DE2531151A1

DE2531151A1 - Mit elastischen oberflaechenwellen arbeitende elektromechanische einrichtung

Info

Publication number: DE2531151A1
Application number: DE19752531151
Authority: DE
Inventors: Gerard Coussot; Olivier Menager
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1974-07-12
Filing date: 1975-07-11
Publication date: 1976-01-29
Also published as: US3972011A; CA1042081A; YU37416B; DE2531151C3; FR2278200B1; DE2531151B2; BE831206A; YU175775A; FR2278200A1; GB1513415A; JPS5536205B2; JPS5132244A

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

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 der

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Oberfläche 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.

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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.

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