DE19638453A1

DE19638453A1 - Resonant SAW structure

Info

Publication number: DE19638453A1
Application number: DE1996138453
Authority: DE
Inventors: Juergen Agrikola
Original assignee: Siemens Matsushita Components GmbH and Co KG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 1996-09-19
Filing date: 1996-09-19
Publication date: 1998-04-02
Also published as: WO1998012804A1

Abstract

The invention concerns a resonant surface wave structure, in particular a one-port resonator, with at least one interdigital transducer (1) between reflectors (4, 5). In order to attain stability with respect to production variations, the metallization ratio eta of the transducer fingers (2, 3) and the reflector strips (6) satisfies the equation (I), in which: vR designates the speed of the resonant structure wave; rho R designates the reflection of a reflective strip; p designates the mechanical period of the transducer fingers and reflector strips; and eta represents the metallization ratio.

Description

Die Erfindung betrifft eine resonante OFW-Struktur (Oberflächenwellenstruktur) nach dem Oberbegriff des Patent anspruches 1.The invention relates to a resonant SAW structure (Surface wave structure) according to the preamble of the patent claim 1.

In vielen Anwendungsfällen ist es erforderlich, in einem Wel lengemisch mit einer Vielzahl von sinusförmigen Wellen unter schiedlicher Frequenzen eine Welle mit bestimmter Frequenz oder mehrere Frequenzen in ihrer Ausbreitung nicht zu behin dern und alle Wellen mit anderer Frequenz erheblich zu dämp fen. Diese Anforderung läßt sich unabhängig von der Art der Welle (akustische oder elektromagnetische Welle) mit Hilfe einer resonanten Struktur bei Oberflächenwellen mit Hilfe ei nes Oberflächenwellenresonators, beispielsweise Eintorresona tors, erreichen. Die Frequenz bzw. Frequenzen der Welle bzw. Wellen, welche unbehindert in ihrer Ausbreitung bleiben, ist die Resonanzfrequenz bzw. sind die Resonanzfrequenzen der re sonanten Struktur.In many use cases it is necessary in a wel mixed with a variety of sinusoidal waves below different frequencies a wave with a certain frequency or multiple frequencies in their spread and to significantly dampen all waves with a different frequency fen. This requirement can be independent of the type of Wave (acoustic or electromagnetic wave) with the help a resonant structure in surface waves using ei Nes surface wave resonator, for example Eintorresona tors, reach. The frequency or frequencies of the wave or Waves that remain unimpeded in their spread is the resonance frequency or are the resonance frequencies of the right sonorous structure.

In Bauelementen mit resonanten Strukturen ist in vielen Fäl len das ausschlaggebende Kriterium für deren Einsatz die Re produzierbarkeit der Resonanzfrequenz bzw. Resonanzfrequenzen der einzelnen resonanten Strukturen von Bauteil zu Bauteil. Diese Reproduzierbarkeit wird in herkömmlicher Weise durch kostenintensive Verbesserung des Herstellungsprozesses, d. h. Verringerung der Fertigungsschwankungen erreicht.In components with resonant structures is in many cases len the decisive criterion for their use is the Re producibility of the resonance frequency or resonance frequencies of the individual resonant structures from component to component. This reproducibility is carried out in a conventional manner costly improvement of the manufacturing process, d. H. Reduction in manufacturing fluctuations achieved.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine resonante Oberflächenwellenstruktur (OFW-Struktur) der eingangs genann ten Art zu schaffen, bei der durch geeignete Dimensionierung Einflüsse von Fertigungsschwankungen auf die Resonanzfrequenz bzw. Resonanzfrequenzen der resonanten Struktur verringert sind.In contrast, the object of the invention is a resonant Surface wave structure (SAW structure) of the aforementioned to create the right kind, with the appropriate dimensioning Influences of manufacturing fluctuations on the resonance frequency or resonance frequencies of the resonant structure reduced are.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Patentanspruches 1 gelöst.This object is achieved by the characteristics of Claim 1 solved.

In bevorzugter Weise kommt das durch die erfindungsgemäße Di mensionierung erzielte optimale Metallisierungsverhältnis bei Resonatoren (Eintor- oder Zweitorresonatoren) vom Oberflä chenwellentyp zur Anwendung.This is preferably due to the Di according to the invention dimensioning achieved optimal metallization ratio Resonators (one-port or two-port resonators) from the surface Chenwellen type for use.

Anhand der Figuren wird an einem Ausführungsbeispiel die Er findung noch näher erläutert. Es zeigt:Using the figures, the Er finding explained in more detail. It shows:

Fig. 1 in Draufsicht die Metallisierungsstruktur eines Oberflächenwellen-Eintorresonators als Ausführungs beispiel der Erfindung; Figure 1 in plan view of the metallization structure of a surface wave single gate resonator as an embodiment of the invention.

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Metallisierung des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels in der Darstellung (A) mit dem der Fig. 1 zugrundeliegen den Maßstab und in der Darstellung (B) in vergrößer tem Maßstab eine mechanische Periode; und ... 2 shows a longitudinal section through the metallization of the embodiment shown in Figure 1 in the illustration (A) of Figure 1 with the underlying scale, and in the illustration (B) in Enlarge system scale, a mechanical period; and

Fig. 3 in Draufsicht die Metallisierungsstruktur eines Oberflächenwellen-Zweitorresonators als Ausführungs beispiel der Erfindung. Fig. 3 in plan view the metallization structure of a surface acoustic wave two-port resonator as an embodiment of the invention.

In Fig. 1 ist ein Eintorresonator dargestellt, welcher einen Interdigitalwandler 1 aufweist, der an seinen beiden Enden Endreflektoren 4 und 5 hat. Der Interdigitalwandler 1 ist als Normalfingerwandler ausgebildet. Beim dargestellten Ausfüh rungsbeispiel besitzen die Reflektorgitter, welche von Re flektorstreifen 6 gebildet werden, und der Interdigitalwand ler eine annähernd gleiche mechanische Periode p. Die Länge des Wandlers beträgt l₀. Die Wandlerfinger 2 und 3 besitzen konstante Überlappungslängen und im wesentlichen konstante Fingerbreiten w sowie eine konstante Fingerperiode p. Die Me tallisierungshöhe ist mit h bezeichnet (Fig. 2B).In Fig. 1, a one-port resonator is shown, which has a interdigital transducer 1, which at its two ends end reflectors 4 and 5 has. The interdigital converter 1 is designed as a normal finger converter. In the illustrated embodiment, the reflector grating, which is formed by re reflector strips 6 , and the interdigital wall ler have an approximately the same mechanical period p. The length of the converter is l₀. The transducer fingers 2 and 3 have constant overlap lengths and essentially constant finger widths w and a constant finger period p. The height tallization is denoted by h ( Fig. 2B).

Die beiden Endreflektoren 4 und 5, welche als Reflektorreihen ausgebildet sein können, begrenzen den Resonanzraum, in dem sich für die bevorzugte Resonanzfrequenz eine stehende Welle ausbildet. Für die Resonanzfrequenz ist der Realteil der Ad mittanz an den beiden elektrischen Anschlüssen 7 und 8 des Interdigitalwandlers am größten.The two end reflectors 4 and 5 , which can be designed as rows of reflectors, limit the resonance space in which a standing wave is formed for the preferred resonance frequency. For the resonance frequency, the real part of the admittance is greatest at the two electrical connections 7 and 8 of the interdigital transducer.

In der Fig. 3 ist ein Zweitorresonator mit zwei Interdigital wandlern 1 dargestellt. Für gleiche Elemente sind die glei chen Bezugsziffern verwendet wie in Fig. 1. Mit l₀ ist die von beiden Wandlern einschließlich des Zwischenraums bean spruchte Länge bezeichnet.In Fig. 3, a two-port resonator with two interdigital transducers 1 is shown. For the same elements, the same reference numerals are used as in Fig. 1. With l₀ is the length claimed by both transducers including the space.

Insbesondere für solche resonanten OFW-Strukturen, bei denen die Berandung des resonanten Raumes aus sehr vielen hinter einander angeordneten Reflexionsebenen besteht, von denen die jeweilige Ebene einen geringen Prozentsatz der Welle reflek tieren kann und aufgrund der Anordnung der mehreren Refle xionsebenen bei der Reflexion einer Selektion nach der Fre quenz erfolgt, machen sich Schwankungen in den geometrischen Abmessungen und in den Materialeigenschaften in einer Ände rung der Resonanzfrequenz über die effektive Länge des Reso nators und der Geschwindigkeit der Welle bemerkbar.Especially for those resonant SAW structures in which the boundary of the resonant space from very many behind mutually arranged reflection planes, of which the each level reflect a small percentage of the wave animals and due to the arrangement of the several reflect xion planes when reflecting a selection according to Fre sequence takes place, there are fluctuations in the geometric Dimensions and in the material properties in one change tion of the resonance frequency over the effective length of the resonance nators and the speed of the wave noticeable.

Die gesamte effektive Länge des Resonators setzt sich zusam men aus der Länge l₀ und der doppelten Eindringtiefe t_R (η) der Oberflächenwelle in einer der beiden Reflektorreihen 4 und 5, wobei die Eindringtiefe abhängig ist von der Reflexion ρ_R gemäß folgender Beziehung:The total effective length of the resonator is composed of the length l₀ and twice the depth of penetration t _R (η) of the surface wave in one of the two rows of reflectors 4 and 5 , the depth of penetration being dependent on the reflection ρ _R according to the following relationship:

Hieraus ergibt sich für die gesamte Länge des Resonators so mitThis results in the entire length of the resonator With

η ist das Metallisierungsverhältnis und ist als Quotient aus Fingerbreite und mechanischer Periode und wie folgt defi niert:η is the metallization ratio and is off as a quotient Finger width and mechanical period and defi as follows niert:

Die Resonanzfrequenz f_R der resonanten Struktur ist durch die Geschwindigkeit v_R der Welle R in der resonanten Struktur und die Wellenlänge λ_R der Welle R in der resonanten Struktur, die wiederum von den geometrischen Abmessungen und den Mate rialeigenschaften der resonanten Struktur abhängen, nach fol genden Beziehung festgelegt:The resonance frequency f _{R of} the resonant structure is determined by the velocity v _{R of} the wave R in the resonant structure and the wavelength λ _{R of} the wave R in the resonant structure, which in turn depend on the geometrical dimensions and the material properties of the resonant structure established relationship:

_R: Geschwindigkeit der Welle R in der resonanten Struktur
λ_R: Wellenlänge der Welle R in der resonanten Struktur. _R : Velocity of the wave R in the resonant structure
λ _R : wavelength of the wave R in the resonant structure.

Eine Stabilität gegenüber Fertigungsschwankungen läßt sich nunmehr dadurch erreichen, daß alle ersten Ableitungen der Resonanzfrequenz nach den geometrischen Abmessungen und den Materialeigenschaften der resonanten Struktur verschwinden. Auf dieser Basis läßt sich jede resonante Struktur auf ge ringste Empfindlichkeit gegen Fertigungsschwankungen optimie ren. Für die in den Figuren dargestellten resonanten Struktu ren ergibt sich die folgende Bedingung, welche das Metalli sierungsverhältnis η erfüllen muß, um eine möglichst geringe Empfindlichkeit des Resonators gegen Fertigungsschwankungen im Metallisierungsverhältnis η zu erreichen. Diese Bedingung istStability against manufacturing fluctuations can be now achieve that all first derivatives of Resonance frequency according to the geometric dimensions and Material properties of the resonant structure disappear. On this basis, every resonant structure can be based on ge lowest sensitivity to manufacturing fluctuations ren. For the resonant structure shown in the figures ren gives the following condition, which the Metalli tion ratio η must be as low as possible Sensitivity of the resonator to manufacturing fluctuations to achieve in the metallization ratio η. This condition is

Aus dieser Bedingung ergibt sich bei in den Figuren darge stellten resonanten Strukturen ein optimales Metallisierungs verhältnis η_opt = 0,67 bei einer Schichtdicke h = 1200 A°.This condition results in an optimal metallization ratio η _opt = 0.67 with a layer thickness h = 1200 A ° for the resonant structures shown in the figures.

Die Empfindlichkeit pro 0,05 µm Fingerbreitenänderung beträgt etwa -18 ppm. Wenn der Resonator mit dem üblichen Metallisie rungsverhältnis von η = 0,5 dimensioniert ist, ergibt sich ei ne wesentlich größere Empfindlichkeit von -83 ppm pro 0,05 µm Fingerbreitenänderung. Um diese bei der Simulation gewonnenen Werte nachzuprüfen, wurden die Auswirkungen der Fingerbrei tenänderungen bei der Fertigung der Resonatoren mit dem opti malen η mit denen mit herkömmlichem η verglichen. Hierzu wurden Blockbelichtungsreihen durchgeführt.The sensitivity per 0.05 µm finger width change is about -18 ppm. If the resonator with the usual metallization ration ratio of η = 0.5, the result is ei ne much greater sensitivity of -83 ppm per 0.05 µm Finger width change. In order to get these obtained in the simulation Checking values became the impact of the finger porridge Changes in the manufacture of the resonators with the opti paint η compared with those with conventional η. For this block exposure series were carried out.

Bezeichnet man die Breite des Fingers mit F und den Abstand zwischen den Fingern mit A, so entspricht z. B. eine Finger breitenänderung um ± 0,1 µm einer Änderung der Differenz von F-A um ± 0,2 µm. Mit Hilfe der Blockbelichtungsreihen wur den auf einem Wafer zehn Bereiche mit Eintor-Resonatoren, die sich nur in den Fingerbreiten unterschieden, erzeugt. Ein Be reich hatte das übliche Metallisierungsverhältnis η = 0,5, wobei die Fingerbreiten von weiteren vier Bereichen ausgehend von diesem Bereich um -0,05 µm, -0,1 µm +0,05 µm +0,1 µm ge ändert wurden. Bei dem erfindungsgemäß optimierten Metalli sierungsverhältnis η_opt = 0,67 wurde mit den restlichen fünf Bereichen analog verfahren.If one designates the width of the finger with F and the distance between the fingers with A, z. B. a finger width change by ± 0.1 microns a change in the difference of FA by ± 0.2 microns. With the help of the block exposure series, ten areas with single-port resonators, which differed only in the finger widths, were generated on a wafer. One area had the usual metallization ratio η = 0.5, with the finger widths of another four areas being changed from this area by -0.05 µm, -0.1 µm +0.05 µm +0.1 µm. With the metallization ratio optimized according to the invention η _opt = 0.67, the procedure was analogous with the remaining five areas.

In jedem Bereich wurden von zehn Resonatoren die Resonanzfre quenzen bestimmt und der Mittelwert jedes Bereiches ermit telt. Anschließend wurde für beide Metallisierungsverhältnis se die Differenz zwischen dem größten und dem kleinsten Mit telwert der Resonanzfrequenz gebildet und durch die erzeugte (F-A)-Änderung dividiert. Es ergab sich für das herkömmli che Metallisierungsverhältnis η = 0,5 der Wert von 71 ppm pro 0,1 µm (F-A)-Änderung, welche einer Änderung der Finger breite um 0,05 µm entspricht. Für das erfindungsgemäß opti mierte Metallisierungsverhältnis η_opt = 0,67 ergab sich der Wert von 18 ppm pro 0,1 µm (F-A)-Änderung.The resonance frequencies were determined by ten resonators in each area and the mean value of each area was determined. The difference between the largest and the smallest mean value of the resonance frequency was then formed for both metallization ratios and divided by the (FA) change generated. The conventional metallization ratio η = 0.5 resulted in a value of 71 ppm per 0.1 µm (FA) change, which corresponds to a change in the finger width by 0.05 µm. For the metallization ratio η _opt = 0.67 optimized according to the invention, the value was 18 ppm per 0.1 μm (FA) change.

Hieraus ergibt sich, daß eine resonante Struktur, insbesonde re ein Eintor-Resonator mit einem gemäß der Erfindung opti mierten Metallisierungsverhältnis (beim Ausführungsbeispiel η_opt = von etwa 0,67) um den Faktor 4 unempfindlicher bezüg lich der Auswirkung von Fertigungstoleranzen auf die Reso nanzfrequenz ist als eine herkömmliche resonante Struktur mit dem üblichen Metallisierungsverhältnis η = 0,5.It follows from this that a resonant structure, in particular a one-port resonator with a metallization ratio optimized according to the invention (in the exemplary embodiment η _opt = of approximately 0.67) is less sensitive by a factor of 4 with respect to the effect of manufacturing tolerances on the resonance frequency is a conventional resonant structure with the usual metallization ratio η = 0.5.

In manchen Fällen zieht die Wahl des optim. Metallisierungs verhältnisses eine Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber an deren Einflüssen nach sich oder bewirkt eine Verschlechterung der Performance des Resonators oder Resonatorfilters. Es wird dann das Metallisierungsverhältnis so nahe wie möglich beim optimalen Wert gewählt oder nur Teile des Resonators bzw. Re sonatorfilters mit den opt. Metallisierungsverhältnis ausge führt.In some cases, the choice of optim. Metallization ratio an increase in sensitivity to their influences themselves or cause deterioration the performance of the resonator or resonator filter. It will then the metallization ratio as close as possible to the optimal value selected or only parts of the resonator or Re sonator filter with the opt. Metallization ratio out leads.

Claims

1. Resonant SAW structure, which has at least one interdigital transducer, which is arranged between reflectors, characterized in that the metallization ratio (η) of the transducer fingers ( 2 , 3 ) and reflector strips ( 6 ) of the respective single-gate resonator is dimensioned such that the equation is fulfilled, whereby
V _R : Velocity of the wave in the resonant structure
ρ _R : reflection of a reflection strip
p: mechanical period of the transducer fingers and reflector strips
η: metallization ratio
mean.

2. Resonant SAW structure according to claim 1, characterized, that the metallization ratio is about 0.67.

3. resonant SAW structure according to claim 1 or 2, marked by their training as a resonator.

4. resonant SAW structure according to claim 1, characterized, that parts of this structure with those against manufacturing fluctuations gene opt. Metallization ratio are executed.