DE102009002605B4

DE102009002605B4 - Unidirektionaler Wandler für akustische Oberflächenwellen

Info

Publication number: DE102009002605B4
Application number: DE200910002605
Authority: DE
Inventors: Günter Martin; Bert Wall
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV; Vectron International GmbH
Current assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV; Microchip Frequency Technology GmbH
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2029-04-24
Also published as: DE102009002605A1

Abstract

Unidirektionaler Wandler für akustische Oberflächenwellen, bei dem eine interdigitale Elektrodenstruktur auf einem piezoelektrischen Kristallsubstrat angeordnet ist, die mit interdigitalen Wandlern (1) aufgebaut ist, welche aus Sammelelektroden (2; 3) und Zinken (21; 31; 32; 33; 34; 35) bestehen, wobei mindestens zwei der Zinken eine Wandlerzelle (2; 3; 21; 31; 32; 33; 34) bilden, die mindestens ein Anregungszentrum (AZ) zur Anregung einer elektrischen Potentialwelle und mindestens ein Reflexionszentrum (RZ) zur Reflektion elektrischer Potentialwellen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass a) alle Zinken (21; 31; 32; 33; 34) und die Lücken (41; 42; 43; 44; 45) zwischen ihnen breiter als ein Viertel des Quotienten aus der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle und derjenigen Frequenz ist, bei der der unidirektionale Wandler die maximale Oberflächenwellenamplitude erzeugt, dass b) die Zinkenbreiten und -positionen mit Hilfe eines computergestützten Optimierungsverfahrens so gewählt sind, dass die Phasenverschiebung Φs zwischen dem Anregungszentrum und einem Reflexionszentrum in jeder Wandlerzelle, gegeben durch die Gleichungzwischen 41,4° und 48,6° oder zwischen –48,6° und –41,4° oder zwischen 131,4° und 138,6° oder zwischen –138,6° und –131,4° liegt, wobei ωs1 und ωs2 die Resonanzfrequenzen eines kurzgeschlossenen und ωo1 und ωo2 eines offenen interdigitalen Wandlers mit unendlich vielen Zinken sind, die mit Hilfe eines Computerprogramms so berechnet sind, dass in jeder Wandlerzelle der Abstand des Anregungszentrums von einem Reflexionszentrum zwischen 0,115 und 0,135 oder zwischen –0,135 und –0,115 oder zwischen 0,365 und 0,385 oder zwischen –0,385 und –0,365 des Quotienten aus der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle und derjenigen Frequenz ist, bei der der Wandler die maximale Oberflächenwellenamplitude erzeugt, und dass c) mindestens eine der Wandlerzellen Zinken enthält, die an keine der Sammelelektroden (2; 3) angeschlossen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Elektrotechnik/Elektronik und betrifft einen unidirektionalen Wandler für akustische Oberflächenwellen. Objekte, bei denen die Anwendung der erfindungsgemäßen Wandler möglich und zweckmäßig ist, sind insbesondere Filter, Verzögerungsleitungen, Oszillatoren, Sensoren und Identifikationsbauelemente (engl. ID-Tag), soweit deren Funktionsweise auf der Basis akustischer Oberflächenwellen beruht. Eine besondere Bedeutung hat die Erfindung für solche Bauelemente, die im GHz-Bereich anwendbar sind, insbesondere für drahtlos fernabfragbare Sensoren und Identifikationsbauelemente.
Es sind unidirektionale Wandler für akustische Oberflächenwellen bekannt, bei denen eine interdigitale Elektrodenstruktur auf einem piezoelektrischen Kristallsubstrat angeordnet ist. Die interdigitale Elektrodenstruktur ist dabei mit interdigitalen Wandlern aufgebaut, welche aus Sammelelektroden und Zinken bestehen, wobei mindestens zwei Zinken mit unterschiedlicher Polarität eine Wandlerzelle als Basiselement des unidirektionalen Wandlers bilden. Jede der Wandlerzellen weist ein Anregungszentrum zur Anregung einer elektrischen Potentialwelle und mindestens ein Reflexionszentrum zur Reflektion elektrischer Potentialwellen auf.
Voraussetzung für die Existenz unidirektionaler Eigenschaften von interdigitalen Wandlerzellen ist, dass der Abstand zwischen dem Anregungszentrum und dem Reflexionszentrums in ein und derselben Wandlerzelle genau oder näherungsweise ±1/8 oder ±3/8 der Wellenlänge beträgt, wobei diese Wellenlänge dem Quotienten aus der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle und der Frequenz, bei der der Wandler die maximale Oberflächenwellenamplitude abstrahlt, entspricht. Neben der Wellenanregung ist demzufolge die Reflexion von Wellen eine notwendige Bedingung für die Existenz unidirektionaler Eigenschaften. Wenn der Abstand des Anregungszentrums von einem Reflexionszentrum einer Wandlerzelle nicht wesentlich von ±1/8 oder ±3/8 der Wellenlänge abweicht, so wird die natürliche Unidirektionalität als vollständig bezeichnet. Andernfalls wird sie als unvollständig bezeichnet.
Bei einer weiteren bekannten Lösung (C. S. Hartmann, P. V. Wright, R. J. Kansy und E. M. Garber, „An analysis of SAW interdigital transducers with internal reflections and the application to the design of single-phase unidirectional transducers”, Proc. 1982 IEEE Ultrasonics Symposium, Seiten 40–45, nachfolgend mit [2] bezeichnet) werden die unidirektionalen Eigenschaften von Wandlern auf einem Quarzsubstrat, die aus Wandlerzellen mit vier 1/8 der Wellenlänge breiten Zinken (d. h. jeweils mit Zinken gleicher Breite) und 1/8 der Wellenlänge breiten Lücken dazwischen zusammengesetzt sind, durch einen zweiten Metallisierungs- und Lithografieprozess erzeugt. Als Ergebnis dieses zweiten Prozesses ist die Dicke der Metallisierung jeder zweiten Zinke größer als diejenige der jeweils anderen Zinke. Infolgedessen werden Oberflächenwellen an den dickeren Zinken reflektiert, und das Reflexionszentrum einer solchen Zelle liegt in der Mitte zwischen den beiden dickeren Zinken, also an der Mitte einer dünneren Zinke. Das Anregungszentrum liegt in der Mitte einer Zwischenzinkenlücke. Demzufolge haben Anregungs- und Reflexionszentrum einen Abstand eines ungeradzahligen Vielfachen von 1/8 der Wellenlänge.
Weiterhin sind Wandler mit unidirektionalen Eigenschaften mit mehr als zwei Zinken pro Wandlerzelle, also mehr als zwei Zinken pro Wellenlänge, bekannt. Zu den Typen mit drei Zinken pro Wandlerzelle gehört die DART (Distributed Acoustic Reflection Transducer)-Zelle (T. Kodama, H. Kawabata, Y. Yasuhara, H. Sato, „Design of Low-Loss Filters Employing Distributed Acoustic Reflection Transducers”, Proc. 1986 IEEE Ultrasonics Symposium, Seiten 59–64, nachfolgend mit [3] bezeichnet). Zwei der drei Zinken regen die Wellen an und die dritte dient ausschließlich zur Reflexion. Die anregenden Zinken unterscheiden sich in ihrer Polarität, d. h. sie haben nicht das gleiche elektrische Potential.
Ein weiterer häufig verwendeter Wandlerzelltyp ist die Hanma-Hunsinger-Zelle (K. Hanma, B. Hunsinger, „A Triple Transit Suppression Technique”, Proc. 1976 IEEE Ultrasonics Symposium, Seiten 328–331, nachfolgend mit [4] bezeichnet). Sie enthält vier Zinken pro Zelle, die in zwei gleichen Gruppen, jeweils bestehend aus einer schmalen und einer breiten Zinke, angeordnet sind. Innerhalb ein und derselben Gruppe haben die Zinken die gleiche Polarität. Jedoch unterscheiden sich die Gruppen durch ihre Polarität. Bei diesem Zelltyp sind alle Zinken sowohl an der Wellenanregung als auch an der Reflexion beteiligt.
Ein Wandlerzelltyp, der nur zwei Zinken enthält, ist die TF-Zelle (G. Martin, S. V. Biryukov, H. Schmidt, B. Steiner und B. Wall, „Two-finger (TF) SPUDT cells”, Proc. 2008 IEEE Ultrasonics Symposium, Seiten 296–299, [5]). Die Zinken haben unterschiedliche Breiten und Polaritäten. Bei diesem Zelltyp sind alle Zinken, nämlich die beiden Zinken, sowohl an der Wellenanregung als auch an der Reflexion beteiligt.
Es sind auch bereits unidirektionale Wandler bekannt, bei denen interdigitale Wandlerstrukturen auf einem piezoelektrischen Kristallsubstrat angeordnet sind, die aus Sammelelektroden und gleich breiten Zinken bestehen, wobei jeweils 3 Zinken eine Wandlerzelle bilden und wobei jede Wandlerzelle ein Anregungszentrum und ein Reflexionszentrum zur Anregung und Reflexion von elektrischen Potentialwellen aufweist (Martin, G. u. a.: New SPUDT Cell Structures, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and frequency Control, July 2004, S. 858–863). Mit der Verwendung gleich breiter Zinken ist es bei derartigen Wandlern jedoch nicht ohne weiteres möglich, den für ein bestimmtes piezoelektrisches Kristallsubstrat ermittelten Aufbau der Wandlerzellen auf andere piezoelektrische Kristallsubstrate zu übertragen.
Bekannt sind auch sogenannte FEUDT (Floating electrode unidirectional transduser), die Elektroden auf Schwebepotential enthalten (TANAKA, M. u. a.: High performance SAW IF-filters for digital mobile communication systems using new floating-relectrode type SPUTSs, IEEE International Frequency Control Symposium 1996, S. 234–239). Hierbei sind Wandlerzellen vorhanden, die aus mindestens zwei Zinken bestehen und die mindestens ein Anregungszentrum und mindestens ein Reflexionszentrum enthält. Die Zinken sind dabei wesentlich schmaler als ein Viertel der Wellenlänge, und es sind nicht alle Zinken der Wandlerzelle an eine Sammelelektrode angeschlossen.
Aus der Publikation S. Lehtonen, V. P. Plessky, C. S. Hartmann und M. M. Salomaa, „Unidirectional SAW transducer for GHz frequencies”, Proc. 2003 IEEE Ultrasonics Symposium, Seiten 817–820 (nachfolgend mit [1] bezeichnet) sind zwei Lösungen bekannt, die 128°YX LiNbO₃ als piezoelektrisches Kristallsubstrat verwenden und die im GHz-Bereich anwendbar sind.
Bei der einen in [1] dargestellten Lösung enthält eine Wandlerzelle mit einer Länge von zwei Wellenlängen nur Zinken, die ein Viertel oder die Hälfte einer Wellenlänge breit sind. Die Lücken zwischen den Zinken sind ein Viertel einer Wellenlänge breit. Die Wellenlänge ist hier definiert durch den Quotienten aus der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle und derjenigen Frequenz ist, bei der der unidirektionale Wandler die maximale Oberflächenwellenamplitude erzeugt.
Die andere in [1] dargestellte Lösung stellt eine Zelle mit einer Länge von vier Wellenlängen dar, die Zinken mit einer Breite von 0,2 Wellenlängen enthält.
Beide Lösungen in [1] haben den Nachteil, dass die Zinkenbreiten und die Zinkenzwischenräume von vornherein so starr vorgegeben sind, so dass die Wandlerzellen nur für 128°YX LiNbO₃ anwendbar sind, wodurch Wandlerzellen mit für die vorgesehene Anwendung besseren Parametern als angegeben von vornherein ausgeschlossen werden. Die zweite Lösung in [1] hat zusätzlich den Nachteil, dass sie Zinken enthält, die schmaler als ein Viertel einer Wellenlänge sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unidirektionale Wandler für akustische Oberflächenwellen für die Anwendung im GHz-Bereich anzugeben, die aus Wandlerzellen zusammengesetzt sind, deren Zinkenbreiten und Zinkenzwischenräume von vornherein nicht so starr vorgegeben sind, so dass die Wandlerzellen auch für andere piezoelektrische Kristallsubstrate als 128°YX LiNbO₃ und/oder mit anderen Parametern angegeben werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 im Zusammenwirken mit den Merkmalen im Oberbegriff gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Unteransprüchen enthalten.
Bei dem erfindungsgemäßen Wandler ist eine interdigitale Elektrodenstruktur auf einem piezoelektrischen Kristallsubstrat angeordnet, die mit interdigitalen Wandlern aufgebaut ist, welche aus Sammelelektroden und Zinken bestehen, wobei mindestens zwei der Zinken eine Wandlerzelle bilden, die mindestens ein Anregungszentrum zur Anregung einer elektrischen Potentialwelle und mindestens ein Reflexionszentrum zur Reflexion elektrischer Potentialwellen aufweist.
Gemäß der Erfindung sind

a) alle Zinken und die Lücken zwischen ihnen breiter als ein Viertel des Quotienten aus der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle und derjenigen Frequenz, bei der der unidirektionale Wandler die maximale Oberflächenwellenamplitude erzeugt, und
b) die Zinkenbreiten und -positionen sind mit Hilfe eines computergestützten Optimierungsverfahrens so gewählt, dass die Phasenverschiebung Φs zwischen dem Anregungszentrum und einem Reflexionszentrum in jeder Wandlerzelle, gegeben durch die Gleichung
zwischen 41,4° und 48,6° oder zwischen –48,6° und –41,4° oder zwischen 131,4° und 138,6° oder zwischen –138,6° und –131,4° liegt, wobei ω_s1 und ω_s2 die Resonanzfrequenzen eines kurzgeschlossenen und ω_o1 und ω_o2 eines offenen interdigitalen Wandlers mit unendlich vielen Zinken sind, die mit Hilfe eines Computerprogramms berechnet werden, so dass in jeder Wandlerzelle der Abstand des Anregungszentrums von einem Reflexionszentrum zwischen 0,115 und 0,135 oder zwischen –0,135 und –0,115 oder zwischen 0,365 und 0,385 oder zwischen –0,385 und –0,365 des Quotienten aus der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle und der Frequenz ist, bei der der Wandler die maximale Oberflächenwellenamplitude erzeugt, und dass
c) mindestens eine der Wandlerzellen Zinken enthält, die an keine der Sammelelektroden angeschlossen sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter dem Anregungszentrum die von der Geometrie der interdigitalen Elektrodenstruktur, dem piezoelektrischen Kristallsubstrat und den elektrischen Potentialen des Unidirektionalwandlers abhängige Linie parallel zu den Zinkenkanten verstanden, an der die elektrische Potentialwelle angeregt wird, die eine Komponente der erzeugten Oberflächenwellen ist.
Unter einem Reflexionszentrum wird gemäß der vorliegenden Erfindung die von der Geometrie der interdigitalen Elektrodenstruktur, dem piezoelektrischen Kristallsubstrat und den elektrischen Potentialen des Unidirektionalwandlers abhängige Linie parallel zu den Zinkenkanten verstanden, an der die vom Anregungszentrum angeregte elektrische Potentialwelle reflektiert wird, die eine Komponente der reflektierten Oberflächenwellen ist.
Die Lage des Anregungszentrums und die des Reflexionszentrums lässt sich für einen Unidirektionalwandler in an sich bekannter Weise mittels handelsüblicher Computerprogramme ermitteln aus:

– der Art des piezoelektrischen Kristallsubstrats, auf dem die interdigitalen Wandler angeordnet sind,
– dem vorliegenden Kristallsubstrat-Schnitt,
– der Ausrichtung der Zinkenkanten der interdigitalen Wandler zu den Achsen des piezoelektrischen Kristallsubstrats,
– den Zinkenpositionen in den interdigitalen Wandlern,
– den Zinkenbreiten und den Zinkendicken der interdigitalen Wandler,
– dem Werkstoff, aus dem die Zinken der interdigitalen Wandler bestehen,
– der Größe des an den Zinken der interdigitalen Wandler anliegenden elektrischen Potentials.

Es ist praktisch sehr zeitaufwendig, wenn nicht sogar unmöglich, durch Variation der Zinkenbreiten und -positionen von Hand Lösungen für Wandlerzellen mit vorgegebenen Eigenschaftsparametern zu finden. Als Hilfsmittel stehen jedoch computergestützte Optimierungsverfahren zur Verfügung. Beispielsweise sind entsprechende Optimierungsfunktionen in der Programmiersprache MATLAB im Markt verfügbar. Zur Berechnung der Eigenschaftsparameter der Struktur der Wandlerzellen, die beim jeweils aktuellen Schritt der Optimierung vorliegt, ist ein Analyseprogramm erforderlich, das die Eigenschaftsparameter numerisch berechnet. Deshalb können auch keine analytischen Beziehungen zwischen den Eigenschaftsparametern und der Zellstruktur angegeben werden. Solche Analyseprogramme können käuflich erworben werden.
Der Zusammenhang zwischen den Eigenschaftsparametern und den geometrischen Parametern der Zellstruktur ist nichtlinear. Deshalb handelt es sich hier um eine nichtlineare Optimierung mit der Schwierigkeit, dass das Ergebnis von den geometrischen Startparametern der Zellstruktur abhängt. Die Wahl dieser Startparameter ist äußerst wichtig und bedarf einer gewissen Intuition. Deshalb führt die einfache Modifizierung bekannter Zellstrukturen nicht notwendig zu neuen Lösungen. Selbst die Benutzung der geometrischen Parameter bekannter Zellstrukturen als Startparameter führt nicht notwendig zum Ziel.
Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Länge einer Wandlerzelle ein ganzzahliges Vielfaches N des Quotienten aus der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle und derjenigen Frequenz ist, bei der der unidirektionale Wandler die maximale Oberflächenwellenamplitude erzeugt, wobei dieses ganzzahlige Vielfache N größer als 1 ist.
Zwischen der Anzahl der Zinken N_z einer Wandlerzelle und dem ganzzahligen Vielfachen N des Quotienten aus der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle und derjenigen Frequenz, bei der der unidirektionale Wandler die maximale Oberflächenwellenamplitude erzeugt, kann die Beziehung N_z ≤ 2N – 1 bestehen.
Zweckmäßig können zwei oder mehrere der Zinken, die an keine der Sammelelektroden angeschlossen sind, miteinander verbunden sein.
Das piezoelektrische Kristallsubstrat kann LiNbO₃, insbesondere ein Y-Schnitt von LiNbO₃ mit der Z-Achse als Ausbreitungsrichtung für akustische Oberflächenwellen sein.
Das piezoelektrische Kristallsubstrat kann aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe folgender Materialien ausgewählt ist: Quarz (SiO₂), Zinkoxid (ZnO), Aluminiumnitrid (AlN), Galliumnitrid (GaN), Galliumorthophosphat (GaPO₄), Aluminiumphosphat (AlPO₄), Langasit ([La₃GaGa₃(GaSi)O₁₄]), Langanit ([La₃(Ga_0,5Nb_0,5)Ga₃Ga₂O₁₄]), Langatat ([La₃(Ga_0,5Ta_0,5)Ga₃Ga₂O14]), CNGS (Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄), CTGS (Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄), SNGS (Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄), STGS (Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄), Lithiumtantalat (LiTaO₃), Kaliumniobat (KNbO₃), Lithiumtretraborat (Li₂B₄O₇) Galliumarsenid (GaAs).
Die Elektrodenstrukturen können aus Aluminium bestehen und eine Schichtdicke aufweisen, die zwischen 1% und 12% des Quotienten aus der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle und derjenigen Frequenz ist, bei der der unidirektionale Wandler die maximale Oberflächenwellenamplitude erzeugt. Die Elektrodenstrukturen können aber auch aus Kupfer oder Platin bestehen.
Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen unidirektionalen Wandler für akustische Oberflächenwellen, bei dem die Wandlerzelle auch Zinken enthält, die nicht an eine Sammelelektrode angeschlossen sind.
Gemäß der Zeichnung ist ein unidirektionaler Wandler 1 für akustische Oberflächenwellen auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet. Dieses besteht aus YZLiNbO₃. Der schraffierte Teil des unidirektionalen Wandlers 1 repräsentiert eine seiner Zellen. Diese Wandlerzelle ist aus den Sammelelektroden 2 und 3 mit den Zinken 21 bzw. 31, 32, 33 und 34 zusammengesetzt. Die Zinke 35 ist die der Zinke 31 entsprechende Zinke der nachfolgenden Zelle des Wandlers 1. Die Lücken zwischen benachbarten Zinken sind mit 41, 42, 43, 44 und 45 bezeichnet. Die Zinken 32 und 33 sind an keine der Sammelelektroden 2, 3 angeschlossen, jedoch über die Brücke 321 miteinander verbunden.
Die Gesamtlänge der Zelle beträgt 3 Wellenlängen (3λ), wobei die Wellenlänge als Quotient aus der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle und derjenigen Frequenz, bei der der unidirektionale Wandler die maximale Oberflächenwellenamplitude erzeugt, definiert ist.

Das Material der Elektroden 2 und 3 mit den Zinken 21 bzw. 31, 32, 33 und 34 ist Aluminium mit einer Schichtdicke, bezogen auf die Wellenlänge, von 0,075. Die Maße der Breiten der Zinken 21 und 31–34 sowie der Lücken 41–45 sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst,

Zinke bzw. Lücke	Breite/Wellenlänge
Zinke 31	0.2517
Lücke 41	0.2533
Zinke 32	0.2517
Lücke 42	0.5692
Zinke 21	0.3891
Lücke 43	0.2590
Zinke 33	0.2679
Lücke 44	0.2546
Zinke 34	0.2518
Lücke 45	0.2517

Alle Zinken 21 und 31–34 und Lücken 41–45 sind breiter als ein Viertel der Wellenlänge.
Die Sammelelektrode 2 bzw. 3 ist über den Anschluss 5 bzw. 6 mit einem Wechselspannungspotential bzw. mit dem Massepotential verbunden.
Sowohl das Anregungszentrum AZ als auch das Reflexionszentrum RZ liegt innerhalb der Zinke 21. Der Abstand des Anregungszentrums AZ vom Reflexionszentrum RZ (Maß A), bezogen auf die Wellenlänge, beträgt 0,1185 und liegt noch innerhalb der Toleranz von 0,125 ± 0,010. Das Reflexionszentrum RZ hat einen Abstand von der linken Kante der Zinke 21 (Maß B), bezogen auf die Wellenlänge, von 0,1872.
Die Vorwärtsrichtung, die als Richtung der größten abgestrahlten Oberflächenwellenamplitude definiert ist, ist in nach rechts gerichtet und mit dem Pfeil 7 markiert.
Bezugszeichenliste

1: unidirektionaler Wandler
2, 3: Sammelelektroden
21, 31, 32, 33, 34, 35: Zinken
41, 42, 43, 44, 45: Lücken
5, 6: Anschlüsse
7: Richtung der größten abgestrahlten Oberflächenwellenamplitude
321: Brücke
AZ: Anregungszentrum
RZ: Reflexionszentrum

Claims

Unidirektionaler Wandler für akustische Oberflächenwellen, bei dem eine interdigitale Elektrodenstruktur auf einem piezoelektrischen Kristallsubstrat angeordnet ist, die mit interdigitalen Wandlern (1) aufgebaut ist, welche aus Sammelelektroden (2; 3) und Zinken (21; 31; 32; 33; 34; 35) bestehen, wobei mindestens zwei der Zinken eine Wandlerzelle (2; 3; 21; 31; 32; 33; 34) bilden, die mindestens ein Anregungszentrum (AZ) zur Anregung einer elektrischen Potentialwelle und mindestens ein Reflexionszentrum (RZ) zur Reflektion elektrischer Potentialwellen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass a) alle Zinken (21; 31; 32; 33; 34) und die Lücken (41; 42; 43; 44; 45) zwischen ihnen breiter als ein Viertel des Quotienten aus der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle und derjenigen Frequenz ist, bei der der unidirektionale Wandler die maximale Oberflächenwellenamplitude erzeugt, dass b) die Zinkenbreiten und -positionen mit Hilfe eines computergestützten Optimierungsverfahrens so gewählt sind, dass die Phasenverschiebung Φs zwischen dem Anregungszentrum und einem Reflexionszentrum in jeder Wandlerzelle, gegeben durch die Gleichung
zwischen 41,4° und 48,6° oder zwischen –48,6° und –41,4° oder zwischen 131,4° und 138,6° oder zwischen –138,6° und –131,4° liegt, wobei ω_s1 und ω_s2 die Resonanzfrequenzen eines kurzgeschlossenen und ω_o1 und ω_o2 eines offenen interdigitalen Wandlers mit unendlich vielen Zinken sind, die mit Hilfe eines Computerprogramms so berechnet sind, dass in jeder Wandlerzelle der Abstand des Anregungszentrums von einem Reflexionszentrum zwischen 0,115 und 0,135 oder zwischen –0,135 und –0,115 oder zwischen 0,365 und 0,385 oder zwischen –0,385 und –0,365 des Quotienten aus der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle und derjenigen Frequenz ist, bei der der Wandler die maximale Oberflächenwellenamplitude erzeugt, und dass c) mindestens eine der Wandlerzellen Zinken enthält, die an keine der Sammelelektroden (2; 3) angeschlossen sind.
Unidirektionaler Wandler für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge einer Wandlerzelle ein ganzzahliges Vielfaches N des Quotienten aus der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle und derjenigen Frequenz ist, bei der der unidirektionale Wandler die maximale Oberflächenwellenamplitude erzeugt.
Unidirektionaler Wandler für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das ganzzahlige Vielfache N des Quotienten aus der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle und derjenigen Frequenz, bei der der unidirektionale Wandler die maximale Oberflächenwellenamplitude erzeugt, größer als 1 ist.
Unidirektionaler Wandler für akustische Oberflächenwellen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Anzahl der Zinken N_z einer Wandlerzelle (21; 31; 32; 33; 34) und dem ganzzahligen Vielfachen N des Quotienten aus der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle und derjenigen Frequenz, bei der der unidirektionale Wandler die maximale Oberflächenwellenamplitude erzeugt, die Beziehung N_z ≤ 2N – 1 besteht.
Unidirektionaler Wandler für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere der Zinken, die an keine der Sammelelektroden angeschlossen sind, miteinander verbunden sind.
Unidirektionaler Wandler für akustische Oberflächenwellen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Kristallsubstrat LiNbO₃ ist.
Unidirektionaler Wandler für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Kristallsubstrat ein Y-Schnitt von LiNbO₃ mit der Z-Achse als Ausbreitungsrichtung für akustische Oberflächenwellen ist.
Unidirektionaler Wandler für akustische Oberflächenwellen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Kristallsubstrat aus einem Material besteht, das aus der Gruppe: Quarz (SiO₂), Zinkoxid (ZnO), Aluminiumnitrid (AlN), Galliumnitrid (GaN), Galliumorthophosphat (GaPO₄), Aluminiumphosphat (AlPO₄), Langasit ([La₃GaGa₃(GaSi)O₁₄]), Langanit ([La₃(Ga_0,5Nb_0,5)Ga₃Ga₂O₁₄]), Langatat ([La₃(Ga_0,5Ta_0,5)Ga₃Ga₂O14]), CNGS (Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄), CTGS (Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄), SNGS (Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄), STGS (Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄), Lithiumtantalat (LiTaO₃), Kaliumniobat (KNbO₃), Lithiumtetraborat (Li₂B₄O₇) und Galliumarsenid (GaAs) ausgewählt ist.
Unidirektionaler Wandler für akustische Oberflächenwellen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die interdigitalen Elektrodenstrukturen aus Aluminium bestehen und eine Schichtdicke aufweisen, die zwischen 1% und 12% des Quotienten aus der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle und derjenigen Frequenz ist, bei der der unidirektionale Wandler die maximale Oberflächenwellenamplitude erzeugt.
Unidirektionaler Wandler für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die interdigitalen Elektrodenstrukturen aus Kupfer oder Platin bestehen.