WO2007073722A1 - Mit akustischen wellen arbeitender wandler und filter mit dem wandler - Google Patents

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acoustic
transverse
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    • H03H9/14544—Transducers of particular shape or position
    • H03H9/1455—Transducers of particular shape or position constituted of N parallel or series transducers

Definitions

  • SAW Sur- face Acoustic Wave
  • An object to be solved is to provide a working with surface acoustic waves transducer in which disturbing transverse modes are suppressed.
  • An electroacoustic transducer comprises a piezoelectric substrate and electrode fingers disposed thereon and having an E Lektrodengitter to excite an acoustic wave.
  • a transducer having an acoustic track.
  • the acoustic track is arranged on a piezoelectric substrate.
  • the acoustic track comprises interdigitated electrode fingers connected substantially alternately to a first and a second busbar. Between the differently polarized electrode fingers, a surface wave can be excited, which can propagate within the acoustic track.
  • the acoustic wave propagates in a plane called the x, y plane.
  • the wave can be characterized by a wave vector (k x , k y ) with a longitudinal component k x and a transverse component k y .
  • the components k x , k y are also referred to as longitudinal or transverse wavenumbers.
  • the acoustic track is arranged in the transverse direction y between two outer areas adjacent to it.
  • the shaft is preferably substantially damped or unable to propagate.
  • the amplitude of the wave falls exponentially in the outer region in the direction away from the track transverse direction.
  • the exterior areas may generally be formed by a free or at least partially metallized substrate surface.
  • the acoustic track has an excitation area and two edge areas, wherein the excitation area between the
  • Edge areas is arranged.
  • the edge portions and outer portions are formed such that the longitudinal phase velocity of the acoustic wave in the edge region is greater than in the excitation region, wherein the longitudinal phase velocity in the outer region is smaller than in the excitation region, and wherein k y in the edge region real and imaginary outdoors.
  • the wave is preferably excited only in the excitation region, ie not in the edge regions, it is capable of propagation not only in the excitation region but also in the edge regions, since k y is real.
  • the width of the edge regions is preferably set in such a way that, in the excitation region k y, the amount is preferably substantially - for example. B. at least by a factor of ten - smaller than in the peripheral areas and the outer areas.
  • the transducer Due to the stated construction of the transducer, it is possible to bind the acoustic mode (main mode) to be excited within the acoustic track or substantially within the excitation range.
  • All areas of the acoustic track and the outer areas each extend in the longitudinal direction x and thus parallel to one another.
  • the speed of the wave in the excitation area is greater than in the outer areas, but smaller than in the peripheral areas of the acoustic track.
  • the transducer has the structure of an inverse waveguide in the transverse direction y.
  • the acoustic trace forms the core of this waveguide, while the outer regions form its mantle.
  • a waveguide region is understood to mean a region selected from a first outer region, a second outer region and different regions of the acoustic trace, ie the excitation region and the first and second edge regions.
  • the acoustic wave is characterized by a transverse fundamental mode.
  • the transverse fundamental mode results from the transverse velocity profile of a waveguide formed by the acoustic track and the outer areas, with most of the energy of the acoustic wave concentrated in the acoustic track.
  • At least a portion of the first busbar may be associated with the first exterior area and at least a portion of the second busbar may be associated with the second exterior area.
  • the acoustic wave propagates in accordance with the mostly periodic arrangement of the electrode fingers of the transducers mainly in both longitudinal directions.
  • the transducer can also have a preferred radiation of the excited acoustic waves in only one longitudinal direction.
  • Such a converter can, for. B. be used in a recursive filter.
  • the propagation velocity of the excited surface acoustic wave in the acoustic track is at most piezoelectric substrates, e.g. As quartz, LiNbO 3 , LiTaO 3 by the metallization of the substrate surface - compared with free substrate surface - reduced.
  • a periodic arrangement of transversely extending metal strips will be referred to as a grid arrangement.
  • the metal strips are to adjust the speed of the acoustic wave in principle any acoustic inhomogeneities, u. a. also grooves, suitable.
  • the electrode fingers preferably form a grid arrangement.
  • the grid arrangement can be formed by successive regions of the electrode fingers adjacent to the busbar, each at the same potential, or by an arrangement of stub fingers.
  • the grid arrangement may also be formed as a perforated metal strip.
  • the speed of the surface wave decreases with decreasing distance between the centers of the lattice structures (strips), while the proportion of the metallized surface in the respective transducer region remains the same. This is because the wave is increasingly slowed at the finger edges with the decreasing grating period. Consequently, it is advantageous if, in the edge regions, a speed which is higher than that of the excitation region is achieved by selecting the distance between the periodically arranged metal strips to be higher than in the excitation region.
  • the speed of the surface wave also depends on the metallization ratio, ie on the proportion of metallization th surface, in the respective transducer area. Due to the increasing proportion of the metallized track, the speed of the shaft decreases with increasing metallization ratio, while the periodicity of the grating arrangement remains constant. Consequently, it is advantageous if, in the edge regions, a speed which is higher than that of the excitation region is achieved by selecting the average metallization ratio lower there than in the excitation region. In the outer regions, a lower velocity compared with the excitation region can be achieved by selecting the average metallization ratios there to be greater than in the excitation region. Continuous metallized outdoor areas are particularly advantageous. Other measures to reduce outdoor speed can also be made.
  • a SAW trace may act as a waveguide in the transversal direction along with the outer regions adjacent to it, if there is an angular range around the main propagation direction for which a surface wave is propagatable in the acoustic trace, which wave is preferably total at the boundary to the outer region is reflected, so that no loss occurs by transverse radiation outside the acoustic track.
  • the specified converter can have a track arrangement which comprises a plurality of SAW tracks connected to one another, preferably arranged parallel to one another.
  • This track arrangement together with the outer areas adjacent to it, may also act as a waveguide in the transverse direction if the conditions given above for an acoustic track are met.
  • the deflection of the coupled acoustic wave is also referred to as excitation strength.
  • the acoustic trace is characterized by the excitation intensity (in the longitudinal or transversal direction).
  • the excitation intensity is proportional to the potential difference ⁇ between the longitudinally juxtaposed electrode fingers of different electrodes, which together form a stimulating finger pair.
  • the excitation intensity as a function of the transverse coordinate Y is referred to here as the excitation profile ⁇ y .
  • the waveguide thus formed, several transverse modes (fundamental mode and their harmonics) of the acoustic wave can be excited or propagated.
  • the maximum coupling of the electrical signal at a specific frequency into the fundamental mode of the acoustic wave is achieved if the acoustic track is designed in a transverse direction such that the corresponding transverse excitation profile ⁇ y of the wave is matched to the form ⁇ y of the fundamental mode is, using as a criterion for the adaptation of the relationship
  • ⁇ y is the deflection of the transverse fundamental mode as a function of the transverse coordinate Y.
  • the width of the respective edge region in the transverse direction is preferably ⁇ y / 8 to ⁇ y / 4, where ⁇ y is the wavelength of the transverse fundamental mode in the corresponding edge region.
  • k y is much larger in terms of magnitude than in the excitation region, the deflection of the transversal mode in the transverse direction in the edge regions varies correspondingly faster. Since the value of the transverse wave number k y in the outer region is substantially larger (eg by at least a factor of 10) than in the excitation region, a rapid decay of the transverse mode in the transverse direction is ensured. Therefore, an approximately rectangular fundamental mode can be set in the waveguide whose edge steepness depends on the absolute width of the edge tracks and ultimately on the differences in the phase velocity of the shaft in the edge regions, in the excitation region and in the outer regions.
  • the suppression of interfering transverse wave modes is achieved by improving the coupling of an electrical signal into the transversal acoustic fundamental mode by the introduction and special design of the edge regions of the acoustic track.
  • the specified transducer with suppression of interfering transverse wave modes has the advantage that in the design of such a transducer, the simulation of the wave propagation in only one direction (longitudinal direction) is sufficient for a good match of the simulated and the real transfer function of the transducer.
  • a complex simulation of two-dimensional wave propagation effects in the longitudinal and transversal direction can be dispensed with.
  • the division of the acoustic track into an excitation area and two edge tracks differs from the known track pitch into a plurality of partial tracks in that no excitation of the acoustic wave in the longitudinal direction, but a targeted acceleration of the excited wave in the excitation area is provided in the edge regions of the transducer.
  • the edge regions serve only to adjust the (deviating from the sinusoidal) transverse waveguide fundamental mode by specifying the appropriate velocity profile of the waveguide.
  • To adjust the shape of the transverse fundamental mode it is possible to vary, for example, the width of the edge region and / or the phase velocity of the shaft.
  • the velocity of the wave is significantly greater in the edge regions than in the excitation region and the velocity is much smaller in the outer areas than in the excitation area.
  • the speed in the outer areas is preferably at least 2%, preferably at least 3%, smaller than in the excitation area. Also the difference of 5% and more can be achieved.
  • the speed in the edge regions is preferably at least 2%, preferably at least 3%, greater than in the excitation region.
  • a lowering of the speed in the outer area is due to the highest possible metallization ratio, am capss- achieved by a continuous metallization of the surface of the underlying piezoelectric substrate.
  • a reduction in the speed of the surface wave to be achieved in the exterior can also be achieved by using there a metallization with a reduced stiffness or larger density in relation to the acoustic track, in particular to the excitation area.
  • a metallization with a reduced stiffness or larger density in relation to the acoustic track, in particular to the excitation area.
  • a layer of gold, platinum, copper or their layer sequence can be used in the outer region a layer sequence of any materials, preferably of a comparatively low rigidity or a comparatively high density.
  • a periodic grating arrangement with an enlarged period length in relation to the excitation region.
  • the metallization ratio in the edge regions can be selected to be smaller than in the excitation region.
  • the metallization ratio in the excitation region and in the edge regions of the acoustic trace can be the same in a further variant. It is also possible, with the same periodicity of the grating arrangement, to select the metallization ratio in the edge regions smaller than in the excitation region.
  • transversal gaps of the transducer can be used as edge regions.
  • a transversal gap is an area that is transversal extends between the finger tips and the opposing collecting electrodes or stub fingers. Since fingers are missing in this area compared to the excitation area, the mean period length is increased and the metallization ratio is reduced.
  • the rectangular wave profile is then adjustable by the width of the edge regions.
  • the edge regions can also be realized in each case as a partial track, in which the period length and the metallization ratio are suitably selected for the speed to be achieved.
  • the electrode fingers in the edge region are preferably arranged on a periodic pattern.
  • a further speed increase in the edge region can also be used by using a material having a stiffness or reduced density, which is increased in relation to the acoustic track, for the periodically arranged strips.
  • a material having a stiffness or reduced density which is increased in relation to the acoustic track, for the periodically arranged strips.
  • a transducer having copper-containing electrodes in the excitation region, in the edge region of aluminum could be used for a transducer having copper-containing electrodes in the excitation region, in the edge region of aluminum.
  • the excitation profile of a transducer is adapted to the transverse fundamental mode.
  • the mentioned fine adjustment can, for. B. can be realized by the excitation region in the transverse direction is divided into a plurality of partial tracks, each sub-track a partial track. transducer forms.
  • the partial tracks or partial transducers are connected to each other in series and / or in parallel.
  • the series connection reduces the potential difference of the exciting electrode fingers and thus the excitation intensity in the partial tracks.
  • the partial tracks are identical in the longitudinal direction except for their width, wherein the width of the partial tracks is selected such that the transverse profile ⁇ y of the excitation intensity in the excitation area is adapted to the form ⁇ y of the transverse fundamental mode.
  • FIG. 2A shows a transducer in which edge regions are formed between the ends of electrode fingers and busbars facing them
  • FIG. 2B shows a transducer in which edge regions are formed as perforated regions of the busbars
  • FIG. 3 shows a further converter whose excitation range is divided into subtracks connected in series with one another (bottom), the corresponding transverse excitation profile and the shape of the transversal fundamental mode (top)
  • FIG. 4 shows another converter whose excitation range is divided into partial tracks connected in series and in parallel (bottom), the corresponding transverse excitation profile and the shape of the transverse fundamental mode (top).
  • FIG. 5 shows a further converter with a plurality of acoustic tracks connected in series (below), the corresponding transverse fundamental mode and the change in the wave number in the transverse direction (top)
  • FIG. 6A transversal profile of the metallization height in the case of a converter with outer regions thickened in relation to the excitation region
  • FIG. 6B transversal profile of the metallization height in the case of a converter whose outer regions are thickened by an additional material layer
  • FIG. 7 a deflection of the transversal wave modes propagatable in the acoustic track in the case of a transversal excitation profile which is not adapted, and b) the excitation intensity corresponding to the modes
  • FIG. 8 (a) deflection of the transversal wave modes propagatable in the acoustic track with the transverse excitation profile adapted to the fundamental mode, and (b) the excitation intensity corresponding to the modes
  • Figure 9B slowness curves in a waveguide with a concave slowness
  • Figure 1 shows a SAW transducer with an acoustic track AS, which on a piezoelectric substrate such.
  • B. 42 0 YX LiTaO 3 is arranged and in which a surface acoustic wave propagates in the longitudinal direction X, the square of the wavenumber k y of the transverse mode as a function of the transverse coordinate Y, the resulting from the k y profile transverse fundamental mode ⁇ y (top) and a transverse velocity profile (bottom).
  • the acoustic track AS is divided into an excitation area MB and two edge areas RB1 and RB2.
  • the width of the edge region in the transverse direction is preferably ⁇ y / 8 to ⁇ y / 4, where ⁇ y is the wavelength of the transverse fundamental mode in the edge region.
  • the wavenumber k y describes in each transverse area MB, RB1, RB2, AU1, AU2 the dependence of the transverse deflection ⁇ y of the fundamental mode on the transverse coordinate
  • the converter has two electrodes which each comprise a busbar El, E2 and electrode fingers connected thereto.
  • the busbars El, E2 are relatively wide, continuously metallized surfaces.
  • the metallization height is greater there than in the acoustic track AS, see FIGS. 6A and 6B.
  • the height direction Z is oriented perpendicular to the surface of the substrate.
  • the excitation area MB and in the border areas RB1, RB2 ordered metal structures have a thickness or height hi.
  • the transducer structures such. B. the electrode fingers in the excitation area MB, the periodic grating in the edge areas RBl, RB2 and the outer areas AUl, AU2 belonging structures -.
  • B. the busbars El, E2 - are also formed in the Figure 6B in the metal layer Sl with the thickness hi, which is applied to the piezoelectric substrate.
  • the same electrode material for example aluminum or an aluminum alloy, is used in the layer S1 in all regions.
  • an additional layer S2 of a material which preferably has a higher density and / or lower rigidity than the material of the layer S1, is applied over the layer S1 to thicken the metal structures formed in this layer in the outer regions AU1, AU2.
  • the layer S2 in particular gold, platinum or copper are suitable. In this case, a relatively large decrease in speed can be achieved with a relatively small overall thickness of the structures arranged in the outer area AU1, AU2.
  • the outer areas AU1, AU2 are designed in the example according to FIG. 1 such that the speed of the surface wave is reduced there relative to the excitation area MB.
  • the width of the busbars is preferably at least 10 ⁇ x .
  • the electrode fingers of different electrodes are arranged alternately in the excitation region and form stimulating finger pairs.
  • the excitation profile of the acoustic track AS is defined by the excitation region and is rectangular in this example.
  • the electrode fingers in one edge region all belong to the same electrode and are therefore inactive, i. H. the acoustic wave is not excited in this edge area. Although the wave is not excited in the boundary areas RB1, RB2, a wave is induced there by the excitation in the excitation area.
  • the edge regions in this exemplary embodiment have a lattice structure, wherein the periodicity of the lattice is selected to be greater than the average raster of the excitation region MB.
  • the increase in the phase velocity v of the acoustic wave is effected there.
  • the lower metallization ratio in the edge region relative to the excitation region contributes to increasing the speed of the shaft, so that the velocity v RB in the edge region RB1, RB2 is greater than the velocity v M B in the excitation region MB.
  • the outer areas AU1, AU2 are designed such that the speed v AD in the outer area AU1, AU2 is smaller than the speed V MB in the excitation area MB.
  • the transverse waveguide modes are characterized by a phase factor e jkyY .
  • the transverse wavenumber k y is real within the core region of the waveguide (ie the acoustic trace AS) and imaginary när in the cladding region of the waveguide (outdoor areas AUl, AU2).
  • k y in the excitation area MB is essential -. B. by at least a factor of ten - smaller than in the areas RBl, RB2, AUl, AU2.
  • k y 0 (in the excitation region)
  • the fundamental mode has a plateau in this region, ie the deflection of the wave in the excitation region is constant in the transverse direction Y.
  • k y is imaginary or (k y ) 2 ⁇ 0. Therefore, the amplitude of the wave in the outer regions AU1, AU2 falls transversely Direction exponentially.
  • the transverse wave number k y is real in the respective edge region RB1, RB2 or (k y ) 2 > 0. There, a transition from the maximum amplitude in the excitation region to a fraction of the amplitude takes place at the boundary to the outside region.
  • the value of the wavelength ⁇ y in the edge region depends on the propagation velocity of the wave in the longitudinal direction, which in turn depends on the grid of the electrode finger grid in the edge region.
  • the absolute width of the edge region can be chosen differently (depending on the predetermined value of ⁇ y ).
  • the measured in wavelengths width of the edge region is preferably ⁇ y / 8 to ⁇ y / 4. By changing the absolute width of the edge region, the slope of the corresponding edge of the fundamental mode can be set.
  • the thus selected width of the edge region determines the shape of the transverse fundamental mode, in which the amplitude of the wave in the outer regions becomes exponential falls to the outside and in which forms a standing wave in the edge regions in the transverse direction, wherein the belly of the standing wave is located at the edge of the excitation region and the edge region.
  • the wave passes in the edge area up to a quarter of a sine. Since the wave decays to zero in the outer area, no zero point of the deflection occurs in the edge region. For this reason, it is advantageous if the width of the edge region is at most ⁇ y / 4.
  • the width of the edge region is preferably between ⁇ y / 8 and ⁇ y / 4.
  • a width of the edge region which is substantially ⁇ y / 4, since this is associated with only a small penetration of the shaft in the outdoor area.
  • the shape of the fundamental mode is maximally adapted to the shape of the rectangular excitation profile of the acoustic track AS.
  • the width W of the edge region may be, for example, the relationship
  • the transducer regions are formed such that I k y , A0
  • the electrode fingers are usually perpendicular to the longitudinal direction X, which is the main propagation direction of the shaft.
  • the acoustic wave propagates in Hauptausbreitungsraum. Due to the finite size of the excitation range of the acoustic track, the propagation also takes place in directions deviating from the main propagation direction in an angle range ⁇ ⁇ max ⁇ ⁇ max , ⁇ is the angle between the propagation direction and the main propagation direction. The dependence of the velocity v of the wave on the angle ⁇ in this angular range determines whether the transducer can act as a waveguide for this wave.
  • Vector? - in x- or y-direction.
  • k is the wavenumber vector.
  • the slowness component s y contains a real part Re ⁇ s y ⁇ and an imaginary part Im ⁇ s y ⁇ .
  • Re ⁇ s y ⁇ / s x tan ( ⁇ ).
  • the slowness curve Re ⁇ s y (s x ) ⁇ is in the excitation region MB or outer region AU 1, AU 2 of the transducer, ie the real value of the slowness component s y im plotted against S x designated respective area.
  • the slowness curve Im ⁇ s y (s x ) ⁇ in the excitation area MB or outside area AU1, AU2 of the converter that is to say the imaginary value of the slowness component s y , which is plotted against S x .
  • Convex slowness means that, as the value ⁇ increases, the component S x of the slowness vector decreases and the component Re ⁇ s y ⁇ increases in magnitude. This means that as the ⁇ increases in absolute value, the wavelength ⁇ x increases and the wavelength ⁇ y decreases.
  • Concave slowness (FIG. 9B), on the other hand, means that, for magnitude increasing ⁇ , both S x and Re ⁇ s y ⁇ grow in magnitude. Consequently, the wavelengths ⁇ x and ⁇ y decrease with increasing ⁇ in the case of concave slowness.
  • Concave slowness For the specified converter in particular converters on such piezoelectric substrates into consideration, which have a concave slowness.
  • m i n So, A U and so
  • AU of the shaft can be determined in the longitudinal direction in the excitation range or outside area. Since, in the case of convex slowness, So, A ⁇ ⁇ S O , MB ⁇ , see FIG. 9A, the velocity in a waveguide, the is characterized by a convex slowness, to be larger in the outer area than in the excitation area, ie v AU > v MB . Consequently, in the case of convex slowness, the transducer behaves as a waveguide if the speed is higher in the outside than in the acoustic track.
  • the wave number of the surface wave can be at a direction of the longitudinal propagation direction X only slightly -. B. by a maximum of ⁇ 10 ° - deviates, approximately by the relationship
  • ⁇ V RB is the difference in velocity between the excitation and edge regions
  • ie ⁇ V R B v MB - v RB
  • the excitation region in FIG. 1 is formed as in a recursive filter. But it is also possible to form the excitation region of the transducer in the longitudinal direction at least partially as in a known normal finger transducer - see Figures 2A, 2B - with periodically arranged interdigital fingers or as in a known split finger transducer.
  • the transverse edge region RB2 is formed between the ends of first electrode fingers Ell and the second busbar E2 and the transverse edge region RBl between the ends of second electrode fingers E22 and the first busbar El. Due to the higher grating period and the reduced metallization ratio relative to the excitation region MB, a higher velocity is established in the edge regions RB1, RB2 than in the excitation region MB.
  • the grating arrangement in the edge region RB1, RB2 is predetermined by the finger arrangement, ie the grating arrangement in the excitation area MB.
  • the transducer is split transversely into subtracks with independent grating arrangements.
  • the excitation area MB represents the middle partial track and the edge areas RB1, RB2 the outward-facing partial tracks of the acoustic track AS.
  • the edge areas RB1, RB2 can be regarded here as perforated areas of the busbars E1 and E2, respectively.
  • the border areas RB1, RB2 are embodied in FIG. 2B as grid arrangements with an increased period length compared to the excitation area MB and a metallization ratio reduced in relation to this area.
  • the version with independent partial tracks has the advantage that the speed in the edge area can be set as desired.
  • FIG. 3 shows a development of the converter in which the excitation area MB of the acoustic track AS is divided transversely into four partial tracks TB1, TB2, TB3 and T4.
  • the partial tracks are electrically connected in series.
  • FIGS. 3, 4 each show below a part of the acoustic track AS and above the corresponding excitation profile ⁇ y of the excitation range and the shape of the transverse fundamental mode ⁇ y .
  • All subtracks of such a split excitation range are in the longitudinal direction X with respect to the electrode finger structure - width, connection sequence, distance between two consecutive fingers - formed the same, the widths of the partial tracks in the transverse direction Y preferably be chosen differently.
  • the partial track with the number i has a width k> i.
  • the middle partial tracks TB2, TB3 are narrower in the transverse direction than the partial tracks TB1, TB4 facing the edge regions.
  • the voltage difference between the two electrodes of the transducer is U.
  • the excitation intensity of an electrode finger pair in a partial track is proportional to the voltage difference Ui between the electrode fingers.
  • Ui is inversely proportional to the capacity of the subtrack, which in turn is directly proportional to the width bi of the subtrack. It applies
  • the impedance of the acoustic track AS with a divided excitation range is correspondingly greater than the impedance of an acoustic track with a non-divided excitation range.
  • the excitation area MB is divided into the following partial tracks: a middle partial track MT and two edge partial tracks RT1, RT2.
  • the edge partial tracks RT1, RT2 are connected to one another in series, with the series circuit of the partial tracks RT1 and RT2 being connected in parallel to the middle partial track MT.
  • the width of the middle partial track MT is substantially greater, preferably by at least a factor of 5, than the width of the respective edge partial track RT1, RT2.
  • the impedance of the acoustic track AS is essentially determined by the impedance of the wider partial track MT.
  • the reduction of the excitation intensity in the respective edge subtrack RT1 or RT2 relative to the middle subtrack MT, to which the voltage U is applied, is achieved by the division of the applied voltage U between the serially connected edge subtracks RT1 and RT2.
  • FIG. 5 schematically shows a further variant of the converter. This figure shows a partial view of the transducer (bottom), the corresponding transverse fundamental mode and the square of the transverse wavenumber as a function of the transverse coordinate (top).
  • a further acoustic track AS ' is provided, which - similar to the acoustic track AS - divided into an excitation area MB' and edge areas RBl ', RB2' and constructed substantially the same as the acoustic track AS.
  • the acoustic tracks AS and AS ' are electrically connected in series with each other, being arranged in the transverse direction parallel to each other. Between the acoustic tracks AS and AS 'an intermediate region ZB is arranged.
  • the widths of the edge areas RB1, RB2 and RB1 ', RB2' of the acoustic tracks AS and AS ' are selected so that in the intermediate area ZB k y is significantly lower in size (eg, by at least one order of magnitude) than in the peripheral areas RB1, RB2 and the outer areas AU1, AU2.
  • k y is significantly lower in size (eg, by at least one order of magnitude) than in the peripheral areas RB1, RB2 and the outer areas AU1, AU2.
  • each edge regions with (k y ) 2 > 0 are provided, in which the acoustic wave is not excited, but the wave excited in the corresponding excitation region is capable of propagation in the longitudinal direction.
  • an intermediate region with an imaginary k y is provided in each case. In the intermediate areas there is no excitation of the acoustic wave.
  • Each intermediate region is preferably formed as a continuous metal strip with a layer thickness increased with respect to the excitation regions and / or using materials having a density increased or reduced stiffness relative to the excitation regions.
  • the electrode fingers in the excitation regions can also be arranged periodically or form unidirectionally radiating cells.
  • the shape of the transverse fundamental mode with an approximately constant deflection in the regions corresponding to the excitation regions and the vanishing deflection in the intermediate regions can be adjusted by suitable selection of the absolute widths of the edge regions, the width of an edge region measured in wavelength always being one-eighth wavelength until a quarter wavelength is. In this way, the shape of the transverse fundamental mode is adapted to the excitation profile of a multi-track arrangement.
  • the transversal mode of atomic number 1 is a transverse fundamental mode which is sinusoidal in a conventional acoustic track (with an excitation region without edge regions). This mode is characterized in FIG. 7 by the curve 11.
  • the relative intensity of the first transverse mode is about 84%.
  • a standing acoustic wave which corresponds to the second transverse wave mode (curve 12), can not be excited in the waveguide due to the symmetry conditions.
  • the relative intensity of the third transverse wave mode (the second harmonic of the fundamental mode, see curve 13 in FIG. 7) is approximately 9% and the relative intensity of the fifth wave mode (not shown in FIG. 7) is approximately 3%.
  • the coupling of the electrical signal into the third and the fifth transverse modes is due to the fact that the transverse excitation profile of the acoustic track is rectangular, while the shape of the transverse mode is sinusoidal. These modes result in unwanted resonances above the passband of the filter, which degrade the filter quality (including the insertion loss in the passband).
  • phase factors of the transversal waveguide modes excitable in the acoustic track formed in accordance with FIG. 1 are shown in FIG. 8 above and the relative intensities of the modes in FIG. 8 below.
  • the phase factor of the first, second and third transverse modes corresponds to the curves 11 ', 12' and 13 '.
  • the relative intensity of the higher transverse modes is very small compared to the intensity of the transverse fundamental mode.
  • Curves 14 and 14 'in Figs. 7 and 8 represent the velocity profile of a waveguide corresponding to the respective acoustic track, meaning the propagation velocity of the wave in the longitudinal direction.
  • FIG. 8 shows that the propagation velocity of the wave is greater in the edge regions of the acoustic trace than in FIG other areas of the waveguide is.
  • the specified converter can in principle be used in all known SAW components, for.
  • double-mode SAW filters normal finger transducers, recursive filters, are used and is not limited to the number of elements shown in figures or to certain frequency ranges.
  • intermediate area For example, intermediate area

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Abstract

Es wird ein SAW-Wandler angegeben, bei dem störende transversale Moden unterdrückt werden. Dies wird durch die gegenseitige Anpassung des transversalen Anregungsprofils der akustischen Welle und der transversalen Grundmode des durch die akustische Spur und anliegende Außenbereiche (AU1, AU2) gebildeten Wellenleiters aneinander erzielt. Diese Anpassung erfolgt durch Aufteilung der akustischen Spur in einen Anregungsbereich (MB) und Randbereiche (RB1, RB2). Die Randbereiche und Außenbereiche sind derart ausgebildet, dass die longitudinale Phasengeschwindigkeit der akustischen Welle im Randbereich größer ist als im Anregungsbereich, wobei die longitudinale Phasengeschwindigkeit im Außenbereich kleiner ist als im Anregungsbereich, wobei ky im Randbereich reell und im Außenbereich imaginär ist. Die Breite der Randbereiche (RB1, RB2) ist derart eingestellt, dass im Anregungsbereich ky im Wesentlichen konstant und im Wesentlichen gleich Null ist.

Description

Beschreibung
Mit akustischen Wellen arbeitender Wandler und Filter mit dem Wandler
Es wird ein SAW-Wandler, d. h. einen mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden elektroakustischen Wandler (SAW = Sur- face Acoustic Wave) angegeben. SAW-Wandler werden insbesondere in Filtern in tragbaren Mobilfunkgeräten eingesetzt.
Im SAW-Wandler erfolgt die Umwandlung eines elektrischen Signals in eine akustische Welle und umgekehrt. Bei der Ausbreitung der akustischen Welle in einem SAW-Wandler entstehen im Randbereich des Wandlers Beugungsverluste durch die Abstrahlung eines Teils der Oberflächenwelle in transversaler Richtung. Eine Methode zur Unterdrückung höherer transversaler Moden bzw. zur Anpassung des Anregungsprofils eines Wandlers an die Form der transversalen Grundmode ist z. B. aus der Druckschrift DE 196 38 398 C2 bekannt.
Außerdem sind aus den Druckschriften DE 10331323 A, EP 1,471,638 A2 und US 5,121,860 weitere SAW-Wandler bekannt, die in transversaler Richtung Bereiche mit voneinander unterschiedlichen Geschwindigkeiten der akustischen Welle aufweisen.
Eine zu lösende Aufgabe ist es, einen mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Wandler anzugeben, in dem störende transversale Moden unterdrückt werden.
Ein elektroakustischer Wandler umfasst ein piezoelektrisches Substrat und darauf angeordnete Elektrodenfinger, die ein E- lektrodengitter zur Anregung einer akustischen Welle bilden.
Es wird ein Wandler angegeben, der eine akustische Spur aufweist. Die akustische Spur ist auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet. Die akustische Spur umfasst ineinander greifende Elektrodenfinger, die im Wesentlichen abwechselnd an eine erste und eine zweite Sammelschiene angeschlossen sind. Zwischen den unterschiedlich gepolten Elektrodenfingern ist eine Oberflächenwelle anregbar, die sich innerhalb der akustischen Spur ausbreiten kann.
Die akustische Welle breitet sich in einer Ebene aus, die als x,y-Ebene bezeichnet wird. In einem durch die x,y-Ebene gebildeten zweidimensionalen Raum kann die Welle durch einen Wellenvektor (kx, ky) mit einer longitudinalen Komponente kx und einer transversalen Komponente ky charakterisiert werden. Die Komponenten kx, ky werden auch als longitudinale bzw. transversale Wellenzahl bezeichnet.
Die akustische Spur ist in transversaler Richtung y zwischen zwei an sie angrenzenden Außenbereichen angeordnet. Im Außenbereich ist die Welle vorzugsweise im Wesentlichen gedämpft bzw. nicht ausbreitungsfähig. Die Amplitude der Welle fällt im Außenbereich in der von der Spur wegweisenden transversalen Richtung exponentiell ab. Die Außenbereiche können im Allgemeinen durch eine freie oder eine zumindest teilweise metallisierte Substratoberfläche gebildet sein. Ein Außenbereich kann in einer vorteilhaften Variante einen sich in x- Richtung erstreckenden Metallstreifen darstellen, dessen Breite z. B. mindestens λy = 2π/ky beträgt.
Die akustische Spur weist einen Anregungsbereich und zwei Randbereiche auf, wobei der Anregungsbereich zwischen den
_ 9 _ Randbereichen angeordnet ist. Die Randbereiche und Außenbereiche sind derart ausgebildet, dass die longitudinale Phasengeschwindigkeit der akustischen Welle im Randbereich größer ist als im Anregungsbereich, wobei die longitudinale Phasengeschwindigkeit im Außenbereich kleiner ist als im Anregungsbereich, und wobei ky im Randbereich reell und im Außenbereich imaginär ist. Obwohl die Welle vorzugsweise nur im Anregungsbereich, also nicht in den Randbereichen angeregt wird, ist sie nicht nur im Anregungsbereich, sondern auch in den Randbereichen ausbreitungsfähig, da dort ky reell ist.
Die Breite der Randbereiche ist vorzugsweise derart eingestellt, dass im Anregungsbereich ky betragsmäßig vorzugsweise wesentlich - z. B. mindestens um Faktor zehn - kleiner als in den Randbereichen und den Außenbereichen ist. Durch den Aufbau der akustischen Spur und insbesondere eine geeignet gewählte Breite der Randbereiche wird im Anregungsbereich vorzugsweise ky = 0 erzielt.
Durch den angegebenen Aufbau des Wandlers gelingt es, die anzuregende akustische Mode (Hauptmode) innerhalb der akustischen Spur bzw. im Wesentlichen innerhalb des Anregungsbereichs zu binden.
Alle Bereiche der akustischen Spur und die Außenbereiche erstrecken sich jeweils in Longitudinalrichtung x und somit parallel zueinander. Die Geschwindigkeit der Welle im Anregungsbereich ist größer als in den Außenbereichen, aber kleiner als in den Randbereichen der akustischen Spur. Der Wandler weist in Transversalrichtung y die Struktur eines inver- sen Wellenleiters auf. Die akustische Spur bildet den Kern dieses Wellenleiters, während die Außenbereiche seinen Mantel bilden. Unter einem Wellenleiterbereich versteht man einen Bereich, ausgewählt aus einem ersten Außenbereich, einem zweiten Außenbereich und verschiedenen Bereichen der akustischen Spur, d. h. dem Anregungsbereich sowie dem ersten und zweiten Randbereich. In einem ausgewählten i-ten Wellenleiterbereich, in dem die Welle ausbreitungsfähig ist, gilt (kx) +(ky,i) = (ω/vi)2. ω ist die Kreisfrequenz der Welle und v^ ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit im i-ten Wellenleiterbereich. ky,χ ist die transversale Wellenzahl im jeweiligen Wellenleiterbereich.
Die akustische Welle wird durch eine transversale Grundmode charakterisiert. Die transversale Grundmode ergibt sich aus dem transversalen Geschwindigkeitsprofil eines Wellenleiters, der durch die akustische Spur und die Außenbereiche gebildet ist, wobei die meiste Energie der akustischen Welle in der akustischen Spur konzentriert ist.
Zumindest ein Teil der ersten Sammelschiene kann dem ersten Außenbereich und zumindest ein Teil der zweiten Sammelschiene dem zweiten Außenbereich angehören.
Die akustische Welle breitet sich entsprechend der meist periodischen Anordnung der Elektrodenfinger der Wandler hauptsächlich in beide longitudinale Richtungen aus. Der Wandler kann aber auch eine bevorzugte Abstrahlung der angeregten a- kustischen Wellen in nur eine longitudinale Richtung aufweisen. Ein solcher Wandler kann z. B. in einem rekursiven Filter verwendet werden.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der angeregten akustischen Oberflächenwelle in der akustischen Spur wird bei den meisten piezoelektrischen Substraten, z. B. Quarz, LiNbO3, LiTaO3 durch die Metallisierung der Substratoberfläche - verglichen mit freier Substratoberfläche - verringert.
Als eine Gitter-Anordnung wird im Folgenden eine periodische Anordnung von sich transversal erstreckenden Metallstreifen bezeichnet. Anstelle der Metallstreifen sind zur Einstellung der Geschwindigkeit der akustischen Welle im Prinzip beliebige akustische Inhomogenitäten, u. a. auch Rillen, geeignet.
Im Anregungsbereich bilden die Elektrodenfinger vorzugsweise eine Gitter-Anordnung. In den nicht anregenden Wandlerbereichen, insbesondere den Randbereichen kann die Gitter-Anordnung durch aufeinander folgende, jeweils auf dem gleichen Potential liegende, an die Sammelschiene angrenzende Bereiche der Elektrodenfinger oder durch eine Anordnung von Stummelfingern gebildet sein. Die Gitter-Anordnung kann auch als perforierter Metallstreifen ausgebildet sein.
In akustischen Spuren mit periodischer Gitter-Anordnung nimmt die Geschwindigkeit der Oberflächenwelle - bei gleich bleibendem Anteil der metallisierten Oberfläche im jeweiligen Wandlerbereich - mit sinkendem Abstand zwischen den Mitten der Gitter-Strukturen (Streifen) ab. Dies liegt daran, dass die Welle an den Fingerkanten mit der kleiner werdenden Gitterperiode immer mehr ausgebremst wird. Folglich ist es vorteilhaft, wenn in den Randbereichen eine gegenüber dem Anregungsbereich höhere Geschwindigkeit dadurch erzielt wird, dass der Abstand zwischen den periodisch angeordneten Metallstreifen höher als im Anregungsbereich gewählt wird.
Die Geschwindigkeit der Oberflächenwelle hängt außerdem vom Metallisierungsverhältnis, d. h. vom Anteil der metallisier- ten Oberfläche, im jeweiligen Wandlerbereich ab. Aufgrund des wachsenden Anteils der metallisierten Laufstrecke nimmt die Geschwindigkeit der Welle - bei gleich bleibender Periodizi- tät der Gitteranordnung - mit steigendem Metallisierungsverhältnis ab. Folglich ist es vorteilhaft, wenn in den Randbereichen eine gegenüber dem Anregungsbereich höhere Geschwindigkeit dadurch erzielt wird, dass das mittlere Metallisierungsverhältnis dort niedriger als im Anregungsbereich gewählt wird. In den Außenbereichen kann eine gegenüber dem Anregungsbereich niedrigere Geschwindigkeit dadurch erzielt werden, dass die mittleren Metallisierungsverhältnisse dort größer als im Anregungsbereich gewählt werden. Durchgehende metallisierte Außenbereiche sind besonders vorteilhaft. Auch andere Maßnahmen zur Erniedrigung der Geschwindigkeit in den Außenbereichen können getroffen werden.
Eine SAW-Spur kann zusammen mit den an sie angrenzenden Außenbereichen in transversaler Richtung als Wellenleiter wirken, falls es einen Winkelbereich um die Hauptausbreitungsrichtung gibt, für den eine Oberflächenwelle in der akustischen Spur ausbreitungsfähig ist, wobei diese Welle gleichzeitig an der Grenze zum Außenbereich vorzugsweise total reflektiert wird, so dass kein Verlust durch transversale Abstrahlung außerhalb der akustischen Spur auftritt.
Der angegebene Wandler kann in einer Variante eine Spurenanordnung aufweisen, die mehrere elektrisch miteinander verbundene, vorzugsweise parallel zueinander angeordnete SAW-Spuren umfasst. Diese Spurenanordnung kann auch, zusammen mit den an sie angrenzenden Außenbereichen, in transversaler Richtung als ein Wellenleiter wirken, falls die für eine akustische Spur oben angegebenen Bedingungen erfüllt sind. Die Auslenkung der eingekoppelten akustischen Welle wird ferner als Anregungsstärke bezeichnet. Die akustische Spur ist durch die Anregungsstärke (in longitudinaler oder transversaler Richtung) charakterisiert. Die Anregungsstärke ist proportional zum Potentialunterschied Δü zwischen den in longitudinaler Richtung nebeneinander angeordneten Elektrodenfingern unterschiedlicher Elektroden, die zusammen ein anregendes Fingerpaar bilden. Die Anregungsstärke in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate Y wird hier als Anregungsprofil Ψy bezeichnet.
Im so gebildeten Wellenleiter sind mehrere transversale Moden (Grundmode und ihre Harmonischen) der akustischen Welle anregbar bzw. ausbreitungsfähig. Dabei wird die maximale Ein- kopplung des elektrischen Signals bei einer bestimmten Frequenz in die Grundmode der akustischen Welle erzielt, wenn die akustische Spur in transversaler Richtung so ausgebildet ist, dass das entsprechende transversale Anregungsprofil Ψy der Welle an die Form Φy der Grundmode angepasst ist, wobei als Kriterium für die Anpassung die Beziehung
Figure imgf000009_0001
α dienen kann, wobei z. B. α = 0,9 und vorzugsweise α = 0,95 gewählt wird. Φy ist die Auslenkung der transversalen Grundmode in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate Y.
Bei optimaler Einkopplung des elektrischen Signals in die a- kustische Grundmode verschwindet die Einkopplung in höhere Moden, da das System der transversalen Moden näherungsweise orthogonal ist. Die Breite des jeweiligen Randbereichs in transversaler Richtung beträgt vorzugsweise λy/8 bis λy/4, wobei λy die Wellenlänge der transversalen Grundmode im entsprechenden Randbereich ist.
Da ky in den Randbereichen betragsmäßig wesentlich größer als im Anregungsbereich ist, variiert die Auslenkung der transversalen Mode in transversaler Richtung in den Randbereichen entsprechend schneller. Da der Wert der transversalen Wellenzahl ky im Außenbereich imaginär und betragsmäßig wesentlich (z. B. um mindestens Faktor 10) größer als im Anregungsbereich ist, wird dadurch ein schnelles Abklingen der transversalen Mode in Transversalrichtung gewährleistet. Daher lässt sich im Wellenleiter eine annähernd rechteckige Grundmode einstellen, deren Flankensteilheit von der absoluten Breite der Randspuren und letztlich von den Unterschieden der Phasengeschwindigkeit der Welle in den Randbereichen, im Anregungsbereich und in den Außenbereichen abhängt.
Die Unterdrückung störender transversaler Wellenmoden wird dadurch erreicht, dass die Einkopplung eines elektrischen Signals in die transversale akustische Grundmode durch die Einführung und besondere Ausgestaltung der Randbereiche der akustischen Spur verbessert wird.
Der angegebene Wandler mit Unterdrückung störender transversaler Wellenmoden hat den Vorteil, dass beim Design eines solchen Wandlers die Simulation der Wellenausbreitung in nur eine Richtung (longitudinale Richtung) für eine gute Übereinstimmung der simulierten und der realen Übertragungsfunktion des Wandlers ausreicht. Dabei kann auf eine aufwendige Simulation zweidimensionaler Wellenausbreitungseffekte (in longi- tudinaler sowie transversaler Richtung) verzichtet werden. Die Aufteilung der akustischen Spur in einen Anregungsbereich und zwei Randspuren unterscheidet sich von der bekannten Spurunterteilung in mehrere Teilspuren dadurch, dass in den Randbereichen des Wandlers keine Anregung der akustischen Welle in longitudinaler Richtung, sondern eine gezielte Beschleunigung der im Anregungsbereich angeregten Welle vorgesehen ist.
Die Randbereiche dienen lediglich zur Einstellung der (vom Sinus abweichenden) transversalen Wellenleiter-Grundmode durch die Vorgabe des geeigneten Geschwindigkeitsprofils des Wellenleiters. Zur Einstellung der Form der transversalen Grundmode ist es möglich, beispielsweise die Breite des Randbereichs und/oder die Phasengeschwindigkeit der Welle zu variieren.
Damit die Form der akustischen Grundmode möglichst nahe an die Rechteckform angepasst ist, ist es vorteilhaft, wenn für Wandler mit einer in Zusammenhang mit den Figuren 9A und 9B zu erläuternden konkaven Slowness die Geschwindigkeit der Welle in den Randbereichen wesentlich größer als im Anregungsbereich und die Geschwindigkeit in den Außenbereichen wesentlich kleiner als im Anregungsbereich ist. Vorzugsweise ist die Geschwindigkeit in den Außenbereichen um mindestens 2%, vorzugsweise um mindestens 3% kleiner als im Anregungsbereich. Auch der Unterschied von 5% und mehr kann erzielt werden. Die Geschwindigkeit in den Randbereichen ist vorzugsweise um mindestens 2%, vorzugsweise um mindestens 3% größer als im Anregungsbereich.
Eine Absenkung der Geschwindigkeit im Außenbereich wird durch ein möglichst hohes Metallisierungsverhältnis, am geeignets- ten durch eine durchgehende Metallisierung der Oberfläche des zugrunde liegenden piezoelektrischen Substrats erreicht. Darüber hinaus erreicht man eine weitere Absenkung der Geschwindigkeit im Außenbereich durch eine gegenüber der akustischen Spur vergrößerte Metalldicke.
Eine im Außenbereich zu erzielende Absenkung der Geschwindigkeit der Oberflächenwelle erreicht man auch, indem man dort eine Metallisierung mit einer im Verhältnis zur akustischen Spur, insbesondere zum Anregungsbereich verringerten Steifigkeit bzw. größe.ren Dichte verwendet. Beispielsweise kann im Falle eines Wandlers mit aluminiumhaltigen Elektroden im Außenbereich zusätzlich zur AI-Schicht eine Schicht aus Gold, Platin, Kupfer oder deren Schichtenfolge verwendet werden. Es ist auch möglich, im Außenbereich eine Schichtfolge beliebiger Materialien, vorzugsweise von einer vergleichsweise geringen Steifigkeit bzw. einer vergleichsweise hohen Dichte, zu verwenden.
Zur Erhöhung der Geschwindigkeit in den Randbereichen kann man eine periodische Gitter-Anordnung mit einer im Verhältnis zum Anregungsbereich vergrößerten Periodenlänge verwenden. Das Metallisierungsverhältnis in den Randbereichen kann dabei kleiner als im Anregungsbereich gewählt sein. Das Metallisierungsverhältnis im Anregungsbereich und in den Randbereichen der akustischen Spur kann in einer weiteren Variante gleich sein. Es besteht auch die Möglichkeit, bei gleicher Periodi- zität der Gitter-Anordnung das Metallisierungsverhältnis in den Randbereichen kleiner als im Anregungsbereich zu wählen.
Als Randbereiche können insbesondere die transversalen Gaps des Wandlers verwendet werden. Unter einem transversalen Gap versteht man einen Bereich, der sich in Transversalrichtung zwischen den Fingerenden und den gegenüberliegenden Sammel- elektroden oder Stummelfingern erstreckt. Da in diesem Bereich verglichen mit dem Anregungsbereich Finger fehlen, ist die mittlere Periodenlänge vergrößert und das Metallisierungsverhältnis verkleinert. Das rechteckige Wellenprofil ist dann durch die Breite der Randbereiche einstellbar.
Die Randbereiche können auch jeweils als eine Teilspur realisiert werden, in der die Periodenlänge und das Metallisierungsverhältnis für die zu erzielende Geschwindigkeit geeignet gewählt sind. Die Elektrodenfinger im Randbereich sind dabei vorzugsweise auf periodischem Raster angeordnet.
Eine weitere Geschwindigkeitserhöhung im Randbereich kann auch durch Verwendung eines Materials mit einer im Verhältnis zur akustischen Spur vergrößerten Steifigkeit bzw. verkleinerten Dichte für die periodisch angeordneten Streifen verwendet werden. Beispielsweise könnte man für einen Wandler, der im Anregungsbereich kupferhaltige Elektroden aufweist, im Randbereich Aluminium verwenden.
In allen bisher bekannten Methoden wird das Anregungsprofil eines Wandlers an die transversale Grundmode angepasst.
In vorteilhaften Ausführungsformen des Wandlers ist es vorgesehen, dass darüber hinaus eine zusätzliche Feinanpassung des Anregungsprofils des Wandlers an die wie eben beschrieben festgelegte Form der transversalen Grundmode unternommen werden kann.
Die genannte Feinanpassung kann z. B. realisiert werden, indem der Anregungsbereich in transversaler Richtung in mehrere Teilspuren aufgeteilt wird, wobei jede Teilspur einen Teil- wandler bildet. Die Teilspuren bzw. Teilwandler sind miteinander in Serie und/oder parallel geschaltet. Durch die Se- rienverschaltung wird der Potentialunterschied der anregenden Elektrodenfinger und damit die Anregungsstärke in den Teilspuren reduziert. Die Teilspuren sind in der longitudinalen Richtung bis auf ihre Breite identisch ausgebildet, wobei die Breite der Teilspuren so gewählt ist, dass das transversale Profil Ψy der Anregungsstärke im Anregungsbereich an die Form Φy der transversalen Grundmode angepasst ist.
Im Folgenden wird der Wandler anhand von Ausführungsbei- spielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen schematisch
Figur 1 einen Wandler, die Änderung der Wellenzahl in transversaler Richtung, die Form der entsprechenden Grundmode und das transversale Geschwindigkeitsprofil
Figur 2A einen Wandler, bei dem Randbereiche zwischen den Enden von Elektrodenfingern und ihnen gewandten Sammelschienen gebildet sind
Figur 2B einen Wandler, bei dem Randbereiche als perforierte Bereiche der Sammelschienen ausgebildet sind
Figur 3 einen weiteren Wandler, dessen Anregungsbereich in seriell miteinander verschaltete Teilspuren aufgeteilt ist (unten) , das entsprechende transversale Anregungsprofil und die Form der transversalen Grundmode (oben) Figur 4 einen weiteren Wandler, dessen Anregungsbereich in seriell und parallel miteinander verschaltete Teilspuren aufgeteilt ist (unten) , das entsprechende transversale Anregungsprofil und die Form der transversalen Grundmode (oben)
Figur 5 einen weiteren Wandler mit mehreren hintereinander geschalteten akustischen Spuren (unten) , die entsprechende transversale Grundmode und die Änderung der Wellenzahl in transversaler Richtung (oben)
Figur 6A transversales Profil der Metallisierungshöhe bei einem Wandler mit gegenüber dem Anregungsbereich verdickten Außenbereichen
Figur 6B transversales Profil der Metallisierungshöhe bei einem Wandler, dessen Außenbereiche durch eine zusätzliche Materialschicht aufgedickt sind
Figur 7 a) Auslenkung der in der akustischen Spur ausbreitungsfähigen transversalen Wellenmoden bei einem nicht ange- passten transversalen Anregungsprofil und b) die den Moden entsprechende Anregungsstärke
Figur 8 (a) Auslenkung der in der akustischen Spur ausbreitungsfähigen transversalen Wellenmoden bei an die Grundmode angepasstem transversalen Anregungsprofil und (b) die den Moden entsprechende Anregungsstärke
Figur 9A Slowness-Kurven bei einem Wellenleiter mit einer konvexen Slowness
Figur 9B Slowness-Kurven bei einem Wellenleiter mit einer konkaven Slowness Figur 1 zeigt einen SAW-Wandler mit einer akustischen Spur AS, die auf einem piezoelektrischen Substrat wie z. B. 420YX LiTaO3 angeordnet ist und in der eine akustische Oberflächenwelle in der Longitudinalrichtung X ausbreitungsfähig ist, das Quadrat der Wellenzahl ky der transversalen Mode in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate Y, die aus dem ky-Profil resultierende transversale Grundmode Φy (oben) und ein transversales Geschwindigkeitsprofil (unten) .
Die akustische Spur AS ist in einen Anregungsbereich MB und zwei Randbereiche RBl und RB2 aufgeteilt. Dabei beträgt die Breite des Randbereichs in transversaler Richtung vorzugsweise λy/8 bis λy/4, wobei λy die Wellenlänge der transversalen Grundmode im Randbereich ist.
Die Wellenzahl ky beschreibt in jedem transversalen Bereich MB, RBl, RB2, AUl, AU2 die Abhängigkeit der transversalen Auslenkung Φy der Grundmode von der transversalen Koordinate
Y als Φy = Aeßyy + Be~ßyy , wobei A und B Koeffizienten sind.
Der Wandler weist zwei Elektroden auf, welche jeweils eine Sammelschiene El, E2 und an diese angeschlossene Elektrodenfinger umfassen. Die Sammelschienen El, E2 sind relativ breite, durchgehend metallisierte Flächen. In vorteilhaften Ausführungen ist die Metallisierungshöhe dort größer als in der akustischen Spur AS, siehe Figuren 6A und 6B .
Das Höhenprofil des Wandlers entlang der Transversalrichtung
Y ist in Figur 6A schematisch gezeigt. Die Höhenrichtung Z ist senkrecht zur Oberfläche des Substrats ausgerichtet. Die im Anregungsbereich MB und in den Randbereichen RBl, RB2 an- geordneten Metallstrukturen weisen eine Dicke bzw. Höhe hi auf. In den Außenbereichen ist eine zusätzliche Metallisierung aus dem gleichen Material, beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, mit der Dicke h2-hχ aufgebracht. Diese zusätzliche Metallisierung bewirkt eine Absenkung der Geschwindigkeit im Außenbereich.
Die Wandlerstrukturen wie z. B. die Elektrodenfinger im Anregungsbereich MB, das periodische Gitter in den Randbereichen RBl, RB2 sowie die den Außenbereichen AUl, AU2 angehörenden Strukturen - z. B. die Sammelschienen El, E2 - sind auch in der Figur 6B in der Metallschicht Sl mit der Dicke hi ausgebildet, die auf dem piezoelektrischen Substrat aufgetragen ist. Dabei wird in der Schicht Sl in allen Bereichen dasselbe Elektrodenmaterial, beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, verwendet. In Figur 6B ist über der Schicht Sl zur Aufdickung der in dieser Schicht ausgebildeten Metallstrukturen in den Außenbereichen AUl, AU2 eine zusätzliche Schicht S2 aus einem Material aufgetragen, das vorzugsweise eine höhere Dichte und/oder geringere Steifigkeit als das Material der Schicht Sl aufweist. Für die Schicht S2 sind insbesondere Gold, Platin oder Kupfer geeignet. Dabei kann bei einer relativ kleinen Gesamtdicke der im Außenbereich AUl, AU2 angeordneten Strukturen eine relativ große Geschwindigkeitsabsenkung erzielt werden.
Die Außenbereiche AUl, AU2 sind im Beispiel gemäß Figur 1 derart ausgebildet, dass die Geschwindigkeit der Oberflächenwelle dort gegenüber dem Anregungsbereich MB verringert ist. Die Breite der Sammelschienen beträgt vorzugsweise mindestens 10λx. Die Elektrodenfinger unterschiedlicher Elektroden sind im Anregungsbereich alternierend angeordnet und bilden anregende Fingerpaare. Das Anregungsprofil der akustischen Spur AS ist durch den Anregungsbereich definiert und ist in diesem Beispiel rechteckig.
Die Elektrodenfinger in einem Randbereich gehören alle zur selben Elektrode und sind daher inaktiv, d. h. die akustische Welle wird in diesem Randbereich nicht angeregt. Obwohl die Welle in den Randbereichen RBl, RB2 nicht angeregt wird, wird dort durch die Anregung im Anregungsbereich eine Welle induziert .
Die Randbereiche haben in diesem Ausführungsbeispiel eine Gitterstruktur, wobei die Periodizität des Gitters verglichen mit dem durchschnittlichen Raster des Anregungsbereichs MB größer gewählt ist. Dadurch, dass die Welle in einem Randbereich RBl, RB2 verglichen mit dem Anregungsbereich MB weniger Kanten des Gitters sieht, wird dort die Erhöhung der Phasengeschwindigkeit v der akustischen Welle bewirkt. Darüber hinaus trägt das im Randbereich gegenüber dem Anregungsbereich geringere Metallisierungsverhältnis zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Welle bei, so dass die Geschwindigkeit vRB im Randbereich RBl, RB2 größer ist als die Geschwindigkeit vMB im Anregungsbereich MB. Dagegen sind die Außenbereiche AUl, AU2 derart ausgebildet, dass die Geschwindigkeit vAD im Außenbereich AUl, AU2 kleiner ist als die Geschwindigkeit VMB im Anregungsbereich MB.
Die akustische Spur AS und die an die akustische Spur in transversaler Richtung angrenzenden metallisierten Außenbereiche AUl, AU2 bilden zusammen einen Wellenleiter. Die transversalen Wellenleitermoden werden durch einen Phasenfaktor ejkyY charakterisiert. Für gebundene Wellenmoden ist die transversale Wellenzahl ky reell innerhalb des Kernbereichs des Wellenleiters (d. h. der akustischen Spur AS) und imagi- när im Mantelbereich des Wellenleiters (Außenbereiche AUl, AU2) .
Betragsmäßig ist ky im Anregungsbereich MB wesentlich - z. B. um mindestens Faktor zehn - kleiner als in den Bereichen RBl, RB2, AUl, AU2. Bei ky = 0 (im Anregungsbereich) weist die Grundmode ein Plateau in diesem Bereich auf, d. h. die Auslenkung der Welle im Anregungsbereich ist in transversaler Richtung Y konstant.
In den Außenbereichen AUl, AU2, die außerhalb der akustischen Spur AS liegen und in transversaler Richtung an diese angrenzen, ist ky imaginär bzw. (ky)2 < 0. Daher fällt die Amplitude der Welle in den Außenbereichen AUl, AU2 in transversaler Richtung exponentiell ab.
Die transversale Wellenzahl ky ist im jeweiligen Randbereich RBl, RB2 reell bzw. (ky)2 > 0. Dort findet ein Übergang von der maximalen Amplitude im Anregungsbereich auf einen Bruchteil der Amplitude an der Grenze zum Außenbereich statt.
Der Wert der Wellenlänge λy im Randbereich hängt von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in longitudinaler Richtung ab, die wiederum vom Raster des Elektrodenfinger-Gitters im Randbereich abhängt. Die absolute Breite des Randbereichs kann (je nach dem vorgegebenen Wert von λy) unterschiedlich gewählt werden. Die in Wellenlängen gemessene Breite des Randbereichs beträgt dabei vorzugsweise λy/8 bis λy/4. Durch die Änderung der absoluten Breite des Randbereichs lässt sich die Steilheit der entsprechenden Flanke der Grundmode einstellen. Durch die derart ausgewählte Breite des Randbereichs wird die Form der transversalen Grundmode festgelegt, bei der die Amplitude der Welle in den Außenbereichen exponentiell nach außen abfällt und bei der sich in den Randbereichen in transversaler Richtung eine stehende Welle bildet, wobei der Bauch der stehenden Welle am Rand des Anregungsbereichs und des Randbereichs liegt. Die Welle durchläuft im Randbereich bis zu einem Viertelsinus. Da die Welle im Außenbereich auf Null abklingt, tritt im Randbereich keine Nullstelle der Auslenkung auf. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn die Breite des Randbereichs höchstens λy/4 beträgt. Vorzugsweise liegt die Breite des Randbereichs zwischen λy/8 bis λy/4. Besonders vorteilhaft ist eine Breite des Randbereichs, die im Wesentlichen λy/4 beträgt, da dies mit einem nur geringen Eindringen der Welle in den Außenbereich einhergeht. Dadurch ist die Form der Grundmode maximal an die Form des rechteckigen Anregungsprofils der akustischen Spur AS angepasst.
Die Breite W des Randbereichs kann beispielsweise aus der Beziehung
Figure imgf000020_0001
bestimmt werden, wobei ky,RB die transversale Wellenzahl im Randbereich und ky,AD die transversale Wellenzahl im Außenbereich ist. Dabei wurde angenommen, dass ky«=0 im Anregungsbereich ist. Ein geringes Eindringen der Welle in den Außenbereich ist also gleichbedeutend mit einem großen Wert vom Verhältnis I ky,Ä01 /ky,RB. Vorzugsweise werden die Wandlerbereiche so ausgebildet, dass gilt: I ky,A0| /ky,RB ≥ 1.
Je größer die Wellenzahl ky im Randbereich ist, desto kleiner ist die entsprechende Wellenlänge und folglich die absolute Breite des Randbereichs. Bei großen ky-Werten erhöht sich entsprechend die Steilheit der Flanken der transversalen Grundmode .
Die Elektrodenfinger stehen i. d. R. senkrecht zur Longitudi- nalrichtung X, die die Hauptausbreitungsrichtung der Welle ist. Im Idealfall unendlich langer Finger breitet sich die akustische Welle in Hauptausbreitungsrichtung aus. Aufgrund der endlichen Größe des Anregungsbereichs der akustischen Spur findet die Ausbreitung auch in von der Hauptausbreitungsrichtung abweichenden Richtungen in einem Winkelbereich ~θmax < θ < θmax statt, θ ist der Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung und der Hauptausbreitungsrichtung. Die Abhängigkeit der Geschwindigkeit v der Welle vom Winkel θ in diesem Winkelbereich bestimmt, ob der Wandler für diese Welle als Wellenleiter wirken kann.
Entscheidend ist hierfür das Verhalten der in Figuren 9A und 9B gezeigten Kurven sy(sx) im Kern und Mantel des Wellenleiters. sx=kx/α> und sy=ky/ω sind Komponenten des Slowness- k
Vektors ? = — in x- bzw. y-Richung. k ist der Wellenzahlvek- ω tor .
Die Slowness-Komponente sy enthält einen Realanteil Re {sy} und einen Imaginäranteil Im{sy}. Es gilt Re{sy} /sx=tan (θ) . Diese Kurven werden in Fachsprache auch als Langsamkeit (auf Englisch als „Slowness") bezeichnet, da sie für den Winkel θ das Verhalten der Inversen der Geschwindigkeit angibt.
Mit RMB und RAÜ ist die Slowness-Kurve Re{sy(sx)} im Anregungsbereich MB bzw. Außenbereich AUl, AU2 des Wandlers, also der gegen Sx aufgetragene Realwert der Slowness-Komponente sy im jeweiligen Bereich bezeichnet. Mit IMB und IAU ist die Slow- ness-Kurve Im{sy(sx)} im Anregungsbereich MB bzw. Außenbereich AUl, AU2 des Wandlers, also der gegen Sx aufgetragene Imaginärwert der Slowness-Komponente sy bezeichnet.
Man unterscheidet zwischen einer konvexen und einer konkaven Slowness. Konvexe Slowness (Fig. 9A) bedeutet, dass mit betragsmäßig zunehmendem θ die Komponente Sx des Slowness-Vek- tors abnimmt und die Komponente Re {sy} betragsmäßig zunimmt. Dies bedeutet, dass mit betragsmäßig zunehmendem θ die Wellenlänge λx zunimmt und die Wellenlänge λy abnimmt.
Konkave Slowness (Fig. 9B) bedeutet dagegen, dass für betragsmäßig zunehmendes θ sowohl Sx als auch Re {sy} betragsmäßig wachsen. Folglich sinken die Wellenlängen λx und λy mit zunehmendem θ im Fall der konkaven Slowness. Für den angegebenen Wandler kommen insbesondere Wandler auf solchen piezoelektrischen Substraten in Betracht, die eine konkave Slowness aufweisen.
Die Wellenführung ist nur in einem bestimmten Winkelbereich gegeben, also nur im Bereich der Slowness-Kurve RMB, der zwischen den Geraden Sx= So,min und Sx= So,max liegt. Bei konvexer Slowness gilt so,min = So,AU und so,max = So,AB- Bei konkaver Slow¬ ness gilt so,min = S0,AB und So,max = So,AU-
Aus dem Scheitelpunkt S0,MBΓ SO,AU einer Slowness-Kurve RMB bzw. RAur die dem Winkel θ =0 entspricht, kann die Phasengeschwindigkeit VMB = l/So,MB und VAU = l/So,AU der Welle in Longitudi- nalrichtung im Anregungsbereich bzw. Außenbereich ermittelt werden. Da bei konvexer Slowness gilt So,Aσ < SO,MBΓ siehe Figur 9A, soll die Geschwindigkeit bei einem Wellenleiter, der durch eine konvexe Slowness charakterisiert ist, im Außenbereich größer sein als im Anregungsbereich, also vAU > vMB. Folglich verhält sich der Wandler im Fall der konvexen Slowness als Wellenleiter, falls die Geschwindigkeit im Außenbereich höher ist als in der akustischen Spur.
Analog kann aus dem bei konkaver Slowness gegebenen Verhältnis S0,AU > S0,MB abgeleitet werden, dass in diesem Fall ein Wellenleiter dann gebildet ist, wenn die Geschwindigkeit im Außenbereich niedriger ist als in der akustischen Spur.
Für das piezoelektrische Substrat, auf dem der Wandler angeordnet ist, gilt vorzugsweise Folgendes. Die Wellenzahl der Oberflächenwelle lässt sich bei einer Richtung, die von der longitudinalen Ausbreitungsrichtung X nur geringfügig - z. B. um maximal ±10° - abweicht, näherungsweise durch die Bezie-
hung (parabolische Näherung) beschreiben,
Figure imgf000023_0001
wobei f die Arbeitsfrequenz des Wandlers, VMB die Geschwindigkeit der akustischen Welle im Anregungsbereich in longitu- dinaler Richtung X und γ der Anisotropie-Parameter ist. Die Slowness ist konkav für γ < -1 und konvex für γ > -1. Im Rahmen dieser Näherung ergibt sich die vorteilhafte Breite W der
Randbereiche als:
Figure imgf000023_0002
wobei ΔVRB der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Anre- gungs- und Randbereich ist, d. h. ΔVRB = vMB - vRB . vRB ist die Geschwindigkeit im Randbereich. Es wurde angenommen, dass ky=0 im Anregungsbereich gilt. Besonders wenig Energie dringt in den Außenbereich ein, falls die Bedingung I ky,Aα | /ky,RB ≥ 1 erfüllt ist. Dies ist in der parabolischen Näherung gleichbe- deutend mit der Bedingung |ΔvAÜ/ΔvRB| > 1. vA0 ist die Geschwindigkeit im Außenbereich und ΔvAU = vMB - vAU.
Der Anregungsbereich in Figur 1 ist wie bei einem rekursiven Filter ausgebildet. Möglich ist es aber auch, den Anregungsbereich des Wandlers in longitudinaler Richtung zumindest teilweise wie bei einem an sich bekannten Normalfingerwandler - siehe Figuren 2A, 2B - mit auf periodischem Raster angeordneten Interdigitalfingern oder wie bei einem an sich bekannten Splitfingerwandler auszubilden.
In der in Fig. 2A vorgestellten Variante ist der transversale Randbereich RB2 zwischen den Enden von ersten Elektrodenfingern Ell und der zweiten Sammelschiene E2 und der transversale Randbereich RBl zwischen den Enden von zweiten Elektrodenfingern E22 und der ersten Sammelschiene El gebildet. Aufgrund der - bezogen auf den Anregungsbereich MB - höheren Gitterperiode und des verringerten Metallisierungsverhältnisses stellt sich in den Randbereichen RBl, RB2 eine höhere Geschwindigkeit ein als im Anregungsbereich MB.
In der Variante gemäß Figur 2A ist die Gitteranordnung im Randbereich RBl, RB2 durch die Fingeranordnung, d. h. die Gitteranordnung im Anregungsbereich MB vorgegeben. In Figur 2B ist der Wandler in Transversalrichtung in Teilspuren mit voneinander unabhängigen Gitteranordnungen aufgeteilt. Der Anregungsbereich MB stellt die mittlere Teilspur und die Randbereiche RBl, RB2 die nach außen gewandten Teilspuren der akustischen Spur AS dar. Die Randbereiche RBl, RB2 können hier als perforierte Bereiche der Sammelschienen El bzw. E2 betrachtet werden. Die Randbereiche RBl, RB2 sind in Figur 2B als Gitteranordnungen mit einer gegenüber dem Anregungsbereich MB erhöhten Periodenlänge und einem gegenüber diesem Bereich verringerten Metallisierungsverhältnis ausgeführt. Die Ausführung mit unabhängigen Teilspuren hat den Vorteil, dass die Geschwindigkeit im Randbereich nach Wunsch eingestellt werden kann.
In der Praxis gelingt es nicht, durch die Einführung der Randbereiche eine perfekt rechteckige transversale Grundmode zu erreichen, da die absolute Breite der Randbereiche nicht beliebig klein gewählt werden kann. Deshalb ist in weiteren Varianten des Wandlers eine Feinanpassung des transversalen Anregungsprofils des Wandlers an die tranversale Grundmode, z. B. durch Aufteilung des Anregungsbereichs in mehrere Teilspuren, vorgesehen. Eine derartige Feinanpassung ist nur in einem sehr engen Frequenzbereich möglich, da die Form der Grundmode frequenzabhängig ist.
Figur 3 zeigt eine Weiterbildung des Wandlers, bei der der Anregungsbereich MB der akustischen Spur AS in transversaler Richtung in vier Teilspuren TBl, TB2, TB3 und T4 aufgeteilt ist. Die Teilspuren sind elektrisch in Serie geschaltet.
In Figuren 3, 4 ist jeweils unten ein Teil der akustischen Spur AS und oben das entsprechende Anregungsprofil Ψy des Anregungsbereichs sowie die Form der transversalen Grundmode Φy schematisch gezeigt.
Alle Teilspuren eines derart aufgeteilten Anregungsbereichs sind in longitudinaler Richtung X bezüglich der Elektrodenfinger-Struktur - Breite, Anschlussfolge, Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Fingern - gleich ausgebildet, wobei die Breiten der Teilspuren in transversaler Richtung Y vorzugsweise unterschiedlich gewählt werden. Die Teilspur mit der Nummer i hat eine Breite k>i. Beispielsweise sind in der in Figur 3 vorgestellten Variante die mittleren Teilspuren TB2, TB3 in transversaler Richtung schmaler als die zu den Randbereichen gewandten Teilspuren TBl, TB4.
Der Spannungsunterschied zwischen den beiden Elektroden des Wandlers beträgt U. Die Anregungsstärke eines Elektrodenfinger-Paares in einer Teilspur ist proportional zum Spannungsunterschied Ui zwischen den Elektrodenfingern. Ui hängt umgekehrt proportional von der Kapazität der Teilspur ab, die wiederum direkt proportional zur Breite bi der Teilspur ist. Es gilt
Figure imgf000026_0001
Daher kann man die Anregungsstärke in einer Teilspur i durch die Veränderung ihrer Breite gezielt einstellen bzw. gewichten. Bei einer seriellen Verschaltung der Teilspuren ist die Impedanz der akustischen Spur AS mit einem aufgeteilten Anregungsbereich entsprechend größer als die Impedanz einer akustischen Spur mit einem nicht aufgeteilten Anregungsbereich.
Um die Impedanz der in Teilspuren aufgeteilten akustischen Spur beizubehalten, ist es möglich, einige der Teilspuren miteinander seriell und diese Serienschaltung mit einer weiteren Teilspur oder mehreren Teilspuren parallel zu verschalten, siehe z. B. das in Figur 4 vorgestellte Ausführungsbeispiel. Der Anregungsbereich MB ist in folgende Teilspuren aufgeteilt: eine mittlere Teilspur MT und zwei Rand-Teilspuren RTl, RT2. Die Rand-Teilspuren RTl, RT2 sind miteinander in Serie geschaltet, wobei die Serienschaltung von den Teilspuren RTl und RT2 parallel zur mittleren Teilspur MT geschaltet ist. Die Breite der mittleren Teilspur MT ist wesentlich - vorzugsweise um mindestens Faktor 5 - größer als die Breite der jeweiligen Rand-Teilspur RTl, RT2 ist. Die Impedanz der akustischen Spur AS ist im Wesentlichen durch die Impedanz der breiter ausgebildeten Teilspur MT bestimmt. Die Verringerung der Anregungsstärke in der jeweiligen Rand-Teilspur RTl bzw. RT2 gegenüber der mittleren Teilspur MT, an welcher die Spannung U anliegt, wird durch die Teilung der angelegten Spannung U zwischen den seriell verschalteten Rand-Teilspuren RTl und RT2 erzielt.
In Figur 5 ist eine weitere Variante des Wandlers schematisch gezeigt. Diese Figur zeigt ausschnittsweise den Wandler (unten) , die entsprechende transversale Grundmode und das Quadrat der transversalen Wellenzahl in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate (oben) .
In dieser Variante ist eine weitere akustische Spur AS' vorgesehen, die - ähnlich wie die akustische Spur AS - in einen Anregungsbereich MB' und Randbereiche RBl', RB2 ' aufgeteilt und im Wesentlichen gleich aufgebaut ist wie die akustische Spur AS. In diesem Ausführungsbeispiel sind die akustischen Spuren AS und AS' elektrisch miteinander in Serie geschaltet, wobei sie in transversaler Richtung parallel zueinander angeordnet sind. Zwischen den akustischen Spuren AS und AS' ist ein Zwischenbereich ZB angeordnet. Die Breiten der Randbereiche RBl, RB2 und RBl', RB2 ' der akustischen Spuren AS bzw. AS' sind so gewählt, dass im Zwischenbereich ZB ky be- tragsmäßig wesentlich (z. B. um mindestens eine Größenordnung) kleiner als in den Randbereichen RBl, RB2 und den Außenbereichen AUl, AU2 ist. Damit im Zwischenbereich ZB ein relativ schnelles Abklingen der Grundmode erreicht wird, ist dort ky vorzugsweise rein imaginär. Dazu können z. B. die gleichen Maßnamen wie im Außenbereich - zusätzliche Metallisierungshöhe, Verwendung von Materialien mit im Verhältnis zu den Anregungsbereichen erhöhter Dichte bzw. verringerter Steifigkeit - ergriffen werden.
Es ist möglich, die parallel angeordneten akustischen Spuren auch parallel miteinander zu verschalten. Möglich ist auch, bei mehr als zwei parallel angeordneten akustischen Spuren eine serielle und eine parallele Verschaltung der Spuren zu kombinieren .
Bei jeder weiteren akustischen Spur eines mehrspurig ausgebildeten Wandlers sind die Randbereiche mit (ky)2 > 0 vorgesehen, in denen die akustische Welle zwar nicht angeregt wird, aber die im entsprechenden Anregungsbereich angeregte Welle in longitudinaler Richtung ausbreitungsfähig ist. Zwischen zwei akustischen Spuren ist jeweils ein Zwischenbereich mit einem imaginären ky vorgesehen. In den Zwischenbereichen erfolgt keine Anregung der akustischen Welle. Jeder Zwischenbereich ist vorzugsweise als ein durchgehender Metallstreifen mit einer gegenüber den Anregungsbereichen erhöhten Schichtdicke und/oder unter Verwendung von Materialien mit einer im Verhältnis zu den Anregungsbereichen erhöhten Dichte bzw. verringerter Steifigkeit ausgebildet. Dabei können die Elektrodenfinger in den Anregungsbereichen auch periodisch angeordnet sein oder unidirektional abstrahlende Zellen bilden. Die Form der transversalen Grundmode mit einer annähernd konstanten Auslenkung in den Bereichen, die den Anregungsbereichen entsprechen, und der verschwindenden Auslenkung in den Zwischenbereichen läßt sich durch die geeignete Auswahl der absoluten Breiten der Randbereiche einstellen, wobei die in Wellenlängen gemessene Breite eines Randbereichs stets eine Achtelwellenlänge bis eine Viertelwellenlänge beträgt. Auf diese Weise wird die Form der transversalen Grundmode dem Anregungsprofil einer mehrspurigen Anordnung angepasst.
In den Figuren 7 und 8 ist die Unterdrückung von höheren transversalen Wellenleitermoden in einem Wandler erläutert, der auf einem Substrat mit einer konkaven Slowness wie z. B. 42° rot YX LiTaO3 aufgebaut ist. Diese höheren Wellenmoden sind die Ursache für unerwünschte Nebenmaxima in der Resona- toradmittanz oder Filterfunktion, deren Phasenfaktoren in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate - Kurven 11, 12, 13 - in Figur 7 oben und deren relative Intensitäten in Figur 7 unten schematisch gezeigt sind.
Die transversale Mode mit der Ordnungszahl 1 ist eine transversale Grundmode, die bei einer herkömmlich (mit einem Anregungsbereich ohne Randbereiche) ausgebildeten akustischen Spur sinusförmig ist. Diese Mode ist in Figur 7 durch die Kurve 11 charakterisiert. Die relative Intensität der ersten transversalen Mode beträgt ca. 84%. Darüber hinaus werden in einer derart ausgebildeten akustischen Spur weitere transversale Wellenmoden mit einer ungeraden Ordnungszahl angeregt. Eine stehende akustische Welle, die der zweiten transversalen Wellenmode (Kurve 12) entspricht, kann im Wellenleiter aufgrund der Symmetriebedingungen nicht angeregt werden. Die relative Intensität der dritten transversalen Wellenmode (der zweiten Harmonischen der Grundmode, siehe Kurve 13 in Figur 7) beträgt hier ca. 9% und die relative Intensität der in Figur 7 nicht dargestellten fünften Wellenmode ca. 3%.
Die Einkopplung des elektrischen Signals in die dritte und die fünfte transversale Moden kommt deswegen zustande, da das transversale Anregungsprofil der akustischen Spur rechteckig ist, während die Form der transversalen Mode sinusförmig ist. Diese Moden führen zu unerwünschten Resonanzen oberhalb des Durchlassbereichs des Filters, welche die Filterqualität (u. a. auch die Einfügedämpfung im Durchlassbereich) verschlechtern.
Bei dem Anregungsprofil und der Form der transversalen Grundmode, die aneinander angeglichen sind, werden die höheren transversalen Wellenmoden nicht angeregt.
Die Phasenfaktoren der transversalen Wellenleiter-Moden, die in der gemäß Figur 1 ausgebildeten akustischen Spur anregbar bzw. ausbreitungsfähig sind, sind in Figur 8 oben und die relativen Intensitäten der Moden in Figur 8 unten gezeigt. Der Phasenfaktor der ersten, zweiten und dritten transversalen Mode entspricht der Kurve 11', 12' und 13'. Die relative Intensität der höheren transversalen Moden ist im Vergleich zur Intensität der transversalen Grundmode sehr gering.
Die Kurven 14 und 14' in Figuren 7 und 8 geben das Geschwindigkeitsprofil eines der jeweiligen akustischen Spur entsprechenden Wellenleiters wieder, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in longitudinaler Richtung gemeint ist. In Figur 8 ist gezeigt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in den Randbereichen der akustischen Spur größer als in anderen Bereichen des Wellenleiters ist.
Der angegebene Wandler kann grundsätzlich in allen an sich bekannten SAW-Bauelementen, z. B. Double Mode SAW Filter, Normalfingerwandler, rekursive Filter, eingesetzt werden und ist nicht auf die Anzahl der in Figuren dargestellten Elemente oder auf bestimmte Frequenzbereiche beschränkt.
Bezugszeichenliste
AS akustische Spur
AS' weitere akustische Spur
MB Anregungsbereich der akustischen Spur
MB' Anregungsbereich der weiteren akustischen Spur
RBl, RB2 Randbereich der akustischen Spur
RBl', RB2 ' Randbereich der weiteren akustischen Spur
El, E2 erste und zweite Sammelschiene
Y transversale Richtung
X longitudinale Richtung
AZl anregende Zelle
RZl - RZ3 reflektierende Zelle
AUl, AU2 Außenbereiche des Wellenleiters
TBl - TB2 Teilspuren
MT mittlere Teilspur
RTl Rand-Teilspur
ZB Zwischenbereich
11 Phasenfaktor der transversalen Grundmode in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate (beim nicht angepassten transversalen Anregungsprofil)
12 Phasenfaktor der ersten Harmonischen der transversalen Grundmode (beim nicht angepassten transversalen Anregungsprofil)
13 Phasenfaktor der zweiten Harmonischen transversalen Grundmode (beim nicht angepassten transversalen Anregungsprofil)
11' Phasenfaktor der transversalen Grundmode in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate (beim angepassten transversalen Anregungsprofil)
12' Phasenfaktor der ersten Harmonischen der transversalen Grundmode (beim angepassten transversalen Anregungsprofil) 13' Phasenfaktor der zweiten Harmonischen transversalen Grundmode (beim angepassten transversalen Anregungsprofil) 14 Geschwindigkeitsprofil des Wellenleiters, dessen
Grundmode an das Anregungsprofil nicht angepasst ist
14' Geschwindigkeitsprofil des Wellenleiters, dessen Grundmode an das Anregungsprofil angepasst ist

Claims

Patentansprüche
1. Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitender Wandler,
- mit einer akustischen Spur (AS), in der eine akustische Welle ausbreitungsfähig ist, die durch eine transversale Grundmode charakterisiert ist,
- wobei die akustische Spur (AS) in transversaler Richtung (Y) in einen Anregungsbereich (MB) und zwei Randbereiche (RBl, RB2) aufgeteilt ist,
- wobei die akustische Spur (AS) in transversaler Richtung zwischen zwei Außenbereichen (AUl, AU2) angeordnet ist, die an die akustische Spur (AS) angrenzen,
- wobei die Randbereiche (RBl, RB2) derart ausgebildet sind, dass die longitudinale Phasengeschwindigkeit vRB der akustischen Welle in dem jeweiligen Randbereich (RBl, RB2) größer ist als die longitudinale Phasengeschwindigkeit vMB der Welle im Anregungsbereich (MB) ,
- wobei die Außenbereiche (AUl, AU2) derart ausgebildet sind, dass die longitudinale Phasengeschwindigkeit vAU der akustischen Welle in dem jeweiligen Außenbereich (AUl, AU2) kleiner
Figure imgf000034_0001
- wobei die Randbereiche (RBl, RB2) und die Außenbereiche (AUl, AU2) derart ausgebildet sind, dass gilt:
(ky)2 > 0 in dem jeweiligen Randbereich (RBl, RB2) und (ky)2 < 0 in dem jeweiligen Außenbereich (AUl, AU2) ,
- wobei ky die Wellenzahl der transversalen Grundmode im jeweiligen Bereich (MB, RBl, RB2, AUl, AU2) ist,
- wobei die Breite der Randbereiche (RBl, RB2) bezüglich der Breite des Anregungsbereichs (MB) derart eingestellt ist, dass im Anregungsbereich (MB) ky im Wesentlichen konstant und betragsmäßig um mindestens Faktor zehn kleiner als in den Randbereichen (RBl, RB2) und den Außenbereichen (AUl, AU2) ist .
2. Wandler nach Anspruch 1, bei dem im Anregungsbereich (MB) gilt: ky * 0.
3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2,
- der auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet ist, das so ausgewählt ist, dass für die Geschwindigkeit vMB der Oberflächenwelle im Anregungsbereich innerhalb eines Winkelbereichs rund um die Ausbreitungsrichtung (X) gilt:
Figure imgf000035_0001
- wobei f die Arbeitsfrequenz des Wandlers, kx die Wellenzahl in longitudinaler Richtung und γ der Anisotropieparameter des Substrats ist, wobei gilt γ < -1,
- wobei die Breite W der Randbereiche (RBl, RB2) im Wesentlichen
-*-≤W≤— beträgt, 8 4
- wobei λy die Wellenlänge der sich in transversalen Richtung ausbreitenden Welle ist, wobei gilt:
und ΔvRB = vMB - vRB.
A'
Figure imgf000035_0002
4. Wandler nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Außenbereiche (AUl, AÜ2) derart ausgebildet sind, dass dort die Phasengeschwindigkeit der akustischen Welle um mindestens 3% kleiner ist als im Anregungsbereich (MB) .
5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Breite des jeweiligen Randbereichs (RBl, RB2) in transversaler Richtung zwischen π/(4ky,RB) und π/ (2ky,RB) liegt, wobei ky,RB die Wellenzahl der Grundmode im jeweiligen Randbereich ist.
6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Breite des jeweiligen Außenbereichs (AUl, AU2) in transversaler Richtung mindestens λx beträgt, wobei λx die Wellenlänge im Anregungsbereich (MB) in Hauptausbreitungsrichtung X ist.
7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
- mit an eine erste Sammelschiene angeschlossenen ersten E- lektrodenfingern und an eine zweite Sammelschiene angeschlossenen zweiten Elektrodenfingern, wobei die ersten und zweiten Elektrodenfinger ineinander greifen,
- wobei der erste Außenbereich (AUl) zumindest einen Teil der ersten Sammelschiene umfasst, und
- wobei der zweite Außenbereich (AU2) zumindest einen Teil der zweiten Sammelschiene umfasst.
8. Wandler nach Anspruch 7, wobei die Außenbereiche (AUl, AU2) jeweils als ein in longi- tudinaler Richtung durchgehender Metallstreifen ausgebildet sind, dessen Höhe größer ist als die Dicke der Elektrodenfinger im Anregungsbereich (MB) .
9. Wandler nach Anspruch 1 bis 8, wobei die Außenbereiche (AUl, AU2) jeweils mindestens zwei Teilschichten aus verschiedenen Materialien aufweisen.
10. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zumindest eine der in den Außenbereichen (AUl, AU2) angeordneten Teilschichten eine größere Dichte und/oder eine kleinere Steifigkeit aufweist als das Material der Elektrodenfinger im Anregungsbereich (MB) .
11. Wandler nach Anspruch 7,
- wobei sich der erste Randbereich (RBl) zwischen den Enden von ersten Elektrodenfingern und der zweiten Sammelschiene erstreckt, und
- wobei sich der zweite Randbereich (RB2) zwischen den Enden von zweiten Elektrodenfingern und der ersten Sammelschiene erstreckt .
12. Wandler nach Anspruch 7,
- wobei der erste Randbereich (RBl) als ein perforierter Bereich der ersten Sammelschiene ausgebildet ist, und
- wobei der zweite Randbereich (RB2) als ein perforierter Bereich der zweiten Sammelschiene ausgebildet ist.
13. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der Anregungsbereich (MB) in transversaler Richtung (Y) in mehrere Teilspuren (TBl, TB2, TB3, TB4) aufgeteilt ist, die Teilwandlern entsprechen, die miteinander in Serie und/oder parallel geschaltet sind.
14. Wandler nach Anspruch 13,
- wobei die Teilspuren in Ausbreitungsrichtung (X) die gleiche Elektrodenfinger-Struktur aufweisen,
- wobei die Breite der Teilspuren so gewählt ist, dass das transversale Profil Ψy der Anregungsstärke im Anregungsbereich (MB) an die Form Φy der transversalen Grundmode ange- passt ist.
15. Wandler nach Anspruch 13 oder 14, bei dem für die Anpassung des transversalen Profils Ψy der Anregungsstärke an die Form Φy der transversalen Grundmode gilt: J ΨyΦy dy .
Figure imgf000038_0001
16. Wandler nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
- bei dem die Teilspuren eine mittlere Teilspur (MT) und zwei Rand-Teilspuren (RTl, RT2) aufweisen,
- wobei die Rand-Teilspuren (RTl, RT2) miteinander in Serie geschaltet sind und eine Serienschaltung bilden,
- wobei die Serienschaltung parallel zur mittleren Teilspur (MT) geschaltet ist, und
- wobei die Breite der mittleren Teilspur (MT) um mindestens Faktor 5 größer als die Breite der jeweiligen Rand-Teilspur (RTl, RT2) ist.
17. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Anteil der metallisierten Fläche in dem jeweiligen Randbereich (RBl, RB2) kleiner ist als im Anregungsbereich (MB) .
18. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der Anteil der metallisierten Fläche in dem jeweiligen Außenbereich (AUl, AU2) größer ist als im Anregungsbereich (MB) .
19. Wandler nach einem der Ansprüche 7 bis 18, wobei die Randbereiche (RBl, RB2) eine im Wesentlichen periodische Anordnung von Metallstreifen aufweisen, deren Periode größer ist als die Periode von Elektrodenfingern im Anregungsbereich (MB) .
20. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 19,
- bei dem der Anregungsbereich (MB) in longitudinaler Richtung in unidirektional abstrahlende oder reflektierende ZeI- len aufgeteilt ist,
- wobei mehrere in longitudinaler Richtung nebeneinander angeordnete Elektrodenfinger im Anregungsbereich (MB) eine Zelle mit Abstrahlung der akustischen Welle in eine bevorzugte Richtung oder eine Zelle mit reflektierender Wirkung bilden.
21. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 20,
- bei dem neben der ersten genannten akustischen Spur (AS) zumindest eine weitere akustische Spur (AS') vorgesehen ist, die in einen Anregungsbereich (MB') und Randbereiche (RBl', RB2 ' ) aufgeteilt ist und im Wesentlichen gleich aufgebaut ist wie die erste akustische Spur (AS) ,
- wobei die akustischen Spuren (AS, AS') parallel zueinander angeordnet sind,
- wobei zwischen zwei akustischen Spuren ein Zwischenbereich (ZB) angeordnet ist,
- wobei die transversale Wellenzahl ky in den Anregungsbereichen (MB, MB') verschiedener akustischer Spuren (AS, AS') um mindestens den Faktor Zehn kleiner ist als im Zwischenbereich
(ZB) .
22. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der Anregungsbereich, die jeweiligen Außenbereiche (AUl, AU2) und die jeweiligen Randbereiche (RBl, RB2) derart ausgebildet sind, dass gilt: (vMB-vAD) / (vRB-vMB) > 1.
23. Filter mit zumindest einem Wandler nach Anspruch 1 bis 22.
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