DE4212517C2

DE4212517C2 - Oberflächenwellenanordnung mit mindestens zwei in Richtung der Hauptwellenausbreitung benachbarten Oberflächenwellen-Strukturen

Info

Publication number: DE4212517C2
Application number: DE19924212517
Authority: DE
Inventors: Kimon Dipl Ing Anemogiannis
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 1992-04-14
Filing date: 1992-04-14
Publication date: 1995-02-23
Anticipated expiration: 2012-04-15
Also published as: DE4212517A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Oberflächen wellenanordnung mit mindestens zwei in Richtung der Hauptwellenausbreitung benachbarten Oberflächenwellen-Struk turen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Beispielsweise aus der US-PS 4,965,479 bekannte Oberflächen wellenanordnungen der gattungsgemäßen Art besitzen mindestens zwei Oberflächenwellen-Strukturen, die (wenigstens zwei) Oberflächenwellenwandler für z. B. ein einfaches Filter bzw. die (wenigstens) eine Wandler- und (wenigstens) eine Reflek torstruktur für einen einfachen Resonator sind. Eine (Filter-) Anordnung mit zwei Wandlern kann auch zusätzlich noch einen oder mehrere Reflektoren und ggf. auch weitere Wandler haben und ein Resonator kann auch mehrere Wandler und/oder mehrere Reflektoren besitzen.

Solche Oberflächenwellen-Strukturen einer Oberflächenwellen anordnung sind auf einem piezoelektrischen Substrat vielfach in einer Achse bzw. einer Spur angeordnet. Diese Achse ist dann auch die Hauptwellenausbreitungsrichtung in einer sol chen Anordnung. Die Oberflächenwellen-Strukturen bestehen beim einen Wandler aus interdigital angeordneten Elektroden streifen mit zugehörigen Sammelschienen und beim einen Re flektor aus lediglich Streifen, die jedoch auch mit Sammel schienen kurzgeschlossen sein können. Bei einem einfachen Entwurf bzw. Design einer solchen Oberflächenwellenanordnung kann die Periodizität zweier benachbarter Oberflächenwellen- Strukturen bzw. können die Streifenpositionen derselben der art sein, daß keine Störung zwischen diesen vorliegt. Das heißt, daß zwei benachbarte Oberflächenwellen-Strukturen beispielsweise gleiche Periodizität haben und diese beiden Perioden auch phasenangepaßt ineinander übergehen.

Abweichend davon kann jedoch der sich aus vorgebbaren zu erfüllenden Eigenschaften einer solchen Oberflächenwellen anordnung ergebende Entwurf zwei oder mehrere benachbarte Oberflächenwellen-Strukturen vorsehen bzw. fordern, die keine solche Anpassung haben, also unterschiedliche Streifenposi tionen aufweisen. Solche unterschiedlichen Streifenpositionen ergeben sich aus einem solchen Abstand zwischen den jeweils endständigen Streifen von zwei benachbarten Oberflächenwel len-Strukturen, die verschieden ist von der Wellenlängenhal ben der Periodizität beider Strukturen. Der Abstand kann dabei ein Bruchteil nur einer halben Wellenlänge oder gleich der Summe mehrerer halber Wellenlängen plus einem solchen Bruchteil sein. Im allgemeinen ist der Oberflächenbereich des Substrats zwischen solchen benachbarten Oberflächenwellen- Strukturen frei von weiterer Oberflächenbelegung. Es kann dort aber auch eine großflächige, unstrukturierte Belegung vorhanden sein, die durch die Erfindung ersetzt wird.

Für verlustarme Oberflächenwellenanordnungen wird niedrige Einfügungsdämpfung auch bei hohem Selektionsvermögen gefor dert. Die Fig. 1 bis 6 zeigen in schematischer Darstellung bekannte einschlägige Oberflächenwellenanordnungen.

Fig. 1 zeigt ein auch aus der bereits genannten US-PS 4,965,479 bekannten Resonatorfilter, das für besonders schmalbandige Übertragungsfunktion zu verwenden ist.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Ausführungsformen eines aus der DE-OS 38 32 944 bekannten Zweispurfilters mit Kopplung der beiden Spuren durch spezielle Koppelwandler. Solche Anord nungen haben extreme Flankensteilheit sowie niedrige Einfü gungsdämpfung.

Fig. 4 zeigt ein aus der DE-OS 39 42 148 bekanntes Reflek torfilter, das insbesondere auf Quarz eine besonders geringe Substratoberfläche trotz geringen Verlustes benötigt.

Die Fig. 5 zeigt ein Filter mit zwei Einphasen-Unidirektio nalwandlern. In die beiden Wandler sind Reflektoren einge fügt, um eine optimale Unterdrückung des Triple-Transit- Signals zu erzielen.

Fig. 6 zeigt bin Filter, das aus zwei Phasenwandlern besteht. Bei einem solchen Wandler wird mit Hilfe eines Phasennetzwerkes eine unidirektionale Abstrahlung der akustischen Welle erreicht und gleichzeitig das Triple- Transit-Signal minimiert.

Unidirektionalwandler der vorgenannten Art sind beispielswei se aus 1983 Ultrasonics Symposium, S. 104-108 entnehmbar.

Verlustarmer Betrieb einer Oberflächenwellenanordnung ist bisher durch elektrische Fehlanpassung des Filters erzielt worden. Bei elektrischer Anpassung reflektiert nämlich der prinzipiell aus zwei akustischen und einem elektrischen Tor bestehende elektroakustische (Ausgangs-)Interdigitalwandler ein Viertel der Signalenergie des einlaufenden akustischen Signals. Es kommt damit zu einer starken Welligkeit im Durch laßbereich der Filterübertragungsfunktion. Aus diesem Grunde werden für die bekannten verlustarmen Oberflächenwellen- Strukturen solche Techniken angewendet, die das Dreitor- Wandlerprinzip durch spezielle Maßnahmen umgehen.

Auch bei elektrischer Anpassung besitzen verlustarme Ober flächenwellenfilter eine Einfügungsdämpfung von einigen dB. Grund dafür sind unter anderem Ohm′sche Effekte, akustische Fehlanpassung durch die Wandlerwichtung und/oder Ausbrei tungsverluste. Ein besonders störender Verlustmechanismus beruht auf Effekten, die von endständigen Wander- bzw. Re flektorstreifen ausgehen. Sie treten an denjenigen Stellen auf, wo die Streifenperiodizität gestört ist und sie führen außerdem zu Abstrahlung von Volumenmoden.

Alle Oberflächenwellenanordnungen der Fig. 1 bis 5 umfas sen eine Anzahl Oberflächenwellen-Strukturen, die jede für sich genommen eine Einheit ist. Abgesehen von Spezialfällen ergeben sich bei Erstellung eines Entwurfs für zwei jeweils benachbarte Strukturen zueinander unterschiedliche Streifen positionen. Das heißt, daß die Periodizität in der einen Struktur verschieden ist von derjenigen in der (jeweils) benachbarten Struktur. Dieser Unterschied ist eine hier rele vante Störung. Entsprechendes gilt für die Streifenpositionen benachbarten Strukturen. Soweit gefordert ist, daß solche Störungen nicht vorliegen, sind bisher bei bekannten Anord nungen zwangsläufig Änderungen der Streifenperiode und/oder Verschiebungen der betreffenden benachbarten Strukturen zueinander vorgenommen worden. Diese beiden Methoden reduzie ren beim Resonator der Fig. 1 die Kopplung und begrenzen den Freiraum für den Entwurf. Bei den Anordnungen der Fig. 2 und 3 tritt das gleiche Problem zwischen einem jeweiligen Wandler und Reflektor auf. Ebenfalls tritt ein solches Pro blem der Störung innerhalb eines Koppelwandlers der Anordnung der Fig. 2 und 3 auf, wenn diese Koppelwandler partiell gesplitterte Koppelwandler sind, nämlich wo Bereiche mit λ/4- breite Streifen und λ/8-Streifen aneinanderstoßen. Entspre chendes gilt auch für Anordnungen der Fig. 5. Stets treten an den Übergangsstellen hohe Abstrahlungsverluste auf. Das gleiche gilt für den Zweiphasenwandler nach Fig. 6, nämlich durch die die elektrischen Phasenverschiebungen entsprechende Verschiebung der Teilwandler zueinander.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine wirkungs vollere Methode zur Behebung der voranstehend zitierten Mängel anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einer Oberflächenwellenanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Oberflächenwellenanordnung ist zwi schen jeweils benachbarten Oberflächenwellen-Strukturen (mit ansonsten wie oben beschrieben auftretender Störung des Wel lenübergangs) eine quasi-periodische Struktur aus weiteren Streifen eingefügt. "Zwischen" den Oberflächenwellen-Struktu ren schließt auch ein, daß sich der Bereich einer solchen eingefügten quasi-periodischen Struktur auch in wenigstens eine der beiden benachbarten Oberflächenwellen-Strukturen merkbar hinein erstreckt. Dies ist besonders dann der Fall, wenn der geometrische Abstand zwischen den beiden einander gegenüberliegenden endständigen Streifen der zwei benachbar ten Oberflächenwellen-Strukturen innerhalb der Oberflächen wellenanordnung sehr klein ist, z. B. nur in der Größenord nung einer halben Wellenlänge dieser Oberflächenwellen-Struk turen liegt.

Erfindungsgemäß läßt sich eine vorhandene "Stoßstelle" in einen "weichen Übergang" zwischen den beiden Oberflächen wellen-Strukturen modifizieren. Dazu sind die jeweiligen Streifenperioden und Streifenpositionen dieser benachbarten Oberflächenwellen-Strukturen zu berücksichtigen und aneinan der anzupassen. Die Anwendung der Erfindung erspart es dem Designer bei der Erstellung seines Filterentwurfs Maßnahmen zu treffen, die auch die Störungen eines solchen Stoßes be rücksichtigen. Vielmehr wird die erfindungsgemäße Maßnahme, das ist das Einfügen der erfindungsgemäß vorgesehenen und bemessenen quasi-periodischen Streifenanordnung zwischen zwei benachbarte Oberflächenwellen-Strukturen nachträglich ausge führt. Der Filterentwurf erfüllt als solcher die vorgegebenen Bedingungen und die Erfindung beseitigt an einer solchen Oberflächenwellenanordnung auftretende, auf den Stoßstellen beruhende Störungen. Die Erfindung hat bis auf die gewollte Reduktion der Abstrahlungseffekte nur noch vernachlässigbaren Einfluß auf die vorgegebene Filterfunktion. Insbesondere bei Volumenschnitten des Substrats ist mit der Erfindung eine erhebliche Abnahme der Abstrahlungsverluste zu erzielen.

Eine wie erfindungsgemäß eingefügte Streifenstruktur ist dem Prinzip nach eine reflektionsfrei Streifenstruktur. Verwendet werden hierfür vorzugsweise Streifen mit breiten Abmessungen von λ/3, λ/6 oder λ/8. Um elektromagnetisches Übersprechen durch eine solche zwischen zwei benachbarten Oberflächenwel len-Strukturen erfindungsgemäß zusätzlich eingefügte Struktur zu vermeiden, ist zu empfehlen, die Streifen einer solchen eingefügten Struktur außerdem mit wenigstens einer Sammel schiene untereinander kurz zu schließen und die Struktur vorzugsweise auch mit Masse zu verbinden.

Wie anhand von Fig. 7 noch näher erläutert wird, ist die eingefügte, nicht reflektierende Struktur derart modifiziert, daß sie mit ihren jeweiligen Enden an die nunmehr dieser ein gefügten Struktur benachbarten Oberflächenwellen-Struktur hinsichtlich der Periodizität angepaßt ist. Die Streifen dieser eingefügten Struktur sind in ihrer Positionierung zueinander und zu den Oberflächenwellen-Strukturen so modifi ziert, daß beim Übergang und in der eingefügten Struktur ein "gleitender" Übergang von der Periodizität der einen Oberflä chenwellen-Struktur in die der anderen der zwei benachbarten Oberflächenwellen-Strukturen vorliegt. Das gleiche gilt für die Phasenanpassung von der einen zur anderen der zwei Ober flächenwellen-Strukturen. Die erfindungsgemäß vorgesehen quasi-periodische Struktur ist gegenüber eine wie oben ange gebenen unmodifizierten, nicht reflektierenden Struktur hin sichtlich der Streifenabstände und Streifenbreiten angepaßt verändert.

Für den Fall, daß die Periodizität der beiden mit der erfin dungsgemäßen quasi-periodischen Struktur zu "verbindenden" Oberflächenwellen-Strukturen gleich groß ist, bedarf es hin sichtlich dieser physikalischen Größe keiner Modifizierung der nicht reflektierenden, eingefügten Struktur, die dann nur noch hinsichtlich der Anpassung der jeweiligen Phase der bei den Oberflächenwellen-Strukturen zu modifizieren ist. Die Streifen der erfindungsgemäßen quasi-periodischen Struktur werden dann derart einander angenähert oder voneinander ent fernt positioniert, daß ein "verschmierter" Phasenübergang ohne abrupten Stoß vorliegt.

Sind sogar Periode und Phase der beiden Oberflächenwellen- Strukturen zueinander passend, so geht die erfindungsgemäß quasi-periodische Struktur in eine periodische Struktur (mit der Periode der Oberflächenwellen-Struktur) über und es tritt auch keine Fehlanpassung der Phase auf. In diesem speziellen Fall geht die erfindungsgemäß vorgesehene Struktur in eine einfache nicht reflektierende Streifenstruktur über, die den Zwischenraum zwischen den einander benachbarten Oberflächen wellen-Strukturen ausfüllt.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteran sprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len gemäß den Fig. 7 bis 10 der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 7 eine Oberflächenwellenanordnung mit einer erfindungsgemäßen quasi-periodischen Struktur; und

Fig. 8 bis 10 weitere Ausführungsformen der erfindungsge mäßen Oberflächenwellenanordnung.

Fig. 7 zeigt das Prinzip der Realisation eines erfindungs gemäßen "weichen Überganges". Die Streifen a, a, a_e sind die drei letzten Streifen einer Oberflächenwellen-Struktur A (z. B. die drei letzten Elektroden eines Wandlers), deren in der Figur rechtes Ende dargestellt ist. Der Streifen a_e ist der endständige Streifen b_e, b, b einer (in der Hauptwellen ausbreitungsrichtung nach rechts) benachbarten Oberflächen wellen-Struktur gezeigt. Es sind dies die Streifen des linken Endes dieser Struktur B und der Streifen b_e ist der endstän dige Streifen. Zu erkennen ist, daß die Streifen a, a_e einer seits und die Streifen b, b_e andererseits voneinander ver schieden große Streifenbreiten haben und auch die Periodizi tät p_a und p_b der beiden Strukturen A und B voneinander unterschiedlich sind.

Für die Anwendung der Erfindung können die Größen p_a, p_b und der in der Fig. 7 angegebene Abstand x_e sowie die Streifen breiten der Streifen der beiden Oberflächenwellen-Strukturen A, B beliebig sein. Der Abstand x_e ist eine Größe, die für die mathematische Erfassung und erfindungsgemäße Bemessung der erfindungsgemäß vorzusehenden, einzufügenden quasi-perio dischen Struktur C zu berücksichtigen ist. Die Abmessung x_e erstreckt sich zwischen der Innenkante des gegenüberliegenden endständigen Streifens b_e. Die Abmessung x_e ist damit die Längenabmessung der erfindungsgemäß vorzusehenden Struktur C mit Einbeziehung der jeweiligen endständigen Streifen a_b, b_e.

Es lassen sich die Wellenzahlen für die beiden Oberflächen wellen-Strukturen A (Gl 1) und B (Gl 2) angeben:

k_ga = 2pπ·λ/p_a (1)

k_gb = 2pπ·λ/p_b (2)

Die erfindungsgemäß im Bereich "zwischen" den beiden dem Ent wurf entsprechenden Oberflächenwellen-Strukturen A, B mit den Periodizitäten p_a, p_b eingefügte Struktur ist die den "wei chen" Übergang bewirkende quasi-periodische Streifenstruktur (die im oben angegebenen Sonderfall auch zu einer periodi schen Struktur "degeneriert" sein kann). Mit der Fig. 7 ist ein Fall dargestellt, bei dem wegen des geringen Abstandes der beiden Oberflächenwellen-Strukturen A und B die endstän digen Streifen a_e, b_e wesentlicher Bestandteil der erfin dungsgemäß eingefügten Struktur 1 sind und wie aus der Fig. 7 ersichtlich, der Streifen a_e in seiner Breite gegenüber dem Streifen a modifiziert ist. Da die Streifen b der Struktur B breiter als die Streifen a_e in seiner Breite gegenüber den Streifen b der Struktur B breiter als die Streifen a_e, der Struktur a_e, der Struktur A sind, besteht die Modifikation des Streifens a_e in einer Verbreiterung desselben. Als erster Streifen der eingefügten Struktur C ist dieser verbreiterte Streifen außerdem auch mit u bezeichnet. Die weiteren Streifen der Struktur C sind mit v und w bezeichnet.

Diese erfindungsgemäß eingefügte quasi-periodische Struktur C ist hinsichtlich Position und Breite der Streifen u v w so bemessen, wie sich dies aus einer Chirp-Funktion v(x) bestimmen läßt. Die Chirp-Funktion hat folgende Form:

v(x) = sin {R (x)} (3)

Es handelt sich um eine Sinusfunktion, deren Argument R (x) nicht-linear ansteigt. Damit eine Anpassung der zwei be nachbarten Strukturen A und B erzielt, ist folgende Beziehung zu erfüllen:

2x_e/(p_a + p_b) < 1,5 (4)

Ist diese Gleichung nicht erfüllt, dann liegen die zwei Strukturen A und B so nah beieinander, daß keine vollständige erfindungsgemäße Anpassung realisierbar ist.

Zunächst wird die Anzahl der zusätzlichen Streifen bestimmt. Sie hängt von der Anzahl N der vollen Perioden von R (x) im Bereiche x = 0 bis x = x_e ab. Für N gilt:

N = INT {x_e/(p_a + p_b)-0,5} (5)

wobei INT die Funktion zum Runden auf die nächst kleinere ganze Zahl ist. Ist die Bedingung (4) erfüllt, dann ist stets N = 1. Die Anzahl der zusätzlichen Streifen Nz beträgt:

Nz = N-1.

Um die erfindungsgemäße Bemessungsmethode noch näher zu er läutern, wird im weiteren ohne Einschränkung der Erfindung eine lineare Chirp-Funktion zugrundegelegt. Bei der Erfindung können jedoch beliebige Chirp-Funktionen zum Einsatz kommen.

Die Funktion R (x) wird wie folgt festgelegt:

R_(x=0) = 0 und R_(x=x ₎ = Π(2N + 1) (7)

Damit ist gewährleistet, daß die schon oben angesprochenen inneren Kanten der beiden endständigen Streifen a_e und b_e im vorgegebenen Entwurf gegenüber unverändert positioniert bleiben. Für v(x) ergibt sich:

Der Parameter a ist für die Anpassung der Streifenpositionen notwendig:

in den Gleichungen (4 bis 9) sind die endständigen Streifen a_e, b_e der Oberflächenwellen-Strukturen A, B einbezogen.

Für Streifenkanten werden dann nach der bekannten Methode für den Entwurf einer gechirpten Struktur, z. B. eines Wandlers an diejenigen Stellen positioniert, wo die Funktion v(x) eine jeweilige 0-Stelle besitzt.

In Fig. 7 ist die quasi-periodische Funktion v(x) darge stellt. Auf die modifizierte Breite des endständigen Strei fens a_e als breiterer Streifen u ist oben bereits hingewie sen. Mit S ist das Substrat bezeichnet.

In den Fig. 8 bis 10 sind jeweils in den Fig. 8a, 9a, 10a allein nur die Oberflächenwellen-Strukturen A und B dar gestellt. Die Fig. 8b, 9b und 10b zeigen die Strukturen A und B mit zusätzlicher erfindungsgemäß Struktur C.

Fig. 8 zeigt einen Fall mit unterschiedlichen Perioden p_a, p_b und Streifenbreiten der Oberflächenwellen-Strukturen A und B, jedoch mit größerem Abstand derselben voneinander. Die Einbe ziehung der Streifen a_e und b_e macht sich hier wegen zusätz licher Streifen v′ v′′ der eingefügten Struktur kaum noch bemerkbar. Die Struktur C hat somit die Streifen u, v, v′, v′′, w.

Fig. 9 zeigt eine erfindungsgemäße Struktur C′ für wiederum einen breiteren Abstand zwischen den Oberflächenwellen-Struk turen A und B. Diese beiden Strukturen A und B haben hier aber dieselbe Periodizität p und die gleiche Breite der Streifen a und b. Es ist hier die Phase Δϕ anzupassen. Dies ist in diesem Falle mit etwas breiteren Streifen u, v, v′, w und mit deren etwas größerer Quasi-Periodenlänge erzielt. Dabei ist diese Struktur C′ tatsächlich periodisch.

Die Fig. 10 zeigt einen Fall, bei dem die quasi-periodische Struktur C′′ wegen des äußerst geringen Abstandes zwischen den Strukturen A und B nur noch aus Streifen u, u′, w′, w besteht, wobei je zwei Streifen (u, u′ bzw. w, w′) gleich zeitig Streifen der Strukturen A bzw. B sind. Die Funktion v(x) und die ihr entsprechende Verschiebungs-Positionierung der Streifen u, u′, w, w′ ist aus der Figur ersichtlich.

Claims

1. Oberflächenwellenanordnung mit mindestens zwei in Richtung der Hauptwellenausbreitung benachbarten Oberflä chenwellen-Strukturen, bei denen die Streifen der einen Ober flächenwellen-Struktur in Bezug auf die Streifen der anderen Oberflächenwellen-Struktur hinsichtlich ihrer Periode und/ oder räumlichen Phase zueinander unterschiedlich angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Wellenübergangs zwischen zwei solchen Oberflächenwellen-Strukturen eine quasi-periodische Struktur (C) ausgebildet ist, die einen stetigen Übergang der Periode (P) und/oder räumlichen Phase der einen dieser Oberflächen wellen-Strukturen (A) in diejenige(n) der anderen Oberflä chenwellen-Struktur(en) (B) bildet.

2. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die quasi-periodische Struktur (c) in dem Zwischenraum zwischen die beiden benachbarten Oberflächenwellen-Strukturen (A, B) eingefügt ist.

3. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die quasi-periodische Struktur (c) einen Anteil der we nigstens einen der beiden Oberflächenwellen-Strukturen (A, B) erfaßt, der der anderen Oberflächenwellen-Strukturen (B, A) benachbart ist.

4. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Übergang zwischen zwei verschiedenen Periodizitä ten (p_a, p_b) der beiden benachbarten Oberflächenwellen-Struk turen (A, B) für die quasi-periodische Struktur (C) Streifen vorgesehen sind, die einen Übergang der Periodizität der einen Oberflächenwellen-Struktur in diejenige der anderen bilden.

5. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Streifen der quasi-periodischen Struktur (C) von der einen Oberflächenwellen-Struktur (A) zur benachbarten Ober flächenwellen-Struktur (B) von Streifen zu Streifen der quasi-periodischen Struktur zunehmende Breite haben.

6. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleicher Periodizität (P) der beiden Oberflächen wellen-Strukturen (A, B) die Streifen der quasi-periodischen Struktur (C) derart veränderte Abstände voneinander haben, daß eine zwischen diesen beiden Oberflächenwellen-Strukturen vorhandene Unstetigkeit der räumlichen Phase ausgeglichen wird.