DE4229974C2

DE4229974C2 - Akustisches Oberflächenwellenbauelement

Info

Publication number: DE4229974C2
Application number: DE19924229974
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Martin; Reinhard Dr Kunze; Manfred Dr Weihnacht
Original assignee: Institut fuer Festkoerper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: LEIBNIZ-INSTITUT fur FESTKOERPER- und WERKSTOFFFORS
Priority date: 1992-09-08
Filing date: 1992-09-08
Publication date: 1997-04-10
Anticipated expiration: 2012-09-09
Also published as: DE4229974A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Elektrotechnik/Elektro nik. Objekte, bei denen die Anwendung möglich und zweckmäßig ist, sind akustische Oberflächenwellenbauelemente, wie Bandpaßfilter und Oszillatoren, insbesondere schmalbandige Filter.

Es sind akustische Oberflächenwellenbauelemente bekannt, bei denen auf einem piezoelektrischen Substrat zwei interdigitale Wandler und beiderseits dieser Wandler angeordnete Streifenre flektoren eine Resonatorgruppe bilden, die symmetrisch zu einer zu beiden Wandlern gehörenden gemeinsamen Sammelelektrode ist, welche sich bis an die äußeren Begrenzungen beider Streifenre flektoren erstreckt. Die die Streifenreflektoren bildenden Metall streifen enden beiderseitig in äußeren Sammelelektroden, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit für akustische Oberflächenwellen im Streifengebiet der Reflektoren und im Zinkengebiet der Wandler (v_St) kleiner ist als in homogen metallbeschichteten Gebieten (v_met). Dabei ist die Summe aus der Zinkenüberlappungslänge und dem Zwischenraum zwischen den Zinkenenden und der jeweiligen Sammelelektrode der Wandler gleich der Länge der Metallstreifen der Streifenreflektoren ("Narrow Bandpass Filters Using Double- Mode SAW Resonators on Quartz", 1984 IEEE Frequency Control Proc., S. 286).

Diese Resonatoren sind Wellenleiter für akustische Oberflächen wellen. Hierbei sind zwei in Zinkenrichtung nebeneinander liegende interdigitale Wandler und Streifenreflektoren, die beiderseits der Wandler angeordnet sind, vorhanden. Die Resonatorgruppe ist aus zwei Resonatoren zusammengesetzt. Jeder Resonator besteht aus einem Wandler und beiderseits angeordneten Streifenreflektoren. Im Zinkenüberlappungsgebiet der Wandler und im Streifengebiet der Reflektoren ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit für akustische Oberflächenwellen kleiner als im Gebiet der Sammelelektroden. Die Verringerung der Geschwindigkeit in den Streifenstrukturen im Vergleich zu homogen metallbeschichteten Flächen ist eine Folge der Speicherung mechanischer Energie in den Metallstreifen und Zinken. Die beschriebenen Geschwindigkeitsverhältnisse lassen Totalreflexion von Wellen zu, die eine Führung von Wellen in x-Richtung, d. h. quer zu den Zinken, bewirken (Wellenleitereffekt). Dabei entstehen i. a. mehrere Wellenformen, Wellenleitermoden genannt, die sich in der Ausbreitungsgeschwindigkeit und in ihrem Profil in Zinkenrichtung unterscheiden. Die Wellenleitermoden haben in den Gebieten der Sammelelektroden nach außen abklingende Amplituden. Bringt man deshalb zwei solche Resonatoren hinreichend nahe zueinander, so überlappen die Wellenleitermoden beider Resonatoren, und es entsteht eine Kopplung zwischen ihnen. Infolge der Kopplung beider Wellenleiter entstehen aus einer Mode, die bezüglich der horizontalen Mittellinie der Struktur symmetrisch ist, eine neue symmetrische und eine antisymmetrische Mode, die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten haben.

Der Aufbau der Wandler gestattet die starke Anregung von diesen zwei Wellenleitermoden. Infolgedessen kann mit dem Bauelement ein zweikreisiges Filter nachgebildet werden. Mit Hilfe von Anpaß schaltungen am Ein- und Ausgang des Bauelements wird die Wellig keit im Durchlaßbereich geglättet.

Diese Lösung hat den Nachteil, daß die maximal einstellbare Bandbreite bei vorgegebener Einfügedämpfung und/oder Welligkeit im Durchlaßbereich in bestimmten Fällen zu klein ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, akustische Oberflächen wellenbauelemente der bekannten Art so zu verändern, daß die maximal einstellbare Bandbreite bei vorgegebener Einfügedämpfung und/oder Welligkeit im Durchlaßbereich größer ist als das bekann termaßen möglich ist.

Diese Aufgabe wird mit der in Anspruch 1 dargestellten erfin dungsgemäßen Lehre zum technischen Handeln gelöst.

Gemäß der Erfindung werden nicht nur die zwei langsamsten, sondern auch die Wellenleitermoden höherer Ordnung (mit mehr als einer Nullstelle im Profil) zur Formung des Durchlaßbereichs benutzt. Das ist nur dann sinnvoll, wenn die Stärke, mit der die einzelnen Wellenleitermoden angeregt und empfangen werden, eingestellt werden kann. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die Zinkenzahlen der Teilwandler an die Summe aller Profile derjenigen Wellenleitermoden angepaßt werden, die zur Formung des Durchlaßbereichs ausgewählt worden sind.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind die Mitten aller Partialwandler auf einer Linie, parallel zu den Zinken, angeordnet.

In denjenigen Partialwandlern, die kürzer sind als der längste von ihnen, können die im Vergleich zum längsten Partialwandler fehlenden Zinken durch Blindzinken ersetzt sein.

Es ist besonders zweckmäßig, die Abstände benachbarter Metall streifen der Streifenreflektoren nach Vorschrift II, die Abstände benachbarter Zinken in allen Partialwandlern nach Vorschrift III und die Abstände benachbarter Blindzinken gleich dem Abstand benachbarter Metallstreifen der Streifenreflektoren zu bemessen.

Mehrere Resonatorgruppen können eine Kaskade bilden.

Es können alle Partialwandler gleich breit sein, wobei ihre Zinkenüberlappungslänge und die Abstände ihrer Zinkenenden von den jeweiligen Sammelelektroden gleich sind.

Zur Realisierung der Parallelschaltung der Partialwandler ist es zweckmäßig, die Anzahl der Partialwandler als ungerade Zahl zu wählen und jede ungeradzahlige Sammelelektrode der Partialwand ler, gezählt von einer äußeren Sammelelektrode des jeweiligen Wandlers an, mit der gemeinsamen Sammelelektrode der Wandler und jede geradzahlige Sammelelektrode mit einer äußeren Sammelelek trode des jeweiligen Wandlers elektrisch leitend zu verbinden. Die entsprechenden elektrisch leitenden Verbindungen können als Metallstreifen auf dem Substrat ausgebildet sein.

Es kann auch nur ein einziger Partialwandler vorhanden und die Länge δb_a = 0 sein. In diesem Fall ist es besonders vorteil haft, die Länge δb_g nach der Vorschrift δb_g = B (1-2/N) zu bemessen (B = Zwischenraum zwischen der gemeinsamen und der äußeren Sammelelektrode des jeweiligen Wandlers), wenn die Anzahl N der reellen Lösungen von Gleichung G aus Vorschrift I größer als 1 ist. Wenn N = 1 beträgt, ist die Länge δb_g = 0 zu wählen.

Der Abstand zwischen den inneren Kanten der inneren Metallstrei fen der Streifenreflektoren und der Abstand der inneren Kante des inneren Metallstreifens eines Streifenreflektors zur benachbarten äußeren Kante eines äußeren Zinkens der Wandler kann ein ungerad zahliges Vielfaches von /4 sein, wobei eine mittlere Wellen länge aus Vorschrift II ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert.

Auf einem piezoelektrischen Substrat 1 befindet sich eine Resona torgruppe 2, bestehend aus akustischen Oberflächenwellenresona torstrukturen 3 und 4. Die Resonatorgruppe 2 ist symmetrisch zur Linie 8 aufgebaut. Deshalb ist es ausreichend, nachstehend nur die Resonatorstruktur 3 näher zu erläutern. Sie besteht aus einem Wandler 5 mit einer äußeren Sammelelektrode 51 und einer gemein samen Sammelelektrode 57, die gleichzeitig eine Sammelelektrode des Wandlers 10 der akustischen Oberflächenwellenresonatorstruk tur 4 ist, und Streifenreflektoren 6 bzw. 7 mit Sammelelektroden 61 bzw. 71 und Metallstreifen 62 bzw. 72, die über Sammelelektro den 61 bzw. 71 und die gemeinsame Sammelelektrode 57 elektrisch kurzgeschlossen sind. Der Wandler 5 ist aus Partialwandlern 52, 53 bzw. 54 mit Wandlerzinken 521, 531 bzw. 541 zusammengesetzt. Die jeweils benachbarten Partialwandler 52 und 53 bzw. 53 und 54 haben gemeinsame Sammelelektroden 55 bzw. 56, die über Metall streifen 551 bzw. 561 elektrisch leitend mit der gemeinsamen Sammelelektrode 57 bzw. mit der äußeren Sammelelektrode 51 ver bunden sind. Zur Kompensation von Laufzeitdifferenzen der akusti schen Oberflächenwellen sind die Metallstreifen 551 bzw. 561 durch Hilfsstreifen 552 bzw. 562 verlängert. Die Mitten aller Partialwandler liegen auf der Linie 9. Der längste von ihnen ist der Partialwandler 52. In den Partialwandlern 53 bzw. 54 sind einige Zinken durch Blindzinken 532 bzw. 542 ersetzt. Der Abstand der Enden der an die gemeinsame Sammelelektrode 56 angeschlosse nen Zinken des Partialwandlers 54 zur gemeinsamen Sammelelektrode 57 ist größer als der Abstand der Zinkenenden zu den jeweiligen Sammelelektroden in den übrigen Partialwandlern. Diese Abstands differenz ist durch Scheinfinger 543 ausgefüllt. Der Wandler 5 bzw. 10 stellt den Eingang 11 bzw. den Ausgang 12 des Bauelements dar. Die gemeinsame Sammelelektrode 57 ist über eine elektrisch leitende Verbindung 13 an Masse angeschlossen.

Anhang Vorschrift I

N_m = (_m/_Max) N_Max, gerundet auf ganzzahlige N_m

mit

und
f_n(y) = α_nsin[k_yn(y-B)] - k_yncos[k_yn(y-B)]

mit

Die k_xn (n = 1, . . ., N) sind reelle Lösungen für k_x der Gleichung G:

mit

und mit

wobei die jeweils oberen oder unteren Zeilen von S (k_x) und C (k_x) gleichzeitig in die Gleichung G eingesetzt sind.

In Vorschrift I bedeuten:
m = Nummer des Partialwandlers, gezählt von der gemeinsamen Sammelelektrode an nach außen
N_m = Vorzeichenbehaftete Zinkenanzahl des Partialwandlers mit der Nummer m
δb_m, δb_µ = Breite des Partialwandlers mit der Nummer m bzw. µ
N = Anzahl der reellen Lösungen der Gleichung G für k_x
N_Max = Zinkenanzahl des längsten Partialwandlers
B = Zwischenraum zwischen der äußeren und der gemeinsamen Sammelelektrode des jeweiligen Wandlers
δb_a bzw. δb_g = Differenz des Abstandes zwischen den Zinkenenden und einer äußeren bzw. der gemeinsamen Sammelelektrode für diejenigen Partial wandler, deren eine Sammelelektrode eine äußere bzw. die gemeinsame Sammelelektro de der Wandler ist.
b_s = Breite der gemeinsamen Sammelelektrode
ω = Mittenkreisfrequenz des Bauelements
v_met = Phasengeschwindigkeit für akustische Oberflächen wellen bei Vorhandensein einer homogenen Metall schicht auf dem Substrat, die aus dem Elektroden metall besteht und die Schichtdicke der Elektro den aufweist.
v_St = Phasengeschwindigkeit für akustische Oberflächenwellen im Streifen- und im Zinkengebiet
y = Koordinate in Zinkenrichtung

Vorschrift II

In Vorschrift II bedeuten:
l_R = Abstand benachbarter Metallstreifen der Streifenreflek toren
N = Anzahl der reellen Lösungen für k_x von Gleichung G aus Vorschrift I
k_xn = Reelle Lösungen für k_x von Gleichung G aus Vorschrift I (n = 1, . . . , N).

Vorschrift III

In Vorschrift III bedeuten:
l_m = Abstand benachbarter Wandlerzinken im Partialwandler mit der Nummer m
= siehe Vorschrift II
f = Mittenfrequenz des Bauelements
f^m _Max = Frequenz, bei der das Maximum des Strahlungsleitwertes des Partialwandlers mit der Nummer m liegt.

Claims

1. Akustisches Oberflächenwellenbauelement, bei dem auf einem piezoelektrischen Substrat zwei interdigitale Wandler und beiderseits dieser Wandler angeordnete Streifenreflektoren eine Resonatorgruppe bilden, die symmetrisch zu einer zu bei den Wandlern gehörenden gemeinsamen Sammelelektrode ist, wel che sich bis an die äußeren Begrenzungen beider Streifenre flektoren erstreckt, und bei dem die die Streifenreflektoren bildenden Metallstreifen beidseitig in äußeren Sammelelektro den enden, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit für akusti sche Oberflächenwellen im Streifengebiet der Reflektoren und im Zinkengebiet der Wandler (v_St) kleiner ist als in homogen metallbeschichteten Gebieten (v_met), dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Wandler aus in Richtung der Zinken nebeneinander angeordneten elektrisch pa rallel geschalteten Partialwandlern (52; 53; 54) zusammen gesetzt sind, wobei die Zinkenanzahl der Partialwandler nach Vorschrift I ermittelt wird, wobei in den möglichen Fällen N_m < 0 und N_m < 0 sich die Partialwandler (52; 53; 54) durch entgegengesetzte Zinkenpola rität unterscheiden und die Geschwindigkeiten v_St und v_met so gewählt sind, daß Gleichung G aus Vorschrift I eine vor gegebene Anzahl N von reellen Lösungen hat,
b) in denjenigen Partialwandlern (53; 54), die weniger als N_Max Zinken haben, die im Vergleich zum Partialwandler (52) mit N_Max Zinken fehlenden Zinken wenigstens teilweise durch Blindzinken (532; 542) ersetzt sind und
c) in denjenigen Partialwandlern (52; 54), deren eine Sammel elektrode eine äußere bzw. die gemeinsame Sammelelektrode (51; 57) der Wandler ist, der Abstand zwischen den Zinken enden und einer äußeren bzw. der gemeinsamen Sammelelektro de (51; 57) um eine Länge δb_a bzw. δb_g größer ist als der Abstand der Zinkenenden zu der jeweiligen Sammelelek trode (55; 56) der übrigen Partialwandler (53).

2. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Mitten aller Partialwandler (52; 53; 54) auf einer Linie (9) angeordnet sind, die paral lel zu den Zinken gerichtet ist.

3. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß in denjenigen Partialwandlern (53; 54), die weniger als N_Max Zinken haben, alle im Vergleich zum Partialwandler (52) mit N_Max Zinken fehlenden Zinken durch Blindzinken (532; 542) ersetzt sind.

4. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Abstände benachbarter Metall streifen (62; 72) der Streifenreflektoren (6; 7) nach Vor schrift II bemessen sind.

5. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der Abstand benachbarter Zinken (521; 531; 541) in allen Partialwandlern (52; 53; 54) nach Vorschrift III bemessen ist.

6. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der Abstand benachbarter Blindzinken (532; 542) gleich dem Abstand benachbarter Metallstreifen (62; 72) der Streifenreflektoren (6; 7) ist.

7. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß mehrere Resonatorgruppen eine Kas kade bilden.

8. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß alle Partialwandler (52; 53; 54) gleich breit sind, die gleiche Zinkenüberlappungslänge und gleiche Abstände der Zinkenenden von den jeweiligen Sammel elektroden (51; 55; 56; 57) aufweisen.

9. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Partialwandler (52; 53; 54) eine ungerade Zahl ist und benachbarte Partialwandler (52/53; 53/54) jeweils eine gemeinsame Sammelelektrode (55; 56) haben.

10. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 9, da durch gekennzeichnet, daß jede ungeradzahlige Sammelelektrode (55) der Partialwandler (52; 53), gezählt von einer äußeren Sammelelektrode (51) des jeweiligen Wandlers an, mit der ge meinsamen Sammelelektrode (57) der Wandler und jede geradzah lige Sammelelektrode (56) mit einer äußeren Sammelelektrode (51) des jeweiligen Wandlers (5) elektrisch leitend verbunden ist.

11. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 10, da durch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Verbindun gen als Metallstreifen (551; 561) auf dem Substrat ausgebil det sind.

12. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Partialwandler gleich 1 und die Länge δb_a= 0 ist.

13. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 12, da durch gekennzeichnet, daß die Anzahl der reellen Lösungen von Gleichung G aus Vorschrift I größer als 1 und die Länge δb_g nach der Vorschrift δb_g = B (1-2/N) bemessen ist (B = Zwischenraum zwischen der gemeinsamen Sammelelektrode (57) und der äußeren Sammelelektrode (51) des jeweiligen Wandlers (5)).

14. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 12, da durch gekennzeichnet, daß die Gleichung G aus Vorschrift I nur eine reelle Lösung hat und die Länge δb_g = 0 ist.

15. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den in neren Kanten der inneren Metallstreifen der Streifenreflekto ren (6; 7) ein ungeradzahliges Vielfaches von /4 beträgt ( aus Vorschrift II).

16. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der inneren Kante des inneren Metallstreifens eines Streifenreflektors (6; 7) zur benachbarten äußeren Kante eines äußeren Zinkens der Wandler (5) ein ungeradzahliges Vielfaches von /4 ist.