电声转换器及其制造方法
【专利说明】
[00011 本申请是申请日为2010年9月15日、申请号为201080062298.9、发明名称为"具有 通过横向发射减小的损耗和通过抑制横向模态改善的性能的电声转换器的发明专利申请 的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及例如应用在SAW或GB AW-HF滤波器中的电声转换器、以及用于制造这 样的转换器的方法。根据本发明的转换器由于减小的声波横向发射而具有较小的损耗以及 由于抑制横向模态而具有改善的性能。
【背景技术】
[0003] 利用声波一例如表面声波(SAW=Surface acoustic wave，表面声波)或者经引导 的体声波(GBAW = guided bulk acoustic wave，经引导的体声波）一工作的器件将HF信号 转换成声波并且反过来将声波转换成HF信号。为此，SAW或者GBAW器件包括电极指，所述电 极指布置在压电衬底上或者压电层上。在纵向上、即在声波传播的方向上，并排地布置电极 指，所述电极指一般交替地与第一和第二汇流排(Busbar (汇流排）)连接。声轨迹是衬底或 压电层的、在该器件运行器件传播表面声波的区域。电极指处于声轨迹中并且因此处于声 区域中。汇流排处于声轨迹的侧向边缘区域中。在纵向上，声轨迹通常受到反射器的限制， 以便减小由于声波在纵向上的发射造成的能量损耗。
[0004] 利用声波工作的器件的损耗机制在于，声波在纵向或横向上离开声轨迹。
[0005] 尤其是由于声轨迹的有限孔径，可能通过衍射效应产生横向声模态。这样的模态 干扰传输特性，并且是一种损耗机制。开发利用声波工作的器件、尤其是用于移动无线电应 用的表面波滤波器时的重点是，获得在良好的传输特性情况下具有较小损耗机制一例如没 有干扰性的横向模态或者具有减小的干扰性横向模态一的器件。
[0006] 从公开文献DE 103 31 323 Al中公知了利用SAW工作的转换器，其中通过在汇流 排中布置凹陷来减小由于横向振荡造成的损耗。
[0007] 从专利文献US 7,576,471 Bl中公开了利用SAW工作的器件，其中提高处于中心激 励区域（"Center Region(中心区)"）与汇流排区域（"Busbar Region(汇流排区)"）之间的 区域中的电极指的厚度。但是在此，该应用限于所谓的"弱耦合的"衬底。电声耦合常数k 2是 声波与HF信号之间的耦合强度的度量。
【发明内容】
[0008] 因此，本发明的任务是，说明一种电声转换器，其具有较小的横向损耗并且与强耦 合的压电衬底兼容。根据本发明，该任务由根据如下所述的电声转换器来解决。
[0009]在第一变型方案中，本发明说明了一种电声转换器，其布置在声轨迹中。该转换器 包括压电衬底以及两个布置在其上的电极，所述电极分别具有与汇流排连接、彼此咬合的 电极指以用于激励声波。该转换器具有加重层和覆盖层，而且被构造为使得声波在多个与 声轨迹平行延伸的区域中经历不同的纵向传播速度。该转换器还具有拥有第一纵向速度的 中心激励区域;具有在两侧毗邻中心激励区域的内边缘区域，在所述内边缘区域中，纵向速 度与中心激励区域的纵向速度不同；具有毗邻内边缘区域的外边缘区域，在所述外边缘区 域中，纵向速度比在内边缘区域中高;具有毗邻外边缘区域的汇流排的区域，在所述汇流排 的区域中，纵向速度比在外边缘区域中小;其中+ 二是|:并且Γ>-1;其中k x 是波矢量在纵向上的分量，ky是波矢量在横向上的分量，并且k〇是主传播方向上的波矢量。 该纵向传播速度是声波在纵向上的速度。
[0010] 该转换器包括具有第一纵向速度的中心激励区域。内边缘区域在两侧毗邻该中心 激励区域，在所述内边缘区域中，纵向速度在中心激励区域中的纵向速度不同。外边缘区域 毗邻内边缘区域。在外边缘区域中，纵向速度比在内边缘区域中高。外边缘区域可以用于波 引导。其宽度于是为宽得足以实现波引导一例如将受束缚的模态衰减到零。汇流排的区域 毗邻电声转换器的外边缘区域。在电声转换器的汇流排的区域中，纵向速度比在外边缘区 域中小。衬底具有凸的慢度(Slowness )(德语:Langsamkei t)。该慢度是速度的倒数。该慢度 与在衬底中传播的声波的波矢量k成比例。凸慢度的存在等价于衬底的各向异性因子Γ，该 各向异性因子Γ大于一1: ￡ > 一1。在此，各向异性因子由下列等式来定义：
其中kx是波矢量在纵向上的分量，ky是波矢量在横向上的分量，并且k〇是声波的主传播 方向上的波数。纵向X上的主传播方向是通过布置电极指来给定的。主传播方向垂直于电极 指延伸。在此，上述等式近似地对下式成立:/1 。
[0011] 在第一变型方案的实施方式中，内边缘区域中的纵向速度比在中心激励区域中 低。
[0012] 在一个实施方式中，汇流排区域中的纵向速度低于内边缘区域中的纵向速度。
[0013] 在一个实施方式中，外边缘区域中的纵向速度高于中心激励区域中的纵向速度。 [0014]在第二变型方案中，本发明提供了一种电声转换器，其布置在声轨迹中。该转换器 包括压电衬底和两个布置在其上的电极，所述电极分别具有与汇流排连接、彼此咬合的电 极指以用于激励声波。该转换器具有加重层和覆盖层，而且被构造为使得声波在多个与声 轨迹平行延伸的区域中经历不同的纵向传播速度。该转换器还具有拥有第一纵向速度的中 心激励区域;具有在两侧毗邻中心激励区域的内边缘区域，在所述内边缘区域中，纵向速度 与中心激励区域的纵向速度不同；具有毗邻内边缘区域的外边缘区域，在所述外边缘区域 中，纵向速度比在内边缘区域中高;具有毗邻外边缘区域的汇流排的区域，在汇流排的区域 中，纵向速度比在外边缘区域中小；其中ΓΜΙ二并且Γ 一 1;其中kx是波 矢量在纵向上的分量，ky是波矢量在横向上的分量，并且k〇是主传播方向上的波矢量。
[0015] 该转换器包括具有第一纵向速度的中心激励区域。内边缘区域在两侧毗邻该中心 激励区域，在所述内边缘区域中，纵向速度与中心激励区域中的纵向速度不同。外边缘区域 毗邻内边缘区域。在外边缘区域中，纵向速度比在中心激励区域中高。汇流排的区域毗邻电 声转换器的外边缘区域。在电声转换器的汇流排的区域中，纵向速度比在外边缘区域中小。
[0016] 汇流排的区域如此大，使得可以在这些区域中进行波引导。与第一变型方案相反， 汇流排的区域用于波引导。
[0017] 衬底具有凹的慢度。凹慢度的存在等价于衬底的各向异性因子Γ，该各向异性因 子r 小于一I: I'' < - 1。
[0018] 在第二变型方案的一个实施方式中，内边缘区域中的纵向速度比在中心激励区域 中高。
[0019] 在一个实施方式中，外边缘区域中的纵向速度高于内边缘区域中的纵向速度。
[0020] 在一个实施方式中，汇流排区域中的纵向速度低于中心激励区域中的纵向速度。 [0021 ]电声转换器的、纵向速度在横向上变化的这样的构型得出纵向速度的一种横向 谱，在所述横向谱中，能够传播所谓的"活塞模态(Psitonmode)"。活塞模态是一种振荡模 态，其特点在于，压电材料的原子的最大偏转的谱在激励区域内基本上是恒定的，并且在声 轨迹以外的区域中优选地为零。在其之间，最大偏转以尽可能高的梯度下降。定量地，"良好 的"活塞模态的特点在于，来自横向激励谱和横向偏转谱1?今的基本模态的重叠积 分：
为尽可能大的。该积分的另一写法为：Ψ >。
[0022] 另外，活塞模态的特点在于，不出现或者最高出现最小的在横向上传播的声波。因 此，实现活塞模态是有效的手段，以便减小由于声波从声轨迹横向发射造成的能量损耗并 且同时通过抑制横向模态实现改善的性能。
[0023] 上述转换器实现了与公知转换器结构相比经改善的活塞模态、即基本模态的扩大 的重叠积分。另外，根据本发明的转换器与高度耦合的衬底兼容。
[0024] 在横向布置在中心激励区域旁边的声轨迹区域中的纵向速度的调节对于实现重 叠积分的大值是重要的。
[0025] 将中心激励区域与汇流排区域之间的声轨迹的区域划分成不同纵向速度的区域 使得能够获得具有可更好地调节的边沿区域的活塞模态。尤其是偏转函数的梯度被扩大。
[0026] 在一个实施方式中，汇流排和电极指布置在压电衬底上，该压电衬底具有比石英 高的电声耦合效率。作为这样的压电衬底，例如考虑钽酸锂或铌酸锂。
[0027]术语"凹"慢度涉及ky (即横向上的波数)与kx (即纵向上的波数）的比例。凹慢度意 味着，同ky成比例的横向上的慢度与同kx成比例的纵向上的慢度成函数关系、即凹函数:纵 向上的慢度与横向上的慢度的二阶导数是正的。或者等价地成立的是:k x与ky的二阶导数是 正的：
具有凹慢度的压电衬底对声波产生聚焦作用，并且通过减小在横向上发射声波来提供 帮助。
[0028] 在一个实施方式中，电极指至少在沿着横向的片段中在内边缘区域内比在中心激 励区域中宽。
[0029] 在一个实施方式中，电极指至少在沿着横向的片段中在内边缘区域内比在中心激 励区域中窄。
[0030] 声波在压电衬底的表面处的速度取决于衬底的质量分布、即布置在衬底上的层的 质量。电极指的材料是这样的层。在此，该质量分布越高则声波越慢，并且质量分布的材料 的弹性常数越高则声波越快。电极指的加宽一般而言是提高质量分布。因此，限制在内边缘 区域的指加宽是简单但有效的手段，以便减小内边缘区域中的纵向速度。根据材料，质量分 布(例如Al 2O3或金刚石，两种材料都是相对轻但是具有高强度值)也可以扩大速度。
[0031] 同样，电极指的加宽或变窄可以导致速度的降低或提高。
[0032] 在一个实施方式中，电极指的宽度至少在沿着横向的片段中在内边缘区域内线性 地改变。通过指宽度线性地、即非阶梯式地变化，在形成偏转谱以及由此形成活塞模态时给 出了进一步的自由度。在此，该宽度可以从内向外增加或减小。
[0033] 在一个实施方式中，电极指至少在沿着横向的片段中在内边缘区域内比在中心激 励区域中高或低。指的加厚或变薄同样提供了获得改变质量分布的可能性，以便获得改善 的活塞模态。
[0034] 在一个实施方式中，电极指在中心激励区域中比在内边缘区域、外边缘区域或汇 流排区域中高，并且在此尤其是具有更厚的金属化部。根据材料参数对指的加厚或变薄同 样提供了改变质量分布的可能性。通过调节指的厚度，可以容易地调节声速度，以便获得改 善的活塞模态。
[0035] 在一个实施方式中，电极指在内边缘区域内的厚度、即衬底上的电极层的厚度至 少在沿着横向的片段中阶梯式地改变。
[0036] 通常，电极指和汇流排以沉积工艺(例如以剥离技术或刻蚀技术)被施加在压电衬 底上。在此，厚度的线性改变不是一般的方式所能实现的。在阶梯式改变的情况下可以在阶 梯宽度被选择为足够小时选择和获得对线性变化曲线的良好近似。
[0037] 在一个构型中，电极指在内边缘区域内的高度至少在沿着横向的片段中、即向外 或向内线性地增加。如果通过阶梯式改变厚度进行的近似不够，则可以通过如下方式获得 层厚度的线性或其他连续函数:在材料束的沉积工艺中，具有空间上不均匀的流并且沉积 速率在衬底的不同区域中是不同的。沉积速率的梯度由此是空间上连续的函数。
[0038] 在一个实施方式中，在内边缘区域中的电