DE3322310A1 - Oberflaechenschallwellenvorrichtung - Google Patents

Description

Oberflächenschallwellenvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Oberflächenschallwellenvorrichtung und insbesondere eine solche Vorrichtung, bei der Einflüsse durch mechanische Reflexionen der akustischen Oberflächenwellen verringert sind. 5

Eine Oberflächenschallwellenvorrichtung besteht hauptsächlich aus einem piezoelektrischen Substrat, das aus einem piezoelektrischen Einkristallmaterial, wie beispielsweise Lithiumniobat (LiNbO₃), oder einem piezoelektrischen

keramischen Material gebildet ist,oder alternativ aus einer Kombination aus einer nicht piezoelektrischen Platte und einer darauf z.B. aufgegebenen piezoelektrischen Folie, um ein elektrisches Signal in eine akustische Oberflächenwelle mittels eines Wandlers umzusetzen, der auf dem piezoelektrischen Substrat vorgesehen ist, so dass sich längs der Oberfläche des Substrates eine akustische Oberflächenwelle fortpflanzt. Diese Vorrichtung kann nunmehr als Filter oder für andere elektronische Bauteile verwendet werden. Fig. 1 bis 4 zeigen bekannte Oberflächenschallwellenvorrichtungen. Der Aufbau dieser Vorrichtungen und der damit verbundene Nachteil wird nachfolgend näher erläutert.

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Oberflächen-Schallwellenvorrichtung, deren Elektroden in einfacher Weise bearbeitet werden können und deren Produktivität . verbessert ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Oberflächenschallwellenvorrichtung, die keine mechanischen Reflexionen der akustischen Oberflächenwellen hervorruft. Schliesslich ist es ein Ziel der Er-

findung, einen unidirektionalen Wandler zu schaffen, der ein gutes Verhalten hinsichtlich der Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle aufweist und keine elektrischen Reflexionen der akustischen Oberflächenwellen hervorruft.

Die erfindungsgemässe Oberflächenschallwellenvorrichtung zeichnet sich aus durch ein piezoelektrisches Substrat, ■ gebildet aus einer elastischen Platte und einer darauf aufgegebenen piezoelektrischen Folie; eine erste Elektrode, die auf der piezoelektrischen Folie vorgesehen ist; eine zweite Elektrode, die auf der elastischen Platte unter einer bestimmten nacheilenden Lageverschiebung gegenüber der ersten Elektrode in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle vorgesehen ist; und eine dritte Elektrode, die in der piezoelektrischen Folie angeordnet ist.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung unter vorhergehender Bezugnahme auf den Stand der Technik näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1, 2, 3a Draufsichten auf herkömmliche Oberflächen-

schallwellenvorrichtungen, 25

Fig. 3b eine geschnittene Ansicht der Vorrichtung

nach Fig. 3a,

Fig. 5a in Draufsicht und geschnittener Ansicht

eine Ausführungsform einer erfindungs-

gemäss aufgebauten Oberflächenschallwellenvorrichtung,

Fig. 6 eine schematische Ansicht einer anderen Aus

bildung der Elektrode, und

Fig. 7a in schematischer Draufsicht und geschnittener

und 7b " » ■ -uj. ■ · ^ „ .c-i- -c j

Ansicht eine weitere Ausfuhrungsform der

Erfindung. . '·

332231U

Fig. 1 zeigt, einen Filter als Beispiel für ein elektronisches Bauteil ,bei dem dasßezugszeichen 1 ein piezoelektrisches Substrat betrifft. Das Bezugszeichen 2 betrifft einen Eingangswandler, bestehend aus einem Paar ineinandergreifenden kammartigen Elektroden 2A und 2B.

Das Bezugszeichen 3 bezieht sich auf einen Ausgangswandler, der ebenfalls aus einem Paar ineinandergreifenden kammartigen Elektroden 3A und 3B besteht. Wenn an einer Eingangsklemme IN ein elektrisches Signal anliegt, wird dieses in eine akustische Oberflächenwelle durch den Eingangswandler 2 umgesetzt und läuft längs der Oberfläche des piezoelektrischen Substrates 1 in die durch den Pfeil angedeutete Richtung. Wenn die akustische Oberflächenwelle den Ausgangswandler 3 erreicht, wird sie in ein elektrisches Signal zurückverwandelt, das an der Ausgangsklemme OUT abgenommen werden kann. Die kammförmigen Elektroden 2A, 2B sowie 3A, 3B sind sog. normierte Elektroden, bei denen jede Elektrodenfingerbreite W und jeder Raum L zwischen benachbarten ineinandergreifenden Elektrodenfingern λη/⁴ ausmacht, wobei ^_n die . Wellenlänge bei Mittenfrequenz f_Q einer verwendeten akustischen Oberflächenwelle ist.

Die Wandler, bestehend aus den kammartigen Elektroden mit \ besagter Fingerbreite und Raumbreite, bewirken jedoch mechanische Reflexionen, z.B. Mehrfachreflexionen, d.h. sog. T.T.E. (Dreifachdurchgangsechos) einer akustischen Oberflächenwelle, was z.B. den Wellendurchgangseffekt des Filters verschlechtert.
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Um eine solche mechanische Reflexion zu verhindern, ist es bekannt, gemäss Fig. 2 jeden Finger der kammartigen Elektroden 2A, 2B, 3A und 3B in zwei Teile aufzuteilen,

so dass die Breite W von jedem unterteilten Elektrodenfinger und der Abstand L zwischen den benachbarten Elektrodenfingern gleich Xn/8 wird. Man nennt diese Anordnung einen Doppelelektrodenwandler. Da bei dem Doppelelektrodenwandler die Phasen der reflektierten Wellen an den Enden der betreffenden Elektrodenfinger um 180° unterschiedlich sind, so dass es sich um entgegengesetzte Phasen handelt, wirken die reflektierten Wellen gegeneinander.

Der Doppelelektrodenwandler erfordert jedoch eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit, da je höher die Frequenz ist, umso kleiner die Wellenlänge ^_n wird. Ferner neigt der Doppelelektrodenwandler zu Kurzschlüssen zwischen gegenüberliegenden Elektroden oder zu einem Ausfall der Elektroden,'was zu einer geringeren Produktivität der Vorrichtung führt.

Um diese Nachteile zu beseitigen, wurden schon Einphasenwandler gemäss Fig. 3a und 3b vorgeschlagen. Diese Anordnungen verwenden ein piezoelektrisches Substrat 1, das eine elastische Platte 4 und eine darauf aufgegebene piezoelektrische Folie 5 umfasst. Eine untere Elektrode 6, die als ein Gegenstück für die kammartigen Elektroden dient, ist auf der elastischen Platte 4 und unter der piezoelektrischen Folie 5 ausgebildet, während obere Elektroden 7A und'7B jeweils als das andere Gegenstück der kammartigen Elektroden dienen und auf der piezoelektrischen Folie 5 der unteren Elektrode 6 gegenüberliegend ausgebildet sind. Die Breite W von jedem Elektrodenfinger und jeder Raum L zwischen den Elektrodenfingern betragen jeweils a/2.

Wenn bei dieser Anordnung eine Signalquelle 8 mit der oberen Elektrode 7A und der unteren Elektrode 6 verbunden wird, was eine-akustische Oberflächenwelle entstehen und sich fortpflanzen lässt, so dass ein elektrisches Signal an einem

Ende eines mit der oberen Elektrode 7A und der unteren Elektrode 6 verbundenen Verbrauchers 9 erhalten wird, ist es möglich, einen Kurzschluss zwischen den gegenüberliegenden Elektroden zu vermeiden unter gleichzeitiger geringerer Anforderung an die Bearbeitungsgenauigkeit, so dass für die Vorrichtung eine bessere Produktivität vorliegt.

Diese Konstruktion erlaubt jedoch keine Beaufschlagung der Wandler unter Vorsehen einer abgeglichenen Energieeinsparung von der Energiequelle 8. Daher können Einflüsse durch elektrische Signale, die nicht in akustische Oberflächenwellen umgesetzt werden, und sich so, wie sie sind, als direkte Welle fortpflanzen (sog. Durchkontaktierung) gelöscht werden, was den Wellendurchlasseffekt der Vorrichtung verschlechtert.

Um diesen Nachteile zu beseitigen, wurde ferner schon vorgeschlagen, zwei Stücke von Einphasenwandlern parallel zueinander gegenüber anzuordnen. Insbesondere wurden weitere obere kammförmige Elektroden 8A und 8B zusätzlich und gegenüber den vorerwähnten oberen Elektroden 7A und 7B in einex Phasenabweichung von ^_Q/2 und in einem Abstand a vorgesehen. Diese Konstruktion erlaubt die Beaufschlagung der Wandler mit einer abgeglichenen Energieainspa-^: rung durch Anlegen eines elektrischen Signales mit einem Phasenunterschied von 180° an die oberen Elektroden 7A und 7B von der Energiequelle 8 über einen Transformator T, was den Einfluss der Durchkontaktierung verringert.

Diese Konstruktion kann jedoch keine vollständig befriedigende Lösung geben, da der Abstand a zur Verhinderung eines Kurzschlusses zwischen den gegenüberliegenden Elektroden eine Verwirbelung der Wellenform der Verbundwelle aus den akustischen Oberflächenwellen S. und S₉ bedingt, die durch die Elektroden 7A bzw.8A angeregt wurden.

Die Erfindung wird nachfolgend im Detail anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben.

Fig. 5a und 5b zeigen in Draufsicht und geschnittener Ansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemassen Oberflächenschallwellenvorrichtung. Auf einem piezoelektrischen Substrat 1, bestehend aus einer elastischen Platte und einer darauf aufgegebenen piezoelektrischen Folie 5, sind erste eingangs- und ausgangsseitige kammförmige Elektroden 10A und 10B vorgesehen. Zweite eingangs- und ausgangsseitige kammförmige Elektroden 11A und 11B befinden sich auf der elastischen Platte 4. Jede Breite W eines Elektrodenfingers und jeder Raum L zwischen den Elektrodenfingern von sämtlichen kammförmigen Elektroden 10A, 10B, 1ΊΑ und 11B beträgt jeweils )l_o/²·

Eine dritte Elektrode 12, die eine flache Lage bildet, ist inseitig der piezoelektrischen Folie 5 vorgesehen, so dass sie sich zwischen den ersten Elektroden 10A, 11A und den zweiten Elektroden 10B, 11B erstreckt und von den ersten und zweiten Elektroden in gleichem Abstand steht. Ein Verbraucherwiderstand ist z.B. zwischen der ersten Ausgangselektrode 10B und der zweiten Ausgangselektrode 11B vorgesehen.

Wenn bei dieser Anordnung eine Signalquelle 8 zwischen der ersten und zweiten Eingangselektrode 10A und 11A angeschlossen wird und die dritte Elektrode 12 an Masse anlieg t,liegen an den ersten und zweiten Eingangselektroden betreffende Spannungssignale an, die im wesentlichen die gleiche Amplitude haben, sich in ihren Phasen jedoch um 180° unterscheiden. So werden zwei elektrische Felder mit gleicher Richtung und gleicher Stärke erzeugt: ein Feld zwischen der ersten Eingangselektrode 10A und der dritten Elektrode 12 und das andere Feld zwischen der ersten

-sr-A

Eingangselektrode 11A und der dritten Elektrode 12. Dadurch entstehen akustische Oberflächenwellen S.. und S₂ mit der gleichen Phase in einem die erste Elektrode 1OA umfassenden Bereich bzw. in einem die zweite Elektrode 11A umfassenden Bereich. Die akustischen Oberflächenwellen S^ und S₂ laufen unter gegenseitiger Verstärkung.

Da die Breite W der Elektrodenfinger und der Abstand L zwischen den ersten und zweiten Elektroden jeweils 1./2 beträgt, erfordert der Wandler keine zu hohe Bearbeitungsgenauigkeit, sondern lässt sich vielmehr im Vergleich zu den herkömmlichen Vorrichtungen, bei denen die Breite W und der Abstand L der Elektrodenfinger ^q/4 bzw. A_Q/8 ausmacht, ohne weiteres herstellen.

Die breitere Bemessung des Masses W und des Abstandes L der Elektrodenfinger bewirkt ferner eine Verringerung der Kurzschlussgefahr oder des Ausfalles der Elektroden des Wandlers und damit eine bessere Produktivität der Vorrichtung. Da insbesondere die ersten und zweiten Elektroden 10A und 11A, an denen die elektrischen Signale anliegen, an gegenüberliegenden Seiten der piezoelektrischen Folie 5 in Abstand angeordnet sind, tritt ein Kurzschluss selten auf.

Die Vorrichtung mit einer Elektrodenfingerbreite von /} /2 bewirkt keine mechanischen Reflexionen der akustischen Oberfläche und unterdrückt wirksam das Τ.Τ.Ξ. Da ferner der Elektrodenfinger breiter und der Abstand zwischen den Elektroden kleiner als bei den herkömmlichen Vorrichtungen ist, wird die Kapazität zwischen den Elektroden vergrössert.

Infolge davon verringert sich die Eingangsimpedanz des Wandlers, so dass dessen Eingliederung in . andere Schaltungen einfacher wird.

-JB--

Die Ausführungsform nach Fig. 5a und 5b ist so ausgebildet, dass die ersten Elektroden 1OA und 11A zu den betreffenden zweiten Elektroden 10B und 11B bei der Draufsicht nach Fig. 5a ausgerichtet liegen, so dass eine abgeglichene Energieeinsparung erfolgen kann, um die Durchkontaktierung auszulöschen. Falls jedoch die Durchkontaktierung nicht berücksichtigt werden braucht, können die ersten Elektroden 10A und 11A auch mit einer Phasenverzögerung von (Θ- Jf ) ^„/2ΓΓ in Bewegungsrichtung .der akustischen Oberflächenwelle zu den zweiten Elektroden 10B bzw. 1TB oder umgekehrt angeordnet werden, wenn θ(0 CQ ^. 2 it) gleich dem Phasenunterschied zwischen den Signalen ist, die an den ersten und zweiten Elektroden anliegen.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausbildung der ersten und zweiten Elektroden 10 oder 11, indem diese ein Langloch aufweisen.

Die elastische Platte 4 kann aus einem Halbleitermaterial bestehen. Dies erlaubt die Zusammenfassung der Oberflächenschallwellenvorrichtung und andererelektronischerVorrichtungen in einen integrierten Schaltkreis. Die Vorrichtung lasst sich daher auf zahlreicheren technischen Gebieten einsetzen.

Die piezoelektrische Folie 5 besteht vorzugsweise aus Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumnitrid (AlN), um das Verhalten der Vorrichtung zu verbessern.

Fig. 7a und 7b zeigen in Draufsicht und geschnittener Ansicht eine weitere Ausführungsform der Oberflächenschallwellenvorrichtung. Das piezoelektrische Substrat 1 besteht aus einer elastischen Platte 15 und einer darauf aufgegebenen piezoelektrischen Folie 16. Eine kammförmige erste Elektrode 17, die auf der piezoelektrischen Folie 16 vorgesehen ist ,

und eine kammförmige zweite Elektrode 18 auf der elastischen Platte 15 bilden einen sog. Einzelphasenwandler mit einer Elektrodenfingerbreite W und einem Abstand L zwischen den Elektrodenfingern von jeweils /Ir/²" ^Eine schichtförmige dritte Elektrode 19 ist

inseitig der piezoelektrischen Folie 16 in im wesentlichen gleichem Abstand von der ersten Elektrode 17 und der zweiten Elektrode 18 vorgesehen.

Die erste und zweite Elektrode 17 und 18 sind so ausgebildet, dass dazwischen in Laufrichtung der Oberflächenwelle eine Lagezurückverschiebung d von ^. /4 vorliegt.

Bei dieser Anordnung wird eine Signalquelle 21 über eine Anpassungsschaltüng 20 mit der ersten und zweiten Elektrode 17 und 18 und ferner über einen 90°-Phasenshifter mit der zweiten Elektrode 18 verbunden, während die dritte Elektrode 19 an Masse anliegt. Dadurch liegt ein Signal mit einem Phasenunterschied von 90° zwischen den ersten und zweiten Elektroden 17 und 18 an, was elektrische Felder mit einem Phasenunterschied von 90° zwischen der ersten Elektrode-17 und der dritten Elektrode 19 und zwischen der zweiten Elektrode 18 und der dritten Elektrode 19 erzeugt und dazu führt, dass sich = akustische Oberflächenwellen . mit einem Phasenunterschied von 90° von dem die erste \ Elektrode 18 umfassenden Bereich bzw. von dem die zweite Elektrode 19 umfassenden Bereich fortpflanzen.

Um eine unidirektionale Funktion des Wandlers sicherzustellen, müssen sich die von der Vielzahl von Erregerquellen ausgehenden akustischen Oberflächenwellen in einem der Bereiche (A und A¹) an beiden Seiten des Wandlers einander verstärken, während sie in dem anderen Bereich einander entgegenwirken. Dieser Vorgang ist gekennzeichnet 35

durch die Summe des , Phasenstellenunterschiedes zwischen den Erregerquellen plus eines Phasenunterschiedes zwischen den an den Erregerquellen anliegenden Signalen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. · 7a und 7b ergibt die-Summe der Phasenstellen- und Signalunterschiede 360° (0°) in der Zone A und 180° in der Zone A¹, so dass sich die akustischen Oberflächenwellen nur in einer Richtung auf A bewegen.

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann im Vergleich zu einem herkömmlichen Drexphasenerregungswandler, bei dem eine der drei Elektroden auf einer unterschiedlichen Ebene an ihrer Kreuzungs stelle mit den anderen Elektroden ausgebildet werden muss, leichter hergestellt werden.

Die ersten und zweiten Elektroden 17 und 18 sind unabhängig von der Anzahl N der Elektrodenfingerpaarungen in einer Lageverzögerung von 90° angeordnet. Die Vorrichtung hat daher nicht den bei einem herkömmlichen Unidirektionalwandler mit einem 90° Phasenshifter vorzufindenden Nachteil, dass sich, wenn die Anzahl N gross ist, das Vermögen der Vorrichtung extrem vorlorengeht, eine akustische Oberflächenwelle in nur eine Richtung fortpflanzt, wenn das Signal leicht von der Mittenfrequenz f„ abweicht, so dass dei Einsatz der erfindungsgemässen Vorrichtung in einem breiteren Frequenzband erfolgen kann. ·

Da die elektrischen Reflexionen der akustischen Ober-0 flächenwellen vollständig durch die unidirektionale Wellenfortpflanzung verhindert werden, erweist sich die Vorrichtung besonders wirksam hinsichtlich der Unterdrückung von Mehrfach:reflexionen (Dreifachdurchgangsecho) .

Die ersten und zweiten Elektroden 17 und 18 können andere Ausbildungen haben. So kann z.B. anstelle der kammförmigen Elektrodenausbildung die Elektrode ein Langloch gemäss Fig. 6 haben.

Leerseite

Claims (10)

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1..J Oberf lächenschallwellenvorrichtung, gekennzeichnet durch

ein elastisches Substrat (4, 15);

eine auf dem elastischen Substrat aufgegebene piezoelektrische Folie (5, 16);

eingangs- und ausgangsseitige erste Elektroden (1OA, 1OB, 17), die beide auf der piezoelektrischen Folie vorgesehen sind;

eingangs- und ausgangsseitige zweite Elektroden (11A, 11B, 18), die beide zwischen der piezoelektrischen Folie und dem elastischen Substrat angeordnet sind;

_ 2 —

eine dritte Elektrode (12, 19), die innerhalb der piezoelektrischen Folie und zwischen den ersten Elektroden und den zweiten Elektroden vorgesehen ist; und

eine Signalzuleitungseinrichtung, die ein elektrisches Signal an den ersten und zweiten Eingangselektroden anlegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, dass die ersten und zweiten Elektroden unter einer bestimmten Lageverschiebung zueinander in einer Richtung angeordnet sind, in der sich eine in der Vorrichtung erzeugte akustische Oberflächenwelle fortpflanzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung {Q-ft) 7^/2(T beträgt, wob.ei X_Q = Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle und θ Phasenunterschied des elektrischen Signals ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Signal einen Phasenunterschied von 90° hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, dass das elektrische Signal einen Phasenunterschied von 180° hat.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, dass die dritte Elektrode (12, 19) mit Masse verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die ersten und zweiten Elektroden (10A, 10B, 11A, 11B, 17, 18) jeweils eine Vielzahl von Elektrodenfingern aufweisen, die eine Breite und einen

Abstand voneinander haben, welche einer halben Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle im wesentlichen entsprechen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, dass die ersten und zweiten Elektroden (10A, 10B, 11A, 11B, 17, 18) die gleiche Konfiguration haben.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet ,dass die Verschiebung 1/4 Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle beträgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1,· dadurch g e k e η η zeichnet, dass das elastische Substrat {4, 15) aus einem Halbleitermaterial gebildet ist.