DE19822501A1 - Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes akustoelektronisches Bauelement - Google Patents

Abstract

Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes elektronisches Bauelement mit elektrischer Spannungssteuerung der Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit bzw. der Laufzeit zwischen Wandlern. Erfindungsgemäß ist eine solche Beeinflussung der Welle mit inhomogenem elektrischem Feld vorgesehen erzielt, die zu dämpfungsarmen Ausgangssignalen eines Funksensors führt. Anwendung: elektrische Spannungsmessung mit Funksensor.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mit akusti­ schen Oberflächenwellen arbeitendes akusto-elektronisches Bauelement, bei dem eine in einem piezoelektrischen Substrat geführte akustische Oberflächenwelle mit einem Elektronensy­ stem in Wechselwirkung tritt, das auf dem Substrat im Bereich der Laufstrecke der akustischen Oberflächenwelle angeordnet ist. Dieses Elektronensystem ist als in seiner elektrischen Leitfähigkeit durch Feldeffektwirkung abstimmbarer Elektro­ nenkanal ausgebildet.

In der DE-A-196 22 013 ist ein wie voranstehend kurz umrissen beschriebenes akustisches Oberflächenwellenelement beschrie­ ben, das die folgenden Merkmale aufweist:
Ein piezoelektrisches Substrat, auf dessen Oberfläche im Regelfall zwei einander in einem Abstand voneinander gegen­ überliegend positionierte elektro-akustische Wandler vorgese­ hen sind, zwischen denen eine im einen Wandler erzeugte und vom anderen Wandler empfangene Oberflächenwelle verlaufen kann,
eine auf der Oberfläche des Substrats aufgebrachte Halb­ leiterstruktur, die wenigstens einen Anteil der Laufstrecke der Oberflächenwelle zwischen den zwei Wandlern bedeckt,
einen in der Halbleiterstruktur ausgebildeten Elektro­ nenkanal, der Ohm'sche Kontaktanschlüsse hat, und
eine Feldelektrode, die das Elektronensystem im Bereich des Elektronenkanals bedeckt.

Bei einem solchen Bauelement kann durch bekanntermaßen vorge­ sehene Beeinflussung der Ladungsträger im Elektronensystem der Halbleiterstruktur erreicht werden, daß die mit diesem Elektronensystem in Wechselwirkung tretende Oberflächenwelle eine Beeinflussung dahingehend erfährt, daß die Ausbreitungs­ geschwindigkeit dieser Oberflächenwelle zwischen den Wandlern veränderbar ist, und zwar gesteuert durch an die Feldelektro­ de angelegtes Potential, das das Vorhandensein einer elektri­ schen Spannung in der Halbleiterstruktur bewirkt. Das Feld dieser elektrischen Spannung in der Halbleiterstruktur be­ wirkt nämlich eine steuerbare Höhe der Ladungsträgerdichte im Material der Halbleiterstruktur, wobei diese Ladungsträger die bereits erwähnte geschwindigkeitssteuernde Einwirkung auf die akustische Welle im piezoelektrischen Substrat haben.

Noch weitere Auskünfte zu einem wie hier einschlägigen aku­ sto-elektronischen Bauelement vermag der Fachmann aus 1995, IEEE Ultrasonics Symposium, S. 401-404 zu entnehmen. Insbe­ sondere sind dort noch weitergehend Einzelheiten zu dem ver­ wendeten Elektronensystem der Halbleiterstruktur, zur techno­ logischen Herstellung dieser Halbleiterstruktur und Kurven­ diagramme zum Maß der feldinduzierten elektrischen Steuerbar­ keit der Geschwindigkeit und der damit verbundenen Dämpfung der akustischen Oberflächenwelle angegeben.

Aufgrund des Inhalts dieser genannten Druckschriften bedarf es hier keiner Wiederholung von den Fachmann belehrenden An­ gaben zum Nacharbeiten eines soweit bekannten Ausführungsbei­ spiels, und zwar weder zum prinzipiellen physikalischen Funk­ tionsprinzip als auch zu technologischen Maßnahmen, wie das Oberflächenwellenelement mit seinem Substrat und seinen Wand­ lern hergestellt wird und aufgebaut ist und wie die Halblei­ terstruktur als sogenannte ELO-Schicht (epitaxial lift-off technique) oder mit MBE-Technologie (molecular beam epitaxy) hergestellt wird. Diesen Druckschriften sind insoweit auch die für die Nacharbeitbarkeit der Erfindung notwendigen Anga­ ben über zu verwendende Materialien zu entnehmen.

In einem einschlägigen mit akustischen Oberflächenwellen ar­ beitenden Bauelement mit Beeinflussung der Ausbreitungsge­ schwindigkeit der Oberflächenwelle im Substrat, wobei diese Beeinflussung von einem steuerbaren Elektronensystem der er­ wähnten Halbleiterstruktur ausgeht, erfährt die Oberflächen­ welle in Anordnungen des Standes der Technik auch eine we­ sentliche, elektrisch bewirkte Dämpfung und zusätzlich eine mechanisch bewirkte Dämpfung, letztere durch das bloße Vor­ handensein der Halbleiterstruktur auf der Oberfläche des Substrats im Bereich des Ausbreitungsweges der Oberflächen­ welle zwischen den Wandlern.

Der Vollständigkeit halber sei noch darauf hingewiesen, daß in der technischen Verwendung eines hier einschlägigen Ober­ flächenelements die Geschwindigkeitssteuerung der Oberflä­ chenwelle in der Regel als Phasenverschiebung eines mit einem solchen Bauelement zu verarbeitenden elektrischen Hochfre­ quenzsignals und/oder für spannungsgesteuerte Oszillatoren bevorzugt zu verwenden ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese bekannte elektrisch bewirkte Dämpfung im Ergebnis für die Oberflächen­ welle zu minimieren und (als Aufgabe einer Weiterbildung) auch die mechanisch bewirkte Dämpfung wenigstens weitgehend zu eliminieren.

Diese Aufgabe(n) werden mit den Maßnahmen gemäß dem Patentan­ spruch 1 und in Weiterbildung mit zusätzlich den Maßnahmen von Unteransprüchen gelöst.

Entgegen allen bekannten Ausführungen eines wie hier ein­ schlägigen Oberflächenwellen-Bauelements ist bei der Erfin­ dung prinzipiell vorgesehen, daß das feldeffekt-wirksame steuernde Feldeffekt-Feld über eine (beeinflußte) Wegstrecke (x-Achse) der Oberflächenwelle zwischen ihren Wandlern hinweg erfindungsgemäß nicht-homogen, und zwar mit Gradienten behaf­ tet, ist. Entlang der Ausbreitungsstrecke der Oberflächenwel­ le (zwischen den Wandlern) weist dieses Feldeffekt-Feld sol­ che(n) Gradienten in Richtung zwischen diesen Wandlern auf. Gegebenenfalls ist dieser Gradient kein homogener Gradient, wie dies insgesamt noch besser aus den noch nachfolgend zu beschreibenden Ausführungsbeispielen zur Erfindung zu erken­ nen und zu verstehen ist.

Fig. 1 zeigt das Prinzip der Erfindung, dem entsprechend die auf der Substratoberfläche befindliche Halbleiterstruktur ge­ mäß dem angelegten Feld des Feldeffekts auf die Ausbreitung der Oberflächenwelle der Oberfläche des Substrats wirksam ist.

Fig. 2 zeigt zur Fig. 1 ein Schaltbild der anzuschließenden elektrischen Potentiale bzw. Spannungen einer ersten Ausfüh­ rung.

Fig. 3 und 3a zeigen Geschwindigkeitsdiagramme.

Fig. 4 zeigt zur Fig. 1 ein Schaltbild der anzuschließenden elektrischen Potentiale bzw. Spannungen einer zweiten Ausfüh­ rung.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm vergleichsweise Fig. 3.

Fig. 7 zeigt eine noch weitere Ausführungsform.

Fig. 8 zeigt eine noch weitere Ausführungsform mit zusätz­ lich minimierter mechanischer Dämpfung.

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform mit fokussierter Welle.

In Fig. 1 ist mit 10 das piezoelektrische Substrat aus z. B. Lithiumniobat oder anderen für Oberflächenwellen-Bauelemente einschlägig bekannten piezoelektrischen Materialien bezeich­ net. Mit 20 ist die auf dem Substrat 10 auf dessen Oberfläche 11 in an sich bekannter Weise und prinzipiell bekannter Aus­ führung aufgebrachte Halbleiterstruktur bezeichnet. In der Richtung Y weist diese Halbleiterstruktur 20 eine wie aus dem Stand der Technik (DE-A-196 22 013, Fig. 3; die Richtung Y der Fig. 2 ist dort die Waagerechte der Fig. 3) bekannte (hier nicht dargestellte) Schichtstruktur auf, die zu einem Poten­ tialtopf bekannter Art führt. Aufgrund dieser Schichtung weist die Halbleiterstruktur 20 ein bekanntes feldeffekt-steuer­ bares quasi-zweidimensionales Elektronengas in einer Schicht 21 auf.

Oberhalb und unterhalb dieser Schicht 21 ist die Halbleiter­ struktur 20 elektrisch schlecht leitend oder gar isolierend. Bedeckt ist diese Halbleiterstruktur 20 durch eine üblicher­ weise als Feldelektrode 30 bezeichnete Metallschicht.

Mit 12 sind zwei Wandler bezeichnet, die in bekannter Weise ausgeführt sind und dazu dienen, eine mit 13 angedeutete Oberflächenwelle im Wandler 12 ₁ zu erzeugen und im Wandler 12 ₂ zu empfangen. Dies bedeutet, daß die Ausbreitungsrichtung der Welle entsprechend dem Pfeil 14 vorliegt. Wie ersicht­ lich, läuft diese Oberflächenwelle 13 in der Oberfläche des Substrats 10 unter der Halbleiterstruktur 20 hindurch und wird, angelehnt an das bekannte Prinzip, bei der Erfindung in noch zu beschreibender Weise erfindungsgemäß beeinflußt, näm­ lich durch einen Feldeffekt hinsichtlich der Ausbreitungsge­ schwindigkeit v(x) (in der Richtung 14) bzw. der Laufzeit ge­ steuert. Verlängerung oder Verkürzung der Laufzeit zwischen den fest positionierten Wandlern 12 führt zu entsprechender Phasenverschiebung des im Wandler 122 empfangenen Signals, vergleichsweise zu unbeeinflußter Geschwindigkeit der Ober­ flächenwelle zwischen den beiden Wandlern.

Fig. 2 zeigt ein erstes Schaltschema zu einer Anordnung nach Fig. 1. Die Bezugszeichen der Fig. 1 gelten auch für die Fig. 2 (und die übrigen Figuren). Mit 31 und 32 sind zwei Anschlüsse an die Feldeffektelektrode 30 bezeichnet, die auch in der Fig. 1 angedeutet, dort aber (noch) nicht beschaltet sind. Über die Anschlüsse 31 und 32 wird an die Elektroden 131 und 132 (siehe auch Fig. 1) der Feldeffektelektrode 30 eine elektrische Spannung angelegt, die zu einem Stromfluß in der Feldeffektelektrode 30 parallel der Richtung x zwischen diesen Elektroden 131 und 132 führt. Dies ergibt zwischen diesen Elektroden über die Feldeffektelektrode 30 hinweg eine einen monotonen Gradienten aufweisende inhomogene Potential­ verteilung (gegenüber der mit der Elektrode 41 auf einem fe­ sten Potential gehaltenen Schicht 21 des quasi-zwei­ dimensionalen Elektronengases in der Halbleiterstruktur 20). Die Höhenlage dieser Potentialverteilung ergibt sich aus den an den Elektroden 131 und 132 anliegenden Potentialen der (steuernden) Spannungen Ug1 und Ug2. Für die Feldeffektelek­ trode 30 ist ein Material ausgewählt, das einen solchen spe­ zifischen elektrischen Widerstand hat, daß bei voneinander verschieden hohen Spannungen Ug1 und Ug2 der Spannungsabfall Ug1-Ug2 sich in der Feldeffektelektrode 30 zwischen den An­ schlüssen 31 und 32 aufbauen kann. Gegebenenfalls sind dazu die in Fig. 1 gezeigten Elektroden 131 und 132 zur (in Rich­ tung z) lateral möglichst gleichmäßigen Stromverteilung aus­ gebildet.

Das Spannungsgefälle in Richtung x bzw. die entsprechende in­ homogene gradientenbehaftete Potentialverteilung parallel zur Richtung 14 der Oberflächenwelle ist erfindungswesentlich. Bei gleichmäßigem Ohm'schen Widerstand (des Materials) der Feldeffektelektrode ergibt sich ein entsprechend kontinuier­ licher Potentialabfall in der x-Richtung. Soweit erwünscht, kann durch entsprechende Wahl des Materials und/oder der Dic­ ke örtlich unterschiedlicher elektrischer Widerstand inner­ halb der Feldeffektelektrode, in x-Richtung verteilt, vorge­ sehen sein.

Der elektrische Anschluß an die Schicht 21 der Halbleiter­ struktur 20 ist mit 41 bezeichnet und kann als in die Halb­ leiterstruktur eindiffundierter Anschluß ausgeführt sein. Mit dem wie in Fig. 2 gezeigten elektrischen Anschluß 141 der Elektrode 41 erhält die Schicht 21 ein festes Potential ge­ genüber den in der Feldeffektelektrode 30 in Richtung x in Streifenabschnitten δx auftretenden verschieden hohen Poten­ tialen.

Die Fig. 3 zeigt ein Diagramm mit zwei durch entsprechende Wahl der Potentiale an den Elektroden 131 und 132 zu errei­ chende/sich einstellende (voneinander verschiedene) Geschwin­ digkeitsverteilungen 113, 113' einer jeweiligen Oberflächen­ welle 13, die (siehe Fig. 1) unterhalb der Halbleiterstruk­ tur 20 in x-Richtung (= Richtung 14) in der Substratoberflä­ che vom Wandler 12 ₁ zum Wandler 12 ₂ verläuft. Der Weg der Welle ist auf der x-Achse des Diagramms der Fig. 3 angege­ ben. Die linke Abszisse des Diagramms gibt die Geschwindig­ keit v(x) an. Mit v1 ist in dem Diagramm der Fig. 3 zusätz­ lich diejenige Geschwindigkeit der Oberflächenwelle unterhalb der Halbleiterstruktur 20 aufgetragen, die sich ergibt, wenn die Schicht 21 der Halbleiterstruktur 20 infolge der Feldef­ fekt-Steuerung maximale Ladungsträgerverarmung aufweist. Die Geschwindigkeit v2 ergibt sich dagegen, wenn die Schicht 21 maximale Ladungsträgeranreicherung aufweist, die ebenfalls mittels der Feldeffektsteuerung (mit nach dem Stand der Tech­ nik homogenem Feldeffektpotential) einstellbar ist.

Im Stand der Technik ist bisher stets so verfahren worden, daß eine wie in Fig. 3a gezeigte Geschwindigkeitssteuerung mit einem solchen homogenen Feldeffektpotential Φ erfolgt ist, bei der wie in Fig. 3a eingetragene Geschwindigkeiten v10, v11, v12 usw. zwischen den Geschwindigkeits-Extremwerten v1 und v2 eingestellt wurden, wobei - und das ist wesent­ lich - diese eingestellten Geschwindigkeiten v10, v11, . . . über den Weg x der Oberflächenwelle, und zwar wegen in der Schicht 21 eingestellten homogenen Potentials vom Weg x unabhängig kostant sind. Auf der rechten Abszisse der Fig. 3a sind dazu jeweilige konstante Potentiale Φ10, Φ11, . . . aufgetragen.

Ersichtlich unterscheidet sich die Erfindung ganz wesentlich vom Stand der Technik (Fig. 3a), indem mit der Erfindung wegabhängig x unterschiedlicher Geschwindigkeitsverlauf 113 bzw. 113' erzeugt wird. Aus Fig. 3 ist auch zu ersehen, daß die Welle mit dem Geschwindigkeitsverlauf 113 gegenüber einer Welle mit dem Geschwindigkeitsverlauf 113' eine durch jewei­ lige Wahl des Potentialverlaufs und der Potentialhöhe kürzere Laufzeit hat. Andererseits ist die Laufzeit einer Welle ent­ sprechend der Kurve 113 (113') steuerbar länger als eine Wel­ le mit der Geschwindigkeit v1 und kürzer als eine mit der Ge­ schwindigkeit v2. Mit der Erfindung können also alle Laufzei­ ten zwischen der maximalen (= konstant v2) und der minimalen (= konstant v1) Laufzeit eingestellt werden.

In Fig. 3 sind zu den Kurven 113, 113' auch Geraden 130, 130' der jeweils zugehörigen zwei linearen inhomogenen Poten­ tialverteilungen Φ113 und Φ113' eingetragen, bezogen auf die rechte Ordinate Φ. Die beiden unterschiedlich schräg verlau­ fenden Neigungen der zwei dargestellten geradlinigen Poten­ tialverteilungen und die in der Richtung x seitliche Ver­ schiebung dieser Geraden zueinander ergeben sich aus wählbar unterschiedlich großer Differenz Ug1-Ug2 und aus unter­ schiedlicher Höhe der absoluten Höhe der an den Elektroden 131 und 132 anliegenden Potentiale. Mit dieser Variabilität von Potential und Potentialdifferenz ist es erfindungsgemäß möglich, den dargestellten steilen Abfall des Geschwindig­ keitsverlaufs der Kurven 113 und 113' zu bewirken und in x-Richtung zu verschieben (und im übrigen die Welle mit Ge­ schwindigkeiten nahe den Werten v1 und v2 über größere Weg­ streckenabschnitte des Gesamtweges der Oberflächenwelle 13 verlaufen lassen zu können). Anstelle eines wie in Fig. 3 gezeigten und berücksichtigten Abfalls des Potentials kann (durch Vertauschen von Ug1 und Ug2) auch ein ansteigendes Po­ tential vorgesehen sein, ohne daß sich am erfindungsgemäßen Prinzip etwas ändert.

Mit dem insbesondere mit Fig. 3 dargestellten Prinzip der Erfindung, realisiert durch die inhomogene Potentialvertei­ lung in der Halbleiterstruktur 20, ist ein wesentlicher tech­ nischer Vorteil verbunden. Eine Oberflächenwelle, die mit der Geschwindigkeit v1 oder v2 oder mit einer von diesen Ge­ schwindigkeiten nicht wesentlich verschiedenen Fortpflan­ zungsgeschwindigkeit unterhalb der Halbleiterstruktur 20 ver­ läuft, erfährt eine relativ geringe elektrische Dämpfung, nämlich vergleichsweise zu einer Oberflächenwelle, mit einer Geschwindigkeit im mittleren Bereich zwischen diesen beiden Geschwindigkeiten v1 und v2. In den Fig. 3 und 3a ist mit einer Schraffur ein Bereich angedeutet, in dem eine mit in diesem Bereich verlaufende Geschwindigkeit verlaufende Ober­ flächenwelle relativ hohe elektrische Dämpfung erfährt. Zu den Geschwindigkeiten v1 und v2 hin nimmt diese hohe Dämpfung jeweils sehr stark bis auf nahe auf Null ab.

Steuert man gemäß Fig. 3a wie im Stand der Technik die Ge­ schwindigkeit der Oberflächenwelle über diesen Bereich hoher Dämpfung hinweggehend aus, so geht mit einer solchen Ge­ schwindigkeitssteuerung eine erhebliche veränderliche Dämp­ fung der Oberflächenwelle einher. Bei der Erfindung - siehe Fig. 3 - dagegen kommen Wellen der Geschwindigkeitsverläufe 113 und 113' nur über die relativ kurzen Wegstrecken Δx bzw. Δx' in einen solchen mittleren Geschwindigkeitsbereich, in dem die Welle mit hoher Dämpfung belastet ist. Aus der Dar­ stellung der Fig. 3 ist phänomenologisch - und zwar mit der Kenntnis der voranstehenden Beschreibung der Erfindung - die­ ser Vorteil der Erfindung zu erkennen. Hinzu kommt, daß für die beiden dargestellten Geschwindigkeitsverläufe 113 und 113' (und ebenso für weitere parallel verschobene, erfin­ dungsgemäß einstellbare Geschwindigkeitsverläufe stets in et­ wa ein gleich großer erhöhter Dämpfungsanteil in Betracht, da die Wegstrecken Δx, Δx', . . . im Bereich erhöhter Dämpfung für alle einstellbaren Geschwindigkeitsverläufe angenähert einheitlich gleich groß sind. Bei erfindungsgemäßer Durch­ steuerung der Laufzeitverschiebung der Oberflächenwelle liegt also nicht nur lediglich geringe Dämpfung sondern außerdem auch (im wesentlichen) gleichbleibend geringe Dämpfung vor.

Die Fig. 4 zeigt vergleichsweise zur Fig. 2 eine sozusagen inverse Schaltung dahingehend, daß mittels der beiden Elek­ troden 41 und 42 der Schicht 21 in dieser Schicht 21 ein Spannungsabfall U_sd (vergleichsweise zum Spannungsabfall Ug1-Ug2) auftritt, und die gesamte Feldeffektelektrode 30 auf ei­ nem Potential entsprechend der Spannung Ug gehalten wird. Der zu Fig. 2 beschriebene Spannungsabfall tritt bei der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 4 somit in der Schicht 21 zwischen den Elektroden 41 und 42 auf. Auf die Welle 13 hat dies in Fig. 4 prinzipiell dieselbe Wirkung, wie sie bereits zur Fig. 2 ausführlich beschrieben ist. Auch die Fig. 3 gilt für das Ausführungsbeispiel der Fig. 4. Ebenso erreicht man mit der Ausführungsform nach Fig. 4 den Vorteil minimierter Dämpfung der Oberflächenwelle 13, wie dies bereits zur Fig. 3 ausge­ führt ist.

Entscheidender Unterschied der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ist die auch hier in Richtung der Ausbreitung 14 der Welle 13 inhomogene Potentialverteilung innerhalb der Halbleiterstruktur 20 bzw. deren Schicht 21.

Die Fig. 5 zeigt ein Schaltungsschema, das die Feldeffekte­ lektrode 30 der Fig. 1 in mehrere, vorzugsweise mindestens vier einzelne (voneinander isolierte, gleich lange oder auch unterschiedlich lang gewählte) Feldeffektelektroden 30 ₁ bis 30 ₄ aufgeteilt vorsieht. Wie dargestellt, liegen an diesen einzelnen Feldeffektelektroden 30 ₁ bis 30 ₄ die Potentiale bzw. Spannungen Ug1 bis Ug4 an. Die Anzahl "4" der Aufteilung ist eine bevorzugte Mindestanzahl und es kann auch eine noch feinere Aufteilung vorgesehen sein. Mit nur zweifach geteil­ ter Feldeffektelektrode ist ein kontinuierliches Durchstimmen des Geschwindigkeitsbereichs von wenigstens nahezu v1 bis we­ nigstens nahezu v2, und zwar insbesondere im mittleren Ge­ schwindigkeitsbereich, nur mit Inkaufnahme höherer bzw. wech­ selnd großer elektrischer Dämpfung der Welle möglich. Mit vier (oder noch mehreren) Feldeffektelektroden 30 ₁ bis 30 ₄ ist dagegen ein solches Durchstimmen möglich, bei dem der Bereich höher Dämpfung (schraffiert in Fig. 6), wie in Fig. 6 (und Fig. 3) gezeigt, auf kurzer Wegstrecke Δx durchfahren werden kann. Hierzu ist die jeweilige Länge (in x-Richtung) der ein­ zelnen Elektroden 30 ₁, 30 ₂, . . . auszuwählen und konstruktiv vorzusehen, und es sind zum Durchstimmen an diese die ent­ sprechend unterschiedlich gewählten Potential Φ1, Φ2, . . . (gegenüber der Schicht 21 bzw. deren Anschluß 41) bzw. Span­ nungen Ug1, Ug2, . . . (vorzugsweise monoton abnehmend oder zu­ nehmend) anzulegen.

Fig. 7 zeigt eine wie dargestellt stufenförmig ausgebildete Elektrodenstruktur 20' mit diesen Stufen angepaßter Feldelek­ trode 30'. Mit der Kenntnis der voranstehend Ausführung er­ kennt der Fachmann, daß eine derartige Ausführung wiederum zu einer inhomogenen, abgestuften Potentialverteilung in der Schicht 21 führt und dies wiederum zu Verhältnissen führt, bei denen (wie bei allen voranstehenden Beispielen) über die Wegstrecke x der Oberflächenwelle 13 unterhalb der Elektro­ denstruktur sich (hier stufig) inhomogenes Potential mit dem Ergebnis entsprechender Geschwindigkeitsbeeinflussung (siehe auch Fig. 6) der Welle ergibt. Die Ausführungsform der Fig. 7 hat den Vorteil, daß nur eine Steuerspannung Ug an die An­ ordnung mit stufenförmiger Halbleiterstruktur (gegenüber der Schicht 21) anzuschließen ist. Der Verlauf des stufigen Gra­ dienten ist jedoch konstruktiv festgelegt und der durchstimm­ bare Geschwindigkeitsbereich (Laufzeitbereich) ggfs. enger begrenzt.

Weiterer Vorteil der Ausführungsformen nach Fig. 5 und 7 ist, daß kein in der Feldelektrode oder der Schicht 21 flie­ ßender elektrischer Strom vorliegt, diese Anordnungen also insoweit leistungsfrei zu betreiben sind.

Fig. 8 zeigt eine ganz besondere Ausführungsform der Erfin­ dung, die nicht nur wie die Ausführungsformen der Fig. 1 bis 7 minimierte elektrische Dämpfung hat, sondern die außer­ dem auch praktisch frei von mechanischer Dämpfung der Welle 13, die ansonsten durch das Vorhandensein der bei diesen vor­ anstehenden Ausführungsformen auf der Oberfläche des Substrats im Bereich der Ausbreitung der Welle 13 aufliegen­ den Halbleiterstruktur hervorgerufen ist.

Die Fig. 8 zeigt (im Gegensatz zu den Seitenansichten der Fig. 1 bis 7, eine Aufsicht, d. h. eine Ansicht in y-Richtung der Fig. 1. Mit 10 ist wiederum das Substrat und mit 12 und 13 sind die Wandler und die Oberflächenwelle in Richtung x bezeichnet. Mit 81 ist eine Streifenstruktur nach Art eines λ/8-Splitfingergitters bezeichnet. Es ist dies ein für die Welle 13 reflexionsfreies Gitter. Mit 181 und 281 sind seitliche Verlängerungen dieser Splitfinger bezeichnet, die zur Vermeidung eines Multistrip-Koppler-Effekts außerhalb des Ausbreitungsbereichs der Welle 13 vorzugsweise abgeknickt ausgeführt sind (wie dies die Figur zeigt). Mit 120 und 220 sind Halbleiterstrukturen bezeichnet, die nach Art und Aufbau gleich der beschriebenen Halbleiterstruktur 20 sind. Sie sind aber bei der Ausführungsform nach Fig. 8 außerhalb des Aus­ breitungsbereichs der Welle 13 positioniert. Diese Halblei­ terstrukturen 120, 220 bedecken die jeweiligen Anteile 181, 281 der Splitfingerstruktur 81, nämlich wie dies die Figur zeigt. Auf der in der Aufsicht der Fig. 8 oberen Oberfläche der jeweiligen Halbleiterstruktur 120, 220 ist eine jeweilige Feldeffektelektrode 30 aufgebracht. Mit 231 und 232 sind An­ schlußkontakte für die beiden Feldeffektelektroden 30 be­ zeichnet. An diese Anschlüsse werden die elektrischen Poten­ tiale Ug1 und Ug2 wie dargestellt angelegt, die wie zur Fig. 2 beschrieben zu elektrischem Stromfluß in der Feldeffekt­ elektrode parallel der Richtung x führen. Der Feldeffekt wirkt sinngemäß wie zur Fig. 2 beschrieben auf die Anteile 181 bzw. 281 und wirkt in dieser Weise im Bereich des Splitfin­ gergitters 81 oberhalb der verlaufenden Oberflächenwelle 13. Damit ist bei der Ausführungsform nach Fig. 8 erreicht, daß wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2 auf die Oberflächen­ welle 13 ein inhomogenes Potential entlang des Weges der Wel­ le 13 zwischen den Wandlern 12 einwirkt. Dies ist bei der Ausführungsform nach Fig. 8 jedoch erreicht, ohne daß dieser Bereich der Welle 13 mit mehr als nur diesem Splitfingergit­ ter bedeckt ist, das auf die Welle 13 praktisch keinerlei me­ chanische Dämpfung ausübt. Wohl aber tritt, wie zur Fig. 2 beschrieben, die Feldeffekt-Einwirkung auf die Welle 13 ein, und zwar mit dem zur Fig. 3 beschriebenen Ergebnis der Ge­ schwindigkeits-/Laufzeit-Steuerung.

Die Halbleiterstrukturen 120, 220 können bei einer Anordnung nach Fig. 8 jedoch auch wie zur Fig. 4 beschrieben ausge­ staltet und beschaltet sein, und zwar dies mit dem zur Aus­ führungsform nach Fig. 4 angegebenen Ergebnis, jedoch hier dann mit zusätzlich den Maßnahmen nach Fig. 8 vorteilhafter­ weise ohne die bei der Ausführungsform nach Fig. 4 dort zwangsläufig auftretende mechanische Dämpfung der Welle. Die Maßnahmen des Prinzips der Fig. 8 können sinngemäß auch bei Ausführungen nach den Fig. 5 und 7 zusätzlich vorgesehen sein, wiederum mit dem Ergebnis der Vermeidung mechanischer Dämpfung der Welle (durch die dort aufliegende Halbleiter­ struktur 20).

Fig. 9 zeigt ein Prinzipbild, bei dem, abweichend von der Fig. 1, besondere Wandler 112 verwendet worden sind, nämlich solche mit fokussierender Eigenschaft. Solche fokussierenden Wandler können für alle voranstehend beschriebenen Ausfüh­ rungsformen der Erfindung verwendet werden. Der Vorteil die­ ser fokussierenden Wandler ist, daß damit die akustische In­ tensität im Bereich der erfindungsgemäßen Feldeffektsteuerung erhöht werden kann, womit die elektrische Dämpfung der Welle zusätzlich abgesenkt werden kann. Bei Ausführungen der Fig. 1, 2, 4, 5 und 7 kann die Halbleiterstruktur 20 zusätz­ lich als Wellenleiter ausgeführt sein und dienen.

Die beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können be­ züglich der Laufrichtung 14 der Welle 13 auch mit entgegenge­ setzter Laufrichtung der Welle betrieben werden.

Ein erfindungsgemäßes Bauelement kann in vielfältiger Weise in der Technik verwendet werden. Hierbei ist die Anwendung der Erfindung gerade für die erwähnten Funksensoren von ganz besonderer Bedeutung und vorteilhaft, weil für Funksensoren die oben beschriebene, mit der Erfindung erzielbare Minimie­ rung der Dämpfung besonders wichtig ist.

Eine Verwendung ist die direkte Spannungsmessung. Gegeben sei ein Raum mit einem elektrischen Potentialgefälle. In diesen wird eine Sonde, es sind dies z. B. zwei Kondensatorplatten, eingebracht, die eine elektrische Spannung liefert. Diese Spannung wird an die Feldeffektelektrode 30 (Ausführungsform der Fig. 2) oder direkt an die Halbleiterstruktur (Elektroden 41 und 42) angelegt. Mit dieser elektrischen Spannung wird, wie oben zur Erfindung beschrieben, die Ge­ schwindigkeit/Laufzeit der Oberflächenwelle 13 beeinflußt. Auf diese Weise lassen sich sowohl Hochspannungen, z. B. in Hochspannungsleitungssystemen, als auch kleinste Spannungen, wie sie bei Elektrosmog auftreten, messen. Bei hohen Feld­ stärken kann u. U. bereits die Dicke der Halbleiterstruktur ausreichend sein, um Feldstärken zu messen.

Die mit dem erfindungsgemäßen Bauelement gemessene elektri­ sche Spannung tritt auf als mehr oder weniger große Phasen­ verschiebung im Ausgangssignal der Oberflächenwellenstruktur. Das vom Ausgangswandler empfangene akustische Signal und ab­ gegebene elektrische Signal kann nach dem Prinzip der Funk­ sensorik auf eine an den Ausgangswandler angeschlossene An­ tenne gegeben und auf dem Funkweg an einen entfernten Empfän­ ger übertragen werden.

Eine andere Anwendung eines erfindungsgemäßen Bauelements ist die im Zusammenhang mit Photodetektoren, z. B. Solarzellen, Infrarotdetektoren und dgl. Diese Detektoren liefern ein Spannungssignal, das je nach Ausführungsform eines oben be­ schriebenen erfindungsgemäßen Bauelements an die Halbleiter­ struktur/Feldeffektelektrode einer erfindungsgemäßen Ausfüh­ rung angelegt wird. In wie voranstehend zur direkten Span­ nungsmessung beschriebenen Weise kann ein dem Photo-Spannungs­ signal entsprechendes elektrisches Funksignal er­ zeugt und ausgesendet werden.

Eine andere Anwendung ist die im Zusammenhang mit einem in­ duktiv arbeitenden Spannungsmesser, wie er z. B. als Strom­ wandler in der Hochspannungstechnik gebräuchlich ist. Das mit dem Stromwandler zu erhaltende Spannungssignal wird, wie oben beschrieben, an die Halbleiterstruktur/Feldeffektelektrode angelegt. Der weitere Ablauf ist voranstehend bereits be­ schrieben.

Eine weitere Anwendung ist die, die elektrische Spannung ei­ ner elektrochemischen Zelle, z. B. Batterien, pH-Zellen, Zel­ lenpotentiale in der Biologie und dgl., zu messen. Die von solchen Zellen gelieferte Spannung wird wie beschrieben an die Halbleiterstruktur/Feldeffektelektrode angelegt und wie oben beschrieben das Ausgangssignal erhalten. Zum Beispiel kann auf dem Funkweg der aktuelle Ladezustand einer Batterie in dieser Weise fern-abgefragt werden.

Ein erfindungsgemäßes Bauelement läßt sich auch zur Messung einer elektrostatischen Aufladung verwenden. An die Halblei­ terstruktur/Feldeffektelektrode eines erfindungsgemäßen Bau­ elements wird diese elektrostatische Spannung angelegt, wobei für diesen Fall eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt ist, die ohne elektrischen Stromfluß arbeitet. Entsteht z. B. die elektrostatische Aufladung aufgrund einer bei mechani­ scher Bewegung auftretenden Reibung, kann damit auch diese Bewegung detektiert werden.

Mit einem erfindungsgemäßen Bauelement kann auch der Ladezu­ stand von Kondensatoren gemessen werden. Wie im Fall der Mes­ sung einer elektrostatischen Aufladung wird die statische Spannung an die Halbleiterstruktur/Feldeffektelektrode eines erfindungsgemäßen Bauelements für Messung elektrostatischer Potentialverteilung angelegt. Verwendbar ist eine solche Spannungs-Meßeinrichtung z. B. als Dosimeter, in dem ein Kon­ densator verwendet ist, dessen Ladezustand von vorhandener Röntgenstrahlung oder sonstiger radioaktiver Strahlung abhän­ gig ist.

Ein erfindungsgemäßes Bauelement kann auch zur Messung elek­ trischer Spannungen dienen, die von Kristallen erzeugt wer­ den, z. B. aufgrund des Pyroeffekts, Piezoeffekts und dgl. Auch in diesem Falle wird die elektrische Spannung an die Halbleiterstruktur/Feldeffektelektrode des erfindungsgemäßen Bauelements angelegt. Mit solchen Kristallen können z. B. Druck-, Dehnungs-, Temperaturänderungs-, Beschleunigungs-, Vibrationsmessungen und dgl. andere Messungen durchgeführt werden. Eingeschlossen sind dabei auch Kristallmikrophone.

Ein erfindungsgemäßes Bauelement läßt sich auch im Zusammen­ hang mit einem eine Thermospannung liefernden Thermoelement als Temperaturmesser verwenden.

Eine noch andere Anwendung eines erfindungsgemäßen Bauele­ ments ist die als Spannungsmesser im Zusammenhang mit einem Hall-Sensor. Der Hall-Sensor kann zur Magnetfeldmessung be­ nutzt werden und die von diesem gelieferte Spannung wird an die Halbleiterstruktur/Feldeffektelektrode des erfindungsge­ mäßen Bauelements angelegt. Damit ist die Spannung meßbar und kann gemäß der Ausführung eines erfindungsgemäßen Bauelements als Funksensor (wie zu den voranstehenden Ausführungen) als Funksensor-Element zur Fernabfrage benutzt werden.

Claims (9)

1. Akusto-elektronisches Bauelement, bei dem sich die Ge­ schwindigkeit/Laufzeit der Oberflächenwellen (13) mittels elektrischer Spannungen steuern/einstellen läßt,
mit einem piezoelektrischen Substrat (10) für eine Weg­ strecke (x-Achse) der Oberflächenwelle (13) zwischen Wandlern (12),
mit einer auf der Oberfläche (11) des Substrats (10) be­ findlichen in der x-Achse ausgerichteten Halbleiterstruktur (20), die so aufgebaut ist, daß sie eine Schicht (21) eines quasi-zweidimensionalen Elektronengases umfaßt, die (21) we­ nigstens einen Ohm'schen Anschluß (41, 42) hat und
mit einer Feldelektrode (30, 30 ₁, . . .) mit wenigstens einem Ohm'schen Anschluß (13 ₁, 13 ₂), die die dem Substrat ab­ gewandte Oberfläche der Halbleiterstruktur (20) bedeckt,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Halbleiterstruktur mit ihrer Schicht (21) des Elektronengases und der Feldelektrode (30, 30 ₁, . . .) so aus­ gebildet ist, daß mit an die Anschlüsse der Feldeffektelek­ trode und der Schicht (21) betriebsmäßig angelegten elektri­ schen Potentialen/zwischen ihnen angelegten elektrischen Spannungen in dieser Halbleiterstruktur (20) ein auf das Elektronengas der Schicht (21) feldeffekt-wirksames elektri­ sches Feldeffektfeld vorliegt, das in der x-Achse/zur Weg­ strecke der Oberflächenwelle (13) ausgerichtet nicht-homogen mit einem oder mehreren zueinander gleichsinnigen/monotonen Gradienten ist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Halbleiterstruktur (20) die Wegstrecke der Oberflächenwelle bedeckt. (Fig. 1, 2, 4, 5, 7)

3. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Halbleiterstruktur (120, 220) einsei­ tig/beidseitig in der Richtung der x-Achse ausgerichtet seit­ lich neben der Wegstrecke der Oberflächenwelle zwischen den Wandlern auf der Oberfläche des Substrats (10) angeordnet ist, und eine Elektroden-Streifenstruktur (81) vorgesehen ist, die zwischen der Oberfläche (11) des Substrats (10) und der (den) Halbleiterstruktur(en) verläuft und die auf der Oberfläche (11) des Substrats (10) im Bereich der Wegstrecke der Oberflächenwelle aufliegt.

4. Bauelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Feldeffektfeld in der x-Richtung in der Schicht (21) einen Gradienten hat (Fig. 2 bis 4).

5. Bauelement nach Anspruch 4, bei dem die Feldelektrode (30) aus einem elektrischen Widerstandsmaterial besteht.

6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Feldeffektfeld einen in der x-Richtung stu­ fenartigen Gradienten mit wahlweise elektrisch einstellbarer Höhe des jeweiligen Gradienten der einzelnen Stufen hat (Fig. 5).

7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Feldeffektfeld einen infolge konstruktiv ausgeführter gestufter Dicke der Halbleiterstruktur mehrere stufenartige Gradienten in der x-Achse ausgerichtet hat (Fig. 7).

8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Wandler (112) der Oberflächenwelle als fo­ kussierende Wandler ausgebildet sind.

9. Anwendung eines Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Funksensor-Spannungsmesser.