WO2004079903A1 - Elektroakustischer wandler für mit oberflächenwellen arbeitendes bauelement - Google Patents

Elektroakustischer wandler für mit oberflächenwellen arbeitendes bauelement Download PDF

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WO2004079903A1
WO2004079903A1 PCT/EP2003/014353 EP0314353W WO2004079903A1 WO 2004079903 A1 WO2004079903 A1 WO 2004079903A1 EP 0314353 W EP0314353 W EP 0314353W WO 2004079903 A1 WO2004079903 A1 WO 2004079903A1
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WO
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fingers
transverse
gaps
finger
group
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PCT/EP2003/014353
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Hauser
Ulrike Roesler
Werner Ruile
Original Assignee
Epcos Ag
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Publication date
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Priority to US10/547,852 priority patent/US7449812B2/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/125—Driving means, e.g. electrodes, coils
    • H03H9/145—Driving means, e.g. electrodes, coils for networks using surface acoustic waves
    • H03H9/14517—Means for weighting
    • H03H9/14523—Capacitive tap weighted transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
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    • H03H9/145—Driving means, e.g. electrodes, coils for networks using surface acoustic waves
    • H03H9/14517—Means for weighting

Definitions

  • Electroacoustic transducer for component working with surface waves
  • the invention relates to an electroacoustic transducer for a component working with surface waves.
  • An electroacoustic transducer usually comprises two comb-like electrodes arranged on a piezoelectric substrate with interlocking fingers, usually arranged on a periodic grid.
  • An electrical signal applied to the electrodes excites a surface acoustic wave when the signal frequency corresponds to the period of the finger structure.
  • the properties of an electroacoustic transducer are essentially determined by the number, width, connection sequence and longitudinal position (i.e. position along the propagation of the acoustic wave) of the fingers and by
  • Aperture i.e. the length of the active overlap area of the fingers of different electrodes arranged next to one another.
  • Electroacoustic transducers for surface wave components are used in particular in the construction of reactance filters.
  • Weighted transverse filters are also known which have transducers with a transverse overlap profile of the electrode fingers.
  • the overlap profile is used to design the pulse excitation in the time domain, which ideally should provide a rectangular pass band of the transfer function in the frequency domain.
  • insertion loss corresponds to the maximum attenuation of a signal passing through the filter in the pass band. Everything that increases the insertion loss worsens the transmission properties of the overall system, so that the lowest possible losses should also be sought here.
  • Transducers or resonators that are used in reactance filters should therefore have the largest possible real part of the input admittance at their resonance frequency.
  • part of the energy of the acoustic wave is lost in particular in that the approximately rectangular excitation profile in the transducer deviates from the existing energy density profile of the wave, the electrically excited acoustic wave only partially due to the mismatching of the excitation to the actual energy distribution can be converted into an electrical signal, which is why signal losses occur.
  • Size describes the distribution of this size as a function of the corresponding spatial coordinate, the x and y axes being selected as the lateral or transverse direction.
  • An energy density profile is understood here to mean in particular the decrease in the energy density in peripheral areas compared to a centrally arranged area.
  • the energy density profile can be determined in a converter or resonator, for example, by performance tolerance measurements, the migration of the electrode material being a measure of the energy density at the given location.
  • the longitudinal excitation profile can be set by means of a transverse weighting of the aperture, the maximum aperture in the center of the transducer being selected and decreasing towards the outside. Such a weighting of the aperture, however, reduces the active area in which the acoustic wave is excited.
  • the energy density profile which is not least caused by edge effects, is rather pronounced in the transverse direction, since the longitudinal length of a transducer designed as a resonator is generally much greater than its transverse length. The edge effects and the associated losses play an ever greater role with ever smaller apertures.
  • the object of the present invention is to provide an electroacoustic transducer for a component operating with surface waves, in which the losses at the resonant frequency of the transducer are low.
  • the invention specifies an electroacoustic transducer for a component working with surface waves, which has a first electrode and a second electrode with fingers that alternately engage with one another.
  • the first and the second electrode comprise a first and a second busbar, respectively, to which the fingers are connected.
  • the electrode has, in particular, longer fingers, which serve to excite the acoustic wave in the active region of the transducer, and considerably shorter stub fingers, a longer finger of one electrode facing the stub finger of the opposite electrode in the transverse direction, and between the free ones (of the respective one)
  • a gap is arranged on the ends of the fingers or stub fingers facing away from the busbar. The gap is therefore the gap between the finger and the stub finger opposite it.
  • the transverse position of a gap the position of the gap center relative to the coordinate origin of the transverse axis (y-axis), the z. B. may correspond to the inwardly facing edge of the busbar designated.
  • the gap position is varied over the length of the transducer.
  • the latter variation is limited to the transversal edge areas of the transducer.
  • the transversal size of the edge areas is comparable with this in terms of magnitude, particularly in the case of a small transversal length (aperture) of the active area.
  • an acoustic wave of wavelength ⁇ can be excited in the transducer, which has on the one hand a longitudinal and a transverse excitation profile and on the other hand a longitudinal and a transverse energy density profile.
  • the energy density decreases towards the busbars.
  • the longitudinal excitation profile ie the course of the amplitude A (x) of the wave in the longitudinal direction, is approximately constant and deviates outwards from the longitudinal energy density profile e (x).
  • the position of the gaps arranged in the vicinity of the respective busbar has a variation for setting the transverse excitation profile, the transverse excitation profile A (y) and the transverse energy density profile e (y) essentially matching.
  • Excitation profile to the existing energy density profile is achieved by varying the gap positions, an optimal energy transfer is achieved, whereby losses caused by excitation of the wave in areas with a low energy density are reduced.
  • the transducer In the preferred embodiment of the transducer according to the invention, several finger groups are provided in the longitudinal direction and an active region of transversal length W> 3 ⁇ in the transverse direction which has no gaps.
  • the edge areas are arranged between the active area and the busbars.
  • the active area and the edge areas each have excitation zones, in which fingers of opposite polarity face each other in the longitudinal direction, the number of
  • Excitation zones in a group of fingers corresponds to the number of polarity changes of the fingers.
  • the active area of a group of fingers points longitudinally
  • Gaps arranged in a busbar in a group of fingers can assume a number M of different values, where k is an integer from 1 to M and 2 M M N N / 2. The respective
  • the edge area of a group of fingers comprises one
  • Edge tracks The number of excitation zones of an edge track in a group of fingers is less than N and decreases with several edge tracks towards the conductor rails.
  • the width of the marginal traces in a group of fingers can vary.
  • Excitation zones in the active area or in the peripheral area can differ from group to group.
  • the gap length, the finger width and the shape of the gaps can vary in a group of fingers or from group to group.
  • the variation of the transverse position of the gaps is preferably periodic in the longitudinal direction.
  • the size and / or shape of the gaps in the longitudinal direction can also be varied periodically.
  • one or more floating metal structures which are preferably designed as metal strips, are arranged in the gaps.
  • the floating metal structures are preferably provided in the vicinity of the busbars on both sides of the converter. The excitation strength is reduced in a marginal area formed in this way by the Electrodes of the converter distributes the voltage across the "capacitance cascade".
  • the fingers are combined into groups with a predetermined number of at least four fingers each, so that each group of fingers extends over a length of at least two wavelengths, each group of fingers with respect to the relative transverse position, size and / or the shape of the gaps and / or the metal structures arranged in the gaps has a pattern.
  • the patterns in all groups are at least largely the same, but can be shifted relative to one another with regard to their absolute transverse arrangement in the converter. It is also possible to vary the patterns from group to group, the variation being periodic across all groups.
  • a periodic variation with respect to the transverse position and / or size of the gaps can be sinusoidal, triangular or semicircular.
  • a number of finger groups can be divided into subgroups, each of which has a subgroup pattern, with at least two different subgroup patterns occurring alternately at least once per finger group within each finger group.
  • the pattern of the gap position in a group of fingers or the subgroup pattern comprises a linear variation in the direction of wave propagation of the transverse position and / or the size of the gaps or a combination of several linear variations.
  • electrodes have split fingers at certain points. It is also possible to interchange the connection sequence of the fingers to the first and second electrodes for individual fingers. Individuals are in the active area fingers arranged side by side connected to the same electrode, ie the corresponding excitation zones fail.
  • finger widths and / or finger spacings can increase in the longitudinal direction and / or change regularly or irregularly in the transverse direction.
  • the relative transverse position, size and / or shape of the gaps in the region of opposite finger ends can vary independently of one another over the longitudinal transducer length.
  • a converter according to the invention can be designed as a cascaded converter with partial converters connected in series.
  • the converter according to the invention can, for. B. on a piezoelectric substrate made of quartz, lithium niobate, lithium tantalate or langasite.
  • DMS filter Double Mode Surface Acoustic Wave Filter
  • TMR Transversal Mode Resonator
  • SPUDT Single Phase Unidirectional Transducer
  • Figures 1 to 4 show advantageous embodiments of a transducer according to the invention with a variation of the transverse position of the gaps
  • FIGS. 5a, 5b and 6 show advantageous configurations of a transducer according to the invention with floating metal structures arranged in the gaps
  • Figure 1 shows a simple embodiment of the invention.
  • a section of a converter designed as a normal finger converter is shown in the region of a first busbar 3.
  • Fingers 3b and stub fingers 3a serving to excite the acoustic wave are connected to the first busbar 3.
  • the comb-like structure thus formed forms a first electrode.
  • the fingers 3b of the first electrode are arranged alternately with fingers 13b of a second electrode, which is only partially shown here.
  • This transducer has two fingers 3b, 13b per wavelength. Two electrode fingers of different polarity arranged next to one another each form an excitation zone in their (transverse) overlap area, some of which are shown in FIG. 1 as an example with an inclined area
  • the transducer is divided into transverse areas that differ from one another in the number of excitation zones.
  • the number N of excitation zones in a selected transverse area (edge area or active area) of a group corresponds to the number of polarity changes from finger to finger, which corresponds to the number of fingers in the group in the case of normal finger transducers.
  • the transverse area of a group of fingers that shows the largest (maximum) number of excitation zones is called the active area AB.
  • the transverse areas, which are arranged between the active area AB and the first and / or the second busbar and have a smaller number of excitation zones per group of fingers, are called edge areas.
  • An edge area can consist of one or more edge tracks of the same or different transverse lengths.
  • the transverse length W of the active area is at least three wavelengths ⁇ .
  • the transverse length D of the edge region is preferably between ⁇ and W.
  • the converter shown varies over its length with respect to the transverse gap position, the gap position (ie the position of the gap center, measured from the inner edge of the first busbar 3) having two different values y ⁇ and y 2 .
  • the gap positions yi and y 2 define an edge trace of an edge region RB between them.
  • Ten fingers each form a group G1, G2.
  • the finger group has a pattern with regard to the variation of the gap position, in this case four gaps with the gap position y] _ and one gap with the gap position y 2 .
  • This pattern is periodic in the lateral direction.
  • the active area AB has ten excitation zones per finger group, the edge area RB has eight excitation zones per finger group. Therefore, the amplitude of the wave excited in the edge area RB in this example is 4/5 the amplitude of the wave excited in the active area AB.
  • the excitation profile A (x) remains approximately constant in the lateral direction, if one neglects the slight periodic changes.
  • FIG. 2 shows a further advantageous embodiment of a transducer according to the invention with a variation of the transverse gap position.
  • Each group of fingers Gl, G2 comprises six fingers.
  • the number of excitation zones in the edge area RB is four, which corresponds to 2/3 of the amplitude of the acoustic wave excited in the active area.
  • the width of the edge tracks RS and RS1 is chosen differently.
  • the finger groups Gl, G2, which are of the same design here include six fingers each.
  • the number of excitation zones in the edge tracks RS or RS1 is 4 or 2, which corresponds to 2/3 and 1/3 of the amplitude of the acoustic wave excited in the active area.
  • the pattern of the transverse gap arrangement and the number of fingers in a group of fingers can vary from group to group.
  • the number of gaps at a certain gap position y ⁇ , where k is an integer from 1 to M, can also be more than 1 in a group of fingers, as indicated in FIG. 4.
  • the transducer shown in detail in FIG. 4 has a plurality of finger groups, preferably identical to the group G1, the comparatively large group G1 being subdivided into smaller subgroups G1, G12 and G13 with different patterns of the transverse gap arrangement or with a different number of fingers ,
  • Subgroup Gll, G12 and G13 has three edge tracks RS, RS1 and RS2, which in this case are chosen to be approximately the same size in the transverse direction.
  • the relative excitation strength decreases in the edge tracks RS, RS1 and RS2 of the edge area RB from the active area AB to the busbar 3 in a ratio of 5/6, 3/6 and 1/6.
  • FIG. 5a and 5b show an advantageous embodiment of a transducer according to the invention, shown in sections or only in relevant areas, with floating (ie electrically non-connected) metal structures 2 arranged in the gaps 4.
  • the metal structures 2 form a “capacitance cascade” between the ends of the fingers of the first and the second electrode, as a result of which the excitation strength in the edge region RB decreases in comparison to the active region AB.
  • the transverse arrangement of the gap centers and the metal structures 2 in the subgroup G12 is the same as that in the subgroup Gll except for one
  • a second edge region RB1 arranged between the active region AB and the second busbar 13 is identical to the first edge region RB described above, see FIG. 5b.
  • Fingers 13b and stub fingers 13a are connected to the second busbar 13.
  • Floating metal structures 12 are provided in the gaps 14 arranged in the vicinity of the second busbar 13.
  • FIG. 1 A further exemplary embodiment of the invention is shown in FIG. Several floating metal structures 2, 2a and 2b are shown here in the gaps 4. The arrangement of the subgroups Gll, G12 is identical to that of Figure 5a.
  • the invention has only been illustrated with the aid of a few embodiments, but is not restricted to these. Further variation possibilities arise in particular with regard to the possible combination of the arrangements presented above.
  • the size, shape and / or the transverse gap position can also be varied independently of one another.
  • the invention is not restricted to a specific frequency range or a specific application range.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Abstract

Die Erfindung schlägt einen elektroakustischen Wandler für ein mit Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement vor, der zwei Elektroden mit jeweils an eine Stromschiene angeschlossenen, alternierend angeordneten Fingern und Stummelfingern aufweist, wobei die einander gegenüberliegenden Finger und Stummelfinger voneinander durch Gaps getrennt sind. Dabei weist die Position der Gaps in transversaler Richtung eine vorzugsweise periodische Variation auf. Das Muster der Variation der Gap-Position, das insbesondere die Anregungsstärke der akustischen Welle im Randbereich des Wandlers beeinflußt, ist so ausgewählt, daß das Anregungsprofil der akustischen Welle an das vorgegebene Energiedichteprofil angepaßt ist. Durch eine solche Anpassung gelingt es, Signalverluste bei der Resonanzfrequenz deutlich zu reduzieren.

Description

Beschreibung
Elektroakustischer Wandler für mit Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement
Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler für ein mit Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement.
Ein elektroakustischer Wandler umfaßt meist zwei auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnete kammartige Elektroden mit ineinander greifenden, meist auf periodischem Raster eingeordneten Fingern. Ein elektrisches Signal, das an die Elektroden angelegt wird, regt eine akustische Oberflächenwelle an, wenn die Signalfrequenz der Periode der Fingerstruktur entspricht.
Die Eigenschaften eines elektroakustischen Wandlers werden im wesentlichen durch Anzahl, Breite, Anschlußfolge und longitudinale Position (d. h. Position entlang der Ausbreitung der akustischen Welle) der Finger sowie durch
Apertur (d. h. die Länge des aktiven Überlappungsbereiches der nebeneinander angeordneten Finger unterschiedlicher Elektroden) vorgegeben. Diese sind in der Regel so gewählt, daß möglichst nur eine akustische Schwingungsmode angeregt wird, auf die hin das Design bzgl. der genannten variierbaren Parameter optimiert wird.
Elektroakustische Wandler für Oberflächenwellenbauele ente werden insbesondere beim Aufbau von Reaktanzfiltern verwendet .
Es sind z. B. Eintorresonatoren bekannt, die einen beidseitig durch Reflektoren begrenzten Wandler aufweisen. Ferner sind DMS-Filter (Double Mode Surface Acoustic Wave Filter) und Mehrtorresonatoren mit mehreren akustisch miteinander gekoppelten Wandlern bekannt. Des weiteren sind Filter mit SPUDT-Wandlern (Single Phase Unidirectional Transducer) mit bevorzugter Abstrahlungsrichtung der akustischen Welle bekannt .
Es sind auch gewichtete transversale Filter bekannt, die Wandler mit einem transversalen Überlappungsprofil der Elektrodenfinger aufweisen. Dabei wird das Überlappungsprofil zur Ausgestaltung der Impulsanregung im Zeitbereich genutzt, die im Frequenzbereich idealerweise einen rechteckigen Durchlaßbereich der Übertragungsfunktion liefern soll.
Eine wichtige Kenngröße der Reaktanzfilter ist die Einfügedämpfung, die der maximalen Dämpfung eines das Filter durchlaufenden Signals im Durchlaßbereich entspricht. Alles, was die Einfügedämpfung erhöht, verschlechtert die Übertragungseigenschaften des Gesamtsystems, so daß hier auch geringstmögliche Verluste anzustreben sind.
Wandler oder Resonatoren, die in Reaktanzfiltern verwendet werden, sollten bei ihrer Resonanzfrequenz deshalb einen möglichst großen Realteil der Emgangsadmittanz aufweisen. In den bisher bekannten Wandlern geht allerdings ein Teil der Energie der akustischen Welle insbesondere dadurch verloren, daß im Wandler das annähernd rechteckige Anregungsprofil von dem vorhandenen Energiedichteprofil der Welle abweicht, wobei die elektrisch angeregte akustische Welle aufgrund der Fehlanpassung der Anregung an die tatsächliche Energieverteilung nur teilweise in ein elektrisches Signal umgesetzt werden kann, weswegen Signalverluste entstehen.
Das (laterale oder transversale) Profil einer physikalischen
Größe beschreibt die Verteilung dieser Größe in Abhängigkeit von der entsprechenden Ortskoordinate, wobei die x- bzw. die y-Achse als laterale bzw. transversale Richtung gewählt sind. Unter einem Energiedichteprofil wird hier insbesondere die Abnahme der Energiedichte in Randbereichen verglichen mit einem zentral angeordneten Bereich verstanden. Das Energiedichteprofil kann in einem Wandler oder Resonator beispielsweise durch Leistungsverträglichkeits-Messungen ermittelt werden, wobei die Migration des Elektrodenmaterials ein Maß für Energiedichte am gegebenen Ort sein kann.
Es ist bekannt, daß das longitudinale Anregungsprofil durch eine transversale Wichtung der Apertur eingestellt werden kann, wobei die Apertur in der Mitte des Wandlers maximal gewählt ist und nach außen hin abnimmt . Eine solche Wichtung der Apertur verringert allerdings den aktiven Bereich, in dem die akustische Welle angeregt wird. Darüber hinaus ist das nicht zuletzt durch Randeffekte hervorgerufene Energiedichteprofil vielmehr in transversaler Richtung ausgeprägt, da die longitudinale Länge eines als Resonator ausgebildeten Wandlers in der Regel wesentlich größer als seine transversale Länge ist . Die Randeffekte und die damit verbundenen Verluste spielen bei immer kleiner werdenden Aperturen eine immer größere Rolle.
Es ist möglich, das transversale Anregungsprofil, d. h. die von der transversalen Koordinate y abhängige Amplitude A(y) der akustischen Welle, an das transversale Energiedichteprofil E (y) anzupassen, indem die Finger zur Stromschiene hin verjüngt werden, wobei die Amplitude der angeregten Welle in Randbereichen im Vergleich zu dem zentral angeordneten aktiven Bereich abnimmt. Diese Lösung hat den Nachteil, daß der Fingerwiderstand mit der kleineren Fingerbreite größer wird. Außerdem ist die Mindestbreite der Metallstrukturen technologisch begrenzt, was insbesondere bei für höhere Frequenzen ausgelegten Wandlern oder Resonatoren zu einem Problem wird.
Eine weitere Möglichkeit zur Anpassung des Anregungsprofils an das Energiedichteprofil besteht darin, die Finger zur Stromschiene hin breiter auszubilden, was allerdings zur
Anregung schädlicher Volumenwellen und damit zur Steigerung der Verluste führen würde . Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektroakustischen Wandler für ein mit Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement anzugeben, in dem die Verluste bei der Resonanzfrequenz des Wandlers gering sind.
Aufgabe der Erfindung wird durch einen elektroakustischen Wandler gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung gibt einen elektroakustischen Wandler für ein mit Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement an, der eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode mit vorzugsweise alternierend ineinander greifenden, Fingern aufweist. Die erste bzw. die zweite Elektrode umfaßt eine erste bzw. eine zweite Stromschiene, an die jeweils die Finger angeschlossen sind. Die Elektrode weist insbesondere längere, zur Anregung der akustische Welle im aktiven Bereich des Wandlers dienende Finger sowie wesentlich kürzere Stummelfinger auf, wobei ein längerer Finger einer Elektrode dem Stummelfinger der gegenüberliegenden Elektrode in transversaler Richtung gegenüber steht, und wobei zwischen den freien (von der jeweiligen Stromschiene abgewandten) Enden der Finger bzw. Stummelfinger jeweils ein Gap angeordnet ist. Das Gap ist also der Zwischenraum zwischen dem Finger und dem ihm gegenüberliegenden Stummelfinger. Als transversale Position eines Gaps wird im folgenden die Position der Gap-Mitte relativ zum Koordinatenursprung der transversalen Achse (y- Achse) , der z. B. mit dem nach innen zu den Fingern gewandten Rand der Stromschiene übereinstimmen kann, bezeichnet.
Erfindungsgemäß wird die Gap-Position über die Länge des Wandlers variiert. Letztgenannte Variation beschränkt sich dabei auf die transversalen Randbereiche des Wandlers . Die transversale Größe der Randbereiche ist insbesondere bei kleiner transversaler Länge (Apertur) des aktiven Bereiches mit dieser größenordnungsmäßig vergleichbar. Im Wandler ist bei der Resonanzfrequenz eine akustische Welle der Wellenlänge λ anregbar, die einerseits ein longitudinales und ein transversales Anregungsprofil und andererseits ein longitudinales und ein transversales Energiedichteprofil aufweist. Dabei nimmt die Energiedichte zu den Stromschienen hin ab. Das longitudinale Anregungsprofil, d. h. der Verlauf der Amplitude A(x) der Welle in longitudinaler Richtung, ist annähernd konstant und weicht nach außen hin vom longitudinalen Energiedichteprofil e (x) ab.
Die Position der in der Nähe der jeweiligen Stromschiene angeordneten Gaps weist erfindungsgemäß eine Variation zur Einstellung des transversalen Anregungsprofils auf, wobei das transversale Anregungsprofil A(y) und das transversale Energiedichteprofil e (y) im Wesentlichen übereinstimmen.
Der erfindungsgemäße Wandler hat gegenüber bisher bekannten Wandlern für mit akustischen Oberflächen arbeitende Bauelemente den Vorteil, daß durch die Anpassung des
Anregungsprofils an das vorhandene Energiedichteprofil mittels Variation der Gap-Positionen eine optimale Energieübertragung erzielt wird, wobei durch Anregung der Welle in Bereichen mit einer geringen Energiedichte hervorgerufene Verluste reduziert werden.
In der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers sind in longitudinaler Richtung mehrere Fingergruppen, in transversaler Richtung ein aktiver Bereich transversaler Länge W > 3λ vorgesehen, der keine Gaps aufweist. Zwischen dem aktiven Bereich und den Stromschienen sind die Randbereiche angeordnet. Der aktive Bereich und die Randbereiche weisen jeweils Anregungszonen auf, in denen Finger entgegengesetzter Polarität in longitudinaler Richtung einander gegenüber stehen, wobei die Anzahl der
Anregungszonen in einer Fingergruppe der Anzahl der Polaritätswechsel der Finger entspricht. Der aktive Bereich einer Fingergruppe weist in longitudinaler
Richtung eine Anzahl N von nebeneinander angeordneten
Anregungszonen auf, wobei N ≥ 2 . Die relative transversale Position y^ der Mitten der in der Nähe der jeweiligen
Stromschiene angeordneten Gaps in einer Fingergruppe kann eine Anzahl M von unterschiedlichen Werten annehmen, wobei k eine ganze Zahl von 1 bis M ist und 2 ≤ M ≤ N/2 . Der jeweilige
Randbereich hat eine transversale Länge D = y^ - y^ , wobei λ < D < W. Der Randbereich einer Fingergruppe umfaßt eine
Anzahl (M - 1) von jeweils zwischen zwei transversal benachbarten Gap-Positionen yk und vA+1 angeordneten
Randspuren. Die Anzahl der Anregungszonen einer Randspur in einer Fingergruppe ist kleiner als N und nimmt bei mehreren Randspuren zu den Stromschienen hin ab.
Die Breite der Randspuren in einer Fingergruppe kann variieren. Die Anzahl M der Variationen der Gap-Position, die transversale Länge D des Randbereiches, die Breite der Randspuren, die Anzahl der Finger, die Anzahl der
Anregungszonen im aktiven Bereich bzw. im Randbereich können sich von Gruppe zu Gruppe unterscheiden. Zusätzlich kann die Gap-Länge, die Fingerbreite und die Form der Gaps in einer Fingergruppe oder von Gruppe zu Gruppe variieren.
Die Variation der transversalen Position der Gaps erfolgt in longitudinaler Richtung vorzugsweise periodisch. Die Variation der Größe und/oder der Form der Gaps in longitudinaler Richtung kann auch periodisch erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung sind in den Gaps jeweils eine oder mehrere floatende Metallstrukturen, die vorzugsweise als Metallstreifen ausgebildet sind, angeordnet. Die floatenden Metallstrukturen sind vorzugsweise in der Nähe der Stromschienen beidseits des Wandlers vorgesehen. Die Anregungsstärke wird in einem so gebildeten Randbereich reduziert, indem sich die an den Elektroden des Wandlers anliegende Spannung über die „Kapazitätskaskade" aufteilt.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß zumindest ein Teil der Finger zu Gruppen mit vorgegebener Anzahl von jeweils zumindest vier Fingern zusammengefaßt ist, so daß jede Fingergruppe sich über eine Länge von zumindest zwei Wellenlängen erstreckt, wobei jede Fingergruppe bezüglich der relativen transversalen Position, Größe und/oder Form der Gaps und/oder der in den Gaps angeordneten Metallstrukturen ein Muster aufweist . Die Muster in allen Gruppen stimmen dabei zumindest weitgehend überein, können aber bezüglich ihrer absoluten transversalen Anordnung im Wandler gegeneinander verschoben sein. Möglich ist es auch, die Muster jeweils von Gruppe zu Gruppe zu variieren, wobei die Variation über alle Gruppen periodisch ist.
Eine periodische Variation bezüglich transversaler Position und/oder Größe der Gaps kann sinusförmig, dreiecksförmig oder halbkreisförmig ausgeführt sein.
Eine Anzahl von Fingergruppen kann in Untergruppen, die jeweils ein Untergruppenmuster aufweisen, aufgeteilt sein, wobei innerhalb jeder Fingergruppe zumindest zwei unterschiedliche Untergruppenmuster alternierend zumindest je einmal pro Fingergruppe vorkommen.
Des weiteren ist es vorgesehen, daß das Muster der Gap- Position in einer Fingergruppe oder das Untergruppenmuster eine in Wellenausbreitungsrichtung lineare Variation der transversalen Position und/oder der Größe der Gaps oder eine Kombination aus mehreren linearen Variationen umfaßt.
Es ist möglich, daß Elektroden an bestimmten Stellen Splitfinger aufweisen. Möglich ist es auch, die Anschlußfolge der Finger an die erste und die zweite Elektrode für einzelne Finger zu vertauschen. Dabei sind einzelne im aktiven Bereich nebeneinander angeordnete Finger an dieselbe Elektrode angeschlossen, d. h. die entsprechenden Anregungszonen fallen aus.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können Fingerbreiten und/oder Fingerabstände in longitudinaler Richtung zunehmen und/oder sich in transversaler Richtung regelmäßig oder unregelmäßig ändern.
Die relative transversale Position, Größe und/oder Form der Gaps im Bereich einander gegenüberliegender Fingerenden kann über die longitudinale Wandlerlänge unabhängig voneinander variieren.
Ein erfindungsgemäßer Wandler kann als kaskadierter Wandler mit in Serie geschalteten Teilwandlern ausgebildet sein.
Der erfindungsgemäße Wandler kann z. B. auf einem piezoelektrischen Substrat aus Quarz, Lithiumniobat , Lithiumtantalat oder Langasit angeordnet sein.
Der erfindungsgemäße Wandler kann in einem DMS-Filter (Double Mode Surface Acoustic Wave Filter) , einem TMR-Filter (TMR = Transversal Mode Resonator) oder einem SPUDT-Resonator (SPUDT = Single Phase Unidirectional Transducer) verwendet werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen und daher nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert .
Figuren 1 bis 4 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Wandlers mit einer Variation der transversalen Position der Gaps
Figuren 5a, 5b und 6 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Wandlers mit in den Gaps angeordneten floatenden Metallstrukturen Figur 1 zeigt eine einfache Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt ist ausschnittsweise ein als Normalfingerwandler ausgeführter Wandler im Bereich einer ersten Stromschiene 3. An die erste Stromschiene 3 sind zur Anregung der akustischen Welle dienende Finger 3b und Stummelfinger 3a angeschlossen. Die so gebildete kammartige Struktur bildet eine erste Elektrode. Die Finger 3b der ersten Elektrode sind mit Fingern 13b einer zweiten, hier nur teilweise gezeigten Elektrode alternierend angeordnet.
Dieser Wandler weist zwei Finger 3b, 13b pro Wellenlänge auf. Zwei nebeneinander angeordnete Elektrodenfinger unterschiedlicher Polarität bilden in ihrem (transversalen) Überlappungsbereich jeweils eine Anregungszone, von der in der Figur 1 einige beispielhaft als Bereich mit schrägen
Strichlinien angedeutet sind. Der Wandler ist in transversale Bereiche aufgeteilt, die sich voneinander durch die Anzahl der Anregungszonen unterscheiden. Die Anzahl N der Anregungszonen in einem ausgewählten transversalen Bereich (Randbereich oder aktiver Bereich) einer Gruppe entspricht der Anzahl der Polaritätswechsel von Finger zu Finger, was bei Normalfingerwandlern der Anzahl der Finger in der Gruppe entspricht. Der transversale Bereich einer Fingergruppe, der die größte (maximale) Anzahl an Anregungszonen ausweist, wird aktiver Bereich AB genannt. Die transversalen Bereiche, die zwischen dem aktiven Bereich AB und der ersten und/oder der zweiten Stromschiene angeordnet sind und eine kleinere Anzahl der Anregungszonen pro Fingergruppe aufweisen, werden Randbereiche genannt . Ein Randbereich kann aus einer oder mehreren Randspuren gleicher oder unterschiedlicher transversaler Länge bestehen.
Die transversale Länge W des aktiven Bereiches beträgt mindestens drei Wellenlängen λ. Die transversale Länge D des Randbereiches liegt vorzugsweise zwischen λ und W. Der dargestellte Wandler variiert über seine Länge bezüglich der transversalen Gap-Position, wobei die Gap-Position (d. h. die Position der Gap-Mitte, gemessen ab dem inneren Rand der ersten Stromschiene 3) zwei unterschiedliche Werte y^ und y2 aufweist. Die Gap-Positionen yi und y2 definieren zwischen sich eine Randspur eines Randbereiches RB. Die transversale Länge D des Randbereiches, d. h. die Länge, um welche die Gaps 4 gegeneinander verschoben sind, beträgt hier D = \ Y2 ~ Yl I • Jeweils zehn Finger bilden eine Gruppe Gl, G2. Die Fingergruppe weist hinsichtlich der Variation der Gap- Position ein Muster auf, in diesem Fall vier Gaps mit der Gap-Position y]_ und ein Gap mit der Gap-Position y2. Dieses Muster ist in lateraler Richtung periodisch. Der aktive Bereich AB weist zehn Anregungszonen pro Fingergruppe auf, der Randbereich RB weist acht Anregungszonen pro Fingergruppe auf. Daher beträgt die Amplitude der im Randbereich RB angeregten Welle in diesem Beispiel 4/5 der Amplitude der im aktiven Bereich AB angeregten Welle.
Bei der hier angegebenen Variation der Gap-Position bleibt das Anregungsprofil A(x) in lateraler Richtung annähernd konstant, wenn man von den geringfügigen periodischen Änderungen absieht.
Figur 2 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wandlers mit einer Variation der transversalen Gap-Position. Jede Fingergruppe Gl, G2 umfaßt sechs Finger. Die Anzahl der Anregungszonen im Randbereich RB ist gleich vier, was 2/3 der Amplitude der im aktiven Bereich angeregten akustischen Welle entspricht.
Der Randbereich RB der in Figur 3 gezeigten Variante eines erfindungsgemäßen Wandlers weist eine Anzahl M = 3 der in einer Fingergruppe Gl, G2 vorgesehenen Gap-Positionen und dementsprechend zwei Randspuren RS bzw. RS1 auf. Dabei ist hier die Breite der Randspuren RS und RS1 unterschiedlich gewählt. Die hier gleich ausgebildeten Fingergruppen Gl, G2 umfassen je sechs Finger. Die Anzahl der Anregungszonen in den Randspuren RS bzw. RS1 ist 4 bzw. 2, was 2/3 und 1/3 der Amplitude der im aktiven Bereich angeregten akustischen Welle entspricht .
Das Muster der transversalen Gap-Anordnung sowie die Anzahl der Finger in einer Fingergruppe kann von Gruppe zu Gruppe variieren.
Die Anzahl der Gaps bei einer bestimmten Gap-Position y^, wobei k eine ganze Zahl von 1 bis M ist, kann in einer Fingergruppe auch mehr als 1 sein, wie dies in Figur 4 angedeutet ist. Der in Figur 4 ausschnittsweise dargestellte Wandler weist mehrere, vorzugsweise mit der Gruppe Gl identische Fingergruppen auf, wobei die vergleichsweise große Gruppe Gl in kleinere Untergruppen Gll, G12 und G13 mit unterschiedlichem Muster der transversalen Gap-Anordnung bzw. mit unterschiedlicher Anzahl der Finger unterteilt ist.
Der Randbereich RB einer Fingergruppe Gl bzw. einer
Untergruppe Gll, G12 und G13 weist drei Randspuren RS, RS1 und RS2 auf, die in diesem Fall in transversaler Richtung annähernd gleich groß gewählt sind. Die relative Anregungsstärke nimmt in den Randspuren RS, RS1 und RS2 des Randbereiches RB vom aktiven Bereich AB zur Stromschiene 3 hin im Verhältnis 5/6, 3/6 und 1/6 ab.
Figur 5a bzw. 5b zeigt eine ausschnittsweise bzw. nur in relevanten Bereichen dargestellte vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wandlers mit in den Gaps 4 angeordneten floatenden (d. h. elektrisch unverbundenen) Metallstrukturen 2. Die Metallstrukturen 2 bilden eine „Kapazitätskaskade" zwischen den Enden der Finger der ersten und der zweiten Elektrode, wodurch die Anregungsstärke im Randbereich RB im Vergleich zum aktiven Bereich AB abnimmt. Die transversale Anordnung der Gap-Mitten und der Metallstrukturen 2 in der Untergruppe G12 ist mit einer solchen in der Untergruppe Gll bis auf eine
Translationsverschiebung in transversaler Richtung identisch. Die Untergruppen Gll bzw. G12 sind in lateraler Richtung alternierend angeordnet.
In der bevorzugten Variante der Erfindung ist ein zweiter, zwischen dem aktiven Bereich AB und der zweiten Stromschiene 13 angeordneter Randbereich RBl mit dem oben beschriebenen ersten Randbereich RB identisch, siehe Figur 5b. In Fällen stark unterschiedlicher Wandlerumgebung auf unterschiedlichen Seiten kann es jedoch auch vorteilhaft sein, die Variation der Gaps auf beiden Seiten entsprechend unterschiedlich zu gestalten.
An die zweite Stromschiene 13 sind Finger 13b und Stummelfinger 13a angeschlossen. In den in der Nähe der zweiten Stromschiene 13 angeordneten Gaps 14 sind floatende Metallstrukturen 12 vorgesehen.
In Figur 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Hier sind in den Gaps 4 mehrere floatende Metallstrukturen 2, 2a und 2b dargestellt. Die Anordnung der Untergruppen Gll, G12 ist mit derjenigen der Figur 5a identisch.
Die Erfindung wurde der Übersichtlichkeit halber nur anhand weniger Ausführungsformen dargestellt, ist aber nicht auf diese beschränkt. Weitere Variationsmöglichkeiten ergeben sich insbesondere im Hinblick auf die mögliche Kombination der oben vorgestellten Anordnungen. Die Größe, Form und/oder die transversale Gap-Position können auch unabhängig voneinander variiert werden. Die Erfindung ist nicht auf einen bestimmten Frequenzbereich oder einen bestimmten Anwendungsbereich beschränkt .

Claims

Patentansprüche
1. Elektroakustischer Wandler für ein mit Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement, enthaltend eine erste Elektrode, die an einer ersten Stromschiene (3) angeschlossene Finger (3b) aufweist, eine zweite Elektrode, die an einer zweiten Stromschiene (13) angeschlossene Finger (13b) aufweist, - wobei die Finger der ersten und der zweiten Elektrode ineinander greifen,
- wobei freie Enden der Finger jeweils an ein Gap (4, 14) grenzen,
- wobei eine akustische Welle der Wellenlänge λ anregbar ist, die einerseits ein longitudinales und ein transversales Anregungsprofil und andererseits ein longitudinales und ein transversales Energiedichteprofil aufweist,
- wobei die transversale Position der in der Nähe der jeweiligen Stromschiene (3, 13) angeordneten Gaps (4,
14) zur Einstellung des transversalen Anregungsprofils über die verschiedenen Gaps variiert, wobei das longitudinale Anregungsprofil annähernd konstant ist und vom longitudinalen Energiedichteprofil abweicht, wobei das transversale Anregungsprofil und das transversale Energiedichteprofil im Wesentlichen übereinstimmen.
2. Wandler nach Anspruch 1,
- bei dem in longitudinaler Richtung mehrere Fingergruppen
(Gl, G2) vorgesehen sind,
- wobei zwischen den beiden Stromschienen (3, 13) ein aktiver Bereich (AB) transversaler Länge W > 3λ und jeweils zwischen dem aktiven Bereich (AB) und einer der Stromschienen (3, 13) Randbereiche (RB) vorgesehen sind, - wobei der aktive Bereich (AB) und die Randbereiche (RB) jeweils Anregungszonen aufweisen, in denen Finger entgegengesetzter Polarität einander in longitudinaler Richtung direkt benachbart sind, - wobei der aktive Bereich (AB) innerhalb einer
Fingergruppe (Gl, G2) in longitudinaler Richtung eine Anzahl N von nebeneinander angeordneten Anregungszonen aufweist, wobei N ≥ 2 ,
- wobei die relative transversale Position der Mitten der in der Nähe der jeweiligen Stromschiene (3, 13) angeordneten Gaps (4, 14) in einer Fingergruppe (Gl, G2) eine Anzahl M von unterschiedlichen Werten yjζ aufweist, wobei k eine ganze Zahl von 1 bis M ist und 2 ≤ M < N/2 ,
- wobei der jeweilige Randbereich (RB) eine transversale Länge D = yj^ - yι aufweist, wobei λ < D < W,
- wobei der Randbereich (RB) einer Fingergruppe (Gl, G2) eine Anzahl M - 1 von transversal zwischen yk, und yk,+l angeordneten Randspuren (RS, RS1, RS2) umfaßt, wobei k" eine ganze Zahl von 1 bis M - 1 ist, - wobei die Anzahl der Anregungszonen einer Randspur (RS,
RS1, RS2) in einer Fingergruppe (Gl, G2) kleiner als N ist und bei mehreren Randspuren zu den Stromschienen (3, 13) hin abnimmt.
3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Variation der transversalen Position der Gaps (4, 14) in longitudinaler Richtung periodisch erfolgt.
4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der eine Variation der Größe und/oder der Form der Gaps
(4, 14) aufweist.
5. Wandler nach Anspruch 3 , bei dem die Variation der Größe und/oder der Form der Gaps (4, 14) in longitudinaler Richtung periodisch erfolgt .
6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der mehrere Randspuren (RS, RS1, RS2) aufweist und bei dem die Randspuren (RS, RS1, RS2) unterschiedliche Breiten aufweisen.
7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem in den Gaps (4, 14) jeweils zumindest eine floatende Metallstruktur (2, 2a, 2b) angeordnet ist.
8. Wandler nach Anspruch 7, bei dem eine oder mehrere floatende Metallstrukturen in den Gaps (4, 14) in der Nähe der Stromschienen (3, 13) beidseits des Wandlers vorgesehen sind.
9. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zumindest die Finger zu Fingergruppen (Gl, G2) mit vorgegebener Anzahl von jeweils zumindest vier Fingern zusammengefaßt sind, wobei jede Fingergruppe sich über eine Länge von zumindest zwei Wellenlängen erstreckt, wobei jede Fingergruppe (Gl, G2) bezüglich der relativen transversalen Position, Größe und/oder Form der Gaps (4, 14) und/oder der floatenden Metallstrukturen (2, 2a, 2b) ein Muster aufweist, wobei die Muster in allen Fingergruppen zumindest weitgehend übereinstimmen, aber bezüglich ihrer absoluten transversalen Anordnung im Wandler gegeneinander verschoben sind, oder wobei die Muster jeweils von Gruppe zu Gruppe eine Variation zeigen, die über alle Fingergruppen periodisch ist.
10. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem periodische Variation bezüglich transversaler Position und/oder Größe der Gaps (4, 14) sinusförmig, dreiecksförmig oder halbkreisförmig ausgeführt ist.
11. Wandler nach Anspruch 9 oder 10, bei dem eine Anzahl von Fingergruppen (Gl, G2) jeweils in Untergruppen aufgeteilt ist, die jeweils ein Untergruppenmuster aufweisen, wobei innerhalb jeder Fingergruppe zumindest zwei unterschiedliche
Untergruppenmuster alternierend zumindest je einmal pro Fingergruppe vorkommen.
12. Wandler nach Anspruch 11, bei dem das Muster der Fingergruppe (Gl, G2) oder das Untergruppenmuster eine in longitudinaler Richtung lineare Variation der transversalen Position und/oder der Größe der Gaps (4, 14) oder eine Kombination aus mehreren linearen Variationen umfaßt.
13. Wandler nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, dessen Elektroden teilweise Splitfinger aufweisen.
14. Wandler nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem eine ursprünglich regelmäßige und alternierende Anschlußfolge der Finger an die erste und die zweite Elektrode für einzelne Finger vertauscht ist, wobei nebeneinander angeordnete Finger im aktiven Bereich (AB) an dieselbe Elektrode angeschlossen sind.
15. Wandler nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14, mit in longitudinaler Richtung zunehmenden Fingerbreiten und/oder Fingerabständen.
16. Wandler nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15, mit sich in transversaler Richtung regelmäßig oder unregelmäßigen ändernden Fingerbreiten und/oder Fingerabständen.
17. Wandler nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die relative transversale Position, Größe und/oder Form der Gaps (4, 14) im Bereich einander gegenüberliegender Fingerenden unterschiedlich variiert sind.
18. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 17, ausgebildet als kaskadierter Wandler mit in Serie geschalteten Teilwandlern.
19. Wandler nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 18, angeordnet auf einem piezoelektrischen Substrat aus Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder Langasit .
20. Wandler nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 19, das in einem DMS-Filter oder einem TMR-Filter verwendet wird.
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