WO2017076536A1 - Elektroakustischer wandler mit hoher güte und verringerten nichtlinearitäten zweiter ordnung - Google Patents

Elektroakustischer wandler mit hoher güte und verringerten nichtlinearitäten zweiter ordnung Download PDF

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

Definitions

  • the invention relates to electroacoustic transducer z. B. can be used in front-end circuits of modern mobile devices use.
  • the converters have a high quality and in particular reduced second-order nonlinearities, z. B. at twice the operating frequency 2 fi or at a sum fi + f 2 of two different frequencies.
  • electrode fingers In electroacoustic transducers, electrode fingers, alternately connected to current bus bars of opposite polarity, are disposed on a piezoelectric material and, by the piezoelectric effect, convert between acoustic waves and RF signals.
  • the propagation direction of the acoustic waves orthogonal to the orientation of the electrode fingers is the so-called longitudinal direction.
  • a problem with known converters is the fact that in addition to the actually desired acoustic waves propagating in the longitudinal direction, waves propagating in the transverse direction are also excited, which represent an energy loss channel and thereby reduce the quality of the transducer.
  • characteristic variables of converters connected to HF filters such as the insertion loss, the slope or the ripple in a passband, are reduced.
  • the metallizations in the area where the waves are capable of being structured so that certain transversal velocity profiles are obtained.
  • This component of the dielectric displacement is proportional to the square of the component of the electric field, for which reason a temporal variation of the electric field causes a temporal variation of the dielectric displacement with twice the frequency.
  • the numbers in parentheses indicate the order and thus the multiple of the basic frequency accordingly.
  • the electroacoustic transducer has a piezoelectric Mate rial with a tensor e yxx, which is secreted from zero ver ⁇ : e yxx + 0. Further, the converter has two bus bars extending along the longitudinal direction. The transducer also has an acoustically active area between the current bus bars. In addition, the transducer comprises electrode fingers which are alternately connected to one of the two bus bars. Further, the electroacoustic transducer has a neutralizer with a metallization on the piezoelectric material, for. B. a piezoelectric monocrystalline substrate. The metallization of the neutralizer merges charges separated by a dielectric shift D y at second order frequencies and thereby reduces second order nonlinearities.
  • the metallization has a first portion extending along the longitudinal direction.
  • e yxx is defined by equation (1) above and corresponds to the quotient of twice the dielectric displacement D y divided by the square of the electric field strength in the longitudinal direction.
  • the Component of the electric field in the longitudinal direction is formed during operation of the converter between ⁇ be adjacent electrode fingers of different polarity applied electric field strength in the longitudinal direction.
  • the acoustically active region of the transducer is that region in which the electrode fingers of oppositely polarized electrodes overlap. Its width therefore essentially corresponds to the aperture of the transducer.
  • the neutralization ie the relaxation of the corresponding movements of the charge carriers in the metallization, happens much faster than the change between minima and maxima of the dielectric shift, so that the converter actually has significantly reduced interference due to second order nonlinearities.
  • the neutralizer comprises a section ⁇ extending along the longitudinal direction where the possibility of improved wave propagation so that the lifetime of the transducer is improved in comparison with known converters.
  • the acoustically active area has two partial areas.
  • the two sections extend along the longitudinal direction.
  • the neutralizer is arranged between the two subareas and overlaps with a Schwingungskno ⁇ th during operation of the transducer.
  • antinodes are located where a metallization, in particular a current busbar, is arranged.
  • a maximum of the wave energy so that no energy is reflected in the longitudinal direction on the one hand in the ⁇ sem range and thereby losses occurs.
  • this also power compatibility is reduced, since the elongation of the respective standing wave maxima are in the metal and thereby occurring strong mechanical Bela ⁇ tung leads to acoustomigration of atoms of the metallization.
  • electrode fingers connected to one bus bar and electrode fingers connected to the other bus bar. Between the two current busbars further floating electrode fingers are interconnected, which connect differently polarized areas of the piezoelectric material.
  • the electrode fingers do not lead in a straight line from a current busbar to the opposite current busbars, but are in turn connected in the middle of the acoustic track over the portion of the metallization of the neutralizer, which is aligned in the longitudinal direction Rich ⁇ .
  • the length of this section may be chosen such that the acoustic waves in the one of the two partial regions have a phase offset relative to the acoustic waves in the other of the two partial regions, which is selected such that a vibration node is formed along the longitudinal direction and acoustically between the two active subareas, ie exactly at the point of Metallization of the neutralizer, is located.
  • An antisymmetric wave profile is z. B. thereby obtained ⁇ th that the converter has a plurality of sections in the neutralizer, which have a length substantially equal to half the acoustic wavelength ⁇ / 2.
  • the converter has a second section of the metallization of the neutralizer.
  • the first section of the neutralizer is arranged between the acoustically reasonable ⁇ illustrates the active region and a power bus.
  • the second section of the neutralizer is arranged between the acoustically active area and the respective other current busbar.
  • the two sections of the neutralizer are arranged correspond accordingly there, where accumulated due to the dielectric displacement Ver ⁇ opposite charges.
  • By aligning the sections along the longitudinal Direction of the affected by the dielectric displacement D y area is optimally covered.
  • the neutralizer prefferably has subsections of length L, where L is an integer multiple of half the acoustic electrical conduction ⁇ / 2.
  • excitation center is the area between electrode fingers, which are arranged next to one another and act on a different electrical potential. It is possible that L substantially (ie, up to a deviation in the size of the finger width) of half the wavelength ⁇ rule akusti ⁇ / 2.
  • L substantially (ie, up to a deviation in the size of the finger width) of the akusti ⁇ rule wavelength corresponds to ⁇ .
  • L substantially half acoustically ⁇ tables wavelength corresponds to when the acoustically active loading has two sub-areas rich and rich ⁇ an anti-symmetrical wave profile is excited in the acoustically active Be.
  • Fer ⁇ ner is a length L of substantially the acoustic Wel- lendorf ⁇ preferred that the sections of the Neutrali ⁇ sierers are respectively arranged on the two flanks of the acoustically active area.
  • the exact length L may be slightly smaller than the actual acoustic wavelength, since the electrically conductive portion should not touch the electrode fingers.
  • the electrode fingers and a portion of the neutralizer are arranged in different layers.
  • the electrode fingers and preferably the sections of the neutralizer are arranged in a position directly on the surface of the piezoelectric material. This location may vary ⁇ but include other nests.
  • Portions of the neutralizer disposed on different sides of the acoustically active region should be interconnected to short-circuit the separate charges caused by the dielectric shift D y .
  • the neutralizer must not interfere with the actual activity of the electrode fingers, so that a course of Metal capitalization neutralizer must be found within the structure of the wall ⁇ toddlers that bypasses the electrode structures.
  • the sections of the neutralizer can be short-circuited if the electrically conductive connection is arranged in a position above or below the electrode layer.
  • Such a temperature compensation layer can comprise, for example, a silicon dioxide. Since silicon dioxide is a dielectric material, it is easily possible to arrange electrically conductive connections on the temperature compensation layer and to interconnect with the sections of the neutralizer via vias through the temperature compensation layer. The effort to Her ⁇ position of a corresponding converter, however, it increased.
  • a topology has been found, via which the electrode fingers and one or more sections of the neutralizer can be arranged in the same position. Then, the corresponding metallizations can be created with the same processing steps during manufacture, whereby the cost of production is significantly reduced.
  • One possibility for the arrangement of the sections of the Neutrali ⁇ sierers and the electrode finger in the same position is to wrap the electrode fingers and the sections of the Neutrali ⁇ sierers. In particular, the electrode fingers and the portions of the neutralizer can wrap each other.
  • the degree of wrapping that is the number of turns of the structures of electrode fingers and arranged in the longitudinal direction portions of the neutralizer, there may be a multi ⁇ multiple of 0.5.
  • One section of the neutralizer connects two electrode fingers of the same polarity on one
  • the acoustically active region of the transducer is divided into more than one or more than two partial tracks and, correspondingly, the neutralizer has a group of sections along the longitudinal direction or has a plurality of groups of sections along the longitudinal direction. Within a group, all sections of the neutralizer have the same distances to the
  • the different groups may in turn have different sections to the busbars.
  • the portions of the neutralizer or the entire Neutrali ⁇ sierer can in this case the same materials nd the same layer structure comprising as the electrode fingers and / or the bus bars. Accordingly, the level of metallization of neutralizer and electrode fingers or Strommasischisch be the same.
  • Fig. 11 a converter with windings and their interconnection with the corresponding bus bars.
  • FIG. 1 shows the basic functional diagram of an electroacoustic transducer EAW in which second-order nonlinearities are reduced by electrically conductive sections of a neutralizer N.
  • EAW electroacoustic transducer
  • two bus bars BB are arranged on a piezoelectric mate rial ⁇ PM electrode fingers EF and two bus bars BB are arranged.
  • the electrode fingers EF are arranged side by side and connected to one of the two current bus bars BB and interconnected.
  • acoustic waves are excited, which can propagate along the longitudinal direction x.
  • the electrode fingers EF extend along the transverse direction y, which is orthogonal to the longitudinal direction x.
  • the electrode fingers EF form a capacitor.
  • a dielectric displacement D y results according to Equation 1 along the transverse direction.
  • the dielectric displacement causes a polarization of the piezoe ⁇ lektrischen material PM, ie, a charge accumulation on one side of the acoustically active area and a second, oppositely charged charge accumulation on the corresponding other side of the acoustically active area.
  • the short arrows in the direction of the longitudinal direction x symbolize the electric field.
  • the long arrows along the transverse direction y represent the dielectric Shift.
  • the neutralizer has sections with metallizations M, which are arranged at the corresponding locations of the charge accumulation and which are electrically interconnected via additional conductive areas of the neutralizer N. This eliminates or at least reduces the effects of the dielectric shift and corresponding to the second order non-linear disturbances.
  • portions of the neutralizer N having lengths substantially correspond to the acoustic wavelength ⁇ , or to half the acoustic wavelength ⁇ / 2 or are slightly smaller, and which are connected to one another, verrin ⁇ like second-order non-linear disturbances.
  • FIG. 2 shows the fundamental problem with piezoelectric materials with non-vanishing tensor component e yxx . Are integrally ⁇ accumulates - the tensor component causes a dielectric Ver ⁇ shift in the transverse direction, whereby the piezoelectric material is polarized and on the two sides of the acoustic track opposite charge ( "+", "")
  • FIG. 3 shows a known solution for reducing
  • Second order nonlinearities namely splitting the acoustic track into two subtracks. Negative charges at the lower half of the upper part of the track and positive charges at the upper end of the lower part of the track can neutralize each other.
  • the shafts of the upper part and the lower track section track are in phase (see right portion of FIG. 3), so that oscillation maxima occur in the region of the mitt ⁇ sized power bus BB and can destroy the metallization.
  • FIG. 4 shows a detail of a transducer in which an electrode finger is connected to floating potential in the first, upper subregion TB1 via a section of the metallization M of the neutralizer N of length ⁇ / 2 with an electrode finger to floating potential in the second, lower subregion TB2.
  • the neutralizer N Via the neutralizer N, the same mutual extinction of the charges as in the converter of FIG. 3 can be obtained. Since the two partial tracks are offset by approximately ⁇ / 2 relative to each other in the longitudinal direction, in the acoustically active region an antisymmetric Wel ⁇ lenmode (see right section of Figure 4) Ausbreitungsfä ⁇ hig, so in the metallization M of the neutralizer N a Vibration node comes to rest. The vibration node SK overlaps with the portion of the metallization M of the neutralizer N.
  • FIG. 4 shows transducer structures in which juxtaposed electrode fingers have a center distance which lies in the region of half the acoustic wavelength ⁇ / 2.
  • FIG. 4 shows For example, a converter with four partial tracks TB1, TB2, TB3, TB4, which are arranged side by side in the longitudinal direction seen.
  • FIG. 6 shows a cross section (cf., FIG. 7) through an electroacoustic transducer and illustrates the possibility of arranging sections arranged on opposite sides of an acoustically active region or acoustically active subregion, for example by means of an electroacoustic transducer.
  • bracket B of the neutralizer N, by the neutralizer N has additional metallizations in additional layers, which are connected via vias with the sections.
  • FIG. 7 illustrates the position of the cross section shown in FIG. 6 through a component.
  • FIG. 8 shows the possibility of providing a section of the neutralizer N per excitation center AZ if edge effects at the terminal sides of the converter can be neglected in the counting of the section.
  • An excitation center AZ designate thereby the surface that lies between two electric ⁇ the fingers of opposing bus bars.
  • FIG. 9 shows an embodiment with wrapped electrode fingers and portions of the metallization M, which has the advantage that neutralizers N and electrode fingers can be arranged in the same position.
  • the section ent ⁇ long the longitudinal direction is formed as a bracket B, which connects the next arranged electrode finger of the same electrical potential on the side of the acoustic track, which is opposite to the own current collecting ⁇ rail.
  • An electrode finger thus constitutes itself a part of the neutralizer N.
  • bracket B additionally has the advantage that the distance between bracket B and the adjacent busbar of the opposite potential can be adjusted so that a further degree of freedom influences the acoustics of the converter is obtained.
  • the bracket B connects at ⁇ two nearest electrode fingers of the same potential, so that the combination of electrode fingers, strap and electrode fingers, the rest of the finger structure with the bracket B.
  • FIG. 9 shows electrode fingers, which are connected only to the current busbar, and electrode fingers, which are connected via the bracket B to the current busbar.
  • the period length of the metallization shown in Fi gur ⁇ 9 thus has six electrode fingers, three per potential on.
  • FIG. 10 shows the mode of action of the neutralizer M, whose portion of the metallization is designed as a bracket B: charge accumulated by the dielectric displacement Dy, for example a charge.
  • B. negative charge ("-”) and positive charge (“+”) on the un ⁇ nic side of the transducer can relax over the bracket B and the ⁇ between interconnected electrode fingers.
  • Figure 11 shows an embodiment of a transducer in which each electrode finger is connected to a bracket B.
  • the Period length of the metallization structure of the transducer shown in Figure 11 comprises four electrode fingers.
  • the number of turns of the wound fingers and portions of the neutralizer N is substantially 1.
  • A Aperture, width of the acoustically active area
  • EAW electroacoustic transducer

Landscapes

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

Abstract

Es wird ein elektroakustischer Wandler (EAW) mit verringerten Nichtlinearitäten zweiter Ordnung angegeben. Der Wandler (EAW) umfasst einen Neutralisierer (N) mit einer Metallisierung (M) mit einem Abschnitt, der sich entlang der longitudinalen Richtung erstreckt und der durch eine dielektrische Verschiebung aufgrund einer Tensorkomponente eyxx+ 0 bewirkten Polarisation des piezoelektrischen Materials kurzschließt.

Description

Beschreibung
Elektroakustischer Wandler mit hoher Güte und verringerten Nichtlinearitäten zweiter Ordnung
Die Erfindung betrifft elektroakustische Wandler, die z. B. in Frontend-Schaltungen moderner Mobilfunkgeräte Verwendung finden können. Die Wandler haben dabei eine hohe Güte und insbesondere verringerte Nichtlinearitäten zweiter Ordnung, z. B. beim Doppelten der Betriebsfrequenz 2 fi oder bei einer Summe fi + f2 zweier verschiedener Frequenzen.
In elektroakustischen Wandlern sind Elektrodenfinger, die abwechselnd mit Stromsammeischienen entgegengesetzter Polarität verbunden sind, auf einem piezoelektrischen Material angeordnet und wandeln durch den piezoelektrischen Effekt zwischen akustischen Wellen und HF-Signalen. Die Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen, die orthogonal zur Ausrichtung der Elektrodenfinger steht, ist die so genannte longitudinale Richtung.
Problematisch an bekannten Wandlern ist die Tatsache, dass neben den eigentlich erwünschten akustischen Wellen, die in longitudinaler Richtung propagieren, auch in transversaler Richtung propagierende Wellen angeregt werden, die einen Energie-Verlustkanal darstellen und dadurch die Güte des Wandlers verringern. Zum anderen verringern sich charakteristische Größen von zu HF-Filtern verschalteten Wandlern wie die Einfügedämpfung, die Flankensteilheit oder die Welligkeit in einem Passband.
Um die Ausbreitung solcher Transversalmoden zu verringern, können die Metallisierungen in dem Gebiet, in dem die Wellen ausbreitungsfähig sind, so strukturiert sein, dass bestimmte transversale Geschwindigkeitsprofile erhalten werden.
Die folgende Problematik von Nichtlinearitäten zweiter Ord- nung basiert jedoch auf Materialeigenschaften des piezoelektrischen Wafers, auf dem die Elektrodenstrukturen angeordnet sind: Es gibt piezoelektrische Materialien mit einer von Null verschiedenen Komponente eyxx der Permitivität , die durch das Anlegen eines elektrischen Feldes in longitudinaler Rich- tung das Entstehen einer Komponente der dielektrischen Verschiebung Dy in transversaler Richtung verursacht:
Figure imgf000004_0001
Diese Komponente der dielektrischen Verschiebung ist propor- tional zum Quadrat der Komponente des elektrischen Felds, weshalb eine zeitliche Variation des elektrischen Felds eine zeitliche Variation der dielektrischen Verschiebung mit der doppelten Frequenz bewirkt. Die Ziffern in Klammern geben entsprechend die Ordnung und damit das Vielfache der Grund- frequenz an.
Aus dem Beitrag „Effective Suppression Method for 2nd Nonli¬ near Signals of SAW Devices" (R. Nakagawa, H. Kyoya, H.
Shimizu, T. Kihara; IEEE Ultrasonics Symposium 2014, Chicago, Preprint) kann eine solche unerwünschte nichtlineare Anregung der zweiten Harmonischen durch Zerlegen eines Resonators entlang der Apertur in zwei Hälften und anschließendes gespie¬ geltes Zusammenfügen verringert werden. Derart strukturierte Wandler haben allerdings eine uner¬ wünscht hohe Dämpfung und dadurch eine verringerte Güte eines entsprechenden Resonators. Zusätzlich ist die Leistungsverträglichkeit herabgesetzt, wodurch die Lebensdauer verringert ist . Es besteht deshalb der Wunsch nach elektroakustischen Wandlern, die verringerte Störungen durch Nichtlinearitäten zweiter Ordnung aufweisen und dennoch eine hohe Güte und eine hohe Lebensdauer aufweisen. Ein solcher Wandler wird im unabhängigen Anspruch angegeben. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Wandlers an.
Der elektroakustische Wandler hat ein piezoelektrisches Mate- rial mit einer Tensorkomponente eyxx, welche von Null ver¬ schieden ist: eyxx + 0. Ferner hat der Wandler zwei Stromsammeischienen, die sich entlang der longitudinalen Richtung erstrecken. Der Wandler hat ferner einen akustisch aktiven Bereich zwischen den Stromsammeischienen. Außerdem umfasst der Wandler Elektrodenfinger, die jeweils abwechselnd mit einer der beiden Stromsammeischienen verbunden sind. Ferner hat der elektroakustische Wandler einen Neutralisierer mit einer Metallisierung auf dem piezoelektrischen Material, z. B. einem piezoelektrischen einkristallinen Substrat. Die Metalli- sierung des Neutralisierers führt durch eine dielektrische Verschiebung Dy getrennte Ladungen bei Frequenzen zweiter Ordnung zusammen und verringert dadurch Nichtlinearitäten zweiter Ordnung. Die Metallisierung hat einen ersten Abschnitt, der sich entlang der longitudinalen Richtung er- streckt. Dabei ist eyxx durch die oben genannte Gleichung (1) definiert und entspricht dem Quotienten aus dem Zweifachen der dielektrischen Verschiebung Dy geteilt durch das Quadrat der elektrischen Feldstärke in longitudinaler Richtung. Die Komponente des elektrischen Feldes in longitudinaler Richtung ist dabei die während des Betriebs des Wandlers zwischen be¬ nachbarten Elektrodenfingern unterschiedlicher Polarität anliegende elektrische Feldstärke in longitudinaler Richtung.
Der akustisch aktive Bereich des Wandlers ist dabei derjenige Bereich, in dem sich die Elektrodenfinger entgegengesetzt polarisierter Elektroden überlappen. Seine Breite entspricht deshalb im Wesentlichen der Apertur des Wandlers. Der Neutra- lisierer bzw. insbesondere die Metallisierung mit dem ersten Abschnitt des Neutralisierers verschaltet direkt oder indi¬ rekt Bereiche auf dem piezoelektrischen Material, die durch die dielektrische Verschiebung Dy entgegengesetzt polarisiert werden. Das Neutralisieren, d. h. die Relaxation der entspre- chenden Bewegungen der Ladungsträger in der Metallisierung, geschieht dabei deutlich schneller als der Wechsel zwischen Minima und Maxima der dielektrischen Verschiebung, sodass der Wandler tatsächlich deutlich verringerte Störungen durch Nichtlinearitäten zweiter Ordnung aufweist. Ferner wird durch die Tatsache, dass der Neutralisierer einen Abschnitt auf¬ weist, der sich entlang der longitudinalen Richtung erstreckt, die Möglichkeit einer verbesserten Wellenausbreitung gegeben, sodass die Lebensdauer des Wandlers im Vergleich mit bekannten Wandlern verbessert ist.
Es ist möglich, dass der akustisch aktive Bereich zwei Teilbereiche aufweist. Die beiden Teilbereiche erstrecken sich entlang der longitudinalen Richtung. Der Neutralisierer ist zwischen den beiden Teilbereichen angeordnet und überlappt während des Betriebs des Wandlers mit einem Schwingungskno¬ ten . Es wurde erkannt, dass bei bekannten Wandlern mit Maßnahmen zur Verringerung von Störungen durch Nichtlinearitäten zweiter Ordnung Schwingungsbäuche dort lokalisiert sind, wo auch eine Metallisierung, insbesondere eine Stromsammeischiene, angeordnet ist. Somit tritt in der zentralen Sammelschiene ein Maximum der Wellenenergie auf, wodurch einerseits in die¬ sem Bereich keine Energie in longitudinaler Richtung reflektiert wird und dadurch Verluste auftreten. Andererseits wird dadurch auch die Leistungsverträglichkeit herabgesetzt, da die Dehnungsmaxima der entsprechenden Stehwelle im Metall liegen und die dadurch auftretende starke mechanische Belas¬ tung zu Akustomigration der Atome der Metallisierung führt.
In der hier vorgeschlagenen Ausführungsform des Wandlers gibt es Elektrodenfinger, die mit der einen Stromsammeischiene verbunden sind, und Elektrodenfinger, die mit der anderen Stromsammeischiene verbunden sind. Zwischen den beiden Stromsammeischienen sind ferner floatend angeordnete Elektrodenfinger miteinander verschaltet, die unterschiedlich polari- sierte Bereiche des piezoelektrischen Materials verbinden.
Die Elektrodenfinger führen dabei nicht in geradliniger Richtung von einer Stromsammeischiene zur gegenüberliegenden Stromsammeischiene, sondern sind ihrerseits in der Mitte der akustischen Spur über den Abschnitt der Metallisierung des Neutralisierers verschaltet, welcher in longitudinaler Rich¬ tung ausgerichtet ist. Die Länge dieses Abschnitts kann so gewählt sein, dass die akustischen Wellen in dem einen der beiden Teilbereiche einen Phasenversatz gegenüber den akustischen Wellen im anderen der beiden Teilbereiche aufweisen, der so gewählt ist, dass ein Schwingungsknoten entlang der longitudinalen Richtung entsteht und zwischen den beiden akustisch aktiven Teilbereichen, also genau an der Stelle der Metallisierung des Neutralisierers, lokalisiert ist. Vergli¬ chen mit den bekannten Wandlern mit verringerten Nichtlinea- ritäten zweiter Ordnung überlappen hier somit die Metallisierung des Neutralisierers und ein Schwingungsknoten, sodass die mechanische Stabilität und damit die Lebensdauer des Wandlers erhöht. Da an der Stelle des Neutralisierers die Energiedichte der akustischen Welle reduziert ist, ist auch der Energieabfluss verringert, wodurch die Güte erhöht ist. Es ist insbesondere möglich, dass im akustisch aktiven Be¬ reich ein antisymmetrisches Wellenprofil anregbar ist, das die (Anti- ) Symmetrieachse zwischen den beiden Teilbereichen und entlang der longitudinalen Richtung ausgerichtet angeordnet ist.
Ein antisymmetrisches Wellenprofil wird z. B. dadurch erhal¬ ten, dass der Wandler eine Vielzahl von Abschnitten im Neutralisierer aufweist, die im Wesentlichen eine Länge haben, die der halben akustischen Wellenlänge λ/2 entspricht.
Es ist ferner möglich, dass der Wandler einen zweiten Teilabschnitt der Metallisierung des Neutralisierers aufweist. Der erste Abschnitt des Neutralisierers ist zwischen dem akus¬ tisch aktiven Bereich und der einen Stromsammeischiene ange- ordnet. Der zweite Abschnitt des Neutralisierers ist zwischen dem akustisch aktiven Bereich und der jeweils anderen Stromsammeischiene angeordnet.
Die beiden Teilabschnitte des Neutralisierers sind entspre- chend dort angeordnet, wo aufgrund der dielektrischen Ver¬ schiebung entgegengesetzte Ladungen angehäuft werden. Durch die Ausrichtung der Abschnitte entlang der longitudinalen Richtung wird der von der dielektrischen Verschiebung Dy betroffene Bereich optimal abgedeckt. Durch zusätzliche
elektrisch leitende Verbindungen zwischen den Abschnitten werden diese entsprechend kurzgeschlossen, sodass die Anre- gungen akustischer Wellen bei der doppelten Betriebsfrequenz verringert sind.
Es ist möglich, dass der Neutralisierer Teilabschnitte der Länge L aufweist, wobei L ein ganzzahliges Vielfaches der halben akustischen elektrisch leitend λ/2 ist.
Es ist insbesondere möglich, dass pro Anregungszentrum des Wandlers ein oder zwei Abschnitte des Neutralisierers, die entlang der longitudinalen Richtung ausgerichtet sind, vorge- sehen sind. Ein Anregungszentrum ist dabei der Bereich zwischen Elektrodenfingern, die nebeneinander angeordnet sind und mit einem unterschiedlichen elektrischen Potenzial beaufschlagt sind. Es ist möglich, dass L im Wesentlichen (d.h. bis auf eine Abweichung in der Größe der Fingerbreite) der halben akusti¬ schen Wellenlänge λ/2 entspricht.
Es ist auch möglich, dass L im Wesentlichen (d.h. bis auf eine Abweichung in der Größe der Fingerbreite) der akusti¬ schen Wellenlänge λ entspricht.
Dabei ist bevorzugt, dass L im Wesentlichen der halben akus¬ tischen Wellenlänge entspricht, wenn der akustisch aktive Be- reich zwei Teilbereiche aufweist und im akustisch aktiven Be¬ reich ein antisymmetrisches Wellenprofil angeregt wird. Fer¬ ner ist eine Länge L von im Wesentlichen der akustischen Wel- lenlänge λ bevorzugt, wenn die Teilabschnitte des Neutrali¬ sierers jeweils an den beiden Flanken des akustisch aktiven Bereichs angeordnet sind. Die exakte Länge L kann dabei etwas kleiner sein als die eigentliche akustische Wellenlänge, da die elektrisch leitenden Abschnitt die Elektrodenfinger nicht berühren sollen.
Es ist möglich, dass die Elektrodenfinger und ein Abschnitt des Neutralisierers in verschiedenen Lagen angeordnet sind.
Sämtliche Metallisierungen und Strukturen des Wandlers, die auf oder über dem piezoelektrischen Material angeordnet sind, können in verschiedenen Lagen untergebracht sein. Die Elektrodenfinger und vorzugsweise die Abschnitte des Neutralisie- rers sind dabei in einer Lage direkt auf der Oberfläche des piezoelektrischen Materials angeordnet. Diese Lage kann je¬ doch weitere Teillagen umfassen.
Auf verschiedenen Seiten des akustisch aktiven Bereichs ange- ordnete Abschnitte des Neutralisierers sollen miteinander verschaltet sein, um die durch die dielektrische Verschiebung Dy verursachten getrennten Ladungen kurzzuschließen. Allerdings darf der Neutralisierer die eigentliche Tätigkeit der Elektrodenfinger nicht stören, sodass ein Verlauf der Metal- lisierung des Neutralisierers innerhalb des Aufbaus des Wand¬ lers gefunden werden muss, der die Elektrodenstrukturen umgeht. Insofern können die Abschnitte des Neutralisierers kurzgeschlossen werden, wenn die elektrisch leitende Verbindung in einer Lage über oder unterhalb der Elektrodenlage an- geordnet ist.
Es ist möglich, auf Elektrodenstrukturen eine Temperaturkompensationsschicht zur Verringerung des Temperaturgangs der Frequenzen anzuordnen. Eine solche Temperaturkompensations¬ schicht kann beispielsweise ein Siliziumdioxid umfassen. Da Siliziumdioxid ein dielektrisches Material ist, ist es leicht möglich, elektrisch leitende Verbindungen auf der Temperatur- kompensationsschicht anzuordnen und mit den Abschnitten des Neutralisierers über Durchkontaktierungen durch die Temperaturkompensationsschicht zu verschalten. Der Aufwand zur Her¬ stellung eines entsprechenden Wandlers ist dabei allerdings vergrößert .
Es ist deshalb besonders bemerkenswert, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Topologie gefunden wurde, über die die Elektrodenfinger und ein oder mehrere Abschnitte des Neutralisierers in derselben Lage angeordnet sein können. Dann können die entsprechenden Metallisierungen mit denselben Verarbeitungsschritten während der Herstellung geschaffen werden, wodurch der Aufwand der Herstellung deutlich verringert ist. Eine Möglichkeit zur Anordnung der Abschnitte des Neutrali¬ sierers und der Elektrodenfinger in derselben Lage besteht darin, die Elektrodenfinger und die Abschnitte des Neutrali¬ sierers zu wickeln. Insbesondere können die Elektrodenfinger und die Abschnitte des Neutralisierers einander einwickeln.
Der Grad der Einwicklung, d. h. die Windungszahl der Strukturen aus Elektrodenfinger und in longitudinaler Richtung angeordnete Abschnitte des Neutralisierers, kann dabei ein Viel¬ faches von 0,5 sein. Verbindet ein Abschnitt des Neutralisie- rers zwei Elektrodenfinger der gleichen Polarität auf einer
Seite, die der Seite der Stromsammeischiene, mit der die Fin¬ ger verschaltet sind, gegenüberliegt, so hat der Grad der Wicklung damit die Windungszahl einen Wert von im Wesentlichen 1.
Es ist ferner möglich, dass der akustisch aktive Bereich des Wandlers in mehr als ein oder mehr als zwei Teilspuren aufgeteilt ist und entsprechend der Neutralisierer eine Gruppe von Abschnitten entlang der longitudinalen Richtung aufweist oder mehrere Gruppen von Abschnitten entlang der longitudinalen Richtung aufweist. Innerhalb einer Gruppe haben alle Ab- schnitte des Neutralisierers die gleichen Abstände zu den
Stromsammeischienen. Die unterschiedlichen Gruppen können ihrerseits unterschiedliche Abschnitte zu den Stromsammelschie- nen aufweisen. Die Abschnitte des Neutralisierers oder der gesamte Neutrali¬ sierer kann dabei die gleichen Materialien nd den gleichen Schichtaufbau umfassen wie die Elektrodenfinger und/oder die Stromsammeischienen. Entsprechend kann auch die Höhe der Metallisierung von Neutralisierer und Elektrodenfinger bzw. Stromsammeischiene gleich sein.
Als Hauptbestandteile von Elektrodenfingern, Stromsammei¬ schienen und Neutralisierer kommen dabei insbesondere die Metalle Aluminium, Kupfer, Silber, Gold in Frage.
Als piezoelektrisches Material kommen insbesondere Lithium- tantalat, Lithiumniobat und Quarz in Frage.
Die Erfindung, die Wirkung des Neutralisierers und die Grund Prinzipien des Wandlers werden anhand von schematischen Figu ren und Ausführungsformen näher erläutert. das Grundprinzip der Metallisierungen M des Neutralisierers N im Wandler EAW. einen Ausschnitt eines konventionellen Wandlers ohne Maßnahmen zur Verringerung von Nichtlinearitä- ten zweiter Ordnung. bekannte, aber dennoch nicht optimale Lösungen zur Verringerung von Nichtlinearitäten zweiter Ordnung. eine mögliche Lösung mit zwei akustisch aktiven Teilbereichen . einen Abschnitt mit einer Ausführungsform mit vier Teilbereichen . einen Querschnitt, in dem gezeigt wird, wie Ab¬ schnitte des Neutralisierers durch Metallisierungen in einer zusätzlichen Lage kurzgeschlossen sein können . eine Erläuterung zur Figur 6, die die Position des Querschnitts verdeutlicht. eine Ausführungsform mit je einem Abschnitt des Neutralisierers pro Anregungszentrum AZ . Fig. 9: eine Ausführungsform mit gewickelten Elektrodenfingern und Abschnitten des Neutralisierers mit Wick¬ lungszahl 1. Fig. 10: die Veranschaulichung des Funktionsprinzips mit Wicklungen .
Fig. 11: einen Wandler mit Wicklungen und ihrer Verschaltung mit den entsprechenden Stromsammeischienen.
Figur 1 zeigt das prinzipielle Funktionsschema eines elektro- akustischen Wandlers EAW, bei dem Nichtlinearitäten zweiter Ordnung durch elektrisch leitende Abschnitte eines Neutrali- sierers N verringert sind. Auf einem piezoelektrischen Mate¬ rial PM sind Elektrodenfinger EF und zwei Stromsammeischienen BB angeordnet. Die Elektrodenfinger EF sind nebeneinander angeordnet und mit jeweils einer der beiden Stromsammeischienen BB verbunden und verschaltet. In dem akustisch aktiven Be- reich der Breite A werden akustische Wellen angeregt, die sich entlang der longitudinalen Richtung x ausbreiten können. Die Elektrodenfinger EF erstrecken sich dabei entlang der transversalen Richtung y, die orthogonal zur longitudinalen Richtung x steht. Die Elektrodenfinger EF bilden einen Kon- densator. Zwischen den Elektrodenfingern liegt somit ein elektrisches Feld an, das im akustisch aktiven Bereich parallel zur longitudinalen Richtung x ausgerichtet ist. Durch eine von Null verschiedene Tensorkomponente eyxx resultiert daraus entsprechend der Gleichung 1 eine dielektrische Ver- Schiebung Dy entlang der transversalen Richtung. Die dielektrische Verschiebung bewirkt eine Polarisation des piezoe¬ lektrischen Material PM, d. h. eine Ladungsanhäufung auf einer Seite des akustisch aktiven Bereichs und eine zweite, entgegengesetzt geladene Ladungsanhäufung auf der entspre- chenden anderen Seite des akustisch aktiven Bereichs. Die kurzen Pfeile in Richtung der longitudinalen Richtung x symbolisieren das elektrische Feld. Die langen Pfeile entlang der transversalen Richtung y repräsentieren die dielektrische Verschiebung. Der Neutralisierer hat Abschnitte mit Metallisierungen M, die an den entsprechenden Stellen der Ladungsanhäufung angeordnet sind und die miteinander über zusätzliche leitende Bereiche des Neutralisierers N elektrisch verschal- tet sind. Dadurch werden die Auswirkungen der dielektrischen Verschiebung und entsprechend der nicht linearen Störungen zweiter Ordnung eliminiert oder zumindest verringert.
Aufgrund der Arbeitsweise des Wandlers ist es prinzipiell problematisch, die verschieden polarisierten Bereiche des Wandlers über die Metallisierungen des Neutralisierers zu verschalten. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden dennoch Elektroden- und Metallisierungs-Topologien gefunden, die die elektroakustische Arbeitsweise des Wandlers nicht stören, nicht lineare Störungen zweiter Ordnung verringern, eine hohe Güte und eine hohe Lebensdauer erhalten und mit einfachen Mitteln herstellbar sind.
Insbesondere Abschnitte des Neutralisierers N mit Längen, die im Wesentlichen der akustischen Wellenlänge λ oder der halben akustischen Wellenlänge λ/2 entsprechen oder geringfügig kleiner sind, und die miteinander verschaltet sind, verrin¬ gern nicht lineare Störungen zweiter Ordnung. Figur 2 zeigt die prinzipielle Problematik bei piezoelektrischen Materialien mit nicht verschwindender Tensorkomponente eyxx. Die Tensorkomponente bewirkt eine dielektrische Ver¬ schiebung in transversaler Richtung, wodurch das piezoelektrische Material polarisiert wird und auf den beiden Seiten der akustischen Spur entgegengesetzte Ladung („+", „-") ange¬ häuft sind Figur 3 zeigt eine bekannte Lösung zur Verringerung von
Nichtlinearitäten zweiter Ordnung, nämlich das Aufteilen der akustische Spur in zwei Teilspuren. Negative Ladungen an der unteren Hälfte der oberen Teilspur und positive Ladungen am oberen Ende der unteren Teilspur können sich gegenseitig neutralisieren. Die Wellen der oberen Teilspur und der unteren Teilspur sind dabei in Phase (vgl. rechter Abschnitt der Figur 3) , sodass Schwingungsmaxima auch im Bereich der mitt¬ leren Stromsammeischiene BB auftreten und die Metallisierung zerstören können.
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt eines Wandlers, bei dem ein Elektrodenfinger auf floatendem Potenzial im ersten, oberen Teilbereich TB1 über einen Abschnitt der Metallisierung M des Neutralisierers N der Länge λ/2 mit einem Elektrodenfinger auf floatendem Potenzial im zweiten, unteren Teilbereich TB2 verschaltet ist. Über den Neutralisierer N kann die gleiche gegenseitige Auslöschung der Ladungen wie im Wandler der Figur 3 erhalten werden. Da die beiden Teilspuren um etwa λ/2 relativ zueinander in longitudinaler Richtung versetzt sind, ist im akustisch aktiven Bereich eine antisymmetrische Wel¬ lenmode (vgl. rechter Abschnitt der Figur 4) ausbreitungsfä¬ hig, sodass im Bereich der Metallisierung M des Neutralisierers N ein Schwingungsknoten zu liegen kommt. Der Schwin- gungsknoten SK überlappt mit dem Abschnitt der Metallisierung M des Neutralisierers N.
Figur 4 zeigt dabei Wandlerstrukturen, bei denen nebeneinanderliegende Elektrodenfinger einen Mittenabstand haben, der im Bereich der halben akustischen Wellenlänge λ/2 liegt.
Das in Figur 4 gezeigte Konzept des Neutralisierers N kann auf mehrere Teilspuren erweitert werden. So zeigt Figur 5 beispielsweise einen Wandler mit vier Teilspuren TB1, TB2, TB3, TB4, die in longitudinaler Richtung gesehen nebeneinander angeordnet sind. Figur 6 zeigt einen Querschnitt (vgl. Figur 7) durch einen elektroakustischen Wandler und illustriert die Möglichkeit, auf gegenüberliegenden Seiten eines akustisch aktiven Bereichs oder akustisch aktiven Teilbereichs angeordnete Ab¬ schnitte, z. B. Bügel B des Neutralisierers N, zu verschal- ten, indem der Neutralisierer N zusätzliche Metallisierungen in zusätzlichen Lagen aufweist, die über Durchkontaktierungen mit den Abschnitten verschaltet sind.
Bauartbedingt ist diese Verschaltung der Abschnitte aufwendi- ger. Ist eine Temperaturkompensationslage TKL, z. B. mit ei¬ nem Siliziumoxid, vorhanden, so ist eine elektrische Isola¬ tion zu den Elektrodenfingern allerdings bereits vorhanden und der zusätzliche Aufwand verringert. Figur 7 illustriert die Lage des in Figur 6 gezeigten Querschnitts durch ein Bauelement.
Figur 8 zeigt die Möglichkeit, pro Anregungszentrum AZ einen Abschnitt des Neutralisierers N vorzusehen, wenn Randeffekte an den endständigen Seiten des Wandlers bei der Zählung der Abschnitt vernachlässigt werden können. Ein Anregungszentrum AZ benennt dabei diejenige Fläche, die zwischen zwei Elektro¬ denfingern gegenüberliegender Stromsammeischienen liegt. Figur 9 zeigt eine Ausführungsform mit eingewickelten Elektrodenfingern und Abschnitten der Metallisierung M, die den Vorteil aufweist, dass Neutralisierer N und Elektrodenfinger in derselben Lage angeordnet sein können. Der Abschnitt ent¬ lang der longitudinalen Richtung ist dabei als Bügel B ausgebildet, der die am nächsten angeordneten Elektrodenfinger des gleichen elektrischen Potenzials auf derjenigen Seite der akustischen Spur verschaltet, die der eigenen Stromsammei¬ schiene gegenüberliegt. Ein Elektrodenfinger stellt somit selbst einen Teil des Neutralisierers N dar. Die in Figur 9 gezeigte Ausführungsform hat zusätzlich den Vorteil, dass der Abstand zwischen Bügel B und der benachbarten Stromsammel- schiene des entgegengesetzten Potenzials eingestellt werden kann, sodass ein weiterer Freiheitsgrad zur Beeinflussung der Akustik des Wandlers erhalten wird. Der Bügel B verbindet da¬ bei zwei nächstgelegene Elektrodenfinger des gleichen Potenzials, sodass die Kombination aus Elektrodenfinger, Bügel und Elektrodenfinger, der die übrige Fingerstruktur mit der
Stromsammeischiene verbindet, eine Wicklung mit einer Wick- lungs- bzw. Windungszahl von im Wesentlichen 1 darstellt. Figur 9 zeigt dabei Elektrodenfinger, die nur mit der Stromsammeischiene verbunden sind, und Elektrodenfinger, die über den Bügel B mit der Stromsammeischiene verbunden sind. Die in Fi¬ gur 9 gezeigte Periodenlänge der Metallisierungsstruktur weist somit sechs Elektrodenfinger, drei pro Potenzial, auf.
Figur 10 zeigt die Wirkungsweise des Neutralisierers M, des- sen Abschnitt der Metallisierung als Bügel B ausgebildet ist: Durch die dielektrische Verschiebung Dy angehäufte Ladung, z. B. negative Ladung („-") und positive Ladung („+") an der un¬ teren Seite des Wandlers können über die Bügel B und die da¬ zwischen verschalteten Elektrodenfinger relaxieren.
Figur 11 zeigt eine Ausführungsform eines Wandlers, bei der jeder Elektrodenfinger mit einem Bügel B verschaltet ist. Die Periodenlänge der Metallisierungsstruktur des in Figur 11 gezeigten Wandlers umfasst vier Elektrodenfinger. Die Wicklungszahl der gewickelten Finger und Abschnitte des Neutralisierers N beträgt im Wesentlichen 1.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen und die in den Figuren gezeigten Schemata sind lediglich Beispiele, die den Schutzbereich nicht einschränken. Ausführungsformen, welche weitere strukturierte Metallisierungen und zusätzliche Maß- nahmen zur Verringerung von Nichtlinearitäten oder anderen
Störungen umfassen, gehören ebenso zu den beanspruchten Wandlern .
Bezugs zeichenliste :
A: Apertur, Breite des akustisch aktiven Bereichs
AZ : Anregungszentrum
B: Bügel
BB : Stromsammeischiene (Bus Bar)
EAW: elektroakustischer Wandler
EF: Elektrodenfinger
M: Metallisierung
N: Neutralisierer
PM: piezoelektrisches Material
SK: Schwingungsknoten, (Anti- ) Symmetrieachse
TB1 : erster Teilbereich
TB2 : zweiter Teilbereich
TB3 : dritter Teilbereich
TB4 : vierter Teilbereich
TKL : Temperaturkompensationslage
x: longitudinale Richtung, Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen
y: transversale Richtung
λ: akustische Wellenlänge

Claims

Patentansprüche :
1. Elektroakustischer Wandler (EAW) mit hoher Güte und verringerten Nichtlinearitäten zweiter Ordnung, umfassend · ein piezoelektrisches Material (PM) mit einer
Tensorkomponente eyxx φ 0,
• zwei Stromsammeischienen (BB) , die sich entlang der
longitudinalen Richtung x erstrecken, und einen akustisch aktiven Bereich (A) zwischen den Stromsammeischienen (BB) , · Elektrodenfinger (EF) , die jeweils abwechselnd mit einer der beiden Stromsammeischienen (BB) verbunden sind,
• einen Neutralisierer (N) mit einer Metallisierung (M) auf dem piezoelektrischen Material (PM) ,
wobei
· die Metallisierung (M) durch eine dielektrische
Verschiebung Dy getrennte Ladungen (+, -) bei Frequenzen zweiter Ordnung zusammenführt und dadurch Nichtlinearitäten zweiter Ordnung verringert,
• die Metallisierung (M) einen ersten Abschnitt aufweist, der sich entlang der longitudinalen Richtung erstreckt,
• eyxx = 2Dy<2) / (Exd))2,
• Ex (1) die während des Betriebs des Wandlers (EAW) zwischen benachbarten Elektrodenfingern (EF) unterschiedlicher
Polarität anliegende elektrische Feldstärke in longitudinaler Richtung x ist.
2. Wandler nach Anspruch 1, wobei
- der akustisch aktive Bereich (A) zwei Teilbereiche (TB1, TB2), die sich entlang der longitudinalen Richtung x
erstrecken, umfasst und
- der Neutralisierer (N) zwischen den beiden Teilbereichen (TB1, TB2) angeordnet ist und während des Betriebs des
Wandlers (EAW) mit einem Schwingungsknoten überlappt.
3. Wandler nach dem vorherigen Anspruch, wobei im akustisch aktiven Bereich (A) ein antisymmetrisches Wellenprofil anregbar ist.
4. Wandler nach Anspruch 1, ferner umfassend einen zweiten Teilabschnitt der Metallisierung (M) des Neutralisierers (N) , wobei
- der erste Abschnitt zwischen dem akustisch aktiven Bereich (A) und der einen Stromsammeischiene (BB) angeordnet ist und
- der zweite Abschnitt zwischen dem akustisch aktiven Bereich (A) und der anderen Stromsammeischiene (BB) angeordnet ist.
5. Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Neutralisierer (N) Teilabschnitte der Länge L aufweist, wobei L ein ganzzahliges Vielfaches der halben akustischen
Wellenlänge λ/2 ist.
6. Wandler nach dem vorherigen Anspruch, wobei L = λ/2.
7. Wandler nach Anspruch 5, wobei L = λ.
8. Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Elektrodenfinger (EF) und ein Abschnitt des Neutralisierers (N) in verschiedenen Lagen angeordnet sind.
9. Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Elektrodenfinger (EF) und ein Abschnitt des Neutralisierers (N) in derselben Lage angeordnet sind.
10. Wandler nach dem vorherigen Anspruch, wobei
Elektrodenfinger (EF) und Abschnitte des Neutralisierers (N) einander einwickeln.
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