DE102016118953B4

DE102016118953B4 - Acoustoelectric oscillator

Info

Publication number: DE102016118953B4
Application number: DE102016118953.7A
Authority: DE
Inventors: Günter Martin
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date: 2016-10-06
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2036-10-07
Also published as: DE102016118953A1

Abstract

Akustoelektrischer Oszillator, basierend auf an Oberflächen geführten akustischen Wellen, enthaltend in einer elektrischen Schaltung mindestens ein Bauelement mit mindestens einem interdigitalen Wandler (21, 22, 210, 220) auf einem piezoelektrischen Substrat (1, 10), wobei die elektrische Schaltung den Verlust der Bauelemente an Schwingungsenergie kompensiert, dadurch gekennzeichnet, dass einer der interdigitalen Wandler (21, 22, 210, 220) mit mindestens einem Kondensator (3,30) einen Verbund bildet, ausgeführt als Schaltung, die den interdigitalen Wandler (21, 22, 210, 220), den Kondensator (3, 30) und eine Spannungsquelle (7,8) enthält, wobei der Kondensator (3,30) aus mindestens einer Elektrode (31, 310) auf der Substratoberfläche und einer Deckelektrode (32, 320) und einem Spalt (303, 304, 313, 314) zwischen der Elektrode (31, 310) auf der Substratoberfläche und der Deckelektrode (32, 320) besteht und der Kristallschnitt des Substrats (1, 10) sowie die Richtung der Zinken der interdigitalen Wandler (21, 22, 210, 220) so gewählt sind, dass mindestens eine der geführten akustischen Wellenarten eine Teilchenverschiebungskomponente senkrecht zu der Oberfläche des Substrats (1, 10) enthält.An acoustoelectric oscillator based on acoustic waves guided on surfaces, comprising in an electrical circuit at least one component having at least one interdigital transducer (21, 22, 210, 220) on a piezoelectric substrate (1, 10), the electrical circuit detecting the loss of the Compensates components of vibration energy, characterized in that one of the interdigital transducer (21, 22, 210, 220) with at least one capacitor (3,30) forms a composite, designed as a circuit which the interdigital transducer (21, 22, 210, 220), the capacitor (3, 30) and a voltage source (7, 8), the capacitor (3, 30) comprising at least one electrode (31, 310) on the substrate surface and a cover electrode (32, 320) and a Gap (303, 304, 313, 314) between the electrode (31, 310) on the substrate surface and the cover electrode (32, 320) and the crystal section of the substrate (1, 10) and the direction of the prongs of the interdigital transducers (21, 22, 210, 220) are selected such that at least one of the guided acoustic waves contains a particle displacement component perpendicular to the surface of the substrate (1, 10).

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektrotechnik/Elektronik und betrifft einen akustoelektrischen Oszillator, basierend auf an Oberflächen geführten akustischen Wellen, der autonom ist und ohne Halbleiterbauelemente auskommt. Die Erfindung ist beispielsweise anwendbar in Vorrichtungen zur Schwingungserzeugung und in autonomen Sensoren und Aktoren, insbesondere in solchen, die bei hohen Temperaturen betrieben werden.The present invention relates to the field of electrical engineering / electronics and relates to an acoustoelectric oscillator based on surfaces guided acoustic waves, which is autonomous and does not require semiconductor devices. The invention is applicable, for example, in devices for vibration generation and in autonomous sensors and actuators, in particular in those which are operated at high temperatures.

Stand der TechnikState of the art

Es sind akustoelektrische Oszillatoren, bei denen eine elektrische Schaltung mindestens ein Bauelement, basierend auf an Oberflächen geführten akustischen Wellen, enthält und das mindestens einen interdigitalen Wandler, der auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet sind, enthält, wobei die elektrische Schaltung den Verlust der Bauelemente an Schwingungsenergie kompensiert.They are acousto-electric oscillators in which an electrical circuit includes at least one device based on acoustic waves guided on surfaces and which contains at least one interdigital transducer arranged on a piezoelectric substrate, the electrical circuit indicating the loss of the components to vibrational energy compensated.

Spezielle Ausführungen von akustoelektrischen Oszillatoren, basierend auf akustischen Oberflächenwellen, sind bekannt aus D. Morgan, „Surface Acoustic Wave Filters“, Academic Press 2007, Seiten 332 - 335 . Als frequenzbestimmende Elemente werden hauptsächlich Zweitorresonatoren, basierend auf akustischen Oberflächenwellen, aber auch Eintorresonatoren, verwendet. Zur Kompensation der Schwingungsverluste der Resonatoren wird ein Verstärker in die Verbindung vom Ausgangs- zum Eingangswandler geschaltet.Specific embodiments of acoustoelectric oscillators based on surface acoustic waves are known D. Morgan, "Surface Acoustic Wave Filters", Academic Press 2007, pp. 332-335 , Frequency-determining elements used are mainly two-port resonators based on surface acoustic waves, but also single-port resonators. To compensate for the vibration losses of the resonators, an amplifier is connected in the connection from the output to the input converter.

Es ist eine spezielle Ausführung ( T. E. Parker und G. K. Montress.: „Precision surface-acoustic-wave (SAW) oscillators“, Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control Bd.35, 1988, Seiten 342-354 ) bekannt, bei der Verzögerungsleitungen sowie Ein- und Zweitorresonatoren als frequenzbestimmende Bauelemente auf der Basis akustischer Oberflächenwellen in Oszillatorschaltungen angewendet werden, die Halbleiterbauelemente wie Transistoren und Verstärker zur Kompensation der Schwingungs- und Ausbreitungsverluste der akustischen Oberflächenwellen enthalten.It is a special version ( TE Parker and GK Montress .: "Precision surface-acoustic-wave (SAW) oscillators", Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control Vol.35, 1988, pages 342-354 ) are known, are used in the delay lines and single- and Zweitorresonatoren as frequency-determining devices based on surface acoustic waves in oscillator circuits containing semiconductor devices such as transistors and amplifiers to compensate for the vibration and propagation losses of the surface acoustic waves.

Von Chomiki, M.: „ULTRA LOW NOISE SURFACE ACOUSTIC WAVE OSCILLATOR FOR INSTRUMENTATION MARKET“, (http://www.armms.org/media/uploads/6-uln_saw_oscillators_for_instrumentation_market_temex.pdf) ist ein spannungsgesteuerter Oszillator (voltage controlled oscillator - VCO) bekannt, der einen Zweitorresonator auf der Basis akustischer Oberflächenwellen enthält. In die Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang des Zweitorresonators sind ein Verstärker und ein spannungsgesteuerter Phasenschieber geschaltet. Dadurch kann die Oszillatorfrequenz von außen durch eine Gleichspannung variiert werden.By Chomiki, M .: ULTRA LOW NOISE SURFACE ACOUSTIC WAVE OSCILLATOR FOR INSTRUMENTATION MARKET, (http://www.armms.org/media/uploads/6-uln_saw_oscillators_for_instrumentation_market_temex.pdf) is a voltage controlled oscillator (VCO) ), which contains a two-phase resonator based on surface acoustic waves. In the feedback from the output to the input of the Zweitorresonators an amplifier and a voltage-controlled phase shifter are connected. As a result, the oscillator frequency can be varied from the outside by a DC voltage.

Eine weitere Ausführung eines akustoelektrischen Oszillators, basierend auf transversalen akustischen Oberflächenwellen (Surface Transverse Waves - STW), einem speziellen Typ akustischer Oberflächenwellen, ist bekannt aus D. F. Thomson und A. R. Northam, „High frequency, low loss, fundamental mode STW resonators used for stable oscillator design“ in Proc. 1991 IEEE Ultrasonics Symposium, Seiten 263 - 268 . Der beschriebene Oszillator ist vom Typ her ein Colpitts-Oszillator und enthält einen Eintorresonator, basierend auf akustischen Oberflächenwellen. Die elektrische Schaltung, die den Verlust des Resonators an Schwingungsenergie kompensiert, enthält einen Transistor, der die kompensierende Energie liefert.Another embodiment of an acoustoelectric oscillator based on transversal surface acoustic waves (STW), a special type of surface acoustic wave, is known DF Thomson and AR Northam, "High frequency, low loss, fundamental mode STW resonators used for stable oscillator design" in Proc. 1991 IEEE Ultrasonics Symposium, pages 263 - 268 , The described oscillator is of the type Colpitts oscillator and includes a single-port resonator based on surface acoustic waves. The electrical circuit that compensates for the loss of the resonator to vibrational energy includes a transistor that provides the compensating energy.

Die akustoelektrischen Oszillatoren aus dem Stand der Technik nutzen kleine zufällig vorhandene Schwingungen der Substratoberfläche zum Anschwingen. Die in der Oszillatorschaltung enthaltenen Halbleiterbauelemente liefern die Energie zum Aufschaukeln des Wellenfeldes bis zum Erreichen einer stabilen Schwingung.The prior art acoustoelectric oscillators use small random oscillations of the substrate surface to resonate. The semiconductor components contained in the oscillator circuit provide the energy for rocking the wave field until a stable oscillation is achieved.

Alle aus dem Stand der Technik bekannten Oszillatorlösungen haben den Nachteil, dass sie Halbleiterbauelemente enthalten und deshalb nicht bei hohen Temperaturen betrieben werden können.All known from the prior art oscillator solutions have the disadvantage that they contain semiconductor devices and therefore can not be operated at high temperatures.

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, akustoelektrische Oszillatoren, basierend auf an Oberflächen geführten akustischen Wellen, so zu gestalten, dass sie auch bei hohen Temperaturen betrieben werden können.The object of the present invention is to design acoustoelectric oscillators based on acoustic waves guided on surfaces in such a way that they can also be operated at high temperatures.

Die Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen enthaltenen Merkmalen gelöst, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Patentansprüche im Sinne einer UND-Verknüpfung mit einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.The object is achieved with the features contained in the patent claims, wherein the invention also includes combinations of the individual dependent claims in terms of an AND link, as long as they are not mutually exclusive.

Die erfindungsgemäßen Merkmale beziehen sich auf einen akustoelektrischen Oszillator, bei dem einer der interdigitalen Wandler mit mindestens einem Kondensator einen Verbund bildet, ausgeführt als Schaltung, die den interdigitalen Wandler, den Kondensator und eine Spannungsquelle enthält. Der Kondensator besteht erfindungsgemäß aus mindestens einer Elektrode auf der Substratoberfläche und einer Deckelektrode und einem Spalt zwischen der Elektrode auf der Substratoberfläche und der Deckelektrode. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind der Kristallschnitt des Substrats sowie die Richtung der Zinken der interdigitalen Wandler so gewählt, dass mindestens eine der geführten akustischen Wellenarten eine Teilchenverschiebungskomponente senkrecht zu der Oberfläche des Substrats enthält. Das Auftreten dieser Wirkung lässt sich bei dem erfindungsgemäßen Oszillator ohne weiteres unter Zuhilfenahme einer einschlägigen kommerziellen Software bestimmen durch Wahl des Kristallschnittes und der Zinkenrichtung auf dem Substrat. Beispielsweise eignet sich die unter dem Namen Disperse bekannte Software, die unter http://www.disperse.software gefunden werden kann, für diesen Zweck.The features of the invention relate to an acoustoelectric oscillator in which one of the interdigital transducers with at least one capacitor forms a composite, designed as a circuit that contains the interdigital transducer, the capacitor and a voltage source. According to the invention, the capacitor consists of at least one electrode on the substrate surface and a cover electrode and a gap between the electrode on the substrate surface and the cover electrode. According to a further feature of the invention, the crystal section of the substrate and the Direction of the tines of the interdigital transducer selected so that at least one of the guided acoustic wave species contains a particle displacement component perpendicular to the surface of the substrate. The occurrence of this effect can be determined in the oscillator according to the invention readily with the aid of a relevant commercial software by selecting the crystal section and the zinc direction on the substrate. For example, the software known by the name of Disperse, which can be found at http://www.disperse.software, is suitable for this purpose.

Infolge der senkrecht zu der Oberfläche des Substrats gerichteten Teilchenverschiebungskomponente wird die Oberfläche des Substrats zeitabhängig gekräuselt und demzufolge die Breite des Spaltes zwischen der Elektrode auf der Substratoberfläche und der Deckelektrode des Kondensators und damit die Kapazität des Kondensators zeitabhängig moduliert. Da der Kondensator mit einem der interdigitalen Wandler und einer Spannungsquelle verschaltet ist, wird auch die Spannung am interdigitalen Wandler moduliert, wodurch eine an der Oberfläche geführten akustischen Welle angeregt wird. Dadurch wird die ursprünglich vorhandene akustische Welle verstärkt, solange, bis sich eine stabile Schwingung aufgebaut hat. Die Energie dafür liefert die Spannungsquelle.As a result of the particle displacement component directed perpendicular to the surface of the substrate, the surface of the substrate is crimped in a time-dependent manner and thus the width of the gap between the electrode on the substrate surface and the top electrode of the capacitor and thus the capacitance of the capacitor are modulated in a time-dependent manner. Since the capacitor is connected to one of the interdigital transducers and a voltage source, the voltage at the interdigital transducer is also modulated, thereby exciting an acoustic wave guided on the surface. As a result, the originally existing acoustic wave is amplified until a stable oscillation has built up. The energy for this supplies the voltage source.

Anstelle von Halbleiterbauelementen wie Transistoren ist erfindungsgemäß lediglich eine Spannungsquelle zur Kompensation der Schwingungsverluste des Oszillators erforderlich. Die Modulation der Spannung, die an dem interdigitalen Wandler anliegt, wird dadurch erreicht, dass die infolge der senkrechten Komponente der Wellenbewegung der geführten Welle schwingende Oberfläche des Substrats die Kapazität des Kondensators moduliert wird und infolgedessen die ursprünglich am Kondensator anliegende Gleichspannung so moduliert wird, dass die Gleichspannung von einer Wechselspannung überlagert ist. Demzufolge enthält auch die Spannung am interdigitalen Wandler einen Wechselanteil, der wiederum eine an der Oberfläche geführte Welle anregt. Dabei schaukelt sich eine kleine, zufällig vorhandene Schwingung der Substratoberfläche auch im Bereich des Kondensators auf. Wegen des beschriebenen Mechanismus der Schwingungsverstärkung wird der erfindungsgemäße Oszillator als parametrischer akustoelektrischer Oszillator bezeichnet.Instead of semiconductor components such as transistors, according to the invention, only one voltage source is required to compensate for the oscillation losses of the oscillator. The modulation of the voltage applied to the interdigital transducer is achieved by modulating the capacitance of the capacitor due to the vertical component of the wave motion of the guided wave, and consequently modulating the DC voltage originally applied to the capacitor such that the DC voltage is superimposed by an AC voltage. Consequently, the voltage at the interdigital transducer also contains an alternating component, which in turn excites a wave guided on the surface. A small, random vibration of the substrate surface also swings in the area of the capacitor. Because of the described mechanism of vibration amplification of the oscillator of the invention is referred to as a parametric acoustoelectric oscillator.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale sind:Further features of the invention are:

Das Bauelement, basierend auf an Oberflächen geführten akustischen Wellen, kann ein Resonator sein, bei dem mindestens ein interdigitaler Wandler zwischen zwei Reflektoren angeordnet ist oder auch eine Verzögerungsleitung sein, die zwei interdigitale Wandler enthält.The device based on acoustic waves guided on surfaces may be a resonator in which at least one interdigital transducer is arranged between two reflectors or else a delay line containing two interdigital transducers.

Eine Impedanz kann in Reihe mit der Spannungsquelle geschaltet sein oder eine Reihenschaltung aus einer Spannungsquelle und einer Impedanz kann parallel zum Verbund geschaltet sein.An impedance may be connected in series with the voltage source or a series connection of a voltage source and an impedance may be connected in parallel with the composite.

Die Dicke des Substrats kann so gewählt sein, dass nur an der Oberseite des Substrats eine signifikante Wellenbewegung in Form einer Oberflächenwelle oder dass sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite des Substrats eine signifikante Wellenbewegung in Form von Plattenwellen vorhanden ist.The thickness of the substrate may be selected such that there is significant wave motion in the form of a surface wave only at the top of the substrate, or significant wave motion in the form of plate waves at both the top and bottom of the substrate.

Die Schaltung eines interdigitalen Wandlers und eines Kondensators eines Verbundes kann so ausgeführt sein, dass eine Sammelelektrode des interdigitalen Wandlers mit der mindestens einen Elektrode des Kondensators auf der Substratoberfläche und die jeweils andere Sammelelektrode mit der Deckelektrode des Kondensators über die Spannungsquelle und die Impedanz elektrisch verbunden ist.The circuit of an interdigital transducer and a capacitor of a composite can be designed so that a collecting electrode of the interdigital transducer is electrically connected to the at least one electrode of the capacitor on the substrate surface and the respective other collecting electrode to the top electrode of the capacitor via the voltage source and the impedance ,

Es können zwei interdigitale Wandler oder nur ein interdigitaler Wandler zwischen den Reflektoren angeordnet sein, so dass die Resonatoren im ersten Fall Zweitorresonatoren und im zweiten Fall Eintorresonatoren sind.Two interdigital transducers or only one interdigital transducer can be arranged between the reflectors, so that the resonators are two-port resonators in the first case and one-port resonators in the second case.

Der Kondensator kann zwischen einem Reflektor und einem interdigitalen Wandler, aber auch zwischen einem Reflektor und einem interdigitalen Wandler oder zwischen den interdigitalen Wandlern angeordnet sein, wobei der Abstand der Mitten der Streifen der Elektrode des Kondensators auf der Substratoberfläche ein geradzahliges Vielfaches des Abstandes der Zinkenmitten der interdigitalen Wandler betragen kann.The capacitor may be arranged between a reflector and an interdigital transducer, but also between a reflector and an interdigital transducer or between the interdigital transducers, wherein the distance of the centers of the strips of the electrode of the capacitor on the substrate surface an even multiple of the distance of the tine center of the may be interdigital transducer.

Es kann nur ein Verbund aus einem piezoelektrischen Resonator und einem Plattenkondensator, aber auch mindestens zwei Verbunde vorhanden sein, wobei im zweiten Fall eine Reihenschaltung aus der Spannungsquelle und der Impedanz parallel zu den Verbunden geschaltet sind.It can be present only a composite of a piezoelectric resonator and a plate capacitor, but also at least two composites, in the second case, a series circuit of the voltage source and the impedance are connected in parallel to the interconnected.

Die Spannungsquelle kann eine Gleichspannungsquelle oder eine Wechselspannungsquelle, die ihre Energie aus geernteter Energie (engl. harvesting energy) bezieht, sein, wobei die Frequenz der Wechselspannung wesentlich kleiner als die Arbeitsfrequenz des akustoelektrischen Oszillators ist.The voltage source may be a DC voltage source or an AC voltage source that draws its energy from harvesting energy, wherein the frequency of the AC voltage is substantially less than the operating frequency of the acoustoelectric oscillator.

Die Impedanz kann ein ohmscher Widerstand, vorteilhafterweise der Innenwiderstand der Spannungsquelle sein.The impedance may be an ohmic resistance, advantageously the internal resistance of the voltage source.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von fünf Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. The invention is explained below with reference to five exemplary embodiments and associated drawings.

In den Zeichnungen zeigen:

1 einen Zweitorresonator,
2 einen Eintorresonator,
3 einen Verbund aus zwei Zweitorresonatoren,
4 Schnittzeichnungen der in 3 dargestellten Kondensatoren,
5 einen Verbund aus zwei Eintorresonatoren,
6 eine Verzögerungsleitungsstruktur.

In the drawings show:

1 a two-port resonator,
2 a one-port resonator,
3 a combination of two two-port resonators,
4 Sectional drawings of in 3 illustrated capacitors,
5 a combination of two one-port resonators,
6 a delay line structure.

Beispiel 1example 1

Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf 1.This embodiment relates to 1 ,

Auf einem Kristallsubstrat 1 aus LiNbO3 mit den Eulerwinkeln (0°, 38°, 0°) ist eine interdigitale Zweitorresonatorstruktur 2 angeordnet, die aus den interdigitalen Wandlern 21 und 22 sowie den Reflektoren 23 und 24 zusammengesetzt ist. Die Dicke des Substrats 1 ist so gewählt, dass nur an der Oberseite des Substrats 1 eine signifikante Wellenbewegung in Form einer Oberflächenwelle erzeugt wird.On a crystal substrate 1 LiNbO3 with the Euler angles (0 °, 38 °, 0 °) is an interdigital two-orbit resonator structure 2 arranged, consisting of the interdigital transducers 21 and 22 and the reflectors 23 and 24 is composed. The thickness of the substrate 1 is chosen so that only at the top of the substrate 1 a significant wave motion is generated in the form of a surface wave.

Zwischen den interdigitalen Wandlern 21 und 22 ist ein Kondensator 3 angeordnet. Dieser besteht aus einer Elektrode 31, die als Metallschicht auf dem Substrat 1 ausgebildet und in zwei parallel angeordnete, miteinander verbundene Streifen 311 und 312 unterteilt ist, und einer Deckelektrode 32.Between the interdigital transducers 21 and 22 is a capacitor 3 arranged. This consists of an electrode 31 acting as a metal layer on the substrate 1 formed and in two parallel, interconnected strips 311 and 312 is divided, and a cover electrode 32 ,

Der Abstand der zu den Streifenkanten parallelen Mittellinien der parallelen Streifen 311 und 312 entspricht der Länge einer Periode der interdigitalen Wandler 21 und 22. Wie der Schnitt durch den Kondensator 3 längs einer Linie C - D zeigt, werden durch die elektrisch isolierenden Distanzschichten 33 und 34 die Spalte 313 und 314 zwischen den parallelen Streifen 311 und 312 der Elektrode 31 und der Deckelektrode 32 offen gehalten, wie im Schnitt durch den Kondensator 3 längs einer Linie A - B gezeigt wird.The distance between the center lines of the parallel strips parallel to the strip edges 311 and 312 corresponds to the length of one period of the interdigital transducer 21 and 22 , Like the cut through the capacitor 3 along a line C - D are shown by the electrically insulating spacer layers 33 and 34 the gap 313 and 314 between the parallel stripes 311 and 312 the electrode 31 and the cover electrode 32 kept open, as in section through the capacitor 3 along a line A - B is shown.

Die Deckelektrode 32 des Kondensators 3 ist über eine Verbindung 5 mit einer Sammelelektrode des interdigitalen Wandlers 21 elektrisch verbunden, und die Elektrode 31 ist über eine Verbindung 6, die Gleichspannungsquelle 7 und den ohmschen Widerstand 8 mit der jeweils anderen Sammelelektrode des interdigitalen Wandlers 21 elektrisch verbunden. Der interdigitale Wandler 22 liefert das Ausgangssignal des Oszillators an den Ausgang 4.The cover electrode 32 of the capacitor 3 is about a connection 5 with a collecting electrode of the interdigital transducer 21 electrically connected, and the electrode 31 is connected 6 , the DC voltage source 7 and the ohmic resistance 8th electrically connected to the respective other collecting electrode of the interdigital transducer 21. The interdigital transducer 22 supplies the output signal of the oscillator to the output 4 ,

Beispiel 2Example 2

Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf 2.This embodiment relates to 2 ,

Auf einem Kristallsubstrat 1 aus LiNbO3 mit den Eulerwinkeln (0°, 38°, 0°) ist eine interdigitale Eintorresonatorstruktur 2 angeordnet, die aus dem interdigitalen Wandler 21 sowie den Reflektoren 23 und 24 zusammengesetzt ist. Zwischen dem interdigitalen Wandler 21 und dem Reflektor 24 ist ein Kondensator 3 angeordnet, der in seiner Ausführung dem in Beispiel 1 beschriebenen Kondesator 3 entspricht.On a crystal substrate 1 LiNbO3 with the Euler angles (0 °, 38 °, 0 °) is an interdigital one-port resonator structure 2 arranged from the interdigital transducer 21 as well as the reflectors 23 and 24 is composed. Between the interdigital transducer 21 and the reflector 24 is a capacitor 3 arranged in its execution to the condenser described in Example 1 3 equivalent.

Die Deckelektrode 32 des Kondensators 3 ist über eine Verbindung 5 mit einer Sammelelektrode des interdigitalen Wandlers 21 elektrisch verbunden, und die Elektrode 31 ist über eine Verbindung 6, die Gleichspannungsquelle 7 und den ohmschen Widerstand 8 mit der jeweils anderen Sammelelektrode des interdigitalen Wandlers 21 elektrisch verbunden.The cover electrode 32 of the capacitor 3 is about a connection 5 with a collecting electrode of the interdigital transducer 21 electrically connected, and the electrode 31 is connected 6 , the DC voltage source 7 and the ohmic resistance 8th electrically connected to the respective other collecting electrode of the interdigital transducer 21.

Beispiel 3Example 3

Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf 3 und 4.This embodiment relates to 3 and 4 ,

3 zeigt einen Verbund aus zwei Zweitorresonatoren. Bei dem in der Zeichnung oben dargestellten Zweitorresonator ist auf einem Kristallsubstrat 1 aus LiNbO3 mit den Eulerwinkeln (0°, 38°, 0°) eine interdigitale Zweitorresonatorstruktur 2 angeordnet, die aus den interdigitalen Wandlern 21 und 22 sowie den Reflektoren 23 und 24 zusammengesetzt ist. Zwischen den interdigitalen Wandlern 21 und 22 ist ein Kondensator 3 angeordnet, der in seiner Ausführung dem in Beispiel 1 beschriebenen Kondensator 3 entspricht. 3 shows a composite of two two-port resonators. The two-port resonator shown in the drawing above is on a crystal substrate 1 from LiNbO3 with the Euler angles (0 °, 38 °, 0 °) an interdigital two-port resonator structure 2 arranged from the interdigital transducers 21 and 22 as well as the reflectors 23 and 24 is composed. Between the interdigital transducers 21 and 22 a capacitor 3 is arranged, which in its design the capacitor described in Example 1 3 equivalent.

Bei dem in der Zeichnung unten dargestellten anderen Zweitorresonator ist auf einem Kristallsubstrat 10 aus LiNbO3 mit den Eulerwinkeln (0°, 38°, 0°) eine interdigitale Zweitorresonatorstruktur 20 angeordnet, die aus den interdigitalen Wandlern 210 und 220 sowie den Reflektoren 230 und 240 zusammengesetzt ist.The other two-port resonator shown in the drawing below is on a crystal substrate 10 from LiNbO3 with the Euler angles (0 °, 38 °, 0 °) an interdigital two-port resonator structure 20 arranged, consisting of the interdigital transducers 210 and 220 and the reflectors 230 and 240 is composed.

Zwischen den interdigitalen Wandlern 210 und 220 ist ein Kondensator 30 angeordnet, der aus einer Elektrode 310, die als Metallschicht auf dem Substrat 10 ausgebildet und in zwei parallele Streifen 301 und 302 unterteilt ist, und einer Deckelektrode 320 zusammengesetzt ist. Der Abstand der zu den Streifenkanten parallelen Mittellinien der parallelen Streifen 301 und 302 entspricht der Länge einer Periode der interdigitalen Wandler 210 und 220.Between the interdigital transducers 210 and 220 is a capacitor 30 arranged, consisting of an electrode 310 acting as a metal layer on the substrate 10 formed and in two parallel stripes 301 and 302 is divided, and a cover electrode 320 is composed. The distance between the center lines of the parallel strips parallel to the strip edges 301 and 302 corresponds to the length of one period of the interdigital transducer 210 and 220 ,

Wie der Schnitt durch den Kondensator 30 längs einer Linie CC - DD in 4 zeigt, werden durch die elektrisch isolierenden Distanzschichten 330 und 340 die Spalte 303 und 304 zwischen den parallelen Streifen 301 und 302 der Elektrode 310 und der Deckelektrode 320 offen gehalten, wie im Schnitt durch den Kondensator 3 längs einer Linie AA - BB in 4 gezeigt wird.Like the cut through the capacitor 30 along a line CC - DD in 4 are shown by the electrically insulating spacer layers 330 and 340 the gap 303 and 304 between the parallel stripes 301 and 302 the electrode 310 and the cover electrode 320 kept open, as in section through the condenser 3 along a line AA - BB in 4 will be shown.

Die Deckelektrode 32 des Kondensators 3 ist über eine Verbindung 5 mit einer Sammelelektrode des interdigitalen Wandlers 21 elektrisch verbunden und die Deckelektrode 320 des Kondensators 30 ist über eine Verbindung 50 mit einer Sammelelektrode des interdigitalen Wandlers 210 elektrisch verbunden.The cover electrode 32 of the capacitor 3 is about a connection 5 with a collecting electrode of the interdigital transducer 21 electrically connected and the top electrode 320 of the capacitor 30 is about a connection 50 with a collecting electrode of the interdigital transducer 210 electrically connected.

Der interdigitale Wandler 21 der Zweitorresonatorstruktur 2 und der interdigitale Wandler 210 der Zweitorresonatorstruktur 20 sind über die elektrische Verbindung 6, und der interdigitale Wandler 22 der Zweitorresonatorstruktur 2 und der interdigitale Wandler 220 der Zweitorresonatorstruktur 20 sind über die elektrische Verbindung 4 miteinander verbunden. Die Verbindung der interdigitalen Wandler 22 und 220 liefert das Ausgangssignal des Oszillators an den Ausgang 60.The interdigital transducer 21 the two-port resonator structure 2 and the interdigital transducer 210 of the two-port resonator structure 20 are about the electrical connection 6 , and the interdigital transducer 22 the two-port resonator structure 2 and the interdigital transducer 220 of the two-port resonator structure 20 are about the electrical connection 4 connected with each other. The connection of the interdigital transducer 22 and 220 supplies the output signal of the oscillator to the output 60 ,

Die Elektrode 31 des Kondensators 3 der Zweitorresonatorstruktur 2 und die Elektrode 310 des Kondensators 30 der Zweitorresonatorstruktur 20 sind über die elektrische Verbindung 7 miteinander verbunden. Zwischen die elektrischen Verbindungen 6 und 7 ist eine Reihenschaltung aus einer Wechselspannungsquelle 8 und einem ohmschen Widerstand 9 eingefügt. Die Wechselspannungsquelle 8 ist eine Vorrichtung, die ihre Energie aus geernteter Energie (engl. harvesting energy) bezieht. Die Frequenz der Wechselspannungsquelle 8 ist wesentlich kleiner als die Arbeitsfrequenz des Oszillators.The electrode 31 of the capacitor 3 the two-port resonator structure 2 and the electrode 310 of the capacitor 30 the two-port resonator structure 20 are about the electrical connection 7 connected with each other. Between the electrical connections 6 and 7 is a series circuit of an AC voltage source 8th and an ohmic resistance 9 inserted. The AC voltage source 8th is a device that draws its energy from harvested energy. The frequency of the AC voltage source 8th is much smaller than the operating frequency of the oscillator.

Der Zwischenraum 250 zwischen dem Kondensator 30 und dem interdigitalen Wandler 210 in der Zweitorresonatorstruktur 20 ist um die Hälfte der Periodenlänge der interdigitalen Wandler 21, 22, 210, 220 größer als der Zwischenraum 25 zwischen dem Kondensator 3 und dem interdigitalen Wandler 21 in der Zweitorresonatorstruktur 2. Dagegen ist der Zwischenraum 260 zwischen dem Kondensator 30 und dem interdigitalen Wandler 220 in der Zweitorresonatorstruktur 20 ist um die Hälfte der Periodenlänge der interdigitalen Wandler 21, 22, 210, 220 kleiner als der Zwischenraum 26 zwischen dem Kondensator 3 und dem interdigitalen Wandler 22 in der Zweitorresonatorstruktur 2. Das hat zur Folge, dass eine Zweitorresonatorstruktur von der positiven Halbwelle der Wechselspannung und die jeweils andere Zweitorresonatorstruktur von der negativen Halbwelle der Wechselspannung angetrieben werden.The gap 250 between the capacitor 30 and the interdigital transducer 210 in the two-port resonator structure 20 is about half the period length of the interdigital transducer 21 . 22 . 210 . 220 bigger than the gap 25 between the capacitor 3 and the interdigital transducer 21 in the Zweitorresonatorstruktur 2. In contrast, the gap 260 between the capacitor 30 and the interdigital transducer 220 in the two-port resonator structure 20 is about half the period length of the interdigital transducer 21 . 22 . 210 . 220 smaller than the gap 26 between the capacitor 3 and the interdigital transducer 22 in the two-port resonator structure 2 , As a result, a two-port resonator structure is driven by the positive half-wave of the AC voltage and the other two-port resonator structure by the negative half-wave of the AC voltage.

Beispiel 4Example 4

Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf 5.This embodiment relates to 5 ,

5 zeigt einen Verbund aus zwei Eintorresonatoren. Bei dem in der Zeichnung oben dargestellten Eintorresonator ist auf einem Kristallsubstrat 1 aus LiNbO3 mit den Eulerwinkeln (0°, 38°, 0°) eine interdigitale Eintorresonatorstruktur 2 angeordnet, die aus dem interdigitalen Wandler 21 sowie den Reflektoren 23 und 24 zusammengesetzt ist. Zwischen dem interdigitalen Wandler 21 und dem Reflektor 24 ist ein Kondensator 3 angeordnet, der in seiner Ausführung dem in Beispiel 1 beschriebenen Kondensator 3 entspricht. 5 shows a combination of two one-port resonators. The one-port resonator shown in the drawing above is on a crystal substrate 1 from LiNbO3 with the Euler angles (0 °, 38 °, 0 °) an interdigital one-port resonator structure 2 arranged from the interdigital transducer 21 as well as the reflectors 23 and 24 is composed. Between the interdigital transducer 21 and the reflector 24 is a capacitor 3 arranged in its execution the capacitor described in Example 1 3 equivalent.

Bei dem in der Zeichnung unten dargestellten Eintorresonator ist auf einem Kristallsubstrat 10 aus LiNbO3 mit den Eulerwinkeln (0°, 38°, 0°) eine interdigitale Eintorresonatorstruktur 20 angeordnet, die aus dem interdigitalen Wandler 210 sowie den Reflektoren 230 und 240 zusammengesetzt ist. Zwischen dem interdigitalen Wandler 210 und dem Reflektor 240 ist ein Kondensator 30 angeordnet, der aus einer Elektrode 310, die als Metallschicht auf dem Substrat 10 ausgebildet und in zwei parallele Streifen 301 und 302 unterteilt ist, und einer Deckelektrode 320 zusammengesetzt ist. Der Abstand der zu den Streifenkanten parallelen Mittellinien der parallelen Streifen 301 und 302 entspricht der Länge einer Periode des interdigitalen Wandlers 210.In the one-port resonator shown in the drawing below, an interdigitated one-port resonator structure 20 consisting of the interdigital transducer is arranged on a crystal substrate 10 made of LiNbO 3 with the Euler angles (0 °, 38 °, 0 °) 210 as well as the reflectors 230 and 240 is composed. Between the interdigital transducer 210 and the reflector 240 is a capacitor 30 arranged, consisting of an electrode 310 acting as a metal layer on the substrate 10 formed and in two parallel stripes 301 and 302 is divided, and a cover electrode 320 is composed. The distance between the center lines of the parallel strips parallel to the strip edges 301 and 302 corresponds to the length of one period of the interdigital transducer 210 ,

Der interdigitale Wandler 21 der Eintorresonatorstruktur 2 und der interdigitale Wandler 210 der Eintorresonatorstruktur 20 sind über die elektrische Verbindung 6 und die Elektrode 31 des Kondensators 3 der Eintorresonatorstruktur 2 und die Elektrode 310 des Kondensators 30 der Eintorresonatorstruktur 20 sind über die elektrische Verbindung 7 miteinander verbunden.The interdigital transducer 21 the one-port resonator structure 2 and the interdigital transducer 210 of the one-port resonator structure 20 are about the electrical connection 6 and the electrode 31 of the capacitor 3 the one-port resonator structure 2 and the electrode 310 of the capacitor 30 the one-port resonator structure 20 are about the electrical connection 7 connected with each other.

Zwischen die elektrischen Verbindungen 6 und 7 ist eine Reihenschaltung aus einer Wechselspannungsquelle 8 und einem ohmschen Widerstand 9 eingefügt. Die Wechselspannungsquelle 8 ist eine Vorrichtung, die ihre Energie aus geernteter Energie (engl. harvesting energy) bezieht. Die Frequenz der Wechselspannungsquelle 8 ist wesentlich kleiner als die Arbeitsfrequenz des Oszillators.Between the electrical connections 6 and 7 is a series circuit of an AC voltage source 8 and a resistor 9 inserted. The AC power source 8 is a device that derives its energy from harvested energy. The frequency of the AC voltage source 8 is substantially smaller than the operating frequency of the oscillator.

Der Zwischenraum 250 zwischen dem Kondensator 30 und dem interdigitalen Wandler 210 in der Eintorresonatorstruktur 20 ist um die Hälfte der Periodenlänge der interdigitalen Wandler 21, 210 größer als der Zwischenraum 25 zwischen dem Kondensator 3 und dem interdigitalen Wandler 21 in der Eintorresonatorstruktur 2. Dagegen ist der Zwischenraum 260 zwischen dem Kondensator 30 und dem Reflektor 240 in der Eintorresonatorstruktur 20 um die Hälfte der Periodenlänge der interdigitalen Wandler 21, 210 kleiner als der Zwischenraum 26 zwischen dem Kondensator 3 und dem Reflektor 24 in der Eintorresonatorstruktur 2. Das hat zur Folge, dass eine Eintorresonatorstruktur von der positiven Halbwelle der Wechselspannung und die jeweils andere Eintorresonatorstruktur von der negativen Halbwelle der Wechselspannung angetrieben werden.The gap 250 between the capacitor 30 and the interdigital transducer 210 in the one-port resonator structure 20 is about half the period length of the interdigital transducer 21 . 210 bigger than the gap 25 between the capacitor 3 and the interdigital transducer 21 in the one-port resonator structure 2 , In contrast, the gap 260 between the capacitor 30 and the reflector 240 in the one-port resonator structure 20 by half the period length of the interdigital transducer 21 . 210 smaller than the gap 26 between the capacitor 3 and the reflector 24 in the one-port resonator structure 2 , As a result, a one-port resonator structure is driven by the positive half-wave of the AC voltage and the other one-port resonator structure by the negative half-wave of the AC voltage.

Beispiel 5Example 5

Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf 6.This embodiment relates to 6 ,

Auf einem Kristallsubstrat 1 aus LiNbO3 mit den Eulerwinkeln (0°, 38°, 0°) ist eine interdigitale Verzögerungsleitungsstruktur 2 angeordnet, die aus den interdigitalen Wandlern 21 und 22 zusammengesetzt ist. Zwischen den interdigitalen Wandlern 21 und 22 ist ein Kondensator 3 angeordnet, der in seiner Ausführung dem in Beispiel 1 beschriebenen Kondensator 3 entspricht.On a crystal substrate 1 LiNbO3 with the Euler angles (0 °, 38 °, 0 °) is an interdigital delay line structure 2 arranged, which is composed of the interdigital transducers 21 and 22. Between the interdigital transducers 21 and 22 is a capacitor 3 arranged in its execution the capacitor described in Example 1 3 equivalent.

Claims

An acoustoelectric oscillator based on acoustic waves guided on surfaces, comprising in an electrical circuit at least one component having at least one interdigital transducer (21, 22, 210, 220) on a piezoelectric substrate (1, 10), the electrical circuit detecting the loss of the Compensates components of vibration energy, characterized in that one of the interdigital transducer (21, 22, 210, 220) with at least one capacitor (3,30) forms a composite, designed as a circuit which the interdigital transducer (21, 22, 210, 220), the capacitor (3, 30) and a voltage source (7, 8), the capacitor (3, 30) comprising at least one electrode (31, 310) on the substrate surface and a cover electrode (32, 320) and a Gap (303, 304, 313, 314) between the electrode (31, 310) on the substrate surface and the cover electrode (32, 320) and the crystal section of the substrate (1, 10) and the direction of the prongs de r interdigital transducers (21, 22, 210, 220) are selected such that at least one of the guided acoustic waves contains a particle displacement component perpendicular to the surface of the substrate (1, 10).

Acoustoelectric oscillator after Claim 1 , characterized in that the device, based on guided on surfaces acoustic waves, a resonator, wherein at least one interdigital transducer (21, 22, 210, 220) between two reflectors (23, 24, 230, 240) is arranged.

Acoustoelectric oscillator after Claim 1 , characterized in that the device is a delay line based on surface acoustic waves, including two interdigital transducers (21, 22, 210, 220).

Acoustoelectric oscillator after Claim 1 , characterized in that an impedance (9) is connected in series with the voltage source (7, 8).

Acoustoelectric oscillator after Claim 1 , characterized in that a series circuit of a voltage source (7, 8) and an impedance (9) is connected in parallel to the composite.

Acoustoelectric oscillator after Claim 1 , characterized in that the thickness of the substrate (1, 10) is selected so that only at the top of the substrate (1, 10) a significant wave motion in the form of a surface wave is present.

Acoustoelectric oscillator after Claim 1 , characterized in that the thickness of the substrate (1, 10) is selected so that both at the top and at the bottom of the substrate (1, 10) a significant wave motion in the form of plate waves is present.

Acoustoelectric oscillator after Claim 1 and 5 , characterized in that in the composite consisting of the interdigital transducer (21, 22, 210, 220) and the capacitor (3, 30) one of the collecting electrodes of the interdigital transducer (21, 22, 210, 220) to the electrode of the Capacitor (3, 30) is connected to the substrate surface and the other collecting electrode with the cover electrode (32, 320) of the capacitor (3, 30) via the voltage source (7, 8) and the impedance (9) is electrically connected.

Acoustoelectric oscillator after Claim 2 , characterized in that two interdigital transducers (21, 22, 210, 220) between the reflectors (23, 24, 230, 240) are arranged so that the resonators are two-port resonators (2, 20).

Acoustoelectric oscillator after Claim 2 , characterized in that an interdigital transducer (21, 22, 210, 220) is arranged between the reflectors (23, 24, 230, 240) so that the resonators are one-port resonators (2, 20).

Acoustoelectric oscillator after Claim 1 , characterized in that the capacitor (3, 30) between a reflector (23, 24, 230, 240) and an interdigital transducer (21, 22, 210, 220) is arranged.

Acoustoelectric oscillator after Claim 1 , characterized in that the capacitor (3, 30) is arranged between the interdigital transducers (21, 22, 210, 220).

Acoustoelectric oscillator after Claim 1 , characterized in that the electrode of the capacitor (3, 30) on the substrate surface consists of at least one strip (301, 302, 311, 312) whose edges are parallel to the prongs of the at least one interdigital transducer (21, 22, 210, 220) are aligned.

Acoustoelectric oscillator after Claim 11 , characterized in that the spacing of the centers of the strips (301, 302, 311, 312) of the electrode of the capacitor (3, 30) on the substrate surface is an even multiple of the spacing of the tine centers of the interdigital transducers (21, 22, 210, 220 ) is.

Acoustoelectric oscillator after Claim 1 , characterized in that only a single composite consisting of interdigital transducer (21, 22, 210, 220), capacitor (3, 30) and voltage source (7, 8) is present.

Acoustoelectric oscillator after Claim 1 and 4 or 1 and 5 , characterized in that at least two composites each consisting of an interdigital transducer (21, 22, 210, 220) and a capacitor (3, 30) are provided, wherein a series circuit of the voltage source (7, 8) and the impedance (9 ) are connected in parallel to these connections.

Acoustoelectric oscillator after Claim 1 , characterized in that the voltage source is a DC voltage source (7).

Acoustoelectric oscillator after Claim 1 , characterized in that the voltage source is an AC voltage source (8) which draws its energy from harvested energy.

Acoustoelectric oscillator after Claim 1 , characterized in that the frequency of the AC voltage is substantially smaller than the operating frequency of the acoustoelectric oscillator.

Acoustoelectric oscillator after Claim 4 or 5 , characterized in that the impedance (9) is an ohmic resistance.

Acoustoelectric oscillator after Claim 20 , characterized in that the impedance (9) is the internal resistance of the voltage source (7, 8).