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Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler für ein mit Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement.
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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.
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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.
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Elektroakustische Wandler für Oberflächenwellenbauelemente werden insbesondere beim Aufbau von Reaktanzfiltern verwendet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus der
DE 101 35 871 A1 ist es bekannt, störende Anregungen im Randbereich eines elektroakustischen Wandlers durch eine Variation der transversalen Gappositionen zu reduzieren.
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Aus der
US 4 406 964 A ist es bekannt, in elektroakustischen Wandlern unterschiedlich lange Elektrodenfinger einzusetzen und in den Gaps floatende Metallstrukturen anzuordnen.
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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.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen elektroakustischen Wandler gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
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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.
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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.
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Die Finger werden in longitudinaler Richtung in mehrere Fingergruppen aufgeteilt, die jeweils ein Muster bezüglich der Anordnung der transversalen Positionen ihrer Gaps aufweisen. Dabei weist in der jeweiligen Fingergruppe die relative transversale Position der Mitten der in der Nähe der jeweiligen Stromschiene angeordneten Gaps eine Anzahl M von unterschiedlichen Werten auf, wobei gilt: M ≥ 3.
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Die Gaps bilden in den Fingergruppen ein Muster, das von Fingergruppe zu Fingergruppe unterschiedlich oder gleich sein kann.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 3 ≤ 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine periodische Variation bezüglich transversaler Position und/oder Größe der Gaps kann sinusförmig, dreiecksförmig oder halbkreisförmig ausgeführt sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die relative transversale Position, Größe und/oder Form der Gaps im Bereich einander gegenüberliegender Fingerenden kann über die longitudinale Wandlerlänge unabhängig voneinander variieren.
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Ein erfindungsgemäßer Wandler kann als kaskadierter Wandler mit in Serie geschalteten Teilwandlern ausgebildet sein.
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Der erfindungsgemäße Wandler kann z. B. auf einem piezoelektrischen Substrat aus Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder Langasit angeordnet sein.
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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.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen und daher nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert.
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1 bis 4 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen eines Wandlers mit einer Variation der transversalen Position der Gaps
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5a, 5b und 6 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Wandlers mit in den Gaps angeordneten floatenden Metallstrukturen
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1 zeigt ausschnittsweise einen als Normalfingerwandler ausgeführten 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.
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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.
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Die transversale Länge W des aktiven Bereiches beträgt mindestens drei Wellenlängen λ. Die transversale Länge D des Randbereiches liegt vorzugsweise zwischen λ und W.
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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) hier nur 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.
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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.
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2 zeigt einen weiteren Wandler 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.
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Der Randbereich RB der in 3 gezeigten Variante eines Wandlers weist wie bei der Erfindung 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.
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Das Muster der transversalen Gap-Anordnung sowie die Anzahl der Finger in einer Fingergruppe kann von Gruppe zu Gruppe variieren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
