DE3442778C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem akustischen Oberflächenwellenbau­ teil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem derartigen akustischen Oberflächenwellenbauteil, wie es beispielsweise aus DE-OS 21 39 200, DE-OS 21 32 985 und US 35 50 045 bekannt ist, weisen die interdigitalen Wandleranordnungen im allgemeinen einen Abstand voneinander auf, so daß das Bauteil beispielsnn einen Abstand voneinander auf, so daß das Bauteil beispiels­ weise zur Bildung eines Verzögerungsleitungs-Oszillators in den Rückkopplungszweig eines Verstärkers einsetzbar ist. Die Frequenz des Oszillators wird dann durch die Zeit bestimmt, welche eine akustische Oberflächenwelle benötigt, um von der Eingangswandleranordnung zur Ausgangswandleranordnung zu ge­ langen, und damit also durch den Abstand zwischen den beiden Wandlern. Weitere Eigenschaften des Oszillators wie bei­ spielsweise die Bandbreite und das Frequenzverhalten werden durch eine entsprechende Auslegung der Wandleranordnungen festgelegt.

In jedem Falle dient die Eingangswandleranordnung zur Erzeu­ gung einer sich zur jeweils zugeordneten Ausgangswandleran­ ordnung ausbreitenden akustischen Oberflächenwelle. Die sich über das Substrat ausbreitende Oberflächenwelle wird mittels der Ausgangswandleranordnung wieder in ein elektri­ sches Signal zurückverwandelt. Diese Eigenschaft der Oberflä­ chenbauteile wird bei einer großen Anzahl unterschiedlicher Anwendungsfälle ausgenutzt.

Jede Eingangswandleranordnung bildet nun aber auch eine stromdurchflossene Schleife, die stets ein unerwünschtes Ma­ gnetfeld erzeugt. Bei größerem Abstand zwischen einander zuge­ ordneten Eingangs- und Ausgangswandleranordnungen hat der durch die eingangsseitige Schleife erzeugte Magnetfluß prak­ tisch keinen Einfluß auf den Ausgangswandler. Sind dagegen bei anderen Anwendungsfällen wie beispielsweise bei einem Mi­ krowellengenerator insbesondere für einen Rundfunksender die Abstände zwschen den Wandlern geringer, so kann dieser Ma­ gnetfluß eine äußerst störende Einflußgröße sein.

Nachdem nämlich auch die Ausgangswandleranordnung eine Leit­ erschleife bildet, wird in dieser infolge des vorherrschen­ den Magnetflusses eine Spannung induziert. Diese aufgrund des elektromagnetischen Durchgriffs auftretenden induzierten Spannungen führen zu einer Überlagung der an der Ausgangs­ wandleranordnung abgegriffenen Ausgansspannung mit einer "Brumm"-Spannung, was die Funktionsfähigkeit des Oberflächen­ wellenbauteils beträchtlich herabsetzen kann. Bei einem Mi­ krowellenfrequenz-Verzögerungsleitungsoszillator würde der Brummanteil normalerweise 0,5 dB betragen. Typischerweise wird jedoch bei akustischen Oberflächenwellenbauteilen ein Brumm von weniger als 0,2 dB gefordert.

In der DE-OS 23 01 462 ist ferner ein Oberflächenwellen-Frequenzdis­ kriminator beschrieben, der insbesondere zur Demodulation von frequenzmodulierten elektrischen Signalen bestimmt ist. Dieser Diskriminator umfaßt zwei Filter mit jeweils einem Wandlerpaar. Die Filter sind auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt, um eine abfallende Diskriminator-Gerade zu erhal­ ten. Die parallel geschalteten eingangsseitigen Teilwandler weisen dazu eine unterschiedliche Elektrodenteilung auf. Die an den ausgangsseitigen Teilwandlern abgegriffenen Ausgangs­ signale werden mittels eines Differenzverstärkers voneinan­ der subtrahiert. Dies bedeutet, daß selbst dann, wenn bei diesem Frequenzdiskriminator die beiden eingangsseitigen Teilwandler identisch ausgestaltet wären, ohne den Differenz­ verstärker ausgangsseitig keine Addition der Notsignale auf­ träte. Andererseits addieren sich im Ausgangssignal des Dif­ ferenzverstärkers die durch einen möglichen magnetischen Durchtritt erzeugten Spannungssignale. Diese Entgegenhaltung befaßt sich demnach nicht mit dem Problem des magnetischen Durchtritts.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Oberflächenwel­ lenbauteil der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine möglichst weitgehende Kompensierung des magnetischen Durchgriffs, auch bei äußerst geringem Abstand zwi­ schen den Eingangs- und Ausgangswandleranordnungen gewährlei­ stet und gleichzeitig ohne die Erfordernis einer zusätzli­ chen besonderen Aufbereitung seiner an zwei Klemmen abgreif­ baren Ausgangssignale äußerst problemlos auch in komplexere Schaltungen integrierbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Aufgrund dieser Ausbildung wird erreicht, daß bereits im un­ mittelbar an der Ausgangswandleranordnung abgegrif­ fenen Ausgangssignal die einzelnen durch den unerwünschten Magnetfluß induzierten Spannungsteile gegeneinander aufgeho­ ben sind und gleichzeitig sichergestellt ist, daß alle durch die Oberflächenwelle erzeugten Spannungsanteile einen wirk­ samen Beitrag zum unmittelbar abgegriffenen Ausgangssignal liefern. Nachdem die Ausgangswandleranordnung ein unmittel­ bar weiterverwertbares Ausgangssignal liefert, ist das erfin­ dungsgemäße Oberflächenwellenbauteil äußerst problemlos auch in kompliziertere Schaltungen wie beispielsweise in einen Ver­ zögerungsleitungs-Oszillator integrierbar. Im Hinblick auf eine einfache Eingliederung in eine elektronische Schaltung ist auch von Vorteil, daß die gewünschte Ausgangsspannung des Oberflächenwellenelements an nur zwei Ausgangsklemmen, beispielsweise einer Festpotentialklemme und einer Signal­ klemme, abgreifbar ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt

Fig. 1 ein akustisches Oberflächenwellenbauteil nach dem Stand der Technik, und

Fig. 2 eine nicht maßstabsgerechte schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes akustisches Oberflächenwellenbauteil.

Bei einem mit einem als Verzögerungsleitung dienenden akustischen Oberflächenwellenbauteil hängt die Anord­ nung, d. h. die Platzwahl für die Eingangs- und die Ausgangswandler­ anordnung von den Eigenschaften des Substratmaterials und vom Mittenfrequenzbetrieb ab. Eine typische bekannte Wandleran­ ordnung ist in Fig. 1 gezeigt. Das dargestellte akustische Oberflächenwellenbauteil besitzt eine Eingangswandleranordnung 10 und eine Ausgangswandleranordnung 12.

Die durch das Oberflächenbauteil erzielte Verzögerung wird durch den Abstand S zwischen den Zentren der beiden Wandleranordnungen 10 und 12 be­ stimmt. Um ein Ausgangssignal mit einer Frequenz sicherzustel­ len, muß einer der Wandleranordnungen eine Länge N ₁ λ ₀ besitzen, die größer oder gleich S ist, wobei N ₁ die Anzahl der Fingerpaare der Eingangswandleranordnung 10 und λ ₀ die Breite eines Finger- oder Elektrodenpaares 13 ist.

Der zwischen den Wandleranordnungen 10, 12 zugelassene maximale Abstand ist dadurch begrenzt. Beispielsweise beträgt bei einer Betriebsfrequenz von 2 GHz λ ₀ = 2,5 µm. Typische Werte für N ₁ liegen im Bereich von 100 bis 200 und bezeichnen so einen Mittenabstand der Wandleranordnungen von 250 bis 500 µm, so daß ein maximaler Abstand von 125 bis 250 µm zwischen den interdigitalen Wandleranordnungen bleibt, falls die Ausgangswandleranordnung ein einzelnes Fingerpaar ist. Aus einer Anzahl von Gründen ist der Abstand noch viel geringer, typischerweise 60 bis 125 µm.

Bei einem derart kleinen Abstand kann der in der Eingangswandleranordnung 10 vom durchfließenden Strom erzeugte Magnetfluß eine Span­ nung in der Ausgangswandleranordnung 12 induzieren. Diese Spannung wird als hoher elektromagnetischer Durchgriff erfaßt, der im Betriebsbereich einen Brumm im Ausgangswandler induziert und das Ausgangssignal bei Mikrowellenfrequenzen erheblich verschlech­ tert. Zwar könnte die Kopplung durch Erhöhen des Interdigitalwandler-Teilabstan­ des reduziert werden. Dies erweist sich jedoch bei einem als Verzöge­ rungsleitung benutzten akustischen Oberflächenwellenbauteil in einem Oszillator nicht als prakti­ kabel, da dadurch eine Multimode-Oszillation verursacht wird.

In Fig. 2 ist im einzelnen in Draufsicht ein erfindungsgemäßes akustisches Oberflächenwellenbauteil mit kompensiertem magnetischen Durchgriff dargestellt. Das Bauteil be­ sitzt ein piezoelektrisches Substrat 14, auf das im Vakuum Muster aus Aluminium abgeschieden wurden, die eine sendende Eingangs­ wandleranordnung 16 und eine empfangende Ausgangswandleranordnung 18 umfassen.

Die Ausgangswandleranordnung 18 besteht aus äußeren, geerdeten Sammelschienen 20 und zentralen, inneren Sammelschienen 22, von denen ein Ausgangssi­ gnal erhalten wird. Zwischen den Sammelschienen 22 und den Sammel­ schienen 20 erstrecken sich jeweils Reihen ineinanderge­ schachtelter Finger oder Elektroden 24. Die Finger 24 haben eine Leitungsbreite und einen Abstand in der Größe von 1,6 µm. Die Elektroden- oder Fingeranordnung einer Reihe bzw. des einen Teilwandlers 31 ist spie­ gelbildlich zur anderen Reihe bzw. zum anderen Teilwandler 31 bezüglich einer sich von der Eingangs- zur Ausgangswandleranordnung 16 bzw. 18 erstreckenden Zentralachse angelegt.

Das Muster der Eingangswandleranordnung 16 ist gleichartig wie das der Ausgangswandleranordnung 18 aufgebaut. Eine untere äußere Sammelschiene 26 ist jedoch mit Masse verbunden, während mittlere Sammelschienen 28 miteinander verbunden sind. Ein Eingangssignal ist an eine obere äußere Sammelschiene 30 angelegt. Die Elektroden- oder Fingeranord­ nung einer Reihe bzw. des einen Teilwandlers 25 ist eine versetzte Wiedergabe der anderen Reihe bzw. des anderen Teilwandlers 25. Die Verteilung der ineinandergeschachtelten Finger der Ausgangswandleranordnung 18 erstreckt sich über eine geringere Länge als die Verteilung der ineinandergeschachtelten Elektroden der Eingangswandleranordnung 16.

Im Betrieb wird eine hochfrequente Wechselspannung an die Sammelschiene 30 der Eingangswandleranordnung 16 angelegt, so daß eine akustische Oberflächenwelle an der Oberfläche der unterliegenden piezoelektrischen Quarzschicht er­ zeugt wird. Die akustische Oberflächenwelle bereitet sich in Fig. 2 nach rechts aus. Sobald diese die Ausgangs­ wandleranordnung 18 erreicht, tritt eine umgekehrte piezoelektrische Wir­ kung auf, und es wird ein Ausgangssignal an den Sammelschie­ nen 22 erzeugt.

Die Elektroden- oder Fingerpaare 24 schaffen eine kapazitive Kopplung zwischen den oberen und unteren Sammelschienen der jeweiligen Teilwandler 25 bzw. 31. Zu jeder Zeit sind die Ströme in­ nerhalb der oberen und unteren Teilwandler 25 der Eingangswandleranordnung gleich. Der Stromfluß kann durch Schleifen 32 dargestellt werden. Der Stromfluß um die beiden Schleifen 32 der Eingangswandleranordnung 16 hat zur Folge, daß zusätzlich zur akustischen Oberflächenwelle ein Magnetfluß B er­ zeugt wird. Da die Wandleranordnungen 16 und 18 sehr nahe beieinander liegen, werden entsprechende Spannungen durch den Magnetfluß B in der Ausgangswandleranordnung 18 induziert. Da die beiden Teilwandler 31 zwei identische, jedoch umgekehrt liegende Fingerreihen in der Ausgangswandleranordnung 18 bilden und die inneren Sammelschienen 22 mit einer gemeinsamen Aus­ gangsklemme und die äußeren Sammelschienen 20 mit Masse verbunden sind, wirken die in jeder Schleife durch den Magnetfluß induzierten Spannungen einander entgegen und heben sich an den Ausgangsklem­ men im wesentlichen auf. Jedoch addieren sich die in den beiden Teilwandlern 31 durch die akustische Oberflächenwelle erzeugten Spannungen infolge der mit identischer Teilung versehenen umge­ kehrten Fingerreihen bei der parallelen elektrischen Verbin­ dung der Sammelschiene an den Ausgangsklemmen.

Wie bereits vorher erwähnt, wird bei einem erfindungsgemäß aufge­ bauten akustischen Oberflächenwellenbauteil ein Ausgangssignal mit einer einzigen Frequenz erreicht, falls die Wandleranordnungen 16 und 18 einen Mitte-zu-Mitte-Abstand von etwa N ₁ λ ₀ besitzen, wobei λ ₀ der Elektrodenpaar-Abstand und N ₁ die Anzahl der Elektrodenpaa­ re der längeren Wandleranordnung ist. Demzufolge muß, damit die Wandler­ anordnungen 16, 18 auseinandergesetzt werden können, eine der Wandleran­ ordnungen 16, 18 länger als die andere sein. Diese Eigenschaft des Oberflächenwellenbauteils wirkt gegen die hohe Kopplungswirksamkeit des bekannten Bauteils gemäß Fig. 1. Um eine maximale unabgestimmte Kopplung zwischen diesen interdigi­ talen Wandlern zu erreichen, ist es nötig, den Wert des Ausdruckes 1/ω ₀ C _T sowohl bei der Eingangs- als auch der Ausgangswandleranordnung gleich 50 Ω zu machen, wobei ω ₀ die Kreismittenfrequenz und C _T die Zwischenelek­ troden-Kapazität des interdigitalen Wandlers ist. Nun hängt C _T von der Anzahl N der Finger- oder Elektrodenpaare 24 der Wandleranordnungen 16, 18 ab. Die im wesentlichen in Reihe geschaltete Fingerreihen aufweisende Eingangswandleranordnung 16 besitzt eine Kapazität C _{T 1}/2, wobei C _{T 1} die Kapazität einer Fin­ gerreihe dieses interdigitalen Wandlers ist. Die im wesentli­ chen parallel geschaltete Fingerreihen aufweisende Ausgangswandleranordnung besitzt eine Kapa­ zität von 2 C _{T 2}, wobei C _{T 2} die Kapazität einer Fingerreihe dieses interdigitalen Wandlers ist. Wird sichergestellt, daß beide Ausdrücke 2/ω ₀ C _{T 1} und 1/2ω ₀₂ C _{T 2} gleich 50 Ω sind, dann wird C _{T 1}/2 gleich 2 C _{T 2}, oder C _{T 1} gleich 4 C _{T 2}.

Da Periodizität und Apertur bei beiden Wandleranordnungen 16, 18 gleich sind, wird die maximale unabgestimmte Kopplung dann erreicht, wenn die lange Eingangswandleranordnung 16 viermal so viele Finger bzw. Elektroden 24 wie die kurze Ausgangswandleranordnung 18 besitzt, d. h. wenn N ₁ = 4 · N ₂. Dadurch wird die Anforderung erfüllt, daß die kurze interdigitale Wandleranordnung weni­ ger Raum als die lange einnehmen soll. Gleichzeitig kann die Bedingung 1/λ ₀ C _T = 50 Ω erfüllt werden.

Wie in der Ausführung nach Fig. 2 gezeigt, besitzt jede der Ein­ gangs- und Ausgangswandleranordnungen 16, 18 ein Paar zentraler Sammelschienen 22 bzw. 28.

Aufgrund der gegebenen Verschaltung der Eingangs- und der Ausgangswandleranordnung bestehen bei der Ausgangswandleranordnung 18 zwei Stromschleifen 32, während bei der Eingangswandleranordnung 16 tatsächlich eine ein­ zige Stromschleife besteht, da die zentralen Sammelschienen 28 "schwimmen", d. h. keine aufgeprägte Spannung besitzen. Demzu­ folge können die zentralen Sammelschienen 28 der Eingangswandleranordnung 16 auch zusammengfaßt werden. Wie in der Ausführung nach Fig. 2 sind dann die durch den Magnetfluß induzierten Spannungen dem Betrag noch gleich und einander entgegengesetzt, so daß sie sich bei der Aus­ gangswandleranordnung 18 aufheben. Wegen des Unterschiedes bei der Interdigital­ wandler-Apertur kann jedoch eine Maximierung der Kopplung schwerer zu erreichen sein.

Die Ausführung nach Fig. 2 zeigt eine Ausgangswandleranordnung 18 mit einem einzigen Paar identischer Schleifen 32. Tatsächlich kann jedoch diese Ausgangswandleranordnung auch mehrere solcher Schleifen besitzen, solange dafür gesorgt wird, daß die in irgendeiner Schleife durch den Magnetfluß induzierte Spannung an den Aus­ gangsklemmen durch magnetflußinduzierte Spannungen in den ande­ ren Schleifen aufgehoben wird.

Wenn auch in der Ausführung nach Fig. 2 die Ausgangswandleranordnung 18 in getrennte Schleifen 32 aufgespalten wird, so kann eine Unter­ drückung des magnetischen Durchgriffes auch so erreicht werden, daß die Eingangswandleranordnung 16 in zwei oder mehrere parallel verbun­ dene Kompensationsschleifen aufgeteilt und die Verbindung bei der Ausgangswandleranordnung 18 so geändert wird, daß die Fingerreihen in Reihe geschaltet werden. Effektiv werden dann die Signalein­ gangs- und -ausgangsstellen umgekehrt, die Wandleranordnung 18 wirkt dann als Eingangswandler und die Wandleranordnung 16 als Ausgangs­ wandler. In diesem Fall werden die in der Ausgangswandleranordnung durch den Magnetfluß in irgendeiner Eingangsschleife induzierten Spannungen durch Spannungen aufgehoben, die im Ausgangswandler durch den Magnetfluß induziert werden, der in den anderen Eingangsschleifen erzeugt wird.

Obwohl es nicht eine besondere Eigenschaft der Erfindung bildet, ist zu erkennen, daß die Apo­ disation oder die Elektrodenüberdeckung in den Verschachtelungs­ bereichen, die Elektrodenstärke und der Elektrodenabstand λ ₀ in Abhängigkeit vom besonderen, vom akustischen Oberflächenwellenbauteil erwarteten An­ sprechverhalten verändert werden kann.

Bei einem akustischen Oberflächenwellenbauteil mit einem für die fünfte Harmonische verschachtelten Eingangs- und Aus­ gangswandlermuster mit einer 1,0 µm-Linienbreite und einem ebensolchen Abstand auf einem einzigen Kristallquarzsubstrat wurde ein Filter bzw. ein Oszillator mit einer Mittenfrequenz von 2,06 GHz erzeugt. Der typische magnetische Durchgriff von -20 dB bei akustischer Oberflächenwellen-Kopplung wurde auf -50 dB durch Benutzung der Kompensa­ tionsanordnung unterdrückt.

Das Ansprechverhalten des akustischen Oberflächenwellenbauteils hängt sowohl von der Natur des Elektrodenmusters als auch von den mechanischen Eigenschaften des darunterliegenden Substratmaterials ab. Das Aluminium der inei­ nanderverschachtelten Elektroden wird typischerweise mit einer Stärke von 50 nm abgeschieden, während das für die Sammel­ schienen mit größerer Stärke in der Größenordnung von 500 nm ab­ geschieden werden kann. Die Schleifen der Ausgangswandleranordnung sind zueinander spiegelbildlich und bezüglich des in­ einandergeschachtelten Musters der Lage und der Abmessung der Sammelschienen und Anschlußflecken identisch. Es reicht nicht aus, nur die ineinanderverschachtelten Elektrodenanordnungen auszuglei­ chen, da der das Ausgangsverhalten beeinflussende Magnetfluß in der gesamten Schleife erzeugt wird.

Eine symmetrische Ausgestaltung der Wandlerschleifen ist jedoch nicht zwingend erforderlich, um eine magnetflußkompen­ sierte Anordnung zu erhalten. So kann eine einzelne ineinanderge­ schachtelte Eingangswandleranordnung, die aus einer einzigen Reihe ineinandergeschachtelter Finger bzw. Elektroden besteht, eine zugeordnete Strom­ schleife besitzt, bei der ein Teil der Sammelschiene so aus­ gelegt wird, daß eine zweite kompensierende Stromschleife einge­ führt wird. Obwohl eine symmetrische Anordnung bevorzugt wird, scheint doch kein Grund vorhanden zu sein, warum nicht auch eine mehrfach geschleifte asymmetrische Anordnung ein Aufheben des ma­ gnetischen Durchgriffs ergeben sollte.

Claims (3)

1. Akustisches Oberflächenwellenbauteil mit einer interdigi­ talen Eingangs- (16) und einer interdigitalen Ausgangs­ wandleranordnung (18), welche jeweils wenigstens in zwei parallel auf einer Hauptfläche eines piezoelektrischen Substrats (14) ausgerichtete Teilwandler (25; 31) unter­ teilt sind, und bei der die Teilwandler (31) einer (18) der beiden Wandleranordnungen elektrisch parallel geschal­ tet und spiegelbildlich zu der zwischen diesen Teilwand­ lern (31) verlaufenden Symmetrielinie angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwandler (25) der anderen Wandleranordnung (16) elektrisch in Serie geschaltet sind und die Teilwand­ ler (25; 31) jeder Wandleranordnung (16; 18) jeweils iden­ tisch ausgebildet sind, und daß bei den parallel geschal­ teten Teilwandlern (31) die inneren, einander benachbar­ ten Sammelschienen (22) und die äußeren Sammelschienen (20) jeweils mit einer Anschlußklemme verbunden sind.

2. Oberflächenwellenbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Serie geschalteten Teilwandler (25) die Ein­ gangswandleranordnung (16) bilden.

3. Oberflächenwellenbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in Serie geschalteten Teilwandler (25) jeweils viermal soviele Finger (24) wie die parallel geschalteten Teilwandler (31) aufweisen und daß der Mitte-zu-Mitte-Ab­ stand zwischen Eingangs- und Ausgangswandleranordnung (16, 18) etwa der Länge der längeren Teilwandler (25) ent­ spricht.