DE1280357B - Frequenzselektive Resonanzanordnung mit einem Festkoerper und einem darauf befestigten piezoelektrischen Resonator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H05k

Deutsche Kl.: 21a4-75

Nummer: 1280 357

Aktenzeichen: P 12 80 357.5-35 (W 40418)

Anmeldetag: 1. Dezember 1965

Auslegetag: 17. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft eine frequenzselektive Resonanzanordnung mit einem Festkörper und einem darauf befestigten piezoelektrischen Resonator.

Die Erfindung findet besonders in der Mikroelektronik Verwendung, bei der Resonatoren z. B. auf integrierten Halbleiterschaltkreisen und integrierten Dünnschichtschaltkreisen befestigt sind.

Bei frequenzselektiver Resonanzanordnung bekannter Art wurden vor allem LC-Kreise verwendet. Obwohl es gegenwärtig möglich ist, ein induktives Element in Dünnschichttechnik in Form einer Ferritschicht oder in anderer Weise herzustellen, gelang es bisher jedoch nicht, eine frequenzselektive Resonanzanordnung mit einem geringen Volumen, geringen Kosten und stabilem Betrieb im Bereich der Mikroelektronik unter Verwendung eines LC-Kreises zu entwickeln.

Als günstiger erweist sich die Verwendung von piezoelektrischen Resonatoren aus Quarzmaterial oder anderen Stoffen in vollständig integrierten Schaltungen. Dabei ergeben sich jedoch Schwierigkeiten. Einmal benötigt man ziemlich zerbrechliche und sperrige Haltevorrichtungen zur Abriegelung der akustischen Schwingungen, wodurch die Integration des Resonators unmöglich ist. Zweitens ist die obere Grenzfrequenz durch die Zerbrechlichkeit des Resonators selbst bestimmt. Drittens ist die Leistungsabgabe der Dickenschwinger, die als einzige praktisch verwendbare Type oberhalb einiger Megahertz zur Verfügung stehen, infolge von Nebenschwingungen oft unregelmäßig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine frequenzselektive Resonanzanordnung zu schaffen, in der ein piezoelektrischer Resonator in neuartiger Weise auf einem Festkörper befestigt ist und die sich durch ein geringes Volumen, eine kostensparende Herstellungsweise und einen stabilen Betrieb bei Verwendung als mikroelektronische Baueinheit auszeichnet.

Die Aufgabe ist dadurch gelöst, daß der Resonator mit dem Festkörper über eine Zwischenschichtstruktur fest verbunden ist, die eine zur Schallimpedanz des Resonators und des Festkörpers unterschiedliche Schallimpedanz besitzt, und daß die Zwischenschichtstruktur mindestens eine Zwischenschicht enthält, deren effektive Dicke gleich einem Viertel oder einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der akustischen Wellenlänge des Resonators bei dessen Resonanzfrequenz ist.

Durch diese Lösung wird eine weitgehende akustische Fehlanpassung zwischen dem Festkörper und dem Resonator bewirkt.

Eine weitere Verbesserung der akustischen Ent-

Frequenzselektive Resonanzanordnung mit einem Festkörper und einem darauf befestigten
piezoelektrischen Resonator

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,
Dipl.-Ing. H. Weickmann
und Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke,
8000 München, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

William Eugene Newell, Wilkinsburg, Pa.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 4. Dezember 1964
(415 913)

koppelung kann dadurch erreicht werden, daß die Zwischenschichtstruktur aus einer Anzahl von Teilschichten zusammengesetzt wird, von denen zumindest eine eine Schallimpedanz besitzt, die geringer ist als die des Resonators und des Festkörpers, wobei zumindest eine weitere Teilschicht eine Schallimpedanz besitzt, die größer ist als die des Resonators und des Festkörpers.

Mit dem Resonator können besonders günstige Ergebnisse erzielt werden, wenn er zwischen zwei sich gegenüberliegenden Flächen eine effektive Stärke von einer halben, seiner Resonanzfrequenz entsprechenden akustischen Wellenlänge besitzt und an diesen Flächen mit Elektroden versehen ist, über die seine Dickenschwingungen ausgewertet werden.

Zur Verwendung der Resonanzanordnung als Teileinheit einer Schaltung kann der Festkörper aus einem Isolierstoff bestehen, auf dem mindestens ein aktives und mindestens ein passives elektronisches Element in elektrischer Verbindung mit dem Resonator angeordnet sind. Insbesondere kann durch eine

S09 627/1306

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Verbindung der elektronischen Elemente mit dem besteht, oder aber auf der Oberfläche ein Festkörper-Resonator ein frequenzselektiver elektronischer Ver- Verstärkerelement enthält, mit dem der Resonator 10 stärker gebildet werden. in der im folgenden beschriebenen Weise elektrisch

Um die Resonanzanordnung in eine integrierte gekoppelt ist.

Halbleiterschaltung einzufügen, kann der Festkörper 5 Die Zwischenschichtstruktur besteht aus einer oder eine mit dem Resonator verbundene Halbleitern- mehreren Schichten geeigneter Starke, deren Schallordnung enthalten. Die Halbleiteranordnung kann impedanzen eine weitgehende akustische Fehlanpaseine integrierte Verstärkerschaltung sein. sung zwischen dem Resonator und der Struktur eine

Die Erfindung wird zum besseren Verständnis im physikalische Verbindung der Verstärker- und Reso-

folgenden an Hand der in den Figuren dargestellten io nanzelemente gestattet. Eine ausführlichere Erläute-

Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigt rung der Art und der Auswahl der Zwischenschicht-

F i g. 1 die Seitenansicht der erfindungsgemäßen struktur erfolgt nach der Beschreibung der speziellen

Anordnung in ihrer Gesamtheit, Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 2 das elektrische Schaltbild der gemäß der Fig. 2 zeigt schematisch die in einer einheitlichen

Erfindung vorteilhaft miteinander verbundenen Bau- 15 Struktur zu vereinigenden oder zu integrierenden

elemente, Elemente. Diese bestehen aus einem Transistorver-

Fig. 3 einen Teilschnitt durch einen integrierten stärker und einem Resonanzelement. Im Sinne einer Halbleiterschaltkreis mit einem Transistorverstärker, einfachen und übersichtlichen Darstellung sind herder mit einem gemäß der Erfindung an der inte- kömmliche Schaltungseinzelheiten für die Gleichgrierten Schaltung befestigten, jedoch akustisch iso- 20 spannungsversorgung des Transistors nicht gezeigt, lierten piezoelektrischen Resonator verbunden ist, In der Figur ist der Transistor T in der bekannten

F i g. 7 einen Teilschnitt durch einen integrierten Emitterschaltung dargestellt. In seinem Äusgangs-

Dünnschichtschaltkreis, der ein aktives Verstärker- kreis ist das Resoüanzelement angeordnet. Dieses be-

element und einen gemäß der Erfindung damit verbun- wirkt eine Frequenzselektion in der Verstärkung des

denen, jedoch akustisch isolierten Resonator enthält, ²5 Transistors T, wie sie z. B. in den Zwischenfrequenz-

Fig. 5 die Ansicht der erfindungsgemäßen Anord- verstärkerstufen eines SuperhetempfängerS efförder-

nung zur Erklärung ihrer Arbeitsweise. lieh ist.

In Fig. 1 sind die allgemeinen Merkmale äku- Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfin-

stischer Resonanzelemente dargestellt, wie sie gemäß dung, bei dem der Resonator 10 mittels der Zwi-

der Erfindung aufgebaut sind. Die gezeigte Anord- 3o schenschicht 20 auf einer Unterlage 130 befestigt ist,

nung besteht aus einem piezoelektrischen Resonator die aus einem integrierten Halbleiterschaltkreis be-

10, einer Unterlage 30 und einer Zwischenschicht- steht. Davon ist nur ein Teil dargestellt, der eine

struktur 20, die zwischen dem Resonator und der Transistorstruktur mit Emittergebiet 131, Basisgebiet

Unterlage angeordnet ist und beide Teile fest mit- 132 und Kollektorgebiet 133 Sowie den phmschen

einander verbindet, wobei sie aber eine akustische 35 Kontaktstellen 41,42 und 43 an den jeweiligen Ge-

Fehlanpassung bewirkt. Die Zwischenschichtstruktur bieten enthält. Die elektrische Verbindung von Ver-

20 ist erforderlich, da die Schalliffipedanzen der prak- stärker und Resonator ist durch Leitungen därge-

tisch zu verwendenden Unterlage und Resonatoren stellt, von denen die Leitung 51 als Eingängsleitung

zu gering sind, um eine wirkungsvolle Fehlanpässung zur Basis 132 des Transistors fühft, die Leitung 50

zu erreichen. 40 den Emitter 131 mit dem Resoüanzelefflent ver-

Der piezoelektrische Resonator 10 kann aus den bindet und gleichzeitig Eingangs- uüd Ausgängsbekannten Stoffen bestehen, bei denen durch An- leitung ist und die Leitung 52 den Kollektor 133 mit legen eines zeitlich Veränderlichen elektrischen Si- der anderen Seite des Resonators 10 verbindet und gnals eine mechanische Schwingung erzeugt wird. gleichfalls als Ausgangsleitung dient In der in Fig. 3 Durch eine geeignete Dimensionierung des Resona- 45 dargestellten Struktur sind also die in Fig. 2 gezeigtors läßt sich mechanische Resonanz erreichen, die ten Elemente in einer Weise physikalisch integriert, seine elektrische Klernmimpedanz beeinflußt. Ab- bei der die Nachteile der bisher vorgeschlagenen Intehängig von der geometrischen Form und der Kristall- grationsarten von Resonanzelementen vermieden orientierung des piezoelektrischen Stoffes lassen sich werden. Diese Art der Abstimmung vermeidet näraverschiedene Arten der Resonanz erreichen. Die dar- 5<> lieh das Problem der Stabilität» das bei frequenzgestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele selektiven aktiven Gelenkkopplungsnetzwerken aufbeziehen sich jedoch in erster Linie auf longitudinal tritt, und außerdem sind Kosten und Betriebssicher-Dickenschwingungen, obwohl auch andere Arten der heit der erfindungsgemäßen Anordnung im Vergleich Resonanz durch die Erfindung im weiteren Sinne mit zu den bisherigen Lösungen günstiger,
umfaßt werden. Die Anwendung einer der vielen an- 55 Selbstverständlich kann der integrierte Schaltkreis deren möglichen Resonanzformen macht natürlich 130 noch viele zusätzliche Elemente außer dem geeine Änderung der Resonatorabmessungen und eine zeigten Verstärker enthalten. Es ist auch möglich, andere Elektrodenanordnung als die hier dargestellte daß die Unterläge nur aus einem einzigen fest mit erforderlich. Geeignete piezoelektrische Stoffe sind dem Resonator 10 verbundenen Transistor besteht, z. B. Quarz, Kadmiumsulfid und polarisierte ferro- 60 in diesem Falle kann die Unterlage die eines herelektrische Stoffe, wie Blei-Zirkonat-Titanat. kömmliehert Transistors sein, und das Gebiet 134,

Die Unterlage 30 kann im allgemeinen irgendein das in einem integrierten Schaltkreis hauptsächlich Festkörper sein, bei dem eine elektrische Kopplung zur elektrischen Isolation zwischen den einzelnen mit dem Resonator nicht interessiert. Für den Haupt- Elementen dient, ist damit nicht erforderlich. In dieanwendungszweck der vorliegenden Erfindung, nänl·· 65 sem und auch in dem folgenden beschriebenen Auslich einen Resonanzverstärker ohne ein äußeres führungsbeispiel ist vorausgesetzt, daß die ZwiSchen-Resonanzelement, ist jedoch eine Unterlage erforder- Schichtstruktur 20 einen der Anschlüsse des piezo* Hch, die entweder innerhalb des Stoffes, aus dem sie elektrischen Resonators 10 bildet, während der an-

dere Anschluß 15 sich auf der unbedeckten Resonatorfläche befindet.

F i g. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der piezoelektrische Resonator 10 auf einer Unterlage 230 fest angebracht ist. Diese Unterlage besteht aus einem Isolierstoff wie Keramik und trägt einen auf ihr befestigten Transistor, der au* den Schichten 231,232 und 233 sowie den entsprechenden Elektroden 141,142 und 143 besteht. Die elektrischen Verbindungen durch die Leiter 150, it ISl und 152 entsprechend denen der Anordnung aus Fig. 3.

Die beiden in F i g. 3 und 4 gezeigten Ausfühfungsbeiapiele dienen lediglich der Veranschaulichung der Potentialverhältnisse bei der vorliegenden Erfindung. Natürlich ist es nicht von Bedeutung, daß der Resonator und der Verstärker auf derselben Fläche der Unterlage 130 oder 230 angeordnet sind, um die erwünschten akustischen Verhältnisse zwischen beiden zu erreichen. Außerdem ist es nicht er- aö forderlich, daß die Leiter 150,151 und 152 in Form von Drähten vorgesehen sind, sondern sie werden vorzugsweise als Dünnschichtleiter ausgeführt. Diese werden aus ausgedampftem Material gebildet Und über Teile der integrierten Anordnung geführt, wobei sie gegebenenfalls durch eine Schicht aus nichtleitendem Material isoliert werden.

Wie bereits ausgeführt wurde, besteht die Zwischenschichtstruktur zur Erzielung der erwünschten akustischen Fehlanpassung aus einer oder mehreren Teilschichten geeigneten Materials. Die Anzahl der Teilschicnten ist bestimmt durch den gewünschten Grad der akustischen Isolation, der wiederum von deftt benötigten Q und den akustischen Eigenschaften der verwendeten Stoffe abhängt, wie noch erklärt wird. Es ist jedoch bei allen Ausführungsbeispielen der Erfindung erforderlich, daß die Teilschiehten eine effektive Stärke Von einer Viertel akustischen Wellenlänge der akustischen Resonanzfrequenz des Resonators haben. Außerdem soll ihre Schallimpedanz

Z
einen derartigen Wert haben, daß die Größe -ψ-, in

Al

der Z_x die durch den Resonator »gesehene« Schallimpedanz, Z₀ die Schallimpedanz des Resonators ist, weitgehend von 1 verschieden ist, da bei Erreichen des Wertes 1 die Schallenergie in die Unterlage geleitet wird und Verluste entstehen. Da bei einem

Wert ~ = 1 das Q des Resonators höher liegt, ist

dieser Wert bei allen Ausführungsbeispielen der Erfindung um mindestens eine Größenanordnung größer oder kleiner als 1.

Unter dem Begriff »effektive Stärke« ist zu verstehen, daß eine bestimmte Dicke eines Elementes um ein ungerades ganzzahliges Vielfaches geändert werden kann, ohne die akustischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Beispielsweise soll die effektive Stärke der Teilschiehten in der Zwischenschichtstruktur eine Viertelwellenlänge sein, jedoch kann die Stärke jeweils jedes ungeradzahlige Vielfache von einer Viertelwellenlänge sein.

Die Schallimpedanzen der in der Struktur verwendeten verschiedenen Stoffe sind wichtig für das Verständnis und die Funktion der vorliegenden Erfindung. Die Schallimpedanz gibt einen Wert für den Widerstand eines Stoffes gegen mechanische Verlagerung an oder genauer, das Verhältnis des Druckes zur Teilchengeschwindigkeit, verursacht durch die Ausbreitung einer Schallwelle. Die Schallimpedanz kann für verschiedene Fälle auf verschiedene Art definiert werden. In der vorliegenden Abhandlung sind in erster Linie longitudinale Schwingungen von Interesse. Daher wird bei der Auswahl der Stoffe die Longitudinalimpedanz berücksichtigt, die durch folgenden Ausdruck gegeben ist:

z= Ve(A+ Z μ).
Darin ist

γ ** Dicht des Materials,

λ = die Lame-Konstante des Materials,

μ = der Scherungsmodülus des Materials.

Dieser Ausdruck gibt Z in Einheiten zu kg/secm² an. Die Größe der Impedanz muß zum Verständnis oder zur Ausführung def Erfindung nicht genau bekannt sein. Es ist lediglich die Größe des Unterschiedes der Schallimpedanzen des Resonators, der Unterlage und der Stoffe der Zwischenschichten von Wichtigkeit. In den im folgenden beschriebenen Beispielen wurden die Werte für die Schallimpedanz aus dem Buch »Physical Accustics and the Properties of Solids« von W. P. Mason (D. van Nostrand Co., Princeton, N. J., 1958) entnommen.

In der Anordnung gemäß F i g. 5 wurde als Resonator 10 ein Körper aus PZT-4-Blei-Zirkonat-Titanat (Schallimpedanz 29,6 · 10⁶ Einheiten) und Wolfram als Schichten 21 und 22 der Zwischenschichtstruktur verwendet. Die Unterlage hatte eine Stärke von einer Viertelwellenlänge und bestand aus einem versteiften Kunstharz-Plastikstoff mit einer Schallimpedanz von schätzungsweise 3 · 10⁶ Einheiten.

Der darauf befestigte Resonator wurde für eine Resonanzfrequenz von 1,78 MHz ausgebildet. Die Schichten aus Magnesium und Wolfram bestanden aus handelsüblichen Folien von 0,81 bzw. 0,76 mm Stärke entsprechend einem Viertel der Wellenlänge bei 1,78 MHz. Aus diesen Materialien wurden quadratische Stücke von 19 mm Seitenlänge ausgeschnitten und blank poliert. Die ΡΖΤ-4-Scheibe wurde von einer anfänglichen Stärke von 2,5 mm auf eine Stärke von 1,1 mm geschliffen, was bei 1,78 MHz der Hälfte der Wellenlänge in diesem Stoff entspricht.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Frequenzselektive Resonanzanordnung mit einem Festkörper und einem darauf befestigten piezoelektrischen Resonator, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (10) mit dem Festkörper (30) über eine Zwischenschichtstruktur (20) fest verbunden ist, die eine zur Schallimpedanz des Resonators (10) und des Festkörpers (30) unterschiedliche Schallimpedanz besitzt, und daß die Zwischenschichtstruktur (20) mindestens eine Zwischenschicht (21) enthält, deren effektive Dicke gleich einnem Viertel oder einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der akustischen Wellenlänge des Resonators (10) bei dessen Resonanzfrequenz ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichtstruktur (20) aus einer Anzahl von Teilschiehten (21, 22) besteht, von denen zumindest eine (z. B. 21) eine Schallimpedanz besitzt, die geringer ist als die des Resonators (10) und des Festkörpers (30),

wobei zumindest eine weitere Teilschicht (z. B. 22) eine Schallimpedanz besitzt, die größer ist als die des Resonators (10) und des Festkörpers (30).

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichtstruktur (20) eine Schallimpedanz besitzt, für die der Wert

^Zo

nicht größer als 0,1 und nicht kleiner als 10 ist, wobei mit Z_x die an dem Resonator (10) anzukoppelnde Schallimpedanz und mit Z₀ die Schallimpedanz des Resonators (10) bezeichnet ist

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert

■ Z₀

nicht größer als 0,1 und nicht kleiner als 10 ist, wobei mit Z₁ die Schallimpedanz der genannten Teilschicht (z. B. 21) und mit Z_s die Schallimpedanz des Festkörpers (30) bezeichnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichtstruktur (20) eine erste Teilschicht (21) angrenzend an den Resonator (10) und eine zweite Teilschicht (22) angrenzend an den Festkörper (30) enthält, wobei der Wert

Z₈

um mindestens eine Größenordnung vom Wert Eins verschieden ist und wobei mit Z₁ die Schallimpedanz der ersten Teilschicht (21), mit Z₂ die Schallimpedanz der zweiten Teilschicht (22) und

35 mit Z_s die Schallimpedanz des Festkörpers (30) bezeichnet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 2 und 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallimpedanz der Teilschichten ungerader Ordnungszahl, vom Resonator (10) aus gerechnet, von der Schallimpedanz der jeweils nächsten anliegenden Teilschichten gerader Ordnungszahl verschieden ist,

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (10) zwischen zwei sich gegenüberliegenden Flächen eine effektive Stärke von einer halben, seiner Resonanzfrequenz entsprechenden akustischen Wellenlänge besitzt und an diesen Flächen mit Elektroden (15,52) versehen ist, über die seine Dickenschwingungen ausgewertet werden.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (30) aus einem Isolierstoff besteht und daß auf diesem mindestens ein aktives und mindestens ein passives Element in elektrischer Verbindung mit dem Resonator (10) angeordnet sind.

9. Anordnung nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Elemente und der Resonator (10) miteinander derart elektrisch verbunden sind, daß sie zusammen einen frequenzselektiven elektronischen Verstärker bilden.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (30) eine mit dem Resonator (10) elektrisch verbundene Halbleiteranordnung (131,132, 133 in Fig. 3) enthält.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung (131,132,133) eine integrierte Verstärkerschaltung ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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