkret umfasst ein elektroakustischer Resonator eine Elektrodenstruktur, die in Kontakt mit einem piezoelektrischen Material steht und aufgrund des piezoelektrischen Effekts - wenn ein RF-Signal an die Elektrodenstruktur angelegt wird - zwischen elektromagnetischen RF-Signalen und akustischen RF-Signalen umgewandelt wird.
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SAW-Resonatoren (SAW = Surface Acoustic Wave) sind Resonatoren, die eine auf oder über einem piezoelektrischen Material angeordnete Elektrodenstruktur aufweisen. Typischerweise umfasst die Elektrodenstruktur interdigitale Elektrodenfingern, wobei ein Elektrodenfinger elektrisch mit einer von zwei Stromschienen verbunden ist. Die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen wird typischerweise als die longitudinale Richtung bezeichnet. Die longitudinale Richtung ist orthogonal zur Ausdehnungsrichtung der Elektrodenfinger, die die transversale Richtung ist. Ein Problem von SAW-Resonatoren besteht darin, dass transversale akustische Moden angeregt werden, die einen Pfad zu unerwünschter Energiedissipation bilden, die die Einfügungsdämpfung des entsprechenden Filters verschlechtert. Außerdem können Störmoden an unerwünschten Stellen in der Übertragungsfunktion des entsprechenden Filters Spitzen verursachen.
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Es ist möglich, den interdigitalen Wandler (IDT), der zusammen mit akustischen Reflektoren einen elektroakustischen Resonator bildet, schrägzustellen, um Transversalmoden zu unterdrücken oder zu reduzieren. Die Wirkung der Unterdrückung akustischer Transversalmoden hängt jedoch von der Länge des entsprechenden interdigitalen Wandlers ab, und bei kürzeren Wandlerstrukturen ist ein ausreichender Grad der Transversalmodenreduktion schwieriger zu erreichen.
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In diesem Kontext betrifft
US 2016 / 0182010 A1 ein akustisches Wellenbauelement mit einem piezoelektrisches Substrat und einem auf dem piezoelektrischen Substrat ausgebildeten
IDT, wobei ein Anisotropiekoeffizient positiv ist, ein Überlappungsbereich, in dem sich Elektrodenfinger des
IDT überlappen, einen Mittelbereich und einen Randbereich umfasst, die Elektrodenfinger im Mittel- und Randbereich kontinuierlich ausgebildet sind, die Elektrodenfinger in dem Randbereich in Bezug auf die Elektrodenfinger in dem Mittelbereich geneigt sind, so dass ein Abstand in einer Breitenrichtung der Elektrodenfinger in dem Randbereich größer als ein Abstand in einer Breitenrichtung der Elektrodenfinger in dem Mittelbereich ist, und ein Winkel zwischen der Breitenrichtung in dem Mittelbereich und einer Kristallachsenorientierung des piezoelektrischen Substrats kleiner als ein Winkel zwischen der Breitenrichtung in dem Randbereich und der Kristallachsenorientierung ist.
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Ferner betrifft
US 2014 / 0145557 A1 eine IDT-Elektrode eines SAW-Elements das eine Vielzahl von ersten Blindelektroden aufweist, die sich von der ersten Stromschiene zur zweiten Stromschienenseite erstrecken und Spitzen aufweisen, die den Spitzen der Vielzahl von zweiten Elektrodenfingern durch eine Vielzahl von ersten Lücken gegenüberliegen, und eine Vielzahl von zweiten Blindelektroden, die sich von der zweiten Stromschiene zur ersten Stromschienenseite erstrecken und Spitzen aufweisen, die den Spitzen der Vielzahl von ersten Elektrodenfingern durch eine Vielzahl von zweiten Lücken gegenüberliegen. Die Vielzahl der ersten Lücken und die Vielzahl der zweiten Lücken sind so angeordnet, dass sie relativ zur Ausbreitungsrichtung der SAW zur gleichen Seite geneigt sind.
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Schließlich betrifft
DE 10 2010 005 596 A1 einen elektroakustischer Wandler, - angeordnet in einer akustischen Spur, - mit einem piezoelektrischen Substrat, das einen höheren elektroakustischen Kopplungskoeffizienten als Quarz aufweist, - mit zwei auf dem Substrat angeordneten Elektroden, die jeweils mit einer Stromsammelschiene verschaltete, ineinander greifende Elektrodenfinger zur Anregung von akustischen Wellen aufweisen - wobei der Wandler so ausgebildet ist, dass in mehreren parallel zur akustischen Spur verlaufenden Bereichen, die akustische Welle eine unterschiedliche longitudinale Ausbreitungsgeschwindigkeit erfährt, - mit einem zentralen Anregungsbereich mit einer ersten longitudinalen Geschwindigkeit, - mit den zentralen Anregungsbereich auf beiden Seiten flankierenden inneren Randbereichen, in denen die longitudinale Geschwindigkeit von der longitudinalen Geschwindigkeit des zentralen Anregungsbereichs abweicht, - mit die inneren Randbereiche flankierenden äußeren Randbereichen, in denen die longitudinale Geschwindigkeit höher als in den inneren Randbereichen ist, und mit die äußeren Randbereiche flankierenden Bereichen der Stromsammelschienen, in denen die longitudinale Geschwindigkeit geringer als in den äußeren Randbereichen ist.
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Daher ist in diesem Kontext ein elektroakustischer Resonator gewünscht, der mit einer kurzen Wandlerlänge kompatibel ist und eine gute Reduktion oder Unterdrückung unerwünschter Transversalmoden bietet.
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Die vorliegende Erfindung, die in dem unabhängigen Anspruch 1 definiert ist, basiert auf einer Wandlerstruktur, die mit einem DMS-Filter (DMS = Dual Mode SAW) kompatibel ist, der intrinsisch eine relativ kurze Wandlerlänge aufweist.
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Dementsprechend wird ein entsprechender elektroakustischer Resonator gemäß dem Patentanspruch 1 bereitgestellt.
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Der elektroakustische Resonator umfasst einen schrägen interdigitalen Wandler. Der elektroakustische Resonator und/oder der schräge interdigitale Wandler weisen ein transversales Geschwindigkeitsprofil auf. Der schräge interdigitale Wandler hat einen zentralen Anregungsbereich, einen Fallenbereich, einen Spaltbereich und einen Sammelschienenbereich. Das transversale Geschwindigkeitsprofil hat eine erste Geschwindigkeit im zentralen Anregungsbereich, eine zweite Geschwindigkeit im Fallenbereich, eine dritte Geschwindigkeit im Spaltbereich und eine vierte Geschwindigkeit im Sammelschienenbereich, wobei der schräge interdigitale Wandler eine Ausdehnung 1 entlang der Längsrichtung mit 10 λ ≤ 1 ≤ 25 λ aufweist, wobei λ die Wellenlänge der akustischen Hauptmode des Resonators ist und wobei es sich bei dem Resonator um einen DMS-Resonator mit einem oder mehreren zusätzlichen interdigitalen Wandlern handelt
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Längen zwischen 10 λ und 25 λ entsprechen typisch kurzen Wandlern, die als Wandler in DMS-Strukturen verwendet werden können.
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Ein elektroakustischer Resonator mit diesen Merkmalen bietet, entgegen der Intuition, eine gute transversale Wellenmodenunterdrückung, insbesondere bei kurzen Wandlerlängen. Insbesondere ist die Wirkung der Transversalmodenunterdrückung bei kürzeren Wandlerstrukturen höher.
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Dieses kontraintuitive Verhältnis zwischen der Wandlerlänge und der Transversalmodenunterdrückung macht den Resonator zu einem guten Kandidaten für DMS-Filterstrukturen.
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Es ist zu beachten, dass sich die Schrägung des interdigitalen Wandlers von einer bloßen Drehung des interdigitalen Wandlers unterscheidet. So bleiben beim schrägen Interdigitalwandler die Elektrodenfinger orthogonal zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen. Die Ausdehnungsrichtung der Stromschienen ist jedoch nicht parallel zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen, sondern um einen Schrägungswinkel α schräggestellt.
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Das transversale Geschwindigkeitsprofil mit den unterschiedlichen Geschwindigkeiten in den verschiedenen Bereichen des Wandlers kann so gewählt werden, dass die Geschwindigkeiten in benachbarten Bereichen unterschiedlich sind.
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Weiterhin ist es möglich, dass der Resonator einen zusätzlichen Fallenbereich, einen zusätzlichen Spaltbereich und einen zusätzlichen Sammelschienenbereich aufweist.
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Dann ist es möglich, dass der zentrale Anregungsbereich von dem Fallenbereich und von dem zusätzlichen Fallenbereich flankiert wird. Der Fallenbereich und der zusätzliche Fallenbereich werden von dem Spaltbereich und von dem zusätzlichen Spaltbereich flankiert und der Spaltbereich und der zusätzlichen Spaltbereich werden von dem Sammelschienenbereich und dem zusätzlichen Sammelschienenbereich flankiert. Somit ist es möglich, dass der zentrale Anregungsbereich zwischen den beiden Fallenbereichen angeordnet ist. Jeder Fallenbereich ist zwischen einem Spaltbereich und dem zentralen Anregungsbereich angeordnet. Jeder Spaltbereich ist zwischen einem Sammelschienenbereich und einem Fallenbereich angeordnet und die Spaltbereiche, die Fallenbereiche und der zentrale Anregungsbereich sind zwischen den beiden Sammelschienenbereichen angeordnet.
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Es ist möglich, dass die Bereiche einen langen Wellenleiter bilden.
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Ferner ist es möglich, dass der Schrägungswinkel α größer oder gleich 4° und kleiner oder gleich 15° ist.
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Es ist möglich, dass das transversale Geschwindigkeitsprofil durch eine unterschiedliche Massenbelastung und/oder durch unterschiedliche Steifigkeitsparameter in verschiedenen Bereichen des Wandlerbereichs, insbesondere im Bereich des Wandlers, erzielt und/oder bereitgestellt wird.
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Typischerweise hängt die Schallgeschwindigkeit von der lokalen Massenbelastung und von den lokalen Steifigkeitsparametern an der Oberfläche des piezoelektrischen Materials ab. Eine höhere Massenbelastung senkt die Schallgeschwindigkeit und eine geringere Massenbelastung erhöht die Schallgeschwindigkeit.
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Eine höhere lokale Steifigkeit erhöht die Schallgeschwindigkeit und eine geringere Steifigkeit senkt lokal die Schallgeschwindigkeit.
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Eine Massenbelastung und/oder eine lokale Verteilung der Steifigkeitsparameter über die Fläche des Wandlers kann durch zusätzliches oder entferntes Material an der Oberfläche des piezoelektrischen Materials erreicht werden. Insbesondere kann eine zusätzliche Ablagerung eines schweren Materials die lokale Massenbelastung erhöhen. Ein zusätzlich aufgetragenes Material mit hoher Steifigkeit erhöht lokal den Steifigkeitswert.
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Es ist möglich, dass die Schallgeschwindigkeit in den Fallenbereichen geringer sein sollte als die Schallgeschwindigkeit im zentralen Anregungsbereich oder in den Spaltbereichen. In Bezug auf die Massenbelastung und/oder die Steifigkeitsparameter kann daher in den Fallenbereichen zusätzliche Masse hinzugefügt werden. Zu diesem Zweck ist es möglich, die Breite der Elektrodenfinger (in Längsrichtung verlaufend) zu vergrößern oder zusätzliche Materialflächen an den Fingerenden in den Fallenbereichen hinzuzufügen.
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Dementsprechend ist es möglich, dass die Elektrodenfinger in den Fallenbereichen eine andere Höhe und/oder eine andere Ausdehnung in Längsrichtung haben als ihre räumliche Form im zentralen Anregungsbereich.
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Dementsprechend ist es möglich, dass der interdigitale Wandler eine Anzahl von n Elektrodenfingern mit 20 ≤ n ≤ 60 hat, was der oben erwähnten Länge in Einheiten von λ entspricht.
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Es ist möglich, dass der interdigitale Wandler um einen Schrägungswinkel schräggestellt ist. Die Ausrichtung einer Verlängerung der Elektrodenfinger wird orthogonal zu einer Ausbreitungsrichtung eines akustischen Hauptwellenmode beibehalten.
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Ferner ist es, wie oben erwähnt, der Resonator ein DMS-Resonator mit einem oder mehreren interdigitalen Wandlern . Es ist möglich, dass einer oder mehrere der zusätzlichen interdigitalen Wandler wie oben beschrieben ausgestaltet ist.
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Die Wandler können zwischen akustischen Reflektoren angeordnet werden, um die akustische Energie auf den Resonatorbereich, d.h. auf die akustische Spur, zu begrenzen.
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Weiterhin ist es möglich, dass ein RF-Filter einen elektroakustischen Resonator wie oben beschrieben enthält.
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Ferner ist es möglich, dass ein Filterbauteil den RF-Filter wie oben beschrieben umfasst.
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Zentrale Aspekte des vorliegenden Resonators und Details zu bevorzugten Ausführungsformen sind in den nebenstehenden schematischen Abbildungen dargestellt.
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In den Abbildungen:
- zeigt eine entsprechende IDT-Struktur in einer Draufsicht;
- zeigt einen Querschnitt durch den Schichtstapel der entsprechenden IDT-Struktur;
- zeigt Elemente einer DMS-Filterstruktur;
- zeigt die elektrischen Parameter eines Vergleichs zwischen einem konventionellen Resonator und zwei verbesserten Resonatoren;
- zeigt die Parameter von in einem vergrößerten Frequenzbereich;
- zeigt die Parameter von in einem weiter vergrößerten Frequenzbereich;
- zeigt die Parameter von in einem anderen vergrößerten Frequenzbereich, der den Resonanzfrequenzen entspricht; und
- zeigt einen Vergleich zwischen Wandlern unterschiedlicher Länge.
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zeigt zentrale Elemente des interdigitalen Wandlers IDT, aufweisend eine erste und eine zweite Stromschiene BB und eine Vielzahl von Elektrodenfingern EF. Jeder Elektrodenfinger ist elektrisch mit einer der beiden Sammelschienen verbunden. Der Wandler ist um den Schrägungswinkel α so schräggestellt, dass die Ausrichtung der Verlängerung der Elektrodenfinger EF orthogonal zur Längsrichtung x, die die Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen ist, beibehalten wird. Der zentrale Anregungsbereich CEA ist zwischen den beiden Fallenbereichen TR angeordnet. Jede Fallenbereich TR ist zwischen einem Spaltbereich GP und dem zentralen Anregungsbereich CEA angeordnet. Die Spaltbereiche GP sind zwischen den Sammelschienenbereichen BB und den Fallenbereichen TR angeordnet.
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Die Spaltbereiche GP sind vorgesehen, um einen Kurzschluss der beiden Elektroden, die den beiden Sammelschienen entsprechen, zu verhindern. Die Fallenbereiche dienen dazu, die Schallgeschwindigkeit lokal zu variieren. Konkret erhöht eine Verbreiterung der Fingerbreite, d.h. eine erhöhte Ausdehnung in Längsrichtung x, lokal die Massenbelastung derart, dass die Schallgeschwindigkeit gegenüber dem zentralen Anregungsbereich CEA und insbesondere gegenüber dem Spaltbereich GP reduziert wird. So erhält man in Wandlerrichtung y ein transversales Geschwindigkeitsprofil, das als wellenleitende Struktur wirkt.
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Die Schräge reduziert die Transversalwellen, und die Kombination aus Schräge und transversalem Wellenprofil macht die Reduzierung oder Unterdrückung unerwünschter Moden auch bei kurzen Wandlerstrukturen effizient.
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zeigt einen Querschnitt durch einen Elektrodenfinger, der darauf hinweist, dass im Fallenbereich TR der Endabschnitt des Elektrodenfingers lokal verdickt ist, d.h. seine Ausdehnung entlang der vertikalen Richtung z ist erhöht, um die lokale Massenbelastung zu erhöhen und damit die lokale Schallgeschwindigkeit zu reduzieren.
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veranschaulicht grundlegende Elemente einer DMS-Struktur. Die DMS-Struktur umfasst zwei interdigitale Wandler IDT, die zwischen zwei akustischen Reflektoren REF angeordnet sind.
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zeigt den Realteil (oberer Teil), den Imaginärteil (mittlerer Teil) und den Betrag (unterer Teil) der frequenzabhängigen Übertragungsfunktion für einen Resonator mit einem konventionellen Wandler (Kurve 1), für einen verbesserten Resonator wie oben beschrieben (Kurven 2 und 3), während sich die Kurven 2 und 3 auf Wandler mit einer - in transversaler Richtung - unterschiedlichen Größe des Fallenbereichs beziehen.
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Durch Anpassung der Ausdehnung des Fallenbereichs in der transversaler Richtung oder durch Anpassung der Geschwindigkeitsdifferenz zu einem benachbarten Bereich des Fallenbereichs kann der Arbeitspunkt des Resonators so verbessert werden, dass die Unterdrückung im Sperrbereich so verbessert werden kann, dass der ursprüngliche Pegel der konventionellen Wandler erhalten bleibt.
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zeigt einen vergrößerten Frequenzbereich, in dem im Mittelteil im Imaginärteil der Übertragungsfunktion deutlich sichtbar ist, dass die verbesserten Wandler, die den Kurven 2 und 3 entsprechen einen erhöhten Gütefaktor gegenüber dem Wandler, auf den sich Kurve 1 bezieht, aufweisen.
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In ähnlicher Weise ist in , die eine noch höhere Vergrößerungsstufe zeigt, die Verbesserung der Gütefaktoren deutlich sichtbar.
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In , die der Resonanzfrequenz entspricht, hat die Kurve 2, die einem verbesserten Wandler entspricht, den besten Gütefaktor.
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veranschaulicht den Vergleich zwischen Wandlern unterschiedlicher Anzahl an Finger. Die Kurven 1 und 2 entsprechen verbesserten Wandlern mit 501 IDT-Fingern. Die Kurven 3 und 4 entsprechen verbesserten Wandlern mit 301 IDT-Fingern. Die Kurven 1 und 2 und die Kurven 3 und 4 entsprechen verbesserten Wandlern mit unterschiedlicher Größe der Fallenbereiche. Ferner zeigt der Versatz zwischen den Kurven 1 und 2 auf der einen Seite und den Kurven 3 und 4 auf der anderen Seite deutlich, dass der Wandler mit der reduzierten Anzahl von IDT-Fingern das verbesserte elektrische Verhalten aufweist. Insbesondere der mittlere Teil von veranschaulicht, dass Kurve 2, die dem Wandler mit 301 Elektrodenfingern entspricht, den höchsten Gütefaktor bietet.
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Der Wandler und die entsprechenden Filter und Komponenten sind nicht auf die oben erläuterten und in den Abbildungen dargestellten technischen Details beschränkt. Filterstrukturen mit zusätzlichen Elementen wie Wellenleiterelementen, Reflektoren, elektrischen Anschlüssen und zusätzlichen Schichtstrukturen, z.B. Passivierungsschichten oder Trimmschichten, sind ebenfalls möglich. Darüber hinaus ist die Anwendung nicht auf DMS-Strukturen beschränkt. Andere Resonatortypen, die in leiterartigen ähnlichen Filtertopologien oder gitterartig ähnlichen Filtertopologien eingesetzt werden können, sind ebenfalls möglich.
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Bezugszeichenliste
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- BB
- Sammelschienenbereich
- CEA
- zentraler Anregungsbereich
- EF
- Elektrodenfinger
- GP
- Spaltbereich
- IDT
- interdigitaler Wandler
- REF
- akustischer Reflektor
- TR
- Fallenbereich
- x
- Längsrichtung
- y
- transversale Richtung
- z
- vertikale Richtung
