DE3240794A1

DE3240794A1 - Oberflaechenwellenbauelement

Info

Publication number: DE3240794A1
Application number: DE19823240794
Authority: DE
Inventors: Shoichi Minagawa; Takeshi Tokyo Okamoto; Takamasa Sakai
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1981-11-06
Filing date: 1982-11-04
Publication date: 1983-06-01
Also published as: GB2111782A; FR2516321B1; JPH0245369B2; JPS5879779A; US4473767A; FR2516321A1; NL8204301A; GB2111782B

Description

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ο β β ο ·

Oberflächenwellenbauelement

Die Erfindung betrifft ein Oberflächenwellenbauelement zum Verarbeiten von Signalen über eine nichtlineare Wechselwirkung zwischen zwei in entgegengesetzte Richtungen laufenden elastischen Oberflächenwellen, insbesondere zum Bilden des Summenfrequenzsignals aus zwei Eingangssignalen mit verschiedener Frequenz,d.h. einen sog. Convolver für elastische Oberflächenwellen mit verbessertem Signalwechselwirkungsgrad.

Ein Convolver für elastische Oberflächenwellen ist als eine Einrichtung bekannt, die die Nichtlinearität einer Fortpflanzungsschicht für eine elastische Oberflächenwelle ausnutzt, in der hochkonzentrierte elastische Energie nur in einem Teil an der Oberfläche der Schicht existieren kann, ohne sich über die. Oberflache auszubreiten, wenn die elastische Oberflächenwelle an der Oberfläche entlang läuft. Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung zeigt in einer theoretischen Darstellung einen Convolver für elastische Oberflächenwellen mit einem piezoelektrischen Substrat 1 {Fortpflanzungsschicht), zwei Eingangsklenraien 2 und 3, die an beiden Seiten des Substrates 1 vorgesehen sind? und einer Ausgangsklemme 4, die zwischen den Eingangsklemmen 2 und 3 angeordnet ist. Impulssignale, die an den Eingangsklemmen 2 und 3 jeweils anliegen, laufen als elastische Oberflächenwellen an der Oberfläche des piezoelektrischen Substrates 1 entlang zur Mitte des Substrates und werden an der Ausgangskiemme 4 als Wechselwirkungs- bzw. Frequenz-

summensignal aufgrund der Nichtlinearität des Substrates 1 abgenommen. Beim Einsatz eines derartigen Convolvers ist es bevorzugt, die Linearität des piezoelektrischen Substrates 1 zu forcieren oder durchzusetzen. - ' ' " Fig. 2 zeigt einen Convolver mit herkömmlichem Aufbau, dessen Ausgangsklemmenbereich so aufgebaut ist, dass er einen Bereich mit nichtlinearer Kapazität darstellt, um die Nichtlinearität zu verstärken. In Fig. 2 sind ein piezoelektrisches Substrat 1, ein Eingangssignalwandler 5 mit Eingangssignalklemmen 5A und 5B, ein Bezugssignalwandler 6 mit Bezugssignalklemmen 6A und 6B und der Bereich 7 mit nichtlinearer Kapazität jeweils dargestellt. Der Bereich 7 mit nichtlinearer Kapazität enthält eine Vorspahnungsklemme 8, Ausgangssignalklemmen 9A und 9B für das Wechselwirkungs- bzw. Summenfrequenzsignal und mehrere Paare von Vorwiderständen 10 und Kapazitätsvariationsdioden 11, die in Reihe zwischen die Vorspannungsklemme 8 und die Ausgangssignalklemme 9A geschaltet sind. Diese Anordnung ist hinsichtlich der Verbesserung der Nichtlinearität vorteilhaft, da sie es erlaubt, den Bereich 7 nichtlinearer Kapazität unabhängig vom Fortpflanzungsweg der elastischen Oberflächenwelle auszulegen.

Bei der oben beschriebenen Anordnung kann jedoch eine Verbesserung des Signalverarbeitungswirkungsgrades oder des Wechselwirkungsgrades nicht ohne weiteres erzielt werden, da die Kapazitätsvariationsdioden 11 Zweipolelemente sind, so dass es schwierig ist, die Kapazitätsänderung der Kapazitätsvariationsdioden 11 selbst bezüglich der Vorspannung in der gewünschten Weise zu steuern.

Durch die Erfindung so>ll de'a: oben beschriebene Mangel der bekannten Oberflächenwellenbauelemente oder Convolver der beschriebenen Art beseitigt werden und soll ein Oberflädhenwellenbauelement der genannten Art geschaffen werden, bei dem ein piezoelektrisches Substrat mit einer Vielzahl von leitenden Streifenelektroden und ein halbleitendes Substrat mit Sperrschichtsteuerelektroden sowie Kapazitätsabnahmeelektroden unabhängig voneinander ausgebildet sind/ wobei die leitenden Streifenelektroden mit den Sperrschichtsteuerelektroden verbunden sind, damit ein Wechselwirkungs- bzw, Summenfrequenzsignal von den Kapazitätsabnahmeelektroden abgenommen werden kann. \

Das erfindungsgemässe Oberflächenwellenbauelernent zum Verarbeiten von Signalen über eine nichtlineare Wechselwirkung zwischen zwei elastischen Oberflächenwellen, die in entgegengesetzte Richtungen laufen, umfasst ein piezoelektrisches Substrat, eine Vielzahl von leitenden Streifenelektroden, einen Eingangssignalwandler, einen Bezugswandler, wobei die Streifenelektroden,der Eingangssignalwandler und der Bezugssignalwandler am piezoelektrischen Substrat vorgesehen sind, ein halbleitendes Substrat, Sperrschichtsteuerelektroden und Kapazitätsabnahmeelektroden, die am halbleitenden Substrat vorgesehen sind, wobei die leitenden Streifenelektroden mit den Sperrschichtsteuerelektroden verbunden sind, um die Ausgabe eines Wechselwirkungs- bzw. Summenfrequenzsignales von den Kapazitätsabnahmeelektroden zu ermöglichen.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigen schematisch herkömmliche Bau- ^{und 2} elemente.

Fig. 3 zeigen schematisch ein Ausführungsbei- ^^Π spiel des erfindungsgemässen Oberflächenwellen-

bauelementes oder Convolvers für elastische Oberflächenwellen.

Fig. 5 zeigt die Kennlinie der Kapazitätsänderung gemäss der Erfindung. .

In Fig. 3 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel des erf indungsgemässen Oberf lächenwellenbauelementes oder Convolvers für elastische Oberflächenwellen dargestellt, bei dem gleiche Bauteile wie in Fig. 2 dieselben Bezugszeichen tragen. Eine Vielzahl von leitenden Streifenelektroden 12 ist neben dem Eingangssignalwandler 5 und dem Bezugssignalwandler 6 vorgesehen. Die leitenden Streifenelektroden 12 können dadurch ausgebildet werden, dass einmal Aluminium über die Oberfläche eines Substrates aus Lithiumniobat durch Aufdampfen usw. aufgebracht wird, und dass danach die nicht notwendigen Teile der Aluminiumschicht durch Fotoätzen usw. entfernt werden.

Ein halbleitendes Substrat 13 besteht beispielsweise aus N-leitendem Silicium. Über eine Aussenfläche des halbleitenden Substrates 13 sind wahlweise P-leitende Bereiche 15 beispielsweise dadurch ausgebildet, dass einmal eine Isolierschicht 14 aus Siliciumdioxid über die Oberfläche des halbleitenden Substrates 13 aufgebracht wurde und danach Fenster durch Fotoätzen gebildet und schliesslich P-leitende Störstellen durch d^^e Fenster diffundiert wurden. Elektroden 16 zur Sperrschichtsteuerung sind auf den P-leitenden Bereichen ausgebildet und Elektroden

zur Kapazitätsabnahme sind in einer Anzahl, die der Anzahl der Sperrschichtsteuerelektroden 16 entspricht, auf den übrigen Teilen der Isolierschicht 14 vorgesehen. Eine ge.-meinsame Elektrode 18' ist über die gegenüberliegende Aussenflache des N-leitenden Substrates 13 ausgebildet. Die einzelnen leitenden Streifenelektroden 12 sind mit den Sperrschichtsteuerelektroden 16 über Verbindungsdrähte 18 verbunden, während die Kapazitätsabnahmeelektroden 17 miteinander über einen gemeinsamen Anschluss 19 verbunden sind. Die Verbindung zwischen den Elektroden und 16 kann durch Metallaufdampfen, Fotoätzen usw. gebildet sein.

Im vorliegenden Fall müssen die Vorwiderstände 10 nur mit den Elektroden 12 oder 16 verbunden werden, so dass diese dadurch gebildet werden können, dass ein Widerstandsmaterial, wie beispielsweise eine NiCr-Legierung auf das halbleitende Substrat 13 durch Aufdampfen usw. aufgebracht wird. Es ist daher nicht notwendig, die Widerstände unabhängig voneinander vorzusehen.

Bei einer derartigen Anordnung sind Kapazitatsvariationsdioden mit drei Anschlüssen, nämlich den Sperrschichtsteuerelektroden 16, den Kapazitätsabnahmeelektroden 17 und der gemeinsamen Elektrode 18 im Halbleitersubstrat 13 ausgebildet. Wenn eine Sperrvorspannung an der Vorspannungselektrode 8 liegt, dehnen sich die Sperrschichten 20 vom PN-Übergang J aus und wird eine Kapazitätsänderung an den Anschlüssen 17 erhalten. Da sich die Sperrschichten sowohl in Richtung der Breite als auch der Tiefe ausdehnen und zusammenziehen, kann die gewünschte Kennlinie der Kapazitätsänderung dadurch erhalten werden, dass der Ort der Elektroden 16 und 17 verändert wird.

Die Kapazitätsabnahmelektrode 17 bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist im sog. MIS-Aufbau ausgebildet, bei dem die Elektrode auf dem halbleitenden Substrat 13 über die Isolierschicht 14 vorgesehen ist. Sie kann jedoch auch in Form eines PN-Überganges durch die Bildung eines weiteren Bereiches mit einer Leitfähigkeit, die der des Substrates 13 entgegengesetzt ist, und durch die Anordnung einer Elektrode auf dem weiteren Bereich oder in Form einer Schottky-Sperrschicht vorgesehen sein, indem eine Metallschicht ausgebildet ist und die Elektrode auf der Metallschicht angeordnet ist oder diese selbst als Elektrode verwandt wird.

Wenn ein Eingangssignal an den Eingangssignalklemmen 5A und 5B liegt,wird dieses Signal in eine elastische Oberflächenwelle durch den Eingangssignalwandler 5 umgewandelt, die in Fig. 3 nach rechts läuft. Andererseits wird ein Bezugssignal, das an den Klemmen 6A und 6B liegt, in eine elastische Oberflächenwelle über den Bezugssignalwandler 6 umgewandelt, die nach links läuft. Zu diesem .Zeitpunkt bewirkt das piezoelektrische Substrat 1 (Fortpflanzungsschicht) ·ein elektrisches Potential entsprechend dem Lauf der elastischen Oberflächenwelle aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaft des Substrates 1. Das elektrisehe Potential liegt über die leitenden Streifenelektroden 12 an den Sperrschichtsteuerelektroden 16.

Die Beziehung zwischen der Vorspannung V_ß, die über die Vorspannungsklemme 8 an den Sperrschichtsteuerelektroden 0 16 liegt, und der Kapazität C, die zwischen den Kapazitätsabnahmeelektroden 17 und der gemeinsamen Elektrode 18' abgenommen wird, ist in Fig. 5 dargestellt, die zeigt, dass sich die.Kapazität scharf in der Nähe der Stelle V_T ändert.

-y-

Durch die Wahl einer Vorspannung V₀ an der Klemme 8 in der Nähe des Wertes V„, kann daher die Nichtlinearität der Kapazität bezüglich der Höhe des elektrischen Potentials aufgrund der elastischen Oberflächenwelle, das an den Sperrschichtsteuerelektroden liegt, so gross wie möglich gemacht werden, wodurch der Wechselwirkungs- oder Signalverarbeitungswirkungsgrad erhöht wird.

Wenn weiterhin angenommen wird, dass ein Eingangsträgersignal mit einer Frequenz f-j am Eingangssignalwandler 5 liegt und dass ein Bezugsträgersignal mit einer Frequenz fo am Bezugssignalwandler 6 liegt, so liegt an den Sperrschichtsteuerelektroden 16 eine Spannung mit beiden Frequenzen f.. und f^, so dass eine Spannung mit der Frequenz f₁+f₂ an den Kapazitätsabnahmeelektroden 17 aufgrund der Kapazitätsnichtlinearität abgenommen wird. Diese Spannung ändert sich für jede leitende Streifenelektrode 12. Das Ausgangssignal, das von den Kapazitätsabnahmeelektroden dadurch erhalten wird, dass die jeweiligen leitenden Streifenelektroden 12 elektrisch verbunden werden, wird jedoch zu einem Frequenzsummensignal mit den Frequenzen f- und f-.

Wie es oben beschrieben wurde, weist das erfindungsgemässe Oberflächenwellenbauelement oder der erfindungsgemässe Convolver für elastische Oberflächenwellen ein piezoelektrisches und ein halbleitendes Substrat auf, die beide unabhängig voneinander ausgebildet sind. Die leitenden Streifenelektroden sind auf dem piezoelektrischen Substrat vorgesehen, während Sperrschichtsteuerelektroden und Kapazitätsabnahmeelektroden unabhängig auf dem halbleitenden Substrat vorgesehen sind. Die leitenden Streifenelektroden sind mit den Sperrschichtsteuerelektroden verbunden, so dass ein Wechselwirkungssignal von den Kapazitätsabnahmeelektroden abgenommen werden kann. Das führt zu einer Verbesserung

BAD

des Wechselwirkungs- oder Signalsverarbeitungswirkungsgrades. Weiterhin erlaubt die Verwendung von Kapazitätsvariationsdioden mit drei Anschlüssen die gewünschte Steuerung der Form der Kapazitätsänderung. Die Möglichkeit > \ der Ausbildung der Vorwiderstände und der Kapazitäts- L; variationsdioden auf dem gleichen gemeinsamen halbleitenden Substrat erlaubt es,die Technik der Ausbildung integrierter Schaltungen anzuwenden und die Herstellung zu erleichtern.

Wie es oben beschrieben wurde, wird es erfindungsgemäss möglich, die Kapazitätsnichtlinearität zu vergrössern und dementsprechend den Signalwechselwirkungs- oder Signalverarbeitungswirkungsgrad zu verbessern.

Es sei darauf hingewiesen, dass das piezoelektrische Element als Substrat zum Fortpflanzen der elastischen Oberflächenwelle nicht auf einen Körperteil aus einem einzigen Material beschränkt ist, sondern einen Schichtaufbau aus verschiedenen Materialarten haben kann.

Leersei te

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing.*J$ ^eYck&sajIn, Di-pb.^Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. R A.Weιckmanν, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska 0 h. Nov. 1982 8000 MÜNCHEN 86 POSTFACH 860 820 MDHLSTRASSE 22 TELEFON (089) 98 03 52 TELEX 5 22 621 TELEGRAMM PATENTWEICKMANN MÖNCHEN P/ht, Clarion Co., Ltd., Tokyo, Japan PATENTANSPRÜCHE

1.J Oberflächenwellenbauelement zum Verarbeiten von Signalen über eine nichtlineare Wechselwirkung zwischen elastischen Oberflächenwellen, gekennzeichnet durch ein piezoelektrisches Substrat {1), eine Vielzahl von leitenden Streifenelektroden (12), einen Eingangssignalwandler (5), einen Bezugssignalwandler (6), wobei r die Streifenelektroden (12), der Eingangssignalwandler

(5) und der Bezugssignalwandler (6) auf dem piezoelektrischen Substrat (1) vorgesehen sind, ein halbleitendes Substrat {13}, Sperrschichtsteuerelektroden (16) und Kapazitätsabnahmeelektroden (17), wobei die Sperrschichtsteuerelektroden

(16) und die Kapazitätsabnahmeelektroden {17) auf dem

halbleitenden Substrat (13) vorgesehen sind und die leitenden Streifenelektroden (12) mit den Sperrschichtsteuerelektroden' (16) verbunden sind, so dass ein Wechselwirkungssignal von den Kapazitätsabnahmeelektroden (17) ausgegeben werden kann.

2. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass Vorwiderstände (10) mit den leitenden Streifenelektroden (12) verbunden sind, und dass eine gemeinsame Elektrode (18) an der Rückfläche des halbleitenden Substrates (13) ausgebildet ist.