WO2011088904A1 - Elektroakustischer wandler mit verringerten verlusten durch transversale emission und verbesserter performance durch unterdrückung transversaler moden - Google Patents

Elektroakustischer wandler mit verringerten verlusten durch transversale emission und verbesserter performance durch unterdrückung transversaler moden Download PDF

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irb
longitudinal
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Werner Ruile
Markus Mayer
Ulrike RÖSLER
Markus Hauser
Ingo Bleyl
Karl-Christian Wagner
Wolfgang Sauer
Michael Jakob
Thomas Ebner
Edgar Schmidhammer
Stefan Berek
Christoph Eggs
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Epcos Ag
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Definitions

  • Electroacoustic transducer with reduced losses due to transversal emission and improved performance by suppression of transverse modes
  • the invention relates to electroacoustic transducers, which find application in SAW or GBAW RF filters, for example, and to methods for producing such transducers.
  • Transducers according to the invention have lower losses due to a reduced transversal emission of acoustic waves and an improved performance by suppression of transverse modes.
  • SAW surface acoustic wave
  • GBAW guided bulk acoustic wave
  • SAW or GBAW devices include electrode fingers disposed on a piezoelectric substrate or on a piezoelectric layer.
  • electrode fingers are arranged side by side, the i. A. alternately with a first and a second Stromammenammeischiene (busbar) are connected.
  • the acoustic track is the area of the substrate or the piezoelectric layer, in which surface acoustic waves propagate during operation of the Bauele ⁇ management.
  • the electrode fingers lie in the acoustic track and thus in the acoustic range.
  • the current busbars lie in the lateral edge region of the acoustic track.
  • the acoustic track is usually limited by reflectors to the energy loss by emission of the acoustic waves in longitudinal
  • a loss mechanism in working with acoustic waves components is that acoustic waves leave the akus ⁇ tables track in the longitudinal or transverse direction.
  • Wave-working components in particular surface wave filters for mobile radio applications, is to obtain components with low loss mechanisms - eg without disturbing transverse modes or with reduced disturbing transverse modes - with a good transmission characteristic.
  • Published patent application DE 103 31 323 A1 discloses transducers operating with SAWs, in which the losses due to transverse vibrations are reduced by arranging recesses in the current busbars. From the patent document US 7,576,471 Bl are known with SAWs processing ⁇ tend components, in which the thickness of the electric ⁇ denfinger in a range between a central excitation region ( "center region”) and the area of the bus bar ( "busbar region”) is increased.
  • the electroacoustic coupling constant k 2 is a measure of the strength of the coupling between acoustic waves and RF signals. It is therefore an object of the present invention to provide an electroacoustic transducer which has low transverse losses and which is compatible with strongly coupling piezo ⁇ electrical substrates. This object is achieved by an electro-acoustic transducer according to independent claim 1. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
  • the invention specifies an electroacoustic transducer which is arranged in an acoustic track.
  • the transducer comprises a piezoelectric sub ⁇ strat and two electrodes disposed thereon, the interconnected each with a power bus, interdigitated electrode fingers for exciting acoustic waves aufwei- sen.
  • the transducer is designed so that the acoustic
  • the longitudinal Ausbreitungsgeschwindig ⁇ ness is the velocity of the acoustic wave in longi- tudinaler direction.
  • the transducer includes a central excitation region at a first longitudinal velocity.
  • the central excitation region flanked on both sides inner edge regions where the longitudinal speed deviates from the lon ⁇ gitudinalen velocity in the central excitation region.
  • Outer edge areas flank the inner edge preparation .
  • In the outer edge regions of the longitudinal Ge ⁇ speed is higher than in the inner edge regions.
  • the outer edge areas can serve the waveguide. Their width is then large enough to waveguide - z. B. a decay of the bound modes to zero - to achieve.
  • the substrate has a convex slowness. Slowness is the inverse of speed. The slowness is proportional to the wave vector k of the acoustic waves propagating in the substrate. The presence of a convex slowness is equivalent to an anisotropy factor ⁇ of the substrate which is greater than -1: ⁇ > -1.
  • the anisotropy factor is given by the equation
  • k x is the component of the wave vector in the longitudinal direction
  • k is the component of the wave vector in the transverse direction
  • k 0 is the wave number in the main propagation direction of the acoustic waves.
  • the main propagation direction in the longitudinal direction x is given by the arrangement of the electrode fingers.
  • the main propagation direction is perpendicular to the electrode fingers. The above equation holds approximately for k I k x «1.
  • the longitudinal velocity in the inner edge region is lower than in the central excited region.
  • the longitudinal VELOCITY ⁇ ness in the field of bus bars is lower than the longitudinal velocity in the inner edge regions. In one embodiment, the longitudinal VELOCITY ⁇ speed in the outer edge regions is higher than the longitudinal velocity in the central excitation region.
  • the invention specifies an electroacoustic transducer which is arranged in an acoustic track.
  • the transducer comprises a piezoelectric sub ⁇ strat and two electrodes disposed thereon, the interconnected each with a bus bar, having interdigitated electrode fingers for exciting acoustic waves.
  • the transducer is designed in such a way that the acoustic wave has a different longitudinal propagation velocity in several regions extending parallel to the acoustic track.
  • the transducer includes a central excitation region at a first longitudinal velocity.
  • the central excitation region flanked on both sides inner edge regions where the longitudinal speed deviates from the lon ⁇ gitudinalen velocity in the central excitation region.
  • Outer edge areas flank the inner edge preparation . In the outer edge regions of the longitudinal Ge ⁇ speed is higher than in the central excitation region.
  • Edge regions of the electroacoustic transducer In the preparation ⁇ chen the bus bars of the electroacoustic transducer, the longitudinal speed is lower than in the externa ⁇ ßeren edge regions.
  • the areas of the current busbars are so large that a waveguide in these areas is possible.
  • the area of the current busbars serves as the waveguide.
  • the substrate has a concave slowness.
  • the presence of a convex slowness is equivalent to an ani- sotropie tone ⁇ of the substrate, which is less than -1: ⁇ ⁇ -1.
  • the longitudinal velocity is higher in the inner edge region than in the central excited region.
  • the longitudinal VELOCITY ⁇ speed in the regions of the bus bars is lower than the longitudinal velocity in the central
  • Such embodiments of an electroacoustic transducer in which the longitudinal velocity varies in the transverse direction give a transverse profile of the longitudinal velocity, in which a so-called
  • Excitation range and preferably zero in the area outside the acoustic track. In between, the maximum deflection falls with the highest possible gradient.
  • the notation of this integral is: ⁇
  • the piston mode is further characterized in that no or at most minimal acoustic waves propagating in the transverse direction occur.
  • obtaining the Pistonmodes is an effective means to reduce losses Energy ⁇ by transverse radiation of acoustic waves from the acoustic track out while achieving improved performance through suppression of transverse modes.
  • the converter described above enables improved piston mode compared to known transducer structures, that is, an increased overlap integral of the fundamental mode. Furthermore, the inventive transducer with high coupling Substra ⁇ th is compatible. Adjusting the longitudinal velocity in regions of the acoustic track disposed transversely adjacent the central excitation region is essential to this
  • the current busbars and the electrode fingers are mounted on a piezoelectric substrate.
  • a piezoelectric substrate which has a higher electro-acoustic coupling coefficient than quartz.
  • a piezoelectric substrate for example, lithium tantalate or lithium niobate is suitable.
  • a concave slowness means that the slowness in
  • transverse direction which is proportional to k y , as a function of slowness in the longitudinal direction, which is proportional to k x, is a concave function: the two-fold derivative of the slowness in the longitudinal direction after the slowness in the transverse direction is positive. Or the same applies:
  • the two-fold derivative of k x to k y is positive:
  • a piezoelectric substrate with concave slowness focuses on acoustic waves and thereby helps to reduce the emission of acoustic waves in the transverse direction.
  • the electrode fingers are wider at least in portions along the transverse direction within the inner edge regions than in the central excitation region.
  • the electrode fingers are narrower at least in sections along the transverse direction within the inner edge regions than in the central excitation region.
  • the velocity of the acoustic waves on the surface of a piezoelectric substrate depend on the mass occupancy of the substrate, that is to say on the mass of the layers arranged on the substrate. Materials of the electrode fingers represent such layers.
  • An acoustic wave is the slower, the higher the Massenbele ⁇ tion and the faster, the greater the elastic constants of the material of the mass occupancy.
  • Widened electrode fingers generally provide an increased mass occupancy.
  • a limited to the inner peripheral region widening finger is thus a simple but effective means to reduce the longitudinal speed in the inner edge ⁇ area.
  • a Massenbele ⁇ supply z. B. with Al 2 O 3, or diamond, but both materials are relatively easily have high rigidity values
  • Ge ⁇ speed also increase the Ge ⁇ speed.
  • Electrode fingers cause a decrease or an increase in the speeds.
  • the width of the electrode fingers varies linearly at least in sections along the transverse direction within the inner edge regions. As the finger width changes linearly, ie not stepwise, a further degree of freedom is given in the shaping of the deflection profile and thus of the piston mode.
  • the width can increase or decrease from the inside to the outside.
  • the electrode fingers are higher or lower at least in sections along the transverse direction within the inner edge regions than in the central excitation region. A thickening or thinning of the fingers also provides a way to ver ⁇ change the mass allocation to obtain an improved Pistonmode.
  • the electrode fingers are in the central excitation region are higher than in the inner edge portions, the outer edge regions or areas of the bus bar and in particular in this case have a thicker Metalli ⁇ tion. Both a thickening and a thinning, depending on the material parameters, the finger also represents an opportunity to change the mass assignment.
  • the acoustic VELOCITY ⁇ ness can be easily adjusted to obtain an improved Pistonmode.
  • the height of the electrode fingers that is to say the thickness of the electrode layer on the substrate, changes stepwise within the inner edge regions at least in sections along the transverse direction.
  • electrode fingers and current busbars are deposited in deposition processes (for example in lift-off technology or in etching technology) on a piezoelectric substrate.
  • a linear change in thickness is not feasible in a trivial way.
  • stepwise change if the step width is chosen to be sufficiently small, a good approximation to a linear course can be chosen and obtained.
  • the height of the electrode fingers inside the inner edge region increases linearly, at least in sections along the transverse direction, that is to say outwards or inwards. If an approximation by a stepped change in thickness is not sufficient, then a linear he will hold ⁇ or other continuous function of the layer thickness in that in the deposition of the material jet has a spatially inhomogeneous flow and deposition ⁇ rate in different areas of the substrate is different. The gradient of the deposition rate is then a spatially continuous function.
  • a conductive or the ⁇ lektharis material is arranged on the electrode fingers in the inner edge regions at least in lateral sections different from the electrode material. Such arranged on the electric ⁇ the fingers material allows further due to adjust the speed of the acoustic wave under ⁇ retired union mass coverage.
  • dielectric material is disposed in the inner edge regions on and between the electrode fingers. It can almost be a rail, e.g. structured by means of a lift-off technique or by means of an etching technique, placed in the longitudinal direction over the electrode fingers. This makes it easy to set the mass assignment and thus the longitudinal speed.
  • hafnium oxide or tantalum oxide is disposed on or between the electrode fingers.
  • Hafnium oxide and tantalum oxide are compounds with a high specific gravity and thus have a great influence on the change of the velocity of the acoustic wave.
  • electrical insulators so ⁇ Liche fingers of different polarity differed not be shorted ⁇ sen.
  • hafnium or tantalum the metals themselves, can serve to reduce the speed. For this they are on the electrodes, the Stromammenischisch, on
  • the propagation speed can be adjusted so that due to the anisotropy focusing in the propagation direction occurs.
  • the longitudinal VELOCITY ⁇ speed in the outer edge regions is higher than in the central excitation region.
  • the longitudinal velocity in the inner edge preparation ⁇ surfaces is higher than in the regions of the bus bars.
  • the longitudinal VELOCITY ⁇ speed in the two inner edge regions is identical.
  • the longitudinal velocity in the two outer edge regions is also identical in each case.
  • the longitudinal Ge ⁇ speed is appeared in the areas of the two Stromsammei ⁇ identical.
  • the normalized overlap integral is preferably greater than 0.9 or greater than 0.95 or greater than 0.99.
  • the normalized overlap integral is:
  • the transverse excitation profile of the fundamental mode of the acoustic wave is adapted to the transverse deflection profile by a phase weighting in the inner edge region.
  • a phase weighting is obtained in that individual areas, for example in transversal
  • Stimulation center usually the middle of the
  • Electrode fingers - which, in the longitudinal direction opposite the excitation center in other areas
  • the electrode fingers or bus bars are covered with a dielectric layer.
  • the layer consists of SiO 2 silicon dioxide is also well suited to compensate for the temperature coefficient of the elastic components of the substrate.
  • the electroacoustic transducer is a GBAW device. In a GBAW device, acoustic waves propagate at a boundary layer between a piezoelectric layer and a dielectric layer disposed thereon.
  • the widths of the outer edge regions are determined by the lateral spacing between the ends of the electrode fingers of one electrode and the other electrode, that is, the current busbar itself.
  • the electroacoustic transducer has no stub fingers.
  • stub fingers in the areas of Strommasischischienen are possible to adjust the mass utilization suitable.
  • Stummelfinger are electrode fingers, which are not with electrode fingers of the opposite
  • Electrode overlap and thus stimulate substantially no longitudinal acoustic waves.
  • the distance W which in convex slowness corresponds to the distance of the central excitation region from the outer edge region and, in the case of concave slowness, to the distance of the central excitation region from the current manifolds, can
  • v AEB is the velocity in the range of Stromsam ⁇ Rails masters.
  • the inner edge region is substantially wider (eg, 2, 5, or 10 times wider) than the outer edge region.
  • the width of the areas of the current busbars can in the case
  • the width of the outer edge regions can be convex in the case
  • the widths of the outer edge regions are determined by the lateral spacing between the ends of the electrode fingers of one electrode and the ends of stub fingers coupled to the current busbar of the other electrode.
  • the electroacoustic transducer is part of an acoustic wave resonator having reflectors limiting the acoustic track in the longitudinal direction.
  • electroacoustic transducers may also be arranged between reflectors delimiting the acoustic track.
  • One or more transducers can thereby be input transducers, which convert the RF signals into acoustic waves while one or more other converter output ⁇ transducers convert the acoustic waves into RF signals.
  • an acoustic wave resonator includes reflectors that delimit the acoustic track in the longitudinal direction.
  • the transducer is disposed on a piezoelectric substrate together with a reflector, the reflector having reflector fingers having the same construction in the transverse direction as the electrode fingers of the transducer.
  • the invention specifies an electroacoustic transducer which is arranged in an acoustic track.
  • the transducer comprises a piezoelectric sub ⁇ strat and two electrodes disposed thereon, the interconnected each with a bus bar, having interdigitated electrode fingers for exciting acoustic waves.
  • the transducer is designed in such a way that the acoustic wave in a plurality of regions extending parallel to the acoustic track has a different longitudinal propagation direction. speed.
  • the longitudinal Ausbreitungsgeschwindig ⁇ ness is the velocity of the acoustic wave in longi- tudinaler direction.
  • the transducer includes a central excitation region at a first longitudinal velocity.
  • the central excitation area is flanked by outer peripheral areas.
  • the speed of the acoustic waves in the outer edge areas deviates i. A. from the longitudinal speed in the
  • the substrate with electrode structures has a self-focusing slowness.
  • a corresponding converter comprises a central one
  • Excitation area possibly inner edge areas flanking the central excitation area, if necessary
  • the gap areas can be characterized be that in them electrode fingers at least one
  • Electrode are interrupted.
  • Transducer propagating acoustic waves are in the
  • the mass density per wavelength ⁇ can be optimally set in the inner edge preparation ⁇ chen, in gap regions, in the outer edge areas or in areas of the bus bars.
  • Pistonmodes used. As a result, there are reduced dips in the filter transfer function of respective filter devices and reduced shear stresses on the electrode fingers due to higher modes, thereby improving the performance of the device.
  • the mass consumption in substrates with convex slowness in the inner edge regions can be increased and, in the case of substrates with concave slowness, the mass coverage can be increased in gap regions explained in more detail below.
  • Mass occupancies in the inner edge regions at least in relative terms, be reduced.
  • An increase in mass occupancy can be achieved by one of
  • heavier element for example a metal or a dielectric, in the form of a
  • Wave propagation direction arranged dielectric strip as a weighting layer
  • Reduction of the mass occupancy in the remainder of the acoustic track for example by selective removal of a dielectric cover layer or a
  • the inner edge areas can have a width of 0.1 to 3.0 in Units of wavelength ⁇ of the longitudinal waves have.
  • the widths of the inner edge regions may in particular be between 0.25 and 1.0 ⁇ .
  • the Metallticiansver consent ⁇ nis, n, in the inner edge regions may be 0.9 or less, n may vary over the inner edge regions.
  • Heavy metals such as copper, gold, silver, platinum, tungsten, tantalum, palladium or molybdenum, or a heavy dielectric such as tantalum oxide, for example Ta 2 Os, may be present in a denaturation layer in the inner peripheral regions, for example on the electrode fingers. be arranged.
  • the layer thickness of such a weighting layer can be between 5% and 200% of the thickness of an electrode finger.
  • Such Beatungs ⁇ layer may comprise one or more layers of plies of individual elements, or an alloy.
  • One or more adhesive layers for a better mechanical connection between the device and a weighting layer may comprise titanium.
  • Such a weighting layer can also be arranged below the electrode fingers.
  • Such a weighting layer can in particular be arranged above the electrode fingers and consist of the same material as the electrode fingers.
  • the thickness of such a weighting layer can be in particular 10% to 50% of the finger thickness.
  • the weighting layer may comprise a dielectric and cover the entire inner edge area.
  • Such a weighting layer of Ta 2 0s for example, a layer thickness ⁇ 5 "have 6 to 200% of the electrode finger thickness.
  • a dielectric insulating layer Above the electrode fingers may be arranged in the inner edge regions, a dielectric insulating layer.
  • a weighting layer with a thickness of 10 nm to 1 ⁇ m can be arranged in the entire inner edge area.
  • a dielectric layer for example a compensation layer of SiO 2
  • a dielectric layer may be thinned in all other regions outside the inner edge regions, but at most to a thickness of 10% of the thickness in the inner edge regions.
  • the gap areas of a transducer may be between 0.5 and 5.0 ⁇ in width.
  • the gap areas flanking outer edge areas can stub finger, with the
  • Such an outer edge region may each have a width of 1.0 to 5.0 ⁇ .
  • the width of the gap regions can be in particular 0.5 to 5.0 ⁇ .
  • the outer edge areas can then be free from
  • the metallization ratio n may be in the outer
  • the electrode fingers in the outer edge regions may be covered by a weighting layer, for example a
  • Layer thickness ⁇ 5 is 6 to 200% in units of finger thickness, be thickened.
  • the electroacoustic excitation in inner edge regions can be reduced, for example, by phase weighting.
  • the excitation centers the centers between finger edges of adjacent fingers, may be shifted in the longitudinal direction.
  • the shift can be periodic or random.
  • the displacement of the finger centers may be 0.25 in units of ⁇ or less.
  • Stimulation can be an improved course of the Pistonmode
  • the metallization ratio n can also be adjusted periodically or randomly distributed, n can be varied, for example, in a range from 0.1 to 0.9.
  • the outer edge regions in longitudinal or transverse direction seen juxtaposed portions include.
  • stub fingers can be arranged.
  • the width of the gap regions can be between 0.1 and 1 ⁇ .
  • Excitation ranges may be between 0.1 and 3.0 ⁇ , and the width of the outer portions of the outer edge regions may be between 1.0 ⁇ and 5.0 ⁇ .
  • Mass occupancy in the outer edge areas may be increased to n, up to 0, 9.
  • the measures to increase or decrease the speed in a range at a set speed may also contribute to increasing or decreasing the speed in other ranges at a set speed.
  • Adjacent inner edge regions, gap regions and outer edge regions may have a total width of 0.1 ⁇ to 3.0 ⁇ .
  • the substrates of the following table are possible:
  • Quartz 36 Si0 2 (a-quartz) (0 °, 126.0 °, 0 °)
  • Quartz 39.5 SiQ 2 (a-quartz) (0 °, 129.5 °, 0 °)
  • the Euler angles are defined as follows: First, a set of axes x, y, z is assumed, which are the
  • the first angle, ⁇ indicates by which amount the x-axis and the y-axis are rotated about the z-axis, whereby the x-
  • the z axis and the x y x are - axis by the angle ⁇ to the axis x x rotated.
  • the y x axis is rotated in the direction of the z x axis. Accordingly, a new set of axes ⁇ ⁇ ⁇ , y xx , ⁇ ⁇ ⁇ , where
  • the x xx axis is rotated in the direction of the y xx axis.
  • a third set of axes ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , y xxx , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , where z ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ .
  • the x xxx axis and the y xxx axis are parallel to
  • the z axis is the xxx surfaces ⁇ normal of the substrate.
  • the x xxx axis indicates the propagation direction of the acoustic waves ⁇ .
  • the definition is in accordance with international standard IEC 62276, 2005-05, Annex AI.
  • a transducer may be a metal with a higher density than aluminum, for example copper, gold, tungsten or a
  • Electrodes or the electrode fingers of a transducer may be made of a metal having a higher density than aluminum, for example, copper, gold, tungsten or an alloy of these metals as the main constituent.
  • a compensation layer may be arranged on a transducer.
  • a compensation layer can reduce or eliminate the temperature response of the frequency position of a device.
  • Such a compensation layer may comprise Si0 2 , SiN, AL 2 O 3 or SiO x N y .
  • the thickness of such a compensation layer may be greater than or equal to 50% in units of ⁇ .
  • Electrodes may include multiple layers of individual elements or different alloys. In particular, you can
  • the total height of an electrode may be 4% to 7% in units of ⁇ .
  • the metallization ratio averaged over all edge regions and the central excitation region can be between 0.55 and 0.7; the finger period, which essentially determines the frequency response of the device, can range between 0.8 and 1.1 ym.
  • a compensation layer comprising planarized S1O 2 may comprise a thickness between 25% and 33% in units of ⁇ .
  • a dielectric passivation or trimming layer may comprise silicon nitride. Such a passivation or trim layer may have a thickness of less than 7% of the
  • the Euler angles for a piezoelectric lithium niobate substrate are also the angles (0 °, 37.8513 °, 0 °).
  • the total height of the electrodes can be between 6% and 8% in
  • the metallization ratio can be set between 0.5 and 0.65.
  • the finger period can be between 1.8 and 2.1 ym.
  • the electrodes can be made with a planar dielectric
  • Electrodes or a dielectric layer disposed above may be provided with an additional dielectric
  • the z. B. S1 3 N 4 or S1O 2 covers, be covered. Their thickness can be up to 5% of the acoustic wavelength ⁇ .
  • lithium niobate substrates with the Euler angles (0 °, 37.8513 °, 0 °) are also suitable.
  • the total height of the electrode can be between 6% and 12% of the wavelength.
  • the metallization ratio can be between 0.5 and 0.58.
  • a corresponding converter may be part of a duplexer for the WCDMA Band II (1850 - 1990 MHz) and Band III (1710 - 1880 MHz).
  • the finger period defining the operating frequencies can be between 0.8-1.1 ⁇ .
  • a compensation layer comprising silicon dioxide may be between 30 and 50% ⁇ thick.
  • a dielectric passivation layer may comprise silicon nitride and may comprise a thickness of less than 7% in units of ⁇ .
  • the inner edge regions may be eliminated and still a good piston mode may be obtained.
  • These converters can outer edge areas and
  • the gap areas can be between 0.1 and 3.0 ⁇ wide.
  • Edge areas can be between 1.0 and 5.0 ⁇ wide.
  • a dielectric weighting layer or a metal weighting layer may have a thickness of 10 nm to 1 ⁇ m.
  • the mass occupancy in the inner edge regions is reduced compared to the outer edge regions or gap regions.
  • the total width of the inner edge regions and the gap regions may be between 0.1 and 3.0 ⁇ .
  • a reduction in mass consumption can be achieved by a
  • Reduction of n for example, to values greater than or equal to 0.1, to be achieved.
  • Reduction in mass occupancy may also be achieved by ablating a dielectric cap layer to thicknesses less than 1 ym.
  • the total height of the electrode fingers can be between 2.5 and 12% in units of ⁇ .
  • the metallization ratio n can be between 0.4 and 0.8.
  • the finger period can be between 0.7 and 3.0 ym.
  • a transducer may include a dielectric passivation layer, including, for example, silicon nitride, with a thickness of less than 2% of the wavelength.
  • the aperture of the acoustic track may be between 10 ⁇ and 50 ⁇ wide. In particular, the aperture may be smaller than 20 ⁇ .
  • a method of manufacturing an electroacoustic transducer according to the invention comprises the steps
  • Electrode fingers on the substrate are Electrode fingers on the substrate.
  • Electrode fingers on the substrate are Electrode fingers on the substrate.
  • the adjustment of the longitudinal velocities in transversal areas can be achieved by suitable material occupancy in the transversal areas.
  • the speed of acoustic waves is generally reduced by increasing the mass on the substrate.
  • the Ge ⁇ speed is generally produced by an occupancy ma- TERIAL high rigidity increased (z. B. Al 2 O 3, or diamond).
  • electroacoustic wall ⁇ ler invention are explained in more detail with reference to embodiments and accompanying schematic figures. Show it:
  • FIG. 1 shows a transverse velocity profile in which the longitudinal velocity in the inner edge region is lower than in the central excited region
  • FIG. 2 shows a transverse velocity profile in which the longitudinal velocity in the inner edge region is greater than in the central excited region.
  • FIG. 3 is a schematic illustration of a conventional electroacoustic transducer.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a converter according to the invention
  • FIG. 5 a schematic representation of an alternative embodiment
  • FIG. 6 shows an embodiment of an electrode finger according to the invention
  • FIG. 7 shows a further schematic representation of an OF INVENTION ⁇ to the invention the electrode finger 8a, 8b further schematic representations of a
  • FIG. 8c shows the cross section of an electrode finger with local thickening.
  • FIG. 9 shows an embodiment of a converter according to the invention with a rail-shaped material deposited on the inner edge regions
  • FIG. 10 shows the depiction of the dependence of k y as a function of k x on a substrate with concave slowness
  • FIG. 11 shows the admittance of an electroacoustic resonator according to the invention
  • FIG. 12 shows the principle of phase weighting
  • FIG. 13 shows a converter with different partial regions of the outer excitation regions
  • FIGS. 14A, B show a transducer with different longitudinal regions and various geometric embodiments of an inner edge region
  • FIGS. 15A, B, C, D show various transducers with different longitudinal regions and various embodiments of an inner edge region
  • FIGS. 16A, B, C different embodiments of transducers with different longitudinal regions
  • FIGS. 17A, B, C, D, E different embodiments of transducers with different longitudinal regions
  • FIGS. 18A, B, C, D, E show different embodiments of transducers with different longitudinal regions
  • FIGS. 19A, B, C, D, E, F show various embodiments of transducers with different longitudinal regions
  • FIGS. 22A, B, C show different embodiments of transducers with different longitudinal regions
  • FIG. 23 shows the frequency-dependent insertion loss for
  • FIG. 24 shows the mode of operation of a piston mode component with convex slowness.
  • FIG. 25 shows the mode of operation of a piston mode component with concave slowness.
  • FIG. 1 shows a velocity profile of the longitudinal velocity of regions of the acoustic track arranged side by side in the transverse direction. Inside the acoustic track, the central excitation area ZAB is arranged. The central excitation region ZAB flanking the domestic Neren edge regions IRB, which are arranged directly adjacent to the central Anre ⁇ supply area ZAB. The longitudinal velocities of the inner edge regions IRB are less than the longitudinal velocity in the central ZAB. The inner edge regions IRB in turn are flanked by the outer edge regions ARB. The longitudinal velocity of the outer edge regions ARB is higher than the longitudinal velocity of the inner edge regions IRB: it can also be higher than the
  • the outer edge regions ARB in turn are flanked by the regions of the current busbars SB in which the longitudinal velocity of the acoustic waves is lower than in the outer edge regions ARB.
  • Figure 2 shows a profile along the transverse direction in which the longitudinal propagation velocities of the different regions are plotted.
  • the difference from the embodiment shown in FIG. 1 is that the longitudinal velocity in the inner edge regions IRB is higher than the longitudinal velocity in the central excited region ZAB.
  • the longitudinal velocities in the central excitation zone ZAB and in the inner border areas IRB are less than in the outer border areas ARB flanking the inner border areas.
  • FIG. 3 illustrates a conventional electroacoustic transducer in which, in an excitation region AB in which electrode fingers of two different electrodes overlap, a conversion between RF signals on the one hand and acoustic waves on the other hand takes place.
  • the electrode fingers of an electrode must not touch the bus bar of the other polarity, otherwise the converter structure would be shorted ⁇ sen. Between the finger ends and the opposite current busbar so there is an edge region RB, in wel ⁇ chem no electro-acoustic conversion takes place. conventions Thus, normal converters have only one edge region RB per side between the region of the current busbar SB and the central excitation region AB.
  • an embodiment according to the present invention is shown in FIG.
  • the comb-like electrode fingers convert between RF signals on the one hand and acoustic waves on the other hand.
  • Inner edge regions IRB flank the central excitation region ZAB.
  • the electrode fingers are made wider in the inner edge region IRB, compared to the central excitation region ZAB.
  • a conversion takes place between RF signals and acoustic oscillations. Due to the increased mass occupancy, for example due to the increased finger thickness, the longitudinal speed in the inner edge area IRB is reduced compared to the central excitation area ZAB.
  • Outer edge areas ARB flank the inner edge areas IRB.
  • the outer edge areas ARB do not take active at the
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment, which differs from the embodiment of FIG. 4 in that the width of the electrode fingers in the inner edge regions IRB is reduced compared to the finger width of the central excitation region ZAB.
  • the longitudinal speed in the inner edge regions IRB is increased with respect to the velocity of the central excitation region ZAB.
  • the inner edge region belongs to the IRBisbe ⁇ rich because overlap in his finger electrodes of different polarity.
  • FIGS. 6, 7, 8a and 8b show design possibilities of electrode fingers in which the width of the fingers is reduced in sections (FIG. 6) or enlarged (FIG. 7) or in which the width of the electrode fingers linearly decreases or increases towards the end of the finger (FIGS 8a and 8b).
  • FIG. 8c shows the cross section parallel to the transverse direction through an electrode finger EF with local
  • Thickening LA By suitable thickening, it is possible to adjust the mass coverage and optionally the elastic parameters of the electrode finger so that the desired velocity profile is obtained.
  • FIG. 9 illustrates an embodiment in which, in inner edge regions IRB, the central excitation region ZAB flank, dielectric material is disposed on the electrodes and the regions of the substrate between the finger electrodes. This reduces the longitudinal speed in the inner edge regions IRB.
  • Figure 10 illustrates the relations between transverse and longitudinal wavenumbers of the imaginary path (dashed lines) and the real branch (solid Li ⁇ nien) for a concave slowness.
  • ⁇ m i n denotes the smallest possible of the values of k x , for the guided ones
  • ß max denotes the largest possible value of k x , for the guided
  • the curves A denote the wave vectors in the excitation range of the acoustic track; the curves B denote the wave vectors in the outer area, d. H. outside the acoustic track e.g. in the field of electricity busbars.
  • FIG. 11 shows the real parts of three frequency-dependent Admit- dance courses C, D, E at convex slowness.
  • Curve C shows the admittance of a conventional transducer with resonances at frequencies higher than the resonant frequency of the fundamental mode.
  • Curve D shows the admittance curve of an electroacoustic transducer in which the longitudinal velocities are adjusted in the central excitation region, in inner edge regions, in outer edge regions and in the regions of the current busbars for achieving a Piston mode.
  • Resonances occur at the same frequencies as in curve C; their amplitudes, however, only increase sharply above about 25 MHz above the resonance frequency.
  • FIG. 12 shows the principle of phase weighting based on broadening of the electrode fingers.
  • the widenings in the inner edge regions IRB, which are not arranged at the finger ends, are not arranged symmetrically with respect to an axis extending transversely through the center of the fingers. Rather, the widenings are shifted in the longitudinal direction relative to the respective center of the finger. Because the center is shifted, the center between the finger edges is no longer exactly "in phase" with the acoustic wave, reducing the excitation intensity ⁇ and matching the ideal flank of the piston Aus deflection ⁇ .
  • stub or dummy fingers are arranged in the region of the current busbars and essentially face the ends of the electrode fingers of the respective other polarity.
  • the longitudinal propagation velocity of a desired mode can be adjusted in the various longitudinal regions to obtain a well-defined piston mode.
  • FIG. 14A shows an embodiment of a transducer, wherein in each case a gap region TG is arranged between the inner edge regions and the outer edge regions.
  • the width of the gap region TG in this exemplary embodiment is the distance between the electrode fingers of one connected to the opposite current busbar
  • the electrode fingers have an elevated one in the inner edge regions IRB
  • FIG. 14B shows different embodiments of
  • Finger broadening which are possible for the inner edge areas. Within the inner edge areas, the finger width can increase or decrease linearly. There are several common sections possible, between which the
  • Figure 15A shows an embodiment of a transducer in which finger electrodes are widened in the inner edge regions and covered by regions of a weighting layer.
  • Figure 15B shows an embodiment of a transducer in which, in addition to the finger electrodes in the inner
  • FIG. 15C shows an embodiment of a transducer in which the inner edge regions are completely covered by a dielectric weighting layer.
  • FIG. 15D shows further design options in order to increase the mass occupation in the inner edge regions. It is possible to have rectangular shaped sections of a
  • the widths of these rectangles can be larger, smaller or exactly equal to the width of the electrode fingers
  • Be electrode finger It is also possible to arrange rectangular elements in the inner edge regions which overlap the electrode finger edges. Elliptically shaped weighting sections can also be arranged in the inner edge regions on the electrode fingers.
  • Figure 16A shows an embodiment of a transducer, wherein outer edge regions ARB comprise stub fingers.
  • the electrode fingers are wider in the outer edge areas ARB than in the gap areas TG and in the central area
  • Excitation area ZAB The inner edge regions comprise rectangular or square sections of a
  • Density layer which are arranged on the electrode fingers.
  • Figure 16B shows an embodiment of a transducer wherein rectangular portions of a weighting layer are disposed on the electrode fingers in the outer edge regions.
  • FIG. 16C shows an embodiment of a transducer in the case of the rectangularly configured sections of a weighting layer both in the inner edge regions and in the outer layer Edge regions are arranged on the electrode fingers.
  • the width of the sections of the weighting layer is less than the width of the electrode fingers.
  • Figure 17A shows an embodiment of a transducer, wherein rectangular shaped portions of a weighting layer are arranged in the inner edge regions on the electrode fingers.
  • the width of the sections is constant for all electrode fingers of an electrode and differs from the widths of the other electrode.
  • FIG. 17B shows an embodiment of a transducer in which rectangularly configured elements of a weighting layer are arranged in the inner edge regions and in the outer edge regions on the electrode fingers.
  • the widths of the elements of the weighting layer are different in the outer edge regions and in the inner edge regions.
  • Weighting layer cause a phase weighting.
  • FIG. 17C shows an embodiment of a transducer, wherein the electrode fingers have a smaller width in the inner edge regions than in the central excitation region.
  • Figure 17D shows an embodiment of a transducer, wherein arranged in the inner edge regions portions of a
  • Density layer cause a phase weighting by an asymmetrical arrangement on the electrode fingers.
  • FIG. 17E shows an embodiment of a transducer, wherein trapezoidal sections of a weighting layer are inserted into the inner edge regions are arranged on the electrode fingers.
  • the mass occupancy increases linearly within the inner edge regions for an electrode, while the
  • Mass occupancy decreases in the inner edge regions for the respective other electrode from the inside to the outside.
  • Figure 18A shows an embodiment of a transducer, wherein the outer edge region is divided into two subregions. In innermost portions of the outer edge region, the thickness of the electrode fingers corresponds to the thickness of the electrode fingers in the central excitation region. In inner subregions of the outer edge regions, the electrode fingers are widened. In outer parts of the outer edge region
  • FIG. 18B shows an embodiment of a transducer, wherein in inner subregions of the outer edge regions all
  • Electrode fingers of an electrode are connected to a conductive or insulating material.
  • Figure 18C shows an embodiment of a transducer, wherein in inner portions of the outer edge regions of a
  • Weighting layer is arranged on the electrode fingers.
  • FIG. 18D shows an embodiment of a transducer, wherein floating segments of the electrode material that are not connected to an electrode are arranged in inner subareas of the outer edge region.
  • Figure 18E shows an embodiment of a transducer, with rectangular elements of a weighting layer periodically along inner subregions of the outer edge areas
  • Figure 19A shows an embodiment of a transducer in which between the inner edge regions IRB and the outer edge
  • Edge areas ARB each a gap area TG is arranged. In the gap area, the electrode fingers are widened.
  • the outer edge regions each comprise an inner subarea ARB1 and an outer subarea ARB2. The inner ones
  • Subareas ARB1 the outer edge areas ARB are identical.
  • the finger electrodes In the outer partial areas ARB2 of the outer edge areas ARB, the finger electrodes have the same width as in the central area
  • Figure 19B shows an embodiment of a transducer in which between the outer edge regions ARB and the inner
  • Edge regions IRB gap areas TG are arranged.
  • the finger width remains constant over a partial area of the gap areas. Between this subarea and the inner edge regions, the width of the electrode fingers in the gap region decreases linearly. At the ends of the electrode fingers takes the width of the
  • Electrode fingers in the gap range linearly to zero.
  • FIG. 19C shows an embodiment of a converter in which the outer edge regions ARB are divided into inner partial regions ARB 1 and outer partial regions ARB 2.
  • Subareas ARB1 are covered with a weighting layer. Between the outer edge areas and the inner ones
  • Edge regions decreases the width of the electrode fingers from the outside to the inside substantially sinusoidally.
  • the finger ends the electrode fingers are designed substantially round in the gap areas.
  • FIG. 19D shows an embodiment of a transducer in which rectangular sections of a dielectric material are arranged on the electrode fingers in the gap regions TG between the outer edge regions and the inner edge regions at the ends of the electrode fingers remote from the current busbar.
  • Figure 19E shows an embodiment of a transducer in which the gap regions TG are covered by a dielectric layer. Furthermore, an inner portion of the outer edge regions with periodically arranged rectangular
  • Figure 19F shows an embodiment of a transducer in which those portions of the electrode fingers of the gap regions are covered by a weighting layer.
  • Figure 20A shows an embodiment of a transducer, wherein gap regions TG instead of inner edge regions between the outer edge regions ARB and the central
  • Excitation area ZAB are arranged.
  • Gap regions TG the electrode fingers are widened.
  • FIG. 20B shows an embodiment of a transducer in which the electrode fingers are constantly widened in outer subregions of the gap regions TG and in the inner subregions of the gap regions the thickness of the finger electrodes linearly decreases from the busbar side to the side of the finger ends.
  • FIG. 20C shows an embodiment of a transducer in which rectangular sections of a weighting layer in FIG.
  • FIG. 20D shows an embodiment of a converter in which rectangular sections of a
  • dielectric material are arranged periodically (in the longitudinal direction).
  • the period length of these structures is less than one sixth of the wavelength ⁇
  • Figure 20E shows an embodiment of a transducer in which gap regions TG between the outer edge regions ARB and the central excitation region ZAB are completely covered with a dielectric material.
  • Figure 21A shows an embodiment of a transducer in which the outer edge regions ARB stub finger between the
  • Electrode fingers include. Furthermore, the electrode fingers are widened in the outer edge regions. The width of the electrode fingers
  • Stub finger and the width of the widened electrode fingers is essentially the same.
  • FIG. 21B shows an embodiment of a transducer in which three stub fingers per unit length in unit of the wavelength ⁇ are arranged in the outer edge regions ARB.
  • FIG. 21C shows an embodiment of a transducer in which outer edge regions are completely covered by a weighting layer.
  • Figure 21D shows an embodiment of a transducer in which the electrode fingers in the outer edge regions ARB are covered by rectangular cutouts of a weighting layer. The sections of the weighting layer are wider than the electrode fingers.
  • FIG. 21E shows an embodiment of a transducer, wherein rectangular cutouts of a weighting layer are arranged in the outer edge regions.
  • the cutouts periodically cover electrode fingers and the areas between the electrode fingers.
  • the cutouts are wider than the electrode fingers.
  • the period length of the cutouts is less than a quarter of the period length of the acoustic waves ⁇ .
  • Figure 22A shows an embodiment of a transducer in which the outer edge regions ARB comprise stub fingers.
  • the metallization ratios n in the outer edge regions and in the central excitation region are identical.
  • the metallization ratio in gap regions TG is lower than in the outer edge regions.
  • FIG. 22B shows an embodiment of a transducer in which the electrode fingers in the central excitation region are covered by rectangular sections of a weighting layer.
  • Figure 22C shows an embodiment of a transducer in which the central excitation region is represented by a dielectric
  • FIG. 23 shows the frequency-dependent insertion curves of three transducers.
  • Curve 1 shows the insertion loss of a conventional transducer.
  • Curve 2 shows the insertion loss of a transducer with cosine-shaped weighting.
  • Curve 3 shows the insertion loss of a converter according to the invention.
  • Curve 1 shows clearly recognizable resonances above and
  • Insertion loss corresponding to the curve of the resonator 3 according to the expression of the Invention ⁇ resonances is significantly reduced and the curve is at the level of the minima of the curve.
  • Figure 24 illustrates the operation of a piston mode device with convex slowness.
  • a section of the component structure with several transverse sections is shown.
  • IRB inner edge area
  • ARB outer edge area
  • the current bus bars SB the area of the current bus bars SB.
  • ⁇ profile v (y) the amplitude of the Auslenkungsprofils ⁇ ( ⁇ ) of the Pistonmodes are shown.
  • the outer edge area ARB serves here as a decay area, in which the mode decays exponentially to the outside.
  • the configuration of the outer edge region ARB as a gap region TG is particularly advantageous, since here omitting every second Fingers a large difference in speed to the central excitation range ZAB is achieved.
  • Gap area as decay area is new.
  • Edge area ARB should be at least so broad that at its outer edge the amplitude of the mode has fallen to 10% of the value in the central excitation area ZAB.
  • the inner edge region IRB here serves to adapt a quasi-linear curve from in the central excitation region ZAB to the exponential profile in the outer edge region ARB.
  • the width W is suitably chosen.
  • Figure 25 illustrates the operation of a piston mode device with concave slowness.
  • a section of the component structure with several transverse sections is shown.
  • the upper half of the picture shows the associated transverse velocity profile v (y) and the amplitude of the displacement profile ⁇ ( ⁇ ) of the Piston mode.
  • the area of the current bus bar SB serves here as a decay range, in which the mode decays exponentially to the outside. Due to the continuous Metalli ⁇ tion in SB here, especially at high layer thicknesses and high coupling due to the increased mass load a significant reduction in speed compared to the central excitation range ZAB achieved.
  • the Current bus bar SB should be at least large enough that at its outer edge the amplitude of the mode has dropped to 10% of the value in the central excitation range ZAB.
  • the inner one Edge area IRB and the outer edge area ARB together serve to adapt a quasilinear course in the central excitation area ZAB to the exponential course in the area of the current busbar SB.
  • the width W which corresponds to the sum of the widths of the inner edge area IRB and the outer edge area ARB, must be suitably selected.
  • An electroacoustic transducer is not limited to any of the described embodiments. Variations which include, for example, further speed ranges or correspondingly shaped electrode fingers arranged in lateral regions, or combinations of different embodiments, likewise constitute the invention
  • ARB outer edge area
  • ARB 1 -3 partial areas of an outer edge area
  • IRB inner border area

Abstract

Es wird ein elektroakustischer Wandler mit verringerten Verlusten aufgrund in transversaler Richtung emittierter akustischer Wellen angegeben. Dazu umfasst ein Wandler einen zentralen Anregungsbereich (ZAB), den zentralen Anregungsbereich flankierende innere Randbereiche (IRB), die inneren Randbereiche flankierende äußere Randbereiche (ARB) sowie die äußeren Randbereiche flankierende Bereiche der Stromsammeischiene (SB). Die longitudinale Geschwindigkeit der Bereiche ist so eingestellt, dass das Anregungsprofil eines Pistonmode erhalten wird.

Description

Beschreibung
Elektroakustischer Wandler mit verringerten Verlusten durch transversale Emission und verbesserter Performance durch Unterdrückung transversaler Moden
Die Erfindung betrifft elektroakustische Wandler, welche zum Beispiel Anwendung in SAW- oder GBAW-HF-Filter finden, sowie Verfahren zur Herstellung solcher Wandler. Erfindungsgemäße Wandler weisen geringere Verluste durch eine verringerte transversale Abstrahlung von akustischen Wellen sowie eine verbesserte Performance durch Unterdrückung transversaler Moden auf. Mit akustischen Wellen - z. B. akustischen Oberflächenwellen (SAW = surface acoustic wave) oder geführten Volumenwellen (GBAW = guided bulk acoustic wave) - arbeitende Bauelemente wandeln HF-Signale in akustische Wellen und umgekehrt akusti¬ sche Wellen in HF-Signale um. Dazu umfassen SAW- oder GBAW- Bauelemente Elektrodenfinger, welche auf einem piezoelektrischen Substrat oder auf einer piezoelektrischen Schicht angeordnet sind. In longitudinaler Richtung, das heißt in der Richtung, in der sich die akustischen Wellen ausbreiten, sind Elektrodenfinger nebeneinander angeordnet, die i. A. abwech- selnd mit einer ersten und einer zweiten Stromsammeischiene (Busbar) verbunden sind. Die akustische Spur ist der Bereich des Substrats oder der piezoelektrischen Schicht, in dem sich akustische Oberflächenwellen während des Betriebs des Bauele¬ ments ausbreiten. Die Elektrodenfinger liegen in der akusti- sehen Spur und somit im akustischen Bereich. Die Stromsammeischienen liegen im lateralen Randbereich der akustischen Spur. In longitudinaler Richtung ist die akustische Spur in der Regel durch Reflektoren begrenzt, um den Energieverlust durch Emission der akustischen Wellen in longitudinaler
Richtung zu vermindern.
Ein Verlustmechanismus bei mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelementen besteht darin, dass akustische Wellen die akus¬ tische Spur in longitudinaler oder transversaler Richtung verlassen .
Insbesondere durch die endliche Apertur der akustischen
Spuren können durch Beugungseffekte transversale akustische Moden entstehen. Solche Moden stören die Übertragungscharakteristik und stellen einen Verlustmechanismus dar. Ein wichtiger Punkt bei der Entwicklung von mit akustischen
Wellen arbeitenden Bauelementen, insbesondere Oberflächenwel- lenfiltern für Mobilfunkanwendungen, ist, Bauelemente mit geringen Verlustmechanismen - z.B. ohne störende transversale Moden oder mit verringerten störenden transversalen Moden - bei einer guten Übertragungscharakteristik zu erhalten. Aus der Offenlegungsschrift DE 103 31 323 AI sind mit SAWs arbeitende Wandler bekannt, bei welchen die Verluste durch transversale Schwingungen dadurch verringert sind, dass in den Stromsammeischienen Ausnehmungen angeordnet sind. Aus der Patentschrift US 7,576,471 Bl sind mit SAWs arbei¬ tende Bauelemente bekannt, bei welchen die Dicke der Elektro¬ denfinger in einem Bereich zwischen einem zentralen Anregungsbereich („Center Region") und dem Bereich der Stromsammeischiene („Busbar Region") erhöht ist. Dabei ist allerdings die Anwendung auf so genannte „schwach koppelnde" Substrate beschränkt. Die elektroakustische Kopplungskonstante k2 ist ein Maß für die Stärke der Kopplung zwischen akustischen Wellen und HF-Signalen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektroakustischen Wandler anzugeben, der geringe transversale Verluste aufweist und der mit stark koppelnden piezo¬ elektrischen Substraten kompatibel ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß von einem elektroakustischen Wandler gemäß unabhängigem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung gibt in einer ersten Variante einen elektro- akustischen Wandler an, der in einer akustischen Spur angeordnet ist. Der Wandler umfasst ein piezoelektrisches Sub¬ strat und zwei darauf angeordnete Elektroden, die jeweils mit einer Stromsammeischiene verschaltete, ineinander greifende Elektrodenfinger zur Anregung von akustischen Wellen aufwei- sen. Der Wandler ist so ausgebildet, dass die akustische
Welle in mehreren parallel zur akustischen Spur verlaufenden Bereichen eine unterschiedliche longitudinale Ausbreitungsge¬ schwindigkeit hat. Die longitudinale Ausbreitungsgeschwindig¬ keit ist die Geschwindigkeit der akustischen Welle in longi- tudinaler Richtung.
Der Wandler umfasst einen zentralen Anregungsbereich mit einer ersten longitudinalen Geschwindigkeit. Den zentralen Anregungsbereich flankieren auf beiden Seiten innere Randberei- che, in denen die longitudinale Geschwindigkeit von der lon¬ gitudinalen Geschwindigkeit im zentralen Anregungsbereich abweicht. Äußere Randbereiche flankieren die inneren Randberei¬ che. In den äußeren Randbereichen ist die longitudinale Ge¬ schwindigkeit höher als in den inneren Randbereichen. Die äußeren Randbereiche können der Wellenführung dienen. Ihre Breite ist dann groß genug, um Wellenführung - z. B. ein Abklingen der gebundenen Moden auf Null - zu erreichen.
Bereiche der Stromsammeischienen flankieren die äußeren Randbereiche des elektroakustischen Wandlers. In den
Bereichen der Stromsammeischienen des elektroakustischen Wandlers ist die longitudinale Geschwindigkeit geringer als in den äußeren Randbereichen. Das Substrat weist eine konvexe Slowness (deutsch: Langsamkeit) auf. Die Slowness ist der Kehrwert der Geschwindigkeit. Die Slowness ist proportional zum Wellenvektor k der im Substrat propagierenden akustischen Wellen. Das Vorliegen einer konvexen Slowness ist gleichbedeutend mit einem Anisotropiefaktor Γ des Substrats, welcher größer als -1 ist: Γ > -1 . Dabei ist der Anisotropiefaktor durch die Gleichung
Figure imgf000006_0001
definiert, wobei kx die Komponente des Wellenvektors in longitudinaler Richtung, k die Komponente des Wellenvektors in transversaler Richtung und k0 die Wellenzahl in Hauptausbreitungsrichtung der akustischen Wellen ist. Die Hauptausbreitungsrichtung in longitudinaler Richtung x ist durch die Anordnung der Elektrodenfinger gegeben. Die Hauptausbreitungsrichtung verläuft senkrecht zu den Elektrodenfingern. Die o.g. Gleichung gilt dabei näherungsweise für k I kx « 1 .
In einer Ausführungsform der ersten Variante ist die longitudinale Geschwindigkeit im inneren Randbereich niedriger als im zentralen Anregungsbereich.
In einer Ausführungsform ist die longitudinale Geschwindig¬ keit im Bereich der Stromsammeischienen niedriger als die longitudinale Geschwindigkeit in den inneren Randbereichen. In einer Ausführungsform ist die longitudinale Geschwindig¬ keit in den äußeren Randbereichen höher als die longitudinale Geschwindigkeit im zentralen Anregungsbereich. Die Erfindung gibt in einer zweiten Variante einen elektro- akustischen Wandler an, der in einer akustischen Spur angeordnet ist. Der Wandler umfasst ein piezoelektrisches Sub¬ strat und zwei darauf angeordnete Elektroden, die jeweils mit einer Stromsammeischiene verschaltete, ineinander greifende Elektrodenfinger zur Anregung von akustischen Wellen aufweisen. Der Wandler ist so ausgebildet, dass die akustische Welle in mehreren parallel zur akustischen Spur verlaufenden Bereichen eine unterschiedliche longitudinale Ausbreitungsge- schwindigkeit hat.
Der Wandler umfasst einen zentralen Anregungsbereich mit einer ersten longitudinalen Geschwindigkeit. Den zentralen Anregungsbereich flankieren auf beiden Seiten innere Randberei- che, in denen die longitudinale Geschwindigkeit von der lon¬ gitudinalen Geschwindigkeit im zentralen Anregungsbereich abweicht. Äußere Randbereiche flankieren die inneren Randberei¬ che. In den äußeren Randbereichen ist die longitudinale Ge¬ schwindigkeit höher als im zentralen Anregungsbereich.
Bereiche der Stromsammeischienen flankieren die äußeren
Randbereiche des elektroakustischen Wandlers. In den Berei¬ chen der Stromsammeischienen des elektroakustischen Wandlers ist die longitudinale Geschwindigkeit geringer als in den äu¬ ßeren Randbereichen.
Die Bereiche der Stromsammeischienen sind so groß, dass eine Wellenführung in diesen Bereichen möglich ist. Im Gegensatz zur ersten Variante dient der Bereich der Stromsammeischienen der Wellenführung.
Das Substrat weist eine konkave Slowness auf. Das Vorliegen einer konvexen Slowness ist gleichbedeutend mit einem Ani- sotropiefaktor Γ des Substrats, welcher kleiner als -1 ist: Γ < -1 .
In einer Ausführungsform der zweiten Variante ist die longi- tudinale Geschwindigkeit im inneren Randbereich höher als im zentralen Anregungsbereich.
In einer Ausführungsform ist die longitudinale
Geschwindigkeit in den äußeren Randbereichen höher als die longitudinale Geschwindigkeit in den inneren Randbereichen.
In einer Ausführungsform ist die longitudinale Geschwindig¬ keit in den Bereichen der Stromsammeischienen niedriger als die longitudinale Geschwindigkeit im zentralen
Anregungsbereich.
Derartige Ausgestaltungen eines elektroakustischen Wandlers, bei denen die longitudinale Geschwindigkeit in transversaler Richtung variiert, ergeben ein transversales Profil der longitudinalen Geschwindigkeit, in dem ein so genannter
„Pistonmode" ausbreitungsfähig ist. Der Pistonmode ist eine Schwingungsmode, die dadurch charakterisiert ist, dass das Profil der maximalen Auslenkung der Atome des piezoelektrischen Materials im Wesentlichen konstant innerhalb des
Anregungsbereichs und vorzugsweise Null im Bereich außerhalb der akustischen Spur ist. Dazwischen fällt die maximale Auslenkung mit einem möglichst hohen Gradienten ab.
Quantitativ ist ein „guter" Pistonmode dadurch gekennzeichnet, dass das Überlappintegral der Grundmode:
{ΐΦΟ Ψϋ Ι^ aus transversalem Anregungsprofil O( ) und transversalem Aus¬ lenkungsprofil Ψ0>) möglichst groß ist. Eine andere
Schreibweise dieses Integrals ist: <Φ|Ψ>. Der Pistonmode ist ferner dadurch charakterisiert, dass keine oder höchstens minimale sich in transversaler Richtung ausbreitende akustische Wellen auftreten. Das Erzielen des Pistonmodes ist also ein effektives Mittel, um Energiever¬ luste durch transversales Abstrahlen von akustischen Wellen aus der akustischen Spur heraus zu vermindern und gleichzeitig eine verbesserte Performance durch Unterdrückung von transversalen Moden zu erreichen.
Der oben beschriebene Wandler ermöglicht einen verglichen mit bekannten Wandlerstrukturen verbesserten Pistonmode, das heißt ein vergrößertes Überlappintegral der Grundmode. Ferner ist der erfindungsgemäße Wandler mit hoch koppelnden Substra¬ ten kompatibel. Das Einstellen der longitudinalen Geschwindigkeit in transversal neben dem zentralen Anregungsbereich angeordneten Bereichen der akustischen Spur ist wesentlich für das
Erzielen eines großen Wertes des Überlappintegrals. Die Unterteilung des Bereichs der akustischen Spur zwischen dem zentralen Anregungsbereich und dem Bereich der Stromsammeischienen in Bereiche unterschiedlicher longitudinaler Geschwindigkeit ermöglicht es, einen Pistonmode mit einem bes¬ ser einstellbaren Flankenbereich zu erhalten. Insbesondere der Gradient der Auslenkungsfunktion wird vergrößert.
In einer Ausführungsform sind die Stromsammeischiene und die Elektrodenfinger auf einem piezoelektrischen Substrat ange- ordnet, das einen höheren elektroakustischen Kopplungskoeffizienten als Quarz aufweist. Als solches piezoelektrisches Substrat kommt beispielsweise Lithiumtantalat oder Lithiumni- obat in Frage.
Die Bezeichnung „konkave" Slowness oder Langsamkeit betrifft das Verhältnis von ky, der Wellenzahl in transversaler
Richtung, zu kx, der Wellenzahl in longitudinaler Richtung. Eine konkave Slowness bedeutet, dass die Slowness in
transversaler Richtung, welche proportional zu ky ist, als Funktion der Slowness in longitudinaler Richtung, welche proportional zu kx ist, eine konkave Funktion ist: Die zweifache Ableitung der Slowness in longitudinaler Richtung nach der Slowness in transversaler Richtung ist positiv. Oder gleich bedeutend gilt: Die zweifache Ableitung von kx nach ky ist positiv:
Figure imgf000010_0001
Ein piezoelektrisches Substrat mit konkaver Slowness wirkt fokussierend auf akustische Wellen und hilft dadurch, die Emission von akustischen Wellen in transversaler Richtung zu vermindern .
In einer Ausführungsform sind die Elektrodenfinger zumindest in Abschnitten entlang der transversalen Richtung innerhalb der inneren Randbereiche breiter als im zentralen Anregungsbereich .
In einer Ausführungsform sind die Elektrodenfinger zumindest in Abschnitten entlang der transversalen Richtung innerhalb der inneren Randbereiche schmaler als im zentralen Anregungsbereich . Die Geschwindigkeit der akustischen Wellen an der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats hängen von der Massenbelegung des Substrats, das heißt von der Masse der Schichten, die auf dem Substrat angeordnet sind, ab. Materialien der Elektrodenfinger stellen solche Schichten dar. Eine akustische Welle ist dabei umso langsamer, je höher die Massenbele¬ gung ist und umso schneller, je größer die elastischen Konstanten des Materials der Massenbelegung ist. Verbreiterte Elektrodenfinger stellen im Allgemeinen eine erhöhte Massen- belegung dar. Eine auf den inneren Randbereich beschränkte Fingerverbreiterung ist somit ein einfaches aber effektives Mittel, um die longitudinale Geschwindigkeit im inneren Rand¬ bereich zu vermindern. Je nach Material kann eine Massenbele¬ gung (z. B. mit AI2O3 oder Diamant, beide Materialien sind relativ leicht aber haben hohe Steifigkeitswerte) die Ge¬ schwindigkeit auch vergrößern.
Ebenso kann eine Verschmälerung oder Verbreiterung der
Elektrodenfinger eine Erniedrigung oder eine Erhöhung der Geschwindigkeiten bewirken.
In einer Ausführungsform ändert sich die Breite der Elektrodenfinger zumindest in Abschnitten entlang der transversalen Richtung innerhalb der inneren Randbereiche linear. Indem sich die Fingerbreite linear, also nicht stufenartig, ändert, ist ein weiterer Freiheitsgrad bei der Formung des Auslenkungsprofils und damit des Pistonmodes gegeben. Die Breite kann dabei von innen nach außen zu oder abnehmen. In einer Ausführungsform sind die Elektrodenfinger zumindest in Abschnitten entlang der transversalen Richtung innerhalb der inneren Randbereiche höher oder niedriger als im zentralen Anregungsbereich. Eine Verdickung oder Dünnung der Finger stellt ebenso eine Möglichkeit dar, die Massebelegung zu ver¬ ändern, um einen verbesserten Pistonmode zu erhalten.
In einer Ausführungsform sind die Elektrodenfinger im zentra- len Anregungsbereich höher als in den inneren Randbereichen, den äußeren Randbereichen oder den Bereichen der Stromsammeischiene und weisen dabei insbesondere eine dickere Metalli¬ sierung auf. Sowohl eine Verdickung als auch eine Verdünnung, je nach Materialparameter, der Finger stellt ebenso eine Mög- lichkeit dar, die Massebelegung zu verändern. Durch das Einstellen der Dicke der Finger kann die akustische Geschwindig¬ keit leicht eingestellt werden, um einen verbesserten Pistonmode zu erhalten. In einer Ausführungsform ändert sich die Höhe der Elektrodenfinger, das heißt die Dicke der Elektrodenschicht auf dem Substrat, innerhalb der inneren Randbereiche zumindest in Abschnitten entlang der transversalen Richtung stufenweise. Üblicherweise werden Elektrodenfinger und Stromsammeischienen in Abscheideprozessen (zum Beispiel in Lift-Off-Technik oder in Ätztechnik) auf einem piezoelektrischen Substrat aufgebracht. Eine lineare Änderung der Dicke ist dabei nicht auf eine triviale Weise realisierbar. Bei stufenweiser Änderung kann, wenn die Stufenweite ausreichend klein gewählt ist, eine gute Annäherung an einen linearen Verlauf gewählt werden und erhalten werden.
In einer Ausgestaltung nimmt die Höhe der Elektrodenfinger innerhalb der inneren Randbereich zumindest in Abschnitten entlang der transversalen Richtung, d.h. nach außen oder nach innen, linear zu. Ist eine Approximation durch eine stufenförmig geänderte Dicke nicht ausreichend, so kann eine linear oder sonstige stetige Funktion der Schichtdicke dadurch er¬ halten werden, dass beim Abscheideprozess der Materialstrahl einen räumlich inhomogenen Fluss aufweist und die Abscheide¬ rate in verschiedenen Bereichen des Substrats unterschiedlich ist. Der Gradient der Abscheiderate ist dann eine räumlich stetige Funktion.
In einer Ausführungsform ist auf den Elektrodenfingern in den inneren Randbereichen zumindest in lateralen Abschnitten ein vom Elektrodenmaterial verschiedenes leitendes oder die¬ lektrisches Material angeordnet. Ein solches auf den Elektro¬ denfingern angeordnetes Material ermöglicht es weiterhin, die Geschwindigkeit der akustischen Welle aufgrund der unter¬ schiedlichen Massenbelegung einzustellen.
In einer Ausführungsform eines Wandlers ist dielektrisches Material in den inneren Randbereichen auf und zwischen den Elektrodenfingern angeordnet. Es kann quasi eine Schiene, z.B. mittels Lift-Off-Technik oder mittels Ätztechnik struk- turiert, in longitudinaler Richtung über die Elektrodenfinger gelegt sein. Dadurch ist die Massebelegung und damit die lon- gitudinale Geschwindigkeit leicht einzustellen.
In einer Ausführungsform ist Hafniumoxid oder Tantaloxid auf oder zwischen den Elektrodenfingern angeordnet.
Hafniumoxid und Tantaloxid sind Verbindungen mit einer hohen spezifischen Dichte und haben somit einen großen Einfluss auf die Änderung der Geschwindigkeit der akustischen Welle. Zu- sätzlich sind es elektrische Isolatoren, so dass unterschied¬ liche Finger unterschiedlicher Polarität nicht kurz geschlos¬ sen werden. Auch Hafnium oder Tantal, also die Metalle selbst, können dazu dienen, die Geschwindigkeit zu verringern. Dazu werden sie auf den Elektroden, den Stromsammeischienen, auf
Stummelfingern oder den Elektrodenfingern angeordnet.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit kann dabei so eingestellt werden, dass aufgrund der Anisotropie eine Fokussierung in Ausbreitungsrichtung auftritt. In einer Ausführungsform ist die longitudinale Geschwindig¬ keit in den äußeren Randbereichen höher als im zentralen Anregungsbereich .
In einer Ausführungsform des elektroakustischen Wandlers ist die longitudinale Geschwindigkeit in den inneren Randberei¬ chen höher als in den Bereichen der Stromsammeischienen.
In einer Ausführungsform ist die longitudinale Geschwindig¬ keit in den beiden inneren Randbereichen identisch. Die lon- gitudinale Geschwindigkeit in den beiden äußeren Randberei¬ chen ist dabei jeweils auch identisch. Die longitudinale Ge¬ schwindigkeit ist in den Bereichen der beiden Stromsammei¬ schienen identisch. In einer Ausführungsform ist die Übereinstimmung des Anregungsprofils der Grundmode der akustischen Welle in transversaler Richtung bzw. des Wandlers und des Auslenkungsprofils der akustischen Welle in transversaler Richtung - das Überlappintegral - möglichst hoch. Das normierte Überlappintegral ist vorzugsweise größer als 0,9 oder größer als 0,95 oder größer als 0,99. Dabei ist das normierte Überlappintegral:
Figure imgf000015_0001
In einer Ausführungsform ist das transversale Anregungsprofil der Grundmode der akustischen Welle durch eine Phasenwichtung im inneren Randbereich an das transversale Auslenkungsprofil angepasst. Eine Phasenwichtung wird dabei dadurch erhalten, dass einzelne Bereiche, zum Beispiel in transversaler
Richtung angeordnete Bereiche, der Elektrodenfinger ein
Anregungszentrum - in der Regel die Mitte der
Elektrodenfinger - haben, welches in longitudinaler Richtung gegenüber dem Anregungszentrum in anderen Bereichen
verschoben ist. Eine solche Verschiebung kann dadurch
erreicht werden, dass die Verbreiterung oder die
Verschmälerung der Elektrodenfinger nicht symmetrisch
bezüglich der Fingermitte in longitudinaler Richtung
vorgenommen wird.
Durch eine Verschiebung des Anregungszentrums von Teilen der Elektrodenfinger wird aufgrund der Fehlanpassung zur ansons- ten scharf definierten Ausrichtung der akustischen Welle, ihrer Wellenlänge und dem Anregungszentrum erreicht, dass die Anregungsstärke in diesen lateralen Bereichen vermindert ist. Somit ist dem Entwickler eines elektroakustischen Wandlers ein weiterer Freiheitsgrad zur Einstellung des Anregungspro- fils und damit zur Einstellung eines Pistonmodes gegeben.
In einer Ausführungsform sind die Elektrodenfinger oder die Stromsammeischienen mit einer dielektrischen Schicht bedeckt. In einer Ausgestaltung dieses elektroakustischen Wandlers be- steht die Schicht aus Si02- Siliziumdioxid eignet sich ferner gut, um den Temperaturgang der elastischen Komponenten des Substrats zu kompensieren. In einer Ausführungs orm ist der elektroakustische Wandler ein GBAW-Bauelement . In einem GBAW-Bauelement breiten sich akustische Wellen an einer Grenzschicht zwischen einer piezo elektrischen Schicht und einer darauf angeordneten dielektri sehen Schicht aus.
In einer Ausführungsform sind die Breiten der äußeren Randbereiche durch den lateralen Abstand zwischen den Enden der Elektrodenfinger der einen Elektrode und der anderen Elekt- rode, also der Stromsammeischiene selbst, bestimmt. In einer solchen Ausführungsform weist der elektroakustische Wandler keine Stummelfinger auf. Alternativ sind Stummelfinger in den Bereichen der Stromsammeischienen möglich, um die Massenbelegung geeignet einzustellen. Stummelfinger sind Elektrodenfin- ger, die nicht mit Elektrodenfingern der gegenüberliegenden
Elektrode überlappen und somit im Wesentlichen keine longitu- dinalen akustischen Wellen anregen.
Der Abstand W, der bei konvexer Slowness dem Abstand des zentralen Anregungsbereichs vom äußeren Randbereich und bei konkaver Slowness dem Abstand des zentralen Anregungsbereichs von den Stromsammeischienen entspricht, kann
Figure imgf000016_0001
betragen
Dabei ist / die Betriebsfrequenz, Av
— \VZAB ~ VRB\ und vZÄB die Geschwindigkeit im zentralen Anre¬ gungsbereich , Im Fall einer konvexen Slowness (deutsch: Langsamkeit) ist die longitudinale Geschwindigkeit im inneren Randbereich und vÄB die longitudinale Geschwindigkeit im äußeren Randbe¬ reich.
Im Fall einer konkaven Slowness ist die über den inneren
Randbereich und den äußeren Randbereich gemittelte Geschwindigkeit. vÄB ist die Geschwindigkeit im Bereich der Stromsam¬ meischiene .
In einer Ausführungsform ist der innere Randbereich wesentlich breiter (z. B. 2 mal, 5 mal oder 10 mal breiter) als der äußere Randbereich. Die Breite der Bereiche der Stromsammeischienen kann im Fall
In 0.1
konkaver Slowness gleich oder größer als sein. Dabei
Figure imgf000017_0001
2π 2Δν,
yAB
, (1 + Γ)
Die Breite der äußeren Randbereiche kann im Fall konvexer
In 0.1
Slowness gleich oder rößer als sein. Dabei ist kyAB
Figure imgf000017_0002
In einer Ausführungsform sind die Breiten der äußeren Randbe- reiche durch den lateralen Abstand zwischen den Enden der Elektrodenfinger der einen Elektrode und den Enden von mit der Stromsammeischiene der anderen Elektrode verschalteten Stummelfinger bestimmt. In einer Ausführungsform ist der elektroakustische Wandler Teil eines mit akustischen Wellen arbeitenden Resonators mit die akustische Spur in longitudinaler Richtung begrenzenden Reflektoren .
In longitudinaler Richtung können zwischen die akustische Spur begrenzenden Reflektoren auch weitere elektroakustische Wandler angeordnet sein. Ein oder mehrere Wandler können dabei Eingangswandler sein, die HF-Signale in akustische Wellen umwandeln, während ein oder mehrere andere Wandler Ausgangs¬ wandler sind, die akustische Wellen in HF-Signale umwandeln.
In einer Ausführungsform umfasst ein mit akustischen Wellen arbeitender Resonator Reflektoren, die die akustische Spur in longitudinaler Richtung begrenzen. Dabei weist mindestens einer der Reflektoren das gleiche transversale Geschwindig¬ keitsprofil der akustischen Welle wie der Wandler auf.
In einer Ausführungsform ist der Wandler zusammen mit einem Reflektor auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet, wobei der Reflektor Reflektorfinger aufweist, die in transversaler Richtung den gleichen Aufbau wie die Elektrodenfinger des Wandlers aufweisen. Die Erfindung gibt in einer dritten Variante einen elektro- akustischen Wandler an, der in einer akustischen Spur angeordnet ist. Der Wandler umfasst ein piezoelektrisches Sub¬ strat und zwei darauf angeordnete Elektroden, die jeweils mit einer Stromsammeischiene verschaltete, ineinander greifende Elektrodenfinger zur Anregung von akustischen Wellen aufweisen. Der Wandler ist so ausgebildet, dass die akustische Welle in mehreren parallel zur akustischen Spur verlaufenden Bereichen eine unterschiedliche longitudinale Ausbreitungsge- schwindigkeit hat. Die longitudinale Ausbreitungsgeschwindig¬ keit ist die Geschwindigkeit der akustischen Welle in longi- tudinaler Richtung. Der Wandler umfasst einen zentralen Anregungsbereich mit einer ersten longitudinalen Geschwindigkeit. Den zentralen Anregungsbereich flankieren äußere Randbereiche. Die Geschwindigkeit der akustischen Wellen in den äußeren Randbereichen weicht i. A. von der longitudinale Geschwindigkeit im
zentralen Anregungsbereich ab. Bereiche der Stromsammeischienen flankieren die äußeren Randbereiche des elektro- akustischen Wandlers. In den Bereichen der Stromsammeischienen des elektroakustischen Wandlers ist die longitudinale Geschwindigkeit geringer als in den äußeren
Randbereichen. Das Substrat mit Elektrodenstrukturen weist eine selbstfokussierende Slowness auf. Das Vorliegen einer selbstfokussierenden Slowness ist gleichbedeutend mit einem Anisotropiefaktor Γ des Substrats, welcher im Wesentlichen gleich -1 ist: r = -1.
Nachfolgend werden weitere Merkmale angegeben, mit denen mit akustischen Wellen arbeitende Wandler mit verbesserter
Modenerzeugung erhalten werden können. Ein entsprechender Wandler umfasst einen zentralen
Anregungsbereich, gegebenenfalls innere Randbereiche, die den zentralen Anregungsbereich flankieren, gegebenenfalls
Lückenbereiche, welche die inneren Randbereiche flankieren, gegebenenfalls äußere Randbereiche, die die Lückenbereiche flankieren sowie Bereiche der Stromsammeischienen, die die Lückenbereiche oder äußere Randbereiche, falls vorhanden, flankieren. Die Lückenbereiche können dadurch gekennzeichnet sein, dass in ihnen Elektrodenfinger mindestens einer
Elektrode unterbrochen sind.
Die longitudinalen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der im
Wandler propagierenden akustischen Wellen sind in den
verschiedenen Bereichen geeignet eingestellt, um insbesondere einen Pistonmode erhalten zu können. Dazu kann beispielsweise die Massenbelegung pro Wellenlänge λ in inneren Randberei¬ chen, in Lückenbereichen, in äußeren Randbereichen oder in Bereichen der Stromsammeischienen optimal eingestellt sein. Das Einstellen der Massenbelegung ist bei Substraten mit konvexer Slowness (Γ > -1), konkaver Slowness (Γ < -1) oder bei einem Anisotropiefaktor von Γ = -1 möglich. Dadurch wird möglichst die gesamte akustische Energie zur Anregung
ausschließlich der erwünschten Grundmode, z. B. des
Pistonmodes, genutzt. Als Folge kommt es zu verringerten Einbrüchen in der Filterübertragungsfunktion entsprechender Filterbauelemente und zu reduzierten Scherbelastungen der Elektrodenfinger durch höhere Moden, wodurch die Leistungs- festigkeit des Bauteils verbessert wird.
Insbesondere kann die Massenbelegung bei Substraten mit konvexer Slowness in den inneren Randbereichen erhöht und bei Substraten mit konkaver Slowness die Massenbelegung in unten näher erläuterten Lückenbereichen erhöht sein.
Bei Substraten mit konkaver Slowness können auch die
Massenbelegungen in den äußeren Randbereichen und im
zentralen Anregungsbereich erhöht sein.
Bei Substraten mit konkaver Slowness können auch die
Massenbelegungen in den inneren Randbereichen, zumindest relativ gesehen, erniedrigt sein. Eine Erhöhung der Massenbelegung kann durch eine der
folgenden Maßnahmen erreicht sein:
- Verbreiterung der Finger, das heißt lokale Erhöhung des Metallisierungsverhältnisses n,
- Erhöhung der Fingerdicke durch Aufbringen eines
vorzugsweise schwereren Elements, zum Beispiel eines Metalls oder eine Dielektrikums, in Form einer
Beschwerungsschicht oberhalb der Elektrodenlage, unterhalb der Elektrodenlage oder zwischen Lagen
mehrlagig ausgestalteter Elektrodenlagen
- Aufbringen eines durchgehenden hier parallel zur
Wellenausbreitungsrichtung angeordneten dielektrischen Streifens als Beschwerungsschicht,
- Aufbringen eines durchgehenden Streifens aus Metall oder einem Dielektrikum als Beschwerungsschicht auf einer dielektrischen Deckschicht,
- Reduzierung der Massenbelegung im verbleibenden Rest der akustischen Spur, zum Beispiel durch selektives Abtragen einer dielektrischen Deckschicht oder einer
Beschwerungsschicht. Dabei führt ein selektives Abtragen zu einer relativen Erhöhung der Massenbelastung in denjenigen Bereichen, in denen nicht abgetragen wird.
Eine, z. B. relative, Erniedrigung der Massenbelegung kann durch eine der folgenden Maßnahmen erreicht werden:
- Reduzierung von n durch, z. B. durch Reduzierung der Fingerbreite,
- Erhöhung der Massenbelegung im Rest der akustischen Spur durch eine von den oben beschriebenen Maßnahmen.
Im Fall eines Substrates mit konvexer Slowness kann die
Massenbelegung in inneren Randbereichen erhöht sein. Die inneren Randbereiche können eine Breite von 0,1 bis 3,0 in Einheiten der Wellenlänge λ der longitudinalen Wellen haben. Die Breiten der inneren Randbereiche können insbesondere zwischen 0,25 und 1,0 λ liegen. Das Metallisierungsverhält¬ nis, n, in inneren Randbereichen kann 0,9 oder weniger betragen, n kann über die inneren Randbereiche variieren.
Schwere Metalle, wie zum Beispiel Kupfer, Gold, Silber, Platin, Wolfram, Tantal, Palladium oder Molybdän oder ein schweres Dielektrikum wie beispielsweise Tantaloxid, zum Beispiel Ta20s, können in einer Beschwerungsschicht in den inneren Randbereichen, zum Beispiel auf den Elektrodenfingern, angeordnet sein. Die Schichtdicke einer solchen Beschwerungsschicht kann zwischen 5 % und 200 % der Dicke eines Elektrodenfingers betragen. Eine solche Beschwerungs¬ schicht kann eine oder mehrere Schichtenlagen aus einzelnen Elementen oder aus einer Legierung umfassen. Eine oder mehrere Haftschichten für eine bessere mechanische Verbindung zwischen dem Bauelement und einer Beschwerungsschicht können Titan umfassen. Eine solche Beschwerungsschicht kann auch unterhalb der Elektrodenfinger angeordnet sein.
Eine solche Beschwerungsschicht kann insbesondere oberhalb der Elektrodenfinger angeordnet sein und aus dem gleichen Material wie die Elektrodenfinger bestehen. Die Dicke einer solchen Beschwerungsschicht kann insbesondere 10 % bis 50 % der Fingerdicke betragen.
Die Beschwerungsschicht kann ein Dielektrikum umfassen und den ganzen inneren Randbereich bedecken. Durch ein
Dielektrikum werden die Elektrodenfinger nicht
kurzgeschlossen. Eine solche Beschwerungsschicht aus Ta20s kann beispielsweise eine Schichtdicke θΠ 5 "6 bis 200 % der Elektrodenfingerdicke haben. Oberhalb der Elektrodenfinger kann in den inneren Randbereichen eine dielektrische Isolationsschicht angeordnet sein. Darüber kann im gesamten inneren Randbereich eine Beschwerungsschicht einer Dicke von 10 nm bis 1 ym angeordnet sein.
Alternativ oder als zusätzliche Maßnahme kann in allen anderen Bereichen außerhalb der inneren Randbereiche eine dielektrische Schicht, zum Beispiel eine Kompensationsschicht aus S1O2, gedünnt sein, maximal jedoch bis auf eine Dicke von 10 % der Dicke in den inneren Randbereichen.
Die Lückenbereiche eines Wandlers können eine Breite zwischen 0,5 und 5,0 λ betragen. Die Lückenbereiche flankierende äußere Randbereiche können Stummelfinger, die mit der
entsprechenden Stromsammeischiene verschaltet sind, umfassen. Ein solcher äußerer Randbereich kann jeweils eine Breite von 1,0 bis 5,0 λ haben.
Die Breite der Lückenbereiche kann insbesondere 0,5 bis 5,0 λ betragen. Die äußeren Randbereiche können dann frei von
Stummelfingern sein.
Das Metallisierungsverhältnis n kann in den äußeren
Randbereichen 0,9 oder weniger betragen. Bei einem derart hohen Metallisierungsverhältnis n sind die ohmschen Verluste der Elektrodenfinger verringert.
Die Elektrodenfinger in den äußeren Randbereichen können durch eine Beschwerungsschicht, die zum Beispiel eine
Schichtdicke θΠ 5 "6 bis 200 % in Einheiten der Fingerdicke beträgt, aufgedickt sein. Die elektroakustische Anregung in inneren Randbereichen kann zum Beispiel durch Phasenwichtung reduziert sein. Hierzu können die Anregungszentren, die Mitten zwischen Fingerkanten benachbarter Finger, in longitudinaler Richtung verschoben sein. Die Verschiebung kann periodisch oder zufällig sein. Die Verschiebung der Fingermitten kann 0,25 in Einheiten von λ oder weniger betragen.
Durch ein geeignetes Einstellen der elektroakustischen
Anregung kann ein verbesserter Verlauf des Pistonmode
erhalten werden. Dazu kann auch das Metallisierungsverhältnis n periodisch oder zufällig verteilt angepasst sein, n kann beispielsweise in einem Bereich von 0,1 bis 0,9 variiert sein .
Es ist auch möglich, die Massenbelegung in den äußeren
Randbereichen geeignet einzustellen. Dazu können
beispielsweise die äußeren Randbereiche in longitudinaler oder transversaler Richtung gesehen nebeneinander angeordnete Teilbereiche umfassen. In einem äußeren Teilbereich der äußeren Randbereiche können Stummelfinger angeordnet sein. Zwischen den äußeren Teilbereichen der äußeren Randbereiche können innere Teilbereiche der äußeren Randbereiche
angeordnet sein, welche keine Stummelfinger aufweisen. Die Breite der Lückenbereiche kann zwischen 0,1 und 1 λ betragen. Die Breite der inneren Teilbereiche der äußeren
Anregungsbereiche kann zwischen 0,1 und 3,0 λ und die Breite der äußeren Teilbereiche der äußeren Randbereiche kann zwischen 1,0 λ und 5,0 λ betragen. Zur Erhöhung der
Massenbelegung in den äußeren Randbereichen kann n auf bis zu 0 , 9 erhöht sein . Im Allgemeinen können die Maßnahmen zur Erhöhung oder zur Erniedrigung der Geschwindigkeit in einem Bereich mit einer eingestellten Geschwindigkeit auch zur Erhöhung oder zur Erniedrigung der Geschwindigkeit in anderen Bereichen mit einer eingestellten Geschwindigkeit beitragen.
Nebeneinander angeordnete innere Randbereiche, Lückenbereiche und äußere Randbereiche können eine Gesamtbreite von 0,1 λ bis 3,0 λ haben .
Es ist möglich, nur die Massenbelegung im Lückenbereich zu erhöhen. Als Maßnahmen zur Erhöhung der Massenbelegung im Lückenbereich können die bisherigen Maßnahmen zur Erhöhung der Massenbelegung in den inneren Randbereichen oder in den äußeren Randbereichen verwendet sein.
Als Substrate für mit akustischen Wellen arbeitende Bauele¬ mente mit verbessertem Pistonmode können piezoelektrische Substrate wie Lithiumniobat LiNb03, kurz: LN, oder
Lithiumtantalat LiTa03, kurz: LT, Anwendung finden.
Konkret sind unter anderen die Substrate folgender Tabelle möglich :
Abkürzung Material Eulerwinkel
LN 128 Y-X LiNb03 (0°, 37.85°, 0°)
LN Y-X LiNb03 (0°, -90.0°, 0°)
LN 10 RY LiNb03 (0°, -80.0°, 0°)
LN 15 RY LiNb03 (0°, -75.0°, 0°)
LN Y-Z LiNb03 (0°, -90.0°, -90.0°)
LT 36 Y-X LiTa03 (0°, -54.0°, 0°)
LT 39 Y-X LiTa03 (0°, -51.0°, 0°)
LT 42 Y-X LiTa03 (0°, -48.0°, 0°) Quarz 32 Si02 (a-Quarz) (0°, 122.0°, 0°)
Quarz 36 Si02 (a-Quarz) (0°, 126.0°, 0°)
Quarz 37.5 Si02 (a-Quarz) (0°, 127.5°, 0°)
Quarz 39.5 SiQ2 (a-Quarz) (0°, 129.5°, 0°)
Geeignet sind auch Substrate mit einer Abweichung von den angegebenen Winkeln bis zu einigen Zehntel Grad. Dabei sind die Eulerwinkel wie folgt definiert: Zuerst wird von einem Satz Achsen x , y, z ausgegangen, welche die
kristallographischen Achsen des Substrats sind.
Der erste Winkel, λ, gibt an, um welchen Betrag die x-Achse und die y-Achse um die z-Achse gedreht werden, wobei die x-
Achse in Richtung der y-Achse gedreht wird. Entsprechend ent¬ steht ein neuer Satz von Achsen x y z wobei z = ζλ.
In einer weiteren Rotation werden die zx-Achse und die yx- Achse um den Winkel μ um die xx-Achse gedreht. Dabei wird die yx-Achse in Richtung der zx-Achse gedreht. Entsprechend entsteht ein neuer Satz von Achsen χ λ λ , yx x, ζλ λ, wobei
x λ = x λ λ . In einer dritten Rotation werden die xx x-Achse und die yx x-
Achse um den Winkel Θ um die zx x-Achse gedreht. Die xx x-Achse wird dabei in Richtung der yx x-Achse gedreht. So entsteht ein drittes Set von Achsen χ λ λ λ , yx x x, ζλ λ λ, wobei z λ λ=ζ λ λ λ . Die xx x x-Achse und die yx x x-Achse liegen dabei parallel zur
Oberfläche des Substrats. Die zx x x-Achse ist die Oberflächen¬ normale des Substrats. Die xx x x-Achse gibt die Ausbreitungs¬ richtung der akustischen Wellen an. Die Definition ist in Übereinstimmung mit dem internationalen Standard IEC 62276, 2005-05, Annex AI.
Als GBAW oder Grenzwellenbauelemente kommt z. B. Li b03 mit den Eulerwinkeln (λ = 0°, μ = -75115°, θ = 0°) in Frage.
Ein Wandler kann ein Metall mit einer höheren Dichte als Aluminium, zum Beispiel Kupfer, Gold, Wolfram oder eine
Legierung dieser Metalle als Hauptbestandteil umfassen.
Elektroden oder die Elektrodenfinger eines Wandlers können aus einem Metall mit einer höheren Dichte als Aluminium, zum Beispiel Kupfer, Gold, Wolfram oder einer Legierung dieser Metalle als Hauptbestandteil bestehen.
Auf einem Wandler kann eine Kompensationsschicht angeordnet sein. Eine Kompensationsschicht kann den Temperaturgang der Frequenzlage eines Bauelements verringern oder eliminieren. Eine solche Kompensationsschicht kann Si02, SiN, AL2O3 oder SiOxNy umfassen. Die Dicke einer solchen Kompensationsschicht kann größer gleich 50 % in Einheiten von λ sein.
Als SAW Substrat kommt beispielsweise Lithiumniobat mit einem Satz von Eulerwinkeln von (λ = 0°, μ = -90±3°, Θ = 0°) in Frage.
Elektroden können mehrere Lagen einzelner Elemente oder verschiedener Legierungen umfassen. Insbesondere können
Haftschichten oder Barriereschichten, welche Akustomigration vermindern können, Titan, Titanoxid oder Titannitrid
umfassen . Die Gesamthöhe einer Elektrode kann 4 % bis 7 % in Einheiten von λ betragen. Das über alle Randbereiche und den zentralen Anregungsbereich gemittelte Metallisierungsverhältnis kann zwischen 0,55 und 0,7 betragen; die Fingerperiode, die im Wesentlichen den Frequenzgang des Bauelements bestimmt, kann im Bereich zwischen 0,8 und 1,1 ym liegen.
Eine Kompensationsschicht, die planarisiertes S1O2 umfasst, kann eine Dicke zwischen 25 % und 33 % in Einheiten von λ umfassen.
Eine dielektrische Passivierungs- oder Trimmschicht kann Siliziumnitrid umfassen. Eine solche Passivierungs- oder Trimmschicht kann eine Dicke von weniger als 7 % der
Wellenlänge umfassen.
Als Eulerwinkel für ein piezoelektrisches Lithiumniobat- substrat kommen auch die Winkel (0°, 37.8513°, 0°) in Frage. Die Gesamthöhe der Elektroden kann zwischen 6 % und 8 % in
Einheiten von λ betragen. Das Metallisierungsverhältnis kann zwischen 0,5 und 0,65 eingestellt sein. Die Fingerperiode kann zwischen 1,8 und 2,1 ym betragen. Die Elektroden können mit einer planaren dielektrischen
Schicht, z. B. aus S1O2 umfassend, bedeckt sein. Deren Dicke kann zwischen 29 % und 33 % der akustischen Wellenlänge λ betragen . Die Elektroden oder eine darüber angeordnete dielektrische Schicht können mit einer zusätzlichen dielektrischen
Passivierungs- oder Trimmschicht, die z. B. S13N4 oder S1O2 umfasst, bedeckt sein. Deren Dicke kann bis zu 5 % der akustischen Wellenlänge λ betragen.
Für eine Ausführungsform kommen auch Lithiumniobat Substrate mit den Eulerwinkeln (0°, 37.8513°, 0°) in Frage.
Die Gesamthöhe der Elektrode kann zwischen 6 % und 12 % der Wellenlänge betragen. Das Metallisierungsverhältnis kann zwischen 0,5 und 0,58 betragen.
Ein entsprechender Wandler kann Teil eines Duplexer für das WCDMA Band II (1850 - 1990 MHz) und Band III (1710 - 1880 MHz) sein. Dazu kann die die Arbeitsfrequenzen definierende Fingerperiode zwischen 0.8 - 1.1 μιη liegen.
Eine Kompensationsschicht, die Siliziumdioxid umfasst, kann zwischen 30 und 50 % λ dick sein.
Eine dielektrische Passivierungs- oder Trimmschicht kann Siliziumnitrid umfassen und eine Dicke von weniger als 7 % in Einheiten von λ umfassen.
In einer Ausführungsform können die inneren Randbereiche entfallen und es kann trotzdem ein guter Pistonmode erhalten werden. Dazu können Wandler äußere Randbereiche und
Lückenbereiche als Alternative zu inneren Randbereichen umfassen. Die Zahl der Bereiche mit eingestellter
Geschwindigkeit ist also nicht vermindert. Die Lückenbereiche können zwischen 0,1 und 3,0 λ breit sein. Die äußeren
Randbereiche können zwischen 1,0 und 5,0 λ breit sein.
Zur Erhöhung des Metallisierungsverhältnisses kann die
Fingerzahl pro Wellenlänge erhöht sein. Eine Dielektrische Beschwerungsschicht oder eine Beschwerungsschicht aus Metall kann eine Dicke von 10 nm bis 1 ym haben. In einer Ausführungsform eines Wandlers ist die Massenbelegung in den inneren Randbereichen im Vergleich zu den äußeren Randbereichen oder den Lückenbereichen reduziert. Die Gesamtbreite der inneren Randbereiche und der Lückenbereiche kann zwischen 0,1 und 3,0 λ betragen.
Eine Reduzierung der Massenbelegung kann durch eine
Reduzierung von n, zum Beispiel auf Werte von größer gleich 0,1, erreicht sein. Eine Reduzierung der Massenbelegung kann auch durch Abtragen einer dielektrischen Deckschicht auf Dicken von weniger als 1 ym erreicht sein.
Als Substrat kommt Lithiumtantalat mit Eulerwinkeln von (0°, -48±7°, o°) in Frage. Auch Eulerwinkel von (0°, 52 < = μ <= -35°, 0°) sind möglich.
Die Gesamthöhe der Elektrodenfinger kann zwischen 2,5 und 12 % in Einheiten von λ betragen. Das Metallisierungsverhältnis n kann zwischen 0,4 und 0,8 betragen. Die Fingerperiode kann zwischen 0,7 und 3,0 ym betragen.
Ein Wandler kann eine dielektrische Passivierungsschicht, die zum Beispiel Siliziumnitrid umfasst, mit einer Dicke von weniger als 2 % der Wellenlänge umfassen. Die Apertur der akustischen Spur kann zwischen 10 λ und 50 λ breit sein. Insbesondere kann die Apertur kleiner als 20 λ sein . Die Breite der Apertur sowie die Breite des zentralen
Anregungsbereichs, der inneren Randbereiche, der Lücken¬ bereiche, der äußeren Randbereiche oder der Bereiche der Stromsammeischienen können für Serienresonatoren und
Parallelresonatoren verschieden sein und von der Resonanzfrequenz und der Apertur abhängen. Insbesondere können die Massenbelegungen unterschiedlicher Resonatoren unterschiedlich ausgestaltet sein. Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elekt- roakustischen Wandlers umfasst die Schritte
- Bereitstellen eines piezoelektrischen Substrats,
- Strukturieren von Stromsammeischienen und
Elektrodenfinger auf dem Substrat,
- Abtragen von Elektrodenfingermaterial im zentralen Anre¬ gungsbereich .
Eine Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Schritte
- Bereitstellen eines piezoelektrischen Substrats,
- Strukturieren von Stromsammeischienen und
Elektrodenfinger auf dem Substrat,
- Oxidation des Elektrodenfingermaterials im inneren
Randbereich .
Das Einstellen der longitudinalen Geschwindigkeiten in trans- versalen Bereichen kann durch geeignete Materialbelegung in den transversalen Bereichen erreicht werden. Die Geschwindigkeit akustischer Wellen wird dabei im Allgemeinen durch eine Vergrößerung der Masse auf dem Substrat verringert. Die Ge¬ schwindigkeit wird im Allgemeinen durch eine Belegung mit Ma- terial hoher Steifigkeit (z. B. AI2O3 oder Diamant) erhöht.
Die Auswahl eines geeigneten Materials der Massenbelegung ermöglicht also sowohl eine Erhöhung als auch eine Erniedrigung der Geschwindigkeit der akustischen Welle. Im Folgenden werden erfindungsgemäße elektroakustische Wand¬ ler anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein transversales Geschwindigkeitsprofil, bei dem die longitudinale Geschwindigkeit im inneren Randbereich geringer als im zentralen Anregungsbereich ist,
Figur 2 ein transversales Geschwindigkeitsprofil, bei dem die longitudinale Geschwindigkeit im inneren Randbereich größer als im zentralen Anregungsbereich ist, Figur 3 eine schematische Darstellung eines konventionellen elektroakustischen Wandlers,
Figur 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wandlers ,
Figur 5 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform,
Figur 6 eine erfindungsgemäße Ausgestaltungsform eines Elekt- rodenfingers ,
Figur 7 eine weitere schematische Darstellung eines erfin¬ dungsgemäßen Elektrodenfingers, Figuren 8a, 8b weitere schematische Darstellungen eines
Elektrodenfingers , Figur 8c den Querschnitt eines Elektrodenfingers mit lokalen Aufdickungen .
Figur 9 eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wandlers mit schienenförmig abgeschiedenem Material auf den inneren Randbereichen,
Figur 10 die Darstellung der Abhängigkeit von ky in Abhängigkeit von kx bei einem Substrat mit konkaver Slowness,
Figur 11 die Admittanz eines erfindungsgemäßen elektroakusti- schen Resonators,
Figur 12 das Prinzip der Phasenwichtung,
Figur 13 einen Wandler mit verschiedenen Teilbereichen der äußeren Anregungsbereiche,
Figuren 14A, B einen Wandler mit verschiedenen longitudinalen Bereichen sowie verschiedene geometrische Ausführungsformen eines inneren Randbereichs,
Figuren 15A, B, C, D verschiedene Wandler mit verschiedenen longitudinalen Bereichen sowie verschiedene Ausführungsformen eines inneren Randbereichs,
Figuren 16A, B, C verschiedene Ausführungsformen von Wandlern mit verschiedenen longitudinalen Bereichen, Figuren 17A, B, C, D, E verschiedene Ausführungsformen von Wandlern mit verschiedenen longitudinalen Bereichen, Figuren 18A, B, C, D, E verschiedene Ausführungsformen von Wandlern mit verschiedenen longitudinalen Bereichen,
Figuren 19A, B, C, D, E, F verschiedene Ausführungsformen von Wandlern mit verschiedenen longitudinalen Bereichen,
Figuren 20A, B, C, D, E verschiedene Ausführungsformen von Wandlern mit verschiedenen longitudinalen Bereichen, Figuren 21A, B, C, D, E verschiedene Ausführungsformen von Wandlern mit verschiedenen longitudinalen Bereichen,
Figuren 22A, B, C verschiedene Ausführungsformen von Wandlern mit verschiedenen longitudinalen Bereichen,
Figur 23 die frequenzabhängige Einfügedämpfung für
verschieden ausgestaltete Wandler,
Figur 24 die Funktionsweise eines Pistonmode Bauelements bei konvexer Slowness,
Figur 25 die Funktionsweise eines Pistonmode Bauelements bei konkaver Slowness. Figur 1 zeigt ein Geschwindigkeitsprofil der longitudinalen Geschwindigkeit von nebeneinander in transversaler Richtung angeordneten Bereichen der akustischen Spur. Im Inneren der akustischen Spur ist der zentrale Anregungsbereich ZAB angeordnet. Den zentralen Anregungsbereich ZAB flankieren die in- neren Randbereiche IRB, die direkt neben dem zentralen Anre¬ gungsbereich ZAB angeordnet sind. Die longitudinalen Geschwindigkeiten der inneren Randbereiche IRB sind dabei geringer als die longitudinale Geschwindigkeit im zentralen An- regungsbereich ZAB . Die inneren Randbereiche IRB wiederum werden von den äußeren Randbereichen ARB flankiert. Die longitudinale Geschwindigkeit der äußeren Randbereiche ARB ist dabei höher als die longitudinale Geschwindigkeit der inneren Randbereiche IRB: Sie kann auch höher als die
longitudinale Geschwindigkeit des zentralen Anregungsbereichs ZAB sein. Die äußeren Randbereiche ARB wiederum sind von den Bereichen der Stromsammeischienen SB flankiert, in denen die longitudinale Geschwindigkeit der akustischen Wellen geringer ist als in den äußeren Randbereichen ARB.
Figur 2 zeigt ein Profil entlang der transversalen Richtung, in dem die longitudinalen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der unterschiedlichen Bereiche aufgetragen sind. Der Unterschied zu der Ausgestaltung, die in Figur 1 gezeigt ist, besteht darin, dass die longitudinale Geschwindigkeit in den inneren Randbereichen IRB höher als die longitudinale Geschwindigkeit im zentralen Anregungsbereich ZAB ist. Die longitudinalen Geschwindigkeiten im zentralen Anregungsbereich ZAB und in den inneren Randbereichen IRB sind aber geringer als in den äußeren Randbereichen ARB, die die inneren Randbereiche flankieren .
Figur 3 illustriert einen konventionellen elektroakustischen Wandler, in dem in einem Anregungsbereich AB, in dem Elektrodenfinger zweier unterschiedlicher Elektroden überlappen, eine Wandlung zwischen HF-Signalen einerseits und akustischen Wellen andererseits stattfindet. Die Elektrodenfinger einer Elektrode dürfen die Stromsammeischiene der anderen Polarität nicht berühren, sonst wäre die Wandlerstruktur kurzgeschlos¬ sen. Zwischen den Fingerenden und der gegenüberliegenden Stromsammeischiene existiert also ein Randbereich RB, in wel¬ chem keine elektroakustische Wandlung stattfindet. Konventio- nelle Wandler weisen also zwischen dem Bereich der Stromsammeischiene SB und dem zentralen Anregungsbereich AB in der Regel nur einen Randbereich RB pro Seite auf. Im Gegensatz dazu ist in Figur 4 eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Im zentralen Anregungsbereich ZAB wandeln die kammartig angeordneten Elektrodenfinger zwischen HF-Signalen einerseits und akustischen Wellen andererseits. Innere Randbereiche IRB flankieren den zentralen Anregungsbereich ZAB. Die Elektrodenfinger sind im inneren Randbereich IRB, verglichen mit dem zentralen Anregungsbereich ZAB, breiter ausgeführt. Auch im inneren Randbereich IRB findet eine Wandlung zwischen HF-Signalen und akustischen Schwingungen statt. Durch die erhöhte Massenbelegung, bei- spielsweise aufgrund der erhöhten Fingerdicke, ist die longi- tudinale Geschwindigkeit im inneren Randbereich IRB gegenüber dem zentralen Anregungsbereich ZAB verringert.
Äußere Randbereiche ARB flankieren die inneren Randbereiche IRB. Die äußeren Randbereiche ARB nehmen nicht aktiv an der
Wandlung zwischen HF-Signalen und akustischen Wellen Teil. In den äußeren Randbereichen ARB sind akustische Wellen aber durchaus ausbreitungsfähig. Aufgrund der verringerten Massenbelegung in den äußeren Randbereichen ARB ist die longitudi- nale Geschwindigkeit in den äußeren Randbereichen ARB verglichen mit den longitudinalen Geschwindigkeiten der inneren Randbereiche, der Reflektoren IRB und des zentralen Anregungsbereichs ZAB erhöht. Die Bereiche der Stromsammeischienen SB wiederum flankieren die äußeren Anregungsbereiche. Die Massenbelegung ist hier, verglichen mit den übrigen transversalen Bereichen, maximal; die longitudinale Geschwindigkeit ist minimal. Das Entstehen transversaler Schwingungsmoden ist Folge von Beugungseffekten innerhalb der endlich breiten akustischen Spur. Die Ausbildung eines erfindungsgemäßen transversalen Profils der longitudinalen Geschwindigkeit (Pistonmode) hilft, das Entstehen von Schwingungsmoden mit einer
Geschwindigkeit in Transversalrichtung zu vermindern.
Figur 5 zeigt eine alternative Ausführungsform, die sich von der Ausführungsform der Figur 4 dahingehend unterscheidet, dass die Breite der Elektrodenfinger in den inneren Randbereichen IRB, verglichen mit der Fingerbreite des zentralen Anregungsbereichs ZAB, vermindert ist. Dadurch ist die longi- tudinale Geschwindigkeit in den inneren Randbereichen IRB gegenüber der Geschwindigkeit des zentralen Anregungsbereichs ZAB erhöht. Der innere Randbereich IRB zählt zum Anregungsbe¬ reich, weil sich in ihm Elektrodenfinger unterschiedlicher Polarität überlappen.
Die Figuren 6, 7, 8a und 8b zeigen Ausgestaltungsmöglichkei- ten von Elektrodenfingern, in denen die Breite der Finger abschnittsweise verringert (Figur 6) oder vergrößert ist (Figur 7) oder in denen die Breite der Elektrodenfinger zum Fingerende linear abnimmt oder zunimmt (Figuren 8a und 8b) . Figur 8c zeigt den Querschnitt parallel zur transversalen Richtung durch einen Elektrodenfinger EF mit lokaler
Aufdickungen LA. Durch geeignete Aufdickungen gelingt es, die Massebelegung und gegebenenfalls die elastischen Parameter des Elektrodenfingers so einzustellen, dass das gewünschte Geschwindigkeitsprofil erhalten wird.
Figur 9 illustriert eine Ausgestaltung, in der in inneren Randbereichen IRB, die den zentralen Anregungsbereich ZAB flankieren, dielektrisches Material auf den Elektroden und den Bereichen des Substrats zwischen den Fingerelektroden angeordnet ist. Dadurch wird die longitudinale Geschwindigkeit in den inneren Randbereichen IRB verringert.
Figur 10 illustriert die Relationen zwischen transversalen und longitudinalen Wellenzahlen des imaginären Zweigs (gestrichelte Linien) und des reellen Zweigs (durchgezogene Li¬ nien) für eine konkave Slowness. ßmin bezeichnet dabei den kleinstmöglichen der Werte von kx, für die geführte
Schwingungsmoden existieren können. ßmax bezeichnet den größtmöglichen der Werte von kx, für die geführte
Schwingungsmoden existieren können. Die Kurven A bezeichnen die Wellenvektoren im Anregungsbereich der akustischen Spur; die Kurven B bezeichnen die Wellenvektoren im Außenbereich, d. h. außerhalb der akustischen Spur z.B. im Bereich der Stromsammeischienen .
Figur 11 zeigt die Realteile dreier frequenzabhängiger Admit- tanzverläufe C, D, E bei konvexer Slowness. Kurve C zeigt die Admittanz eines konventionellen Wandlers mit Resonanzen bei Frequenzen, die höher als die Resonanzfrequenz der Grundmode sind . Kurve D zeigt den Admittanzverlauf eines elektroakustischen Wandlers, bei dem die longitudinalen Geschwindigkeiten im zentralen Anregungsbereich, in inneren Randbereichen, in äußeren Randbereichen und in den Bereichen der Stromsammeischienen für das Erreichen eines Pistonmodes angepasst sind. Resonanzen treten bei gleichen Frequenzen wie in der Kurve C auf; ihre Amplituden nehmen allerdings erst ab etwa 25 MHz oberhalb der Resonanzfrequenz stark zu. Kurve E zeigt die berechnete frequenzabhängige Admittanz ei¬ nes elektroakustischen Wandlers, dessen longitudinale Ge¬ schwindigkeiten in einem zentralen Anregungsbereich, in inneren und äußeren Randbereichen und in Bereichen der Stromsam- melschiene an einen Pistonmode angepasst sind und bei dem die Dispersion durch die Anisotropie von Γ=-1 ausgeschaltet ist.
Figur 12 zeigt das Prinzip der Phasenwichtung anhand von Verbreiterungen der Elektrodenfinger. Die Verbreiterungen in den inneren Randbereichen IRB, die nicht an den Fingerenden angeordnet sind, sind nicht symmetrisch zu einer in transversaler Richtung durch das Zentrum der Finger verlaufenden Achse angeordnet. Vielmehr sind die Verbreiterungen in longitudi- naler Richtung relativ zum jeweiligen Zentrum des Fingers verschoben. Dadurch, dass das Zentrum verschoben ist, ist die Mitte zwischen den Fingerkanten nicht mehr exakt „in Phase" mit der akustischen Welle, wodurch die Anregungsstärke Φ vermindert und an die ideale Flanke der Auslenkung Ψ des Pistonmodes angepasst ist.
Eine weitere Option zur Anpassung der akustischen Welle sind sogenannte Stummel- oder Dummyfinger, die im Bereich der Stromsammeischienen angeordnet sind und im Wesentlichen den Enden der Elektrodenfinger der jeweils anderen Polarität gegenüberstehen.
Figur 13 zeigt eine Ausführungsform eines Wandlers, wobei Lückenbereiche TG (englisch TG = Transversal Gap) innere Randbereiche IRB flankieren. Äußere Randbereiche flankieren die Lückenbereiche TG. Die äußeren Randbereiche sind selbst in verschiedene Teilbereiche ARB1, ARB2, ARB3 unterteilt. Die Teilbereiche des äußeren Randbereichs selbst sind wiederum von Bereichen der Stromsammeischiene SB flankiert. Die longitudinale Ausbreitungsgeschwindigkeit einer erwünschten Mode kann in den verschiedenen longitudinalen Bereichen eingestellt werden, um einen gut definierten Pistonmode zu erhalten .
Figur 14A zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, wobei zwischen den inneren Randbereichen und den äußeren Randbereichen jeweils ein Lückenbereich TG angeordnet ist. Die Breite des Lückenbereichs TG ist in diesem Ausführungsbei- spiel durch den Abstand der Elektrodenfinger von einem mit der gegenüberliegenden Stromsammeischiene verbundenen
Stummelfingern definiert. Die Elektrodenfinger weisen in den inneren Randbereichen IRB ein erhöhtes
Metallisierungsverhältnis n auf.
Figur 14B zeigt unterschiedliche Ausführungsformen der
Fingerverbreiterung, welche für die inneren Randbereiche möglich sind. Innerhalb der inneren Randbereiche kann die Fingerbreite linear zu- oder abnehmen. Es sind mehrere verbreitete Sektionen möglich, zwischen denen die
Fingerbreite reduziert ist. Außerdem ist es möglich,
elliptisch geformte Fingerverbreiterungen anzuordnen.
Figur 15A zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei dem Fingerelektroden in den inneren Randbereichen verbreitert und durch Bereiche einer Beschwerungsschicht bedeckt sind.
Figur 15B zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei dem zusätzlich zu den Fingerelektroden in den inneren
Randbereichen rechteckig geformte Beschwerungselemente neben den Elektrodenfingern angeordnet sind. Figur 15C zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei dem die inneren Randbereiche vollständig durch eine dielektrische Beschwerungsschicht bedeckt sind. Figur 15D zeigt weitere Gestaltungsmöglichkeiten, um die Massenbelegung in den inneren Randbereichen zu erhöhen. Es ist möglich, rechteckig geformte Abschnitte einer
Beschwerungsschicht auf den Elektrodenfingern in den inneren Randbereichen anzuordnen. Die Breiten dieser Rechtecke können dabei größer, kleiner oder genau gleich der Breite der
Elektrodenfinger sein. Es ist ferner möglich, rechteckige Elemente in den inneren Randbereichen anzuordnen, welche die Elektrodenfingerkanten überlappen. Auch elliptisch geformte Beschwerungsabschnitte können in den inneren Randbereichen auf den Elektrodenfingern angeordnet sein.
Figur 16A zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, wobei äußere Randbereiche ARB Stummelfinger umfassen. Zusätzlich sind die Elektrodenfinger in den äußeren Randbereichen ARB breiter als in den Lückenbereichen TG und im zentralen
Anregungsbereich ZAB . Die inneren Randbereiche umfassen rechteckige oder quadratische Abschnitte einer
Beschwerungsschicht, die auf den Elektrodenfingern angeordnet sind .
Figur 16B zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, wobei rechteckige Abschnitte einer Beschwerungsschicht auf den Elektrodenfingern in den äußeren Randbereichen angeordnet sind .
Figur 16C zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei der rechteckig ausgestaltete Abschnitte einer Beschwerungsschicht sowohl in den inneren Randbereichen als auch in den äußeren Randbereichen auf den Elektrodenfingern angeordnet sind. Die Breite der Abschnitte der Beschwerungsschicht ist dabei geringer als die Breite der Elektrodenfinger. Figur 17A zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, wobei rechteckig ausgestaltete Abschnitte einer Beschwerungsschicht in den inneren Randbereichen auf den Elektrodenfingern angeordnet sind. Die Breite der Abschnitte ist dabei für alle Elektrodenfinger einer Elektrode konstant und unterscheidet sich von den Breiten der jeweils anderen Elektrode.
Figur 17B zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei der rechteckig ausgestaltete Elemente einer Beschwerungsschicht in den inneren Randbereichen und in den äußeren Randbereichen auf den Elektrodenfingern angeordnet sind. Die Breiten der Elemente der Beschwerungsschicht sind dabei in den äußeren Randbereichen und in den inneren Randbereichen verschieden. In den inneren Randbereichen angeordnete Elemente der
Beschwerungsschicht bewirken eine Phasenwichtung .
Figur 17C zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, wobei die Elektrodenfinger in den inneren Randbereichen eine geringere Breite als im zentralen Anregungsbereich aufweisen.
Zusätzlich sind die inneren Randbereiche von einer
dielektrischen Beschwerungsschicht bedeckt.
Figur 17D zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, wobei in den inneren Randbereichen angeordnete Abschnitte einer
Beschwerungsschicht durch eine unsymmetrische Anordnung auf den Elektrodenfingern eine Phasenwichtung hervorrufen.
Figur 17E zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, wobei trapezförmige Abschnitte einer Beschwerungsschicht in den inneren Randbereichen auf den Elektrodenfingern angeordnet sind. Die Massenbelegung nimmt dabei innerhalb der inneren Randbereiche für eine Elektrode linear zu, während die
Massenbelegung in den inneren Randbereichen für die jeweils andere Elektrode von innen nach außen abnimmt.
Figur 18A zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, wobei der äußere Randbereich in zwei Teilbereiche unterteilt ist. In innersten Abschnitten des äußeren Randbereichs entspricht die Dicke der Elektrodenfinger derjenigen Dicke der Elektrodenfinger im zentralen Anregungsbereich. In inneren Teilbereichen der äußeren Randbereiche sind die Elektrodenfinger verbreitert. In äußeren Teilbereichen der äußeren
Randbereiche gleicht die Dicke der Elektrodenfinger
derjenigen Dicke der Elektrodenfinger in dem zentralen
Anregungsbereich .
Figur 18B zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, wobei in inneren Teilbereichen der äußeren Randbereiche alle
Elektrodenfinger einer Elektrode mit einem leitenden oder isolierenden Material verbunden sind.
Figur 18C zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, wobei in inneren Teilbereichen der äußeren Randbereiche eine
Beschwerungsschicht auf den Elektrodenfingern angeordnet ist.
Figur 18D zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, wobei nicht mit einer Elektrode verbundene - floatende - rechteckige Abschnitte des Elektrodenmaterials in inneren Teilbereichen der äußeren Randbereich angeordnet sind.
Figur 18E zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, wobei rechteckige Elemente einer Beschwerungsschicht periodisch entlang innerer Teilbereiche der äußeren Randbereiche
angeordnet sind. Die Periode dieser Elemente weicht dabei um einen Faktor größer gleich 2 von der Fingerperiode ab .
Figur 19A zeigt eine Ausführungsform eines Wandlers, bei dem zwischen den inneren Randbereichen IRB und den äußeren
Randbereichen ARB je ein Lückenbereich TG angeordnet ist. Im Lückenbereich sind die Elektrodenfinger verbreitert. Die äußeren Randbereiche umfassen je einen inneren Teilbereich ARB1 und einen äußeren Teilbereich ARB2. Die inneren
Teilbereiche ARB1 der äußeren Randbereiche ARB sind
vollständig durch Elektrodenmaterial bedeckt. In den äußeren Teilbereichen ARB2 der äußeren Randbereiche ARB haben die Fingerelektroden die gleiche Breite wie im zentralen
Anregungsbereich ZAB .
Figur 19B zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei dem zwischen den äußeren Randbereichen ARB und den inneren
Randbereichen IRB Lückenbereiche TG angeordnet sind.
Innerhalb der Lückenbereiche bleibt die Fingerbreite über einen Teilbereich der Lückenbereiche konstant. Zwischen diesem Teilbereich und den inneren Randbereichen nimmt die Breite der Elektrodenfinger im Lückenbereich linear ab. An den Enden der Elektrodenfinger nimmt die Breite der
Elektrodenfinger im Lückenbereich linear auf Null ab.
Figur 19C zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei dem die äußeren Randbereiche ARB in innere Teilbereiche ARB 1 und äußere Teilbereiche ARB2 aufgeteilt sind. Die inneren
Teilbereiche ARB1 sind mit einer Beschwerungsschicht bedeckt. Zwischen den äußeren Randbereichen und den inneren
Randbereichen nimmt die Breite der Elektrodenfinger von außen nach innen im Wesentlichen sinusförmig ab. Die Fingerenden der Elektrodenfinger sind in den Lückenbereichen im Wesentlichen rund ausgestaltet.
Figur 19D zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei der in den Lückenbereichen TG zwischen den äußeren Randbereichen und den inneren Randbereichen an den von der Stromsammeischiene entfernten Enden der Elektrodenfinger rechteckige Abschnitte eines dielektrischen Materials auf den Elektrodenfingern angeordnet sind.
Figur 19E zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei der die Lückenbereiche TG von einer dielektrischen Schicht bedeckt sind. Ferner ist ein innerer Teilbereich der äußeren Randbereiche mit periodisch angeordneten rechteckigen
Sektionen einer Beschwerungsschicht bedeckt. Die Periode dieser Sektionen ist dabei kleiner als 1/2 der Wellenlänge λ.
Figur 19F zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei dem diejenigen Abschnitte der Elektrodenfinger der Lückenbereiche von einer Beschwerungsschicht bedeckt sind.
Figur 20A zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, wobei Lückenbereiche TG anstelle von inneren Randbereichen zwischen den äußeren Randbereiche ARB und dem zentralen
Anregungsbereich ZAB angeordnet sind. Innerhalb der
Lückenbereiche TG sind die Elektrodenfinger verbreitert.
Figur 20B zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei dem die Elektrodenfinger in äußeren Teilbereichen der Lücken- bereiche TG konstant verbreitert sind und bei dem in inneren Teilbereichen der Lückenbereiche die Dicke der Fingerelektroden von der Busbarseite zur Seite der Fingerenden linear abnimmt. Figur 20C zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei dem rechteckige Abschnitte einer Beschwerungsschicht in
Lückenbereichen TG auf den Elektrodenfingern angeordnet sind. Figur 20D zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei der in Lückenbereichen TG rechteckige Abschnitte eines
dielektrischen Materials periodisch angeordnet sind (in longitudinaler Richtung) . Die Periodenlänge dieser Strukturen ist kleiner als ein Sechstel der Wellenlänge λ der
akustischen Welle.
Figur 20E zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei dem Lückenbereiche TG zwischen dem äußeren Randbereichen ARB und den zentralen Anregungsbereich ZAB vollständig mit einem dielektrischen Material bedeckt sind.
Figur 21A zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei dem die äußeren Randbereiche ARB Stummelfinger zwischen den
Elektrodenfingern umfassen. Ferner sind die Elektrodenfinger in den äußeren Randbereichen verbreitert. Die Breite der
Stummelfinger und die Breite der verbreiterten Elektrodenfinger ist im Wesentlichen gleich.
Figur 21B zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei dem jeweils drei Stummelfinger pro Längeneinheit in Einheit der Wellenlänge λ in den äußeren Randbereichen ARB angeordnet sind .
Figur 21C zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei dem äußere Randbereiche vollständig mit einer Beschwerungsschicht bedeckt sind. Figur 21D zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei dem die Elektrodenfinger in den äußeren Randbereichen ARB durch rechteckige Ausschnitte einer Beschwerungsschicht bedeckt sind. Die Ausschnitte der Beschwerungsschicht sind dabei breiter als die Elektrodenfinger.
Figur 21E zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, wobei in den äußeren Randbereichen rechteckige Ausschnitte einer Beschwerungsschicht angeordnet sind. Die Ausschnitte bedecken Elektrodenfinger und die Bereiche zwischen den Elektrodenfingern periodisch. Die Ausschnitte sind dabei breiter als die Elektrodenfinger. Die Periodenlänge der Ausschnitte beträgt dabei weniger als ein Viertel der Periodenlänge der akustischen Wellen λ.
Figur 22 A zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei dem die äußeren Randbereiche ARB Stummelfinger umfassen. Die Metallisierungsverhältnisse n in den äußeren Randbereichen und in dem zentralen Anregungsbereich sind identisch. Das Metallisierungsverhältnis in Lückenbereichen TG ist geringer als in den äußeren Randbereichen.
Figur 22B zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei dem die Elektrodenfinger im zentralen Anregungsbereich durch rechteckige Ausschnitte einer Beschwerungsschicht bedeckt sind .
Figur 22C zeigt eine Ausgestaltung eines Wandlers, bei dem der zentrale Anregungsbereich durch eine dielektrische
Schicht bedeckt ist. Ferner sind die äußeren Randbereiche ARB durch eine Beschwerungsschicht bedeckt. Figur 23 zeigt die frequenzabhängigen Einfügekurven dreier Wandler. Kurve 1 zeigt die Einfügedämpfung eines konventionellen Wandlers. Kurve 2 zeigt die Einfügedämpfung eines Wandlers mit cosinus-förmiger Wichtung. Kurve 3 zeigt die Einfügedämpfung eines erfindungsgemäßen Wandlers. Kurve 1 zeigt deutlich zu erkennende Resonanzen oberhalb und
unterhalb des Passbands. Bei der Einfügedämpfung der Kurve 2 sind diese Resonanzen deutlich verringert. Jedoch ist das Niveau der Kurve höher als Minima der Kurve 1. Bei der
Einfügedämpfung entsprechend der Kurve 3 des erfindungs¬ gemäßen Resonators ist die Ausprägung der Resonanzen deutlich verringert und die Kurve ist auf dem Niveau der Minima der Kurve 1.
Figur 24 illustriert die Funktionsweise eines Pistonmode- Bauelements bei konvexer Slowness. In der unteren Bildhälfte ist ein Ausschnitt aus der Bauteilstruktur mit mehreren transversalen Abschnitten gezeigt. Dabei gibt es einen inneren Randbereich IRB mit verbreiterten Fingern, einen äußeren Randbereich ARB, der einem Lückenbereich entspricht, und den Bereich der Stromsammeischienen SB. In der oberen Bildhälfte sind das zugehörige transversale Geschwindigkeits¬ profil v(y), sowie die Amplitude des Auslenkungsprofils Ψ(^) des Pistonmodes gezeigt.
Im inneren Randbereich IRB liegt eine gegenüber dem zentralen Anregungsbereich ZAB verringerte Geschwindigkeit, im äußeren Randbereich ARB eine erhöhte Geschwindigkeit vor. Der äußere Randbereich ARB dient hier als Abklingbereich, in dem die Mode nach außen exponentiell abklingt. Auf Substraten hoher Kopplung oder mit schweren Elektroden ist die Ausgestaltung des äußeren Randbereichs ARB als Lückenbereich TG besonders vorteilhaft, da hier durch das Weglassen jeden zweiten Fingers ein großer Geschwindigkeitsunterschied zum zentralen Anregungsbereich ZAB erzielt wird. Die Nutzung des
Lückenbereichs als Abklingbereich ist neu. Der äußere
Randbereich ARB sollte mindestens so breit sein, dass an ihrem äußeren Rand die Amplitude des Modes auf 10% des Werts im zentralen Anregungsbereich ZAB abgesunken ist. Der innere Randbereich IRB dient hier zur Anpassung eines quasilinearen Verlaufs von im zentralen Anregungsbereich ZAB an den exponentiellen Verlauf im äußeren Randbereich ARB. Dazu wird die Breite W geeignet gewählt.
Figur 25 illustriert die Funktionsweise eines Pistonmode- Bauelements bei konkaver Slowness. In der unteren Bildhälfte ist ein Ausschnitt aus der Bauteilstruktur mit mehreren transversalen Abschnitten gezeigt. Dabei gibt es einen inneren Randbereich IRB mit verschmälerten Fingern, einen äußeren Randbereich ARB, der einem Lückenbereich entspricht, und den Bereich der Stromsammeischiene SB. In der oberen Bildhälfte sind das zugehörige transversale Geschwindigkeits- profil v(y), sowie die Amplitude des Auslenkungsprofils Ψ(^) des Pistonmodes gezeigt. Im inneren Randbereich IRB liegt eine gegenüber dem zentralen Anregungsbereich ZAB erhöhte Geschwindigkeit, im äußeren Randbereich ARB eine noch höhere Geschwindigkeit vor. Der Bereich der Stromsammeischiene SB dient hier als Abklingbereich, in dem die Mode nach außen exponentiell abklingt. Aufgrund der durchgehenden Metalli¬ sierung im SB wird hier vor allem bei hohen Schichtdicken und hoher Kopplung aufgrund der erhöhten Massenbelastung eine deutliche Geschwindigkeitsabsenkung gegenüber dem zentralen Anregungsbereich ZAB erreicht. Die Breite des Bereichs der
Stromsammeischiene SB sollte mindestens so groß sein, dass an ihrem äußeren Rand die Amplitude des Modes auf 10% des Werts im zentralen Anregungsbereich ZAB abgesunken ist. Der innere Randbereich IRB und der äußere Randbereich ARB dienen hier gemeinsam der Anpassung eines quasilinearen Verlaufs im zentralen Anregungsbereichs ZAB an den exponentiellen Verlauf im Bereich der Stromsammeischiene SB. Dazu muss die Breite W, die der Summe der Breiten des inneren Randbereichs IRB und des äußeren Randbereichs ARB entspricht, geeignet gewählt sein .
Ein elektroakustischer Wandler ist nicht auf eines der be- schriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Variationen, welche zum Beispiel weitere in lateralen Bereichen angeord- nete Geschwindigkeitsbereiche oder entsprechend geformte Elektrodenfinger umfassen, oder Kombinationen verschiedener Ausführungsformen stellen ebenso erfindungsgemäße
Ausführungsbeispiele dar.
Bezugs zeichenliste
ARB: äußerer Randbereich
ARB 1 -3 Teilbereiche eines äußeren Randbereichs
A: Wellenvektor im Anregungsbereich
B: Wellenvektor im Außenbereich
C, D, E: Realteile verschiedener Admittanzverläufe
1, 2, 3: Realteile verschiedener Admittanzverläufe
EF: Elektrodenfinger
IRB: innerer Randbereich
LA: lokale Aufdickung
SB: Bereich der Stromsammeischienen
TG: Lückenbereich
ZAB: Zentraler Anregungsbereich

Claims

Patentansprüche
Elektroakustischer Wandler,
- angeordnet in einer akustischen Spur,
- mit einem piezoelektrischen Substrat,
- mit zwei auf dem Substrat angeordneten Elektroden, die jeweils mit einer Stromsammeischiene verschaltete, ineinander greifende Elektrodenfinger (EF) zur Anregung von akustischen Wellen aufweisen
- wobei der Wandler so ausgebildet ist, dass in mehreren parallel zur akustischen Spur verlaufenden Bereichen (ZAB, IRB, ARB, SB) die akustische Welle eine
unterschiedliche longitudinale
Ausbreitungsgeschwindigkeit erfährt,
- mit einem zentralen Anregungsbereich (ZAB) mit einer ersten longitudinalen Geschwindigkeit,
- mit den zentralen Anregungsbereich auf beiden Seiten flankierenden inneren Randbereichen (IRB), in denen die longitudinale Geschwindigkeit von der longitudinalen Geschwindigkeit des zentralen Anregungsbereichs (ZAB) abweicht,
- mit die inneren Randbereiche (IRB) flankierenden äußeren Randbereichen (ARB) , in denen die longitudinale Geschwindigkeit höher als in den inneren Randbereichen (IRB) ist,
- mit die äußeren Randbereiche (ARB) flankierenden
Bereichen der Stromsammeischienen (SB) , in denen die longitudinale Geschwindigkeit geringer als in den äußeren Randbereichen (ARB) ist,
- wobei kx 2 + (1 + T)k] = k und Γ>-1,
- wobei kx die Komponente des Wellenvektors in
longitudinaler Richtung, k die Komponente des Wellenvektors in transversaler Richtung und k0 der
Wellenvektor in Hauptausbreitungsrichtung ist.
Elektroakustischer Wandler,
- angeordnet in einer akustischen Spur,
- mit einem piezoelektrischen Substrat,
- mit zwei auf dem Substrat angeordneten Elektroden, die jeweils mit einer Stromsammeischiene verschaltete, ineinander greifende Elektrodenfinger (EF) zur Anregung von akustischen Wellen aufweisen
- wobei der Wandler so ausgebildet ist, dass in mehreren parallel zur akustischen Spur verlaufenden Bereichen (ZAB, IRB, ARB, SB) die akustische Welle eine
unterschiedliche longitudinale
Ausbreitungsgeschwindigkeit erfährt,
- mit einem zentralen Anregungsbereich (ZAB) mit einer ersten longitudinalen Geschwindigkeit,
- mit den zentralen Anregungsbereich auf beiden Seiten flankierenden inneren Randbereichen (IRB), in denen die longitudinale Geschwindigkeit von der longitudinalen Geschwindigkeit des zentralen Anregungsbereichs (ZAB) abweicht,
- mit die inneren Randbereiche (IRB) flankierenden äußeren Randbereichen (ARB) , in denen die longitudinale Geschwindigkeit höher als im zentralen Anregungsbereich (ZAB) ist,
- mit die äußeren Randbereiche (ARB) flankierenden
Bereichen der Stromsammeischienen (SB) , in denen die longitudinale Geschwindigkeit geringer als in den äußeren Randbereichen (ARB) ist,
- wobei kx 2 + (1 + T)k] = k und Γ < -1 , - wobei kx die Komponente des Wellenvektors in longitudinaler Richtung, k die Komponente des
Wellenvektors in transversaler Richtung und k0 der
Wellenvektor in Hauptausbreitungsrichtung ist.
3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, wobei die longitudinale Geschwindigkeit in den inneren
Randbereichen (IRB) niedriger als im zentralen
Anregungsbereich (ZAB) ist.
4. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 2, wobei die longitudinale Geschwindigkeit im inneren Randbereich (IRB) höher als im zentralen Anregungsbereich (ZAB) ist.
5. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Stromsammeischienen und die
Elektrodenfinger (EF) auf einem piezoelektrischen
Substrat angeordnet sind, das einen höheren
elektroakustischen Kopplungskoeffizienten als Quarz aufweist .
6. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Elektrodenfinger (EF) zumindest in Abschnitten entlang der transversalen Richtung innerhalb der inneren Randbereiche (IRB) breiter als im zentralen Anregungsbereich (ZAB) sind.
7. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Elektrodenfinger (EF) zumindest in Abschnitten entlang der transversalen Richtung innerhalb der inneren Randbereiche (IRB) schmaler als im zentralen Anregungsbereich (ZAB) sind.
8. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich die Breite der Elektrodenfinger (EF) zumindest in Abschnitten entlang der transversalen Richtung innerhalb der inneren Randbereiche (IRB) linear ändert .
9. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Elektrodenfinger (EF) zumindest in Abschnitten entlang der transversalen Richtung innerhalb der inneren Randbereiche (IRB) höher als im zentralen Anregungsbereich (ZAB) sind.
10. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Elektrodenfinger (EF) im zentralen Anregungsbereich (ZAB) höher als in den inneren
Randbereichen (IRB), den äußeren Randbereichen (ARB) oder den Bereichen der Stromsammeischienen (SB) sind.
11. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Höhe der Elektrodenfinger (EF) innerhalb der inneren Randbereiche (IRB) sich zumindest in Abschnitten entlang der transversalen Richtung
stufenweise ändert.
12. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Höhe der Elektrodenfinger (EF) innerhalb der inneren Randbereiche (IRB) zumindest in Abschnitten entlang der transversalen Richtung linear zunimmt .
13. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei auf den Elektrodenfingern (EF) in den inneren Randbereichen (IRB) zumindest in lateralen Abschnitten ein vom Elektrodenmaterial verschiedenes leitendes oder dielektrisches Material angeordnet ist.
14. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei dielektrisches Material in den inneren
Randbereichen (IRB) auf und zwischen den
Elektrodenfingern (EF) angeordnet ist.
15. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei Hafniumoxid oder Tantaloxid auf oder zwischen den Elektrodenfingern (EF) angeordnet ist.
16. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die longitudinale Geschwindigkeit in den äußeren Randbereichen (ARB) höher als im zentralen
Anregungsbereich (ZAB) ist.
17. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die longitudinale Geschwindigkeit in den inneren Randbereichen (IRB) höher als in den Bereichen der Stromsammeischienen (SB) ist.
18. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei
- die longitudinale Geschwindigkeit in den beiden inneren
Randbereichen (IRB) identisch ist,
- die longitudinale Geschwindigkeit in den beiden äußeren Randbereichen (ARB) identisch ist und
- die longitudinale Geschwindigkeit in den beiden
Bereichen der Stromsammeischienen (SB) identisch ist.
19. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Übereinstimmung von transversalem Anregungsprofil der akustischen Welle und transversalem Auslenkungsprofil der Grundmode der akustischen Welle möglichst hoch ist.
20. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei das transversale Anregungsprofil der Grundmode der akustischen Welle durch eine Phasenwichtung im inneren Randbereich (IRB) an das transversale
Auslenkungsprofil angepasst ist.
21. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Elektrodenfinger (EF) oder die
Stromsammeischienen durch eine dielektrische Schicht bedeckt sind.
22. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Elektrodenfinger (EF) oder die
Stromsammeischienen durch eine S1O2 Schicht bedeckt sind.
23. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, der ein GBAW-Bauelement ist.
24. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Breiten der äußeren Randbereiche (ARB) durch den transversalen Abstand zwischen den Enden der Elektrodenfinger (EF) der einen Elektrode und der anderen Stromsammeischiene bestimmt sind.
25. Elektroakustischer Wandler nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Breiten der äußeren Randbereiche (ARB) durch den transversalen Abstand zwischen den Enden der
Elektrodenfinger (EF) der einen Elektrode und den Enden von mit der Stromsammeischiene der anderen Stromsammeischiene verschalteten Stummelfingern bestimmt sind .
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, der Teil eines mit akustischen Wellen
arbeitenden Resonators mit die akustische Spur in longitudinaler Richtung begrenzenden Reflektoren ist.
Elektroakustischer Wandler nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Reflektor das gleiche transversale
Geschwindigkeitsprofil der akustischen Wellen wie der Wandler aufweist.
Elektroakustischer Wandler nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Reflektor Reflektorfinger aufweist, die in transversaler Richtung den gleichen Aufbau wie die
Elektrodenfinger (EF) des Wandlers aufweisen.
Elektroakustischer Wandler,
- angeordnet in einer akustischen Spur,
- mit einem piezoelektrischen Substrat,
- mit zwei auf dem Substrat angeordneten Elektroden, die jeweils mit einer Stromsammeischiene verschaltete, ineinander greifende Elektrodenfinger (EF) zur Anregung von akustischen Wellen aufweisen
- wobei der Wandler so ausgebildet ist, dass in mehreren parallel zur akustischen Spur verlaufenden Bereichen (ZAB, IRB, ARB, SB) die akustische Welle eine
unterschiedliche longitudinale
Ausbreitungsgeschwindigkeit erfährt,
- mit einem zentralen Anregungsbereich (ZAB) mit einer ersten longitudinalen Geschwindigkeit, - mit den zentralen Anregungsbereich auf beiden Seiten flankierenden äußeren Randbereichen (ARB) , in denen die longitudinale Geschwindigkeit von der longitudinalen Geschwindigkeit des zentralen Anregungsbereichs (ZAB) abweicht,
- mit die äußeren Randbereiche (ARB) flankierenden
Bereichen der Stromsammeischienen (SB) , in denen die longitudinale Geschwindigkeit geringer als in den äußeren Randbereichen (ARB) ist,
- wobei kx 2 + (1 + T)k] = k und Γ = -1 ,
- wobei kx die Komponente des Wellenvektors in
longitudinaler Richtung, k die Komponente des
Wellenvektors in transversaler Richtung und k0 der
Wellenvektor in Hauptausbreitungsrichtung ist.
Verfahren zur Herstellung eines elektroakustischen
Wandlers nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend die Schritte
- Bereitstellen eines piezoelektrischen Substrats,
- Strukturieren von Stromsammeischienen und
Elektrodenfinger (EF) auf dem Substrat,
- Abtragen von Elektrodenfingermaterial im zentralen Anregungsbereich (ZAB) . 31. Verfahren zur Herstellung eines elektroakustischen
Wandlers nach einem der vorherigen Erzeugnisansprüche, umfassend die Schritte
- Bereitstellen eines piezoelektrischen Substrats,
- Strukturieren von Stromsammeischienen und
Elektrodenfinger (EF) auf dem Substrat,
- Oxidation des Elektrodenfingermaterials im inneren Randbereich .
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