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Elektrische Anordnung, insbesondere Oberflächenwellen-
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resonator Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung, wie im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 angegebeIl. Sie ist insbesondere für den Einsatz von Oberflächenwellenresonatoren
in der Nachrichtentechnik al; schmllbandiges Filter oder als frequenzbestimmendes
Element in Oszillatorschaltungen (typischer Frequenzbereich von ca. 30 DlFIz bis
1000 MHz) in integrierten Schaltkreisen gedacht.
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Oberflächenwellenresonatoren sind in einer Reihe von Literaturstellen
beschrieben, z. B. in einem Artikel von De Lamart T. Bell, Jr., Robert C.M. Li in
"Proceedings of the IEEE", Vol. 64, Nr. 5, Mai 1976 "Surface-Acoustic-Wave in Resonators"
und von R.C.M. Li, J.A. Alusow und R.C. Williamson in "Proceedings 29th manual Frequency
Control Symposium, Mai 1978, S. 167 bis 176: "Surface-Wave-Resonators using grooved
reflectors".
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Die bekannten Anordnungen enthalten, wenn sie als Ein-Tor-Schaltungen
ausgebildet sind, einen Interdigitalwandler mit einer Reihe von Wandlerfingern,
die kammförmig ineinandergreifen. Der Interdigitalwandler reagiert auf eine elektrische
A regung mit der Abstrahlung von akustischen Oberflächenwtllen in die beiden entgegengesetzten
Richtungen, die senkrecht auf der Längsausdehnung der Finger stehen. In diesen Richtungen
sind neben dem Interdigitalwandler Reflektoren angeordnet, welche die Oberflächenwellen
zurückwerfen, so daß bei bestimmten Wellenlängen der Oberflächenwellen stehende
Wellen entstehen.
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Die längste Wellenlänge der möglichen stehenden Wellen nennt man Fundamentalmodus.
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In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau bekannter Resonatoranordnungen
dargestellt mit einem linken Reflektor 1 und einem rechten 2, zwischen denen sich
der Wandler 3 mit Anschlüssen A und B befindet. Er besteht vorzugsweise aus kammartig
ineinandergreifenden Wandlerfingern 4, deren gegenseitige Abstände und Breiten A/4
betragen, wobei X die Wellenlänge des Fundamentalmodus ist. Die Finger bestehen
aus Metall, z. B. Gold bzw. Aluminium mit Cr bzw.
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Ti als Haftvermittler. Das darunter angeordnete, piezoelektrische
Material wird durch eine Wechselfeldanregung über die Anschlüsse A und B piezoelektrisch
aktiv, so daß es zu der Abstrahlung akustischer Oberflächenwellen nach links und
rechts kommt, wo eine Reflexion jeweils an den Reflektoren 1 und 2 stattfindet.
Diese bestehen aus parallel zueinander angeordneten Metallstreifen mit einer Aperturbreite
a. Statt der Metallstreifen können auch Gruben vorgesehen sein, die durch Ätzen
erzeugt sind. Die einen Reflektor bildenden und parallel zueinander verlaufenden
Strukturelemente, beispielsweise Metallstreifen, der Aperturbreite a sind bevorzugt
äquidistand (in Fig. 1
muß man sich zwischen den Strukturelementen
5a, 5b, 5c einerseits und 5n andererseits eine weitere, nicht dargestellte Anzahl
von Strukturelementen vorstellen; entsprechendes gilt für den Reflektor 2). Durch
die Strukturelemente werden beim Einfall einer akustischen, ebenen Welle Reflexionen
an den Kanten der Strukturelemente hervorgerufen, die bei der richtigen Frequenz
zu einer konstruktiven Interferenz der Vielfachreflexionen führen.
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Bei einer genügend hohen Anzahl von Strukturelementen (Reflektorfingern)
je Reflektor ergibt sich ein Reflexionskoeffizient von nahezu 1.
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Es hat sich nun gezeigt, daß die Güte eines Oberflächenwellenresonators
höher ist, wenn anstelle von Metallstreifen für die Resonatorfinger herausgeätzte
Gruben verwendet werden. Diese erfordern jedoch bei der Herstellung einen zusätzlichen
Prozeßschritt für das Ätzen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Anordnung, insbesondere
einen Oberflächenwellenresonator, in welcher mechanische Wellen von einem Reflektor
zurückgeworfen werden, anzugeben, bei welchem die zu einer Beeinträchtigung der
Güte führenden Verluste vermindert sind gegenüber bekannten und mit ähnlichem Aufwand
herstellbaren Anordnungen.
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Diese Aufgabe wird durch die Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Mit
Hilfe dieser Erfindung kann ein sehr schmalbandiger, mechanisch arbeitender Ein-?or-Resonator
geschaffen werden, weil durch diese Gestaltung der Reflektoren deren Verluste vermindert
werden, so daß die Güte steigt. Bei Verwendung des Resonators in einem Oszillator
kann die Frequenzkonstanz verbessert werden.
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Gleichzeitig kann eine Verbesserung der Unterdrückung der Anregung
von störenden Schwingungsmoden erreicht werden.
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Der Erfindung liegen folgende Oberlegungen zugrunde: Es muß versucht
werden, in einem akustischen Resonator die vorhandenen Verluste zu verringern. Es
ist erkannt worden, daß eine der Ursachen für Verluste in den Reflektoren darin
liegt, daß in den Metallstreifen in Längsrichtung Ströme auftreten. Durch die Unterteilung
der Struktur elemente (z. B. Metallstreifen) in voneinander isolierte Teilbereiche
werden die zu Verlusten führenden Ströme in Längsrichtung der Strukturelemente weitgehend
unterbunden. Außerdem werden durch diese Gestaltung vom Fundamentalmodus abweichende
Schwingungsmoden unterdrückt.
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Anhand von Fig. 2 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher
erläutert, wobei hier nur ein Teil der Anordnung schematisch dargestellt ist, welcher
der rechten Symmetriehälfte der Fig. 1 entspricht, jedoch mit einem nach der Erfindung
ausgebildeten Reflektor 2'.
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Im Gegensatz zu Fig. 1 sind, wie in Fig. 2 sichtbar, die parallel
zueinander angeordnete Strukturelemente 6a, 6b, 6c ... 6n als unterbrochene Metallstreifen
ausgebildet.
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Die Unterbrechungen können die durch die piezoelektrischen Eigenschaften
des Substrats (LiNb03, SiO2 bzw.
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andere Materialien) erzeugten Ströme in Längsrichtung der Strukturelemente
vermindern. Diese Ströme treten beim Durchlaufen (in x-Richtung) einer Oberflächenwelle
durch den Reflektor 2' auf. Man kann also sagen, daß der Verlustwiderstand der Strukturelemente
in Richtung der y-Achse zur Verminderung der Verlust ströme erhöht worden ist, während
der Nutzleitwert in Richtung der x-Achse
unverändert hoch geblieben
ist gegenüber bekannten Anordnungen.
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In Fig. 2 beträgt die Länge eines Teilbereiches 6A, 6B, 6C ... 6N
eines Strukturelementes 6: as. Dabei ist as folgendermaßen definiert: a = N as +
(N - 1) As.
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Hierin bedeutet: N: Anzahl der Teilbereiche 6A ... 6N innerhalb eines
Strukturelementes 6a ... 6n, a: die Aperturlänge des Reflektors 2' (entsprechend
der Wandleraparturlänge), as: Länge eines Teilbereiches 6A ... 6N, As: Lücke bzw.
Abstand der Teilbereiche voneinander innerhalb eines Strukturelementes (y-Richtung),
b: Breite eines Strukturelemer.tes (c. h. eines unterbrochenen Metallstreifens),
1: Abstände der Metallstreifeii voneinander (x-Richtung).
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Sind die Längen as der Teilbereiche klein im Vergleich zur Wellenlänge
A des Fundamentalmodus, so sind die Eurzschlußströme innerhalb des Reflektors 2'
ebenfalls klein.
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Wenn beispielsweise eine Aperturlänge von a = 50 A gewählt wird, so
ergibt sich für As = A/4 und N = 100 eine Teilbereichelänge as von A/4.
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Ein Reflektor 2 besteht vorzugsweise aus 300 bis 400 Teilbereichen
je Strukturelement 6a, wenn das Substrat aus Lithiumniobat (LiNbO3) besteht bzw.
aus mehr als 400 Teilbereichen je Strukturelement bei Siliziumdioxyd (Si02). Jeder
Teilbereich 6A, 6B ... 6N hat eine Länge und eine Breite von jeweils einer viertel
Wellenlänge der akustischen stehenden Welle. Man sieht daraus, daß die Darstellung
der Fig. 2 nicht maßstabgerecht ist, sondern nur eine Prinzipdarstellung bildet.
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Es ist auch möglich die Abmessung a gleich einer halben Wellenlänge
beim Fundamentalmodus zu wählen, währenddie Abmessung b und zumindest der Abstand
At zwischen benachbarten Strukturelementen 6a, 6b gleich einer Viertelwellenlänge
beim Fundamentalmodus bleibt.
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Durch die Unterbrechung der früher verwendeten Metallstreifen im Reflektor
können die Verluste des Reflektors ähnlich gering gehalten werden wie bei Reflektoren
mit geätzten Gruben anstelle der Metallstreifen, wobei im Falle der Gestaltung nach
der Erfindung nur eine einzige Fotoätzoperation zur Erstellung des ganzen akustischen
Oberflächenwellenresonators notwendig ist.
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Es sei noch darauf aufmerksam gemacht, daß das piezoelektrische Substrat,
auf welchem sich die metallischen Strukturelemente befinden, auch ersetzt werden
kann durch ein nichtpiezoelektrisches Substrat und einen auf der Oberfläche aufgebrachten
piezoelektrischen Film.