DE3324228C2 - Akustisches Oberflächenwellen-Bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein akustisches Oberflächenwellen- Bauelement.

Ein akustisches Oberflächenwellen-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 Berg­ kristall, Lithiumniobat (LiNbO₃) usw. ein piezoelektrisches keramisches Material oder ein dünner piezoelektrischer Film verwandt wird, der auf einem nicht piezoelektrischen Substrat angeordnet ist. Akustische Oberflächenwellen- Bauelemente werden immer häufiger als ver­ schiedene elektronische Bauteile, insbesondere als Filter, eingesetzt.

Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung zeigt ein Beispiel eines als Filter verwandten, z. B. aus der DE-OS 25 28 256 bekannten akustischen Oberflächenwellen- 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 kamm­ förmigen 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, die sich entlang der Oberfläche des piezoelektrischen Substrates 1 fortpflanzen und nach Erreichen des Aus­ gangswandlers 3 wieder in elektrische Signale umgewandelt werden und von einer Last 5 ausgegeben werden.

Die Breite W jedes Elektrodenelementes der kammförmigen 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 vor­ bestimmten Wert λ₀/4, wobei λ₀ die Wellenlänge der Mittenfrequenz f₀ der benutzten akustischen Oberflächen­ wellen ist. D.h., daß die Elektroden als Normalelektroden ausgebildet sind.

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

Um derartige Einflüsse aufgrund von reflektierten Wellen zu vermindern, ist der in Fig. 2 dargestellte, ebenfalls aus der DE-OS 25 28 256 bekannte Doppelelektro­ denwandler 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 Ein­ flüsse infolge der reflektierten Wellen vermindert sind.

In Hinblick darauf, daß die Frequenz bei den jüngsten Oberflächenwellenbauelementen immer mehr angestiegen ist und die Wellenlänge λ₀ 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 λ₀/4 = 0,87 µm und λ₀/8 = 0,44 µm. 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 z. B. in einem Artikel "Single-Phase and Balanced Separate Comb Transducer Configurations in a ZnO/Si SAW Structure" von Melloch, Gunshor, Pierret, IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Vol. SU-29, Nr. 1, Januar 1982, Einphasen­ wandler 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 ange­ ordneten piezoelektrischen Film 7 als piezoelektrisches Substrat 1 verwenden, wobei eine untere Elektrode 8 auf dem elastischen Substrat 1 angeordnet ist und kamm­ förmige Elektroden 9A und 9B, bei denen die Breite jedes Elektrodenelementes und der Abstand dazwischen gleich λ₀/2 ist, auf dem piezoelektrischen Film 7 der unteren Elektrode 8 gegenüber angeordnet sind.

Wenn bei diesem Aufbau eine 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 elektrischen 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 Elektrode gehört und der Abstand L dazwischen gleich λ₀/2 sind, werden die Anforderungen an die Genauig­ keit der Herstellungstechniken gemildert und wird es mög­ lich, die Herstellungsausbeute zu erhöhen.

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

Es kann aufgrund dieser Tatsache ein in der Fachwelt als "feed through effect" bekannter Effekt auftreten, der zu einer direkten elektromagnetischen Kopplung der beiden Wandler 9A und 9B führt. Dabei kann dann der Fall eintre­ ten, daß elektrische Eingangssignale nicht in elastische Oberflächenwellen umgewandelt, sondern als elektromagne­ tische Wellen direkt übertragen werden. Zwischen der Aus­ gangselektrode 9B und der unteren Elektrode 8 können daher zusammen mit solchen Signalen, die durch Rückwandlung akustischer Oberflächenwellen entstehen, durch den vor­ genannten Effekt hervorgerufene Signale auftreten. Hier­ durch kann die Filtercharakteristik des Bauelements in nachteiliger Weise beeinflußt werden.

Der vorgenannte Artikel gibt zu diesem Problem eine Lö­ sungsmöglichkeit an, indem zu einem Aufbau des Bauelement übergegangen wird, bei dem jeder Wandler zwei quer zur Aus­ breitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen ein­ ander gegenüberliegende Kammelektroden mit nicht inein­ andergreifenden Fingern umfaßt. Beide Kammelektroden werden in ähnlicher Weise wie die eingangs besprochenen, herkömm­ lichen Interdigitalwandler symmetrisch angeregt. Die Wand­ ler sind jedoch weiterhin als Einphasenwandler ausgebildet. Bei einem derartigen Rauelement sind die Einflüsse infolge mechanisch reflektierter akustischer Oberflächenwellen so­ wie die Einflüsse infolge des "Feed Through"-Effekts we­ sentlich herabgesetzt. Darüber hinaus ist seine Herstellung wesentlich erleichtert, da selbst in Hochfrequenzbereichen kammförmige Elektroden mit vergleichsweise großen Elek­ trodenbreiten verwendet werden können.

Die Erfindung geht von einem akustischen Oberflächenwellen- Bauelement in Form eines bidirektionalen Wandlers zur Er­ zeugung einer akustischen Oberflächenwelle gemäß dem soeben diskutierten Aufbau eines Einphasenwandlers mit zwei Kammelektroden aus. Hierzu umfaßt das Bauelement ein ela­ stisches Substrat, eine auf dem elastischen Substrat an­ geordnete untere Elektrode, einen über der unteren Elek­ trode vorgesehenen piezoelektrischen Film und eine auf dem piezoelektrischen Film angeordnete, die untere Elektrode überlappende obere Elektrodenstruktur mit zwei im Abstand voneinander angeordneten Kammelektroden, welche eine Mehr­ zahl elektrisch leitender und elektrisch miteinander ver­ bundener, quer zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle ausgerichteter, paralleler Finger auf­ weisen, wobei die beiden Kammelektroden derart angeordnet sind, daß ihre Finger nicht ineinandergreifen.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie bei einem akustischen Oberflächenwellen- Bauelement der gattungsgemäßen Art eine gewünschte Über­ tragungsfunktion des Bauelements erreicht werden kann.

Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zur Erzeugung eines gewünschten Frequenzgangs des Ober­ flächenwellen-Bauelements die Größe der Flächenbereiche, in welchen die Finger der oberen Elektrodenstruktur und die untere Elektrode sich überlappen, in Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen variiert und sich hierzu die Länge der Finger und/oder die Form der unteren Elektrode ändert.

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

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf ein bekanntes akustisches Oberflächenwellen-Bauelement.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres bekanntes akustisches Oberflächenwellen-Bau­ element.

Fig. 3a und 3b zeigen eine Draufsicht und eine Querschnitts­ ansicht jeweils noch eines weiteren bekannten akustischen Oberflächenwellen- Bauelementes.

Fig. 4a und 4b zeigen eine Draufsicht und eine Querschnitts­ ansicht jeweils eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen akustischen Oberflächen­ wellen-Bauelementes.

Fig. 5 bis 8 zeigen Draufsichten auf weitere Ausführungs­ beispiele des erfindungsgemäßen akustischen Oberflächenwellen-Bauelementes.

Fig. 9 zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen akustischen Oberflächenwellen- 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 Querschnitts­ ansicht jeweils des Eingangswandlers eines Ausführungs­ beispiels des erfindungsgemäßen akustischen Oberflächen­ wellen-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 kamm­ förmigen Elektroden 11A und 11B, die auf dem piezoelektri­ schen 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 λ₀/2 in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Ober­ flächenwellen gegeneinander verschoben sind und einander gegenüber angeordnet sind. Die Breite jedes Elektroden­ elementes oder Fingers kammförmigen Elektroden 11A und 11B und der Abstand L zwischen den Elektrodenelementen sind so ge­ wählt, daß beide gleich λ₀/2 sind. Weiterhin sind die kammförmigen Elektroden 11A und 11B, die einander gegenüber­ liegen, so ausgebildet, daß die effektive Länge der offenen Zwischenräume zwischen zwei benachbarten Elektrodenelementen sich nach einer Wichtungsfunktion ω (X) in X-Richtung ändert, so daß die Elektrodenelemente eine gekürzte bzw. beschnittene Elektrode bilden. Die Länge der Elektroden­ elemente der kammförmigen Elektroden 11A und 11B ändert sich somit in Fortpflanzungsrichtung der erzeugten akustischen Oberflächenwellen nach der Wichtungsfunktion ω (X). Diese Wichtungsfunktion kann durch eine inverse Fourier- Transformation des gewünschten Frequenzganges erhalten wer­ den. Der Ausgangswandler ist so ausgebildet, daß er ebenfalls die gleiche Grundgestalt 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 S₂ angeregt, die sich in X-Richtung von jedem Elektroden­ element 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 unteren Elektrode 10 erzeugt wird.

Da in diesem Fall die Elektrodenelemente der kammförmigen Elektroden 11A und 11B um λ₀/2 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 S₁ 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 vorhanden ist, der demjenigen Bereich gegenüber­ liegt, in dem akustische Oberflächenwellen erzeugt werden sollen, d. h. dem Bereich, der von der Wichtungsfunktion ω (X) umgeben ist.

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

Fig. 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem die kammförmigen Elektroden in einer Linie so angeordnet sind, daß sie voneinander einen Abstand gleich einem ganz­ zahligen Vielfachen von λ₀/2 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. be­ schnittene Elektrode ausgebildet und den kammförmigen Elektroden 11A und 11B gegen­ überliegend angeordnet ist, welche 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 Elektro­ denelementen gleich λ₀/2 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 λ₀/2 zwischen zwei benachbarten Elektrodenelementen gewählt ist,wie es oben erwähnt wurde, haben die reflektierten Wellen F₁ und F₂, die an den Enden jedes Elektrodenelementes E₁ und E₂ 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 Elektroden­ elementen vermindert werden können und gleichfalls wellen­ förmige Änderungen im Frequenzgang herabgesetzt werden können.

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 10′ mit niedrigem Widerstand dadurch gebildet werden, daß ein bestimmter Bereich des Halbleitersubstrates mit Störstellen datiert 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 Halbleiter­ substrates ist es in dieser Weise möglich, Oberflächen­ wellen ausbildende Bauelemente und integrierte elektronische Schaltungen in einem Körper anzubringen. Es wird somit eine Anwendbarkeit des akustische Oberflächenwellen aus­ bildenden 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 Bedampfen usw. 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 des "feed-through"-Effekts vermindert werden können. Da die Breite der Elektroden­ elemente selbst in Hochfrequenzbereichen relativ groß sein kann, ist weiterhin das erfindungsgemäße akustische Oberflächenwellen ausbildende Bauelement leicht her­ zustellen, wobei die Mängel der bekannten Bauelemente beseitigt werden können.

Claims (8)

1. Akustisches Oberflächenwellen-Bauelement in Form eines bidirektionalen Wandlers zur Erzeugung einer akustischen Oberflächenwelle, umfassend:

• - ein elastisches Substrat (6)
• - eine auf dem elastischen Substrat (6) angeordnete untere Elektrode (10)
• - einen über der unteren Elektrode (10) vorgesehenen piezoelektrischen Film (7) und
• - eine auf dem piezoelektrischen Film (7) angeord­ nete, die untere Elektrode (10) überlappende obere Elektrodenstruktur mit zwei im Abstand voneinander angeordneten Kammelektroden (11A, 11B), welche jeweils eine Mehrzahl elektrisch leitender und elektrisch miteinander verbundener, quer zur Aus­ breitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle ausgerichteter, paralleler Finger aufweisen, wobei die beiden Kammelektroden (11A, 11B) derart ange­ ordnet sind, daß ihre Finger nicht ineinandergrei­ fen,
  dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines gewünschten Frequenzgangs des Oberflächenwellen-Bauelements die Größe der Flä­ chenbereiche, in welchen die Finger der oberen Elek­ trodenstruktur und die untere Elektrode (10) sich überlappen, in Ausbreitungsrichtung der Oberflächen­ welle variiert und sich hierzu die Länge der Finger und/oder die Form der unteren Elektrode (10) ändert.

2. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Finger der einen Kammelek­ trode (11A) den Fingern der anderen Kammelektrode (11B) gegenüberliegen und um eine halbe Wellenlänge der gewählten Mittenfrequenz der akustischen Oberflächenwellen gegenein­ ander in der Ausbreitungsrichtung verschoben sind.

3. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Breite jedes Fingers als auch der Abstand zwischen diesen gleich der halben Wellenlänge der gewählten Mittenfrequenz der akustischen Oberflächenwellen sind.

4. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kammelektroden (11A, 11B) in Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächen­ welle hintereinander angeordnet sind und voneinander einen Abstand haben, der gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der gewählten Mittenfrequenz der akusti­ schen Oberflächenwelle ist.

5. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die an die Kammelektroden (11A, 11B) bezüglich der unteren Elektrode (10) symmetrische elektrische Signale legt.

6. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elasti­ sche Substrat (6) aus einem Halbleitermaterial besteht, in dessen Oberfläche ein Bereich (10′) mit niedrigem Wider­ stand eindotiert ist, der die untere Elektrode (10) bildet.

7. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Elektrode (10) im wesentlichen rechteckig ist und die Länge der Finger der Kammelektroden (11A, 11B) von einem Finger zum nächsten variiert.

8. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Finger der Kammelektroden (11A, 11B) gleich lang sind und die Abmessungen der unteren Elektrode (10) variieren.