DE3312726A1 - Oberflaechenschallwellenvorrichtung - Google Patents

Description

* Λ ft

3
-χ-

Oberflächenschallwellenvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Oberflächenschallwellenvorrichtung mit einem Einwegwandler, der eine breite Bandkennlinie hat.

Auf einer optisch sauber polierten Oberfläche eines elastischen Substrates laufende akustische Oberflächenwellen sind in verschiedener Hinsicht den bislang verwendeten Volumen- oder Mengenwellen überlegen und werden zunehmend in einer Vielzahl von elektronischen Bauteilen, z.B. Filtern, verwendet. Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Filters mit einem piezoelektrischen Substrat, einem Eingangswandler, bestehend aus einem Paar Interdigitalelektroden, und einem Ausgangswandler, bestehend aus einem Paar weiterer Interdigitalelektroden. Das über eine Eingangsklemme zugeführte Signal wird durch den Eingangswandler in eine akustische Oberflächenwelle umgesetzt, die sich auf der Oberfläche des elastischen Substrates in Richtung des in der Figur angedeuteten Pfeiles bewegt. Wenn die akustische Oberflächenwelle oder Oberflächenschallwelle den Ausgangswandler erreicht, wird sie in ein elektrisches Signal umgesetzt, das an der Ausgangsklemme abgenommen werden kann.

Der Filter nach Fig. 1 ist jedoch infolge des Vorsehens von zwei Wandlern, die jeweils ein Paar Interdigitalelektroden umfassen,nicht frei von elektromagnetischen Umwandlungsverlusten, da die Wandler eine Fortpflanzung der akustischen Oberflächenwelle sowohl nach rechts als auch nach links bewirken.

Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurde auch schon ein Einwegwandler vorgeschlagen/ bei dem sich die akustische Oberflächenwelle nur in einer Richtung auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrates fortpflanzt. Dabei ist es bekannt, bei einem derartigen Einwegwandler gemäss Fig. 2 einen.120°-Phasenshifter oder 90°-Phasenshifter oder ansonsten einen Reflektor gemäss Fig. 3 vorzusehen.

In Fig. 2 handelt es sich bei den Elektroden um solche mit einem Phasenunterschied von 120° zueinander. Ein Paar

Elektroden steht infolge des Vorsehens von Luftspalten oder isolierenden zwischen den Elektroden ausgebildeten Schichten nicht in Berührung miteinander. Daher läuft die akustische Oberflächenwelle in nur eine Richtung. 15

Phasenshifter, die besondere Vorkehrungen an den Kreuzungsstellen der Elektroden erfordern, damit ein Kontakt zwischen den Elektroden verhindert wird, bedingen somit komplizierte Herstellungsverfahren. 20

Bei der Ausführung nach Fig. 3 handelt es sich sowohl bei dem Energiezufuhrabschnitt als auch Reflexionsabschnitt um Standardbauteile, bestehend aus interdigitalen Elektroden.

Diese Anordnung umfasst eine gemeinsame Elektrode für die beiden Elektroden, eine Signalquelle, eine Anpassungsschaltung und eine Reaktanzschaltung. Bei dieser Anordnung wird das von der Signalquelle über die Anpassungsschaltung angelegte Signal in eine akustische Oberflächenwelle oder Oberflächenschallwelle umgesetzt, die sich von dem Energiezufuhrabschnitt sowohl nach rechts als auch'links fortpflanzt, Die nach links sich bewegende Welle wird durch den Reflexionsabschnitt,mit dem die Reaktanzschaltung verbunden ist, reflektiert und nach rechts zurückgeführt. Die reflektierte Welle wird dadurch im Energiezufuhrabschnitt mit der Welle verknüpft, die sich nach rechts bewegt. Wenn die beiden

Wellen nahe der Mittenfrequenz liegen, fallen ihre Phasen im wesentlichen zusammen. Wenn die beiden Wellen jedoch ausserhalb der Mittenfrequenz liegen, entsteht eine gegenseitige Kompensation der Wellen. Infolge davon läuft die akustische Oberflächenwelle auch in die entgegengesetzte Richtung und wird die erstrebte unidirektionale Fortpflanzung nicht erhalten. Dies bedeutet, dass die Oberflächenschallwellenvorrichtung für die Verarbeitung von Wellen in einem weiten Frequenzband nicht geeignet ist.

Ein Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung einer Oberflächenschallwellenvorrichtung mit einem Einwegwandler, der einen breiten Bandbereich hat. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Oberflächenschallwellenvorrichtung mit einem Einwegwandler, der mit niedrigen Fertigungskosten hergestellt werden kann.

Erfindungsgemäss sind Wandlerelektroden auf einem nicht-piezoelektrischen oder piezoelektrischen Substrat unter Phasenwinkeln von 0°, 120° und 240° vorgesehen, ist eine piezoelektrische Schicht so aufgegeben, dass sie die Wandlerelektroden abdeckt,und sind mit den betreffenden Wandlerelektroden verbundene Leiterelektroden auf der piezoelektrischen Schicht angeordnet, so dass sich ein Einwegwandler ergibt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung unter vorhergehender Bezugnahme auf den Stand der Technik näher erläutert. Es zeigen:

schematische Ansichten von herkömmlichen Oberflächenschallwellenvorrichtungen, eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung,

eine schematische geschnittene Ansicht der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform bei Betrachtung längs der Schnittlinie X-X in Fig. 4,

Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf eine

weitere Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 7 eine schematische geschnittene Ansicht der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform

bei Betrachtung längs der Schnittlinie X-X in Fig. 6

In Fig. 1 bedeuten die Bezugszeichen 1 ein piezoelektrisches Substrat/ 2 einen Eingangswandler mit dem interdigitalen Elektrodenpaar 3A und 3B,und 4 einen Ausgangswandler mit dem interdigitalen Elektrodenpaar 5A und 5B. Die Eingangsklemme ist mit IN und die Ausgangsklemme mit OUT angedeutet.

In Fig. 2 betreffen die Bezugszeichen 6, 6A und 6B Elektroden mit einem Phasenunterschied von 120° zueinander, und 7 Luftspalte oder isolierende Schichten zwischen den Elektroden 6 und 6A.

In Fig. 3 betreffen die Bezugszeichen 8A und 8B den Energiezufuhrabschnitt bzw. Reflexionsabschnitt, 9 eine gemeinsame Elektrode für 8A und 8B, 10 die Signalquelle, 11 die Anpassungsschaltung und 12 die Reaktanzschaltung.

sr -

Fig. 4 und 5 zeigen schematisch in Draufsicht und geschnittener Ansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäss aufgebauten Oberflächenschallwellenvorrichtung. Elektroden 14A, 14B und 14C sind an der Oberfläche eines nicht-piezoelektrischen Substrates 13 aus Silicium und dgl.unter 0°, 120° und 240° Phasenwinkeln vorgesehen. Mit zwei Elektroden 14B und 14C der Dreiphasen-Elektroden sind Leiterelektroden 15B bzw. 15C verbunden, die auf der Oberfläche des nicht-piezoelektrischen Substrates 13 angeordnet sind. Eine piezoelektrische Schicht aus Zinkoxid oder dgl. ist auf der Oberfläche des nicht piezoelektrischen Substrates 13 so angeordnet, dass die Elektroden 14B und 14c davon abgedeckt werden. Eine längs der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 16 vorgesehene Leiterelektroden 15A ist mit der Elektrode 14A verbunden. Klemmen 17A, 17B und 17C für die Energiezufuhr sind mit den Leiterelektroden 15A, 15B bzw. 1 5C durch eine Verdrahtung oder in anderer Weise verbunden, um die entsprechenden Phasensignale anzulegen.

Die Vorrichtung kann z.B. nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden: Zunächst wird ein geeignetes Metall auf die gesamte Oberfläche des nicht-piezoelektrischen ._ Substrates 13 durch Vakuumaufdampfen oder in anderer Weise aufgegeben'. Das Metall wird dann teilweise durch einen Fotoätzprozess mit Ausnahme an den Stellen für die Elektroden 14B und 14C der Dreiphasen-Elektroden als auch der Leiterelektroden 15B und 15C entfernt. Die piezoelektrische Schicht 16 wird dann auf die gesamte Oberfläche des nicht-piezoelektrischen Substrates 13 und der Elektroden 14B, 14C, 15B und 15C aufgegeben. Die piezoelektrische Schicht 16 ist mit Fenstern zwischen betreffenden benachbarten Paaren von Elektroden 14B und 14C versehen, so dass die Leiterelektrode 14A auf dem nicht-piezoelektrischen Substrat 13 eine gleichmässige Dicke D aufweist. Die Oberfläche

2>
- ff -

der piezoelektrischen Schicht 16 und der geschälten Teile des nicht-piezoelektrischen Substrates 13 werden mit einer Metallfolie bedeckt, so dass die Elektrode 14A und die Leiterelektrode 15A auf dem nicht piezoelektrischen Substrat 13 bzw. längs der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 16 entstehen.

Zuletzt werden die Anschlussklemmen 17A, 17B und 17C für die Energiezufuhr hergestellt, indem man Metalldrähte mit den Leiterelektroden 15A, 15B und 15C verbindet und dadurch die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung erhalten wird.

Wenn bei einer derartigen Anordnung elektrische Dreiphasensignale an den Dreiphasen-Elektroden 14A, 14Bj bzw. 14C des Wandlers über die Klemmen 17A, 17B und 17C angelegt werden, kann der Wandler über ein breites Frequenzband wie ein Einwegwandler arbeiten.

Wird Silicium für das nicht-piezoelektrische Substrat 13 und Zinkoxid für die piezoelektrische Schicht 16 verwendet, so kann die Oberflächenschallwellenvorrichtung zusammen mit Halbleitervorrichtungen auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt werden. Selbst wenn das Siliciumsubstrat zuvor mit einer Zinkoxidschicht versehen worden ist, kann der gleiche Effekt erhalten werden.

Fig. 6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der das Substrat 13' aus einem piezoelektrischen Material, wie Lithiumniobat, besteht. Die anderen Teile der Vorrichtungen entsprechen denjenigen nach Fig. 4 und 5, und auch das Herstellungsverfahren für die Vorrichtung dürfte sich ohne weiteres aus der vorhergehenden Beschreibung ergeben.

Wenn bei der Ausführungsform nach Fig. 6 und 7 Lithiumniobat (LiNbO₃) für das elastische Substrat 13' mit der darauf aufgegebenen piezoelektrischen Schicht aus Zinkoxid (ZnO) verwendet wird, ergibt sich ein grösserer elektromechanischer Kopplungskoeffizient des Einwegwandlers im Vergleich zu einer Vorrichtung, bei der ein nicht laminiertes Substrat aus Lithiumniobat verwendet wird. Dies ermöglicht eine Verringerung der Paare von Elektroden, die den Wandler bilden, was eine Erhöhung der Wirksamkeit der Vorrichtung und die Realisation einer breiteren Bandkennlinie zur Folge hat.

Wie beschrieben, ist der Einwegwandler nach der Erfindung so aufgebaut, dass eine der drei Leiterelektroden, die mit einer der drei auf dem nicht-piezoelektrischen Substrat unter Phasenwinkeln von 0°, 120° und 240° angeordneten Elektroden verbunden werden soll, sich längs der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht erstreckt, so dass eine breite Bandkennlinie erhalten werden kann. Ferner können die Dreiphasen-Signalelektroden leicht nach herkömmlichen Verfahren hergestellt werden, so dass die Fertigungskosten gering sind.

Darauf hinzuweisen ist, dass das vorgenannte Herstellungsverfahren nur ein Beispiel darstellt und daher das Verfahren modifiziert oder andere Prozesse, wenn erwünscht, hinzugeführt werden können.

-λθ-

Leerseite

Claims (5)

Patentanwälte "Dip Li-1 no.· H. Wei€«km-ann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. LiSKA , Dipl.-Phys. Dr. J. Prechtel 8000 MÜNCHEN 86 8. April 1983 POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22 TELEFON (089) 980352 TELEX 522621 TELEGRAMM PATENTWEICKMANN MÜNCHEN Sdt/ht. Clarion Co. Ltd., Tokyo, Japan PATENTANSPRÜCHE

1. Oberflächenschallwellenvorrichtung mit einem Ein- . wegwandler, gekennzeichnet durch

ein nicht-piezoelektrisches Substrat (13), 5

Wandlerelektroden (14), die auf dem Substrat unter Phasenwinkeln von 0°, 120° und 240° vorgesehen sind,

eine piezoelektrische Schicht (16), die auf dem Substrat so aufgegeben ist, dass sie die Wandlerelektroden abdeckt,und

Leiterelektroden (15), die mit den betreffenden Wandlerelektroden verbunden sind.

2. Oberflächenschallwellenvorrichtung mit einem Einwegwandler, gekennzeichnet durch

ein piezoelektrisches Substrat (13)/ 5

Wandlerelektroden (14), die auf dem Substrat unter Phasenwinkeln von 0°, 120° und 240° vorgesehen sind,

eine piezoelektrische Schicht (16), die auf dem Substrat so vorgesehen ist, dass sie die Wandlerelektroden abdeckt^ und

Leiterelektroden (15), die mit den betreffenden Wandlerelektroden verbunden sind.
15

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass eine der Leiterelektroden (15), die mit einer der Wandlerelektroden (14) verbunden ist, sich längs der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht (16) erstreckt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das nicht-piezoelektrische Substrat (13) aus Silicium und die piezoelektrische Schicht (16")~ aus Zinkoxid besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Substrat (13) aus Lithiumniobat und die piezoelektrische Schicht (16) aus Zinkoxid besteht.