Ein elektroakustischer Wandler umfaßt meist zwei
auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnete kammartige Elektroden
mit ineinander greifenden, meist auf periodischem Raster angeordneten Fingern.
Ein elektrisches Signal, das an die Elektroden angelegt wird, regt
eine akustische Oberflächenwelle
an, wenn die Signalfrequenz der Periode der Fingerstruktur entspricht.
Die Eigenschaften eines elektroakustischen Wandlers
werden im wesentlichen durch Anzahl, Breite, Anschlußfolge und
longitudinale Position (d. h. Position entlang der Ausbreitung der
akustischen Welle) der Finger sowie durch Apertur (d. h. die Länge des
aktiven Überlappungsbereiches
der nebeneinander angeordneten Finger unterschiedlicher Elektroden)
vorgegeben. Diese sind in der Regel so gewählt, daß möglichst nur eine akustische
Schwingungsmode angeregt wird, auf die hin das Design bzgl. der
genannten variierbaren Parameter optimiert wird.
Elektroakustische Wandler für Oberflächenwellenbauelemente
werden insbesondere beim Aufbau von Reaktanzfiltern verwendet.
Es sind z. B. Eintorresonatoren bekannt,
die einen beidseitig durch Reflektoren begrenzten Wandler aufweisen.
Ferner sind DMS-Filter (Double Mode Surface Acoustic Wave Filter)
und Mehrtorresonatoren mit mehreren akustisch miteinander gekoppelten Wandlern
bekannt. Des weiteren sind Filter mit SPUDT-Wandlern (Single Phase
Unidirectional Transducer) mit bevorzugter Abstrahlungsrichtung der
akustischen Welle bekannt.
Es sind auch gewichtete transversale
Filter bekannt, die Wandler mit einem transversalen Überlappungsprofil
der Elektrodenfinger aufweisen. Dabei wird das Überlappungsprofil zur Ausgestaltung
der Impulsanregung im Zeitbereich genutzt, die im Frequenzbereich
Idealerweise einen rechteckigen Durchlaßbereich der Übertragungsfunktion
liefern soll.
Eine wichtige Kenngröße der Reaktanzfilter ist
die Einfügedämpfung,
die der maximalen Dämpfung
eines das Filter durchlaufenden Signals im Durchlaßbereich
entspricht. Alles, was die Einfügedämpfung erhöht, verschlechtert
die Übertragungseigenschaften
des Gesamtsystems, so daß hier
auch geringstmögliche
Verluste anzustreben sind.
Wandler oder Resonatoren, die in
Reaktanzfiltern verwendet werden, sollten bei ihrer Resonanzfrequenz
deshalb einen möglichst
großen
Realteil der Eingangsadmittanz aufweisen. In den bisher bekannten
Wandlern geht allerdings ein Teil der Energie der akustischen Welle
insbesondere dadurch verloren, daß im Wandler das annähernd rechteckige
Anregungsprofil von dem vorhandenen Energiedichteprofil der Welle
abweicht, wobei die elektrisch angeregte akustische Welle aufgrund
der Fehlanpassung der Anregung an die tatsächliche Energieverteilung nur
teilweise in ein elektrisches Signal umgesetzt werden kann, weswegen
Signalverluste entstehen.
Das (laterale oder transversale)
Profil einer physikalischen Größe beschreibt
die Verteilung dieser Größe in Abhängigkeit
von der entsprechenden Ortskoordinate, wobei die x- bzw. die y-Achse
als laterale bzw. transversale Richtung gewählt sind. Unter einem Energiedichteprofil
wird hier insbesondere die Abnahme der Energiedichte in Randbereichen
verglichen mit einem zentral angeordneten Bereich verstanden.
Das Energiedichteprofil kann in einem Wandler
oder Resonator beispielsweise durch Leistungsverträglichkeits-Messungen
ermittelt werden, wobei die Migration des Elektrodenmaterials ein
Maß für Energiedichte
am gegebenen Ort sein kann.
Es ist bekannt, daß das longitudinale
Anregungsprofil durch eine transversale Wichtung der Apertur eingestellt
werden kann, wobei die Apertur in der Mitte des Wandlers maximal
gewählt
ist und nach außen
hin abnimmt. Eine solche Wichtung der Apertur verringert allerdings
den aktiven Bereich, in dem die akustische Welle angeregt wird.
Darüber
hinaus ist das nicht zuletzt durch Randeffekte hervorgerufene Energiedichteprofil
vielmehr in transversaler Richtung ausgeprägt, da die longitudinale Länge eines
als Resonator ausgebildeten Wandlers in der Regel wesentlich größer als
seine transversale Länge
ist. Die Randeffekte und die damit verbundenen Verluste spielen
bei immer kleiner werdenden Aperturen eine immer größere Rolle.
Es ist möglich, das transversale Anregungsprofil,
d. h. die von der transversalen Koordinate y abhängige Amplitude A(y) der akustischen
Welle, an das transversale Energiedichteprofil E(y) anzupassen,
indem die Finger zur Stromschiene hin verjüngt werden, wobei die Amplitude
der angeregten Welle in Randbereichen im Vergleich zu dem zentral
angeordneten aktiven Bereich abnimmt. Diese Lösung hat den Nachteil, daß der Fingerwiderstand
mit der kleineren Fingerbreite größer wird. Außerdem ist
die Mindestbreite der Metallstrukturen technologisch begrenzt, was
insbesondere bei für
höhere
Frequenzen ausgelegten Wandlern oder Resonatoren zu einem Problem
wird.
Eine weitere Möglichkeit zur Anpassung des Anregungsprofils
an das Energiedichteprofil besteht darin, die Finger zur Stromschiene
hin breiter auszubilden, was allerdings zur Anregung schädlicher
Volumenwellen und damit zur Steigerung der Verluste führen würde.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, einen elektroakustischen Wandler für ein mit Oberflächenwellen
arbeitendes Bauelement anzugeben, in dem die Verluste bei der Resonanzfrequenz
des Wandlers gering sind.
Aufgabe der Erfindung wird durch
einen elektroakustischen Wandler gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu
entnehmen.
Die Erfindung gibt einen elektroakustischen Wandler
für ein
mit Oberflächenwellen
arbeitendes Bauelement an, der eine erste Elektrode und eine zweite
Elektrode mit vorzugsweise alternierend ineinander greifenden, Fingern
aufweist. Die erste bzw. die zweite Elektrode umfaßt eine
erste bzw. eine zweite Stromschiene, an die jeweils die Finger angeschlossen
sind. Die Elektrode weist insbesondere längere, zur Anregung der akustische
Welle im aktiven Bereich des Wandlers dienende Finger sowie wesentlich
kürzere
Stummelfinger auf, wobei ein längerer
Finger einer Elektrode dem Stummelfinger der gegenüberliegenden
Elektrode in transversaler Richtung gegenüber steht, und wobei zwischen
den freien (von der jeweiligen Stromschiene abgewandten) Enden der
Finger bzw. Stummelfinger jeweils ein Gap angeordnet ist. Das Gap
ist also der Zwischenraum zwischen dem Finger und dem ihm gegenüberliegenden
Stummelfinger. Als transversale Position eines Gaps wird im folgenden
die Position der Gap-Mitte relativ zum Koordinatenursprung der transversalen Achse
(y-Achse), der z.
B. mit dem nach innen zu den Fingern gewandten Rand der Stromschiene übereinstimmen
kann, bezeichnet.
Erfindungsgemäß wird die Gap-Position über die
Länge des
Wandlers variiert. Letztgenannte Variation beschränkt sich
dabei auf die transversalen Randbereiche des Wandlers. Die transversale
Größe der Randbereiche
ist insbesondere bei kleiner transversaler Länge (Apertur) des aktiven Bereiches
mit dieser größenordnungsmäßig vergleichbar.
Im Wandler ist bei der Resonanzfrequenz eine
akustische Welle der Wellenlänge λ anregbar, die
einerseits ein longitudinales und ein transversales Anregungsprofil
und andererseits ein longitudinales und ein transversales Energiedichteprofil
aufweist. Dabei nimmt die Energiedichte zu den Stromschienen hin
ab. Das longitudinale Anregungsprofil, d. h. der Verlauf der Amplitude
A(x) der Welle in longitudinaler Richtung, ist annähernd konstant
und weicht nach außen
hin vom longitudinalen Energiedichteprofil e(x) ab.
Die Position der in der Nähe der jeweiligen Stromschiene
angeordneten Gaps weist erfindungsgemäß eine Variation zur Einstellung
des transversalen Anregungsprofils auf, wobei das transversale Anregungsprofil
A(y) und das transversale Energiedichteprofil e(y) im Wesentlichen übereinstimmen.
Der erfindungsgemäße Wandler hat gegenüber bisher
bekannten Wandlern für
mit akustischen Oberflächen
arbeitende Bauelemente den Vorteil, daß durch die Anpassung des Anregungsprofils
an das vorhandene Energiedichteprofil mittels Variation der Gap-Positionen
eine optimale Energieübertragung
erzielt wird, wobei durch Anregung der Welle in Bereichen mit einer
geringen Energiedichte hervorgerufene Verluste reduziert werden.
In der bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Wandlers
sind in longitudinaler Richtung mehrere Fingergruppen, in transversaler Richtung
ein aktiver Bereich transversaler Länge W > 3λ vorgesehen,
der keine Gaps aufweist. Zwischen dem aktiven Bereich und den Stromschienen
sind die Randbereiche angeordnet. Der aktive Bereich und die Randbereiche
weisen jeweils Anregungszonen auf, in denen Finger entgegengesetzter
Polarität
in longitudinaler Richtung einander gegenüber stehen, wobei die Anzahl
der Anregungszonen in einer Fingergruppe der Anzahl der Polaritätswechsel
der Finger entspricht.
Der aktive Bereich einer Fingergruppe
weist in longitudinaler Richtung eine Anzahl N von nebeneinander
angeordneten Anregungszonen auf, wobei N ≥ 2. Die relative transversale
Position yk der Mitten der in der Nähe der jeweiligen
Stromschiene angeordneten Gaps in einer Fingergruppe kann eine Anzahl
M von unterschiedlichen Werten annehmen, wobei k eine ganze Zahl
von 1 bis M ist und 2 ≤ M ≤ N/2 . Der
jeweilige Randbereich hat eine transversale Länge D = yM – y1, wobei λ < D < W. Der Randbereich einer
Fingergruppe umfaßt
eine Anzahl (M – 1)
von jeweils zwischen zwei transversal benachbarten Gap-Positionen
yk und yk+1 angeordneten
Randspuren. Die Anzahl der Anregungszonen einer Randspur in einer
Fingergruppe ist kleiner als N und nimmt bei mehreren Randspuren
zu den Stromschienen hin ab.
Die Breite der Randspuren in einer
Fingergruppe kann variieren. Die Anzahl M der Variationen der Gap-Position,
die transversale Länge
D des Randbereiches, die Breite der Randspuren, die Anzahl der Finger,
die Anzahl der Anregungszonen im aktiven Bereich bzw. im Randbereich
können
sich von Gruppe zu Gruppe unterscheiden. Zusätzlich kann die Gap-Länge, die
Fingerbreite und die Form der Gaps in einer Fingergruppe oder von
Gruppe zu Gruppe variieren.
Die Variation der transversalen Position
der Gaps erfolgt in longitudinaler Richtung vorzugsweise periodisch.
Die Variation der Größe und/oder
der Form der Gaps in longitudinaler Richtung kann auch periodisch
erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Variante
der Erfindung sind in den Gaps jeweils eine oder mehrere floatende
Metallstrukturen, die vorzugsweise als Metallstreifen ausgebildet
sind, angeordnet. Die floatenden Metallstrukturen sind vorzugsweise
in der Nähe der
Stromschienen beidseits des Wandlers vorgesehen. Die Anregungsstärke wird
in einem so gebildeten Randbereich reduziert, indem sich die an
den Elektroden des Wandlers anliegende Spannung über die „Kapazitätskaskade" aufteilt.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß zumindest
ein Teil der Finger zu Gruppen mit vorgegebener Anzahl von jeweils
zumindest vier Fingern zusammengefaßt ist, so daß jede Fingergruppe sich über eine
Länge von
zumindest zwei Wellenlängen
erstreckt, wobei jede Fingergruppe bezüglich der relativen transversalen
Position, Größe und/oder Form
der Gaps und/oder der in den Gaps angeordneten Metallstrukturen
ein Muster aufweist. Die Muster in allen Gruppen stimmen dabei zumindest
weitgehend überein,
können
aber bezüglich
ihrer absoluten transversalen Anordnung im Wandler gegeneinander verschoben
sein. Möglich
ist es auch, die Muster jeweils von Gruppe zu Gruppe zu variieren,
wobei die Variation über
alle Gruppen periodisch ist.
Eine periodische Variation bezüglich transversaler
Position und/oder Größe der Gaps
kann sinusförmig,
dreiecksförmig
oder halbkreisförmig
ausgeführt
sein.
Eine Anzahl von Fingergruppen kann
in Untergruppen, die jeweils ein Untergruppenmuster aufweisen, aufgeteilt
sein, wobei innerhalb jeder Fingergruppe zumindest zwei unterschiedliche
Untergruppenmuster alternierend zumindest je einmal pro Fingergruppe
vorkommen.
Des weiteren ist es vorgesehen, daß das Muster
der Gap-Position
in einer Fingergruppe oder das Untergruppenmuster eine in Wellenausbreitungsrichtung
lineare Variation der transversalen Position und/oder der Größe der Gaps
oder eine Kombination aus mehreren linearen Variationen umfaßt.
Es ist möglich, daß Elektroden an bestimmten
Stellen Splitfinger aufweisen. Möglich
ist es auch, die Anschlußfolge
der Finger an die erste und die zweite Elektrode für einzelne
Finger zu vertauschen. Dabei sind einzelne im aktiven Bereich nebeneinander
angeordnete Finger an dieselbe Elektrode angeschlossen, d. h. die
entsprechenden Anregungszonen fallen aus.
Bei einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung können
Fingerbreiten und/oder Fingerabstände in longitudinaler Richtung
zunehmen und/oder sich in transversaler Richtung regelmäßig oder
unregelmäßig ändern.
Die relative transversale Position,
Größe und/oder
Form der Gaps im Bereich einander gegenüberliegender Fingerenden kann über die
longitudinale Wandlerlänge
unabhängig
voneinander variieren.
Ein erfindungsgemäßer Wandler kann als kaskadierter
Wandler mit in Serie geschalteten Teilwandlern ausgebildet sein.
Der erfindungsgemäße Wandler kann z. B. auf einem
piezoelektrischen Substrat aus Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat
oder Langasit angeordnet sein.
Der erfindungsgemäße Wandler kann in einem DMS-Filter
(Double Mode Surface Acoustic Wave Filter), einem TMR-Filter (TMR
= Transversal Mode Resonator) oder einem SPUDT-Resonator (SPUDT
= Single Phase Unidirectional Transducer) verwendet werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand
von schematischen und daher nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert.
1 bis 4 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen
eines erfindungsgemäßen Wandlers
mit einer Variation der transversalen Position der Gaps
5a, 5b und 6 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen
eines erfindungsgemäßen Wandlers
mit in den Gaps angeordneten floatenden Metallstrukturen
1 zeigt
eine einfache Ausführungsform der
Erfindung. Dargestellt ist ausschnittsweise ein als Normalfingerwandler
ausgeführter
Wandler im Bereich einer ersten Stromschiene 3. An die
erste Stromschiene 3 sind zur Anregung der akustischen Welle
dienende Finger 3b und Stummelfinger 3a angeschlossen.
Die so gebildete kammartige Struktur bildet eine erste Elektrode.
Die Finger 3b der ersten Elektrode sind mit Fingern 13b einer
zweiten, hier nur teilweise gezeigten Elektrode alternierend angeordnet.
Dieser Wandler weist zwei Finger 3b, 13b pro
Wellenlänge
auf. Zwei nebeneinander angeordnete Elektrodenfinger unterschiedlicher
Polarität
bilden in ihrem (transversalen) Überlappungsbereich jeweils
eine Anregungszone, von der in der 1 einige
beispielhaft als Bereich mit schrägen Strichlinien angedeutet
sind. Der Wandler ist in transversale Bereiche aufgeteilt, die sich
voneinander durch die Anzahl der Anregungszonen unterscheiden. Die
Anzahl N der Anregungszonen in einem ausgewählten transversalen Bereich
(Randbereich oder aktiver Bereich) einer Gruppe entspricht der Anzahl
der Polaritätswechsel
von Finger zu Finger, was bei Normalfingerwandlern der Anzahl der
Finger in der Gruppe entspricht. Der transversale Bereich einer
Fingergruppe, der die größte (maximale)
Anzahl an Anregungszonen ausweist, wird aktiver Bereich AB genannt.
Die transversalen Bereiche, die zwischen dem aktiven Bereich AB
und der ersten und/oder der zweiten Stromschiene angeordnet sind
und eine kleinere Anzahl der Anregungszonen pro Fingergruppe aufweisen,
werden Randbereiche genannt. Ein Randbereich kann aus einer oder
mehreren Randspuren gleicher oder unterschiedlicher transversaler
Länge bestehen.
Die transversale Länge W des
aktiven Bereiches beträgt
mindestens drei Wellenlängen λ. Die transversale
Länge D
des Randbereiches liegt vorzugsweise zwischen λ und W.
Der dargestellte Wandler variiert über seine Länge bezüglich der
transversalen Gap-Position, wobei die Gap-Position (d. h. die Position
der Gap-Mitte, gemessen ab dem inneren Rand der ersten Stromschiene 3)
zwei unterschiedliche Werte y1 und y2 aufweist. Die Gap-Positionen y1 und
y2 definieren zwischen sich eine Randspur
eines Randbereiches RB. Die transversale Länge D des Randbereiches, d.
h. die Länge,
um welche die Gaps 4 gegeneinander verschoben sind, beträgt hier
D = |y2 – y1|.
Jeweils zehn Finger bilden eine Gruppe G1, G2. Die Fingergruppe weist
hinsichtlich der Variation der Gap-Position ein Muster auf, in diesem Fall
vier Gaps mit der Gap-Position y1 und ein
Gap mit der Gap-Position y2. Dieses Muster
ist in lateraler Richtung periodisch. Der aktive Bereich AB weist
zehn Anregungszonen pro Fingergruppe auf, der Randbereich RB weist
acht Anregungszonen pro Fingergruppe auf. Daher beträgt die Amplitude
der im Randbereich RB angeregten Welle in diesem Beispiel 4/5 der
Amplitude der im aktiven Bereich AB angeregten Welle.
Bei der hier angegebenen Variation
der Gap-Position bleibt das Anregungsprofil A(x) in lateraler Richtung
annähernd
konstant, wenn man von den geringfügigen periodischen Änderungen
absieht.
2 zeigt
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wandlers
mit einer Variation der transversalen Gap-Position. Jede Fingergruppe
G1, G2 umfaßt
sechs Finger. Die Anzahl der Anregungszonen im Randbereich RB ist gleich
vier, was 2/3 der Amplitude der im aktiven Bereich angeregten akustischen
Welle entspricht.
Der Randbereich RB der in 3 gezeigten Variante eines
erfindungsgemäßen Wandlers
weist eine Anzahl M = 3 der in einer Fingergruppe G1, G2 vorgesehenen
Gap-Positionen und dementsprechend zwei Randspuren RS bzw. RS1 auf.
Dabei ist hier die Breite der Randspuren RS und RS1 unterschiedlich
gewählt.
Die hier gleich ausgebildeten Fingergruppen G1, G2 umfassen je sechs
Finger. Die Anzahl der Anregungszonen in den Randspuren RS bzw.
RS1 ist 4 bzw. 2, was 2/3 und 1/3 der Amplitude der im aktiven Bereich
angeregten akustischen Welle entspricht.
Das Muster der transversalen Gap-Anordnung
sowie die Anzahl der Finger in einer Fingergruppe kann von Gruppe
zu Gruppe variieren.
Die Anzahl der Gaps bei einer bestimmten Gap-Position
yk, wobei k eine ganze Zahl von 1 bis M ist,
kann in einer Fingergruppe auch mehr als 1 sein, wie dies in 4 angedeutet ist. Der in 4 ausschnittsweise dargestellte
Wandler weist mehrere, vorzugsweise mit der Gruppe G1 identische
Fingergruppen auf, wobei die vergleichsweise große Gruppe G1 in kleinere Untergruppen
G11, G12 und G13 mit unterschiedlichem Muster der transversalen Gap-Anordnung
bzw. mit unterschiedlicher Anzahl der Finger unterteilt ist.
Der Randbereich RB einer Fingergruppe
G1 bzw. einer Untergruppe G11, G12 und G13 weist drei Randspuren
RS, RS1 und RS2 auf, die in diesem Fall in transversaler Richtung
annähernd
gleich groß gewählt sind.
Die relative Anregungsstärke
nimmt in den Randspuren RS, RS1 und RS2 des Randbereiches RB vom
aktiven Bereich AB zur Stromschiene 3 hin im Verhältnis 5/6,
3/6 und 1/6 ab.
5a bzw. 5b zeigt eine ausschnittsweise bzw.
nur in relevanten Bereichen dargestellte vorteilhafte Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen Wandlers
mit in den Gaps 4 angeordneten floatenden (d. h. elektrisch
unverbundenen) Metallstrukturen 2. Die Metallstrukturen 2 bilden
eine „Kapazitätskaskade" zwischen den Enden
der Finger der ersten und der zweiten Elektrode, wodurch die Anregungsstärke im Randbereich
RB im Vergleich zum aktiven Bereich AB abnimmt.
Die transversale Anordnung der Gap-Mitten und
der Metallstrukturen 2 in der Untergruppe G12 ist mit einer
solchen in der Untergruppe G11 bis auf eine Translationsverschiebung
in transversaler Richtung identisch. Die Untergruppen G11 bzw. G12
sind in lateraler Richtung alternierend angeordnet.
In der bevorzugten Variante der Erfindung
ist ein zweiter, zwischen dem aktiven Bereich AB und der zweiten
Stromschiene 13 angeordneter Randbereich RB1 mit dem oben
beschriebenen ersten Randbereich RB identisch, siehe 5b. In Fällen stark unterschiedlicher
Wandlerumgebung auf unterschiedlichen Seiten kann es jedoch auch
vorteilhaft sein, die Variation der Gaps auf beiden Seiten entsprechend
unterschiedlich zu gestalten.
An die zweite Stromschiene 13 sind
Finger 13b und Stummelfinger 13a angeschlossen.
In den in der Nähe
der zweiten Stromschiene 13 angeordneten Gaps 14 sind
floatende Metallstrukturen 12 vorgesehen.
In 6 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung gezeigt. Hier sind in den Gaps 4 mehrere floatende
Metallstrukturen 2, 2a und 2b dargestellt.
Die Anordnung der Untergruppen G11, G12 ist mit derjenigen der 5a identisch.
Die Erfindung wurde der Übersichtlichkeit halber
nur anhand weniger Ausführungsformen
dargestellt, ist aber nicht auf diese beschränkt. Weitere Variationsmöglichkeiten
ergeben sich insbesondere im Hinblick auf die mögliche Kombination der oben vorgestellten
Anordnungen. Die Größe, Form und/oder
die transversale Gap-Position können
auch unabhängig
voneinander variiert werden. Die Erfindung ist nicht auf einen bestimmten
Frequenzbereich oder einen bestimmten Anwendungsbereich beschränkt.