DE2820046C2 - Akustisches Oberflächenwellen- Bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein aku-risches Oberflächenwellen-Bauelement (AOW-Baueiement) gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

F i g. 1 zeigt schematisch ein bekanntes AOW-Bauelement 100, das einen Wandler 20 mit einer interdigitalen Elektrode 21 auf einem piezoelektrischen Substrat 10 aus einer piezoelektrischen Keramik (z. B. PTZ), einem Einkristall (z. B. LiNbOj) oder einem piezoelektrischen Dünnfilm (z. B. ZnO) aufweist. Der Wandler ist auf dem piezoelektrischen Substrat 10 aufgebracht und weist ein Paar von Elektrodenfinger-Gruppen 226, ... 22b und 23b,... 23b auf, die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 10 in interdigitaler Art ausgebildet sind und sich mittels eines Paares von gemeinsamen Elektroden 22a und 23a auf dem gleichen Potential befinden. Üblicherweise ist das AOW-Bauelement so ausgebildet, daß sich die Elektrodenfinger in der Überiappungslänge der benachbarten Elektrodenfinger ändern, die sich miteinander in der Längsrichtung der Elektrodenfinger entsprechend der vorbestimmten Bewertungsfunktion überlappen, um eine gewünschte Durchlaßkennlinie zu efhalten. Die Geschwindigkeit der sich entlang des piezoelektrischen Substrats ausbreitenden akustischen Oberflächenwelle ist jedoch verschieden zwischen einem Bereich, in dem die Elektrodenfinger mehr vorherrschen, und einem Bereich, in dem die Elektrodenfinger weniger vorherrschen, d. h. zwischen einem mehr gewichteten Bereich und einem weniger gewichteten Bereich.

Demzufolge wird in einem AOW-Bauelement mit sogenannten gewichietcn oder bewerteten interdigitalen Elektroden die Geschwindigkeitsverteilung der akustischen Oberflächenwelle in der Ebene senkrecht zur Ausbreilungsriehuing der akustischen Oberflächenwelle ungleich, wodurch an der Ausgangsseite des AOW-Bauelements eine Phasendifferenz verursacht wird. Aus diesem Grund hat auch das sogenannte gewichtete AOW-Bauelement den Nachteil, daß eine vorbestimmte gewünschte Durchlaßkennlinie nicht erreicht werden kann.

Aus der US-PS 36 99 364 ist ein AOW-Bauelement bekannt, das den oben beschriebenen Nachteil bis zu einem gewissen Grade vermeidet. Bei dieserr AOW-Bauelement sind Blindelektroden 231,... 231 und 221,... 221 zwischen benachbarten Elektrodenfingern 226,... 226 und 236,... 236 im nicht gewichteten Bereich vorgesehen, um die Verteilung der Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle gleich zu machen. Derartige is Blindelektroden haben zur Folge, daß die Differenz in der Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle zwischen dem gewichteten Bereich und dem nicht gewichteten Bereich eliminiert wird und sich damit eine verminderte Phasendifferenz an der Ausgangsseite des AOW-Bauelements ergibt Solche Blindelektroden haben jedoch auch den Nachteil, daß eine elektrisch und mechanisch reflektierte Welle der akustischen Oberflächenwelle erhöht wird und sich ein weiteres Problem dadurch ergibt daß ein unerwünschter Frequenzgang, d. h. eine gewisse Welligkeit im Durchlaßband auftritt und die Welligkeit der Gruppenverzögerungskennlinie zunimmt wie es ic Fig.3 dargestellt ist Fig.3 zeigt dabei die Durchlaßkennlinie eines bekannten AOW-Bauelements, wobei auf der Ordinate die Dämpfung und auf der Abszisse die Frequenz der akustischen Oberflächenwelle aufgetragen ist.

Um die elektrisch reflektierte Welle zu vermindern, wurde bereits vorgeschlagen, die Blindelektroden 221. ... 221 und 23t,... 231 auch mit den gemeinsamen Elektroden 22a und 23a zu verbinden, die die entsprechenden Elektrodenfinger 226,,.. 226 und 236,... 236 auf dem gleichen Potential halten, wie es in F i g. 2 dargestellt ist, wodurch die Blindelektroden auf das gleiche Potential wie die benachbarten F.lektrodenfinger gebracht werden. Aber selbst bei einem AOW-Bauelement, bei dem die Blindelektroden auf das gleiche Potential wie die benachbarten Elektrodenfinger gebracht wurden, wird die oben beschriebene Welligkeit aufgrund der mechanisch reflektierten Welle überhaupt nicht verbessert. Andererseits wird bei der Herstellung eines derartigen AOW-Bauelements ein piezoelektrisches Substrat mit einem größeren elektrischen/mechanischen Kopplungskoeffizienten Keff hinsichtlich der akustischen Oberflächenwelle verwendet um den Umso Wandlungswirkungsgrad zu verbessern. Da die oben beschriebene mechanisch reflektierte Welle annähernd in quadratischem Verhältnis zum elektrischen/mechanischen Kopplungskoeffizienten Keff zunimmt, nimmt die mechanisch reflektierte Welle abrupt zu, wenn der elektrische/mechanische Kopplungskoeffizient Keff größer wird. Dies hat zur Folge, daß die Welligkeit des Durchlaßbandes und die Welligkeit der Gruppenverzögerungskennlinie

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wobei f die Frequenz und fiödie Phase ist) auch bei einer Zunahme des elektrischen/mechanischen Kopplungskocffizienten Keff abrupt zunimmt wie es durch die gestrichelten Linien in Fig.4 und 5 dargestellt ist und im Detiiil später beschrieben wird.

Die bisher beschriebenen Ausführungsformen sind bereits bekannt. Weiterhin ist in der nicht vorveröffentlichten DE-OS 27 38 192 ein Oberflächenwellen-Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs beschrieben. Die dort vorhandene Schicht aus absorbierendem Material weist einen spitz zulaufenden Ausschnitt auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein akustisches Oberflächenwellen-Bauelement der in der DE-OS 27 38 192 vorgeschlagenen Art, bei dem die Ausbreitung unerwünschter Wellen unterdrückt ist in anderer Ausgestaltung anzugeben.

Die erfindungsgemäße Lösung ist im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegeben. Besonders vorteilhaft ist es. bei einem erfindungsgemäßen Bauelement eine absorbierende Schicht zu verwenden, die Silikonkautschuk enthält Alle Ausgestaltungen der Erfindung weisen eine gute Frequenz- und Gruppenverzögerungs- oder Gruppenlaufzeitkennlinie auf.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

F i g. 1 und 2 schematische Diagramme von verschiedenen bekannten AOW-Bauelementen mit ulindelektroden;

Fig.3 Verlauf der Frequenzkennlinie eines herkömmlichen AOW-Bauelements mit Blindelektroden, wobei auf der Abszisse die Frequenz und auf der Ordinate die Dämpfung aufgetragen ist;

F i g. 4 Verlauf der Abhängigkeit zwischen dem elektrischen/mechanischen Kopplungskoeffizienten Keff und der Welligkeit des Durchlaßbandes, wobei die gestrichelte Kurve die Kennlinie des herkömmlichen Bauelements und die durchgezogene Kurve die Kennlinie des erfindungsgemäßen Bauelements zeigt;

F i g. 5 Verlauf der Abhängigkeit zwischen dem elektrischen/mechanischen Kopplungskoeffizienten Keff und der Welligkeit der Gruppenverzögerungs- bzw. Gruppenlaufzeitkennlinie, wobei die gestrichelte Kurve die Kennlinie des bekannten Bauelements und die durchgezogene Kurve die Kennlinie des erfindungsgemäßen Bauelements darstellt;

F i g. 6A eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;

F i g. 6B eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils des erfindungsgemäßen Bauelements;

Fi g. 7 Verlauf dnr Frequenzkennünie zur Verdeutlichung der Wirkung des erfindungsgemäßen Bauelements, wobei auf der Abszisse die Frequenz und auf der Ordinate die Dämpfung aufgetragen ist;

F i g. 8 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig.9 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung und

F i g. 10 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der'Erfindtng.

F i g. 6A zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 6B eine vergrößerte Schnittansicht davon. Das akustische Oberflächenwellen-Bauelement (AOW-Bauelement) ist allgemein mit dem Bezugszeichen 100 gekennzeichnet. Das AOW-Bauelement 100 weist ein piezoelektrisches Substrat 10 auf. Das piezoelektrische Substrat 10 kann eine Platte aus einer piezoelektrischen Keramik (z. B. PZT), ein Einkristall (ζ. B. LiNbOj) oder ein piezoelektrischer Film (ζ. B. ZnO) sein. Das dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen piezoelektrischen Dünnfilm aus ZnO auf. Das AOW-Bauelemeni JOO weist weiterhin einen Eingangswandier 20 und einen damit gekoppelten Ausgangswandler 30 auf. Der Eingangswandler 20 weist eine gemeinsam wirksame Kombination aus einem piezoelektrischen Substrat 10 und einer interdigitalen Elektrode 21 auf. Wenn das piezoelektrische Substrat 10 eine Platte aus einer piezoelektrischen Keramik oder ein Einkristall ist so ist die interdigitale Elektrode 21 auf dem piezoelektrischen Substrat 10 ausgebildet Im Falle das in dem Ausführungsbeispiel dargestellten piezoelektrischen Dünnfilms aus ZnO jedoch ist die interdigitale Elektrode 21 auf einem Substrat 110 (z. B. Glas) und darauf wiederum ein Isolierfilm 120 aufgebracht Ein als piezoelektrisches Substrat 10 dienender piezoelektrischer Dünnfilm ist dann auf dem Isolierfilm 120 ausgebildet wodurch sich die dargestellte Schichtenstruktur ergibt Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß das in den Fig.6A und 6B dargestellte Ausführungsbeispiel auch eine andere Struktur aufweisen kann.

Die interdigitale Elektrode 21 weist ein Paar von kammartig ineinandergreifenden Elektroden 22 und 23 auf.

Die kammartige Elektrode 22 weii- rine gemeinsame Elektrode 22a und mehrere Eiektroderifbger 226, 226, ... auf, die mit der gemeinsamen Elektrode 22a verbunden sind. In gleicher Weise weist die kammartige Elektrode 23 eine gemeinsame Elektrode 23a und mehreredamit verbundene Elektrodenfinger 23b, 23b, ..., auf. Die kammartigen Elektroden 22 und 23 der interdigitalen Elektrode 21 können mit Hilfe bekannter Verfahren hergestellt werden, wie etwa Kathodenzerstäubung, Ionengalvanisieren, Aufdampfen, Photoäteen, Strahlätzen oder ein chemisches Ätzverfahren, wobei ein metallisches Material wie etwa Aluminium, Silber, Gold oder dergleichen verwendet wird.

Der Ausgangswandler 30 weist ebenfalls eine interdigitale Elektrode 31 auf. Die interdigitale Elektrode 31 weist ein Paar von karr.martig ineinandergreifenden Elektroden 32 und 33 auf. Die kammartigen Elektroden 32 und 33 weisen eine gemeinsame Elektrode 32a und mehrere damit verbundene Elektrodenfinger 32Λ 326 ... sowie eine gemeinsame Elektrode 33a und mehrere damit verbundene Elektrodenfinger 336,336. ...auf.

L*as in Fig. 6A dargestellte Ausführungsbeispiel ist so gestaltet, daß die interdigitale Elektrode 21 auf der Eingangsseite gewichtet ist. Die Gewichtung bzw. Be-Wertung wird durch Änderung der Überhppungslängen von benachbarten Elektrodenfingern in deren Längsrichtung erreicht, d. h. in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle hinsichtlich der kammartigen Elektroden 22 und 23 der interdigitalen Elektrode, und zwar entsprechend einer vorbestimmten Bewertungsfunktion, die aufgrund der für das AOW-Bauelement 100 gewünschten Durchlaßkennlinie bestimmbar ist. In anderen Worten, die Ei.ihüiie-ide der Spitzen der Elektrodenfinger 226, ... 22b und 236.... 236 der entsprechenden kammartigen Elektroden 22 und 23 stimmt mit der oben beschriebenen Bewertungsfunktion überein. Das dargestellte Ausführungsbeispiel weist weiterhin Blindelektroden 221 und 231 auf. die sHi in der Verlängerung der entsprechenden Elektrodenfinger 22ß und 236 von der gemeinsamen Elektrode 23a und 22a der anderen kammartigen Elektrode 23 und 22 aus erstrecken, die nicfit zu dem Finger 226 und 236 gehört, und zwar bis zu einer geeigneten Stelle im Abstand zum Finger 226 bzw. 236.
b5 Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Verwendung eines eine akustische Oberflächenwelle absorbierenden Materials 40. Insbesondere ist ein Absorptionsmaterial 40 vorgesehen, das eine aufgrund der

Blindelektroden 221 und 231 sowie der Elektrodenfinger 22b und 23b auftretende unerwünschte reflektierte Welle absorbiert. Das Absorptionsmaterial 40 kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Silikonkautschuk, Epoxiharz, eine Mischung aus Silikonkautschuk und Epoxiharz, eine Mischung aus Silikonkautschuk und einem Oxidpulver, eine Mischung aus Epoxiharz und einem Oxidpulver, eine Beimengung von Oxidpulver, eine Mischung aus Silikonkautschuk, Epoxiharz und einem Oxidpulver, sowie Wachs umfaßt. In anderen Worten, das Absorptionsmaterial 40 ist vorzugsweise ein Material mit größerer Viskosität, ausgezeichneter Adhäsionskraft und größerer Dichte, das die Oberflächenwelle leicht absorbieren kann und einen größeren Eigenverlust besitzt. Vom praktischen Gesichtspunkt aus gesehen ist das Absorptionsmaterial 40 vorzugsweise eine Mischung aus Silikonkautschuk und einem Oxidpulver oder eine Mischung aus Silikonkautschuk, Epoxiharz und einem Oxidpulver. Das Absorptionsmaterial 40 wird mit Hilfe eines Druck- oder Beschichtungsverfahrens auf einen Wandlerbereich des Eingangswandlers 20 aufgebracht, wo sich eine unerwünschte akustische Oberflächenwelle ausbreitet. Mit dem Bereich, in dem sich eine unerwünschte akustische Oberflächenwelle ausbreitet, ist ein Bereich gegenüber dem Ausgangswandler 30 gemeint, an dem die Blindelektroden 221 und 231 aufgebracht sind, d. h. in einem nicht gewichteten Bereich. Im Falle des Bauelements 100 nach F i g. 6B ist das Absorptionsmaterial 40 auf dem piezoelektrischen Material 10 des piezoelektrischen Dünnfilms ausgebildet. Wenn das Bauelement 100 eine piezoelektrische Keramik oder einen Einkristall aufweist, so kann das Absorptionsmaterial direkt auf der Elektrode und dem piezoelektrischen Material aufgebracht sein, wie es in F i g. 6A dargestellt ist.

Obwohl die Dicke des Absorptionsmaterials 40 in geeigneter Weise entsprechend der Art des Materials verändert werden kann, ist es im Falle eines in der Praxis verwendeten Fernseh-Zwischenfrequenz-Filters eine Silikonkautschuk-Schicht mit einer Dicke von vorzugsweise mehr als 150 um. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß die Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle in Abhängigkeit von der Dichte des Absorptionsmaterials 40 verschieden ist.

Das Aufbringen eines Absorptionsmaterials 40 in einem Ausbreitungsbereich unterdrückt unerwünschte akustische Oberflächenwellen. Es wird daher eine mechanisch reflektierte Welle, die von einem Teil der Elektrodenfinger und der Blindelektroden reflektiert wird, wirkungsvoll eliminiert. Aber selbst wenn eine derartig reflektierte Welle auftritt, so wird sie beträchtlich vermindert und eine wiederum von der reflektierten Welle reflektierte Welle wird weiter durch das Absorptionsmaterial 40 unterdrückt. Dies hat zur Folge, daß die Welligkeit des Durchlaßbandes und die Welligkeit der Gruppenverzögerungs- bzw. Gruppenlaufzeitkennlinie beträchtlich vermindert werden, wie es in F i g. 7 dargestellt ist Da eine mechanisch reflektierte Welle beträchtlich vermindert wird, steigt die oben beschriebene Welligkeit nicht abrupt an, wenn der elektrische/mechanische Kopplungskoeffizient Keff zunimmt wie es durch die durchgezogene Kurve in F i g. 4 und 5 dargestellt ist Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind besonders vorteilhaft wenn ein piezoelektrisches Material mil einem erhöhten elektrischen/mechanischen Kopplungskoeffizienten Keif verwendet wird.

Da bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel Blindelektroden 221 und 231 verwendet werden, ist die Geschwindigkeitsverteilung der akustischen Oberflachenwelle bezüglich der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung gleichförmig. Da zu dem die Blindelektroden 221 und 231 mit der entsprechenden gemeinsamen Elektrode 22a bzw. 23a so verbunden sind, daß die benachbarten Elektrodenfinger 22b und 23b das gleiche elektrische Potential aufweisen, kann die elektrische Reflexion weiter vermindert werden.
F i g. 8 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres AusfÜhrungsbeispiel der Erfindung. Das in Fig.8 dargestellte Ausführungsbeispiel weist gegenüber dem in Fig.6A dargestellten die folgenden Unterschiede auf. So sind die Blindelektroden 221 und 231 nicht mit der gemeinsamen Elektrode 22a bzw. 236 verbunden. Demzufolge sind die Blindelektroden 221 und 231 elektrisch von den kammartigen Elektroden 22 und 23 isoliert.

F i g. 9 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das in F i g. 9 dargestellte Ausführungsbeispiel weist gegenüber den in den Fig.öÄ und Sdargestellten ÄusiiinfüngSueiäpäc'enden Unterschied auf, daß es überhaupt keine Blindelektroden vorgesehen sind.

F i g. 10 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres Ausffihrungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel weist gegenüber dem in Fig.6A dargestellten die folgenden Unterschiede auf. So sind keine Blindelcktroden vorgesehen und die gemeinsamen Elektroden 22a und 23a zum gemeinsamen Verbinden der Elektrodenfinger 22b, ... 22b und 23b, ... 236 der kammartigen Elektroden 22 und 23 sind in einer Kurvenform ausgebildet, ähnlich der Hüllkurve, die die Spitzen der Elektrodenfinger in einem Bereich der Elektrodenfinger verbindet, wo sich eine unerwünschte akustische Oberflächenwelle ausbreitet. In anderen Worten, die gemeirtsamen Elektroden 22a und 23a sind entlang der oberi beschriebenen Hüllkurve von einer Stelle, die vom einen Wandler 30 aus am weitesten entfernt ist, bis zu einer Stcüc, wc die Elekirodenfi.nger anfangen kürze«* zu werden, kurvenförmig ausgebildet Das AbsorptionsnttliH-al 40 ist auf dem piezoelektrischen Material 10 in einem Bereich außerhalb des Wandlers 20 von den oben beschriebenen gemeinsamen Elektroden 22a und 23a und vorzugsweise bis zum Ende des piezoelektrischen Materials 10 aufgebracht. Der Ausgangswandler 30 weist eine auf dem piezoelektrischen Material ausgebildete⁴ bekannte interdigitale Elektrode 31 auf, ähnlich dem in F i g. 6A dargestellten Ausführungsbeispiel. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine durch den Wandler 20 aus der akustischen Oberflächenwelle erregte unerwünschte Welle nicht durch einen überflüssigen Teil der Elektrodenfinger oder durch die Blindelektroden eines herkömmlichen Bauelements reflektiert. Zusätzlich dazu wird eine sich zur Außenseite des Wandlers 20 hin ausbreitende unerwünschte Welle durch das Ab-Sorptionsmaterial 40 absorbiert

Die übrige Struktur, Funktion und Wirkung der in den F i g. 8,9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispielen sind im wesentlichen gleich wie bei dem in F i g, 6A dargestellten AusführungsbeispieL

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Elektrodenfinger 226,... 22b und 23b,... 23b im gleichen Abstand zueinander angeordnet Selbstverständlich kann auch der Abstand zwischen den Elektrbdenfingern je nach der gewünschten Durchlaßkennlinie verändert werden. Außerdem kann das Absorptionsmateriai nicht nur in Verbindung mit dem Eingangswandler 20, sondern auch in Verbindung mit dem Ausgatigswandler 30 vorgesehen werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:
   1. Akustisches Oberflächenwellen-Bauelement

   mit

   — einem piezoelektrischen Substrat,

   — mindestens einer Interdigitalelektrodenanordnung mit zwei Sätzen kammartig verschachtelt ineinandergreifender, in Längsrichtung des Substrates längengewichteter Elektrodenfinger, die jeweils mit einer von zwei gemeinsamen Elektroden verbunden sind und zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine akustische Oberflächenwelle und umgekehrt dienen, sowie

   — einem akustischen Oberflächenwellenenergie absorbierenden Schichtmateriai, das einen Teil des Substrates auf der Seite der InterdigitalelekL'^denanordnung bedeckt die ausgehend von &ύΓ Stelle maximaler Überlappung entgegengesetzt zur gewünschten Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle liegt,

   dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierende Schicht (40) an den Verlauf der Umhüllenden der freien Enden der sich überlappenden Elektrodenfinger (22b, 23b) angepaßt ist.
2. 2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der absorbierenden Schicht (40) Silikonkautschuk enthält.