DE3320567A1

DE3320567A1 - Akustische oberflaechenwellen ausbildendes bauelement

Info

Publication number: DE3320567A1
Application number: DE3320567A
Authority: DE
Inventors: Shoichi Minagawa; Teruo Tokyo Niitsuma; Takeshi Okamoto
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1982-06-07
Filing date: 1983-06-07
Publication date: 1983-12-08
Anticipated expiration: 2003-06-08
Also published as: DE3320567C2; GB2122832B; GB8315313D0; JPH0353802B2; JPS58213519A; GB2122832A; US4456847A

Description

Akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement

Die Erfindung betrifft ein akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement, bei dem die mechanische Reflexion der akustischen Oberflächenwelle vermindern ist.

Ein akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement, das hauptsächlich aus einem piezoelektrischen Substrat aus einem piezoelektrischen einkristallinen Material, wie beispielsweise Quarz, einem piezoelektrischen Keramikmaterial oder einer Kombination einer nicht piezoelektrischen Platte und einem piezoelektrischen Filmmaterial besteht, das darauf aufgebracht ist, ist so ausgebildet, dass es ein elektrisches Signal in eine akustische Oberflächenwelle mittels eines Wandlers umwandelt, der auf dem piezoelektrischen Substrat vorgesehen ist _f und die akustische Oberflächenwelle längs der Substratoberfläche wandern lässt. Derartige Bauelemente werden gegenwärtig als Filter oder andere verschiedene elektronische Bauteile verwandt.

Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung zeigt ein Filter als Beispiel eines elektronischen Bauteiles mit einem piezoelektrischen Substrat 1, einem Eingangswandler 2 aus zwei ineinandergreifenden kammförmigen Elektroden 2A und 2B und einem Ausgangswandler 3, der zwei· ineinandergreifende kammförmige Elektroden 3A und 3B umfasst. Ein elektrisches Signal, das am Eingang IN liegt, wird in eine akustische Oberflächenwelle mittels des Eingangswandlers 2 umgewandelt und läuft entlang der Oberfläche des piezoelektrischen Substrates. 1, wie es durch einen Pfeil in Fig. 1 dargestellt ist. Wenn die akustische Oberflächenwelle den Ausgangswandler 3 erreicht, wird sie durch den Wandler 3 in ein

elektrisches Signal rückgewandelt und vom Ausgang OUT abgenommen. Die Wandler 2 und 3 sind sog. normierte Elektrodentypen, bei denen jede Elektrodenstreifenbreite W und jeder Abstand L zwischen benachbarten Elektrodenstreifen der Elektroden 2A, 2B, 3A und 3B gleich λ/4 ist, wenn die

Wellenlänge der Mittenfrequenz f_ß der akustischen Oberflächenwelle gleich λ. ist.

Da das Filter mit Wandlern, die kammförmige Elektroden mit der oben beschriebenen Abmessung umfassen, nicht frei von einer Liehrfachreflexion, d.h. vom Dreifachdurchgangsecho TTE der akustischen Oberflächenwelle zwischen dem Eingangsund Ausgangswandler während deren Arbeitsvorgängen sein kann, ist die Welle nach dem Durchgang durch das Filter in seiner Phase gestört, d.h. ist eine Welligkeit hervorgerufen worden. Das ist für den Empfang beispielsweise von FM-Signalen unerwünscht.

Es gibt zwei Faktoren der Erzeugung der TTE-Störung. Einer der Faktoren ist die mechanische Reflexion der akustischen Oberflächenwelle aufgrund des Unterschiedes zwischen der akustischen Impedanz in dem Bereich, in dem die kammförmigen Elektroden angeordnet sind_/ und der akustischen Impedanz in dem Bereich, in dem keine Elektroden vorhanden sind. Der andere Faktor ist die elektrische Reflexion aufgrund der Bidirektionaleigenschaft der Wandler, d.h. aufgrund der Eigenschaft, dass die Wandler akustische Oberflächenwellen symmetrisch rechts und links übertragen oder empfangen können. Was die elektrische Reflexion anbetrifft, so kann ihr Einfluss dadurch vermindert werden, dass absichtlich eine Fehl anpassung am Eingang und Ausgang der Wandler bewirkt wird oder dass die Wandler durch ein Mehrphasen-Energieversorgungsverfahren so geändert werden, dass sie einseitig gerichtet sind. Was die mechanische Reflexion jedoch anbetrifft, konnten

QC

unabhängig von den folgenden verschiedenen Versuchen zufriedenstellende Ergebnisse nicht erhalten werden.

Einer der Versuche besteht darin, die kammförmigen Elektroden 2A, 2B, 3A und 3B des Eingangs- und des Ausgangswandlers 2 und 3 durch Unterteilung jedes Streifens in zwei Teile so auszulegen, dass die Breite W jedes geteilten Elektrodenstreifens und der Abstand L zwischen den Streifen gleich Λ/8 jeweils ist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

Da die Phasen der reflektierten Wellen an den jeweiligen Elektrodenenden sich um 180° voneinander unterscheiden, d.h. die reflektierenden Wellen entgegengesetzte Phasen haben, heben sich bei diesem Aufbau die reflektierten Wellen gegenseitig auf, wodurch gewiss unerwünschte Einflüsse durch die mechanische Reflexion vermindert werden.

Die Elektrodenstreifenbreite W und der Abstand L zwischen den Elektrodenstreifen muss jedoch gleich /L/8 sein, wobei mit steigender Frequenz die Wellenlänge ,V kleiner wird. Es ist daher eine extrem hohe Genauigkeit bei der Herstellung der Elektroden nach einem fotolithografischen Verfahren notwendig, was zu einer niedrigeren Produktivität bei der Herstellung der Bauelemente führt.

Da weiterhin der Abstand zwischen den Elektrodenstreifen extrem klein ist, tritt leicht ein Kurzschluss zwischen den Elektroden aufgrund von Staub oder anderen Teilchen auf, was eine Fehlfunktion des Bauelementes bewirkt.

Ein anderer Versuch besteht darin, einen Aufbau des piezoelektrischen Substrates 1 zu verwenden, der eine Platte 4 aus einem elastischen Material und einen piezo-35

elektrischen Film 5 umfasst, der die Platte 4 überzieht, wie es in den Fig. 3A und 3B dargestellt ist. Eine plattenartige untere Elektrode 6, die als eine der oben erwähnten kammförmigen Elektroden dient, ist zwischen der Platte 4 und dem piezoelektrischen Film 5 vorgesehen, wohingegen die oberen Elektroden 7A und 7B, die als die anderen Elektroden dienen, auf dem piezoelektrischen Film 5 so vorgesehen sind, dass sie der unteren Elektrode 6 gegenüberliegen und dass die Elektrodenstreifenbreite W und der Abstand L zwischen den jeweiligen Elektrodenstreifen gleich /\,/2 jeweils ist. Dadurch ergibt sich ein Einphasenwandler.

Dieser Aufbau des Wandlers unterscheidet sich von einer normalisierten Elektrode und enthält nur eine kammförmige Elektrode 7A oder 7B, so dass eine Signalquelle 8 zwischen die obere Elektrode 7A und die untere Elektrode 6 geschaltet ist, um ein elektrisches Signal an einer Last 9 zwischen der oberen Elektrode 7B und der unteren Elektrode 6 abzunehmen. Schädliche Einflüsse auf die Elektroden durch Staub oder andere Teilchen werden daher vermieden,und die Genauigkeit der Herstellung der Elektroden kann geringer als im früheren Fall sein, was die Produktivität der Herstellung des Bauelementes verbessert.

Da jedoch dieser Aufbau es unmöglich macht, das Bauelement mit einer sog. symmetrischen Energieversorgung zu betreiben, indem die obere Elektrode 7A mit Signalen versorgt wird, die elektrische Potentiale mit zwei Polaritäten (positiv und negativ) bezüglich des Potentials (Massepotential) der unteren Elektrode 6 haben, wird die elektromagnetische Kopplung (Durchführung) zwischen dem Eingangsund dem Ausgancjswandler sehr gross, bei der das elektrische Signal nicht in eine akustische Oberflächenwelle umgewandelt wird und als direkte Welle vom Eingang zum Ausgang wandert. Das hat zur Folge, dass die direkte Welle

und die notwendige akustische Oberflächenwelle gleichzeitig vorhanden sind, was die Filterwirkung verschlechtert.

Eine weitere Verbesserung besteht darin, einen sog. Einphasenwandler vom Ausgleichstyp oder symmetrischen Typ auszubilden, bei dem weitere obere Elektroden 8A und 8B den oberen Elektroden 7A und 7B mit einem Phasenunterschied von Λ/2 und einem Abstand a gegenüber angeordnet sind, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, um eine symmetrische Energieversorgung bei dem Aufbau von Fig. 3 zu ermöglichen.

Dieser Aufbau erlaubt gewiss eine Verminderung der Durchführung, indem Signale mit einem Phasenunterschied von 180° von einer Energiequelle 8 zwischen die oberen Elektroden 7A und 8A gelegt werden.

Da dieser Aufbau jedoch den Abstand a zwischen beiden Elektroden benötigt, um einen Kurzschluss zu verhindern, werden die akustischen Oberflächenwellen S₁ und S^, die als Folge der Erregung durch die Elektroden dieselbe Phase haben müssen, in ihren Wellenformen aufgrund des Vorhandenseins des Abstandes a gestört, der keine akustische Oberflächenwelle erzeugt.

Durch die Erfindung soll daher ein akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement geschaffen werden, bei dem die mechanische Reflexion beseitigt ist.

Gemäss der Erfindung besteht die obere Elektrode, die einer unteren Elektrode über einen piezoelektrischen Film gegenüberliegt, aus einer ersten Doppelelektrode und einer zweiten Doppelelektrode.

In folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispicle der Erfindung näher beschrieben.

.6.

. Fig. 1f 2, zeigen Draufsichten auf herkömmliche, 3A u. 4 akutische Oberflächenwellen ausbildende

Bauelemente.

Fig. 3B .seigt eine Schnittansicht des herkömmlichen,

in Fig. 3A dargestellten akustische Oberflächenwellen ausbildenden Bauelementes.

Fig. 5A zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen,akustische

Oberflächenwellen ausbildenden Bauelementes.

Fig. 5B . zeigen Schnittansichten längs der Linie A-A¹ ^{und 5C} und B-B¹ in Fig. 5B jeweils.

Fig. 6 zeigt eine vergrösserte Teilansicht der

Elektrodenstreifen von Fig. 5A.

Fig. 7 zeigt eine Teilansicht einer Abwandlungsform der oberen Elektrode.

Die Fig. 5A, 5B und 5C zeigen eine Draufsicht und Schnittansichten eines Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässe^ akustische Oberflächenwellen ausbildenden Bauelementes.

Ein Eingangswandler 2 und ein Ausgangswandler 3 umfassen jeweils eine erste Doppelelektrode 10A oder 1OB und eine zweite Doppelelektrode 11A oder 11B, die beide in derselben Ebene und einander gegenüber, jedoch nicht ineinandergreifend angeordnet sind. Die ersten Doppelelektroden 10A und 10B und die zweiten Doppelelektroden 11A und 11B liegen einer plattenförmigen unteren Elektrode 6 über einen piezoelektrischen Film 5 gegenüber. Alle gegenüberliegenden Enden der Elektrodenstreifen der Doppelelektroden 10A, 10B, 11A und 11B sind in einer Linie zueinander ausgerichtet und jede Elektrodenstreifenbreite W und jeder Abstand zwischen den

' ft'

Elektrodenstreifen ist gleich ^l/8 gewählt. Es ist weiterhin ein Lastwiderstand 9 vorgesehen. Ein symmetrischer Energieversorgungstransformator T ist für eine symmetrische Versorgung von Signalspannungen von einer Energiequelle 8 zu den Doppelelektroden 1OA und 11A des Eingangswandlers 2 vorgesehen.

Wenn bei einer derartigen Anordnung eine Signalspannung zwischen den oberen Elektroden (erste Doppelelektrode 10A und zweite Doppelelektrode 11A) und der unteren Elektrode 6 liegt, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, um ein elektrisches Feld zwischen den oberen Elektroden 10A, 11A und der unteren Elektrode 6 zu bilden, werden akustische Oberflächenwellen S* und Sy, die in Längsrichtung des Wandlers parallel zueinander sind, durch die Elektroden 10A und 11A erzeugt. Da die kammförmigen Elektroden, die die Wandler bilden, Doppelelektroden sind, die mit 10A, 10B, 11A und 11B bezeichnet sind, werden unerwünschte Einflüsse der mechanischen Reflexion vermieden.

Bei dieser Anordnung werden die Vorteile des oben beschriebenen Einphasenwandlers, d.h. die Vermeidung eines Kurzschlusses *ind die Verbesserung der Produktivität der Herstellung des Bauelementes beibehalten. Da diese Anordnung das Anlegen von Signalspannungen über eine symmetrische Energieversorgung erlaubt, ist es möglich, die Durchführung zu vermindern und die Wellenformen der akutischen Oberflächenwellen ungestört zu halten.

Wenn die Elektrodenstreifenbreite W gleich 2-/8 ist, wie es in Fig. 5A dargestellt ist, beträgt der Abstand zwischen den Mittellinien benachbarter Elektrodenstreifen E der Doppelelektroden 10 und 11 Λ/4. Das gibt den Vorteil, dass Einflüsse durch eine mechanische Reflexion selbst

- · ΖΊ

dann vermieden werden können, wenn jede Elektrodenstreifen- : breite und jeder Abstand zwischen benachbarten Elektrodenstreifen ausserhalb der Proportion 1:1 liegen. Ein gewisses Mass an Ungenauigkeit der Fotoherstellung der
Doppelelektroden ist daher zulässig. Diesen Vorteil kann ein herkömmlicher Einphasenwandler nicht bieten.

Wenn die Durchführung kein grosses Problem darstellt,
muss die obere Elektrode nicht vom symmetrischen Typ sein, und kann in der in Fig. 7 dargestellten Weise nur die

erste Doppelelektrode oder die zweite Elektrode verwandt werden. Diese Anordnung vermeidet gleichfalls wirksam Einflüsse durch die mechanische Reflexion.

Das elastische Substrat 4 besteht vorzugsweise aus einem halbleitenden Material, wie Silicium, Galliumarsenid
(GaAs), Silicium-auf-Saphir SOS usw. in Hinblick auf die Produktionskosten und die Eigenschaften des Bauelementes. In diesem Fall kann ein Bereich mit niedrigem Widerstand längs der Unterfläche des Substrates durch Dotieren von Verunreinigungen gebildet werden, um ihn als untere Elektrode zu verwenden. Die erfindungsgemässe Ausbildung ist insbesondere dann effektiv, wenn das akustische Oberflächenwellen ausbildende Bauelement zur Verarbeitung von hochfrequenten Wellen verwandt wird. Das wird dadurch verstärkt, dass das elastische Substrat aus Saphir oder Quarz gebildet wird, die ausgezeichnete Eigenschaften haben.

Es ist bevorzugt, dass der piezoelektrische Film einen
grossen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, eine hohe dielektrische Durchbruchsspannung und eine hohe Produktivität hat. In diesem Zusammenhang ist ZnO (Zinkoxid) oder AlN (Aluminiumnidrid) empfehlenswert.

Da gemäss der Erfindung obere Elektroden verwandt werden, die der unteren Elektrode über den piezoelektrischen Film gegenüberliegen und erste und/oder zweite Doppelelektroden umfassen, ist es in der aus der obigen Beschreibung ersichtlichen Weise möglich, die Reflexion der akustischen Oberflächenwellen aufgrund der mechanischen Reflexion zu vermindern, wodurch alle Nachteile der bekannten entsprechenden Bauelemente beseitigt sind.

Leersei te

Claims

Patentanwälte D ι j? χ. .-.I ν g« H*. tiJr^i:QjfMA:N.N,*.P;iPL.-PHYS. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska , Dipl.-Phys. Dr. J. Predhtel 8000 MÜNCHEN 86 Q? POSTFACH 860 820 ' MDHLSTRASSE 22 TELEFON (0 S9) 98 03 52 TELEX S 22 621 TELEGRAMM PATENTWEICKMANN MÖNCHEN P/ht. Clarion Co., Ltd., Tokyo, Japan PATENTANSPRÜCHE

1. Akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement, gekennzeichnet durch ein elastisches Substrat (4), eine untere Elektrodeneinrichtung (6), die auf dem Substrat (4) vorgesehen ist/ einen piezoelektrischen Film (5), der so aufgebracht ist, dass er die untere Elektrodeneinrichtung (6) überdeckt, und eine obere Elektrodeneinrichtung (10A, 10B, 11A, 11B), die aus wenigstens einer Doppelelektrode besteht, die auf dem piezoelektrischen Film (5) vorgesehen ist und der unteren Elektrodeneinrichtung (6) gegenüberliegt.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die obere Elektrodeneinrichtmg eine erste Doppelelektrode (10A, 11A) und eine zweite Doppelelektrode (10B, 11b) umfasst, die einander gegenüber-

liegen und nicht ineinandergreifen.

3. Akustische Oberflächenwellen ausbildendes Filterelement, gekennzeichnet durch ein elastisches Substrat (4) , eine untere Elektrodeneinrichtung (6), die auf dem Substrat (4) vorgesehen ist, einen piezoelektrischen Film (5), der so aufgebracht ist, dass er die
untere Elektrodeneinrichtung (6) überdeckt und einen
Eingangswandler (1OA, 11A) und einen Ausgangswandler

(10B, HB)/die auf dem piezoelektrischen Film (5) der
unteren Elektrodeneinrichtung (6) gegenüber vorgesehen
sind, wobei die Wandler (10A, 11A, 10B, 11B) jeweils
eine erste und eine zweite Doppelelektrode umfassen und beide Doppelelektroden einander gegenüber und nicht ineinandergreifend angeordnet sind.

4. Bauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass jede Elektrodenstreifenbreite (W) und jeder Abstand zwischen benachbarten

Elektrodenstreifen der Doppelelektroden (10A, 10B, 11A, 11B) 1/8 der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle betragen, die durch die Doppelelektroden (10A, 10B, 11A, 11B) jeweils erzeugt wird.

5. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangswandler (10A, 11A) mit einer Signalspannungsquelle (8) über einen symmetrischen Energieversorgungstransformator verbunden ist.

6. Bauelement nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass die untere Elektrodeneinrichtung (6) ein Bereich mit niedrigem Widerstand ist,
der längs der Unterfläche des elastischen Substrates (4) vorgesehen ist.

7. Bauelement nach Anspruch 1 oder 3, dadurch g e -

kennzeichnet, dass das elastische Substrat (4) aus einem halbleitenden Material besteht.

8. Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass das halbleitende Material Silicium, Galliumarsenid (GaAs) oder Silicium-auf-Saphir (SOS) ist.

9. Bauelement nach Anspruch 1 oder 3, dadurch

gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Film (5) aus Zinkoxid oder Aluminiumnitrid besteht.

10. Bauelement nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass das elastische Substrat

(4) aus Saphir oder Quarz besteht.