DE2802946C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schallwellen-Einrichtung für Oberflächen streifende Volumenschallwellen, in der Schallwellen durch den Körper eines Substrats zwischen zwei Wandlern geschickt werden, nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 2. Eine solche Einrichtung ist aus der GB 14 51 326 bekannt.

Diese Druckschrift beschreibt einen Oszillator, der eine Schallwellen-Verzögerungsleitung in der Rückkopplungsschleife eines Verstärkers aufweist. Diese Verzögerungsleitung hat ihrerseits eine piezoelektrische Unterlage, die zwei interdigitale Kamm-Wandler trägt, die Oberflächenschallwellen entlang oder in der Oberfläche zwischen den Wandlern senden und empfangen können. Wahlweise, nämlich bei Verwendung von Quarzscheiben, die rechtwinklig zur AT-Schnitt-Ebene und zur YZ-Ebene ausgerichtet sind, kann die Verzögerungsleitung unter Verwendung von Körperschallwellen, d. h. Schallwellen, die sich unterhalb der Unterlagenoberfläche ausbreiten, arbeiten. Dies verleiht eine gewisse Unempfindlichkeit gegenüber Oberflächenkontamination.

Wandler können eine größere Anzahl von Wellentypen von Körperschallwellen in eine Unterlage aussenden (vgl. z. B. die Vorträge T1 und T2 im 1977 Ultrasonics Symposium Proc., nämlich M. F. Lewis, Surface Skimming Bulk Waves, und T. I. Browning, D. J. Gunton, M. F. Lewis und C. O. Newton, Bandpass Filters). Ein Wellentyp von Volumenschallwellen, der an und unterhalb der Oberfläche eines Körpers im wesentlichen parallel dazu sich ausbreitet, ist eine Oberflächen streifende Volumenwelle ("surface skimming balk wave", abgekürzt SSBW) genannt worden und stellt eine horizontal polarisierte Scherwelle (auch Scherungs-, Transversal-, Quer- oder Schubwelle genannt) dar. Ein anderer SSBW-Wellentyp ist eine Longitudinalwelle.

Die folgenden Eigenschaften sind wünschenswert oder notwendig für eine Schallwellen-Einrichtung für Oberflächen streifende Volumenwellen:

• 1. keine Oberflächenschallwellen-Kopplung;
• 2. die SSB-Welle ist in der Oberflächenebene polarisiert, um einen Energieverlust in den Körper der Unterlage hinein zu vermeiden;
• 3. ein guter Wert k² für die Körperwellen gemäß 2. oben mit kleiner Kopplung zu anderen Körperwellen;
• 4. Null-Temperaturkoeffizient für Körperwellen; und
• 5. Bündelsteuer- oder fokussier-Eigenschaften.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schallwellen-Einrichtungen für Oberflächen streifende Volumenschallwellen anzugeben, deren Oberflächen zu verbesserten Wellentransporteigenschaften führen.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Erfindungsgemäß hat die Schallwellen-Einrichtung für Oberflächen streifende Volumenwellen ein piezoelektrisches Substrat mit einer ebenen Oberflächenseite, die mindestens zwei Wandler zum Senden und Empfangen von Schallwellen in den aus dem Körper der Unterlage zwischen den beiden Wandlern trägt, wobei das piezoelektrische Substrat eine Ausrichtung wie im folgenden beschrieben aufweist:
Die Ausrichtung der ebenen Oberflächenseite des Substrats ist gemäß der Erfindung folgende:
ein gedrehter Y-Schnitt von Quarz (gedreht um die X-Achse), wobei die Wandler so angeordnet sind, daß die Schallwellen sich senkrecht zur X-Achse ausbreiten, und wobei die Drehung um die X-Achse -55° bis -48° bzw. 30° bis 45° beträgt;
ein (um die X-Achse) gedrehter Y-Schnitt von LiTaO₃, wobei die Drehung 36°±3° und -54°±3° beträgt und die Ausbreitung entlang der X-Achse erfolgt.

Vorzugsweise sind die Wandler interdigitale Kamm-Wandler.

Eine Klasse von Schnitten, die den eingangs aufgeführten Bedingungen 1, 2 und 5 genügt, sind die (um die X-Achse) gedrehten Y-Schnitte von Quarz mit einer Ausbreitung senkrecht zur X-Achse. Diese ganze Klasse hat k²=0 für Oberflächenschallwellen. Sie weist eine Scherwelle auf, die in X-Richtung polarisiert ist, d. h. in der Ebene, die notwendig für die Ausbreitung der Welle ohne größere Energieverluste in die Unterlage hinein ist. Zu dieser Klasse gehören auch zwei Bereiche von Drehwinkeln des Y-Schnitts, die die Bedingung 4 erfüllen. Diese Bereiche umfassen einen um -48° bis -55° gedrehten Y-Schnitt, der eine Scherwelle mit einer Geschwindigkeit von ca. 3,3 · 10⁵ cm/s fortpflanzt (ziemlich ähnlich der Scherwelle, die in einem normalen AT-Schnitt-Volumenwellen-Oszillator verwendet wird), und auch den Bereich von 30° bis 40°, der eine Scherwelle mit einer Geschwindigkeit von ca. 5,1 · 10⁵ cm/s fortpflanzt (und ziemlich ähnlich der Scherwelle ist, die im normalen BT-Schnitt-Körperwellen-Oszillator verwendet wird).

Schallwellen-Einrichtungen ändern ihre Frequenz mit der Temperatur der Unterlage, so daß bei manchen Einrichtungen der Einsatz begrenzt wird. Diese Quarze mit gedrehtem Y-Schnitt zeigen einen Null-Temperaturkoeffizienten, d. h. sie sind frequenzkonstant bei sich ändernder Substrat-Temperatur bei einem Temperaturwert oder -bereich, der vom Drehwinkel abhängt. Z. B. tritt der Null-Temperaturkoeffizient für eine Anzahl von Quarz-Schnitten wie folgt auf:

Drehwinkel, °
Temperatur, °C
-49
-30
-49,5	-10
-50	+10
-50,5	+40
-50,5 bis -51	oberhalb 60 für einen Temperaturbereich
35	-10
35,3	+15
36	30
36,5	50
37	70

Der besondere Verzögerungs-Aufbau, der zur Erzielung der obigen Ergebnisse benutzt wurde, hatte einen Schallweg von 2500 λ Länge und eine Wandlerlänge von 2500 λ mit periodisch verdünnten (fehlenden) Fingerpaaren (λ=Wellenlänge). Ein anderer Wandler-Aufbau ändert diese Werte ab. Für gedrehte Y-Schnitte in den obigen Bereichen mit einer Ausbreitung senkrecht zur X-Achse findet die Schallausbreitung symmetrisch um die Ausbreitungsrichtung statt, so daß die Energie parallel zum k-Vektor (d. h. ohne Bündellenkung) sich ausbreitet, was eine Unempfindlichkeit gegenüber kleinen Fehlausrichtungen bei der Herstellung bewirkt.

Die Klasse von Schnitten mit einer Scherwellengeschwindigkeit von 5,1 · 10⁵ cm/s ist besonders zweckmäßig für Hochfrequenz-Oszillatoren. Ein derartiger Oszillator wurde mit einer parabolischen Frequenz-Temperatur-Änderung (bei einem um 35,3° gedrehten Y-Schnitt) mit einer Inversions-Temperatur von 20°C hergestellt, und zwar gemessen an einem Oszillator mit einer Verzögerungsleitung von einer Weglänge von 2500 λ (Wellenlänge).

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einige Schnittebenen in Quarz;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Körperschallwellen-Einrichtung, die an einen Verstärker zur Bildung eines Oszillators angeschlossen ist; und

Fig. 3 eine Endansicht von Fig. 2.

Die drei orthogonalen Achsen eines Kristalls sind in Fig. 1 abgebildet. Ein Y-Schnitt-Plättchen ist ein Plättchen, dessen Betriebs-Oberfläche (Oberseite) in der Z-, X-Ebene liegt. Wenn die Ebene um 35,3° um die X-Achse gedreht wird, wird es ein AT-Schnitt genannt. Ein anderer Schnitt ist der BT-Schnitt. Ein weiterer Schnitt ist der ST-Schnitt. Die Schnitte, die für Volumenwellen gemäß der Erfindung benutzt werden, sind ungefähr senkrecht zum AT-Schnitt und zum BT-Schnitt angeordnet, da die Volumenwellen sich ungefähr parallel zur ebenen Oberflächenseite und nicht durch die Dicke eines dünnen Plättchens wie bei herkömmlichen Volumenschallwellen-Einrichtungen ausbreiten.

Gemäß Fig. 2 und 3 hat eine Verzögerungsleitung eine Quarz-Unterlage 1 mit einer ebenen Oberseite 2, die wie eben definiert ausgerichtet ist. Die Unterseite 3 ist vorzugsweise um einen Winkel von einigen Grad geneigt und aufgerauht, um Reflexionen zu vermeiden, die die erwünschten Volumenschallwellen stören könnten. Zwei interdigitale Wandler 4 und 5 sind auf der ebenen Oberseite 2 angeordnet. Z. B. können die Wandler jeweils 90 Finger-Paare aufweisen und in einem (mittigen) Abstand ungefähr gleich der Wandlerlänge angeordnet sein, um eine Moden-Unterdrückung wie nach der GB 14 51 326 zu erzielen. Ein Verstärker 6 ist zwischen die Wandler 4 und 5 geschaltet. Die ganze Einrichtung kann kunststoffgekapselt sein.

Beim Betrieb werden Oberflächen streifende Volumenschallwellen durch den Wandler 4 in das Substrat 1 ausgesandt. Diese SSBW-Wellen laufen unterhalb der Oberseite 2 und werden durch den Wandler 5 in elektrische Signale zurückgeformt. Da die Wandler 4 und 5 nahe zueinander benachbart sind, findet eine gute Kopplung in die und aus dem Substrat statt. Es sind jedoch auch andere Wandler-Strukturen möglich, z. B. Leiter-Strukturen, wie in der GB 14 51 326 beschrieben ist.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Anwendung von Oszillatoren beschränkt, sondern sie kann auch anstelle von Oberflächenschallwellen-Verzögerungsleitungen bei vielen Filteranwendungen eingesetzt werden.

Die Unterlagen können anstatt aus Quarz auch z. B. aus LiNbO₃ und LiTaO₃ gefertigt werden, jedoch müssen die verwendeten Schnitte so ausgerichtet sein, daß sie den oben aufgeführten Bedingungen 1 bis 5 genügen. Für LiTaO₃ bedeutet dies im wesentlichen um +36°±3° sowie -54°±3° (orthogonal) (um die X-Achse) gedrehte Y-Schnitte, die die Polarisationsrichtungen der Volumenwellen enthalten, die sich entlang der X-Achse des Kristalls ausbreiten (berechnet für ein unendliches Medium). Die Schallwellenausbreitung erfolgt in der X-Richtung. Für LiNbO₃ sind die Schnitte um 45°±5° sowie -45°±5° gedrehte Y-Schnitte, wobei die Ausbreitung in der X-Richtung stattfindet.

Es versteht sich, daß die obige Aufzählung der Anforderungen 1 bis 5 nicht genau eingehalten werden muß, da es sich dabei um eine idealisierte Einrichtung handelt; z. B. kann eine geringfügige Oberflächenwellen-Kopplung toleriert (und durch oberflächenmontierte Absorber beseitigt) werden, jedoch sollte sie vorzugsweise möglichst niedrig sein.

Claims (4)

1. Schallwellen-Einrichtung für Oberflächen streifende Volumenwellen mit einem piezoelektrischen Substrat, das eine ebene Oberflächenseite (2) hat, die mindestens zwei Wandler (4, 5) zum Senden und Empfangen von Schallwellen in den bzw. aus dem Körper des Substrates (1) zwischen den Wandlern (4, 5) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat ein Quarz-Substrat (1) mit ausgerichteter ebener Oberflächenseite (2),
die ein um die X-Achse gedrehter Y-Schnitt von Quarz mit einem Drehwinkel von -55° bis -48° bzw. 30° bis 45° ist, und
durch eine derartige Anordnung der Wandler (4, 5), daß die Schallwellen sich senkrecht zur X-Achse ausbreiten.

2. Schallwellen-Einrichtung für Oberflächen streifende Volumenschallwellen mit einem piezoelektrischen Substrat (1), das eine ebene Oberflächenseite hat, die mindestens zwei Wandler (4, 5) zum Senden und Empfangen von Schallwellen in den bzw. aus dem Körper des Substrates zwischen den Wandlern trägt, dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat (1) ein Lithiumtantalat-Substrat mit ausgerichteter ebener Oberflächenseite (2) ist, die ein um die X-Achse gedrehter Y-Schnitt von Lithiumtantalat mit einem Drehwinkel von 33° bis 39° und -51° bis -57° ist, und
durch eine deratige Anordnung der Wandler (4, 5), daß die Schallwellen sich parallel zur X-Achse ausbreiten.

3. Schallwellen-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (4, 5) interdigitale Kamm-Wandler sind.

4. Schallwellen-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) und die Wandler (4, 5) in Kunststoff gekapselt sind.