DE2320914A1 - Elektromechanisches system mit hoher resonanzfrequenz und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Elektromechanisches system mit hoher resonanzfrequenz und verfahren zu seiner herstellung

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Description

Elektromechanisches System mit hoher Resonanzfrequenz und Verfahren zu seiner Herstellung.
Die Erfindung "bezieht sich auf elektromechanische Resonatoren, die für den Aufbau von Oszillatoren, Filtern, Frequenzdiskriminatoren und ähnlichen Anordnungen "bestimmt sind. Ein elektromechanischer Resonator "besteht aus einem Plättchen aus piezoelektrischem Material, das an seinen "beiden Flächen mit Elektroden versehen ist. Zweipole die ser Art weisen einen elektrischen Scheinleitwert auf, dessen sehr spitze Maxima und Minima die Bestimmung einer Parallelresonanzfrequenz und einer Serienresonanzfrequenz ermöglichen. Die Eigenfrequenzen eines elektromechanischen Resonators sind umso höher, je kleiner die Dicke des Plättchens ist. Dies erklärt die Tatsache, daß die gegenwärtig hergestellten Resonatorstrukturen nicht in der Lage sind, den Frequenzbereich zu erfassen, der sich oberhalb von einigen zehn Megaherz erstreckt, weil die Plättchen in diesem Bereich zu zerbrechlich sind. Die moderne Technik
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der ionischen Bearbeitung ermöglicht jedoch die Herstellung von sehr dünnen lamellen, diefür die Bildung von Resonatoren mit hoher Resonanzfrequenz geeignet sind, doch ist hierfür die üblicherweise für Resonatorplättchen angewendete Montageweise nicht geeignet, da sie zu diffizilen Operationen und sehr zerbrechlichen Produkten führt.
Die Lösung, ein verhältnismäßig robustes Plättchen zu : verwenden, das in einer parziellen Schwingungsform arbeitet, stellt nur eine teilweise Abhilfe dar, weil die Frequenz der Grundschwingung verhältnismäßig niedrig bleibt. Eine andere Lösung besteht darin, eine sehr dünne piezoelektrische Schicht auf ein Substrat aufzubringen, das als Hohlraum dient, doch ergibt diese Lösung, die im Prinzip verführerisch erscheint, eine nicht vernachlässigbare Dämpfung der Schwingungsenergie und zahlreiche StörSchwingungsformen.
Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten wird mit der Erfindung ein elektromechanischen System geschaffen, bei welchem das dünne Plättchen nur an seinem Umfang an einem ausgehöhlten Substrat befestigt ist; die Elektroden bestimmen eine Schwingungszone,die über der Mitte der Ausnehmung des Substrats liegt, damit die Schwingungsenergie auf den Bereich dieser Zone begrenzt bleibt.
Nach der Erfindung ist ein elektromechanisches System mit hoher Resonanzfrequenz, das wenigstens ein Plättchen aus piezoelektrischem Material aufweist, die an ihren beiden Flächen mit wenigstens einem Elektrodenpaar versehen ist und an einem starren Substrat befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Substrat eine Ausnehmung aufweist, welche über die von den Elektroden begrenzte Schwin-
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gungszone hinausgeht, und daß das Plättchen rings um den Umfang der Ausnehmung an dem Substrat "befestigt
Mit der Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines elektromechanischen Systems der zuvor angegebenen Art geschaffen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielshalber "beschrieben. In der Zeichnung zeigen: .
Fig. ί eine perspektivische Ansicht eines elektromechanischen Systems nach der Erfindung,
Fig. 2 verschiedene Stufen des Verfahrens zur Herstellung des elektromechanischen Systems von Fig. 1,
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des elektromechanischen Systems von Fig. 1 und
Fig. 4 das elektrische Ersatzschaltbild des elektromechanischen Systems nach der Erfindung.
Figur 1 zeigt ein elektromechanisches Filter mit zwei gekoppelten Resonatoren für die selektive Übertragung eines Bandes hoher Frequenz. - l
Das Filter besteht aus einem Sockel T, der mit ärei Anschlußstiften 2, 3 und 4 versehen ist, die durch isolierende Durchführungen 13 mechanisch mit dem Sockel verbunden sind. Auf den Sockel 1 ist eine Kappe 5 aufgebördelt, und in der Mitte des Sockels ist ein starres Substrat 6 befestigt. Das Substrat 6:<weist eine Ausnehmung-, IO auf, die gestrichelt dargestellt ist,-.Diese AUönehmüng- kann,
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wie in der Darstellung von Fig. 1, durch das ganze Substrat hindurchgehen5 es ist jedoch auch möglich, nur die obere Seite des Substrats auszuhöhlen. Die obere Fläche des Substrats 6 trägt einen leitenden Überzug 18, der durch €nen Verbindungsdraht H elektrisch mit dem Anschlußstift 4 verbunden ist. Ein dünnes Plättchen 7 aus piezoelektrischem Material haftet auf dem Überzug 18 und ragt über die Ausnehmung 10 des Substrats 6. Die obere Fläche des Plättchens 7 trägt zwei Elektroden 8 und 11,. die über Terbindungsdrähte 9 bzw. 12 mit den Anschlußstiften 2 bzw. 3 verbunden sind. Die Elektroden 8 und 11 liegen deutlieh innerhalb des Umrisses der Ausnehmung 10 und begrenzen jeweils mit der Gegenelektrode 18 zwei Schwingungszopen des Plättchens 7t die in Longitudinalschwingungen oder !Transversalschwingungen schwingen können. Die Iiongitudinalsehwingungen entsprechen Schwingungsamplituden, die senkrecht zu der Ebene der großen Flächen des Plättchens 7 gerichtet sind, während die Transversalschwingungen Schwingungsamplituden entsprechen, die parallel zu dieser Ebene liegen.
Infolge des Vorhandenseins der Ausnehmung 10 sind die großen Flächen des Plättchens 7 in dem über dieser Ausnehmung 10 liegenden Bereich völlig freii dies hat zur Folge, daß diese Flächen an den Schwingungsbäuchen der stehenden Welle liegen, die sich unter der Wirkung einer an die Klemmenpaare 3, 4 bzw. 2, 4 angelegten elektrischen Wechselspannung ausbildet.
Der Wechselstrom und die Wechselspannung an den Klemmen eines Resonators stehen im Zusammenhang mit den mechanischen Größen, die für die stationäre Schwingung des piezoelektrischen Plättehens maßgeblich sind; das Verhältnis dieser Größen ist durch einen elektrischen Scheinleitwert Y darstellbar, dessen Elemente in dem elektrischen Ersatzschaltbild von Figur 4 dargestellt sind.
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In diesem Schaltbild ist durch einen Kondensator CQ die Kapazität zwischen der Elektrode 8 "bzw. der Elektrode 11 und der Gegenelektrode 18 dargestellt; der parallel zu dem Kondensator CQ geschaltete Schwingkreis L-j-R-j-Cj" stellt die dem Plättchen 7 innewohnenden Resonanz- und Dämpfungseigenschaften dar. Die Induktivität L* und die Kapazität C-j legen eine der Eigenfrequenzen des Plättchens fest, und der Widerstand R1 drückt die Dämpfung der Schwingungen aus.
In Figur 5 ist der Betrag IY I des elektrischen Scheinleitwerts eines Resonators als Punktion, der Frequenz f dargestellt.
Die gestrichelte Linie 19 stellt den Scheinleitwert des Kondensators Cq dar. Die in vollen Linien gezeichnete Kurve 20 stellt den Verlauf von IYI dar J sie hat ein erstes Maximum bei der Resonanzfrequenz fr, denn bei dieser Frequenz schwingt das Plättchen in einer Halbwelle der Grundschwingung. Auf dieses Maximum folgt ein Minimum, das der Antiresonanzfrequenz f entspricht. Wenn die Frequenz f erhöht wird, beobachtet man weitere Maxima und Minima wie bei den Frequenzen 3fr und 5f , die den partiellen Schwingungsformen des Plättchens entsprechen; es ist darauf hinzuweisen, daß die partielle Schwingungsform dritter Ordnung Frequenzen 3f^ und 3fe ergibt, die nicht genau dem Dreifachen der Frequenzen f bzw. f& entsprechen. Zur Beurteilung der Eigenschaften eines Resonators muß der Gütefaktor Q betrachtet werden, der dem Verhältnis der Frequenz fr zu der Halbwertbreite Δ f der Resonanzspitze gleich ist. Es muß auch sein Kopplungskoiffizient k in Betracht gezogen werden, der durch die nachstehende Gleichung gegeben ist:
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I * 2 ' - ■■ .
Die Erfahrung zeigt, daß durch die Verwendung eines mit einer Ausnehmung versehenen Substrats der in Figur' 1 gezeigten Art Resonatoren für hohe Frequenzen gebildet werden,die infolge der Tatsache, daß die schwingende Zone gut gegen das Substrat entkoppelt ist, einen sehr großen Gütefaktor haben! Hinsichtlich des Köpplunga- ■· koiffizienten- sind"die Leistungswerte ebenfalls .gut, wie das nachstehend angeführte praktische Ausführungsbeispiel beweist:
Ein elektromeehanisch.es System, das unter Verwendung eines monokristallinen Lithiumniobat-Plättchens gebildet wurde, das durch metallische Verschweißung auf einem mit einer Ausnehmung versehenen Substrat aus Siliziumdioxid befestigt war, ermöglichte bei einem Betrieb mit der partiellen Schwingungsform der dritten Ordnung die Erzielung' einer Resonanzfrequenz von 230 Megaherz mit einem Gütefaktor von 460 und einem Kopplungskoiffizient von 0,05.
Bei Verwendung von zwei Resonatoren mit kritischer Kopplung ist das über ein solches Filter übertragene Frequenzband verhältnismässig breit.
Obwohl die Dicke e des Lithiumniobat-Plättchens nur etwa 50 yum beträgt, erhält es durch seine Befestigung auf dem Substrat eine gute mechanische Festigkeit.
Es ist daraufhinzuweisen, daß Resonatoren mit einer Plättchendicke von weniger als 50 um realisisert werden
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können. Bei Verwendung von Lithiumtantalat, das eine geringere thermische Abtrift als Lithiumniobat zeigt, ist es möglich, einen Resonator herzustellen, dessen Grundfrequenz in der Größenordnung von 100 MHz liegt.
Wenn man die Bildung eines Filters beabsichtigt, müssen wenigstens zwei nahe beieinanderliegende Elektroden auf der oberen Fläche des Plättchens 7 vorgesehen werden; ihr Abstand wird so gewählt, daß die gewünschte Kopplung erhalten wird, und ihre Entfernung von dem umfang der Ausnehmung 10 wird so gewählt, daß eine große Entkopplung gegen das Substrat 6 erhalten wird.
Man kann das System von Figur 1 auch zur Bildung eines einfachen Resonators verwenden, indem eine der Elektroden 8 oder 11 fortgelassen wird. Man kann auch einen Doppelresonator bilden, in dem rings um jede der Elektroden 8 und 11 eine eigene Ausnehmung vorgesehen wird; in diesem Fall werden die Elektroden 8 und 11 weiter voneinander entfernt, um jede unerwünschte Kopplung zwischen den Resonatoren zu vermeiden, und es wird, falls erforderlich, ein Zwischenträger zur Abstützung des Plättchens an dem Substrat zwischen den Elektroden vorgesehen.
Die Fertigung des elektromechanischen Systems von Figur 1 erweist sich als schwierig, wenn das Plättchen 7 auf die endgültige geringe Dicke gebracht wird, bevor es mit dem Substrat verbunden wird« dieses Plättchen ist nämlich außerordentlich zerbrechlich und schwierig zu handhaben.
Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten wird ein Fertigungsverfahren angewendet, dessen Hauptstufen in Figur
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schematisch dargestellt sind. Zur Vereinfachung der Erläuterung ist in Figur 2 nur eine einzige Vorrichtung gezeigt; man könnte jedoch im gleichen Arbeitsgang mehrere Vorrichtungen miteinander verbinden, die erst kurz vor dem Endstadium der Einkapselung durch Zersägen voneinander getrennt werden.
Die bei (a) dargestellte erste Stufe besteht darin, daß die obere Fläche 15 eines mit der Ausnehmung 10 versehenen Substrats 6 sorgfältig geebnet wird.
Wie bei (b) in Figur 2 gezeigt ist, wird die obere Fläche 15 des Substrats mit einer aufgedampften Indiumschicht 16 bedeckt, während eine gleichartige Schicht 17 auf die ebene Fläche eines piezoelektrischen Plättchens 7 aufgebracht wird. Wenn die Schichten 16 und 17 unter Druck in Kontakt gebracht werden, verschweißt sich das Plättchen 7 durch metallische Diffusion innig mit dem Substrat 6, und es haftet in vollkommener Weise rings um den Umfang der Ausnehmung 10. Das mit dem Substrat 6 verschweißte Plättchen 7 weist eine Dicke auf, die größer als die für den Betrieb bei der gewünschten Frequenz erforderliche Dicke ist. Es ist daher notwenidg, wie bei (c) in Figur 2 gezeigt ist, die obere Fläche des Plättchens 7 so zu bearbeiten, daß dessen Dicke auf das gewünschte Maß e gebracht wird. Die Bearbeitung der oberen Fläche des Plättchens 7 kann durch Abschleifen entsprechend der üblichen Technik erfolgen, doch erweist es sich als vorteilhaft, die Technik der ionischen Bearbeitung anzuwenden, wenn das Plättchen besonders dünn und klein ist. Der letzte Verfahrensschritt nach der Bearbeitung der oberen Fläche des Plättchens 7 besteht darin,auf diese Fläche eine Elektrode 8 aufzubringen, die über der Ausnehmung 10 liegt. Wie bei (d) in Figur 2 gezeigt ist, wirkt die Elektrode 8
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mit der Gegenelektrode 18 zusammen, die sich aus der Verschweißung der Schichten 16 und 17 ergibt. Der Vorteil der ionischen Bearbeitung besteht in der Möglichkeit, das Plättchen 7 in der die Ausnehmung 10 bedeckenden Zone dünner zu machen» es ist nämlich überflüssig, die Ränder des Plättchens 7 dünner zu machen. Bei dem zuvor, beschriebenen Beispiel kann die Elektrode 8 durch eine metallische Pille von 0,1 mm Durchmesser gebildet sein, die in der Mitte eines Napfes mit einem Durchmesser von 7 mm liegt» dieser Napf wird in der Mitte eines Siliziumdioxidquaders von 10 mm Seitenlänge und 2 mm Dicke ausgehöhlt. Damit die Gegenelektrode 18 möglichst leicht ist, kann man in einer ersten Phase ringförmige Indiumschichten im Hinblick auf das Verschweissen aufbringen und in einer zweiten Phase in der Mitte dieser Schichten ein sehr dünnes Metallhäutchen aufdampfen, das demjenigen ähnlich ist, das die Elektrode 8 auf der anderen Seite bildet. Die Ausnehmung des Substrats kann duröh ionische Bearbeitung ausgehöhlt werden.
Zur Erzielung einer guten Haftung des Plättchens auf dem Substrat können die für das Verschweißen in'Eontakt gebrachten Schichten in zwei Zeiten gebildet werden:
in einer ersten Zeit wird auf die durch Verschweißen zu vereinigenden Flächen eine Goldschicht aufgedampft, und in einer zweiten Zeit werden die Indiumschichten aufgedampft.
Das Verschweißen erfolgt durch die Diffusion von Indium in Gold und zwischen den in Kontakt kommenden Schichten. Es versteht sich-von selbst9 daß das Aufdampfen von Indium auf die Goldschicht so erfolgen kann, daß der über der Ausnehmung des Substrats liegende Bereich frei bleibt; diese Maßnahme ermöglicht die Verringerung der Masse der- Gegenelektrode.
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Claims (11)

  1. Patentansprüche
    [ I.JElektromechanisches System mit hoher Resonanzfrequenz, das wenigstens ein Plättchen aus piezoelektrischem Material aufweist, die an ihren beiden Flächen mit wenigstens einem Elektrodenpaar versehen ist und an einem starren Substrat befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das starre Substrat eine Ausnehmung aufweist, welche über die von den Elektroden begrenzte Schwingungszone hinausgeht, und daß das Plättchen rings um den Umfang der Ausnehmung an dem Substrat befestigt ist.
  2. 2. 3)1 ektr ©mechanisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden durch die Vereinigung von zwei verschveLSten Schichten gebildet 1st, von denen die eine an einer Fläche des Plättchens und die andere rings um den Umfang der Ausnehmung am Substrat haftet, und daß die andere Elektrode auf die Fläche des Plättchens aufgebracht ist, die außerhalb des über der Ausnehmung liegenden Bereichs liegt.
  3. 3. Elektromechanisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat mit einer Fläche des Plättchens durch eine Schweißschicht verbunden ist, die als Gegenelektrode wirkt, und daß wenigstens zwei Elektroden in dem über der Ausnehmung liegenden Bereich auf die andere Fläche des Plättchens aufgebracht sind, um ein Paar von gekoppelten Resonatoren abzugrenzen.
  4. 4. Elektromechanisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen mit dem .Substrat durch eine ringförmige Schweißschicht verbunden ist,
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    welche die Ausnehmung umgibt, und daß die Elektroden Metallschichten sind, die auf die Fläche des Plättchens aufgedampft sind.
  5. 5. Elektromechanisches System nach einem der Ansprüche bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißschicht eine Indiumschicht ist, die an den einander gegenüberliegenden ebenen Flächen des Plättchens bzw. des Substrats haftet.
  6. 6. Verfahren zum Herstellen eines elektromechanischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ausnehmung enthaltende Fläche des Substrats abgerichtet wird, daß eine erste Schweißschicht auf die abgerichtete Fläche aufgebracht wird, daß eine Fläche des Plättchens abgerichtet wird, daß eine zweite Schweißschicht auf diese Fläche aufgebracht wird, daß die erste und die zweite Schweißschicht durch Druck verschweißt werden, daß das Plättchen durch Materialabtragung mittels Bearbeitung der dem Substrat abgewandten Fläche dünner gemacht wird, und daß eine Elektrode auf diese abgewandte Fläche aufgebracht wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung eine ionische Bearbeitung ist.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schweißschicht in dem ringförmigen
    . Bereich des Plattchens aufgebracht wird, der dazu bestimmt ist, den die Ausnehmung umgebenden Rand zu bedecken, und daß anschließend eine dünne Metallschicht innerhalb des ringförmigen Bereichs aufgebracht wird.
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  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten durch Aufdampfen aufgebracht werden.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche β bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Aushöhleu der Ausnehmung des Substrats durch ionische Bearbeitung erfolgt.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch, gekennzeichnet, daß jede Schweißschicht durch aufeinanderfolgendes Aufdampfen einer Goldschicht und einer Indiumschicht aufgebracht wird.
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