DE2922946C2

DE2922946C2 -

Info

Publication number: DE2922946C2
Application number: DE2922946A
Authority: DE
Inventors: Nobuo Sendai Miyagi Jp Mikoshiba; Shoichi Minagawa; Takeshi Toda Saitama Jp Okamoto
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1978-06-06
Filing date: 1979-06-06
Publication date: 1993-04-29
Also published as: JPS55610A; FR2428349B1; GB2106347A; GB2024554A; GB2024554B; GB2106347B; JPH0213488B2; NL7904423A; NL188194C; JPS584485B2; DE2922946A1; US4288765A; NL188194B; FR2428349A1; JPS5544246A

Description

Die Erfindung geht aus von einer frequenzselektiven Oberflächenwellenanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Als frequenzselektive Anordnungen zur gezielten Abgabe einer gewünschten Frequenzkomponente von einem zugeführ ten Signal wurden bislang verwendet:

1) eine Resonanzschaltung mit einer elektrischen Indukti vität (Spule) und einer Kapazität (Kondensator),
2) ein eine mechanische Resonanz (mechanischer Filter) verwendendes Element,
3) ein die Massenresonanz eines piezoelektrischen Mediums (Keramikfilter, Kristallfilter oder dergleichen) verwendendes Element und
4) einen Filter oder Resonator für elastische Oberflä chenwellen.

Unter den vorgenannten Möglichkeiten hat das Element 1) den Vorteil, daß die zu wählende Frequenz in einem weiten Bereich variabel ist, jedoch andererseits den Nachteil, daß es schwierig ist, einen hohen Gütefaktor Q, insbeson dere eine hohe Trennschärfe, wegen der Widerstandskompo nente des Elementes zu erhalten, und weiter die gewählte Frequenz durch Temperaturschwankungen leicht beeinflußt werden kann.

Obgleich andererseits die Elemente 2) bis 4) in erwünsch ter Weise einen hohen Gütefaktor Q (Trennschärfe) erge ben, haben sie den Nachteil, daß der variable Frequenzbe reich schmal ist, da es sich bei diesen Elementen von Natur her um Wählelemente mit feststehender Frequenz handelt.

Durch die US-PS 38 16 753 ist ein Oberflächenwellenbau element bekannt, welches zur Frequenzselektion von an einem Eingangswandler erzeugten akustischen Oberflächen wellen eine Pumpelektrode mit einer Wechselspannung versorgt, deren Frequenz doppelt so hoch wie die zu selektierende Frequenz ist.

In der US-PS 36 96 312 ist ein mit magnetischen Wellen arbeitendes Resonanzelement beschrieben. Dabei wird die Zyklotron-Resonanzfrequenz und damit die Wellengeschwin digkeit mittels eines angelegten elektrischen Feldes verändert und damit parametrische Wechselwirkung ermög licht.

In den IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Vol. SU-24, Nr. 1, Januar 1977, Seiten 34 bis 43, wird über Messungen an einem Convoluter-Bauelement berichtet, welches eine durch eine SiO₂-Schicht von einer Si-Schicht getrennte piezoelektrische ZnO-Schicht aufweist. Bei einem Convoluter wird aus zwei Eingangssignalen ein Ausgangssignal gebildet, welches dem Faltungsintegral der beiden Eingangssignale entspricht.

In Applied Physics Letters, Vol. 25, Nr. 9, Nov. 1974, Seiten 473 bis 475, wird über Messungen an solch einem Schichtconvoluter berichtet, welche den Einfluß einer Gleichstromvorspannung auf die Signalstärke des Faltungs ausgangssignals untersuchen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine frequenzselektive Oberflächenwellenanordnung derart weiterzubilden, daß sie eine höhere Trennschärfe in einem breiteren Arbeitsfre quenzbereich aufweist und nur eine vergleichsweise gerin ge Pumpleistung benötigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angeführten Merkmale gelöst.

Aufgrund des Schichtaufbaus des piezoelektrischen Ele ments und der zusätzlich an die Reflektorelektrodenanord nung angelegten Gleichvorspannung wird im Bereich der Reflektorelektrodenanordnung eine Raumladungskapazität erzeugt, deren Nichtlinearität die Trennschärfe verbes sert. Dabei kann durch eine entsprechende Wahl der Fre quenz der Wechselspannungsquelle die zu selektierende Frequenz in einem weiten Frequenzbereich variiert werden. Darüber hinaus wird durch die Verspannung die para metrische Wechselwirkung verstärkt, wodurch der Wirkungs grad der Frequenzselektion verbessert wird und die erfin dungsgemäße Anordnung nur eine vergleichsweise geringe Pumpleistung benötigt.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsfor men der Erfindung beschrieben.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen frequenzselektiven Oberflächenwellenanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 charakteristische Schaubilder mit exemplarischer Darstellung des Frequenzverhaltens nach der Erfindung,

Fig. 3 bis 6 schematische Ansichten von erfindungsgemäß aufgebauten Anordnungen gemäß weiterer Ausführungsformen,

Fig. 7 und 9 Diagramme des Frequenzverhaltens von Anordnungen gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 8 ein Diagramm von einer Art des Pumpwechselspannungssignals für den Betrieb der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer frequenzselektiven Oberflächenwellenanordnung gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 betreffen die Bezugszeichen 1 einen Eingangswandler, 2 einen Ausgangswandler, 3 und 4 Pumpelektroden, 5 eine piezoelektrische Schicht, 6 eine Isolierschicht, 7 eine Halbleiterschicht, 8 und 9 elastische Oberflächenwellen absorbierende Elemente, 10 eine Pumpenergiequelle, 11 einen Kondensator zur Ausschaltung eines Gleichstroms, 12 eine Induktivität zur Ausschaltung eines Wechselstromes und 13 eine Gleichspannungsquelle.

Die Vorrichtung kann z. B. dergestalt hergestellt werden, daß eine Isolierschicht 6, z. B. eine Siliciumdioxidschicht (SiO₂) auf einer Halbleiterschicht 7 aus Silicium (Si) etc. durch Wärmeoxidation, eine piezoelektrische Schicht 5, z. B. eine Zinkoxidschicht, auf der Isolierschicht 6 durch Aufdampfen gebildet und ein Metall, z. B. Aluminium (Al) oder dgl., auf der piezoelektrischen Schicht 5 aufgebracht wird, um nachfolgend durch Fotoätzung des Metalls die Elektroden 1 bis 4 zu formen. Bei den im mittleren Bereich der fotoelektrischen Schichtoberfläche ausgebildeten Elektroden 1 und 2 handelt es sich um Kammelektroden, die als Signaleingangs- bzw. Signalausgangswandler wirken.

Dagegen handelt es sich bei den Elektroden 3 und 4 nahe der Elektrode 1 bzw. 2, die an den Randbereichen der piezoelektrischen Schicht 5 angeordnet sind, um die vorerwähnten Pumpelektroden.

Die Pumpelektroden 3 und 4 sind mit der Gleichspannungs quelle 13 durch die wechselstromverhindernde Induktivität 12 und ferner mit der Pumpenergiequelle 10 durch den gleich stromverhindernden Kondensator 11 verbunden.

An den gegenüberliegenden Enden von einem Fortpflanzungsweg für akustische Wellen der piezoelektrischen Schicht 5 befinden sich die elastische Oberflächenwellen absorbierenden Elemente 8 und 9.

Das Material für die piezoelektrische Schicht 5 ist nicht auf Zinkoxid (ZnO) beschränkt. Vielmehr kann es sich um irgendein piezoelektrisches Material, wie z. B. Lithiumniobat (LiNbO₃), Aluminiumnitrat (AlN), Cadmiumsulfid (CdS), Zinksulfid (ZnS) oder dgl. handeln. Der bei der Erfindung verwendete Halbleiter kann entweder ein p-Typ oder n-Typ Halbleiter sein. Die Polarität der Gleichstromenergiequelle 13 für die Vorspannung wird je nach Art des Substrats bestimmt, um auf der Oberfläche der Halbleiterschicht 7 eine geeignete Raumladungskapazität vor zusehen.

Obgleich die Isolierschicht 6 als stabilisierende Schicht zwischen der Halbleiterschicht 7 und der piezoelektrischen Schicht 5 bei der gezeigten Ausführungsform angeordnet ist, kann die Isolierschicht 6 je nach dem für die piezoelektrische Schicht 5 verwendeten Material auch weggelassen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so ausgebildet sein, daß eine Halbleiterschicht auf einer piezoelektrischen Schicht vorgesehen ist.

Bei der vorerwähnten Anordnung legt die Gleichspannungsquelle 13 eine Gleichspannung an die Pumpelektroden 3 und 4, um eine geeignete Raumladungskapazität an der Oberfläche der Halbleiterschicht in den Bereichen unter den Elektroden 3 und 4 hervorzurufen.

Ein Ausgang der Pumpenergiequelle 10 zur Erzeugung einer Pumpspannung mit einer Frequenz 2f, die doppelt so hoch wie die gewünschte Frequenz, d. h. die Frequenz f, zu wählen ist, wird ebenfalls an die Pumpelektroden 3 und 4 über den gleichstromverhindernden Kondensator 11 angelegt. Infolge davon wird die Raumladungskapazität auf der Oberfläche der Halbleiterschicht 7 bei einer Frequenz 2f wie die Frequenz der Pumpspannung angeregt. Da sich die Kapazität entsprechend der angelegten Spannung ändert, findet eine Änderung mit einer Frequenz 2f statt.

Wenn ein elektrisches Eingangssignal einer Klemme 1′ des Signaleingangswandlers 1 mit einem ausreichend breiten Band zugeführt wird, wird das Eingangssignal in ein akustisches Oberflächenwellensignal umgewandelt, das sich längs der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 5 bei Betrachtung nach Fig. 1 in linksseitiger und rechtsseitiger Richtung fortpflanzt. Von den in linksseitiger Richtung von dem Eingangswandler 1 sich fortpflanzenden akustischen Oberflächenwellen wird eine Komponente mit einer Frequenz f verstärkt, während das Signal durch die Pumpelektrode 3 läuft, da das piezoelektrische Potential an der Elektrode 3 einer parametrischen Wechselwirkung mit der Pumpspannung aufgrund der nicht linearen Wirkung der Raumladungskapazität an der Oberfläche des Substrates unterworfen ist. Gleichzeitig wird eine akustische Oberflächenwelle hervorgerufen, die bei Betrachtung nach Fig. 1 sich von der Pumpelektrode 3 nach rechts fortpflanzt. Die Welle hat eine Frequenz f und ein dem Niveau des Eingangssignals entsprechendes Niveau. Diese akustische Oberflächenwelle pflanzt sich bei Betrachtung nach Fig. 1 nach rechts fort und wird durch den Signalausgangswandler 2 in ein elektrisches Signal umgesetzt. Daher wird an der Klemme 2′ des Wandlers 2 ein Signal mit der gewünschten Frequenz f abgegeben.

In gleicher Weise geht von den vom Eingangswandler 1 nach rechts sich fortpflanzenden akustischen Oberflächenwellen eine reflektierte Welle mit einer Frequenz f und einem dem Niveau einer Signalkomponente mit der Frequenz f entsprechenden Niveau von der Pumpelektrode 4 bei Betrachtung nach Fig. 1 nach links aus und wird durch den Ausgangswandler 2 in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Die durch die Pumpelektroden 3 und 4 reflektierten akustischen Oberflächenwellen bestehen hauptsächlich aus Komponenten mit der Frequenz f und besitzen ein Niveau, das dem des Eingangssignals entspricht und je nach dem Niveau der Pumpspannung und der Vorspannung bestimmt ist. Das Frequenzverhalten am Ausgang des Ausgangswandlers 2 ist in Fig. 2a dargestellt. Es läßt sich somit eine frequenzselektive Anordnung mit einem extrem hohen Gütefaktor Q (Trennschärfe) erzielen.

Andererseits kann eine Durchlaßmittelfrequenz f, die vom Ausgangsumformer 2 abgenommen wird, durch Änderung der Frequenz 2f der Pumpspannung der Pumpenergiequelle 10 verändert werden.

Die akustischen durch die Pumpelektroden 3 und 4 hindurchgelaufenen Oberflächenwellen, die sich von den Pumpelektroden nach links bzw. rechts fortpflanzen, werden durch die Absorber 8 bzw. 9 absorbiert.

Fig. 3 bis 6 zeigen schematisch weitere Ausführungsformen von Anordnungen gemäß der Erfindung.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind nahe einem Eingangs- und einem Ausgangswandler 1 und 2 in Form von Wellenumformern an einer Seite ein regelmäßig gezackter Reflektor 20 zur Erzeugung einer mechanischen Reflexion und an der anderen Seite eine mit der Wechselspannung von einer Pumpenergiequelle 10 gespeiste reflektierende Elektrode 4 vorgesehen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 lassen sich zwei gewünschte Frequenzen f₁ und f₂ wählen. Zwei Pumpelektroden 3 und 4 sind mit der Pumpenergiequelle 15 bis 16 verbunden. Die Pumpenergiequellen 15 und 16 haben die Pumpfrequenzen 2f₁ bzw. 2f₂. Das Frequenzverhalten von einem vom Ausgangswandler 2 abgenommenen Ausgang ist in Fig. 2b wiedergegeben.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform wird ein Ausgang des Ausgangswandlers 2 an die Ausgangsklemme 2′ zur Gleichspannungsquelle 13 und Pumpenergiequelle 10 über eine Rückführschaltung 17 zurückgeführt, um das Niveau der Gleichvorspannung und das Niveau und/oder die Frequenz der an den Pumpelektroden 3 und 4 anliegenden Wechselspannung zu verändern; dabei wirken die Pumpelektroden 3 und 4 als reflektierende Elektroden. Auf diese Weise wird die Amplitude und/oder Frequenz des Ausgangssignals gesteuert. Das Rückführsignal kann natürlich auch nur einer der beiden Energiequellen 13 und 10 zugeführt werden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 sind ein Verstärker 18 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor und eine Schaltung 19 für eine automatische Steuerung des Verstärkungsfaktors (AGC) mit einer Ausgangsseite des Ausgangswandlers 2 ver bunden, um eine Amplitudensteuerung von einem Ausgangssignal zu erhalten. Diese Schaltungen können alternativ mit einer Eingangsseite des Eingangswandlers 1 verbunden werden.

Die bei den Ausführungsformen nach Fig. 5 und 6 zusätzlich verwendeten Schaltungen oder Stromkreise können natürlich auch bei den Ausführungsformen nach Fig. 3 und 4 vorgesehen werden.

Das Verstärkungs-Frequenzverhalten ist in Fig. 2a gezeigt. Wie dargestellt, kann die Durchlaß breite bei dem Verstärkungsverhalten sehr weit verengt werden. In diesem Fall lassen sich folgende Vorteile erhalten.

a) Der Gütefaktor Q (Trennschärfe) (Resonanzmittenfrequenz/ Durchlaßbreite) kann sehr weit angehoben werden.
b) Die Durchlaßmittenfrequenz kann durch Änderung der Pumpen frequenz 2f verändert werden, so daß eine variable Ab stimmung ermöglicht wird.
c) Durch Änderung der Pumpspannung oder der Gleichvor spannung kann der Verstärkungsfaktor und daher der Q-Wert verändert werden.

Wenn unidirektionale Wandler für die akustischen Ober flächenwellen (die jeweils eine akustische Welle nur in einer Richtung z. B. dadurch erzeugen können, indem eine geeignete Phasendifferenz zwischen ihren Klemmen vorge sehen wird) anstelle der vorerwähnten Eingangs- und Aus gangswandler verwendet werden, läßt sich ein nachteiliger Einfluß aufgrund Reflexion von unerwünschten Wellen an den Wandlerbereichen verringern.

Wenn ferner eine Vielzahl von Pumpelektroden vorgesehen und mit einer Pumpenergiequelle 10 verbunden wird, erhöht sich der Verstärkungsfaktor bei der Resonanzmittenfrequenz und wird das Verhältnis des Bereiches der unerwünschten Frequenzkomponente zum Mittenfrequenzbereich verringert. Daher wird das Verhalten wie bei einem Resonator verbessert.

Wenn alternativ die Pumpelektroden mit Pumpenergiequellen von unterschiedlicher Frequenz verbunden werden, kann das Verstärkungsband frei gewählt werden, da das Oberflächen wellensignal einer Verstärkung bei unterschiedlichen Resonanz mittenfrequenzen gemäß Fig. 7 unterworfen wird, wenn es durch die Elektroden läuft.

Wenn z. B. gemäß Fig. 8 ein Signal mit einer sich linear mit der Zeit ändernden Frequenz als Pumpsignal verwendet wird und ein Wiederholungszyklus T als diejenige Zeit λ veranschlagt ist, die für den Durchgang der akustischen Oberflächenwelle durch die Pumpelektrode erforderlich ist, weist das erhaltene Frequenzverhalten einen ebenen Bereich bei einem Frequenzband f1-f2 gemäß Fig. 9 auf, da die Verstärkungsmittenfrequenz einer Änderung unterworfen ist, während sich die akustische Oberflächenwelle fortpflanzt. Das Ausgangsfrequenzband wird entsprechend der zeitlichen Änderung der Frequenz der Pumpenergiequelle geändert und kann beliebig eingestellt werden.

Nach der vorausgehenden Beschreibung hat die Erfindung folgende Auswirkungen:

a) Der Gütefaktor Q (Trennschärfe) kann verbessert werden;
b) die Resonanzmittenfrequenz läßt sich ändern;
c) der Gütefaktor Q (Trennschärfe) kann verändert werden;
d) eine unerwünschte Abweichung der Mittenfrequenz aufgrund Temperaturschwankungen und/oder Alterung wie bei einem konventionellen Resonator kann verhindert werden, indem man einen Kristalloszillator oder einen Normalfrequenzoszillator mit hoher Stabilität als Pumpenergiequelle vorsieht. Dies wird ermöglicht, da die Resonanzmittenfrequenz erfindungs gemäß mit 1/2 der Frequenz der Pumpenergiequelle bestimmt ist;
e) da die Anordnung gemäß der Erfindung im wesentlichen eine parametrische Verstärkungsfunktion verwendet, kann nicht nur ein Verlust und dgl. am Wandlerbereich für die akustische Oberflächenwelle durch eine Verstärkungserhöhung kompensiert werden, sondern läßt sich sogar an dessen Ausgangsklemme ein verstärktes elektrisches Ausgangssignal erhalten.

Wie vorerwähnt, läßt sich erfindungsgemäß der Bereich der wählbaren Frequenz in weitem Umfang ändern und wird die Trennschärfe der gewünschten Frequenz erheblich verbessert.

Da ferner die Stabilität der gewählten Frequenz durch die Stabilität eines externen Oszillators bestimmt ist, kann sie entsprechend der Stabilität des verwendeten Oszillators erheblich erhöht werden.

Claims

1. Frequenzselektive Oberflächenwellenanordnung mit

- einem piezoelektrischen Substrat,
- einem auf dem Substrat angeordneten Eingangswandler (1), der auf anliegende elektrische Eingangssignale entsprechende akustische Oberflächenwellen erzeugt,
- einem auf dem Substrat angeordneten Ausgangswandler (2), der auf ankommende akustische Oberflächenwellen entsprechende elektrische Ausgangssignale erzeugt, und
- wenigstens einer akustische Oberflächenwellen re flektierenden Pumpelektrode (3, 4), die mit einer Wechselspannungsquelle (10, 15, 16) verbunden ist, die eine Pumpspannung erzeugt,

dadurch gekennzeichnet

- daß wenigstens eine Pumpelektrode (3, 4) auf dem Substrat neben den nicht zugewandten Seiten der nebeneinanderliegenden Eingangs- und/oder Ausgangs wandler (1, 2) angeordnet ist,
- daß das Substrat in Form eines Schichtkörpers aus einer Halbleiterschicht (7) und einer piezoelektri schen Schicht (5) ausgebildet ist,
- daß die Halbleiterschicht (7) auf der dem Eingangs und dem Ausgangswandler (1, 2) und der Pumpelektrode (3, 4) abgewandten Seite des Substrats angeordnet ist,
- daß die Pumpelektrode (3, 4) zusätzlich mit einer Gleichspannungsquelle (13) verbunden ist, die eine Vorspannung liefert, die eine Raumladungskapazität in der Halbleiterschicht (7) unter der Pumpelektrode (3, 4) erzeugt, und
- daß die Frequenz der Pumpspannung doppelt so hoch wie die zu selektierende Frequenz ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben jedem Eingangs- und Ausgangswandler (1, 2) jeweils eine reflektierende Pumpelektrode (3, 4) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem einen Eingangs- oder Ausgangswandler (1, 2) nur eine reflektierende Pumpelektrode (4) und neben dem anderen Eingangs- oder Ausgangswandler (1, 2), neben dem sich keine Pumpelektrode (4) befindet, ein zusätzlicher Reflektor (20) angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Pumpelektroden (3, 4) vorgesehen sind und die Wechselspannungsquelle (15, 16) mehrere Pumpspannungen mit verschiedenen Frequenzen erzeugt und an die jewei ligen Pumpelektroden (3, 4) legt.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung mit dem Ausgangswandler (2) verbunden ist, welche die Vorspannung der Gleichspan nungsquelle (13) und/oder die Pumpspannung der Wech selspannungsquelle (10) in Abhängigkeit vom Ausgangs signal des Ausgangswandlers (2) steuert.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker (18) mit variablem Verstärkungsfaktor mit dem Ausgangswandler (2) verbunden ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangswandler (1) mit einem Verstärker (18) mit variablem Verstärkungsfaktor verbunden ist.