DE2029723B2 - Anordnung aus gepaarten dispersiven verzoegerungsleitungen und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung aus dispersiven Verzögerungsleitungen, bei denen sieh Schallwellen an der Oberfläche eines elastischen geschiehteten Wellenleiters fortpflanzen, der aus einem Substrat und einer auf dieses aufgebrachten dünnen Schicht besteht, die an ihrem einen Ende mit einem elektromechanischen Wandler als Sender und an ihrem anderen Ende mit einem gleichartigen Wandler als Empfänger versehen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Anordnung,

Dispersive Verzögerungsleitungen der genannten Art werden häufig zufolge ihrer frequenznbhängigen Übertragungsverzögerung zur Expandierung und Kompression von frequenzmodulierten Impulsen herangezogen. Die im Wellenleiter auftretende Schwingung ist eine Scherwelle bzw. eine Rayleighsche Welle, deren Schwingungsenergie sich entlang der Oberfläche des Wellenleiters fortpflanzt. Diese Energie wird über je einen elektromechanischen Wandler abgestrahlt und wieder aufgenommen. Die Wandler sind auf der dünnen Schicht angeordnet, deren Dicke und Homogenität bekanntlich unmittelbar die Dispersionbeigenschaften beeinflussen. Das gleiche gilt für den Abstand der Wandler, die Art ihrer Befestigung und ihre Dicke.

Aus »LONDE ELECTRIQUE«, Vol. 48, Juni 1968, S. 533 bis 548, sind bereits dispersive Verzögerungsleitungen verschiedenen Aufbaus bekannt. Insbesondere zeigt dort F i g. 24 eine dispersive Verzögerungsleitung, die mit Rayleighschen Oberflächenwellen arbeitet und zwei sich gegenüberliegende, jeweils am Ende des Substrates angeordnete Wandler aufweist, von denen jeder aus zwei kammartig ineinandergreifenden Elektroden besteht.

Eine derartige Verzögerungsleitung arbeitet zwar für sich allein zufriedenstellend. Schwierigkeiten ergeben sich jedoch dann, wenn zwei oder mehr Verzögerungsleitungen gepaart, d. h. mit übereinstimmenden Eigenschaften, hergestellt werden sollen. Diese Schwierigkeiten sind in erster Linie technologischer Natur, da sich uber-iinstih.niende Eigenschaften nur dann erzielen lassen, wenn die Dicke und die Homogenität der auf dem Substrat befindlichen dünnen Schicht sowie die Dicke, die Befestigung und der Abstand der Wandler genau übereinstimmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung aus dispersiven Verzögerungsleitungen zu schaffen, bei der die einzelnen Verzögerungsleitungen übereinstimmende Eigenschaften aufweisen, dabei aber voneinander unabhängig sind, derart, daß die beiden jeweils einer bestimmten Verzögerungsleitung zugehörigen Wandler einem unabhängigen akustischen Weg entsprechen und die von den jeweiligen Wellenleitern übertragenen Oberflächenwellen voneinander entkoppelt sind. Gleichzeitig hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung anzugeben.

Es ist zwar aus der britischen Patentschrift 582 232 bereits ein Wellenleiter mit insgesamt vier Wandlern bekannt, von denen zwei als Sender und zwei als Empfänger dienen. Zur Lösung der angegebenen Aufgabe vermag diese bekannte Verzögerungsleitung jedoch keine Anregung zu geben, da es sich um eine nichtdispersive Verzögerungsleitung handelt, mit der eine besonders breitbandige Übertragungscharakteristik im Ultraschallbereich erreicht werden soll. Hierzu bestehen die Wandler aus piezoelektrischen Kristallen, die zu Longetudenalschwingungen angeregt werden, deren Frequenzbänder sich wechselseitig überlappen, wobei die gewünschte ßreitbandigkeit dadurch erzielt wird, daß zwischen den Sendewandlern und den Empfangswandlern ein Medium mit geringer Ausbreitungsgeschwindigkeit angeordnet ist,

dns tiiii«-·!! gemeinsamen mechanischen Überlriigungsweg, ii'^{s0 cmcn} gemeinsamen Wellenleiter bildet, in (Jeni sich Volumenwellen fortpflanzen=

Die liier vorliegende Aufgabe ist dagegen erfindungsgemäH dadurch gelöst, daß auf dem gleichen Substrat und der gleichen dünnen Schicht wenigstens zwei Wellenleiter gebildet sind, die entkoppelte akustische Kanüle gekreuzter und gepaarter Verzögerungsleitungen darstellen, und die Wandler untereinander gleich sind und in gleichen gegenseitigen Abständen auf dem Umfang desselben Kreises liegen und jedes einem bestimmten Wellenleiter zugeordnete Wandlerpaar auf der dünnen Schicht des entsprechenden Wellenleiters aufgebracht ist, dessen Achse mit einem durch den Mittelpunkt des Kreises hindurchgehenden Durchmesser zusammenfällt.

Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß sich die Ver. jcrungsleitungen in ihren Eigenschaften praktisc¹' nicht unterscheiden und dabei trotzdem unabhän.'i·-' umeinander sind. Gleichzeitig ist der beansprinte Raum besonders gering. Ein weiterer Vorteil !-ei-'t in der fertigungstechnisch günstigen Ausbildur; der Anordnung.

I in ■ sorteilhafte Ausführungsform, bei der die gegen <::tige Beeinflussung der gekreuzten Verzögerun leitungen noch weiter verringert ist, zeichnet siel· ihdurch aus, daß sich zwischen auf dem Krcisum ·!';-', benachbarten Wandlern Entkopplungsglieder bet piieii.

I ;<h' zweckmäßige Ausgestaltung dieser Ausführun inform besteht darin, daß die Entkopplungsglieder Jtn auf die dünne Schicht umfänglich aufgebrachten ; b'.orbierendem Werkstoff bestehen.

I'hensogut ist es bei dieser Ausführungsform aber auch möglich, daß die Entkopplungsglieder radial verlaufende Schlitze in dem Wellenleiter sind.

I.ine andere vorteilhafte Weiterbildung der Anordnung gestattet es, mehr als zwei Verzögerungsleitungen auf demselben Substrat zu vereinigen und besteht darin, daß die Wandler in den Ecken eines dem Kreisumfang einbeschriebcnen regelmäßigen Vielecks angeordnet sind.

Das Verfahren zur Herstellung der Anordnung aus gepaarten dispersiven Verzögerungsleitungen besteht insbesondere darin, daß als erstes das Substrat auf einem drehbaren Dorn aufgesetzt wird.

Weiterhin hat es sich bei dem Verfahren als zweckmäßig erwiesen, daß die obere Fläche des Substrats eine plane Drehfläche in bezug auf die Dornachse ist. Hierdurch wird in besonders einfacher Weise die Voraussetzung dafür geschaffen, daß die für die Übereinstimmung der Eigenschaften der Verzögerungsleitungen wichtigen Abmessungen der Wellenleiter übereinstimmen.

Eine im gleichen Sinn zweckmäßige Weiterbildung des Verfahrens besteht schließlich noch darin, daß die dünne Schicht auf die obere Fläche des Substrats unter gleichzeitiger Drehung des Domes um seine Drehachse aufgebracht wird.

In der Zeichnung ist die Anordnung aus dispersiven Verzögerungsleitungen nach der Erfindung an Hand mehrerer beispielsweise gewählter Ausführungsformen schemt«tisch veranschaulicht. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung einer dispersiven Verzögerungsleitung bekannter Art,

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung einer Anordnung aus gepaarten dispersiven Verzögerungsleitungen nach der Erfindung,

F i g, 3 u eine Aufsicht auf eine Anordnung mit drei Verzögerungsleitungen,

Fig. 3b einen Schnitt längs der Linie OB in

Fig. 3a,
Fig, 3c einen Schnitt längs der Linie OA in

F i g, 3 a,

Fi g. 4 bis 8 die verschiedenen Schritte des Verfahrens zur Herstellung der Anordnung nach den Fi g. 2 oder 3.

In F i g. ] ist eine bekannte Ausführung einer dispersiven Verzögerungsleitung für Schallwellen dargestellt. Diese besteht aus einem geschichteten Wellenleiter, der aus einem Substrat 1 besteht, auf das eine dünne Schicht 2 aus elastischem Material aufgebracht ist, in dem sich die Scherwellen mit einer geringeren Geschwindigkeit fortpflanzen als im Substrat 1. Die Schicht 2 besitzt die Dicke K; sie weist eine freie Fläche auf, in der die Achsen Y und Z des Koordinatensystems oxyz liegen. Die '. .ie Fläche vor trägt an einem Ende eine Platte, die m^:t einer Elektrode 6 einen ersten elektrostriktiven Wandler 4 der Dicke E und der Länge L bildet. Ein zweiter, mi* einer Elektrode 5 versehener Wandler 3 ist am anderen Ende der freien Fläche des Wellenleiters angeordnet. Wird zwischen der Kontaktfläche des Wandlers 4 und der Elektrode 6 eine Wechselspannung V₁ wirksam, so entsteht in der elektrostriktiven Platte ein elektrisches Feld in der .t-Richtung. Dieses Feld kommt zu einem Polarisationsfeld hinzu, das vorher in der y-Richtung in der Platte induziert wurde, so daß hierdurch eine Scherwelle entsteht, die sich in der Richtung der £-Achsc auf der Oberfläche ausbreitet. Der Verschiebungsvektor V weist in die y-Richtung, und seine Amplitude fällt mit der Eindringtiefe in den Wellenleiter schnell ab. Die Scherwclle wird am anderen Ende des Wellenleiters von einem Wandlet 3 aufgenommen, der die Spannung V., abgibt. Die Verzögerungsleitung nach F i g. 1 zeigt eine mit der Erregungsfrequenz sich verändernde Verzögerungszeit oder Laufzeit des Wellenleiters, die abhängt, von der Dicke K, den verwendeten Werkstoffen und der wirksamen Länge D der Leitung. Die Länge I) hängt ihrerseits von der Lage der Elektroden 6 und 5 auf der oberen Fläche der Wandler 4 und 3 ab, da diese Orte die Punkte für das Erzeugen und den Empfang der Oberflächenwelle darstellen. Die Breite L des Wandlers 4 ist wesentlich größer als die abgestrahlte Wellenlänge gewählt, so daß die abgestrahlte Schwingungsenergic in einem schwach divergenten, in die i-Richtung zeigenden Bündel zusammengefaßt wird. Dies reicht aus, um die Schwingungsenergie zum Wandler 3 zu leiten. In Fi g. 2 ist eine erfindungsgemäß aufgebaute Anordnung aus dispersiven Verzögerungsleitungen dargestellt. Statt der zwei Verzögerungsleitungen, deren Achsen in c'f r ;- bzw. der y-Richtung verlaufen, kann gleichermaßen eine höhere Anzahl von Leitungen, deren Achsen durch 0 laufen, gewählt werden. Die in F i g. 2 dargestellte Anordnung besteht aus einem geschichteten Wellenleiter, aus einem Substrat 1 und einer dünnen Schicht 2. Obwohl hier ein zylinderförmiger Aufbau¹ gewählt wurde, sind die Eigenschaften genau mit denen des parallelepipedischen Wellenleiters 1, 2 nach F i g. 1 vergleichbar. Die Wandler 3, und 13, 14 sind gleichweit vom Mittelpunkt 0 auf der Oberfläche der Schicht entfernt und jeweils paarweise gegenüberliegend angeordnet. Die auf den Wandlern angebrachten Elektroden S, 6 und 15, 16 befinden sich ebenfalls gleichweit von 0 entfernt und liegen

sich paarweise diametral gegenüber. Die Gesamtanordnung der Elemente 3, 4, 5, 6, 1 und 2 bildet eine erste dispersive Verzögerungsleitung, die in sämtlichen Punkten mit der in Fig. 1 dargestellten Verzögerungsleitung vergleichbar ist. Dasselbe gilt für die Elemente 13, 14, IS, 16, 1 und 2, die eine zweite dispersive Verzögerungsleitung bilden. Je gleichmäßiger und homogener die Schicht 2 und je besser die Übereinstimmung der Wandler hinsichtlich Aufbau und Befestigung sind, desto besser stimmen die Eigenschaften der beiden in F i g. 2 dargestellten Verzögerungsleitungen überein. Kopplungen zwischen den beiden Verzögerungsleitungen im Sinn eines Übersprechens sind nicht zu befürchten, da die von den Wandlern 4 bzw. 14 abgegebene Schwingungsenergie die Wandler 13 bzw. 3 nicht erregen kann, weil die Strahlungskeulen L_x und L_n der Wandler 4 und 14 ausreichend schmal verlaufen, um diese unerwünschten Kopplungen zu verhindern. Darüber hinaus weichen die Richtungen der von den Wandlern 4 bzw. 14 erzeugten Schwingungen von denen ab, die von den Wandlern 13 bzw. 3 erfaßt werden können. Die Leitungen sind daher ausreichend entkoppelt, obwohl sie sich auf einem gemeinsamen Wellenleiter befinden. Zwischen den Wandlern sind jedoch Entkopplungsglieder 10 vorgesehen, die die Aufgabe erfüllen, senkrecht zu den Leitungsachsen auftretende Störwellen zu bedampfen. Diese Entkopplungsglieder können die Form von auf der Schicht 2 zwischen den Wandlern aufgebrachten Absorbtionssektoren 10 oder die Form von radial verlaufenden Schlitzen zwischen den Wandlern haben. Beide Entkopplungsverfahren können auch gleichzeitig verwendet werden.

F i g. 3 a stellt eine Aufsicht auf eine andere Ausführungsform mit drei Verzögerungsleitungen und sechs Wandlern 20 dar. die auf drei Durchmessern eines Kreises mit dem Mittelpunkt 0 angeordnet sind. Zwischen den Wandlern 20 sind Auflagen aus absorbierendem Material 22 aufgebracht. Auf einem der Wandler 20 ist die Elektrode 21 dargestellt, deren Lage gegenüber dem Punkt 0 die Laufzeit bestimmt. Aus F i g. 3 b sind im Schnitt das Substrat 1 und die dünne Schicht 2 zu erkennen, die beide den geschichteten Wellenleiter ergeben; die Darstellung der F i g. 3 c zeigt die gleichen Teile längs einer anderen Schnittlinie.

Die in F i g. 3 a bis 3 c dargestellte Anordnung ist das Ergebnis eines besonderen Herstellungsverfahrens, das darauf abzielt, die Eigenschaften der drei dispersiven Verzögerungsleitungen einander weitestgehend anzugleichen. Der erste Schritt dieses Verfahrens ist in F i g. 4 gezeigt. Dieser besteht in der Auswahl eines Substrats und dessen Befestigung auf einem Dorn 25.

Dieser ist um die Achse X drehbar, so daß das Werkzeug 26 eine Drehfläche bearbeitet und poliert, auf die dann die dünne Schicht 2 aufgetragen werden kann. Dieser erste Schritt kann auch so erfolgen, daß man vor Montage des Substrats auf dem Dorn 25 dieses in der genannten Form behandelt. Die Verbindung mit dem Dorn 25 erfolgt hierbei nach dem Polieren der Oberfläche des Substrats.

Der folgende Verfahrensschritt ist in Fig. 5 gezeigt und besteht darin, daß die dünne Schicht 2 auf

iS das Substrat 1 aufgebracht wird. Das Material der dünnen Schicht 2 wird über eine Düse 27 zugeführt und durch kathodische Zerstäubung aufgetragen, während sich der Dorn 25 dreht, um so die Gleichmäßigkeit und Homogenität der Auflage sicherzustel-

ao len. Mit dieser Technik kann jede Art von Material wie z. B. Wolfram. Germanium, geschmolzenes Quarz und die verschiedenen Glassorten aufgelagert werden.

Der Aufbau der Wandler 20 auf der dünnen

as Schicht 2 findet während des in F i g. 6 gezeigten Schrittes statt. Mit Hilfe der bekannten Indiumschweißung 29 werden die Wandler gleichzeitig aufgebracht, und zwar rotationssymmetrisch zu der A'-Achse. Zu diesem Zeitpunkt sind die Wandler noch so dick, daß sie auf die erforderliche Dicke durch Schleifen gebracht werden können.

Dieses Schleifen auf die entsprechende Dicke ist in F i g. 7 dargestellt, wobei das Werkzeug 28 das Material abhebt und die obere Fläche der Wandler 20 po-

liert. Während dieses Schrittes dreht sich der Dorn 25 um die ,Y-Achse.

F i g. 8 zeigt das Aufbringen der Elektroden auf die Wandler. Hierzu wird eine Schablone 31 und eine Lichtquelle 30 verwendet. Nacheinander werden zunächst eine leitende Auflage und eine lichtempfindliche Harzschicht auf die obere Fläche der Wandler 20 aufgebracht. Die Harzschicht wird nun um den Bereich herum, den später die Elektrode einnehmen soll, belichtet, so daß dieser Bereich bei der nachfolgenden chemischen Behandlung nicht angegriffen wird.

Nunmehr sind nur noch die Absorbei.^chen 22 anzubringen und die elektrischen Anschlüsse aufzulö ten, was mit keinerlei Schwierigkeiten verbunden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (8)

Patentansprüche:

1. Anordnung aus dispersiven Verzögerungsleitungen, bei denen sich Schallwellen an der Oberfläche eines elastischen geschichteten Wellenleiters fortpflanzen, der aus einem Substrat und einer auf dieses aufgebrachten dünnen Schicht besteht, die an ihrem einen Ende mit einem elektromechanischen Wandler als Sender und an ihrem anderen Ende mit einem gleichartigen Wandler als Empfänger versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem gleichen Substrat (1) und der gleichen dünnen Schicht (2) wenigstens zwei Wellenleiter gebildet sind, die entkoppelte akustische Kanäle gekreuzter und gepaarter Verzögerungsleitungen darstellen, und die Wandler (3, 4, 13, 14) untereinander gleich sind lind in gleichen gegenseitigen Abständen auf dem Umfang desselben Kreises liegen und jedes einem bestimmten Wellenleiter zugeordnete Wandlerpaar (3, 4 und 13, 14) auf der dünnen Schicht (2) des entsprechenden Wellenleiters aufgebracht ist, dessen Achse mit einem durch den Mittelpunkt

(0) des Kreises hindurchgehenden Durchmesser zusammenfällt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen auf dem Kreisumfang benachbarten Wandlern (3, 4) Entkopplungsglieder (10) befinden.

3. Anordnung nach Ajispr ch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsglieder (10) aus auf die dünne Schicht (2) umfänglich aufgebrachtem absorbierendem Werkstoff bestehen.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsglieder (10) radialverlaufcnde Schlitze in dem Wellenleiter sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (3, 4) in den Ekken eines dem Kreisumfang einbeschriebenen regelmäßigen Vielecks angeordnet sind.

6. Verfahren zur Herstellung der Anordnung aus gepaarten dispersiven Verzögerungsleitungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erstes das Substrat (1) auf einem drehbaren Dorn (25) aufgesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Fläche des Substrats

(1) eine plane Drehfläche in bezug auf die Dornachse ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht (2) auf die obere Fläche des Substrats (1) unter gleichzeitiger Drehung des Domes (25) um seine Drehachse aufgebracht ist.