DE2016109A1

DE2016109A1 - Elektro-akustisches Filter für Oberflächen-Schallwellen

Info

Publication number: DE2016109A1
Application number: DE19702016109
Authority: DE
Inventors: Eugene; Hartemann Pierre; Paris Dieulesaint
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1969-04-16
Filing date: 1970-04-03
Publication date: 1970-10-22
Also published as: NL172810B; DE2016109B2; GB1295909A; NL7005390A; SE364611B; FR2040881A5; DE2016109C3; US3663899A; NL172810C

Description

20161 Öl

" DlpL-lng.-Dipl. öse

DIETRICH !3Vi

PATiHKTAH¹A'ALT

8MÖnchenäi-Götthardetr.81

Telefon 56 17 62

6022 - V

THOMSON - CSF Paris 16eme, Boulevard Murat 101 (Frankreich)

„Elektro-akustisehes Filter für Oberflächen-Schallwellen"

—^———— — ; i

Französische Priorität vom 16. April 1969 aus der ^:

französischen Patentanmeldung Nr. 69/11765 (Seine) \

■ Die Erfindung betrifft eine.elektro-akusti-

sche Vorriehtung für¹ Öberfläeheh-Sehäi-iwelienj die insbesondere als Filter verwehdei: werden fe

Elekirö-äküstiseheVorriehtüngin·dieser Art

werden für die Verarbeitung elektrischer Hoehlrequenisignäie ins= besondere innerhalb des Ferinmgldewesens und der Rädärtechnik ver=

wendet-. innerhalb der Gruppe dieser Vorrichtungen sind

Verzögerungsleitungenbekannt j die aus einem Blättehen eines piezoelektrischen Werkstoffes_s beispielsweise aus Quarz bestehen, auf das zwei Transduktoren aufgebracht werden, die jeweils aus zwei kammartig ausgebildeten Elektroden aus Metall gebildet sindj wobei die einzelnen ,/Zinken" des Kammes. zueinander versetzt angeordnet sind. Wird auf einen dieser Transduktoren ein elektrisches Signal übertragen, so entstehen in dem genannten Blättchen Oberflächen- Schallwellen (bzw. Rayleighsehe Wellen); ra§ch Ablauf einer Verzögerung, die der Laufzeit der Schallwellen zwischen den bei-] den Transduktoren entspricht, kann ein weiteres elektrisches Signal auf dem anderen Transduktor abgegriffen werden.

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Jedes Zinkenpaar eines kammförmig ausgebildeten Transduktors bildet eine Resonanz für eine Oberflächen-Schallwelle, deren Halbwellenlänge der Entfernung zwischen den beiden benachbarten Zinken entspricht. Die von den einzelnen Zinkenpaaren ausgehenden Schallwellen besitzen jeweils voneinander abweichende Laufzeiten; demzufolge entsteht bei diesen Wellen eine Interferenzwirkung, woraus ableitbar ist, daß die Trennschärfe eines Transduktors mit der Anzähl.der Zinken wächst. Demzufolge werden die elektrischen Signale, die einen kammförmig ausgebildeten Transduktor erregen, bei ihrem Austritt sehr gedämpft, sofern ihre Frequenz von der ^ Eigenfrequenz des Transduktors abweicht.

In der Zielsetzung der Erfindung liegt demnach die Schaffung einer Vorrichtung mit kammartig ausgebildeten Transduktoren, die in der Lage ist, Signale innerhalb eines genau bestimm-; ten Frequenzbereiches durchzulassen. Eine derartige Vorrichtung ! kann demnach nicht nur aus Verzögerungsleitung, sondern auch als Filter verwendet werden. Die erfindungsgemäß aufgebaute Vorrichtung verwendet ein Blättchen aus piezoelektrischem Werkstoff± \ auf dessen einer Seite zwei Transduktoren aufgebracht sind, von : denen der eine für den Signaleingang * der andere für den Signal- j ausgang vorgesehen ist. Jeder dieser Transduktoren wird aus zwei j kammartig ausgebildeten Elektroden aufgebaut, deren Zinken zu- j fe ' einander versetzt angeordnet sind. Zumindest der für* den Signal- j eingang bestimmte Transduktor umfaßt Elektroden mit einer Viel- j

^: zahl von Zinken, wobei die Zinken zumindest einer der Elektroden ! unterschiedliche Längen aufweisen, deren Hüllkurve den Verlauf j

! einer Fourier-Transformierten der Übertragungsfunktion besitzt, sofern in diesem Beispiel die Vorrichtung als Filter angesehen wird.

Die beigefügte Zeichnung dient zum besseren Verständnis der nun folgenden Beschreibung. Die in Figur 1 dargestellte . Vorrichtung besteht aus einem Blättchen 3 aus einem piezoelektri- i

sehen Werkstoff (z.B. Quarz, Kadmiumsulfid, Lithiummetaniobat, piej zoelektrische Keramik, usw.) auf dessen einer Seite sich die bei- | den, voneinander getrennt angeordneten Transduktoren 1 und 2 befinden, die jeweils aus zwei Metallelektroden IA, IB und 2A, 2B bestehen. - 3 -

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Diese Elektroden werden durch dünne Metallschichten gebildet "und sind kammartig ausgeformt, wobei die Zinken zweier Elektroden des jeweils gleichen Transduktors .zueinander versetzt angeordnet sind. Einer der Transduktoren 2 besitzt die normale Form der in mit Oberflächen-Schallwellen arbeitenden Verzögerungsleitungen verwendeten. Innerhalb dieses Transduktors 2 sind die Zinken bei gleicher Länge gleichweit voneinander entfernt, wobei eine geringe; Anzahl, beispielsweise etwa zehn, hierbei ausreicht. Der andere Transduktor 1 besitzt erfindungsgemäß wesentlich mehr, ebenfalls gleichweit voneinander entfernte Zinken, so z.B. hundert oder mehr. Die Zinken einer der Elektroden IA dieses Transduktors be- ^; sitzen jeweils die gleiche Länge. Die Zinken der anderen Elektro- ; 'de IB besitzen demgegenüber unterschiedliche Längen; bei dem in ■ Figur 1 dargestellten Beispiel besitzt die Hüllkurve der Zinken der Elektrode IB die Form sin χ / x.

Wird eine in genannter Form aufgebaute Vorrichtung verwendet, so ergibt sich hiermit nicht nur eine einfache Verzö- ^; gerüngsleitung zur Verzögerung eines elektrischen Impulses pro- ' portional zur Entfernung, die zwischen den Transduktoren liegt., sondern - sofern ein Dauersignal an einen der Transduktoren ange- j legt wird - ein Bandpaßfilter, der Signale durchläßt, deren Frequenz F zwischen den beiden Grenzen Fl und F2 zu beiden Seiten einer Mittenfrequenz Fo, d.tu einer Resonanzfrequenz des Transduk-j I •tors 1 liegt, der zahlreiche Zinken aufweist und mit einer Elek- ^: trode ausgerüstet ist (IB), deren· Zinken unterschiedliche Längen ; besitzen.

' Die Filterwirkung der erfindurigsgemäß aufgebauten

Vorrichtung ergibt sich im Wesentlichen durch die Form di'eser Elektrode IB, die mit Zinken unterschiedlicher Länge ausgerüstet ist. Man war hierbei bestrebt, der Hüllkurve der einzelnen Zinken die Form der Funktion sin χ / χ zu geben, da hierdurch eine Impuls|- ansprechkurve eine mit sin χ / χ modulierte Welle· ergibt, die der ! Übertragungscharakteristik (bzw* Übertragungsfunktion) eines Band-; !.■"--■ ■ - . ■ " ι

; paßfilters entspricht. Die Filterwirkung ergibt sich daraus, daß I I die Impulsansprechkurve von den geometrischen.Formen der einzelnen : Zinken abhängt.

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Es kann als bekannt vorausgesetzt werden, daß die ! Beziehung, die zwischen einer Übertragungsfunktion und der Impulsansprechkurve besteht, durch die Fourier-Transformierte gegeben ist; somit ist die Funktion sin χ / χ die Fourier-Transformierte ! einer Rechteckfunktion. I

Figur 1 zeigt lediglich ein Ausführungsbeispiel einer j erfindungsgemäß aufgebauten Vorrichtung. Die Erfindung erstreckt ; sich darüberhinaus auf andere Bauformen, insbesondere auf solche, i bei denen die beiden Elektroden eines der Transduktoren Zinken jeweils unterschiedlicher Längen aufweisen, bzw. innerhalb derer j die beiden Transduktoren den gleichen Aufbau besitzen und mit _; vielen Zinken ausgerüstet sind, wobei zumindest eine Elektrode von beiden mit Zinken unterschiedlicher Länge ausgerüstet ist. ^!

Die Hüllkurve der Zinken unterschiedlicher Länge kann darüberhinaus auch von der Form der Funktion sin χ / χ abweichen. Im allgemeinen besitzt die Hüllkurve der Zinken unterschiedlicher Länge eine Form, die mit der Fourier-Transformierten der gewünsch-' ten Übertragungsfunktion vergleichbar ist, sofern die Vorrichtung | als Filter eingesetzt wird.Handelt es sich um eine Anordnung, innerhalb der nehrere Elektroden mit Zinken unterschiedlicher Länge ausgerüstet sind, so ergibt die Kombination der Hüllkurven die Form einer Fourier-Transformierten. Als Beispiel sei hier die Aufbauform erwähnt, bei der Eingangs- und Ausgangs-Transduktor den gleichen Aufbau besitzen und einer sowie der andere eine Elektro- : de mit ungleich langen Zacken trägt: die sich hieraus ergebende ; Übertragungsfunktion ist das Quadrat der Übertragungsfunktion eines Transduktors. In zahlreichen früheren Werken bezüglich der Filter- und Signaltheorie werden Fourier-Transformierte der verschiedensten Funktionen außerhalb der Rechteckfunktionen genannt wie z.B. Dreiecks-, Trapez-, Halbsinus- sowie Funktionen nach der Gaußschen Kurve. Als Transformierte für die Form der Zacken-Hüllkurve ist hierbei für die erfindungsgemäße Vorrichtung diejenige auszuwählen, die der jeweils gewünschten Übertragungscharakteristik bzw. -funktion am besten entspricht.

Der Durchlaßbereich ist umso größer, je kleiner die Anzahl der Zinken gewählt wird (die Anzahl der Zinken ist prak-

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^; tisch proportional dem Quotienten der Mittenfrequenz Fo und der Bandbreite). Demgegenüber muß jedoch eine ausreichende Zahl von ' Zinken vorhanden sein, um mit einer gewissen Genauigkeit die ; Fourier-Transformierte der Übertragungsfunktion darstellen zu kön-i nen, wobei diese Transformierte im allgemeinen mehrere Zipfel j ■ bzw. Wellen aufweist. ' j

; ι

j Die Mittenfrequenz Fo der Vorrichtung wird durch den '

, -Abstand der einzelnen Zinken zueinander bestimmt. Enthält die .; Fourier-Transformierte Vorzeichen-Änderungen (wie im Beispiel ι der Funktion sin χ / x, siehe Figur), so kann"eine Phasenumkehr dadurch bewirkt werden, daß man zwei benachbarte Zinken, die um . ; eine Entfernung voneinander getrennt sind, die einer Schallwellen-: Halbwellenlänge entspricht, mit ein und derselben Elektrode verbindet. Die Vorrichtung kann auf. Frequenzen von mehreren hundert · MHz arbeiten. Handelt es sich bei dem verwendeten Blättchen 3 z.B.; ; um Quarz,, so beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflä- ' chen-Schallwellen etwa 3200 m/s; die Wellenlänge beträgt demnach ; bei 100 MHz 32 Mikron. Innerhalb der kammartig ausgebildeten Transh duktoren sind zwei benachbarte Zinken um eine Halbwellenlänge von-j einander entfernt. Im allgemeinen teilt sich die Entfernung ebenfalls zwischen die Breite eines Zinken, d.h. den metallisierten Teil und den Raum zwischen beiden Zinken. Bis zu einer Leistung von etwa 150 MHz können die Transduktoren nach den herkömmlichen Verfahren der Photolithographie erstellt werden. Oberhalb von etwa 150 |lHz erweist es sich als vorteilhaft, auf modernere Verfahren zurückzugreifen wie beispielsweise auf ein Verfahren, innerhalb dem das metallisierte und mit einer lichtempfindlichen Harzschicht überzogene Quarzblättchen einem feinen Elektronen strahl ausgesetzt wird und zwar im Gegensatz zu einer aktinischen Behandlung mittels einer Maske wie beim photolithographischen Verfahren. Innerhalb von erfindungsgemäßen Aufbauvarianten kann bei der Vorrichtung auf bestimmte Zinken der Transduktoren verzichtet werden und zwar entweder, um die Übertragungseigenschaften der Vörrichtunjj grundlegend■; am ändern, oder um Spezialeffekte zu erzielen. Handelt es sich bei dem piezoelektrischen Blättchen um ein Kristall, so kann es sich als vorteilhaft erweisen, dieses

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Kristall nach bestimmten Schnittebenen zu bearbeiten. So kann beispielsweise, sofern es sich bei dem Blättchen um ein Quarz handelt, der Temperaturkoeffizient herabgesetzt werden, indem man die X-Achse für den Schnitt wählt, wobei die Ausbreitungsrichtung mit der Y-Achse einen Winkel von etwa dreissig Grad bildet.

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Claims

Dipl.-Ing. Dipl. oec. publ. φ

DIETRICH LEWINSKY

PATENTANWALT "3, April 1970

8München2l-Goühardstr.81 '

Telefon 56 17 62 .

' 6022. - V

THOMSON - CSF
Paris 16eme, Boulevard Murat 101 (Frankreich)

Patentansprüche :

Elektro-akustisches Filter für Oberflächen-Schallwellen unter Verwendung eines Blättchens aus piezoelektrischem Material mit zwei Transduktoren, von denen zumindest einer aus zwei kammför- ; migen Metallelektroden mit zueinander versetzten Zinken gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der kammförmigen Elektroden (IB) Zinken unterschiedlicher Länge auf- : weist, wobei, die Hüllkurve der Zinken dieser Elektrode bzw.. die _j Kombination der Hüllkurven der Zinken bei Verwendung mehrerer j Elektroden mit Zinken ungleicher Länge:annähernd die Kurve der Fourier-Transformierten der Übertragungsfunktion der als Filter verwendeten Vorrichtung ausdrückt und daß ferner die Anzahl der Zinken der Elektrode(n) mit Zinken ungleicher Länge ausreichend bemessen ist, um zu ermöglichen, daß die Hüllkurve(n) die stärkt sten Wellen und Zipfel dieser Transformierten ausdrücken kann (bzw. können).

;2. Vorrichtung nach Anspruch 1 in der Verwendung als Bandpaßfilter, j dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllkürve der Zinken bzw. 'die Kombination der Hüllkurven der Zinken annähernd die Form der Funktion sin χ / χ aufweist.

. Vorrichtung nach Anspruch' 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Blättchen (3) aus Quarz besteht.

J4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet ^ daß das Quarzblättchen (3) entlang der X-Achse geschnitten wird, wobei die Ausbreitungsrichtung mit der Y-Achse einen Winkel von etwa dreissig Grad bildet. '''■" \ ' - '

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■5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Blättchen (3) aus Kadmiumsulfid, piezoelektrischer Keramik oder aus Lithiummetanxobat besteht.

6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transduktoren (1, 2) mittels Photogravur einer im Vakuum auf das piezoelektrische Blättchen (3) aufgedampften Metallschicht hergestellt werden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transduktoren (1,2) mittels eines Verfahrens hergestellt werden, innerhalb dem eine Vorrichtung zur Aussendung eines dünnen Elektronenstrahls dahingehend verwendet wird, mit Hilfe des Lichtbündels die Umrisse der kammartig ausgebildeten Elektroden auf eine lichtempfindliche Harzschicht zu zeichnen, mit der das metallisierte, piezoelektrische Blättchen (3) umgeben ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge-

kennzeichnet, daß zwei benachbarte Zinken mit ein und derselben ι Elektrode an Punkten befestigt sind, die einer Vorzeichenänderung der Fourier-Transformierten entsprechen.

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