WO2001076065A1

WO2001076065A1 - Oberflächenwellenelement mit mehreren spuren zur ausbreitung akustischer oberflächenwellen

Info

Publication number: WO2001076065A1
Application number: PCT/DE2001/001296
Authority: WO
Inventors: Ulrich Knauer; Markus Mohr; Gerd Scholl
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-04-04
Filing date: 2001-04-03
Publication date: 2001-10-11
Also published as: DE10016721A1; DE10016721C2

Abstract

Das Oberflächenwellenelement umfasst ein Substrat (1) mit einer planen Oberfläche (2), auf welcher mehrere Spuren (3, 4) zur Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen bestimmt sind, deren jede von einer Wandleranordnung (5) ausgeht. Jede Spur hat mehrere erste Reflektoren (6), deren jeder eine von der Wandleranordnung auslaufende Oberflächenwelle in eine nach einer zugehörigen eindeutigen bestimmten Verzögerungszeit bei der Wandleranordnung eintreffende reflektierte Oberflächenwelle reflektiert. Dabei sind jede zwei erste Reflektoren, deren zugehörige Verzögerungszeiten einander unmittelbar folgen, auf verschiedenen Spuren angeordnet.

Description

Beschreibung

Oberflächenwellenele ent mit mehreren Spuren zur Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen

Die Erfindung betrifft ein Oberflächenwellenelement umfas^¬ send: a) ein Substrat mit einer planen Oberfläche, auf welcher mehrere Spuren zur Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen bestimmt sind; b) eine auf der Oberfläche angeordnete Wandleranordnung, von der jede Spur ausgeht und welche eine eindeutige Beziehung zwischen den akustischen Oberflächenwellen auf den Spuren sowie einem anliegenden elektrischen Signal definiert; und c) auf jeder Spur mehrere erste Reflektoren, deren jeder eine von der Wandleranordnung auslaufende Oberflächenwelle in eine nach einer zugehörigen eindeutig bestimmten Verzögerungszeit bei der Wandleranordnung eintreffende reflektierte Oberflächenwelle reflektiert.

Ein solches Oberflächenwellenelement geht hervor aus dem US- Patent 5,691,698, siehe insbesondere Figuren 2, 3 und 4 nebst zugehöriger Beschreibung, sowie der EP 0 619 906 Bl, siehe insbesondere Figuren 3b, 5 und 9, jeweils mit zugehöriger Be- Schreibung.

Weitere Dokumente des Standes der Technik, die den maßgeblichen technologischen Hintergrund betreffen, sind US-Patent 5,841,214, US-Patent 5,919,779, EP 0 651 344 Bl, EP 0 746 775 Bl, DE 43 35 898 Cl, DE 43 33 342 AI und DE 43 33 340 Cl .

Das oben beschriebene Oberflächenwellenelement dient insbesondere als passive Identifizierungsmarke. Es enthält eine Anordnung von Reflektoren, welche dazu bestimmt ist, ein vorgegebenes hochfrequentes elektromagnetisches Signal in ein für die Anordnung der Reflektoren charakteristisches Signal umzuformen. Das vorgegebene Signal ist insbesondere ein kurzer Impuls und wird von dem Oberflächenwellenelement umgeformt m eine Folge mehrerer kurzer Impulse, welche f r die Anordnung der Reflektoren charakteristisch ist. Zu diesem Zweck wird das ursprüngliche elektrische Signal der Wandleranordnung zugeführt und von dieser m akustische Oberflachenwellen, welche sich auf den Spuren ausbreiten, umgewandelt. Die Oberflachenwellen werden an der Anordnung der Reflektoren teilweise reflektiert, und die reflektierten Oberflachenwel- len gelangen zurück zu der Wandleranordnung und werden dort wieder m elektrische Signale verwandelt. Deren Kombination ist für die Anordnung der Reflektoren wie gewünscht charakteristisch.

Es besteht ein Wunsch dahingehend, das Oberflächenwellenele^¬ ment mit einer möglichst großen Variabilität hinsichtlich der Charakteristik der Anordnung der Reflektoren, also einem großen Codeumfang, auszustatten. Dies bedingt unmittelbar, dass eine größere Vielzahl von Reflektoren verwendet werden muss.

Dementsprechend muss damit gerechnet werden, dass außer gew nschten reflektierten Oberflachenwellen, welche nach Reflexion an nur einem einzigen Reflektor zur Wandleranordnung zurückgelangen, auch mehrfach reflektierte Oberflachenwellen auftreten, deren jede dadurch gekennzeichnet ist, dass sie an mehreren Reflektoren reflektiert wurde. Eine solche mehrfach reflektierte Oberflachenwelle kann die Funktion des Oberfla- chenwellenelements unter Umstanden stark beeinträchtigen.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Oberflächenwellenelement anzugeben, bei dem eine funktionelle Störung aufgrund einer mehrfach reflektierten Oberflachenwelle m deutlich verringertem Umfang im Vergleich zu den Möglichkeiten des Standes der Technik auftritt.

Zur Losung dieser Aufgabe angegeben wird ein Oberflächenwellenelement umfassend: a) ein Substrat mit einer planen Oberflache, auf welcher meh^¬ rere Spuren zur Ausbreitung akustischer Oberflachenwellen bestimmt sind; b) eine auf der Oberflache angeordnete Wandleranordnung, von der ede Spur ausgeht und welche eine eindeutige Beziehung zwischen den akustischen Oberflachenwellen auf den Spuren sowie einem anliegenden elektrischen Signal definiert; und c) auf jeder Spur mehrere erste Reflektoren, deren jeder eine von der Wandleranordnung auslaufende Oberflachenwelle m eine nach einer zugehörigen eindeutig bestimmten Verzoge- rungszeit bei der Wandleranordnung eintreffende reflektierte Oberflachenwelle reflektiert.

Bei diesem Oberflächenwellenelement sind jede zwei erste Reflektoren, deren zugehörige Verzogerungszeiten einander unmittelbar folgen, auf verschiedenen Spuren angeordnet.

Die erfmdungsgemaße Anordnung der ersten Reflektoren stellt sicher, dass der Abstand zweier Reflektoren auf einer Spur stets einer Differenz zweier Verzogerungszeiten, die nicht unmittelbar aufeinander folgen, entspricht. Daraus ergibt sich eine wesentliche Verlängerung des Weges, den eine mehrfach reflektierte Oberflachenwelle auf einer Spur zurücklegen muss. Dies zieht nach sich, dass diese reflektierte Oberflachenwelle besonders stark bedampft wird. Bei einer Frequenz um 2,45 GHz betragt die Dampfung einer Oberflachenwelle auf einem Substrat aus Lithiu niobat bezogen auf eine Laufzeit einer Oberflachenwelle etwa 6 dB/μs . Da eine mehrfach reflektierte Oberflachenwelle auf einer Spur zumindest dreimal reflektiert werden muss, ist der erfmdungsgemaß vergrößerte Abstand der Reflektoren auf einer Spur untereinander mit dreifacher Potenz wirksam zur Unterdrückung der mehrfach reflektierten Oberflachenwellen.

Das Substrat kann als ganzes piezoelektrisch sein, beispiels- weise m Form eines piezoelektrischen Kristalls wie Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder Langasit. Auch kann das Substrat aus einem beliebigen Material bestehen und eine pie- zoelektπsche Scnicht aufweisen, welche die Oberflache mit den Spuren für die Oberflachenwellen bildet.

Bevorzugt ist den Spuren des Oberflachenwellenelements eine Reihenfolge zugewiesen und sind die ersten Reflektoren ent^¬ sprechend einer Folge ihrer zugehörigen Verzogerungszeiten zyklisch auf die Spuren verteilt. Zwei auf einer Spur einan^¬ der unmittelbar benachbarte Reflektoren haben dementsprechend immer einen Abstand, welcher einem Abstand zwischen zwei Ver- zogerungszeiten entspricht, die versetzt um die Gesamtzahl der Spuren hintereinander folgen.

Ebenfalls bevorzugt umfassen die Spuren des Oberflachenwel- lenelementes zumindest zwei Spuren, deren jede zumindest ei- nen letzten Reflektor aufweist, wobei alle ersten Reflektoren zwischen dem letzten Reflektor und der Wandleranordnung angeordnet sind, und wobei die letzten Reflektoren m der Wandleranordnung gleichzeitig erzeugte Oberflachenwellen derart reflektieren, dass die reflektierten Oberflachenwellen gleichzeitig an der Wandleranordnung eintreffen. In Sinne dieser Weiterbildung wird die erfmdungsgemäße Systematik der möglichst weit distanzierten Anordnung von Reflektoren auf jeder Spur an einem der Wandleranordnung abgewandten Ende einer Spur durchbrochen. Dies hat für die Funktion des Ober- flachenwellenelements keine nachteiligen Folgen, denn jedes an einem letzten Reflektor mehrfach reflektierte Signal hat eine Laufzeit, welche deutlich über der Laufzeit eines allein an einem letzten Reflektor reflektierten Signals liegt. Dementsprechend wirkt sich eine solche mehrfach reflektierte 0- berflachenwelle nicht nachteilig auf die Funktion des Oberfla- chenwellenelements aus. Außerdem wird ein Ausgleich geschaffen für die Dampfung der Oberflachenwelle auf dem Substrat, welche für eine an einem letzten Reflektor reflektierte Oberflachenwelle besonders hoch ist. Entsprechend sind letzte Reflektoren derart vorgesehen, dass gleichzeitig erzeugte Oberflachenwellen an ihnen derart reflektiert werden, dass sie gleichzeitig an der Wandleranordnung wieder eintreffen. fen. Somit wirken diese letzten Reflektoren zusammen und er^¬ zielen zumindest teilweise einen Ausgleich der Dampfung. Es ist nicht ausgeschlossen, auf einer Spur mehrere letzte Reflektoren vorzusehen. Allerdings ist es bevorzugt, die Zahl der letzten Reflektoren m jeder Spur auf höchstens zwei zu begrenzen.

Ebenfalls vorzugsweise sind die auf dem Oberflächenwellenelement vorgesehenen Spuren untereinander parallel.

Eine bevorzugte Weiterbildung des Oberflachenwellenelements ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeden zwei einander unmittelbar benachbarten Spuren eine zugehörige akustische Sperre, insbesondere ein Absorber, angeordnet ist. Eine sol- ehe Sperre vermeidet ein Ubersprechen von Oberflachenwellen zwischen einander benachbarten Spuren.

Die Wandleranordnung umfasst vorzugsweise für jede Spur einen zugehörigen Wandler; vorzugsweise sind alle diese Wandler e- lektπsch untereinander parallelgeschaltet. Auch eine Schaltung der Wandler m Reihe, oder eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltungen, ist möglich, um die elektrische Impedanz der Wandleranordnung an die Impedanz der eingesetzten Antenne anzupassen.

Ebenfalls vorzugsweise ist die Wandleranordnung unidirektio- nal hinsichtlich der Erzeugung von Oberflachenwellen; dies ermöglicht bei gegebener Abmessung des Substrats besonders lange Spuren sowie große maximale Laufzeiten und damit einen besonders großen Codeumfang.

Das Oberflächenwellenelement jedweder Ausgestaltung ist vorzugsweise ausgelegt für einen Betrieb mit Oberflachenwellen einer Frequenz zwischen 100 MHz und 4 GHz, insbesondere um die standardisierte ISM-Frequenz von 2,45 GHz. Insbesondere ist das Oberflächenwellenelement ein Bestandteil einer Identifizierungsmarke.

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Die Darstellungen der Zeichnungen sind zu verstehen als Skizzen; m keinem Fall wird geltend gemacht, dass die Zeichnung eine maßstabsgetreue vollständige oder teilweise Widergabe eines realen Oberflachenwellenele- mentes sei. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht auf ein Oberflächenwellenelement; Figuren 2, 3 und 4 Ausfuhrungsbeispiele für Elemente, die m Figur 1 nur schemenhaft dargestellt sind.

Das m Figur 1 dargestellte Oberflächenwellenelement ist aufgebaut auf einem Substrat 1 aus einem piezoelektrischen Kristall, insbesondere Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder Langasit. Auf diesem Substrat 1 ist eine plane Oberflache 2 gebildet, und auf dieser planen Oberflache 2 sind die Ele- mente des Oberflachenwellenelements angeordnet. Zunächst sind drei Spuren 3 oder 4 zur Ausbreitung akustischer Oberflachenwellen bestimmt. Die akustischen Oberflachenwellen werden erzeugt von einer Wandleranordnung umfassend drei elektroakus- tische Wandler 5. Jeder Wandler 5 definiert eine eindeutige Beziehung zwischen den akustischen Oberflachenwellen auf der zugehörigen Spur 3 oder 4 sowie einem anliegenden elektrischen Signal; Mittel zum Anlegen dieses elektrischen Signals sind der Übersicht halber nicht dargestellt. Jede Spur 3 oder 4 umfasst mehrere erste Reflektoren 6, deren jeder eine von der Wandleranordnung 5 auslaufende Oberflachenwelle m eine nach einer zugehörigen eindeutig bestimmten Verzogerungszeit bei der Wandleranordnung 5 eintreffende reflektierte Oberflachenwelle reflektiert. Dabei sind jede zwei erste Reflektoren 6, deren zugehörige Verzogerungszeiten einander unmittelbar folgen, auf verschiedenen Spuren 3 oder 4 angeordnet. Insbesondere erkennt man, dass den Spuren 3 und 4 eine Reihenfolge zugewiesen ist und die ersten Reflektoren 6 entsprechend ei-

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^ ΓΛ

hinsichtlich der bei der Fertigung einzuhaltenden Toleranzen denselben Bedingungen wie ein Reflektor. Es sei erwähnt, dass als Phasenkorrektor auch ein einfacher entsprechend dimensionierter Metallstreifen benutzt werden kann; allerdings hat dessen Auslegung unter Umständen anderen Grundsätzen als die Auslegung eines Reflektors zu folgen und würde dementsprechend die Auslegung des gesamten Oberflachenwellenelements erschweren.

Claims

Patentansprüche

1. Oberflächenwellenelement umfassend: a) ein Substrat (1) mit einer planen Oberflache (2), auf welcher mehrere Spuren (3,4) zur Ausbreitung akustischer Oberflachenwellen bestimmt sind; b) eine auf der Oberflache (2) angeordnete Wandleranordnung (5), von der ede Spur (3,4) ausgeht und welche eine ein^¬ deutige Beziehung zwischen den akustischen Oberflachen- wellen auf den Spuren (3,4) sowie einem anliegenden e- lektπschen Signal definiert; c) auf jeder Spur (3,4) mehrere erste Reflektoren (6), deren jeder eine von der Wandleranordnung (5) auslaufende Oberflachenwelle m eine nach einer zugehörigen eindeutig be- stimmten Verzogerungszeit bei der Wandleranordnung (5) eintreffende reflektierte Oberflachenwelle reflektiert; dadurch gekennzeichnet, dass jede zwei erste Reflektoren (6), deren zugehörige Verzogerungszeiten einander unmittelbar folgen, auf verschiedenen Spuren (3,4) angeordnet sind.

2. Oberflächenwellenelement nach Anspruch 1, bei dem den Spuren (3,4) eine Reihenfolge zugewiesen ist und die ersten Reflektoren (6) entsprechend einer Folge ihrer zugehörigen Ver- zogerungszeiten zyklisch auf die Spuren (3,4) verteilt sind.

3.Oberflachenwellenelement nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Spuren (3,4) zumindest zwei Spuren (3,4) umfassen, deren jede zumindest einen letzten Reflektor (7) auf- weist, wobei alle ersten Reflektoren zwischen dem letzten Reflektor (7) und der Wandleranordnung angeordnet sind, und wobei die letzten Reflektoren (7) von der Wandleranordnung (5) gleichzeitig erzeugte Oberflachenwellen derart reflektieren, dass die reflektierten Oberflachenwellen gleichzeitig an der Wandleranordnung (5) eintreffen.

4. Oberflächenwellenelement nach Anspruch 3, bei dem jede Spur (3,4) höchstens zwei letzte Reflektoren (7) aufweist.

5. Oberflächenwellenelement nach einem der vorigen Anspr che, bei dem alle Spuren (3,4) untereinander parallel sind.

6. Oberflächenwellenelement nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem zwischen jeden zwei einander unmittelbar benachbarten Spuren (3,4) eine zugehörige akustische Sperre (9) angeordnet

7. Oberflächenwellenelement nach 7Λnspruch 6, bei dem die Sperre (9) ein Absorber (9) ist.

8. Oberflächenwellenelement nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Wandleranordnung (5) für jede Spur (3,4) einen zugehörigen Wandler (5) umfasst.

9. Oberflächenwellenelement nach Anspruch 8, bei dem alle Wandler (5) elektrisch untereinander parallelgeschaltet sind.

10. Oberflächenwellenelement nach einem der vorigen Anspr che, bei dem die Wandleranordnung (5) unidirektional hinsichtlich der Erzeugung von Oberflachenwellen ist.

11. Oberflächenwellenelement nach einem der vorigen Ansprüche, welches ausgelegt ist für einen Betrieb mit Oberflachenwellen einer Frequenz zwischen 100 MHz und

4 GHz.

12. Oberflächenwellenelement nach einem der vorigen Ansprüche, welches ein Bestandteil einer Identifizierungsmarke