DE3323796C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Oberflächenwellen-Bau­ element nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Oberflächenwellen-Bauelemente werden beispiels­ weise als elektronische Filter herangezogen und weisen ein piezoelektrisches Substrat auf, etwa aus einem ein­ kristallinen piezoelektrischen Material, z. B. Lithiumnio­ bat (LiNbO₃) oder aus einem piezoelektrischen keramischen Material oder aus einer Kombination aus einer nicht piezoelektrischen Trägersubstanz und einer darauf aufge­ brachten piezoelektrischen Schicht, wobei zur Erzeugung einer sich längs der Oberfläche des Substrates fortpflan­ zenden akustischen Oberflächenwelle ein Wandler auf dem piezoelektrischen Substrat vorgesehen ist, der ein elek­ trisches Signal in eine akustische Oberflächenwelle umsetzt.

Aus der US-PS 39 74 464 ist ein Oberflächenwellen-Bauele­ ment mit einem elastischen Substrat und einem piezoelek­ trischen Film bekannt, der auf dem elastischen Substrat ausgebildet ist. Das bekannte Oberflächenwellen-Bauele­ ment weist eine untere Elektrode zwischen dem elastischen Substrat und dem piezoelektrischen Film sowie eine obere, als Wandler dienende kammförmige Elektrode auf dem piezo­ elektrischen Film auf.

Aus dem Aufsatz "Coldren, L. A.: Effect of bias field in a zinc-oxide-on-silocon acoustic convolver, Applied Physics Letters, Vol. 25, Nr. 9, 1974, Seiten 473 bis 475" ist ein akustischer Oberflächenwellenconvolver mit einer Trägersubstanz und einer darauf angeordneten piezoelek­ trischen Schicht bekannt, wobei auf der piezoelektrischen Schicht kammförmige Wandlerelektroden in Abstand vonein­ ander längs der Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen und zwischen den kammförmigen Elektro­ den eine Flächenelektrode als Ausgangselektrode vorgese­ hen sind. Die kammförmigen Elektroden erzeugen akustische Oberflächenwellen in zwei Ausbreitungsrichtungen.

Anhand der Fig. 1 wird nachstehend ein weiteres konven­ tionelles akustisches Oberflächenwellen-Bauelement ganz allgemein erläutert. Dabei handelt es sich um ein Filter mit einem piezoelektrischen Substrat 1. Auf dem piezo­ elektrischen Substrat 1 ist ein Eingangswandler 2 ange­ ordnet, der aus zwei ineinandergreifenden, kammförmigen Elektroden 2A und 2B besteht. Ferner ist auf dem piezo­ elektrischen Substrat 1 ein Ausgangswandler 3 vorgesehen, der aus zwei ineinandergreifenden, kammförmigen Elektro­ den 3A und 3B besteht. Ein dem Eingangswandler 2 zuge­ führtes elektrisches Signal wird in eine akustische Oberflächenwelle umgewandelt, die sich längs der Oberflä­ che des piezoelektrischen Substrates 1 fortpflanzt. Die akustische Oberflächenwelle erreicht den Ausgangswandler 3 und wird durch den Ausgangswandler 3 in ein elektri­ sches Signal zurückgewandelt. 5 bezeichnet eine an dem Ausgangswandler 3 angeschlossene elektrische Last. Die kammförmigen Elektroden 2A, 2B des Eingangswandlers sowie 3A, 3B des Ausgangswandlers sind sogenannte normierte Elektroden, bei denen jede Elektrodenfingerbreite W und jeder Zwischenraum L zwischen jeweils benachbarten, ineinandergreifenden Elektrodenfingern λ₀/4 beträgt, wobei λ₀ die Mittenfrequenz-Wellenlänge f₀ der betrach­ teten akustischen Oberflächenwelle bezeichnet.

Ein derartiges Filter mit einem Eingangs- und einem Ausgangswandler gemäß Fig. 1 ist mit elektromechanischen Umwandlungsverlusten behaftet und zeigt daher große Filterverluste, da jeder der Wandler 2 und 3 als soge­ nannter Zweirichtungswandler arbeitet und somit akusti­ sche Oberflächenwellen erzeugt, die sich - bezogen auf die Betrachtungsrichtung auf Fig. 1 - in Richtung nach links einerseits und in Richtung nach rechts andererseits ausbreiten.

Zur Vermeidung derartiger Verluste ist ein Ein-Richtungs- Wandler vorgeschlagen worden, der eine akustische Ober­ flächenwelle nur zu einer Seite hin bzw. in eine Richtung längs der Oberfläche des piezoelektrischen Substrates entstehen läßt. Ein derartiger konventioneller Wandler wird nachstehend ganz allgemein anhand der Fig. 2 erläu­ tert. Der in Fig. 2 dargestellte Wandler weist kammförmi­ ge Elektroden 6A, 6B und 6C auf, die über einen 120° Phasenschieber 7 mit einer Signalquelle 4 verbunden sind, um die jeweiligen Elektroden 6A, 6B und 6C mit einem Signal und einem Phasenunterschied von jeweils 120° zu versorgen, so daß sich akustische Oberflächenwellen nur in einer Richtung fortpflanzen. Dieser Ein-Richtungs- Wandler muß jedoch mit Leitungskreuzungen 8 in zwei Höhen ausgebildet sein, indem beispielsweise Zwischenräume oder Isolierfilme zwischen wenigstens zwei phasenverschiedenen Elektroden 6B und 6C vorgesehen werden. Dies bedingt jedoch ein kompliziertes Herstellungsverfahren, eine vergleichsweise schlechte Produktivität und vergleichs­ weise hohe Herstellungskosten.

Ein akustisches Oberflächenwellen-Bauelement der zuletzt genannten Art ist beispielsweise aus der US-PS 40 87 714 bekannt, wobei die Mittenabstände der in Ausbreitungs­ richtung nebeneinanderliegenden Elektrodenfinger der um jeweils 120° phasenverschieden angesteuerten Elektroden ein Drittel der Wellenlänge der akustischen Oberflächen­ welle betragen.

Fig. 3 zeigt einen weiteren konventionellen Wandler. Dieser umfaßt einen Energieversorgungsteil und einen reflektierenden Teil einschließlich normierter kammförmi­ ger Elektroden 9A und 9B und eine beiden Teilen gemeinsa­ me Elektrode 10. Der Energieversorgungsteil mit der Elektrode 9A ist über eine Anpassungsschaltung 11 mit der Signalquelle 4 verbunden, während der reflektierende Teil mit der Elektrode 9B mit einer Reaktanzschaltung 12 verbunden ist, so daß der reflektierende Teil 9B nach links wandernde Anteile der akustischen Oberflächenwellen reflektiert, die sich vom Energieversorgungsteil mit der Elektrode 9A sowohl in Richtung nach rechts als auch in Richtung nach links fortpflanzen. Dadurch ist es möglich, daß die akustischen Oberflächenwellen nur in die Richtung nach rechts laufen.

Dieser Ein-Richtungs-Wandler umfaßt jedoch normierte Elektroden 9A und 9B, deren Elektrodenfingerbreite W und deren Zwischenraum L zwischen benachbarten Elektrodenfin­ gern jeweils λ₀/4 betragen. Die akustischen Oberflächen­ wellen, die durch die jeweiligen Elektrodenfingerspitzen der Elektroden 9A und 9B reflektiert werden, stimmen somit in ihren Phasen überein, wodurch die Zwischenelek­ trodenreflexionen verstärkt werden und somit die Beschaf­ fenheit des Bauelementes beeinträchtigt wird. Zur Vermei­ dung dieses Nachteils ist ein Doppelelektrodenwandler vorgeschlagen worden, der in Fig. 4 dargestellt ist. Bei diesem Wandler ist jeder Elektrodenfinger der ineinander­ greifenden kammförmigen Elektroden 2A und 2B in zwei Teile unterteilt, so daß jede Elektrodenfingerbreite W und jeder Zwischenraum L zwischen den Elektroden λ₀/8 beträgt.

Hierdurch werden die Einflüsse durch reflektierende Wellen vermindert, da die reflektierenden Wellen an den jeweiligen Elektrodenfingerspitzen in ihren Phasen um 180° verschieden sind, d. h. entgegengesetzte Phasen haben, und einander entgegenwirken. Die Herstellung derartiger Doppelelektrodenwandler erfordert jedoch eine extrem hohe Arbeitsgenauigkeit bei der Ausbildung der Elektroden, da mit höherer Frequenz die Wellenlänge λ kleiner wird. Falls die Mittenfrequenz 1 GHz beträgt und das piezoelektrische Substrat, wie häufig, aus Lithium­ niobat besteht, betragen λ₀/4 annähernd 0,87 µm und λ₀/8 annähernd 0,44 µm. Selbst unter Anwendung neuester Präzisionstechniken ist es schwierig, exemplarstreuungs­ freie Bauelemente mit derart extrem kleinen Elektroden­ maßen herzustellen.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Oberflächenwellen-Bauelement der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art dahingehend zu verbessern, daß es verlustarm funktioniert und dennoch herstellungstech­ nisch einfach aufgebaut ist.

Zur Lösung dieses Problems wird erfindungsgemäß vorge­ schlagen, ein Oberflächenwellen-Bauelement der im Oberbe­ griff des Anspruchs 1 genannten Art gemäß den kennzeich­ nenden Merkmalen des Anspruchs 1 auszubilden.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Oberflä­ chenwellen-Bauelementes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert:

Fig. 1, 3 und 4 zeigen Draufsichten auf herkömmliche Bau­ elemente.

Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein herkömmliches Bauelement.

Fig. 5a und 5b zeigen eine Draufsicht und eine Schnittan­ sicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 6 zeigt einen vergrößerten Teil der Elektrode desselben Ausführungsbeispiels.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Fig. 5a und 5b zeigen eine Draufsicht und eine Schnittansicht eines Teiles eines akustischen Oberflächenwellenbauelementes nach der Erfindung, das einen Eingangswandler aufweist. Das piezoelektrische Substrat 1 umfaßt eine elastische Platte 12 und einen piezoelektrischen Film 13, der auf die elastische Platte 12 aufgebracht ist. Eine rechtwinklige untere Elektrode 14 ist auf der elastischen Platte 12 ausgebildet, während eine obere Elektrode 15, die aus einer Vielzahl von kammförmigen Elektroden 15A, 15B und 15C besteht, auf dem piezoelektrischen Film 13 vorgesehen ist und der unteren Elektrode 14 gegenüberliegt. In dieser Weise ist ein sog. Einphasenwandler aufgebaut. Die kammförmigen Elektroden 15A, 15B und 15C sind in Fortpflanzungsrichtung X der mittels des Wandlers anzuregenden akustischen Oberflächenwellen in einer Linie ausgerichtet und haben einen Abstand l₁ oder l₂ voneinander. Die beiden Abstände l₁ und l₂ entsprechen jeweils ganz­ zahligen Vielfachen von λ₀/3. Beispielsweise ist l₁ gleich λ₀/3·n₁, während l₂ gleich λ₀/3·n₂ ist. Die Anzahl der kammförmigen Elektroden ist gleich drei. Die Breite W jedes Elektrodenfingers der kamm­ förmigen Elektroden 15A, 15B und 15C und der Abstand L zwischen jeweils benachbarten Elektrodenfingern betragen λ₀/2 jeweils.

Der in der Figur nicht dargestellte Ausgangswandler ist identisch aufgebaut.

Wenn bei einer derartigen Anordnung elektrische Signale an den kammförmigen Elektroden 15A, 15B und 15C mit einem Phasenunterschied von 120° von einer Signalquelle 16 an­ liegen, die zwischen die obere Elektrode 15 und die untere Elektrode 14 geschaltet ist, werden zwischen der unteren Elektrode 14 und den jeweiligen kammförmigen Elektroden 15A, 15B und 15C der oberen Elektrode 15 elektrische Felder erzeugt, so daß akustische Oberflächenwellen von den jeweiligen kammförmigen Elektroden 15A, 15B und 15C angeregt werden.

Die akustischen Oberflächenwellen von den kammförmigen Elektroden laufen sowohl in die Richtung nach rechts als auch nach links. Da in diesem Fall die Abstände zwischen den jeweiligen Elektroden und die Phasen der Signale, die an den jeweiligen Elektroden liegen, so gewählt sind, daß eine bestimmte Bedingung erfüllt ist, unterscheiden sich die akustischen Oberflächenwellen, die in die -X- Richtung laufen voneinander in ihren Phasen um 120°, während die Wellen, die in die +X-Richtung gemäß dem Pfeil X laufen, alle in ihren Phasen übereinstimmen.

Da die akustischen Oberflächenwellen, die in die -X-Rich­ tung laufen, einander entgegenwirken, während die Wellen, die in die X-Richtung laufen, einander verstärken, erlaubt daher der Wandler eine Fortpflanzung von akustischen Oberflächenwellen nur in die X-Richtung.

Der Wert λ₀/2 der Elektrodenfingerbreite W und des Elektrodenfingerabstandes L der jeweiligen kammförmigen Elektroden 15A , 15B und 15C beträgt das zweifache oder das vierfache des Wertes der herkömmlichen normierten Elektrode oder Doppelelektrode. Bei der Herstellung der Elektroden ist daher eine zu grosse Genauigkeit nicht erforderlich. Das führt zu einer höheren Produktivität und zu einer Verringerung der Herstellungskosten des Bauelementes. Insbesondere können Wandler zur Verwendung im Hochfrequenzband leicht hergestellt werden.

Aufgrund des Wertes λ₀/2 des Elektrodenfingerabstandes L unterscheiden sich die reflektierenden Wellen F₁ und F₂ die an den jeweiligen Elektrodenfingerspitzen E₁ und E₂ erzeugt werden, in ihren Phasen um 180°, so daß sie einander entgegenwirken. Einflüsse durch die Zwischen­ elektrodenreflexion werden daher in einem derartigen Ausmaß vermindert, daß sichergestellt ist, daß der Wandler die Eigenschaft der Ausrichtung in eine Richtung hat.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er­ findung, bei dem ein halbleitendes Substrat 12′ verwandt ist. In diesem Fall ist ein Bereich 17 mit niedrigem Widerstand dadurch gebildet, dass Störstellen in einen gegebenen Bereich des halbleitenden Substrates 12′ dotiert sind, so daß dieser Bereich als untere Elektrode dienen kann. Ein leitender Film, der als untere Elektrode wirkt, erübrigt sich dann. Die Verwendung des halbleitenden Substrates erlaubt es weiterhin, andere funktionelle integrierte Schaltungen des Oberflächenwellenbauelementes in das Substrat einzubauen, was die Verwendbarkeit des Bauelementes vergrößert.

Der piezoelektrische Film 13 kann aus Zinkoxid (ZnO), Aluminiumnitrid (AlN) usw. durch Aufdampfen, chemisches Bedampfen oder ein anderes ähnliches Verfahren ausgebildet werden.

Vorausgesetzt, daß die jeweiligen Elektrodenfinger um ein ganzzahliges Vielfaches von λ₀/3 beabstandet sind, können ggf. auch mehr als die drei kammförmigen Elektroden, die bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel verwandt wurden, die obere Elektrode bilden.

Claims (6)

1. Oberflächenwellen-Bauelement mit einem elastischen Substrat (12) und einem piezoelektrischen Film (13), der auf dem elastischen Substrat (12) ausgebildet ist, und mit einer unteren Elektrode (14, 17), die zwischen dem elastischen Substrat (12, 12′) und dem piezoelek­ trischen Film (13) ausgebildet ist, gekennzeichnet durch drei kammförmige obere Elektroden (15A, 15B, 15C), die auf dem piezoelektrischen Film (13) gegenüber der unteren Elektrode (14, 17) längs der Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen ausgebildet sind, wobei jede obere Elektrode (15A, 15B, 15C) und die untere Elektrode (14, 17) gemeinsam einen Ein-Richtungs-Wandler bilden, der elektroakustische Oberflächenwellen in einer einzigen Ausbreitungsrichtung erzeugt.

2. Oberflächenwellen-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kammförmigen Elektroden (15A, 15B, 15C) in einem Abstand voneinander gleich einem ganzzahligen Vielfachen eines Drittels der Wellenlänge bei der Mittenfrequenz einer akustischen Oberflächen­ welle angeordnet sind.

3. Oberflächenwellen-Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kammförmigen Elektroden (15A, 15B, 15C) derart ausgebildet sind, daß die Breite jedes Elektrodenfingers und der Abstand zwischen den jeweiligen Elektrodenfingern jeweils gleich der Hälfte der Wellenlänge sind.

4. Oberflächenwellen-Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (16) vorgesehen ist, die die drei kammförmigen Elektroden (15A, 15B, 15C) mit elektrischen Signalen versorgt, deren Phasen sich um jeweils 120° unterscheiden.

5. Oberflächenwellen-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Substrat (12′) aus einem halbleitenden Material besteht.

6. Oberflächenwellen-Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Substrat (12′) einen Bereich (17) mit kleinem Widerstand einschließt, der als untere Elektrode wirkt.