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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Amplitudenmodulation oder zur Frequenzmodulation von mechanischen Oberflächenwellen oder von elektrischen Wellen durch Anlegen einer elektrischen Spannung an parallele, voneinandergetrennte metallische Streifen auf der Oberfläche eines isolierenden Festkörpers, wobei alle ungeradzahligen Streifen auf deren einem Ende und alle geradzahligen Streifen auf deren anderem Ende miteinander leitend verbunden sind und die elektrische Spannung zwischen den verbundenen geradzahligen und ungeradzahligen Streifen angelegt oder abgenommen wird.
Streifenförmige metallische Kontakte, die sich auf der Oberfläche eines isolierenden Festkörpers befinden und in der oben beschriebenen Form leitend verbunden sind, sind zur Anregung akustischer Oberflächen- wellen durch eine zwischen den Streifen angelegte elektrische Wechselspannung Vi oder zur Anregung einer elektrischen Wechselspannung zwischen den verbundenen Streifen durch eine sich auf der Oberfläche des Festkörpers ausbreitende und sich unter den Streifen hindurch bewegende Oberflächenwelle bekannt, wenn der Festkörper starke piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Solche Anordnungen werden häufig als piezoelektrische interdigitale Wandler bezeichnet.
Befinden sich zwei äquivalente Wandler nebeneinander auf der Oberfläche des Festkörpers, so wird die Anordnung als Oberflächenwellenfilter bezeichnet und gestattet gleichermassen die Anregung einer mechanischen Oberflächenwelle durch ein elektrisches Wechselfeld und die Rückwandlung der mechanischen Welle in ein elektrisches Wechselfeld zu einem etwas späteren Zeitpunkt.
Piezoelektrische intern digitale Wandler haben die charakteristische Eigenschaft, dass die geometrische Anordnung und Form der Streifen wie etwa ihre Länge, ihre Breite, ihr Abstand voneinander sowie ihre Anzahl die Bandbreite und den maximalen Wirkungsgrad d. h. den Bruchteil der in mechanische Energie umgewandelten elektrischen Energie bei der Umwandlung elektrischer Signale in akustische Signale, bestimmen. Insbesondere kommt es nur dann zu einer resonanten Übertragung von elektrischer in mechanische Energie oder umgekehrt, wenn der Abstand benachbarter auf gleichem Potential liegender Finger gerade gleich der halben Wellenlänge X der Oberflächenwelle ist. Neben den Geometriefaktoren ist die elektromechanische Kopplungskonstante K2 des piezoelektrischen Körpers auf dem sich die Oberflächenwelle ausbrei-
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stante des Vakuums.
Eine genaue mathematische Beschreibung des Wirkungsgrades und des Frequenzverhaltens derartiger piezoelektrischer interdigitaler Wandler wurde in einer Arbeit von Tsend, IEEE Trans. Electron Devices ED-15, Seite 586 ff (1968) gegeben. Das Ergebnis dieser Untersuchungen zeigt, dass sich die Amplitude U der durch derartige Anordnungen erzeugten Oberflächenwellen durch die Beziehung
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beschreiben lässt. Dabei bedeuten die senkrechten Striche Absolutbeträge und die zwischen den senkrechten Strichen stehenden mathematischen Ausdrücke sind so zu berechnen, als ob sie zwischen entsprechenden Klammern stünden.
Die vorkommenden Symbole haben nachfolgende Bedeutung :
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<tb>
<tb> a................ <SEP> Abstand <SEP> zwischen <SEP> den <SEP> matallischen <SEP> Streifen
<tb> b................ <SEP> Streifenbreite
<tb> J1................. <SEP> Lamésche <SEP> Konstante
<tb> L................ <SEP> Periodizität <SEP> der <SEP> Struktur <SEP> (L <SEP> = <SEP> 2a+2b)
<tb> Agsst <SEP> Bon........ <SEP> Materialkonstanten
<tb> 2 <SEP> (m+1) <SEP> Anzahl <SEP> der <SEP> Finger <SEP> der <SEP> Struktur
<tb> X................ <SEP> 2Lfo/vR
<tb> fo <SEP> Frequenz <SEP> der <SEP> angelegten <SEP> Wechselspannung <SEP> Vi
<tb> Vs <SEP> Ausbreitungsgeschwindigkeit <SEP> der <SEP> Oberflächenwelle.
<tb>
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Die Gleichung (2) lässt erkennen, dass sich sowohl der Amplitudenwert, bestimmt durch die Grösse ssVIL/4 am als auch das Frequenzverhalten, bestimmt durch die Grössen m und X, durch eine eventuell zusätzlich zwischen den Streifen angelegte Gleichspannung V nicht verändern lässt, sondern durch reine Materialkonstanten oder Geometriefaktoren bestimmt sind.
Anderseits ist bekannt, dass in Materialien, die nicht notwendigerweise piezoelektrisch sind aber eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen, wie z. B. BaTiOg, SrTiOg oder KTaOg bei Anlegen einer elektrischen Gleichspannung V 0 ganz allgemein sehr ähnliche Erscheinungen auftreten können, wie in piezoelektrischen Kristallen, wenn man die piezoelektrische Konstante ss durch (3) ss = ##og1Vo/2a
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gegeben ist. Dies bedeutet, dass in diesen Fällen zumindest für Schallwellen im Volumen des Kristalles die elektromechanische Kopplungskonstante K2 und die Schallgeschwindigkeit v von dem angelegten Gleichfeld V 0 abhängen.
Neben den schon erwähnten Kristallen gibt es noch eine Reihe von weiteren piezoelektrischen und nichtpiezolelektrischen Materialien mit ausserordentlich grossen Dielektrizitätskonstanten. In Tabelle 1 sindeinige dieser Materialien zusammengestellt. Spalte 1 bezeichnet den Kristall, Spalte 2 die Dielektrizitätskonstante bei Raumtemperatur, Spalte 3 ihren maximalen Wert bei einer bestimmten Temperatur, Spalte 4 den Zustand bezüglich Piezoelektrizität (npz : nicht piezoelektrisch) und Spalte 5 gibt die zugehörige Literaturstelle.
Schliesslich ist noch bekannt, dass viele der angegebenen Kristalle mit und ohne angelegtem Gleichfeld zur Erzeugung von Schallwellen (Volumenwellen) verwendet werden können.
Tabelle l
Dielektrizitätskonstante verschiedener Festkörper
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<tb>
<tb> Kristall <SEP> E <SEP> (RT) <SEP> Emax <SEP> (TIOCI) <SEP> Zustand <SEP> Referenz
<tb> BaTiOg <SEP> 1400 <SEP> 6500 <SEP> (T=110) <SEP> npz <SEP> T > 110 <SEP> W. <SEP> P. <SEP> Mason, <SEP> IEEE <SEP> Semicond. <SEP>
<tb>
Ultrasonics <SEP> SU-23, <SEP> 227 <SEP> ff
<tb> (1976)
<tb> SrTiOg <SEP> 357 <SEP> 20000 <SEP> (T=-269) <SEP> npz <SEP> H. <SEP> P. <SEP> R. <SEP> Frederikse <SEP> et <SEP> al., <SEP>
<tb> Phys. <SEP> Rev.134, <SEP> A442 <SEP> ff
<tb> (1964)
<tb> KaTaOs <SEP> 250 <SEP> 4500 <SEP> (T=-269) <SEP> npz <SEP> S. <SEP> H. <SEP> Wemple, <SEP> Phys. <SEP> Rev.
<tb>
137, <SEP> A1575 <SEP> ff <SEP> (1965)
<tb> SrTiO3-Bi2O33TiO2 <SEP> 1000 <SEP> npz <SEP> T > -68 <SEP> V. <SEP> M. <SEP> Gurevich,"Electric
<tb> (Keramik) <SEP> Conductivity <SEP> of <SEP> Ferroelctries", <SEP> Israel <SEP> Progr. <SEP> for
<tb> Scientific <SEP> Transl.,
<tb> Jerusalem <SEP> 1971
<tb> PbTe <SEP> 83 <SEP> 10000 <SEP> (T=-271) <SEP> npz <SEP> K. <SEP> F. <SEP> Komatsubara <SEP> et <SEP> al., <SEP>
<tb> Proc. <SEP> 12th <SEP> Int. <SEP> Conf. <SEP> Semicond. <SEP> Phys., <SEP> B. <SEP> G. <SEP> Teubner,
<tb> Stuttgart <SEP> 1974, <SEP> p. <SEP> 314, <SEP> Ed.
<tb>
M. <SEP> H. <SEP> Pilkuhn
<tb> SbSI <SEP> 30000 <SEP> 50000 <SEP> (T=22) <SEP> npz <SEP> T > <SEP> 22 <SEP> E. <SEP> Fatuzzo <SEP> et <SEP> al., <SEP> Phys. <SEP> Rev. <SEP>
<tb>
127,2036 <SEP> ff <SEP> (1962)
<tb>
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Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, bei der der Wirkungsgradund die Frequenzab- hängigkeit bei der Umwandlung einer elektrischen Welle in eine akustische Oberflächenwelle oder bei der Umwandlung einer akustischen Oberflächenwelle in eine elektrische Welle nicht mehr nur durch eine Geometrie-oder Materialkonstante gegeben ist, sondern auch von aussen gesteuert werden kann.
Das Ziel der Erfindung kann dadurch erreicht werden, dass die an die eingangs erwähnten und in der beschriebenen Weise verbundenen metallischen Streifen angelegte elektrische Spannung aus einem Gleichspan- nungsanteil Vo und einem Wechselspannungsanteil Vi besteht oder die an die Streifen angelegte elektrische Spannung aus einem Gleichspannungsanteil Vo besteht und die Wechselspannung V zwischen den verbundenen Streifen abgenommen wird und zwischen der piezoelektrischen Konstante ss und der Dielektrizitätskonstan-
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zwischen zwei benachbarten Streifen bedeuten, womit der Festkörper, auf dem sich die Oberflächenwellen ausbreiten, eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante besitzt.
Der Wirkungsgrad bei der Erzeugung der Wellen und dieAusbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen ändert sich dann sehr stark mit der angelegten Gleichspannung V 0 wodurch es zu einer Amplitudenmodulation oder zu einer Frequenzmodulation der Wellen kommt.
Der Vorteil der Erfindung gegenüber bisherigen Anordnungen, die auf dem piezoelektrischen Effekt beruhen, ist, dass der Wirkungsgrad bei der Umwandlung der elektrischen Welle in eine mechanische Welle von aussen beliebig gesteuert werden kann. Bei Aufbringen von 2 Wandlern nebeneinander in Richtung der sich ausbreitenden Oberflächenwelle (Filtermode für eine elektrische Wechselspannung) kann eine Abstimmung der maximalen Transmission durch die Gleichspannung Vo erfolgen. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von zwei Wandlern besteht in einer sehr einfachen Möglichkeit einer Amplitudenmodulation oder, da auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwelle von der Gleichspannung V 0 abhängt, einer Frequenzmodulation der angelegten Wechselspannung.
Schliesslich ist der Wirkungsgrad bei der Erzeugung von harmonischen Oberwellen mit der erfindungsgemässen Anordnung wesentlich grösser als mit den bisherigen piezoelektrischen Anordnungen, was für die Erzeugung von hochfrequenten Oberflächenwellen von grosser Bedeutung ist.
Der Vorteil der Steuerung des Wirkungsgrades wird insbesondere dann erzielt, wenn die Zahl der Strei-
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(m+l)Oberflächenwelle und f. die Frequenz der angelegten oder abgenommenen Wechselspannung bedeuten und durch die Veränderung der Gleichspannung Vo eine Änderung der Amplitude der erzeugten Oberflächenwelle oder der erzeugten elektrischen Wechselspannung hervorgerufen wird.
Befinden sich genau zwei Systeme von verbundenen Streifen In an sich bekannter Weise auf der selben
Oberfläche des Festkörpers in Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle nebeneinander und wird das erste
System zur Erregung einer mechanischen Oberflächenwelle und das zweite System zur Umwandlung der Ober- flächenwelle in eine elektrische Welle verwendet, so ist dadurch eine Übertragung von elektrischen Wellen möglich und der Vorteil der Steuerung des Wirkungsgrades durch die Gleichspannung Vo kann bei der Über- tragung ausgenützt werden.
Insbesondere kann durch Ein- und Ausschalten der Gleichspannung V die Über- tragung der elektrischen Wellen zu einem beliebigen Zeitpunkt eingeschalten und wieder unterbrochen wer- den, oder es kann durch eine Modulation der Gleichspannung V der elektrischen Welle eine Amplitudenmo- dulation aufgeprägt werden.
Der Vorteil der Erfindung bei der Übertragung sehr hoher Frequenzen kann durch die Wahl von b/a = 0,2 genützt werden, wobei a den Abstand zwischen zwei benachbarten Streifen und b die Breite der Streifen bedeutet, da die resonante Anregung der Vorrichtung in einer höheren harmonischen Oberwelle mit fast dem gleichen Wirkungsgrad wie bei der Anregung der Grundwelle durchgeführt werden kann.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit einer Frequenzmodulation, die man erhält, wenn zwischen der Zahl der Streifen 2 (m+l) und der Änderung AvR der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwelle durch die Gleichspannung V, die Beziehung AVss/\ fQ/ (m+l) gültig ist und durch die Veränderung der Gleichspannung Vo eine Änderung der Resonanzfrequenz für die Anregung der Oberflächenwelle oder der erzeugten elektrischen Wechselspannung hervorgerufen wird.
Auch für diesen Fall gilt, dass bei 2 Systemen von verbundenen Streifen, die in an sich bekannter Weise auf der selben Oberfläche des Festkörpers in Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle nebeneinander angebracht sind, das erste System zur Erzeugung einer mechanischen Oberflächenwelle und das zweite System zur Umwandlung der Oberflächenwelle in eine elektrische Welle verwendet werden kann. Durch eine Änderung der Gleichspannung V 0 kann dann jeweils eine Welle mit einer andern Frequenz zur resonanten Übertragung gelangen. Wird die beschriebene Vorrichtung in einen Oszillatorkreis eingebaut, so ist durch die Änderung der Gleichspannung eine Modulation der Schwingfrequenz des Oszillators erreichbar.
In den Zeichnungen ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. l zeigt die verbundenen metallischen Streifen S+ und S- sowie die an die Streifen angelegten Gleich- bzw.
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Wechselspannungen Vo und Ver. a bedeutet den Abstand zwischen den matallischen Streifen, b die Breite der Streifen und L die Periodizität der Struktur. H bedeutet eine Drossel. In Fig. 2 ist die z-Komponente der Amplitude der erzeugten 3. Oberwelle 3Uz bezogen auf die Grundwelle Uz als Funktion von b/a darstellt.
Eine analoge Kurve gilt für die x-Komponente. In Fig. 3 ist das Resonanzverhalten der Oberflächenwelle bezüglich der normierten angelegten Frequenz f/f. für verschiedene Spannungen Q(E == V/a) gezeigt.
Legt man in einer Anordnung entsprechend der Fig. 1 an die Streifen S+ und S- über die Induktivität H und die Kapazität C die Spannungen V und V1 an, so lässt sich die angelegte Oberflächenwelle in erster Näherung durch die Wellengleichung
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und das erweiterte Hookesche Gesetz
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Oberfläche des Körpers bedeutet und die Welle sich in x-Richtung ausbreitet.
Die Lösung dieses Gleichungssystems lässt sich in einer ganz analogen Rechnung, wie sie von Tseng in IEEE Trans. ElectronDevices ED-15, Seite 586 ff (1968) beschrieben wurde, durchführen. Ein wesentlicher
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gleich 0 sein, wenn V = 0 ist und steigt mit zunehmendem vo linear an. Letzeres gilt zumindest so lange der Term ##og12Vo2/8Ca2 in der Formel für die Ausbreitungsgeschwindigkeit vernachlässigt werden kann. Unter diesen Bedingungen ergibt sich für die Amplitude der erzeugten Oberflächenwelle im günstigsten Fall (X=1) die Beziehung
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Der Wirkungsgrad an harmonischen Oberwellen lässt sich ebenfalls aus Gleichung (7) berechnen.
Er ist in in Fig. 2 für die dritte Oberwelle als Funktion von b/a und im Verhältnis zum maximalen Wirkungsgrad bei der Grundwelle aufgetragen. Bei kleinen Werten von b/a tritt eine sehr starke Anregung der dritten Ober-
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gesagt,Avo Afj. gg so wird die Frequenz, bei der maximale Anregung erfolgt, von der Spannung V abhängig (Frequenzmodulation), da die Frequenz, bei der Resonanz erfolgt, mit der Schallgeschwindigkeit über
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zusammenhängt.
Aus Gleichung (7) und Gleichung (4) findet man die relative Frequenzänderung Af/f. bei einer Änderung der Spannung V um AV zu
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Fig. 3 zeigt die Stärke der Anregung der Grundwelle Uz (0) als Funktion des Frequenzverhältnisses f/fo, wobei f die Frequenz der tatsächlich an die Streifen angelegten elektrischen Wechselspannung Vi undf = vs ! 2L für Vs = 0 bedeuten. Die drei Kurven sind nach Gleichung (7) für c = 10000, m = 1000 und b/a = 1 berechnet.
Als Parameter dienen die Feldstärken Vo/a zwischen den metallischen Streifen mit den Werten Eo = 900, 1000 und 1100 V/cm. Fig. 3 zeigt deutlich die Wirkung eines abstimmbaren Filters. Als Beispiel ergäbe sich bei einer Anordnung für eine Grundfrequenz von 100 MHz und einer Vorspannung von 1 kV/cm, d. h. bei einer angelegten Gleichspannung V von l, 5 Volt eine Frequenzmodulierbarkeit des transmittierten Signales von 6 MHz/Volt, wenn die Geschwindigkeit VRO mit 3x105cm/s angenommen wird.
Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung aller Materialien als Trägerkörper der Oberflächenwelle für die bei einem gegebenen Spannungswert V, die der piezoelektrischen Konstante ss entsprechende Grösse eV/Sa. grosser ist als ss (also für alle Materialien, für die die Ungleichung
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erfüllt ist).
Der Vorteil der Erfindung gegenüber bisher bekanntenAnordnungen besteht in der Möglichkeit eine Helltastung der Anordnung zu jedem gewünschten Zeitpunkt durchführen zu können, in der sehr einfachen und sicheren Modulierbarkeit der Amplitude der beteiligten Wellen, in der Möglichkeit eine durch seine geometrisehen Abmessungen gegebene Anordnung auf eine bestimmte Frequenz abstimmen zu können bzw., wenn die Anordnung in einen Oszillatorkreis eingebaut ist, eine Frequenzmodulation des Oszillators durchführen zu können. Die Erfindung könnte in allen Schaltungen, wo bisher piezoelektrische Filter (piezoelektrische interdigitale Wandler) verwendet werden, eingesetzt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Erzeugung von Oberflächenwellen durch Anlegen einer elektrischen Spannung in parallele, voneinander getrennt metallische Streifen auf der Oberfläche eines isolierenden Festkörpers oder zur Erzeugung von elektrischen Wellen durch Abnehmen einer elektrischen Spannung von parallelen, voneinander getrennten metallischen Streifen auf der Oberfläche eines isolierenden Festkörpers, auf dem sich eine mechanische Oberflächenwelle ausbreitet,
wobei in beiden Fällen alle ungeradzahligen Streifen auf deren einem Ende und alle geradzahligen Streifen auf deren anderem Ende miteinander elektrisch leitend verbunden sind und die elektrische Spannung zwischen den verbundenen geradzahligen und ungeradzahligen Streifen angelegt oder abgenommen wird und sich in der Ausbreitungsrichtung der Oberfläche nebeneinander ein oder mehrere SystemevonverbundenenStreifenbefindenkönnen, dadurchgekennzeichnet,dassdieandieStreifen angelegte elektrische Spannung aus einem Gleichspannungsanteil VO und einem Wechselspannungsanteil Vi
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wobei die Influenzkonstante und a den Abstand zwischen zwei benachbarten Fingern bedeuten, womit der Festkörper, auf dem sich die Oberflächenwellen ausbreiten, eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante besitzt.
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