DE2363701A1

DE2363701A1 - Akustisches oberflaechenwellenfilter

Info

Publication number: DE2363701A1
Application number: DE2363701A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Rer Nat Boerner; Gerhard Dipl Ing Kohlbacher
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-12-21
Filing date: 1973-12-21
Publication date: 1975-06-26
Also published as: US4054851A

Description

LICBFTIA

Patent-Verwaltungs-GmbH

6000 Frankfurt (Main) 70, Theodor-Stern-Kai 1

7900 Ulm, 14. Dez. 1973 PT-UL/Scha/wi - UL 73/85

"Akustisches Oberflächenwellenfilter"

Die Erfindung betrifft ein akustisches Oberflächenwellenfilter mit wenigstens einem zu Oberflächenschwingungen anregbaren Körper, der zumindest teilweise aus piezoelektrischem Material besteht und dessen Oberfläche wenigstens auf einer Seite des Körpers mit Störstellen für Oberflächenwellen versehen ist und das weiterhin Mittel zur Umwandlung elektrischer in mechanische Energie und umgekehrt enthält.

Akustische Oberflächenwellenfilter zeigen ein übertragungsverhalten, bei dem ohne Wichtung der Abmessungen der Wandlerfinger die Frequenzabhängigkeit der Dämpfung ungefähr den

Verlauf (sin x/x) aufweist, wobei χ eine lineare Funktion der Frequenz ist. Dieses Übertragungsverhalten entspricht bezüglich Flankensteilheit etwa dem eines dreikreisigen Bandpaßfilters. Es sind Maßnahmen bekannt, dieses übertragungsverhalten entweder durch Wichtung der Geometrie der

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Wandlerfinger oder durch Erzeugung gekoppelter Resonanzstrukturen in der Laufstrecke der Oberflächenwelle so zu beeinflussen, daß eine Versteilerung der Filterflanken entsprechend einem mehrkreisigen Bandpaßfilter möglich wird. Die Wichtung der Wandlerfinger kann, wie aus dem Aufsatz "Akustische Oberflächenwellen-Filter" von R. F. Mitchell in "Philips techn. Rundschau¹¹, 32, 1971/72, Hr. 6/7/8, Seiten 191 bis 202 bekannt ist, z. B. durch Variation der Elektrodenbreite oder Variation der Elektrodenlänge erfolgen. Die Variation der Elektrodenbreite hat den Vorteil, daß Beugungseffekte auf ein Minimum reduziert werden. Ihr Nachteil besteht darin, daß eine präzise Fotoätztechnik erforderlich ist. Die Variation der Elektrodenlänge erfordert dagegen geringere Genauigkeit bei der Herstellung der Strukturen, dafür sind aber Beugungseffekte stärker. .

Gekoppelte Resonanzstrukturen, mit deren Hilfe ebenfalls eine Verbesserung der Flankensteilheit erzielt werden kann, sind in der DlE-OS 2 133 634 beschrieben. Diese Resonanzstrukturen bestehen aus Störstellen, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen angeordnet sind, wobei der Abstand benachbarter Störstellen derart gewählt ist, d®£ sich in Verbindung mit dem jeweils dazwischenliegenden Oberflächenabschnitten ein Resonator ergibt. Solche

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Strukturen bedingen aber ebenfalls wieder ein sehr präzises Herstellungsverfahren, da die Abgleichgenauigkeit für die Resonanzfrequenz eines Resonators von der Genauigkeit abhängt, mit der swei benachbarte Störstellen die λ/2-Bedingung erfüllen,,

Oberflächenwellen erfahren bei ihrer Ausbreitung eine Bämpftm^_? welche hauptsächlich durch die Eigenschaften des piezoelektrischen Materials ,die Oberflächenbearbeitung sowie die Elektroden bedingt ist. Durch Verwendung sines Oberflächenwellen-Halbleiterverstärkers, wie 's. 3. in dem Aufsatz "'Surface Wave. Belay Line Amplifiers" von Kenneth M. Lakin und H. J. Shaw, in "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques", YoI. MTT-17, Ho. 11, November 1969, Seiten 912 - 920 beschrieben wird, ist @s jedoch möglich, solche Verluste zu kompensieren oder sogar eine Verstärkung der Oberflächenwellen zu erzielen. Hierbei wird der Verstärker im wesentlichen entweder durch ein mit einer Spannungsquelle verbundenes piezoelektrisches halbleitendes Substrat gebildet, welches in die Oberfläche des Filterkörpers zwischen den Eingangs- und Ausgangswandler eingefügt ist oder durch einen zweiten aus halbleitendem Material bestehenden Körper, der wiederum an eine Spannungsquelle angeschlossen ist und der in geringem Abstand zu dem aus piezoelektrischem Material bestehenden Filterkörper an-

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geordnet ist. Die Eigenschaften der hier genannten Oberflächenwellen-Verstärker werden allerdings nur am Beispiel einfacher Oberflächenwellenfilter diskutiert, welche insbesondere keine Störstellen in der Oberfläche des Filterkörpers aufweisen.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Oberflächenwellenfilter anzugeben, welches sich durch hohe Flankensteilheit auszeichnet und das die Möglichkeit mit einschließt, den vom Filter hindurchgelassenen Schwingungsanteil bezüglich seiner Intensität in weiten Grenzen zu variieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest ein Teil der Störstellen zu einem Resonator zusammengefaßt ist, der die Form eines Strichgitters aufweist und daß der Abstand der Störstellen voneinander im Mittel der halben Wellenlänge der Oberflächenwellen oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß im Gegensatz zu dem aus der DT-OS 2 133 634· bekannten Filter die Abgleichgenauigkeit für die Resonanzfrequenz nicht von der Genauigkeit abhängt,

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mit der zwei /benachbarte Störungen die λ/2-Bedingung erfüllen, sondern mit der die Gitterstriche im Mittel diese Bedingung erfüllen. Der Abgleich eines Strichgitters durch Änderung des Mittelwertes ist aber wesentlich einfacher durchzuführen als der Abgleich jedes einzelnen von zwei Störstellen gebildeten Resonators der FiIteranordnung, die in der DT-OS 2 133 634- beschrieben ist.

Die Erfindung soll anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Zuhilfenahme der Figuren 1 bis 9 näher erläutert werden.

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Filter dargestellt, welches einen Strichgitter-Resonator ß und eingangs- und ausgangsseitig je einen elektromechanischen Wandler WI und W2 zur Ein- und Auskopplung von elektrischer Energie besitzt. Die Wandler werden so ausgebildet, daß sie mit größtem Wirkungsgrad arbeiten können und die Bandbreite der Wandler größer als die gewünschte Übertragungsbandbreite wird. Der in der Laufstrecke der akustischen Oberflächenwellen befindliche Strichgitter-Resonator ist aus einer Folge von Störstellen aufgebaut, deren Abmessungen in Längsrichtung der Gitterstriche groß und in Querrichtung klein gegenüber der Wellenlänge ist. Technologisch können die Gitterstriche auf vielfältige Weise je nach

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Anforderung an die Genauigkeit und den Strichabstand erzeugt werden, beispielsweise durch fotolithografische Strukturierung von Metallelektroden durch Sputterätzen oder chemisches Ätzen, d. h. also durch Materialauf- oder -abtrag. Die Gitterstriche sollen eine sehr schwache Störung für das akustische Signal darstellen, so daß ein kleiner Prozentsatz der Schwingungsenergie jeweils an den Störstellen reflektiert wird. Sind die Gitterstriche im Abstand von λ/2 oder einem ganzzahligen Vielfachen der zu einer Frequenz f zugehörigen halben Wellenlänge angeordnet, so kommt es für die Frequenz f zur Ausbildung einer stehenden Welle. Für die von f_Q abweichenden Frequenzen stellt das Strichgitter eine starke Störung dar und führt somit zu einer starken Dämpfung der Schwingungsamplitude. Die Resonanzschärfe, d. h. die Güte des Resonators nimmt mit zunehmender Anzahl von Gitterstrichen zu. Die dem Mittelwert der Gitterstrichabstande entsprechende Frequenz ist auch die Resonanzfrequenz* des Resonators. Eine Streuung der Gitterstrichabstande verschlechtert die Resonanz schärfe, weshalb es zweckmäßig ist, den Abstand zweier Störstellen voneinander in einem Resonator annähernd gleich der halben Wellenlänge der Oberflächenwellen oder einem ganzzahligen Vielfachen davon zu wählen.

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Weiterhin besteht die Möglichkeit, einzelne oder mehrere der.Gitterstriche miteinander zu verbinden oder,falls die Gitterstriche aus metallischen Belägen bestehen, die miteinander verbundenen Strukturen als elektromechanische Wandler zu verwenden (Figur 4). Weiterhin läßt sich die Kopplung der Gitterstriche auch durch die gegenseitige Lage der Gitterstriche beeinflussen, beispielsweise derart, daß die Striche entweder aufeinanderfolgend wie in Figur 1 oder entsprechend Figur 5 gegeneinander versetzt angeordnet sind.

Eine mehrkreisige Filterstruktur wird erfindungsgemäß mit einer Anordnung nach Figur 2 oder Figur 3 erzielt. Die Strichgitter R1 bis R5 sind bei der Ausführung nach Figur 2 so angeordnet, daß ein Teil der mechanischen Bewegungsenergie aus einer Resonatorzonq&usgekoppelt wird und in dem benachbarten Resonator wieder zur Anregung einer stehenden Welle führt. In Figur 3 sind die Resonatorzonen von Kopplungszonen E1 bis Kn eingeschlossen, deren Gitterstrichabstände auf eine gegenüber den Resonatoren etwas höhere Frequenz abgestimmt sind, also gegenüber den Resonatoren etwas kleinere Gitterstrichabstände aufweisen. Die höhere Grenzfrequenz der Kopplungszonen bewirkt einen Energiefang analog zu den bekannten monolithischen Filtern, der die mechanische Schwingungsenergie im wesentlichen auf die Resonatorzone beschränkt. In der Re-

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sonatorzone kommt es zur Ausbildung einer stehenden Welle, während vom Rand der Resonatorzone weg ein ungefähr exponentieller Abfall an mechanischer Bewegungsenergie zu beobachten ist.

Die Kopplung zwischen zwei Resonatoren läßt sich dadurch variieren, daß einmal die Differenz der Eigenschaften von Resonator- und Kopplungszonen unterschiedlich gewählt wird - mit zunehmender Frequenzdifferenz nimmt die Kopplung ab zum anderen durch die Wahl der Breite der Kopplungszonen, d. h. also den Abstand zwischen den Resonatorzonen· Die Kopplung nimmt z. B. ab mit zunehmendem Resonatorabstand oder zunehmendem Winkel, unter dem die Gitterstriche in zwei benachbarten Resonatoren zueinander liegen. Einen Einfluß auf die Kopplung hat auch die Oberflächenbeschaffenheit der Kopplungszone oder auch der Unterschied des Wellenwiderstandes in der Resonator- und Kopplungszone. Zur Herstellung geeigneter Randbedingungen können Strichgitter, die aus metallischen Elektroden bestehen, durch elektrische Verbindungen ganz oder teilweise verbunden werden. Durch eine geeignete Anordnung der Resonatoren, z. B. entsprechend Figur 6, können auch Überkopplungen zwischen nicht unmittelbar benachbarten Resonatoren hergestellt werden, wodurch sich Polstellen in der Durchlaßcharakteristik des Filters realisieren lassen. Figur 7 stellt das zur Filteranordnung gemäß

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Figur 6 gehörende Ersatzschaltbild dar, aus dem die Verkopplung der einzelnen Resonatoren untereinander unmittelbar ersichtlich ist.

Die Kopplung zwischen zwei Resonatoren R (P1) und R (P2) kann aber auch über das piezoelektrische Feld erfolgen, wie in Figur 8 dargestellt ist. Hier greift das elektrische Feld durch den Luftspalt in die Resonatorzone R (P2) einer zweiten piezoelektrischen Platte (P2), welche der ersten Platte (P1) gegenüberliegt, ein und führt dort ebenfalls zur Ausbildung einer stehenden Welle. Werden Bleustein-Wellen angeregt, so kann der Luftspalt auch durch eine Flüssigkeit ausgefüllt sein. Die Resonatorkopplung wird durch die Spaltbreite, die Dielektrizitätskonstante £ des Spaltmediums und durch die Größe der Überlappungszone eingestellt. Durch Verschieben der beiden Platten gegeneinander kann somit auch eine variable Kopplung der Resonatoren erzeugt werden. In Analogie zu der in Figur 8 dargestellten Anordnung ist selbstverständlich auch eine Überkopplung zwischen nicht unmittelbar benachbarten Resonatoren zum Zwecke der Realisierung von Polstellen oder auch von Mehrkreisfiltern durch Miteinbeziehung von Strichgitter-Resonatoren in der Platte P2 in die Gresamtfilteranordnung möglich.

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Durch den piezoelektrischen Körper, die Oberflächenbearbeitung oder z. B. die Elektroden bedingt, entstehen in einem Oberflächenwellenfilter Verluste, die durch Oberflächenwellen-Halbleiterverstärker ausgeglichen werden können. Diese Verstärker lassen sich zum Ausgleich der Verluste vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Oberflächenwellenfilter anwenden, um damit die Gütefaktoren der Resonatoren zu erhöhen,oder sie werden nur an bestimmten Stellen im Signalfeld eingefügt, um die Amplitude der mechanischen Schwingung zu erhöhen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht in der Möglichkeit, die Strichgitterstrukturen auch bei Oberflächenwellen-Halbleiterverstärker zu verwenden. Erzeugt man im Halbleiter z. B. eine Feriodizität des Verstärkungsfaktors, so wird eine Oberflächenwelle einer Signalfrequenz, deren halbe Wellenlänge dem Periodenabstand entspricht, selektiv verstärkt. Technologisch läßt sich die Periodizität des Verstärkungsfaktors durch unterschiedliche Dotierung des Halbleitermaterials erzielen, die für hohe Frequenzen und damit für kleine Periodenabstände beispielsweise durch Ionenimplantation erzeugt werden kann.

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Schließlich lassen sich erfindungsgemäß die Strichgitter-Resonatoren und die periodisch strukturierten Halbleiterverstärker zu sehr schmalbandigen und flankensteilen Bandpaß-Filtern kombinieren. Figur 9 zeigt einen Resonator und einen Oberflächenwellen-Halbleiterverstärker mit getrenntem Medium. Die Anwendung von Halbleiterverstärkern mit kombiniertem Medium ist ebenfalls möglich, wobei Verstärker und Resonator eine Einheit bilden.

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Claims

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Patentansprüche

Λ,j Akustisches Oberflächenwellenfilter mit wenigstens einem zu Oberflächenschwingungen anregbaren Körper, der zumindest teilweise aus piezoelektrischem Material besteht und dessen Oberfläche wenigstens auf einer Seite des Körpers mit Störstellen für Oberflächenwellen versehen ist und das weiterhin Kittel zur Umwandlung elektrischer in mechanische Energie und umgekehrt enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Störstellen zu einem Resonator zusammengefaßt ist, der die Form eines Strichgitters aufweist und daß der Abstand der Störstellen voneinander im Resonator im Mittel der halben Wellenlänge der Oberflächenwellen oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.
2. Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zweier Störstellen voneinander in einem Resonator annähernd der halben Wellenlänge der Oberflächenwellen oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht. .
3. Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen im Resonator als metallische Beläge und/oder Erhöhungen und/oder Ver-

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tiefungen in der Oberfläche ausgebildet sind, deren Abmessungen in Längsrichtung der Gitterstriche groß und in Querrichtung klein gegenüber der Wellenlänge ist.
4-, Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Störstellen im Resonator miteinander verbunden ist.
5. Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Störstellen im Resonator zu einem elektromechanischen Wandler zusammengefaßt ist.
6. Oberflächenwellenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen vorzugsweise parallel zur Ausrichtung der Gitterstriche gegeneinander versetzt sind.
7. Oberflächenwellenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,, daß der Wellenwiderstand der Oberflächenwellen im Resonatorbereich unterschiedlich zu demjenigen im anschließenden Bereich ist.

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8. Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß an den Sesonatorbereich ein von Störstellen freier Bereich anschließt.
9. Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß an den Resonatorbereich ein mit Störstellen versehener Bereich anschließt und daß die Störstellen in diesem Bereich im Mittel kleinere Abstände voneinander aufweisen als im Resonator.
10. Oberflächenwellenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Resonatoren vorgesehen sind, deren Kopplung im wesentlichen durch ihren Abstand voneinander und/oder ihre Ausrichtung zueinander und/oder durch die Ausbildung des Bereiches zwischen den beiden Resonatoren definiert ist.
11. Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstriche in den Resonatoren parallel zueinander ausgerichtet und die Resonatoren hintereinander angeordnet sind.
12. Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstriche in den Resonatoren

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parallel zueinander ausgerichtet und die Resonatoren nebeneinander angeordnet sind.
13. Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren vorzugsweise senkrecht zur Ausrichtung der Gitterstriche gegeneinander versetzt sind.
. Oberflächenwellenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Resonatoren hintereinander angeordnet sind und zumindest neben einem der beiden Resonatoren gegebenenfalls versetzt ein dritter Resonator angeordnet ist.
15. Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck der Erzeugung mindestens einer Polstelle wenigstens zwei Resonatoren sowohl direkt als auch über einen dritten Resonator miteinander verkoppelt sind.
16. Oberflächenwellenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in der mit Störstellen versehenen Oberfläche des zumindest teilweise aus piezoelektrischem Material bestehenden Körpers wenigstens ein halbleitender Bereich enthalten ist.

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17. Oberflächenwellenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in geringem Abstand zu der mit Störstellen versehenen Oberfläche des zumindest teilweise aus piezoelektrischem Material bestehenden Körpers ein zumindest einen halbleitenden Bereich enthaltender Körper angeordnet ist.
18. Oberflächenwellenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 17« dadurch gekennzeichnet, daß gegenüberliegend zu der mit Störstellen versehenen Oberfläche (erste Fläche) eine zweite Fläche vorgesehen ist, die wenigstens eine dem Strichgitter eines Resonators entsprechende Struktur aufweist.
19. Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fläche und die zweite Fläche einem gemeinsamen Körper angehören.
20. Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Fläche und die zweite Fläche zwei getrennten Körpern angehören, die voneinander durch einen geringen Zwischenraum getrennt sind.
21. Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum mit Luft oder einer Flüssigkeit ausgefüllt ist.

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22. Oberflächenwellenfilter nach einem der Ansprüche bis 21, dadurch, gekennzeichnet, daß die Struktur in der zweiten Fläche durch Störstellen in der Oberfläche eines zumindest teilweise aus piezoelektrischem Material bestehenden Körpers gebildet ist.
23. Oberflächenwellenfilter nach einem der Ansprüche bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur in der zweiten Fläche durch unterschiedlich dotierte Bereiche in der Oberfläche eines zumindest teilweise aus halbleitendem Material bestehenden Körpers gebildet ist.
24. Oberflächenwellenfilter nach einem der Ansprüche bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Störstellen in der ersten Fläche und wenigstens eine Struktur in der zweiten Fläche sich derart überlappen, daß eine Wechselwirkung zwischen den Störstellen und der Struktur stattfindet.
25. Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Fläche wenigstens zwei Resonatoren und in der zweiten Fläche wenigstens eine die beiden Resonatoren überlappende Struktur vorgesehen ist.

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26. Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Erzeugung mindestens einer Polstelle wenigstens zwei Resonatoren in der ersten Fläche sowohl direkt als auch über die Struktur in der zweiten Fläche miteinander verkoppelt sind.

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