DE3586199T2

DE3586199T2 - Wandler fuer akustische oberflaechenwellen.

Info

Publication number: DE3586199T2
Application number: DE8585402357T
Authority: DE
Inventors: Peter Vickers Wright
Original assignee: RF Monolithics Inc
Current assignee: RF Monolithics Inc
Priority date: 1984-12-03
Filing date: 1985-11-29
Publication date: 1993-01-14
Anticipated expiration: 2005-11-30
Also published as: KR940006926B1; US4910839A; JP2731805B2; GB2168212A; KR860005331A; EP0184508B1; IT8568010A0; IT1183990B; GB8528582D0; EP0184508A3; GB2168212B; DE3586199D1; EP0184508A2; JPS61136313A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wandler bzw. Übertrager für akustische Oberflächenwellen und, allgemeiner, eine akustische Oberflächenwellen-Vorrichtung, bei der der Phasenwinkelabstand zwischen Übertragungszentren für elektrische Wellen und Reflexionszentren für akustische Wellen durch örtliches Verändern der Übertragungszentren für die Wellen eingestellt werden kann.
Durch das Einstellen der Übertragungszentren für elektrische Wellen in bezug auf die Reflexionszentren für akustische Wellen, läßt sich insbesondere eine unidirektionale Einphasen-Übertragerstruktur mit Viertelwellenlängen-Fingern und -Lücken für große Leistung erzielen, die mit solchen Fingern und Lücken beim Stand der Technik bisher nicht erreicht werden konnte.
So wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff "unidirektional" auf eine Vorrichtung, bei der zwei übertragene gegenläufige akustische Wellen wesentlich voneinander verschiedene Amplituden aufweisen. Als Maß der Unidirektionalität oder der Richtwirkung der Vorrichtung gilt das Verhältnis der Leistung in der gewünschten zu der in der unerwünschten Richtung.
Hinsichtlich des möglichen Hochfrequenzspektrums handelt es sich um eine begrenzte nationale Resource, die mit Blick auf die dauernd steigenden Ansprüche sinnvoll verwaltet werden muß. Es müssen Wege gefunden werden, um die Anzahl von Nutzern oder Diensten zu erhöhen, die einem vorgegebenen Frequenzband zugeordnet werden können. Gegenwärtig liegt der größte Bedarf beim HF-Spektrum im Frequenzbereich von 50 MHz bis 1 GHz. Ein wichtiger Teil dieses Spektrums ist derzeit wegen zu niedriger Trennschärfe der meisten bekannten Empfänger ungenutzt. "Schutzbänder" ohne Zuordnung müssen zwischen den Kanälen freigelassen werden, um Übersprechen zwischen Nachbarkanälen zu vermeiden. Eine Technologie für in Massenherstellung billig erzeugbare Filter mit hoher Trennschärfe wird dringend benötigt, um diese Situation zu verbessern. Filter mit akustischen Oberflächenwellen (SAW-Filter = Surface Acoustic Wave Filter) scheinen die vielversprechensten Möglichkeiten zum Erfüllen dieser Aufgabe zu bieten.
SAW-Vorrichtungen sind kompakt, leicht, robust und einfach herstellbar, da sie in Planartechnologie hergestellt werden. Sie können im Prinzip mit denselben Technologien in Mengen hergestellt werden, die erfolgreich für die Herstellung von integrierten Schaltungen auf Siliziumbasis entwickelt wurden. Mit SAW-Vorrichtungen kann eine breite Vielfalt von Verarbeitungsfunktionen für Analogsignale erzielt werden. Neben anderen Anwendungen werden sie gegenwärtig zur Pulskompression bei Radarsystemen, als Bandpaßfilter bei Empfängern oder als Resonatoren zum Stabilisieren von Oszillatoren in vielen Anwendungen verwendet. Sie haben bereits viele Spulen-, Kondensator- und Metall-Hohlraumresonatoren herkömmlicher Hochfrequenzsysteme ersetzt und damit das Erfordernis für manuelle Justierung beseitigt und die Zuverlässigkeit und die Leistungsfähigkeit stark verbessert. Dies hat gleichzeitig zu deutlichen Verringerungen sowohl bei Größe wie auch den Kosten geführt.
Die Bandpaßfiltercharakteristik mit scharf abfallenden Flanken, wie sie mit SAW-Filtern im VHF und UHF-Bereich erzielbar ist, konnte die Probleme beim Nachbarkanalübersprechen verringern, was ein viel dichteres Zuordnen von Frequenzkanälen erlaubt. Jedoch hat dies bisher nicht in großem Maße stattgefunden, in erster Linie wegen eines Hauptnachteils von SAW-Filtern. Im allgemeinen weisen SAW-Filter sehr hohe Einfügungsverluste auf, typischerweise mit mehr als 20 dB. Für Anwendungen als Eingangsfilter bei Empfängern muß daher einem SAW-Filter ein hochverstärkender rauscharmer Verstärker vorangehen, um eine für das System angemessene Rauschzahl sicherzustellen. Jedoch werden Versuche zum Kompensieren dieses großen Filtereinfügeverlustes durch Schwierigkeiten mit dem dynamischen Bereich behindert, die mit dem rauscharmen Verstärker verknüpft sind.
Der hohe Einfügungsverlust von SAW-Filtern ist der Technologie als solcher nicht eigen; Materialbeschränkungen und Ausbreitungsverluste sind nicht die Schwierigkeit. Eher ist es ein Ergebnis der Technologie, mit der SAW- Filter realisiert werden. Es wurden SAW-Filter mit niedrigem Verlust mit komplexerem Aufbau entwickelt. Diese neigen jedoch dazu, nur in begrenzten Frequenzbereichen zu arbeiten, weisen schlechtes Außerbandansprechverhalten auf oder erfordern große und komplizierte Anpas-sungsnetzwerke. Der Gegenstand dieser Erfindung erlaubt die Verwendung einer SAW-Vorrichtung bei vielen Anwendungen, wie bei einem neuen einphasigen unidirektionalen Übertrager (SPUDT = Single-Phase Uni-Directional Transducer), der viele der oben dargelegten Beschränkungen in bezug auf die Leistungsfähigkeit verlustarmer SAW-Filter aufweist. Z. B. erlaubt es ein verlustarmer SPUDT,daß hochselektive SAW-Bandpaßfilter zum Standard für alle Anwendungen in der Eingangsstufe von Empfängern werden.
Beim Stand der Technik neigen SAW-Wandler dazu, einfallende, akustische Signale zu reflektieren. Diese Reflexionen bewirken, daß Signale zwischen den Eingangs- und Ausgangswandlern einer SAW-Vorrichtung hin- und herreflektieren. Bei vielen Systemanwendungen können diese Mehrfachreflexionen zu einer kleineren Kopie des Originalsignals führen, die aus dem Filter einige Mikrosekunden nach dem gewünschten Signal austritt. Dieses Phänomen wird häufig als "Triple Transit" (Dreifachdurchlauf)-Echo bezeichnet, da das stärkste der Kopiesignale dasjenige ist, das die Vorrichtung dreimal durchläuft. In Systemen wie Fernsehempfängern kann dieser Effekt die Leistungsfähigkeit des Empfängers ernsthaft verschlechtern.
Die Reflexionen vom akustischen Anschluß herkömmlicher SAW-Empfänger weisen zwei Komponenten auf. Die erste ist die Diskontinuitätsreflexion, bei der es sich um eine Reflexion aufgrund mechanischer und elektrischer Diskontinuitäten handelt, wie sie durch die Elektroden selbst auf der Oberfläche unter Kurzschlußbedingungen erzeugt werden. Die zweite ist die elektrische Rückkopplung, die aus der Rückstrahlung der einfallenden Welle durch den Wandler aufgrund der elektrischen Ausgangsspannung an den Übertragerelektroden herrührt. Beim Stand der Technik wurden die Diskontinuitätsreflexionen im allgemeinen mit Hilfe von Übertragerstrukturen minimiert, die drei oder vier Elektroden pro Wellenlänge verwenden, wodurch die Reflexionen von einer Elektrode durch die Reflexionen von Nachbarelektroden aufgehoben werden können. Das einzige Verfahren bei einer herkömmlichen Wandlerstruktur zum Unterdrücken der Rückkopplungsreflexionen besteht darin, das Filter absichtlich zu verstimmen, um den Pegel der elektrischen Spannung am Übertrager zu verringern, jedoch hat dies einen höheren Filtereinfügeverlust zum Ergebnis. Der elektrische Fehlanpassungsverlust, der hieraus resultiert, liegt typischerweise bei 20 bis 25 dB, bevor annehmbare Echounterdrückung erreicht wird. Unidirektionale Mehrfachphasen- und Einzelphasen-SAW-Filter wurden verwendet, um diesen Kompromiß betreffend den Einfügungsverlust und den "Triple Transit" zu überwinden.
Bei einem Dreiphasenübertrager oder -wandler werden drei oder vier Elektroden pro Wellenlänge verwendet. Man erreicht die Unidirektionaleigenschaft mit Hilfe eines elektrischen Mehrphasentreibers. Die erforderlichen drei Phasen werden unter Verwendung eines komplexen Anpassungsnetzwerkes am elektrischen Anschluß erzielt. Das Anpassungsnetzwerk, das aus zusammengefaßten einzelnen Spulen und Kondensatoren besteht, erhöht die Kosten des Filters, jedoch noch bedeutsamer kann der Platzaufwand und die Einstellschwierigkeit sein. Das Erfordernis eines solchen Anpassungsnetzwerks nimmt für viele Schaltungen viel von der Motivation zum Verwenden einer SAW-Vorrichtung weg. Die Hauptreize von SAW-Vorrichtungen liegen darin, daß sie klein sind, kein Abstimmen erfordern und den Bedarf für unzuverlässige Komponenten mit zusammengefaßten Elementen beseitigen. Herkömmliche verlustreiche SAW-Filter-Anordnungen werden daher bei vielen Anwendungen gegenüber Dreiphasenanordnungen trotz ihrer viel höheren Einfügeverluste bevorzugt. Ein weiterer Nachteil ist der, daß Dreiphasenübertrager einen mehrstufigen Herstellprozeß mit Brückenüberkreuzungen erfordern, was die Herstellung schwierig und teuer macht.
Wenn der Wandler mit einem geeigneten Mehrphasen-Anpassungsnetzwerk betrieben wird, wie im US-Patent 3,686,518 dargelegt, wird erreicht, daß Oberflächenwellen nur an einem Ende des Wandlers ausgesendet oder empfangen werden. Der entgegengesetzte akustische Anschluß wird dadurch wirkungsvoll eliminiert, und diese Struktur, mit ihrem Anpassungsnetzwerk, wird eine wirkungsvolle Vorrichtung mit zwei Anschlüssen, die an beiden Anschlüssen angepaßt werden kann, was zu niedrigem Einfügeverlust und gleichzeitig zu niedrigen "Triple Transit"-Reflexionen führt. Jedoch hat diese Struktur den Nachteil, daß sie für richtigen Betrieb komplexe Dreiphasen-Anpassungsnetzwerke benötigt. Darüber hinaus ist sie schwierig und teuer herstellbar. Die Breiten der Finger und der Lücken bei der Struktur mit drei Elektroden pro Wellenlänge sind ein Sechstel der akustischen Betriebswellenlänge, was den Frequenzbereich der Vorrichtung aufgrund photolithographischer Zwänge weiter begrenzt.
Die minimale praxisgerechte Geometrie liegt typischerweise bei rund 0,7 µm. Mit Viertelwellenlängenelektroden begrenzt dies die maximale Frequenz der Anordnung eines SAW-Übertragers auf rund 1,2 GHz. Ein Mehrphasenübertrager mit Sechstelwellenlängenelektroden weist dementsprechend eine Frequenzgrenze von rund 800 MHz. Darüber hinaus ist es bei dieser Frequenz extrem schwierig, die Mehrschichtstruktur und die Luftbrückenüberkreuzungen herzustellen.
Aus einem Übersichtsartikel zum Stand der Technik von Smith et al., "Analysis of Interdigital Surface Wave Transducers by use of an Equivalent Circuit Model", IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-17, Nr. 11, Nov. 1969, Seiten 856-864 ist erkennbar, daß typischerweise davon ausgegangen wird, daß die Übertragungszentren in einer SAW- Vorrichtung entweder in den Mitten der Lücken oder den Mitten der Finger liegen.
Bei dieser Erfindung ist es erforderlich, die räumliche Auftrennung der Übertragungszentren und der Reflexionszentren innerhalb eines Übertragers zu berücksichtigen (beide Größen werden nachstehend definiert). Das Definieren dieser Größen ist eine schwierige Aufgabe, da die mit einer akustischen Oberflächenwelle verbundene Verschiebung eine komplexe Bewegung mit bis zu drei Komponenten der mechanischen Verschiebung einschließlich eines elektrischen Potentials ist, wobei alle Größen unterschiedliche Größen und Phase aufweisen, die praktisch unabhängig voneinander als Funktion der Entfernung von der Substratoberfläche variieren. Die relativen Größen und Phasen dieser drei Komponenten ändern sich als Funktion der Ausbreitungsrichtung, der Kristallorientierung und der Abdeckung, d. h. der Metallisierung an der Oberfläche des Kristallsubstrats. Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist diejenige, Substratorientierungen und Übertragermetallisierung auszuwählen, die wünschenswerte Eigenschaften in bezug auf Übertragung und Reflexion zeigen.
Eine beliebige der Verschiebungskomponenten oder das Potential oder irgendeine lineare Kombination derselben kann für die Bezugsamplitude und -phase für die Oberflächenwelle verwendet werden. Die genaue Wahl beeinflußt die Orte der Übertragungszentren und der Reflexionszentren, jedoch bleibt die räumliche Trennung dieser Größen von der Wahl der Bezugsverschiebung unbeeinflußt. Aus einer Reziprozitätsbeziehung läßt sich zeigen, daß unabhängig von der Wahl der Bezugsvariablen der Reflexionskoeffizient für jede verlustlose Diskontinuität an der Kristalloberfläche für vorwärtslaufende Wellen mit dem negativen komplexkonjugierten Wert des Reflexionskoeffizienten für vorwärtslaufende Wellen übereinstimmt. Dies wird durch die Gleichung Γ&submin; = -Γ&sbplus;* repräsentiert.
Wenn der ins Auge gefaßte Kristall eine Reflexionssymmetrieebene rechtwinklig zur gewünschten Ausbreitungsrichtung aufweist und wenn eine einzige physikalische Variable als Bezugsvariable gewählt wird und wenn ein reflektierendes Element ein Symmetriezentrum (z. B. eine einzelne Übertragerelektrode) aufweist, dann muß hieraus, wenn die Bezugsebene für die Reflexion am Symmetriezentrum des Elements festgelegt wird (in der Mitte der Elektrode z. B.), daraus auch folgen, daß der Reflexionskoeffizient für Vorwärtswellen mit dem Reflexionskoeffizienten für Rückwärtswellen im Symmetriepunkt übereinstimmen muß. Es gilt demgemäß Γ&submin; = Γ&sbplus;.
Diese zwei Gleichungen können nur dann gleichzeitig erfüllt sein, wenn der Reflexionskoeffizient am Zentrum des Reflexionselements (beim Beispiel der Mitte der Elektrode) rein imaginär ist. Es ist zu beachten, daß Reflexionen von allen Teilen des Elements ausgehen können, jedoch werden sie in diesem Fall so nachgebildet, als würden sie alle von einem einzigen Reflexionspunkt ausgehen. Es ist auch zu beachten, daß dann, wenn die Bezugswellenamplitude und -phase so gewählt werden, daß sie eine lineare Kombination physikalischer Variablen sind, die keine Symmetriebeziehung zur Oberfläche oder zum Element haben, der Reflexionskoeffizient am Zentrum des reflektierenden Elements nicht rein imaginär ist.
Bei der vorliegenden Erfindung werden Ausbreitungsrichtungen in Kristallorientierungen verwendet, die keine Reflexionssymmetrieebene rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung aufweisen. Daher muß der Reflexionskoeffizient am Symmetriezentrum eines reflektierenden Elements (einer Elektrode im vorliegenden Fall) nicht rein imaginär sein. Jedoch muß die Reziprozitätsbedingung (Γ&submin; = -Γ&sbplus;*) immer noch erfüllt sein.
In den meisten Fällen, in denen eine detaillierte Berechnung der in Zusammenhang mit SAW-Ausbreitung verbundenen Verschiebung in der Literatur diskutiert wird, wird die Komponente der Materialverschiebung, die parallel zur Ausbreitungsrichtung liegt, als Bezugswellenkomponente verwendet. Der Übereinstimmung halber wird auch hier diese Bezugskomponente angenommen. Die Reflexionszentren für ein reflektierendes Element, wie hier definiert, werden als Punkte angesehen, in denen der Reflexionskoeffizient rein imaginär ist. Der Reflexionskoeffizient kann entweder positiv oder negativ sein. Die Übertragungszentren, wie hier definiert, werden als Punkte in einem Übertrager angesehen, in denen örtlich übertragene Komponenten der Vorwärts- und der Rückwärtswelle in Phase miteinander sind.
Wenn diese Definitionen auf einen Übertrager mit zwei Elektroden pro Wellenlänge angewendet werden, würde das Ergebnis vier Reflexionszentren pro Wellenlänge und zwei Übertragungszentren pro Wellenlänge angeben. Benachbarte Reflexionszentren würden entgegengesetztes Vorzeichen und einen Abstand von einer Viertelwellenlänge aufweisen.
Wenn ein Übertrager mit zwei Elektroden pro Wellenlänge auf einem Kristallsubstrat angeordnet wird, das eine Reflexionssymmetrieebene rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung aufweist, fallen die Übertragungszentren mit zwei der Reflexionszentren überein. Wenn weiterhin eine der Übertragungskomponenten als Bezuswellen-Amplitude und -Phase verwendet wird, liegt immer ein Reflexionszentrum mittig an jeder Elektrode, und das Übertragungszentrum liegt entweder mittig unter den Elektroden oder mittig unter den Lücken. Beim Stand der Technik weisen die meisten für praxisbezogene Vorrichtungen verwendete SAW-Substratmaterialien eine Reflexionssymmetrieebene rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung auf. Selbst in Fällen, wo dies nicht gilt (Y-Schnitt, Z-Ausbreitung, z. B. Lithiumniobat), ist die Verschiebung zwischen den Reflexions- und Übertragungszentren ausreichend klein, so daß die veröffentlichten Modelle für Übertrager mit internen Reflexionen, die eine solche Reflexionssymmetrie voraussetzen, ausreichende Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen angeben.
Reflexionen von Elektroden wurden schon früher in der Literatur diskutiert. Siehe z. B. W. H. Haydl et al., "Design of Quartz and Lithium Niobate SAW Resonators Using Aluminum Metalization", Proceedings of the 30th Annual Frequency Control Symposium, Juni 1976, Seiten 346-357. In dieser Veröffentlichung wird angenommen, daß alle Reflexionen rein reell sind, wenn auf die Kante einer Elektrode Bezug genommen wird. Jedoch haben R.C.M. Li und J. Melngailis, "Influence of Stored Energy at Step Disconituities on the Behavior of Surface-Wave Gratings", IEEE Trans. on Sonics and Ultrasonics, SU-22, S. 189 (1975) darauf hingewiesen, daß Reflexion, die auf eine Kante bezogen wird, sowohl eine reelle Komponente aufgrund einer Diskontinuität in der Impedanz, wie auch eine imaginäre Komponente aufgrund des Terms gespeicherter Energie aufweisen kann. Wie bereits weiter oben festgestellt, wird hier ein Reflexionszentrum als Punkt definiert, in dem die Phase der Reflexion rein imaginär ist. Bei dieser Definition führen sowohl Beiträge aus gespeicherter Energie wie auch Beiträge aus Impedanzdiskontinuität zu einem rein imaginären Reflexionskoeffizienten in der Mitte einer Elektrode oder in der Mitte einer Lücke. Auf diese Weise ist dieses Modell konsistent für Oberflächenwellensubstrate mit einer Reflexionssymmetrieebene rechtwinklig zur Wellenausbreitungsrichtung.
B.H. Auld gibt in "Acoustic Fields and Waves in Solids", Vol. II, John Wiley & Sons, inc., 1973, S. 170-171 Gleichungen an, die dazu verwendet werden können, SAW-Übertragung auf Kristallen mit willkürlicher Symmetrie zu berechnen. Ein besonderer Abschnitt desselben Buchs, S. 305-309, berücksichtigt die Reflexion von akustischen Oberflächenwellen an einer einzelnen abgesonderten Elektrode auf einem Substrat mit willkürlicher Symmetrie. Jedoch waren alle bisherigen Modelle für Übertrager mit interner Reflexion auf Fälle von Substraten mit einer Reflexionssymmetrieebene rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung spezialisiert. Daher wurde die Möglichkeit der willkürlichen Beabstandung der Übertragungszentren in bezug auf die Reflexionszentren bisher nicht erkannt oder berücksichtigt.
Demgemäß werden alle bekannten SAW-Übertrager auf Grundlage der Annahme analysiert und erläutert, daß die Übertragungszentren entweder in den Zentren der Finger oder den Zentren der Lücken liegen und daß die Reflexionszentren rein imaginär sind und in den Zentren der Elektroden liegen. Diese Wahl der Anordnung von Reflexionszentren und Übertragungszentren gilt für Kristalle mit Reflexionssymmetrie rechtwinklig zur Richtung der Wellenausbreitung. Demgemäß weist die einfachste Form eines Übertragers mit zwei Elektroden pro Wellenlänge starke interne Reflexionen auf, jedoch stehen, da die Übertragungszentren und die Reflexionszentren zusammenfallen oder um λ/4 gegeneinander verschoben sind, die reflektierten Wellen in einer Phasenverschiebung von 90º in bezug auf die übertragenen Wellen, und zwar sowohl für die Vorwärts- wie auch die Rückwärtswellenabstrahlung des Übertragers. Dadurch ist ein zweidirektionales Ansprechverhalten eine Eigenschaft, die Übertragern innewohnt, bei denen die Orte der Reflexionszentren und der Übertragungszentren, wie oben genannt, gewählt sind. Ein unidirektionaler Einphasenübertrager konnte daher beim Stand der Technik unter Verwendung der oben beschriebenen einfachsten Form eines SAW-Übertragers nicht erhalten werden.
In jüngerer Zeit wurden einige dieser Nachteile dadurch überwunden, daß unidirektionale Einphasenübertrager verwendet wurden, wie diejenigen, die im US-Patent 4,353,046 beschrieben sind, die komplexer sind als der SAW-Übertrager einfachster Form. Bei dieser Struktur werden akustische Reflexionen verwendet, um rückgekoppelte Reflexionen aufzuheben, woraus Unidirektionalverhalten folgt. Diese Übertrager sind einfach herzustellen und abzustimmen, jedoch überwinden sie dadurch viele Nachteile der Mehrphasenvorrichtungen. Die Finger und die Breiten der Lücken bei einem unidirektionalen Einphasenübertrager (SPUDT) haben jedoch einen Aufbau mit aufgespaltenen Fingern und mit einem Achtel der akustischen Betriebswellenlänge, was den Frequenzbereich der Vorrichtung wegen photolithographischer Zwänge auf eine maximale Betriebsfrequenz von etwa 600 MHz beschränkt, im Vergleich zur einfachsten Form des weiter oben beschriebenen SAW-Übertragers. Darüber hinaus wurden bisher nur niedrige Reflexionskoeffizienten von den 1/8 λ-Fingern oder -Elektroden erhalten, was die erzielbare Bandbreite der Vorrichtung allgemein beschränkt.
Wie weiterhin im US-Patent 4,353,046 beschrieben, liegt der Grund dafür, daß die SAW-Vorrichtung mit unterteiltem Finger unidirektional wird, darin, daß abwechselnde Finger der Elektroden mit aufgespaltenen Fingern mit zusätzlichem Material versehen werden. Beim Stand der Technik wird davon ausgegangen, daß die Reflexionszentren der SAW-Vorrichtung die Zentren der mit mehr Material versehenen Elektroden sind, während die Übertragungszentren entweder im Zentrum eines aufgespaltenen Elektrodenpaars oder an den Zentren der Lükken zwischen Fingern entgegengesetzter Polarität verbleiben. Demgemäß sind die Reflexionszentren phasenmäßig von den Übertragungszentren um ein Achtel der Wellenlänge der gegebenen Frequenz entfernt. Diese Entfernung zwischen den Übertragungszentren und den Reflexionszentren bewirkt, daß die Oberflächenwellen, die vom Übertrager aufgrund seiner elektrischen Übertragung in einer Richtung erzeugt werden, von den reflektierten akustischen Wellen von den gewichteten Elektroden aufgehoben werden. In der entgegengesetzten Richtung verstärken sich derartige Reflexionen. Diese Vorrichtung ist unidirektional, da die Materialbelastung der Übertragerelektroden die Reflexionszentren zu Orten verschiebt, die um eine Achtel Wellenlänge gegenüber den zugehörigen Übertragungszentren verschoben sind. Diese bekannte unidirektionale Einphasen-Übertragervorrichtung nimmt an, daß eine Reflexionssymmetrieebene rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung besteht. Diese Annahme für den Betrieb dieser Vorrichtung wurde bisher nicht richtig verstanden.
Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf die Verwendung des unidirektionalen Einphasenübertragers in einer Übertragungsbetriebsart. Wenn dieselbe Struktur zum Empfangen einer akustischen Oberflächenwelle verwendet wird, stehen die akustischen Reflexionen an der Struktur nicht in der richtigen Phasenbeziehung, um die Reflexionen aufgrund der Rückkopplung aufzuheben. Im Ergebnis tritt sehr geringe Reflektivität am akustischen Eingang und gute "Triple Transit"-Unterdrückung in dieser Vorrichtung auf, wenn am elektrischen Anschluß eine gute elektrische Anpassung vorliegt.
Ein unidirektionaler Einphasenübertrager erzielt sein Unidirektionalverhalten mit Hilfe eines Phasenabstandes von einer Achtelwellenlänge innerhalb des Übertragers zwischen den Übertragungszentren und den Reflexionszentren. Ein herkömmlicher unidirektionaler Einphasenübertrager erzielt diesen Phasenabstand mit Hilfe einer lokalisierten Asymmetrie (Asymmetrie innerhalb mindestens einer Übertragerperiode, typischerweise einer Wellenlänge) der Übertragerstruktur (gewichtete Elektroden), wobei das Reflexionszentrum in bezug auf das Übertragungszentrum verschoben wird, wodurch das asymmetrische Ansprechverhalten der Vorrichtung hervorgerufen wird. Siehe hier C.S. Hartmann et al., "An Analysis of SAW Interdigital Transducers With Internal Reflections and the Application to the Design of Single Phase Unidirectional Transducers", IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, 1982, S. 40-45.
Es besteht noch eine andere Asymmetrie, die, wie bei der Erfindung, ausgenutzt werden kann, um unidirektionales Ansprechverhalten von einer Struktur mit lokalisierter Symmetrie dadurch zu erhalten, daß die Übertragungszentren in bezug auf die Reflexionszentren verschoben werden (anstatt die Reflexionszentren in bezug auf die Übertragungszentren zu verschieben (wie beim Stand der Technik), was durch geeignete Wahl der Substratschnittebene und der Orientierung der Elektroden auf dieser erfolgt.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung in seiner einfachsten Form überwindet die Nachteile des Standes der Technik durch eine Übertragerstruktur für akustische Oberflächenwellen, mit einfachster Form, die ungewichtete Viertelwellenlängen-Elektrodenfinger und -lücken aufweist, wodurch die Verwendung von Elektrodenfingern und -lücken größter Abmessung, die herstellbar ist, und dennoch Übertragungs- und Reflexionszentren ergibt, die phasenmäßig gegeneinander in solcher Weise versetzt sind, daß es zu Wellenaufhebung in einer Richtung und Wellenverstärkung in der anderen kommt, wodurch ein unidirektionaler Einphasenübertrager für jede vorgegebene Frequenz gebildet wird. Dies war beim Stand der Technik mit derselben einfachen Übertragerstruktur nicht möglich, da die internen mechanischen Reflexionen immer um 90º gegenüber den erzeugten akustischen Wellen in beiden Richtungen phasenverschoben waren, wodurch Wellenaufhebungen in beiden Richtungen verhindert wurden.
Die vorliegende Erfindung erlaubt es, daß ein einfacher Übertrager mit zwei Elektroden pro Wellenlänge dadurch unidirektional ist, daß die Übertragereinrichtung selektiv auf einem vorgegebenen Substrat ausgerichtet wird, das mindestens eine Schicht eines piezoelektrischen Kristalls in solcher Weise aufweist, daß Ausbreitung einer akustischen Welle in der piezoelektrischen Schicht in einer Orientierung in solcher Weise bewirkt wird, daß die Übertragungszentren für eine vorgegebene elektrische Last in bezug auf die Reflexionszentren verschoben werden, um zu veranlassen, daß diese um den gewünschten Phasenabstand voneinander getrennt sind, wodurch mechanische Wellenverstärkung in einer Wellenausbreitungsrichtung und mechanische Wellenaufhebung in der anderen Wellenausbreitungsrichtung ermöglicht wird, um dadurch einen unidirektionalen Einphasenübertrager zu erhalten.
Führere SAW-Vorrichtungen wurden auf Kristallrichtungen hoher Symmetrie aufgebaut. Wie weiter oben festgestellt, wird bei solchen Kristallorientierungen beim Stand der Technik immer angenommen, daß die Reflexionszentren unter den Elektroden liegen und die Reflexionskoeffizienten rein imaginär sind. Entsprechend liegen in solchen Richtungen die Übertragungszentren entweder in den Lückenzentren oder unter den Elektrodenzentren. Jedoch existieren andere Kristallorientierungen, die keine Symmetrieeigenschaften, jedoch nützliche Eigenschaften für Vorrichtungen mit akustischen Oberflächenwellenfiltern aufweisen. In diesen anderen Orientierungen liegen die Übertragungszentren immer an willkürlichen Orten abhängig von der Anisotropie des Kristalls. Die Reflexionszentren bewegen sich möglicherweise an einen anderen Ort, aber sie werden im allgemeinen von einer akustischen Variablen beherrscht und verbleiben demgemäß unter den Elektroden. Eine Ungewißheit in der akustischen Reflexionsphase existiert, da die akustische Reflexion durch Reflexionen aufgrund mehrerer Komponenten der Wellenbewegung verursacht wird, einschließlich akustischen und elektrischen Variablen. Im allgemeinen können ziemlich genaue theoretische Vorhersagen für die Orte der Übertragungszentren dadurch getroffen werden, daß der Phasenwinkel des elektrischen Potentials in bezug auf die Phase der Längskomponente der akustischen Wellenbewegung betrachtet wird. Kristallorientierungen werden dort festgelegt, wo das elektrische Potential entweder mit ±45º oder ±135º zur Längswellenkomponente steht, und es wird allgemein davon ausgegangen, daß derartige Richtungen sehr nahe bei Richtungen stehen, die für erfindungsgemäße Vorrichtungen optimal sind. In der Praxis werden Vorrichtungen experimentell in der Nähe dieser Richtungen hergestellt, um die genaue Orientierung zu erkennen, in der optimales unidirektionales Einphasenverhalten auftritt. Es ist auch zu beachten, daß sehr nützliches Verhalten für einen unidirektionalen Einphasenübertrager auch für Orientierungen erhalten werden kann, in denen der Abstand zwischen Reflexions - und Übertragungszentren von einer Achtelwellenlänge abweicht, was sollmäßig erwünscht ist.
Die vorliegende Erfindung verwendet daher das elektrische Oberflächenpotential einer SAW-Vorrichtung, das sich, da piezoelektrische Kristalle anisotrop sind, in der Phase zwischen -180º und +180º abhängig von der Wellenausbreitungsorientierung im Kristallsubstrat ändern kann, wodurch das Verschieben der Übertragungszentren (in bezug auf die Reflexionszentren) über ein Kontinuum von Phasenwinkeln in einem erreichbaren Bereich von 0º - 360º ermöglicht werden kann, was es erlaubt, die Entfernung zwischen den Reflexionszentren und den Übertragungszentren auf jeden gewünschten Abstand zwischen -1/2 Wellenlänge und +1/2 Wellenlänge einzustellen. Die vorliegende Erfindung verwendet dieses Phänomen in besonderen interessierenden Stellen, wie ±45º (1/8λ oder -1/8λ, wobei λ die Wellenlänge bei der interessierenden Frequenz ist) oder ±135º (3/8λ oder -3/8λ). Bei diesen Positionen sind die Übertragungszentren in einem einfachen Übertrager mit 1/4λ-Elektroden näherungsweise an den Elektrodenkanten angeordnet oder um eine Achtelwellenlänge gegenüber den Reflexionszentren versetzt, die näherungsweise in den Elektrodenzentren angeordnet sind. Dadurch wird ein unidirektionaler Übertrager mit einer einfache SAW-Vorrichtung gebildet mit lokaler Symmetrie mit Elektroden und Lükken von einer Viertelwellenlänge.
Die Erfindung erlaubt auch den Aufbau einer SAW-Vorrichtung mit einstellbarem Phasenabstand zwischen den Reflexionszentren und den zugehörigen Übertragungszentren dadurch, daß die Übertragungszentren verschoben werden, was es ermöglicht, daß eine gewünschte Fehlanpassung zwischen der SAW- Vorrichtung und einer Last in besonderen Situationen auftritt, in denen es wünschenswert sein kann, geringe akustische Reflexion am gewünschten akustischen Anschluß zu erzielen, ohne daß die elektrische Last oder der Übertrageraufbau verändert werden.
Bei der vorliegenden Erfindung werden elektrisch rückgekoppelte Reflexionswellen, wie sie durch die externe Last bestimmt werden, durch die mechanischen Reflexionen in einer Richtung in einem einfachen Übertrager mit zwei Elektroden pro Wellenlänge oder in einem Übertrager mit lokalisierter Symmetrie aufgehoben. Da die Reflexionen aufgrund der elektrischen Rückkopplung eine Funktion der Last sind, werden Reflexionen am gewünschten akustischen Anschluß bei besonderen Lastzuständen dadurch minimiert, daß Übertragungszentren erzeugt werden, die von den Reflexionszentren um einen gewünschten Phasenabstand getrennt sind, was dadurch erfolgt, daß der Übertrager auf einem gewünschten piezoelektrischen Kristall angeordnet wird, der so geschnitten ist, daß akustische Wellenausbreitung im Kristall unter gewünschten Eulerwinkeln hervorgerufen wird.
Es wurde auch herausgefunden, daß durch ein Verschieben der Übertragungszentren an einen bestimmten Ort um dieselbe Verschiebung von 1/8λ, wie sie für unidirektionales Verhalten erforderlich ist, sich der Signalverlauf oder die Signalform des Eingangsleitwerts der SAW-Vorrichtung ändert, was es erlaubt, daß ein symmetrischer Eingangsleitwert erhalten wird; siehe hierzu die oben zitierte Stelle von C.S. Hartmann et al., S. 42-43. Diese Leitwert-Signalform konnte vor der Erfindung mit der einfachsten Form eines Übertragers für akustische Oberflächenwellen nicht erhalten werden, und der Eingangsleitwert einer solchen Vorrichtung war, wie dies der Stand der Technik beschreibt, asymmetrisch. Daher kann die Symmetrie des Eingangsleitwertes bei der einfachsten Form des erfindungsgemäßen Übertragers für akustische Oberflächenwellen nicht mit vorhandenen bekannten Modellen erklärt werden. Jedoch ist die symmetrische Form des Eingangsleitwertes des erfindungsgemäßen SAW-Übertragers für den Aufbau von Schaltungen, wie Kerbfiltern, bei denen eine größere Kerbbandbreite und größere Empfindlichkeit wichtig sind, von höchster Bedeutung.
Aus Elektronic Letters vom 27. September 1984, Seite 820 ist ein verlustarmes Sägezahnfilter bekannt, das Arten unidirektionaler Einzelphasenübertrager mit interner Reflexion verwendet.
Bei dem in diesem Dokument des Standes der Technik beschriebenen Übertrager ist ein Teil von Elektroden mit aufgespaltenen Fingern direkt auf einem 128º Y-X LiNbO&sub3;-Substrat aufgebracht.
Andere Elektroden mit aufgespaltenen Fingern sind auf dem Substrat angebracht, jedoch mit einer dazwischenliegenden dünnen SiO&sub2;-Schicht.
Dieser Aufbau führt zu einem Übertrager mit unidirektionaler Wellenausbreitung unter Beibehalten der Differenz der Übertragungszentren und der Reflexionszentren mit etwa λ0/8 und durch Auswählen eines geeigneten Wertes für den Abstand zwischen den Elektroden, die direkt auf dem LiNbO&sub3;-Substrat aufgebracht sind, und denjenigen der SiO&sub2;-Schicht.
Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Übertrager für akustische Oberflächenwellen mit lokaler Symmetrie auf einem gegebenen Substrat so anzuordnen, daß akustische Wellenausbreitung im Substrat in einer Orientierung bewirkt wird, um die Übertragungszentren in bezug auf die Reflexionszentren in solcher Weise zu verschieben, daß das Phasenansprechverhalten des Übertragers für jede vorgegebene Frequenz und elektrische Last unidirektional ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Übertrager für akustische Oberflächenwellen mit lokaler Symmetrie und Viertelwellenlängen-Elektroden und -Lücken für jede gegebene Frequenz auf einem vorgegebenen Substrat, das mindestens eine Schicht eines piezoelektrischen Materials aufweist, so selektiv zu orientieren, daß die Übertragungszentren in bezug auf die Reflexionszentren ausreichend verschoben werden, um unidirektionale Ausbreitung akustischer Wellen in der piezoelektrischen Schicht für jede vorgegebene elektrische Last zu bewirken.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine SAW-Vorrichtung mit einem Substrat anzugeben, das mindestens eine piezoelektrische Schicht und einen Übertrager aufweist, der mit lokaler Symmetrie ausgebildet ist, um vorgegebene Zentren für Wellenreflexion am Substrat zu begründen, und der auf dem Substrat selektiv positionierbar ist, um Wellenausbreitung in einer vorgegebenen Orientierungsrichtung im Substrat zu bewirken, wodurch es ermöglicht wird, daß Übertragungszentren in jeder beliebigen vorgegebenen Phasenbeziehung zu den Reflexionszentren über den zugänglichen Bereich des Phasenabstandes von 0º - 360º liegen können.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft demgemäß eine Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen mit:
a) einem Substrat mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht auf demselben, wobei eine Oberfläche einem vorgegebenen Kristallabschnitt entspricht, und
b) einem Übertrager, der aufbaumäßig örtlich symmetrisch ist, mit Viertelwellenlängenelektroden zum Bereitstellen vorgegebener fester Zentren für Reflexion akustischer Wellen auf dem Substrat; welcher Übertrager selektiv auf der Substratoberfläche unter einer ausgewählten Winkelausrichtung relativ zu dieser Oberfläche angeordnet ist, um akustische Wellenausbreitung im Substrat in einer vorgegebenen Orientierung hervorzurufen, um Übertragungszentren zu schaffen, die um etwa ±45º oder ±135º Wellenphase getrennt von den Reflexionszentren liegen, um unidirektionale Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen im Substrat herbeizuführen.
Der Erfindung liegt ebenfalls die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen anzugeben, das folgende Schritte aufweist:
a) Auswählen eines piezoelektrischen Kristalls,
b) Auswählen eines besonderen Schnittes des Kristalls,
c) Ausbilden mindestens eines Übertragers mit zwei Elektroden pro Wellenlänge darauf, um Zentren der Wellenreflexion und -übertragung im Substrat zu schaffen,
d) Anbringen einer elektrischen Last am Übertrager und
e) Positionieren des Übertragers auf der Substratoberfläche unter einer ausgewählten Winkelorientierung relativ zu dieser Oberfläche, um Übertragungszentren zu schaffen, die um etwa ±45º oder ±135º Wellenphase getrennt von den Reflexionszentren liegen, um unidirektionale Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen um Substrat herbeizuführen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offenbart, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Grundkomponenten eines SAW-Filters ist;
Fig. 2 ein Blockdiagramm ist, das die akustischen und elektrischen Anschlüsse eines bidirektionalen SAW-Filters veranschaulicht;
Fig. 3 eine schematische Zeichnung für ein unidirektionales Dreiphasen-SAW-Filter ist;
Fig. 4a eine schematische Darstellung der Aufbaublöcke eines herkömmlichen unidirektionalen Einphasenübertragers ist;
Fig. 4b ein Querschnitt durch den herkömmlichen unidirektionalen Einphasenübertrager ist;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen unidirektionalen Einphasenübertragers mit asymmetrischem Aufbau ist;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines grundsätzlichen Übertragers einer Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen ist, aus der die Übertragungs- und Reflexionszentren bei einem natürlichen erfindungsgemäßen unidirektionalen Einphasenübertrager erkennbar sind;
Fig. 7 die Eulerwinkel zeigt, die zum Festlegen der Achsen und Wellenausbreitungsrichtungen für Kristalle verwendet werden;
Fig. 8 ein Diagramm für den theoretischen Leitwert über der Frequenz ist, für einen herkömmlichen einfachen Übertrager mit zwei Elektroden pro Wellenlänge und mit inneren Elektrodenreflexionen.
Fig. 9 ein Diagramm für den theoretischen Leitwert über der Frequenz für den einfachen Übertrager der Erfindung des Anmelders mit zwei Elektroden pro Wellenlänge ist;
Fig. 10 ein Diagramm ist, das den Leitwert über der Frequenz zeigt, wie aus einem tatsächlichen Versuch an der überraschenden Erfindung des Anmelders festgestellt; und
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines alternativen Übertragers mit lokaler Symmetrie ist, der jedoch komplizierter ist als der einfache Übertrager mit zwei Elektroden pro Wellenlänge, der aber bei der Erfindung verwendet werden kann.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Der Grundaufbaublock für eine Vorrichtung mit akustischen Oberflächenwellen, die als Filter verwendet wird, ist in Fig. 1 allgemein mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Bei der einfachsten Ausführungsform weist ein Übertrager mit akustischen Oberflächenwellen (SAW = "Surface Acoustic Wave"-Übertrager) mit lokaler Symmetrie ein periodisches verkämmtes Elektrodenmuster 12 und 14 auf, das auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Kristallsubstrats 16 aufgebracht ist. Wenn ein Hochfrequenzsignal von einem Generator 18 an Eingangsarme 20, 22 gelegt wird, führt das elektrische Feld zwischen den gekämmten Elektroden 24 und 26 zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen (durch den Signalverlauf 27 repräsentiert) auf der Oberfläche der piezoelektrischen Kristallstruktur 16. Jedes Paar der Elektroden 24 und 26 wirkt erfolgreich als Quelle für Wellen an einem Punkt der als Übertragungszentrum bezeichnet wird (wie weiter oben definiert). Die stärksten Wellen werden bei der "Synchronfrequenz" erzeugt, bei der die Wellenlänge der erzeugten Wellen mit der Periodizität des verkämmten Musters übereinstimmt. Die Breite der Elektroden 24 und 26 und die Lücke 28 in einem solchen Übertrager 10 weisen demgemäß jeweils ein Viertel der akustischen Betriebswellenlänge auf. Diese verkämmte Übertragerstruktur 10 kann auch einfallende akustische Wellen in ein elektrisches Ausgangssignal am Ausgangsübertrager 14 umwandeln mit einem ähnlichen Spitzenwert des Umwandlungswirkungsgrades bei der Synchronfrequenz. Die Frequenz, die dem Übertragungsprozeß selektiv innewohnt, ist die Grundlage für die meisten der einzigartigen Filterfunktionen, die akustische Oberflächenwellenvorrichtungen ausüben können.
Reflexionen der akustischen Welle treten auf, wenn sie auf die Elektroden 24 und 26 in Punkten treffen, die Reflexionszentren genannt werden. Diese Reflexionszentren werden durch den Aufbau der Übertragerelektroden und die Eigenschaften der Oberflächenwellen auf dem verwendeten Substrat geschaffen, was nachfolgend genauer beschrieben wird. Darüber hinaus werden Rückkopplungsreflexionen, wie sie dieser Struktur innewohnen, von elektrischen Lasten RS und RL beeinflußt, die dem Eingangs- bzw. Ausgangsübertrager verbunden sind.
Der Übertrager 10 für akustische Oberflächenwellen kann durch das in Fig. 2 dargestellte verlustfreie Netzwerk 40 oder 42 mit drei Anschlüssen repräsentiert werden, das zwei akustische Anschlüsse und mindestens einen elektrischen Anschluß aufweist. Ein vollständiges Filter mit akustischen Oberflächenwellen wird dadurch gebildet, daß zwei Übertrager 40 und 42 über ihre zwei akustischen Anschlüsse 30 und 31 miteinander verbunden werden, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Schädliche Echoeffekte treten in der SAW-Vorrichtung dann auf, wenn eine Fehlanpassung an den miteinander verbundenen akustischen Anschlüssen vorhanden ist, was dazu führt, daß Signale innerhalb der Vorrichtung vor- und zurückgeprellt werden und mit größeren Zeitverzögerungen austreten.
Der üblichste Ansatz zum Lösen dieses Problems besteht darin, den Übertrager in Richtung auf einen Kurzschluß elektrisch zu verstimmen, was zu einem Filterverlust von 20 bis 25 dB führt, bevor eine annehmbare Echounterdrückung erzielt wird.
Ein anspruchsvollerer Alternativansatz zum Lösen dieses Problems bestand bisher in der Verwendung einer verkämmten Struktur mit drei oder vier Sätzen von Elektroden pro Wellenlänge. Fig. 3 zeigt eine Struktur mit drei Elektroden pro Wellenlänge. Wenn ein Ansteuern mit Spannungen mit geeigneten Phasenlagen an Anschlüssen 44, 46 und 48 erfolgt, wird die Oberflächenwelle im wesentlichen nur von einem Ende des Übertragers ausgegeben. Unter diesen Bedingungen werden "Triple Transit"-Reflexionen eliminiert.
Diese Struktur erfordert in praxisbezogenen Vorrichtungen jedoch Metallstrukturen mit mehreren Schichten mit Luftbrückenüberkreuzungen 58 auf der Kristalloberfläche 60. Diese sind schwierig und teuer herzustellen und erfordern komplexe Dreiphasenanpaßnetzwerke an beiden Anschlüssen 50 und 52 für richtigen Betrieb. Darüber hinaus sind die Breiten der Finger 54 und der Lücken 56 in einer Struktur mit drei Elektroden pro Wellenlänge nur ein Sechstel der akustischen Betriebswellenlänge. Bei extrem hohen Frequenzen wird dies ein Begrenzungsfaktor für die Herstellbarkeit der Vorrichtung.
Die vorliegende Erfindung kann dazu verwendet werden, einen unidirektionalen verlustarmen Übertrager aus einem einzigen Übertrager mit zwei Elektroden pro Wellenlänge zu erzeugen, wobei es sich um eine "natürliche" Einphasenvorrichtung handelt, die den bekannten existierenden unidirektionalen Einphasenübertragerstrukturen mit komplexerer Struktur entspricht, die als "herkömmliche" SPUDTs bekannt sind, wie sie weiter oben in Verbindung mit dem US-patent 4,353,046 beschrieben wurden. Während die Grundprinzipien des Betriebs des hier offenbarten ungewöhnlichen unidirektionalen Einphasenübertragers mit denen des herkömmlichen SPUDT identisch sind, sind die Strukturen grundsätzlich unterschiedlich.
Der herkömmliche unidirektionale Einphasenübertrager ist aufgebaut, wie es in den Fig. 4a und 4b dargestellt ist. Wie aus Fig. 4a erkennbar, weist die herkömmliche Struktur eines unidirektionalen Einphasenübertragers einen Übertrager 62 mit aufgeteilter Elektrode auf, der auf einer piezoelektrischen Basis 63 aufgebracht ist und dem ein Reflexionsgitter 64 überlagert ist. Das Reflexionsgitter wird durch Verwendung eines Überzugs aus einem dickeren Material auf jeder zweiten Elektrode 68 erzeugt, die, wie dargestellt, auf der Basis 66 aufgebracht ist. Im allgemeinen wird davon ausgegangen, daß ein herkömmlicher Übertrager mit aufgeteilten Fingern keine Diskontinuitätsreflexionen aufweist, wie dies aus dem Stand der Technik gut bekannt ist, da die reflektierten Wellen von einer Elektrode und ihrem nächsten Nachbararm um 180º phasenverschoben sind und sich aufheben. Die Reflexionen erfolgen daher vollständig aufgrund der Reflexionszentren, die durch das zusätzliche Material auf abwechselnden Elektroden 68 beruhen. Wie aus Fig. 4b erkennbar, besteht ein Versatz von einer Achtelwellenlänge zwischen dem Zentrum jedes Reflektorelements (dem Reflexionszentrum) und dem Zentrum jedes überlappenden aufgespaltenen Elektrodenpaars (dem Übertragungszentrum). Der letztgenannte Versatz ist für den Betrieb eines herkömmlichen unidirektionalen Einphasenübertragers entscheidend, da diese Bedingung es bewirkt, daß sich die direkt erzeugten Wellen und die reflektierten Wellen in einer Richtung aufheben und einander in der Gegenrichtung verstärken.
Die unidirektionale Natur eines unidirektionalen Einphasenübertragers unterscheidet sich deutlich von derjenigen eines unidirektionalen Mehrphasenübertragers. Beim letzteren ist jeder kleine Unterabschnitt des Übertragers unidirektional. Bei einem unidirektionalen Einphasenübertrager ist jeder kleine Unterabschnitt nur schwach unidirektional, wobei die insgesamt unidirektionalen Eigenschaften nur auftreten, wenn die gesamte Übertrageranordnung berücksichtigt wird.
Das herkömmliche Verständnis des Betriebs eines unidirektionalen Einphasenübertragers kann, gestützt auf einen mikroskopischen Gesichtspunkt, unter Bezugnahme auf Fig. 5 begriffen werden. In Fig. 5 weisen kammförmige Strukturen 70 und 72 aufgespaltene Fingerpaare 74 und 76 auf, die in verkämmter Form ineinander verschachtelt sind, wobei entsprechende Paare jeweils mit einem Arm der Kammstruktur in Verbindung stehen. Das herkömmliche Verständnis für die Übertragungszentren für übliche Kristallschnittebenen und Wellenausbreitungsorientierung von 0º, 90º, 180º und 270º in bezug auf das piezoelektrische Substrat geht dahin, daß sie entweder am Zentrum 78 eines aufgespaltenen Fingerpaars 82 oder in der Lücke zwischen Elektroden entgegengesetzter Polarität liegen, wie mit 79 angezeigt. Das Reflexionszentrum für jedes aufgespaltene Fingerpaar wird, wie weiter oben erwähnt, als um eine Achtelwellenlänge anders angeordnet oder verschoben angesehen, da die Reflexion auf der zusätzlichen Masselast der abwechselnden Elektroden beruht und demgemäß am Zentrum der belasteten Elektroden liegt, wie dies durch das Bezugszeichen 80 gekennzeichnet ist.
Der Einfachheit halber sei ein einziges Übertragungszentrum 78 und zwei Reflexionszentren 79 und 80 angenommen, jeweils eines zu jeder Seite, wie in Fig. 5 dargestellt. Es sei davon ausgegangen, daß die in Fig. 5 nach rechts laufende Welle die gewünschte akustische Welle in Vorwärtsrichtung sein soll und daß die nach links laufende Welle die unerwünschte akustische Welle in Rückwärtsrichtung sein soll. Die Verschiebung zwischen dem Übertragungszentrum 78 im aufgespaltenen Fingerpaar 82 und dem Reflexionszentrum 80 in der massebelasteten Elektrode des aufgespaltenen Fingerpaars 74 um drei Achtelwellenlängen führt dazu, daß die Reflexionen der umgekehrten akustischen Welle in Phase mit der direkt in Vorwärtsrichtung übertragenen akustischen Welle stehen. Dagegen sind die Reflexionen der akustischen Welle in Vorwärtsrichtung vom Reflexionszentrum 79 außer Phase mit der direkt übertragenen akustischen Welle in Rückwärtsrichtung. Daher wird die Übertragung in Rückwärtsrichtung als Ergebnis der destruktiven Interferenz geschwächt, während diejenige in Vorwärtsrichtung infolge der konstruktiven Interferenz verstärkt wird.
Der "herkömmliche" SPUDT erzielt sein unidirektionales Verhalten durch physische Verschiebung und Belasten der Elektroden innerhalb des Übertragers, um so die Reflexionszentren zu verschieben, was die richtige Wellenlängendifferenz von 1/8λ zwischen den Übertragungs- und Reflexionszentren erzeugt. Es ist demgemäß die Belastung der abwechselnden Elektroden, die die Reflexionszentren zum Punkt 80 verschiebt. Daher ist es die durch die Belastung abwechselnder Elektroden verursachte Asymmetrie der Struktur, die das asymmetrische oder unidirektionale Ansprechverhalten der Vorrichtung hervorruft. Die vorliegende Erfindung sieht jedoch eine andere Asymmetrie vor, die dazu verwendet wird, unidirektionales Ansprechverhalten von einer symmetrischen Struktur zu erzielen.
Fig. 6 veranschaulicht einen einfachen Übertrageraufbau mit zwei Elektroden mit lokaler Symmetrie, in dem zwei Elektroden und zwei Zwischenräume einer Wellenlänge entsprechen, weswegen die Elektroden und die Lücken jeweils eine Länge von einer Viertelwellenlänge aufweisen. Eine akustische Oberflächenwelle, die sich auf dem piezoelektrischen Substrat 84 ausbreitet, weist ein zugehöriges elektrisches Oberflächenpotential auf. So wie hier benutzt, bedeutet der Begriff "Substrat" ein vorgegebenes Kristallmaterial, das in einer besonderen Orientierung in bezug auf die Kristallachse geschnitten ist, wie dies nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 7 erläutert wird. Über dieses zugehörige Potential tritt Übertragung zwischen der an den Übertragerelementen anliegenden Spannung an, um akustische Wellen zu erzeugen. Piezoelektrische Kristalle sind aufgrund der ihnen eigenen Natur anisotrop. Daher ändert sich die Phase des elektrischen Potentials bei einer Vorrichtung mit akustischen Oberflächenwellen bezogen auf die mechanische oder akustische Verschiebung der Welle mit der Wellenausbreitungsrichtung im Kristall. Bei den meisten üblicherweise verwendeten Kristallschnittebenen und Orientierungen, die einen hohen Symmetriegrad aufweisen, beträgt die Phase des elektrischen Potentials in bezug auf die akustische Welle näherungsweise 0º, 90º, 180º oder 270º. Dies hat für die Übertragungszentren bei einem einfachen Übertrager mit zwei Elektroden pro Wellenlänge, wie er in Fig. 6 dargestellt ist, zur Folge, daß sie an den Zentren der Elektrodenfinger oder der Lücken liegen. In diesem Fall sind die Zentren für Reflexion und Übertragung um ein ganzzahliges Vielfaches von 1/4λ voneinander getrennt. Daher sind interne Reflexionen für den Betrieb der SAW-Vorrichtung schädlich.
Allgemeiner gesagt ist es im Stand der Technik gut bekannt, daß sich die Phase des elektrischen SAW-Potentials für viele Kristalle von -180º bis +180º ändern kann, abhängig von der Wellenausbreitungsrichtung. Da die Positionen der Übertragungszentren mit der Phase des elektrischen Potentials verknüpft sind und da sich das Potential der elektrischen Welle von -180º bis +180º abhängig von der Orientierung der Wellenausbreitung im Kristall ändern kann, können sich die Übertragungszentren in einem Kontinuum mit möglichen Bereichen von 0º - 360º ändern, während die Orte der Reflexionszentren im wesentlichen konstant oder festgelegt bleiben, vorausgesetzt, daß diese Reflexionen von mechanischen Diskontinuitäten dominiert werden. Diese bemerkenswerte und überraschende Eigenschaft kann einfach durch selektives Anordnen der Übertragerelektroden auf dem Substrat in solchen Orientierungen erfolgen, daß veranlaßt wird, daß sich die Orientierung der Wellenausbreitung durch das Substrat in einem Kontinuum mit einem möglichen Bereich von 0º - 360º abhängig vom piezoelektrischen Material, der Schnittebene und der Wellenausbreitungsrichtung durch das piezoelektrische Material ändert.
Die Orientierungen für die Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen für jeden vorgegebenen Kristall sind völlig durch die Eulerwinkel Lambda, My und Theta definiert, wie in Fig. 7 dargestellt. Die zweit ersten Winkel, Lambda und My, legen die Kristallschnittebene fest, und der dritte Winkel, Theta, legt die Richtung der Ausbreitung der akustischen Wellen in dieser Schnittebene fest. Demgemäß ist die Orientierung der Ausbreitung akustischer Wellen im Kristall durch einen eindeutigen Satz mit allen drei Eulerwinkeln bestimmt (siehe H. Goldstein, "Classical Mechanics", New York (1950), Addison- Weley). Eine theoretische Auflistung für Eigenschaften der Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen für eine Vielzahl von Oberflächenwellenmaterialien und interessierenden besonderen Kristallschnittebenen kann erzeugt und tabellarisch dargestellt werden. Eine Auflistung mit Geschwindigkeit, Kopplungskoeffizient, Kurven für den Flußwinkel elektromagnetischer Leistung sowie für Größe und Phase der mechanischen Verschiebungen der freien Oberflächen können in "Microwave Acoustic Handbook IA and 2", Slobodnik et al., Air Force Cambridge Research Labs, October 1973 und October 1974 gefunden werden. Daten, wie sie in diesem Handbuch bekanntgemacht sind, können als Führer zum Auswählen geeigneter Richtungen für die Wellenausbreitung und die Orientierung im Kristall verwendet werden, wie sie erforderlich sind, um eine gewünschte Übertragungseigenschaft zu erzielen. Zusätzlich zu diesen aufgelisteten Eigenschaften sind interessierende Haupteigenschaften effektive Übertragungszentren, Reflexionszentren, der Temperaturkoeffizient der Verzögerung, Volumenstörsignale, Brechungseigenschaften, effektive Dielektrizitätskonstanten und dergleichen. Offensichtlich kann jede Art kristallinen Materials entsprechenderweise analysiert werden und eine Tabelle für die erzeugten Wellenausbreitungsorientierungen kann für dieses Material erstellt werden.
Um "natürliches" unidirektionales Einphasenverhalten für ein beliebiges vorgegebenes Eingangssignal und eine beliebige elektrische Last zu erhalten, kann demgemäß ein Ortsunterschied von einer Achtelwellenlänge zwischen den Orten der Übertragungszentren und denjenigen der Reflexionszentren einfach dadurch erhalten werden, daß ein Übertrager mit zwei Elektroden (1/4λ-Elektroden) selektiv auf einer besonderen Kristallschnittebene orientiert wird. Wenn z. B. die Reflexionszentren an den Elektrodenzentren lokalisiert sind, können die Übertragungszentren 86 an den Kanten der Elektroden 88 (λ/8) durch Wahl der Substratschnittebene und Elektrodenrichtung positioniert werden, wie in Fig. 6 dargestellt, wodurch die gewünschte Beabstandung von 1/8 Wellenlänge zwischen den Übertragungs- und Reflexionszentren erzielt wird.
Für jeden gegebenen Satz von Substrat, Elektrodenaufbau, Last und Eingangssignal können daher die Übertragungszentren so verschoben werden, daß sie den Phasenwinkel zwischen den Reflexionszentren und den Übertragungszentren verändern, was durch selektives Anordnen oder Orientieren der Elektroden auf dem Substrat erfolgt, um so einen natürlichen unidirektionalen Einphasenübertrager oder einen Übertrager mit einer beliebigen anderen Strahlungscharakteristik zu erhalten.
Eine erfindungsgemäße unidirektionale SAW-Vorrichtung kann dadurch aufgebaut werden, daß eine besondere Schnittebene eines piezoelektrischen Kristalls ausgewählt wird, wie durch die Eulerwinkel Lambda und My bestimmt, ein Übertrager mit lokaler Symmetrie (Symmetrie innerhalb mindestens einer Übertragerperiode, typischerweise einer Wellenlänge) erzeugt wird und dadurch dafür gesorgt wird, daß der Übertrager unidirektional wird, daß er auf der Kristallschnittebene in einer besonderen Richtung selektiv positioniert wird, wie sie durch den Eulerwinkel Theta bestimmt ist. Durch selektives Positionieren oder Ausrichten des Übertragers auf der Kristallschnittebene tritt Ausbreitung akustischer Wellen durch den Kristall in einer vorgegebenen Orientierung auf, was Übertragungszentren erzeugt, die von den Reflexionszentren einen Phasenabstand von ±45º oder einen solchen von ±135º einhalten, wodurch unidirektionale Übertragung der akustischen Wellen durch den Übertrager erzeugt wird. Die gewünschten Stellen der Übertragungszentren in bezug auf die Reflexionszentren für eine besondere elektrische Last können berechnet werden, und die besondere Kristallschnittebene mit den erforderlichen Eigenschaften kann ausgewählt werden, um ein Substrat zu bilden, auf dem der Übertrager selektiv positioniert werden kann, um die gewünschten Stellen zu erhalten.
Aus dem in Fig. 6 dargestellten Übertrager ist ersichtlich, daß im allgemeinen jede der Elektroden 88 in einem Übertrager mit zwei Fingern pro Wellenlänge akustische Reflexion hervorrufen kann. Z. B. sei angenommen, daß die Reflexionszentren die Zentren von Elektroden 88 mit der Breite einer Viertelwellenlänge sind. Das Ansprechverhalten des Übertragers ist trotz der Tatsache, daß das Elektrodenmuster völlig symmetrisch ist, asymmetrisch. Der große Vorteil des vorliegenden einzigartigen natürlichen unidirektionalen Einphasenübertragers im Vergleich zu einem herkömmlichen unidirektionalen Einphasenübertrager ist der, daß die Elektrodenfinger doppelt so breit sind, was es ermöglicht, daß Vorrichtungen mit der doppelten Frequenz hergestellt werden können. Darüber hinaus können große Reflexionskoeffizienten mit λ/4- Elektroden erzeugt werden, was zu geringerem Einfügungsverlust und/oder größerer Bandbreite führt.
Ein anderer wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie dazu verwendet werden kann, einen größeren Bereich von Schwankungen im Eingangsleitwert des Übertragers abzudecken. Für bekannte Übertrager ist das Diagramm betreffend den Eingangsleitwert über der Frequenz für einen Übertrager mit deutlichen inneren Elektrodenreflexionen ein solches, wie es in Fig. 8 dargestellt ist. Dieses Diagramm gilt für einen einfachen Übertrager mit zwei Elektroden pro Wellenlänge mit örtlicher Symmetrie und einer Orientierung auf der Kristallschnittebene mit Reflexionssymmetrie. Der Eingangsleitwert ist, wie erkennbar, asymmetrisch. Eine Umkehrung in der Asymmetrie des Leitwertes kann abhängig vom Vorzeichen der Elektrodenreflexionskoeffzienten am Ort der Übertragungszentren (d. h. unter den Elektroden oder in den Lücken) erhalten werden.
Fig. 9 ist ein Diagramm betreffend eine Kurve, bei der der Eingangsleitwert über der Frequenz gemäß einem theoretischen Modell für einen natürlichen unidirektionalen Einphasenübertrager dargestellt ist, welche Kurve zeigt, daß der Leitwert völlig symmetrisch zur Mittenfrequenz ist.
Bei einem tatsächlichen Versuch mit der einzigartigen Erfindung der Anmelderin wurde das Diagramm für die Leitfähigkeit über der Frequenz gehalten, wie es in Fig. 10 dargestellt ist. Hierbei wurde ein Übertrager mit demselben einfachen Aufbau mit zwei Elektroden pro Wellenlänge verwendet durch selektives Orientieren der Elektrodenstruktur auf dem Substrat, um Ausbreitung akustischer Wellen durch den Kristall mit einer solchen Orientierung hervorzurufen, daß die Übertragungszentren zu den Elektrodenkanten oder zu einem Ort 1/8λ entfernt von den Reflexionszentren verschoben werden. Der Leitwert ist, wie erkennbar, symmetrisch und stimmt mit dem aus dem theoretischen Modell erhaltenen Diagramm von Fig. 9 überein. Durch Verändern der Orientierungsrichtung für die Wellenausbreitung im Kristall kann ein variabler Eingangsleitwert erzielt werden, der die Abhängigkeiten beinhaltet, wie sie in den Fig. 8 und 9 dargestellt sind. Diese Steuerbarkeit betreffend die Änderung in der Abhängigkeit des Eingangsleitwerts von der Frequenz kann mit Vorteil in vielen Schaltungen verwendet werden. Die in Fig. 10 dargestellten Bereiche entlang der X- und der Y-Achse sind selbstverständlich nur repräsentativ und nicht beschränkend.
Ein einfaches SAW-Filter würde zwei unidirektionale Einphasenübertrager erfordern, die in entgegengesetzten Richtungen unidirektional sind. Bei der herkömmlichen Struktur erfordert dies einfach eine Umkehr der Asymmetrie in den zwei Übertragern. Bei einem natürlichen unidirektionalen Einphasenübertrager kann die Richtung der Unidirektionalität jedoch nur dadurch verändert werden, daß die Vorzeichen der Elektrodenreflexionskoeffizienten ausgetauscht werden. Dies kann z. B. dadurch erzielt werden, daß zwei verschiedene Metalle in den zwei Übertragern verwendet werden. Die Größe der Elektrodenreflexion kann dadurch eingestellt werden, daß die Metalldicken der Elektroden eingestellt werden.
Es ist ersichtlich, daß die Anwendung der vorstehenden Entdeckung und Erfindung nicht auf einfache Übertrager mit zwei Elektroden pro Wellenlänge beschränkt ist, sondern daß sie auch bei anderen Aufbauten verwendet werden kann, z. B., aber nicht zur Beschränkung, bei einem solchen, wie in Fig. 11 dargestellt. Es ist zu beachten, daß in Fig. 11, obwohl lokale Symmetrie besteht, die Elektroden abgesondert sein können, wie mit 94 gekennzeichnet, daß sie längengewichtet sein können, wie mit 92 gekennzeichnet, und nichtsymmetrisch sein können, wie durch den Aufbau des gesamten in Fig. 11 dargestellten Übertragers augenscheinlich gemacht.
Daher kann die neuartige Vorrichtung mit mehreren Übertragern verwendet werden, von denen jeder Elektroden mit verschiedenen Metallisierungen oder mehrschichtigen Metallkombinationen, Elektroden mit dielektrischen Schichten auf Metallen, Strukturen mit gleichförmiger Metallisierung mit Nuten entweder zwischen oder unter Elektroden und verschiedenen anderen Metallkombinationen aufweist. Darüber hinaus kann die neuartige Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen wirkungsvoll mit Konvolvern, Resonatoren, Filtern aller Art, wie Bandpaß-, Tiefpaß-, Hochpaß- und Kerbfiltern und ähnlichen Schaltungen verwendet werden, was Beispiele und keine Beschränkungen sind.
Es wurde also ein Wandler bzw. ein Übertrager mit einer SAW- Vorrichtung offenbart, in der die Übertragungszentren in einem möglichen Bereich von ±180º verschoben werden können, um jeden gewünschten Abstand von den Reflexionszentren für einen beliebigen vorgegebenen Satz von Übertrageraufbau, elektrischer Last und Frequenz zu erzeugen. Im Fall eines natürlichen unidirektionalen Einphasenübertragers vom einfachen Typ mit zwei Elektroden, wobei die Breite der Elektroden und der Lücken 1/4 λ beträgt, ist der Übertrager so auf dem Substrat positioniert, daß er die Übertragungszentren von den Reflexionszentren um einen Trennabstand von 1/8 λ wegschiebt, wodurch unidirektionale Wellenausbreitung eines symmetrischen Übertragers erhalten wird.

Claims

1. Wandler für akustische Oberflächenwellen mit: a) einem Substrat mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht auf demselben, wobei eine Oberfläche einem vorgegebenen Kristallschnitt entspricht, und b) einem übertrager, der aufbaumäßig örtlich symmetrisch ist, mit Viertelwellenlängenelektroden zum Bereitstellen vorgegebener fester Zentren für Reflexion akustischer Wellen auf dem Substrat; welcher übertrager selektiv auf der Substratoberfläche unter einer ausgewählten Winkelausrichtung relativ zu dieser Oberfläche angeordnet ist, um akustische Wellenausbreitung im Substrat in einer vorgegebenen Orientierung hervorzurufen, um übertragungszentren zu schaffen, die um etwa ± 45º oder ± 135º Wellenphase getrennt von den Reflexionszentren liegen, um unidirektionale Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen im Substrat herbeizuführen.

2. Wandler für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 1, bei dem der übertrager zum Schaffen der Reflexionszentren folgendes aufweist:

a. mindestens einen ersten und einen zweiten elektrischen Anschluß, die sich gegenüberliegen, und

b. mindestens eine Elektrode, die sich in verschachtelter Beziehung jeweils vom ersten und zweiten Anschluß aus erstrecken.

3. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen, mit folgenden Schritten:

a. Auswählen eines piezoelektrischen Kristalls,

b. Auswählen eines besonderen Schnittes des Kristalls,

c. Ausbilden mindestens eines übertragers mit zwei Elektroden pro Wellenlänge darauf, um Zentren der Wellenreflexion und -übertragung im Substrat zu schaffen,

d. Anbringen einer elektrischen Last am übertrager und

e. Positionieren des übertragers auf der Substratoberfläche unter einer ausgewählten Winkelorientierung relativ zu dieser Oberfläche, um Übertragungszentren zu schaffen, die um etwa ± 45º oder ± 135º Wellenphase getrennt von den Reflexionszentren liegen, um unidirektionale Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen im Substrat herbeizuführen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt des Ausbildens des mindestens einen übertragers über folgendes verfügt:

a. Ausbilden mindestens eines ersten und eines zweiten elektrischen Anschlusses, die sich gegenüberliegen, und

b. Anbringen mindestens einer Elektrode sowohl am ersten wie auch am zweiten Anschluß in verschachtelter Beziehung, um eine übertragerstruktur festzulegen.