DE3324228A1

DE3324228A1 - Akustische oberflaechenwellen ausbildendes bauelement

Info

Publication number: DE3324228A1
Application number: DE19833324228
Authority: DE
Inventors: Shoichi Minagawa; Teruo Tokyo Niitsuma; Takeshi Okamoto
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1982-07-06
Filing date: 1983-07-05
Publication date: 1984-01-12
Anticipated expiration: 2003-07-06
Also published as: DE3324228C2; JPS598417A; US4531107A; GB8318214D0; GB2126036A; GB2126036B; JPH0410764B2

Description

Akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement

Die Erfindung betrifft ein akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement, bei dem Einflüsse aufgrund mechanisch reflektierter akustischer Oberflächenwellen vermindert sind.

Ein akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement ist so aufgebaut, dass elektrische Signale in akustische Oberflächenwellen durch einen Wandler umgewandelt werden, der auf einem piezoelektrischen Substrat ausgebildet ist, und dass die akustischen Oberflächenwellen sich entlang der Oberfläche des Substrates fortpflanzen, indem ein piezoelektrisches Material, wie beispielsweise Bergkristall, Lithiumniobat (LiNbO-,) usw. ,ein piezoelektrisches keramisches Material oder ein dünner piezoelektrischer Film verwandt wird, der auf einem nicht piezoelektrischen Substrat angeordnet ist. Akustische Oberflächenwellen ausbildende Bauelemente werden immer häufiger als verschiedene elektronische Bauteile, insbesondere als Filter, eingesetzt.

Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung zeigt ein Beispiel eines als Filter verwandten akustische Oberflächenwellen ausbildenden Bauelementes mit einem piezoelektrischen Substrat 1, einem Eingangswandler 2, der aus einem Paar von kammförmigen Elektroden 2A und 2B besteht, die ineinandergreifen, und einem Ausgangswandler 3, der aus einem Paar von kammförmigen Elektroden 3A und 3B besteht, die ineinandergreifen. Das Bauelement ist so aufgebaut, dass elektrische Signale, die von einer Signalquelle 4 kommen und am Eingangwandler 2 liegen, in akustische Oberflächenwellen umgewandelt werden,

-S-

die sich entlang der Oberfläche des piezoelektrischen Substrates 1 fortpflanzen und nach Erreichen des Ausgangswandler 3 wieder in elektrische Signale umgewandelt werden und von einer Last 5 ausgegeben werden. 5

Die Breite W jedes Elektrodenelementes der kammerförmigen Elektroden und der Abstand L zwischen benachbarten Elektrodenelementen, die zu verschiedenen kammförmigen Elektroden 2A/ 2B oder 3A, 3B gehören, die den Eingangs- oder Ausgangswandler 2, 3 bilden, sind gleich einem vorbestimmten Wert λ _n/4, wobei ^_n die Wellenlänge der Mittenfreguenz f« der benutzten akustischen Oberflächenwellen ist. D.h., dass die Elektroden als Normalelektroden ausgebildet sind.

Ein Filter, das mit Wandlern versehen ist, die aus Normalelektroden bestehen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, hat den Nachteil, dass wellenartige Änderungen im Frequenzgang unvermeidlich sind, da infolge der Tatsache, dass die akustischen Oberflächenwellen, die durch die Enden der Elektrodenelemente reflektiert werden, in Phase miteinander sind, beträchtliche mechanisch reflektierte Wellen hervorgerufen werden.

Um derartige Einflüsse aufgrund von reflektierten Wellen zu vermindern, ist der in Fig. 2 dargestellte Doppelelektrodenwandler vorgeschlagen worden. Dieser Aufbau ist derart, dass jedes fingerförmige Elektrodenelement der Paare von kammförmigen Elektroden 2A, 2B und 3A, 3B in zwei Teile unterteilt ist. Infolge dieser Anordnung unterscheidet sich die Phase der Wellen, die vom Ende eines der beiden Teile reflektiert werden, um 180° von der Phase der anderen Wellen, so dass diese einander kompensieren und die Einflüsse infolge der reflektierten Wellen vermindert sind.

In Hinblick darauf, dass die Frequenz bei den jüngsten Oberflächenwellenbauelementen immer mehr angestiegen ist und die Wellenlänge X. _n mit zunehmender Frequenz immer kleiner wird, ist eine hohe Genauigkeit für die Her-Stellungstechnik der kammförmigen Elektroden erforderlich. Bei Lithiumniobat, das am häufigsten als piezoelektrisches Material verwandt wird und eine Mittenfrequenz von 1 GHz hat, beträgt >i_o/4 = 0,87 μΐη und A_Q/8 = 0,44 μπι. Diese Abstände sind mit einer guten Reproduzierbarkeit selbst dann schwer zu verwirklichen, wenn die neuesten Mikroherstellungstechniken angewandt werden, so dass es unvermeidlich ist, dass die Herstellungsausbeute abnimmt.

Um diese Mängel zu beseitigen, sind weiterhin Einphasenwandler vorgeschlagen worden, wie sie in Fig. 3a und 3b dargestellt sind. Diese Wandler sind so aufgebaut, dass sie ein elastisches Substrat 6 und einen darauf angeordneten piezoelektrischen Film 7 als piezoelektrisches Substrat 1 verwenden, wobei eine untere Elektrode 8 auf dem elastischen Substrat 1 angeordnet ist und kartunförmige Elektroden 9A und 9B, bei denen die Breite jedes Elektrodenelementes und der Abstand dazwischen gleich

X. ₀/2 ist, auf dem piezoelektrischen Film 7 der unteren Elektrode 8 gegenüber angeordnet sind.

Wenn bei diesem Aufbau ein Signalquelle 4 zwischen die obere Elektrode 9A und die untere Elektrode 8 geschaltet ist, die an Masse liegt, wird durch ein elektrisches Feld aufgrund einer an der oberen Elektrode liegenden elektrischer Spannung eine mechanische Spannung erzeugt. In dieser Weise werden akustische Oberflächenwellen erregt, die sich in der durch den Pfeil angegebenen Richtung fortpflanzen. Da die Breite jedes Elektrodenelementes, das zu nur einer kammförmigen Elektrcde gehört und der Abstand L dazwischen gleich I _Q/2 sind, werden die Anforderungen an die Genauig-

keit der Herstellungstechniken gemildert und wird es möglich, die Herstellungsausbeute zu erhöhen.

Dieser Aufbau ist jedoch vom sog. unsymmetrischen Energieversorgungstyp, bei dem das Signalpotential bezüglich des Massepotentials anliegt.

Infolge dieser Tatsache wird die Erscheinung des sog. durchgehenden Feldes hervorgerufen, durch die elektrische Eingangssignale nicht in elastische Oberflächenwellen umgewandelt, sondern als direkte Wellen übertragen werden. Bei einem derartigen Bauelement treten folglich Signale aufgrund des durchgehenden Feldes zusammen mit den Signalen aufgrund der akustischen Oberflächenwellen zwischen der Ausgangselektrode 9B und der unteren Elektrode 8 auf. Dieses Bauelement hat daher den Nachteil, dass seine übertragungscharakteristik als Filter beeinträchtigt ist.

Durch die Erfindung sollen die Einflüsse infolge mechanisch reflektierter akustischer Oberflächenwellen und der Erscheinung des durchgehenden Feldes bei einem akustische Oberflächenwellen ausbildenden Bauelement herabgesetzt werden.

Weiterhin soll gemäss der Erfindung die Herstellung eines akustische Oberflächenwellen ausbildenden Bauelementes dadurch erleichtert werden, dass es ermöglicht wird, kammförmige Elektroden zu verwenden, die eine relativ grosse Elektrodenbreite selbst in Hochfrequenzbereichen haben.

Dazu ist das erfindungsgemässe akustische Oberflächenwellen ausbildende Bauelement so aufgebaut, dass eine untere Elektrode auf einem elastischen Substrat angeordnet ist, dass eine obere Elektrode auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet ist, das aus einem elastischen Substrat und einem

darauf angeordneten piezoelektrischen Film besteht, und dass wenigstens eine Elektrode der unteren und oberen Elektrode als gekürzte bzw. beschnittene Elektrode ausgebildet ist,wobei deren Elektrodenfinger verschiedene Längen haben, so dass die Spitzen der Elektrodenfinger eine halbe Periode einer Sinuskurve bilden.

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

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf ein bekanntes akustisc Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres bekanntes akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bau

element.

Fig. 3a zeigen eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht jeweils noch eines weiteren bekannten akustische Oberflächenwellen ausgebildenen

Bauelementes.

Fig. 4a zeigen eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht jeweils eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen akustische Oberflächen

wellen ausbildenden Bauelementes.

Fig. 5 zeigen Draufsichten auf verschiedene Ausführung beispiele des erfindungsgemässen akustische Oberflächenwellen ausbildenden Bauelementes.

Fig. 9 zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen akustische Oberflächenwellen ausbildenden

5 Bauelementes, dessen Aufbau den in Fig. 4a und

5 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispielen gemeinsam sein kann.

Fig. 4a und 4b zeigen eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht jeweils des Eingangswandlerteiles eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen akustische Oberflächenwellen ausbildenden Bauelementes. Ein piezoelektrisches Substrat 1 besteht aus einem elastischen Substrat 6 und einem darauf angeordneten piezoelektrischen Film 7. Eine untere Elektrode 10 besteht aus einer rechteckigen Elektrode, die auf dem elastischen Substrat 6 angeordnet ist,und eine obere Elektrode 11 besteht aus zwei kammförmigen Elektroden 11A und 11B, die auf dem piezoelektrischen Film 7 angeordnet sind. In dieser Weise ergibt sich ein sog. Einphasenwandler. Die kammförmigen Elektroden 11A und 11B sind auf dem piezoelektrischen Film 7 so der unteren Elektrode 10 gegenüber angeordnet, dass sie

um ^-0/2 in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen gegeneinander verschoben sind und einander gegenüber angeordnet sind. Die Breite jedes Elektrodenelementes der kammförmigen Elektroden 11A und 11B und der Abstand L zwischen den Elektrodenelementen sind so gewählt, dass beide gleich A _Q/2 sind. Weiterhin sind die

kammförmigen Elektroden 11A und 11B, die einander gegenüberliegen so ausgebildet, dass die effektive Länge der offenen Zwischenräume zwischen zwei benachbarten Elektrodenelernenten sich nach einer Wichtungsfunktion l*» (χ) in X-Richtung ändert, so dass die Elektrodenelemente eine gekürzte bzw. beschnittene Elektrode bilden. Die Länge der Elektrodenelemente der kammförmigen Elektroden 11A und 11B ändert sich somit in Fortpflanzungsrichtung der erzeugten akustischen Oberflächenwellen nach der Wichtungsfunktion to (X). Diese Wichtungsfunktion kann durch eine inverse Fourier-Transformation des gewünschten Frequenzganges erhalten werden. Der Ausgangswandler ist so ausgebildet, dass er die gleiche Form wie der oben beschriebene Eingangwandler hat.

Wenn bei dem oben beschriebenen Aufbau eine Signalquelle in Form einer symmetrischen Energieversorgung mit dem Eingangswandler verbunden ist, d.h. wenn die Signalquelle zwischen die beiden kammförmigen Elektroden, die die obere Elektrode bilden, geschaltet ist, und die untere Elektrode an Masse liegt, werden akustische Oberflächenwellen S₁ und S« angeregt, die sich in X-Richtung von jedem Elektrodenelement der kammförmigen Elektroden 11A und 11B fortpflanzen, die die obere Elektrode bilden, da ein elektrisches Feld zwischen den kammförmigen Elektroden 11A und 11B und der untere Elektrode 10 erzeugt wird.

Da in diesem Fall die Elektrodenelemente der kammförmigen Elektroden 11A und 11B um λ _Q/2 gegeneinander in Fortpflanzungs richtung X der akustischen Oberflächenwellen verschoben sind und die Phase der elektrischen Signale, die an den Elektroden 11A und 11B liegen, um 180° voneinander verschieden ist, sind die akustischen Oberflächenwellen S-] und S₂ in Phase miteinander.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die untere Elektrode 10 als ein grosses Rechteck ausgebildet. Dieselbe Wirkung kann jedoch auch erhalten werden, wenn die untere Elektrode nur in einem Bereich durch den piezoelektrischen Film 7 dem Bereich, in dem akustische Oberflächenwellen erzeugt sollen, d.h. dem Bereich gegenüber vorhanden ist, der von der Wichtungsfunktion w(χ) umgeben ist.

Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, ist es möglich, den Bereich zu wichten, in dem die akustischen Oberflächenwellen erzeugt werden, indem zwei kammförmige Elektroden 11A und 11B mit üblicher Form verwandt werden und die untere Elektrode 10 als gekürzte oder beschnittene Elektrode ausgebildet wird.

5 Fig. 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem die kammförmigen Elektroden in einer Linie so angeordnet sind,

dass sie voneinander einen Abstand gleich einem ganzzahligen Vielfachen von>i_n/2 in Fortpflanzungsrichtung X haben, so dass sie eine gekürzte bzw. beschnittene Elektrode bilden.

Fig. 7 zeigt noch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die untere Elektrode 10 als gekürzte bzw.beschnittene Elektrode ausgebildet und über den piezoelektrischen Film 7 den kammförmigen Elektroden 11A und 11B gegenüber angeordnet ist, die in einer Linie angeordnet sind=

Bei dem Aufbau, der in Fig. 6 und 7 dargestellt ist und bei dem die kammförmigen Elektroden 11A und 11B in einer Linie angeordnet sind, erregen die kammförmigen Elektroden akustische Oberflächenwellen S, die in Phase miteinander sind und sich in X-Richtung fortpflanzen.

Da bei dem Aufbau der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele die Breite W jedes Elektrodenelementes der kammförmigen Elektroden 11A und 11B und der Abstand L zwischen den Elektrodenelementen gleich Λ q/2 sind, sind diese Werte 2- bis 4-mal so gross wie die entsprechenden Werte bei bekannten Normal- oder Doppelelektroden. Die Anforderungen an die Genauigkeit der Herstellungstechnik können daher gemindert werden und die Herstellungsausbeute kann erhöht werden.

Dadurch, dass der Abstand A q/2 zwischen zwei benachbarten Elektrodenelementen gewählt ist,wie es oben erwähnt wurde, haben die reflektierten Wellen F., und F₂? die an den Enden jedes Elektrodenelementes E-j und E~ erzeugt werden, wie" es in Fig. 8 dargestellt ist, einen Phasenunterschied von 180°, so dass sie entgegengesetzte Phasen haben.Diese reflektierten Wellen können daher einander kompensieren. Das hat zur Folge, dass Einflüsse von Reflexionen zwischen den Elektrodenelementen vermindert werden können und gleichfalls wellenförmige Änderungen im Frequenzgang herabgesetzt werden können.

■Jl·

Als elastisches Substrat 6, das oben erwähnt wurde, kann weiterhin ein halbleitendes Material verwandt werden, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. In diesem Fall kann ein Bereich 10¹ mit niedrigem Widerstand dadurch gebildet werden, dass ein bestimmter Bereich des Halbleitersubstrates mit Störstellen dotiert wird, wobei dieser Bereich als untere Elektrode verwandt werden kann. Irgendein anderes leitendes Material, das als untere Elektrode dient, ist daher nicht notwendig. Unter Verwendung eines Halbleitersubstrates ist es in dieser Weise möglich, Oberflächenwellen ausbildende Bauelemente und integrierte elektronische Schaltungen in einem Körper anzubringen. Es wird somit eine Anwendbarkeit des akustische Oberflächenwellen ausbildenden Bauelementes in weiten verschiedenen Bereichen möglich.

Der oben erwähnte piezoelektrische Film 7 aus Zinkoxid (ZnO), Aluminiumnitrid (AlN) usw. kann durch ein bekanntes Aufdampfverfahren,durch chemisches Bedampfenusw. ausgebildet werden.

Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass aufgrund der Tatsache, dass das erfindungsgemässe akustische Oberflächenwellen ausbildende Bauelement eine untere Elektrode, die auf einem elastischen Substrat angeordnet ist,und eine obere Elektrode umfasst, die aus zwei kammförmigen Elektroden besteht, die auf einem piezoelektrischen Film angeordnet sind, der das elastische Substrat überdeckt,und dass wenigstens eine Elektrode der unteren und oberen Elektrode als gekürzte bzw. beschnittene Elektrode ausgebildet ist, der gewünschte Frequenzgang erhalten werden kann sowie die Einflüsse der mechanisch reflektierten akustischen Oberflächenwellen und der Erscheinung des durchgehenden Feldes vermindert werden können. Da die Breite der Elektroder elemente selbst in Hochfrequenzbereichen relativ gross

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sein kann, ist weiterhin das erfindimgsgemässe akustische Oberflächenwellen ausbildende Bauelement leicht herzustellen, wobei die Mangel der bekannten Bauelemente beseitigt werden können.

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Claims

. : :·· : :* -_:". ·: 3324278

Patentanwälte Dipl.-Ing! H*.*WEitrKMANN,'DipL*.-PHYS. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska/ ^Dr· ^J· Prechtel

8000 MÜNCHEN 86 Q 5. JuH 1983

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TELEGRAMM PATENTWEICKMANN MÜNCHEN

P/ht.

Clarion Co., Ltd., Tokyo, Japan

PATENTANSPRÜCHE

1_y Akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement, gekennzeichnet durch ein elastisches Substrat (6), eine untere Elektrode (10), die auf dem elastischen Substrat (6) angeordnet ist, einen piezoelektrischen Film (7), der so angeordnet ist, dass er die untere Elektrode (10) überdeckt, und eine obere Elektrode, die aus wenigstens zwei kammförmigen Elektroden (11A, B) besteht, die getrennt voneinander auf dem piezoelektrischen Film (7) der unteren Elektrode (10) gegenüber angeordnet sind, wobei die kammförmigen Elektroden (11A, 11B) als gekürzte bzw. beschnittene Elektroden ausgebildet sind, deren Elektrodenfinger verschiedene Längen haben, so dass die Spitzen der Elektrodenfinger eine halbe Periode einer Sinuskurve bilden.

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2. Akustische Oberflächenwellen ausbildendes Bauelement, gekennzeichnet durch ein elastisches Substrat (6), eine untere Elektrode (10), die auf dem elastischen Substrat (6) angeordnet ist, einen piezoelektrischen Film (7), der so angeordnet ist, dass er die untere Elektrode (10) überdeckt, und eine obere Elektrode, die aus wenigstens zwei kammförmigen Elektroden (11A, B) besteht, die getrennt voneinander auf dem piezoelektrischen Film (7) der unteren Elektrode (10)gegenüber angeordnet sind, wöbe: die untere Elektrode (10) als gekürzte bzw. beschnittene Elektrode ausgebildet ist.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die kammförmigen Elektroden (11A, B) so einander gegenüber angeordnet sind, dass die kammförmigen Elektroden (11A, B) gegeneinander in Fortpflanzungsrichtung der erzeugten akustischen Oberflächenwellen um die Hälfte der Wellenlänge der Mittenfrequenz der akustischen Oberflächenwellen verschoben sind.
4. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die kammförmigen Elektroden (11A, B) in einer Linie so angeordnet sind, dass die kammförmigen Elektroden (11A, B) um eine Strecke gleich der Hälfte der Wellenlänge für die Mittenfrequenz der erzeugten akustischen Oberflächenwellen multipliziert um eine ganze Zahl in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen voneinander getrennt angeordnet sind.
0 5. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass jede kammförmige Elektrode (11A, B) aus einer Vielzahl von Elektrodenelementen besteht, wobei die Breite jedes Elektrodenelementes und der Abstand dazwischen gleich der Hälfte der Wellenlänge für die Mittenfrequenz der erzeugten akustischen Oberflächenwellen sind.
6. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Anlegen von elektrischen Signalen in Form einer symmetrischen Energieversorgung an die obere und die untere Elektrode (11A, B, 10).
7. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass das elastische Substrat (6) aus einem Halbleitermaterial besteht.
8. Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet/ dass ein Bereich (10') mit niedrigem Widerstand in einem Aussenflächenteil des elastischen Substrates (6) aus einem Halbleitermaterial ausgebildet ist, wobei der Bereich (10') mit niedrigem Widerstand als untere Elektrode (10) dient.