DE2531151A1 - Mit elastischen oberflaechenwellen arbeitende elektromechanische einrichtung - Google Patents
Mit elastischen oberflaechenwellen arbeitende elektromechanische einrichtungInfo
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Description
75008 PARIS / Frankreich
Unser Zeichen: T 1818
Mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende elektromechanische
Einrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf Verzögerungsleitungen und auf elektromechanische Filter, die aus einem Substrat bestehen,
dessen obere Fläche mit elektromechanischen Wandlereinrichtungen zum Aussenden und Empfangen von elastischen
Oberflächenwellen, wie beispielsweise Rayleigh-Wellen, versehen
ist.
In einer typischen Ausführungsform enthalten diese
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Einrichtungen zwei Gruppen von Elektroden in Form von interdigital angeordneten Kämmen, die auf die Oberfläche
eines piezoelektrischen Substrats, beispielsweise aus Lithiumniobat, aufgebracht sind. Eine zu filternde oder
zu verzögernde elektrische Spannung wird an eine der Elektrodengruppen angelegt, um das Aussenden einer Strahlung
durch elastische Oberflächenwellen hervorzurufen. Diese
Strahlung wird durch die andere Elektrodengruppe empfangen, die eine induzierte Spannung liefert, deren Kenndaten von
dem übertragenen Schwingungstyp und von der besonderen Konfiguration der Wandlerkämme abhängig sind.
Es ist bekannt, dass sich mechanische Schwingungen in einem festen Körper durch Volumenwellen ausbreiten können und
daß in den mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden
Einrichtungen Massnahmen getroffen werden müssen, damit diese Übertragungsart nicht den Betrieb stört.
Um der störenden Übertragung durch Volumenwellen entgegenzuwirken,
ist es bekannt, in einer mit elastischen Oberflächenwellen
arbeitenden Einrichtung einen Koppler zu verwenden, der aus parallelen Leiterelementen gebildet ist.
Dieser Koppler fügt in die Bahn der Oberflächenwellen eine
Stufe ein, was ermöglicht, die Sende- und Empfangswandler zu verschieben. Diese Stufe betrifft nur die Oberflächenwellen
und deshalb erlaubt die Verschiebung der Wandler, den Energieaustausch durch Volumenwellen zu verringern.
Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass die seitlichen Abmessungen dieser mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden
Einrichtungen vergrössert werden. Ausserdem führt der Koppler zu einer Übertragungsdämpfung und verursacht
Wellenreflexionen mit der Bildung von Volumenwellen.
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Schliesslieh werden die Sende- und Empfangswandler für
eine ihrer beiden Strahlungsrichtungen verwendet, was eine weitere Dämpfungsursache darstellt.
Zur Vermeidung dieser Nachteile schlägt die Erfindung vor, so vorzugehen, dass die Übertragung der Volumenwellen durch
die entgegengesetzten Wirkungen von zwei Zweigen aufgehoben wird, welche gemeinsam einen Zweirichtungsstrahlungswandler
haben. Zwei gleiche Wandler, die an den äusseren Enden der beiden Zweige angeordnet sind, sind derart miteinander
verbunden, dass sie die durch das Volumen des Substrats gehenden Störsignale in Phasenopposition empfangen. Die
Nutzsignale werden dagegen durch zwischengeschaltete Einrichtungen,
die an der Oberfläche des Substrats angeordnet sind und die Ausbreitungskenndaten der elastischen Oberflächenwellen
selektiv beeinflussen, wieder in Phasenübereinstimmung gebracht.
Gemäss der Erfindung ist eine mit elastischen Oberflächenwellen
arbeitende elektromechanische Einrichtung, welche zwei Paare von Klemmen aufweist, an die erste bzw. zweite
elektromechanische Wandlereinrichtungen angeschlossen sind, die an der Oberfläche eines Substrats angeordnet sind, um
eine selektive Energieübertragung durch elastische Oberflächenwellen auszuführen, dadurch gekennzeichnet, dass
die ersten Einrichtungen zwei gleiche Wandler enthalten, welche eine gemeinsame Strahlungsachse haben, dass die
zweiten Einrichtungen einen mit Zweirichtungsstrahlung auf dieser Achse arbeitenden Wandler enthalten, der die Mitte
der Strecke zwischen den gleichen Wandlern einnimmt, um zwei entgegenwirkende Zweige zu bilden, welche die elastischen
Oberflächenwellen in entgegengesetzten Richtungen übertragen, dass mindestens einer der entgegenwirkenden Zweige mit
zwischengeschalteten Einrichtungen versehen ist, welche
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die Ausbreitungskenndaten der Oberflächenwellen selektiv
modifizieren, und dass die beiden gleichen Wandler derart miteinander verbunden sind, dass der Austausch von
elektrischer Energie zwischen den Klemmenpaaren bei Nichtvorhandensein
der zwischengeschalteten Einrichtungen im
wesentlichen Null ist.
Mehrere AusführungsbeispieIe der Erfindung sind in den
Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine isometrische Ansicht einer
elektromechanischen Einrichtung nach der Erfindung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Filterein
richtung nach der Erfindung,
Fig. 3 ein Erläuterungsdiagramm, welches
die Übertragungsfunktion des Filters von Fig. 2 zeigt, und
die Fig. 4 und 5 Teilschnittansichten von abge
wandelten Ausführungsformen der Einrichtung nach der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende
elektromechanische Einrichtung nach der Erfindung. Im vorliegenden Fall und lediglich als Beispiel, das nicht
als Einschränkung zu verstehen ist, handelt es sich um ein Bandfilter» welches ein Eingangsklemmenpaar 17-18 und ein
Ausgangsklemmenpaar 16-15 hat. Dieses Filter besteht aus einem Substrat 2, an dessen Oberfläche 1 sich elastische
Oberflächenwellen ausbreiten können.
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Zur Vereinfachung der Beschreibung ist in Fig. 1 ein xyz-Achsensystem dargestellt. Die Oberfläche 1 des Substrats
2 enthält die x-Achse und die y-Achse und die Ausbreitung der elastischen Oberflächenwellen erfolgt in den positiven
und negativen Richtungen der x-Achse.
Das Substrat 1 ist beispielsweise aus einem piezoelektrischen Material, wie etwa Lithiumniobat, gebildet. Ein Sendewandler
nimmt das Zentrum 0 der Oberfläche 1 ein und ist durch eine Gruppe von Elektroden in Form von interdigital angeordneten
Kämmen materialisiert. Die gemeinsamen Ränder 7 und 8 der Kämme sind mit den Klemmen 17 bzw. 18 verbunden und ihre
Zinken 5 und 6, die ungleiche Längen haben, begrenzen ein Gitter mit geradlinigen Strahlungsspalten. Die Strahlungsspalte sind parallel zu der y-Achse gerichtet und seitlich
durch die beiden punktierten Hüllkurven begrenzt, die durch die Unterbrechungszonen der Zinken 5 und 6 gehen. Wenn man
an die Klemmen 17 und 18 des Filters eine Wechselspannung V. der Frequenz f anlegt, sendet das Wandlersystem 5, 6, 7, 8
in Verbindung mit dem piezoelektrischen Substrat Schwingungsstrahlungen 21 und 22, die sich an der Oberfläche 1 des
Substrats zu den beiden gleichen Empfangswandlern fortpflanzen, welche an dem einen bzw. dem anderen äusseren Ende der Oberfläche
angeordnet sind. Die Empfangswandler enthalten ebenfalls Elektroden in Form von interdigital angeordneten
Kämmen. Die elastische Oberflächenwelle 21 wird durch den Strahlungsspalt aufgefangen, der zwischen den Zinken 3 und
4 liegt. Die elastische Oberflächenwelle 22 wird durch den Strahlungsspalt aufgefangen, der zwischen den Zinken 9 und
IO liegt. Aufgrund seines Aufbaues ist der Sendewandler 5, 6, Ί, 8 ein Zweirichtungswandler und die Wellen 21 und 22 sind,
mit Ausnahme der Ausbreitungsrichtung, gleich. Die beiden Empfangswandler 3-4 und 9-10 sind in bezug auf den Mittelpunkt
des Sendewandlers symmetrisch angeordnet und ihre leitenden
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Ränder 11, 12, 13 und 14 sind miteinander und mit den Ausgangsklemmen 15 und 16 verbunden. Die in Fig. 1
gezeigte Verbindung ist so aufgebaut, dass die Oberflächenwellen Spannungen V in Phasenopposition induzieren, wenn
sich diese Wellen auf dem Substrat 2 mit gleichförmiger Geschwindigkeit ausbreiten. Dasselbe gilt mit Bezug auf die
Volumenwellen 23 und 24, die in die Tiefe des Substrats 2 gehen. Wenn das Substrat homogen ist und wenn seine Oberfläche 1
nichts weiter als die drei oben genannten Wandler trägt, besteht infolgedessen das Filter aus zwei entgegenwirkenden
Zweigen, welche die Klemmenpaare 15-16 und 17-18 untereinander verbinden, ohne dass zwischen diesen beiden Klemmenpaaren
ein Austausch von elektrischer Energie stattfinden kann.
Um einen effektiven Austausch von elektrischer Energie zwischen den Klemmenpaaren 15-16 und 17-18 wieder herbeizuführen,
sieht die Erfindung vor, in zumindest einen der beiden Zweige des Filters Einrichtungen einzuschalten,
mittels welchen die Ausbreitungskenndaten der elastischen Oberflächenwellen selektiv modifiziert werden können.
In Fig. 1 bestehen diese zwischengeschalteten Einrichtungen
aus leitenden Schichten 19 und 2O, die auf die Oberfläche 1 des Substrats aufgebracht sind. Im Prinzip genügt eine
einzelne leitende Schicht, um die Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwellen in einem der beiden Zweige des Filters
zu verändern. In der Praxis wird vorzugsweise in jedem Zweig des Filters eine leitende Schicht verwendet, damit
diese, indem sie mit Masse verbunden wird, als elektrostatische Abschirmung dient. Selbstverständlich ist es dann
erforderlich, dass die beiden Schichten 19 und 21 die Phase der Oberflächenwellen 21 und 22 in ungleicher Weise verändern.
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Aus diesem Grund ist in Fig. 1 die Schicht 19 schmaler als die Schicht 20. Da die zwischengeschalteten Schichten
19 und 20 an der Oberfläche 1 des Substrats 2 angeordnet sind, beeinflussen sie die Ausbreitung der Volumenwellen 23
und 24 nicht, so dass diese keine resultierende Spannung an den Klemmen 15 und 16 induzieren.
Damit die Oberflächenwellen 21 und 22 eine maximale resultierende
Spannung an den Klemmen 15 und 16 induzieren, ist es erforderlich, dass diese Wellen von den an den äusseren
Enden angebrachten Wandlern in Phasenopposition und ohne Dämpfung aufgefangen werden. Folglich müssen Schichten
19 und 20 gewählt werden, welche die Oberflächenwellen
wenig dämpfen und eine Differenzphasenverschiebung um π zwischen den beiden Zweigen des Filters hervorrufen. Diese
Schichten können beispielsweise aus einem Aluminiumüberzug bestehen, der aufgrund des Kurzschliessens des elektrischen
Feldes des Substrats eine Senkung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen bewirkt. Eine merklichere Senkung
der Ausbreitungsgeschwindigkeit kann erzielt werden, indem das Aluminium durch Gold ersetzt wird, da dieses schwere
Metall die träge Masse des Ausbreitungsmediums vergrössert.
Allgemein gesagt, sollen die Positionierung der beiden gleichen Empfangswandler und ihre elektrische Verbindung so sein, dass
sie bei NichtVorhandensein jeglicher zwischengeschalteten Einrichtung, die zum Modifizieren der Ausbreitung der
elastischen Oberflächenwellen bestimmt ist, im wesentlichen
keinen Austausch von elektrischer Energie vornehmen. Es genügt dann, an der Oberfläche Einrichtungen vorzusehen, die geeignet
sind, einen Austausch von elektrischer Energie zwischen den beiden Klemmenpaaren des Filters wieder herbeizuführen.
Diese zwischengeschalteten Einrichtungen können die Amplitude und/oder die Phase der Oberflächenwellen beeinflussen. Es
braucht nicht erwähnt zu werden, dass die beiden an den
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äusseren Enden angeordneten Wandler Ein-Richtungs-Strahlungswandler
sein können und dass es nicht erforderlich ist, dass es sich um Interdigitalwandler handelt. Der mittlere
Wandler ist ein Zweirichtungsstrahlungswandler und es ist erforderlich, dass er in beiden Richtungen in gleicher Weise
strahlt.
Das Filter von Fig. 1 kann ebenso gut arbeiten, wenn die Klemmen 15 und 16 als Signaleingang und die Klemmen 17
und 18 als Signalausgang verwendet werden. Ausserdem können die an den Enden angeordneten Wandler Zinken mit ungleichen
Längen besitzen, ganz wie der mittlere Wandler.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf ein elektromechanisches Filter, wie es praktisch ausgeführt wird, um Videofrequenzsignale
in einem Zwischenfrequenzverstärker eines Fernsehempfängers zu filtern.
Das Substrat ist aus einer Lithiumniobatplatte herausgeschnitten. Das Schneiden erfolgt mittels Sandstrahl entsprechend
einem parallelogrammförmigen Umriß. Auf die glatte Oberseite 1 werden Elektrodengitter aufgebracht, welche
die Wandlerkämme bilden. Die Kammränder 11, 7 und 14 sind
mit Verlängerungen 44, 42 und 43 versehen, mittels welchen die später aufgebrachten zwischengeschalteten Einrichtungen
19 und 20 an Masse gelegt werden können. Das Aufbringen der zwischengeschalteten Streifen 19 und 2O erfolgt durch Aufdampfen
oder Pulverisieren unter Anwendung des Maskierungsverfahrens. In dem betrachteten Beispiel handelt es sich um
Aluminiumstreifen, welche die leitenden Verlängerungen 44, 42 und 43 überlappen, wodurch sofort ihre Masseverbindung
hergestellt wird. Es bleibt nur noch, die Verbindung der Ränder 12 und 13 der an den Enden angeordneten Wandler
herzustellen und die Ränder mit den Eingangs- und Ausgangsklemmen zu verbinden. Zur Vereinfachung der Beschreibung
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sind die Bezugszahlen von Fig. 1 verwendet worden.
Der mittlere Wandler legt in Fig. 2 durch seine besondere Konfiguration das Filterungsprofil des Filters fest. Es
ist bekannt, dass die Übertragungsfunktion eines Filters die Fourier-Transformation der Impulsantwort ist, die man
erhält, wenn man ihn mit einem Dirac-Impuls erregt, und
dass man zum Synthetisieren dieser Antwort von einer Abtastung Gebrauch macht.
Die Abtastproben werden durch die Strahlung der aufeinanderfolgenden
Strahlungsspalte ungleicher Breite erzeugt, die den mittleren Wandler bilden. Wie Fig. 2 zeigt, bestehen
die Kämme des mittleren Wandlers aus einem Gitter von leitenden Fäden, welche die Ränder 7 und 3 elektrisch verbinden. Jeder
Faden ist derart unterbrochen, dass seine Teile Kammzinken bilden, Die Hüllkurven, die durch die Unterbrechungen der leitenden
Fäden des mittleren Kammes hindurchgehen, legen die Übertragungsfunktion H(f) des Filters fest. Die Kurve 33 von
Fig. 3 zeigt diese Übertragungsfunktion und es ist ersichtlich, dass es sich um ein Bandfilter handelt, dessen
Mittenfreguenz f ist. Der Wert 34 ist der Wert, den die
durch die Volumenwellen erzeugten Störsignale erreichen würden. Dieser Wert wird durch das Kompensationsverfahren
nach der Erfindung wesentlich gesenkt. Ausserdem kann man feststellen, dass der Übertragungsfaktor in dem Durchlassband
gross ist, denn das Filter verwendet die beiden von dem mittleren Wandler in entgegengesetzten Richtungen abgestrahlten
beiden Wellen.
Wenn sich das vorgeschriebene Filterungsprofil dafür eignet,
kann man die Konfiguration der Kämme einer symmetrischen
Impulsantwort anpassen und in diesem Fall ist es der mittlere Zweirichtungsstrahlungswandler, der vorteilhafterweise diese
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Konfiguration aufweist. Wenn die gewünschte Impulsantwort
nicht symmetrisch ist, kann die entsprechende Konfiguration
der Kämme nicht bei dem mittleren Wandler angewendet werden und es muss dann diese Konfiguration für die beiden an den
Enden angeordneten Wandler verwendet werden. Zur Veranschaulichung
sei angegeben, dass in Fig. 2 zum Filtern eines Videofrequenzsignals von einigen Zehn Megahertz der
Abstand zwischen den äussersten Kämmen bei einem Substrat aus Lithiumniobat in der Grössenordnung eines Zentimeters
liegt und die Wellenlänge der elastischen Oberflächenwellen
in der Nähe von 150 Mikrometer liegt.
Für die zwischengeschalteten Einrichtungen zum Modifizieren
der Phasengeschwindigkeit oder der Amplitude der elastischen Oberflächenwellen kann man jede beliebige Einrichtung verwenden,
die in der Lage ist, diese Modifizierung der Ausbreitungskenndaten
vorzunehmen.
Beispielsweise kann man, wie die Teilschnittansicht von Fig. 4 zeigt, zwischen dem mittleren Wandler 5, 6 und dem
an den Enden angeordneten Wandler 9, 10 ein Becken 30 bilden, welches durch Ionenerosion der Oberfläche 1 des Substrats
hergestellt wird.
Da dieses Becken die Wandler nicht elektrostatisch abschirmt, kann ein mit Masse verbundener leitender Streifen 31 zu
diesem Zweck in unmittelbarer Nähe des äussersten Wandlers aufgebracht werden.
Fig. 5 zeigt eine Weitere abgewandelte Ausführungsform der zwischengeschalteten Einrichtungen, bei welcher die Ionenimplantation
zum örtlichen Verändern der physikalischen Eigenschaften des Substrats 2 verwendet wird. Geht man
beispielsweise von einem aus einem Quarzkristall gebildeten
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Substrat aus, so kann man durch Ionenimplantation eine amorphe Zone 32 erzeugen, in welcher sich die elastischen
Oberflächenwellen schneller ausbreiten als in den benachbarten kristallinen Zonen. Zum Herstellen der elektrostatischen
Abschirmung kann ein leitender Streifen 31, der an Masse liegt, ebenfalls vorgesehen werden.
In der vorstehenden Beschreibung ist zwar nur der Fall der elektromechanischen Filter behandelt worden, es ist jedoch
ebenso möglich, das Prinzip der Erfindung auf den Fall einer mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Verzögerungsleitung
sowie auf jegliche Oberflächenwelleneinrichtung anzuwenden, welche kodierte elektrische Signale durch angepasste
Filterung verarbeitet.
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Claims (10)
- Patentansprüche :l.JMit elastischen Oberflächenwellen arbeitende elektromechanische Einrichtung, welche zwei Klemmenpaare aufweist, an die erste bzw. zweite elektromechanische Wandlereinrichtungen angeschlossen sind, welche an der Oberfläche eines Substrats angeordnet sind, um eine selektive Energieübertragung durch elastische Oberflächenwellen auszuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Einrichtungen zwei gleiche Wandler enthalten, die eine gemeinsame Strahlungsachse haben, dass die zweiten Einrichtungen einen mit Strahlung in zwei Richtungen auf dieser Achse arbeitenden Wandler enthalten, der die Mitte der. Strecke zwischen den gleichen Wandlern einnimmt, so dass zwei entgegenwirkende Zweige gebildet sind, welche die elastischen Oberflächenwellen in entgegengesetzten Richtungen übertragen, dass zumindest einer der entgegenwirkenden Zweige mit zwischengeschalteten Einrichtungen versehen ist, welche die Ausbreitungskenndaten der Oberflächenwellen selektiv modifizieren, und dass die gleichen Wandler derart miteinander verbunden sind, dass bei NichtVorhandensein der zwischengeschalteten Einrichtungen im wesentlichen keine elektrische Energie zwischen den Klemtnenpaaren übertragen wird.
- 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischengeschalteten Einrichtungen zumindest einen leitenden Streifen enthalten, der zwischen dem Zweirichtungsstrahlungswandler und einem der gleichen Wandler auf die Oberfläche aufgebracht ist.
- 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischengeschalteten Einrichtungen zumindest eine abgesenkte Zone enthalten, die durch Ionenerosion der509885/0963Oberfläche gebildet ist, und dass die abgesenkte Zone sich zwischen dem Zweirichtungsstrahlungswandler und einem der gleichen Wandler befindet.
- 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischengeschalteten Einrichtungen zumindest eine Zone enthalten, welche modifizierte physikalische Kenndaten hat, und dass die Zone unter der Oberfläche durch Ionenimplantation gebildet ist und sich zwischen dem Zweirichtungsstrahlungswandler und einem der gleichen Wandler befindet.
- 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur elektrostatischen Abschirmung, die zwischen den Wandlern angeordnet sind.
- 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Wandler aus einer Elektrodengruppe in Form von interdigital angeordneten Kämmen besteht.
- 7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat piezoelektrisch ist.
- 8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinken der Kämme ungleiche Längen haben, so dass sie eine Aufeinanderfolge von ungleichen geradlinigen Strahlungsspalten bilden, welche durch die gegenüberliegenden Teile der Zinken begrenzt sind.
- 9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatischen Abschirmungseinrichtungen mit den zwischengeschalteten Einrichtungen vereinigt sind.509885/0963
- 10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischengeschalteten Einrichtungen zwischen den Zweigen eine Differentialphasenverschiebung der elastischen Oberflächenwellen hervorrufen, die im wesentlichen gleich ττ ist.509885/0 9 63Leerse ite
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