DE2609884B2

DE2609884B2 - Filter auf der Basis der akustischen Oberflächenwellen

Info

Publication number: DE2609884B2
Application number: DE2609884A
Authority: DE
Inventors: Hideki Nagaokakyo Kyoto Ishiyama (Japan)
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1975-03-13
Filing date: 1976-03-10
Publication date: 1979-11-15
Also published as: IT1067509B; DE2609884A1; GB1512593A; DE2609884C3; US4047129A

Description

Die Erfindung betrifft ein Filter auf der Basis der akustischen Oberflächenwellen, bei welchem ein piezoelektrisches Substrat vorgesehen ist, auf dessen einer Hauptfläche aus kammförmigen, ineinander verzahnt angeordneten Teilen bestehende Eingangs und Ausgangswandler angeordnet sind, und bei welchem hinsichtlich der konstruktiven Maßnahmen für Einbau und Halterung davon ausgegangen ist, daß alle nutzbaren elektroakustischen Vorgänge auf dem Substrat innerhalb der Wandler und auf der Fläche dazwischen ablaufen.

Filter auf der Basis der akustischen Oberflächenwellen sind bekannt. Sie arbeiten nach folgendem Prinzip: Wenn ciii c!ckii'n.':hcs Signa! von einer Signälquclle an den Eingangswandler angelegt wird, wird dort ein periodisches elektrisches Feld erzeugt und unter der Wirkung der piezoelektrischen Kopplung das Eingangssignal in eine akustische Oberflächenwelle umgesetzt, die elastisch entlang dem piezoelektrischen Substrat fortschreitet. Die akustische Oberlächenwelle erregt den Ausgangswandler und wird von diesem in ein elektrisches Ausgangssignal umgesetzt, das einer externen Last zugeführt wird.

Bei den bekannten Filtern dieser Art ist das piezoelektrische Substrat mit den darauf befindlichen Wandlern in einem Gehäuse eingeschlossen, um als Bauelement in einer elektrischen und/oder elektronischen Schaltung, die derartige Filter erfordert, verwandt werden können. Im allgemeinen besteht bei den bekannten Filtern das Gehäuse aus einer Schutzkappe

sowie aus einer Basisplatte, mit der die Öffnung der Schutzkappe verschlossen wird. Das piezoelektrische Substrat ist innerhalb des Gehäuses derart untergebracht, daß diejenige seiner beiden Hauptflächen, die der die Wandler tragenden Fläche abgewandt ist, in fester Verbindung mit der Innenfläche der Basisplatte gehalten wird, während die andere Fläche des Substrats frei im Inneren der durch die Schutzkappe gebildeten Kammer liegt. Mit anderen Worten: Das piezoelektrische Substrat ist separat in dem Gehäuse untergebracht.

Mit der Maßnahme, das piezoelektrische Substrat so im Gehäuse zu befestigen, daß die mit den Wandlern versehene Hauptfläche des Substrats im Inneren der durch die Schutzkappe gebildeten Kammer frei zu liegen kommt, wird der im Schrifttum über Filter nach dem Oberflächenwellenprinzip zu findenden Lehre entsprochen, derzufolge bei Einbau und Halterung darauf Bedacht zu nehmen ist, daß alle technisch ausnutzbaren elektroakustischen Vorgänge auf dem Substrat innerhalb der Wandler und auf der Fläche

ft5 dazwischen ablaufen, während der restliche Teil der Siibstratoberfläche und der Substratkörper als Ganzes daran unbeteiligt sind (»Funkschau« Band 46, Heft 24, (22. November 1974), Seiten 929 bis 931).

Sowohl als Eingangs- wie auch als Ausgangswandler dienen Interdigitalelektroden, die auf der einen Hauptfläche des piezoelektrischen Substrats aufgebracht werden. Solche Interdigitalelektroden bestehen jeweils aus zwei kammförmigen, ineinander verzahnt angeordneten Elektroden. Es werden vier Anschlußstifte zum externen elektrischen Anschluß des Filters benötigt, wobei zwei dieser Anschlußstifte mit der Kammelektrodenanordnung des Eingangswandlers verbunden werden, während die anderen beiden Anschlußstifte mit der Kammelektrodenanordnung des Ausgangswandlers verbunden werden. Jeder dieser Anschlußstifte ist bei den bekannten Filtern durch die Basisplatte, die einen Bestandteil des Gehäuses bildet, hindurchgeführt Die Anschlußstifte sind dabei einerseits in der Basisplatte befestigt und andererseits jeweils über einen Anschlußdraht mit der auf dem piezoelektrischen Substrat befindlichen Kammelektrodenanordnung verbunden.

Die bekannten Filter auf der Basis der akustischen Oberflächenwellen erfordern bei ihrer Einbringung in ein Gehäuse der bisher gebräuchlichen Art komplizierte Herstellungsprozesse, was hohe Herstellungskosten verursacht. Beispielsweise ist aufgrund der Tatsache, daß Anschlußdrähte erforderlich sind, um die Kammelektrodenanordnungen mit den jeweiligen Anschlußstiften zu verbinden, eine relativ große Zahl vor. Lötverbindungen erforderlich. Ferner sind die herkömmlichen Filter nach ihrer Einbringung in das Gehäuse im Vergleich zu den Abmessungen des Substrats voluminös und weisen daher in den elektrischen Schaltungen einen erheblichen Platzbedarf auf. Hierdurch ergibt sich für die Abmessungen der elektrischen und/oder elektronischen Schaltungen, in denen diese Filter verwendet werden, noch nicht jener Miniaturisierungsgrad, der vielfach wünschenswert ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Filter der eingangs umrissenen Art so auszubilden, daß es weniger Lötstellen hat, einfacher herzustellen ist, geringere Kosten verursacht und eine geringere Baugröße aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß auf der die Wandler tragenden Seite des piezoelektrischen Substrats eine den Eingangswandler und den Ausgangswandler sowie die Fläche dazwischen umschließende Schutzkappe befestigt ist, die zusammen mit dem Substrat einen geschlossenen Innenrauin bildet, und daß für die beiden Wandler Anschlußteile vorgesehen sind, die jeweils an ihrem einen Ende mit den Elektrodenanordnungen der % Wandler verbunden sind, und deren anderes Ende von dem Substrat aus nach außen ragt.

Beirr: Filter nach der Erfindung bildet somit das piezoelektrische Substrat einen Bestandteil des Gehäuses. Dadurch werden komplizierte separate Gehäusedurchführungen entbehrlich. Das erfindungsgemäße Filter umfaßt als wesentliche Bestandteile ein Substrat aus piezoelektrischem Material mit den Eingangs- und Ausgangswandlern, zwei Paare von Anschlußteilen, die mit den Eingangs- und Ausgangswandlern unmittelbar t,o verbunden sind, wodurch keine Anschlußdrähte zwischen den Anschlußteilen und den Elektrodenanordnungen der Wandler erforderlich sind, sowie eine Schutzkappe, die fest auf dem piezoelektrischen Substrat montiert ist, das dabei als Basisplatte dient, die zusammen mit der Schutzkappe das Gehäuse für das Filter bildet.

Im folgenden we. den einige bevorzugte Ausführungsbeispiele des Filters nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht des piezoelektrischen Substrates des Filters, das emen Eingangswandler und einen Ausgangswandler trägt.

Fig.2 zeigt eine Ansicht ähnlich derjenigen der Fig. 1, jedoch entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, mit vier Anschlußstiften, vg.i welchen zwei an den Eingangs- und zwei an den Ausgangswandler angeschlossen sind.

F i g. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein Filter mit der in F i g. 2 dargestellten Substratausbildung.

F i g. 4 zeigt eine Ansicht ähnlich derjenigen der Fig.2 und veranschaulicht zwei Paare von Anschlußstiften, die in einer gegenüber dem Filter nach Fig.2 abgewandelten Form mit dem Eingangswandler und dem Ausgangswandler verbunden sind.

Fig.5 zeigt einen Querschnitt des Filters mit dem in F i g. 4 dargestellten piezoelektrischen Substrat.

F i g. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Filters nach der Erfindung in einer Darstellung ähnlich derjenigen der F i g. 2.

Fig. 7 und 8 zeigen Schnittüarsteliungen des Substrats zur Verdeutlichung unterschiedlicher Verfahren zur Bildung der Wandlerelektroden ^uf dem Substrat.

Fig.9 zeigt eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des Filters nach der Erfindung.

Fig. 10 zeigt eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des Filters nach der Erfindung,

Fi g. 11 zeigt eine perspektivische Ansicht des Filters nach Fig. 10 mit einer Kunstharz-Schutzumhüllung.

Fig. 12 zeigt in einer Ansicht ähnlich derjenigen der Fig. 10 eine Modifizierung des Filters nach Fig. 10, und

Fig. 13 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Filters nach der Erfindung.

Im Zusammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele sei darauf hingewiesen, daß gleiche Teile in den verschiedenen Abbildungen durchgehend mit den gleichen Be/ugszeichen versehen -^;nd.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Filteraufbau besteht das piezoelektrische Substrat 10 aus einem Bariumtitanat enthaltenden Keramikmaterial oder aus anderen Keramikmaterialien, wie dem unter der Bezeichnung PZT bekannten Verbundmaterial aus Bleititanat und Bleizirkonat. Dieses piezoelektrische Substrat 10 hat einen im wesentlichen rechtwinkligen plattenähnlichen Aufbau und ist auf seiner einen Seite mit einem Eingangswandler £1 und einem Ausgangswandler £2 vergehen. Die Aufbringung der Wandlerelektroden auf das Substrat erfolgt mit bekannten Verfahren, beispielsweise mittels Fotoätztechnik, Zerstäubungstechnik, Vakuumdampfbeschichtung, Elektroplattieren oder Diffusionstechnik.

Soweit dargestellt, besteht der Eipgangswandler £ 1 und der Ausgangswandler £2 aus zwei kammförmigen, ineinander verzahnt angeordneten Strukturen 11 i>nd 12. Der eine Kammelektrodenteil 11 besitzt zwei leitende Elemente 11a und 116, die mit den drei leitenden Elementen 12a, \2b und 12c des anderen Elektrodenteils 12 ineinandergreifen.

Die Elektrodenanordnung 11, 12 des Eingangswandlers £1 ist für den Anschluß an eine elektrische Signalquelle (nic!<⁽. dargestellt) vorgesehen, während die Elektrodenanordnung 11,12 des Ausgangswandlers £2 mit einer externen elektrischen Last (nicht dargestellt)

zu verbinden ist. Zu diesem Zweck sind in der aus F i g. 2 ersichtlichen Weise zwei Anschlußstifte 13a. 136 dem Eingangswandler £1 und zwei Anschlußstifte 14a, 146 dem Ausgangswandlcr C2 zugeordnet. Dabei ist bei den Ausführungsformen des Filters nach F i g. 2 und 3 das eine Ende der AnschluBstifte 13a, 13b an die Anschlußpunkte 15a, 156 der Elektrodenanordnung II, 12 des Eingangswandlers £1 angelötet und das andere Ende der Anschlußslifte ist so ausgebildet, daß diese Stifte mit einer externen elektrischen Schaltung verbunden werden können. Analog ist das eine Finde der Anschlußstifte 14,·?. 146 mit den Anschlußpunktcn 16a. 16/; der Elektrodenanordnung II, 12 des Ausgangs· Wandlers /2 durch I.ölung verbunden und das andere Ende der Anschlußstifte ist gleichfalls so ausgeführt, daß diese Stifte an eine elektrische Schaltung angeschlossen werden können. Die Anschlußstifte 13a. 13/? und 14,7. 14/) liegen mit ihren ilen Wandlern zugewandten Enden aiii der clic Wandler aufweisenden l-liiche des Substrats 10 auf. während die anderen Enden der Anschlußstifte vom Substrat aus nach außen ragen. Diese Anschlußslifte 13a. 13/). 14;) und 14/) können jeweils al·. Zuführungsdriihte ausgebildet sein.

Wie man am besten aus F-" i g. 3 ersieht, ist auf dem Substrat 10 eine Schutzkappe 17 montiert, deren Hi'iidfläche 18 fest mit dem Randteil der die Elektroden tragender, flache des Substrates 10 verbunden ist. Die Verbindung erfolgt mit einem abdichtenden Kleber. Das Innere 17a der Schutzkappe 17 bildet, wenn die Schutzkappe 17 auf dem Substrat 10 in der beschriebenen Weise montiert ist. einen Innenraum, der sich im wesentlichen oberhalb der Eingangs- und Ausgangswandler /;' 1 und £2 und oberhalb eier [-"lache erstreckt, die sich 'wischen diesen beiden Wandlern befindet. In der Praxis ist der Innenraum 17a vorzugsweise mit einem inerter. Gas,/. B. Stickstoff, gefüllt.

Au-, dem oben Gesagten ist klar, daß das Substrat 10 nicht nur als Unterlage für die Eingangs- und Aiisgangswanc.ler £ I und £2 dient, sondern gleichzeitig als Gehäuseteil zum Verschließen der Öffnung der Schutzkappe 17 wirkt.

Das Filter nach der Ausführungsform der F i g. 4 und 5 unterscheidet sich von der Konstruktion der F i g. 2 und 3 insow eit. als axial nicht bewegliche Anschlußstifte 13'a. 137). 14 a. und l4'/> durch das Substrat IO hindurchragen und mit den Elektrodenanordnungen 11 und 12 der Eingangs- und Ausgangswandler £ 1 und El durch Leiteranschlüsse lic und \2d verbunden sind, die einstückig mit den Elektrodenanordnungen 11 und 12 der Eingangs- bzw. Ausgangswandler E\ und E2 hergestellt sind.

Bei dem Aiisführungsbcispiel nach Fig. 6 sind die Eingangs- und Ausgangswandler E1 und El auf dem piezoelektrischen Substrat 10 unter Zwischenfügung einer Schicht 19 befestigt, die aus einem piezoelektrischen Material, wie ZnO oder CdS besteht. Im einzelnen ist die dünne Schicht 19 auf der oberen Hauptfläche des Substrats 10 beispielsweise mittels bekannter Zerstäubungstechniken angebracht. Die Wandler £1 und E2 werden anschließend auf der Außenfläche der dünnen Schicht 19 mit bekannten Verfahren erzeugt.

Bei dem Ausführungsbeisptel nach Fig.6 ist die Verbindungstechnik nach Fig.2 angewandt, es ist jedoch auch ohne weiteres möglich, dabei die in Fig.4 absebildete Verbindungstechnik zu benutzen. Wenn eine dünne Schicht 19 aus piezoelektrischem Material, wie ZnO oder CdS, zwischen Substrat 10 und den Eingangs- und Ausgangswandlern Ei und £2 vorgese-

hen wird, wird als Material für das Substrat 10 vorzugsweise Glas, also ein Werkstoff ohne piezoelektrische Eigenschaften verwandt.

Wie F i g. 7 zeigt, können die Wandler £1 und £2 partiell in die dünne Schicht 19 eingebettet sein, wobei die Eeilerelementc der Elektroden im Inneren der Kammer 17a teilweise blank liegen. Die Einbettung der Wandler £1 und £2 in der in Fig. 7 dargestellten Weise kann mit bekannten Diffusionsübertragungsverfahren erfolgen. Alternativ können die Wandler £ 1 und £2. wie E ι g. 8 zeigt, zwischen dem Substrat 10 und der dünnen Schicht 19 aus piezoelektrischem Maierial angeordnet werden. In diesem Falle sind die Leiterbahnen allseitig umschlossen.

Bei den oben beschriebenen Ausführiingsformen bildet die Schutzkappe 17 einen Hohlraum, der durch das Substrat IO verschlossen ist. Bei der Ausführungsform nach F-" i g. 9 hat die Schutzkappe jedoch die Form einer flachen Platte l7. die über einen perforierten Abstandhalter 20 auf dem Substrat 10 befestigt ist. Die Abmessungen des Abstandhalters 20 sind auf die Abmessungen der Schutzkappe 17' und des Substrats 10 abgestellt. Der Abstandhalter 20 besteht vorzugsweise aus synthetischem oder natürlichem Kautschukmaicrial. so dai.3 er einen wesentlichen Dämpfungseffckt auf diejenigen Obcrflächcnwcllen ausübt, die auf dem Substrat 10 außerhalb der Schallübertragungsbahn /w isc'.tii den Wandlern £ I und £2 fortschreiten.

Das I ilter kann in seinen verschiedenen Ausführungsformen mit einer Schutzhülle 21 aus Kunstharz oder Glasmaterial verschen sein, wie dies in den Fig. 10 und Il sowie 12 dargestellt ist. Die Schutzhülle 21 kann leicht dadurch hergestellt werden, daß das Filter in geschmolzenes Kunstharz oder in Glasmaterial eingetaucht wird und das eine Beschichtung bildende Kunstharz oder Glas anschließend aushärtet. Während des Tauchvorganges muß man darauf achten, daß die äußeren Teile der Anschlußstifte nicht mit dem Kunstharz oder dem Glasmaterial, das schließlich die Schutzhülle 21 bildet, mitbeschichtet wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei der in Fig. 12 dargestellten Ausführungsform entlang dem äußeren Rand der Stirnseiten der Schutzkappe 17 elastisches Dämpfungsmatcrial 21a und 216 angebracht ist. das vorzugsweise aus Siliconkautschuk besteht. Alternativ ist es möglich, das elastische Dämpfungsmaterial 21a und 216 entlang dem inneren Rand der Stirnseiten der Schutzkappe 17 anzubringen.

Ferner kann, in Abhängigkeit von der Konstruktion des gesamten Filters, ein elastisches Dämpfungsmaterial über den gesamten äußeren Rand der Schutzkappe 17 gelegt werden, anstatt nur separate elastische Dämpfungsteile 21 a und 216 zu verwenden.

Bei der Ausführungsform der Fig. 13 ist ein Filter, das entsprechend einer der oben erläuterten Konstruktionen ausgebildet ist. mit einer oder mit zwei Dämpfungsplatten 22 aus Siliconkautschuk und einer Grundplatte 23 verseher. Wie in Fig. 13 dargestellt, ist die Dämpfungsplatte 22 an der den Wandlern £1 und £2 abgewandten Seite des Substrats 10 befestigt, während die Grundplatte 23 mit der Dämpfungsplatte 22 verbunden ist, wodurch die Dämpfungsplatte 22 zwischen dem Substrat 10 und der Grundplatte 23 zu liegen kommt.

Die Grundplatte 23 hat die Aufgabe, dem Filter und insbesondere dem Substrat 10, zusätzlich mechanische Festigkeit zu geben. Wenn das Substrat 10 bereits eine ausreichende Festigkeit aufweist, kann die Grundplatte

fortgelassen werden.

Die in Fig. 13 dargestellte Ausführungsform des
Filters nach der Erfindung ist vollkommen von der
Schutzhülle 2f der in den Fig. 10 bis 12 dargestellten
Art umschlossen

Wenn das Filter nicht mit den erwähnten Dämpfungselementen 21a und 2\b bzw. 22 ausgestattet ist,
empfiehlt es sich, die Schutzhülle 21 aus einem
synthetischen Kunstharzmaterial mit relativ hoher
Elastizität zu fertigen.

Die Verwendung der Schutzkappe 17 bringt zusätzliche Vorteile mit sich. Ein Oxidieren der Elektroden 11, 12der Eingangs- und Ausgangswandler E I und El wird im wesentlichen vermieden und die Widerstandsfähigkeit des Filters gegenüber externen Stößen oder Vibrationen wird wesentlich verbessert. Ferner werden äußere Störeinwirkungen auf die entlang dem Substrat fortschreitenden Oberflächenwellen wesentlich verrin» gert.

Hierzu 2 Blatt Zeichniiimen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Filter auf der Basis der akustischen Oberflächenwellen, bei welchem ein piezoelektrisches Substrat vorgesehen ist, auf dessen einer Hauptfläche auf kammförmigen, ineinander verzahnt angeordneten Teilen bestehende Eingangs- und Ausgangswandler angeordnet sind und bei welchem hinsichtlich der konstruktiven Maßnahmen für Einbau und Halterung davon ausgegangen ist, daß alle nutzbaren elektroakustischen Vorgänge auf dem Substrat innerhalb der Wandler und auf der Fläche dazwischen ablaufen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der die Wandler (E X, E 2) tragenden Seite des piezoelektrischen Substrats (10) eine den Eingangswandler (EX) und den Ausgangswandler (E2) sowie die Fläche dazwischen umschließende Schutzkappe (17) befestigt ist, die zusammen mit dem Substrat (10) einen geschlossenen Innenraum (17a; bildet, und daß für die beiden Wandler (S 1, E2) Anschliiikeile (13a, 136, 14a, XAb) vorgesehen sind, die jeweils an ihrem einen Ende mit den Elek'.rodenanordnungen (11, 12) der Wandler verbunden sind und deren anderes Ende von dem Substrat (10) aus nach außen ragt.

2. Filter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Substrates (10) aus einem Werkstoff ohne piezoelektrische Eigenschanen, auf dessen einer Hauptfläche eine dünne Schicht (19) aus piezoelektrischem Material vorgesehen ist, an deren dem Substrat (10 abgewandten Fläche die Elektroden (11, 1?ϊ der Wandler (EX, E2) aufgebracht sind (Fig. 6 und 7).

3. Filter nach Anspruch I, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Substrates (10) aus einem Werkstoff ohne piezoelektrische Eigenschaften, auf dessen einer Hauptfläche eine dünne Schicht (19) aus piezoelektrischem Material mit der Maßgabe vorgesehen ist, daß die Elektroden (11, 1.2) der Wandler (EX, E2) zwischen der dünnen Schicht (19) und dem Substrat (10) angeordnet sind (F i g. 8).

4. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (II, 12) der Wandler (EX, E2) in die dünne Schicht (19) aus piezoelektrischem Material eingebettet sind.

5. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzkappe (17') auf dem Substrat (10) mittels Abstandhalter (20) aus Kautschukmaterial befestigt ist (F i g. 9).

6. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Filter und die Schutzkappe (17) umschließende Schutzhülle (21) vorgesehen ist.

7. Filter nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlußstifte (13'a, 13'i>, und 14'a, \4'b) vorgesehen sind, die durch das Substrat (10) hindurchgehen und auf der einen Seite mit den kammförmigen Elektrodenanordnungen (11, 12) verbunden sind (F i g. 5).

8. Filter nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlußstifts (13a, 136, 14a, XAb) vorgesehen sind, die auf dem Substrat (10) liegend von der zugehörigen Elektrodenanordnung (11, 12) ausgehen und zur Außenseite des Substrats führen (Fig. 2,6).

9. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Schutzkappe (17) eine Dämpfungseinriehtung (21a, 2Xb) für Oberflächenwellen vorgesehen ist, die außerhalb des Innenraumes (Ma) angeordnet ist.

10. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der den Wandlern (EX und E2) abgewandten Seite des Substrats (10) eine Dämpfungsplatte (22) angebracht ist.

11. Filter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Substrat (10) abgewandten Seite der Dämpfungsplatte (22) eine Grundplatte (23)

ίο angebracht ist (F ig. 13).