DE2104399A1

DE2104399A1 - Piezoelektrischer Wandler

Info

Publication number: DE2104399A1
Application number: DE19712104399
Authority: DE
Inventors: Wilfrid Sinden Great Baddow Essex Mortley (Grossbritannien)
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1970-02-04
Filing date: 1971-01-30
Publication date: 1971-08-12
Also published as: GB1255292A; FR2077140A5; NL7100685A

Description

The' Marconi Company Limited

a British Company of Bush House

Aldwych, London, V/.C. 2., England

Ulm (Donau), 28. Januar 1970 ' PT/UL/Am/bc

"Piezoelektrischer Wandler"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wandler und im Speziellen auf Wandler bzw. Übertrager zum übertragen von elektrischen Spannungsänderungen in elastische Wellen in einem piezoelektrischen Medium und/oder umgekehrt, Zwecks Abkürzung werden solche Übertrager nachfolgend piezoelektrische Wandler genannt..

Piezoelektrische Wandler sind allgemein bekannt und werden für die verschiedensten Zwecke benutzt. Eine wichtige Anwendung solcher , Wandler findet bei akustischen und Ultraschall-Verzögerungszellen bzw. Verzögerungsleitungen statt. Solch eine Verzögerungszelle kann beispielsweise aus einem Körper aus festem piezoelektrischem Material bestehen, so z. B. aus Quarz, Lithiumniibat oder· Kadmiumsulfid, von vorbestimmter Form und Abmaßen, in dem mittels eines Eingangseiek-

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trodensystemSjf an welches die zu verzögernden Signale angelegt werden elastische Wellen erzeugt werden. Diese Wellen werden durch das Medium hindurch zu einem Ausgangselektrodensystem geleitet, in welchem sie entsprechende elektrische Ausgangssignale erzeugen. Dies*e Ausgangssignale sind bezüglich der Eingangssignale, verzögert, und zwar in Abhängigkeit von der Zeit des Durchganges der elastischen Wellen durch das Medium von dem Eingangselektrodensystem bis zum Ausgangselektrodensystem. Anstatt einen Körper zu verwenden, der ganz aus piezoelektrischem Material besteht, kann auch ein Körper aus geschmolzenem Quarz oder einem anderen nicht piezoelektrischem Material (beispielweise Saphir oder Silizium) mit einer darauf angebrachten dünnen Schicht von piezoelektrischem Material (beispielsweise Kadmiumsulfid, Zinkoxyd oder Kristallquarz) verwendet werden.

Mit einer solohen Anordnung findet in der piezoelektrischen Schicht die Umwandlung von elektrischer Energie in elastische Wellenenergie statt und diese Energie wird mechanisch in Abhänigkeit von der Art des nicht piezoelektrischen Wellenmediums, das unter der Schicht liegt, übertragen. In einigen Fällen werden auch Oberflächenwelle^-

in

verwendet undTsölchen Fällen ist die Anordnung derart, daß die elastische Wellenenergie fast ganz auf das piezoelektrische Material beschränkt bleibt und der Träger aus nicht piezoelektrischem Material in wesentlichen als mechanischer Träger dient. Wiederum in anderen

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Fällen, kann die Fortleitung der Wellenenergie auf die beiden Materialien mehr oder weniger zu gleichen Teilen aufgeteilt sein, und in wiederum anderen Fällen (besonders bei Raumwellenanordnungen) kann die Wellenenergie fast ganz, durch den nicht piezoelektrischen Träger geleitet werden.

Bei piezoelektrischen Wandlern wird öfters von Elektrodensystemen i Gebrauch gemacht, die aus rasterförmigen Interdigitalleitungen aus Metall, z. B. aus "Kämmen" bestehen, deren "Zinken" ineinander verschachtelt oder ineinandergreifend angeordnet sind. Elektrodensysteme dieser Art werden nachfolgend als rasterartige Interdigitalleitungen bezeichnet. Es können bei einer solchen Interdigitalleitung nur zwei ineinandergreifende Kämme vorhanden sein; es können aber auch in gewissen Fällen mehr als zwei, drei oder sogar vier Kctmme vorhanden sein, die manchmal bei einem einzigen Elektrodensystem verwendet werden. In der britischen Patentschrift 9SS sind Verzögerungszellen offenbart, die mit solchen rasterartigen ™ Interdigitaileitungen versehen sind.

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, verbesserte piezoelektrische Wandler mit rasterartigen Interdigitaileitungen anzugeben, die so ausgeführt sein sollen, daß bestimmte Nachteile von bislang bekannt gewordenen rasterartigen

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Interdigitalleitungen mit piezoelektrischen Wandlern vermieden oder reduziert werden.

Der Zwischenraum bzw. Abstand zwischen den Leitern, der für die Leitungszüge einer rasterförmigen Interdigitalleitung bei piezoelektrischen Wandlern geeignet ist, beispielsweise bei einer Verzögerungszelle hängt unter anderem von der Betriebsfrequenz ab. Dieser Abstand zwischen den Leitungszügen wird sehr gering, insbesondere bei solchen Frequenzen, die in einem praktischen Betrieb häufig erwünscht sind. Bekannte Interdigitalleitungen, wie sie gegenwärtig in Gebrauch kommen, lassen sich immer schwieriger herstellen, xvenn die Abstände zwischen den Leitungszügen immer kleiner werden. Im allgemeinen werden die Raster durch metallische Niederschlage auf dem piezoelektrischem Material, mit dem sie verbunden sind, gebildet. Die übliche Herstellungsmethode ist der der gedruckten Schaltungen sehr ähnlich. Beispielsweise wird der Bereich, auf welchem eine Interdigitalleitung gebildet werden soll, zuerst mit einer dünnen Metallschicht bedeckt und beispielsweise durch Aufdampfen oder Zerstäuben - und dann wird auf dieser Metallschicht eine Schicht eines Photo-Resist-Materials aufgebracht. Diese Bhoto-Resist-Schicht wird dann durch eine Maske hindurch Licht ausgesetzt. Die Maske entspricht in ihrer Form und ihren Abmessungen der gesamten gewünschten rasterartigen Interdigitalleitung. Die nicht··

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belichteten Stellen der Photo-Resist-Schicht werden dann entfernt, so daß an diesen Stellen ungeschütztes Metall verbleibt, das dann weggeäzt wird, so daß schließlich eine rasterförmlge Interdigitalleitung der gewünschten Größe und Form zurückbleibt. Das vorbeschriebene Verfahren ist eines von vielen verschiedenen an sich bekannten Verfahren, die angewendet werden können, um rasterartige Interdigltalleitungen herzustellen. Es ist jedoch offensichtlich, daß, welches Verfahren auch immer zur Herstellung einer Interdigitalleitung auf dem piezoelektrischen Körper man benutzt, die Möglichkeit an Fehlern bei der Herstellung um so höher wird, je geringer die Zwischenräume zwischen den Leitungszügen wurden« Beispielsweise i einer Anwendung von photoltthographisohön Verfahren können entstehen, bei welchen Kurzschlüsse zwischen, einer georteten Oirüppf..-von Leitungszügen und einer anderen georteten Gruppe erzeugt werden und je schwieriger und je teuerer die Herstellung wird, um so mehr wird man bemüht sein, solche Kurzschlüsse zu vermeiden. DarU- j ber hinaus hängt auch dann, wenn die Gefahr solcher Kurzschlüsse nicht besteht, die maximal zulässige Spannung zwischen den einzelnen Kämmen oder Gruppen von Leitungszügen bei einer·Interdigitalleitung von dem Abstand der Leitungszüge ab und mit geringer werdendem Abstand wird auch die zulässige Spannung geringer. "

Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht ein piezoelektrischer

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Wandler aus wenigstens einer rasterartigen Interdigitalleitung, die aus wenigstens zwei ineinander geschichteten bzw. ineinander geschalteten Gruppen von Leitungszügen besteht und einer durchgehenden Schicht von festem Isoliermaterial, die zwischen den Gruppen eingefügt ist, und die die Leitungszüge der einen Gruppe von den Leitungszügen der anderen Gruppe isoliert. Ss können nur zwei Gruppen von Leitungszügen mit einer dazwischen liegenden Isolierschicht vorgesehen sein. Es können aber auch mehr als zwei Gruppen und mehrere durchgehende Schichten aus Isoliermaterial, von denen jeweils eine ewifeciien z*rei benachbarten Gruppen von Leitungszügen angeordnet ist, vorgesehen sein.

Die Erfindung ist sowohl auf rasterartige Interdigitalleitungen anwendbar, bei welchen die Leitungszüge einer jeden Gruppe einen gleichmäßigen Abstand voneinander haben als auch auf rasterartige Interdigitalleitungen, bei welchen die Abstände der Leitunsszüge einer jeden Gruppe unterschiedlieh sind oder abgestuft sind.. Die bereits schon erwähnte britische Patentschrift 988 102 zeict zum Beispiel eine rasterartige Interdigitalleitung, bei welcher die einzelnen Leitungszüge einen abgestuften Abstand auf v/eisen. So ist die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft auf Interdigitalleitungen anwendbar, deren LeitungSEUge abgestufte oder gestaffelte

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Abstände aufweisen, da gerade bei solchen Rasterarten häufig sehr enge Abstände im Bereich des Teiles der in der Interdigitalleitung gewünscht werden, die geringen Abstand zwischen den Leitungszügen einer Gruppe aufweisen.

Die Dicke der Isolierschicht ist bevorzugt x\^resentlich geringer als der Abstand der Leitungszüge voneinander-(oder der geringste ä Abstand der LeitungszUge im Falle des Vorhandenseins von abgestuften Abständen). Eine praktische geeignete Dicke einer Isolierschicht ist beispielsweise ungefähr l/lO des Abstandes zwischen den Leitungszügen.

Bevorzugte Materialien für die Isolierschicht oder die Isolierschichten sind' Aluminiumoxyd, Siliziumoxyd und Siliziumnitrid.

Die vorliegende Erfindung ist auch anwendbar auf Mehrphasenübertrager mit rasterförtnigen Interdigital leitungen mit genau soviel ™ Gruppen von Leitungszügen wie Phasen vorhanden sind.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer Interdigitalleitungsrasterung bei einem piezoelektrischen Wandler gemä3 der vor-r liegenden Erfindung.umfaßt zweckmäßig die Schritte: Herstellung einer ersten Gruppe von Leitungszügen auf dem piezoelektrischen

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Körper des Wandlers; Aufbringen einer dünnen Schicht von Isoliermaterial auf den Leitungszügen dieser Gruppe und auf dem Körper in den Zwischenräumen zwischen den Leitungszügen; und dann Herstellen einer zweiten Gruppe von Leitungszügen auf der Isolierschicht mit den Leitungszügen der zweiten Gruppe auf den Stellen der Schicht, die zwischen den Leitungszügen der ersten Gruppe liegt.

Zweckmäßig sieht man über der Interaigitalleitung noch eine Deckschicht aus Isoliermaterialj/or.

Anhand der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nachfolgend näher erklärt.

Die Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf eine Interdigitalleifcung mit zwei ineinandergreifenden Gruppen von Leitungszügen und die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt gemäß der Linie A-A in Fig. 1, aus welchem die Anordnung der Isolierschicht gemäß der Erfindung zu sehen ist.

In den Fig. J5 und 4 sind Ansichten der gleichen Art, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, Jedoch ist die darin gezeigte Anordnung eine rasterartige Interdigitalleitung mit drei ineinandergreifenden Gruppen von Leitungszügen. Die Zeichnungen sind lediglich schematisch

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zu verstehen und es ist keine Maßstäblichkeit beabsichtigt.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Übertrager besitzt wenigstens eine rasterförmige Interdigitalleitung (bei einer Verzögerungszelle werden üblicherweise wenigstens zwei dieser Rasteranordnungen verwendet), die aus zwei ineinandergreifenden Gruppen 1 und 2 von Leitungszügen besteht. Jede Gruppe ist gebräuchlicherweise in Form i eines Kammes ausgebildet (in abgebrochener Form dargestellt). Die.

Gruppe 1 ist auf dem gewünschten Bereich des piezoelektrischen

in
Körpers 37(Pig. 1 nicht dargestellt), jeöoch in abgebrochener Darstellung aus Fig. 2 ersichtlich).aufgebracht. Über der Gruppe 1 ist* um ein© Isolierung gegenüber der Gruppe''2 su;. «rzielea, äurohgehende Schicht k aus Isoliermaterial angeordnet, die auf Leitungszügen der Gruppe 1 und (Sem Körper J in den d zwischen den Leitungszügen der Gruppe 1 aufgebracht ist. Die Gruppe 2 ist auf der Schicht 4 angeordnet, wobei die Leitungszüge f der Gruppe 2 auf den Teilen der Schicht 4 angeordnet 1st, die sich zwischen den Leitungszügen der Gruppe 1 befinden. Wie in den Fig, I und 2 dargestellt, ist jedoch noch eine schützende isolierende -Deckschicht 5 vorgesehen. Die Abstände zwischen den Leitungszügen einer jeden Gruppe sind wie aus den Fig. 1 und 2 zu ersehen ist,

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Dies ist jedoch nicht erforderlich; vielmehr können die Abstände in Jeder Gruppe in bekannter Weise abgestuft oder unterschiedlich sein.

Eine Raster struktur, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, kann in folgender Weise hergestellt werden.

Die Oberfläche, die zur Aufnahme des Rasters vorgesehen ist, wird zunächst mit Elektrodenmaterial durch Aufdampfen, Aufstäuben oder ein anderes geeignetes Verfahren beschichtet vorzugsweise in einer Dicke, die wesentlich geringer ist als die Abstände zwischen den Leitungszügen in einer Gruppe. Dann wird.auf dieser Metallschicht eine Schicht von Photo-Resist-Material aufgebracht und diese einem Elektronenstrahl oder ultraviolettem oder anderem Licht durch eine Maske hindurch ausgesetzt um ein Muster zu erzeugen, das bezüglich seiner Form und seiner Abmaße dö?gewünschten ersten Gruppe der Leitungszüge entspricht, Nach dem Entwickeln und der üblichen Behandlung der Photo-Resist-Schieht werden die ungeschützten Teile des Metalles weggeäzt und auf diese Weise die gewünschte Gruppe 1 hergestellt.

Danach wird über der Gruppe 1 fZdie Gebiete der Verbindun^spfade (nicht gezeigt) sind dabei abgedeckt^ eine Isolierschicht, z. 3.

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aus Aiuirdniumoxyd, Siliziumoxyd oder Siliziumnitrid aufgebracht, beispielsweise nit Hilfe eines "Hochfrequenzsputteringverfahrens". Die Dicke der aufgebrachten Isolierschicht wird irr. allgemeinen viel geringer sein als die Abstände zwischen den einzelnen Leitungszügen. Beispielsweise kann diese Schicht ein Mikron dick sein, bei einen: Abstand der Leitungszüge einer Gruppe voneinander von 10 Mikron. Dann, r/achdem man die verbleibende Photo-Resist-Schicht entfernt hat, wird eine zweite Metallschicht und eine weitere Schicht von Photo-F.ecict- % Material aufgebracht. Die Maske wird nun unter einer;; Mikroskop so ausgerichtet, daß ihre Leitungszüge zwischen denen der Gruppe I su liegen kommen. Dann wird durch die Γ-iske hindurch belichtet, entwickelt, geäzt und schließlich gereinigt, wodurch di_ Gruppe 2 rr.i^ ihren Leitungszügen hergestellt wird. Wenn, wie es hier angenommen ist, der Abstand zwischen den Leitungszügen gleich i^t, wird zwecl·:- mü3ig für die Herstellung der beiden Gruppen von Leitungssüger* ein und dieselbe Maske verwendet. Wenn der Abstand zwischen den Leitungswagen jeder Gruppe nicht gleich"ist, werden zwei Masken benutzt, eine j für die eine Gruppe, und eine für die andere Gruppe.

Die Deckschicht 5 aus Isoliermaterial wird danach aufgebracht.

Wie man nun sehen wird, kann es dann, wenn bei dem Herstellen einer der Gruppen von Leitungszügen kleine Gebiete von leitendem Material

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nicht weggeäzt v/erden, beispielsweise wegen \^orhand ens eins von Staubteilchen oder Blasen, nicht zu sh Kurzschlüssen zviisclien den beiden Gruppen von Leitungszügen fahren, v/eil eben die erfindungsgemäße Isolierschicht 4 zwischen (uen Gruppen von Leitungszügen vorgesehen ist. Diese Isolierschicht gewährleistet also auch eine höhere Durchbruchssρannung zwischen den Gruppen von Leitungszügen. Auf der anderen Seite ist die" Dicke dieser zwischengefügten Isolierschicht nicht so bedeutend, daß sie eine störende Reduzierung der v.iezoelektrischen Kopplung verursachen würde.

Die Erfindung ist ebenso anwendbar auf rasterartige Interaigitalleitungen mit mehr als zwei Gruppen von Leitungszügen und die Fig. 3 und 4, welche nunmehr aus sich selbst heraus verständlich sind, zeigen die Anwendung bei einer Dreikamrnrasterung. Mit- 6 ist in den Fig. 3 und 4 eine dritte Gruppe von Leitungszügen bezeichnet und mit 7' eine zweite aufgebrachte Isolierschicht. Die anderen Bezugsziffern in den Fig. 3 und 4 beziehen sich auf die gleichen Teile wie die entsprechenden Bezugsziffern in den Fig. 1 und 2. Das weiter oben Oeschrj&ene Verfahren zur Herstellung der Rasterungen nach Fig. 1 und kann in offensichtlicher Weise zur Herstellung der Rasterung gerna.3 den Fig. 3 und k erweitert angewendet v/erden.

Eine Rasterung mit 3 oder 4 Gruppen von Leitungszügen Iä3t sich entsprechend anwenden, für eine drei- oder vierphasige Verwendung. Wenn

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solche Rasterungen durch Drei- oder Vierphasensignale (Vierpliasensignale bezeichnet nan auch als Zweiphasen- oder Quadratursignale) angeregt werden, viird man diese hinsichtlich der Richtwirl-cu™" irr. wesentlichen einseitig machen, wobei sie eine elastische Welle in Richtung der Fortbewegung der Phase oder in Richtung deren Projektion auf eine Ebene in dem piezoelektrischem Material unter einem Winkel θ von der Normalen des sin ~ (λ/ρ), worin ρ die. Gesamtsteigerung der Rasterung·und λ die Wellenlänge in dem piezoelektrischem Material, empfangen oder aussenden.

Die Richtungswirkung ist von Vorteil für eine Verbesserung der Wirksamkeit und zur Vermeidung einer unerwünschten elastischen Wellenstrahlung, die Nebensignale am Ausgang hervorrufen kann. Dreiphasen-Rasterungen lönnen geringfügig breitere Leiter haben als Vierphasen-Rasterungen und benötigen λ/3 Fortschritte bezüglich der Lage der Leiter. Ein Quadratursystem ist jedoch üblicherweise einfacher hinsichtlich der Schaltung und wird deshalb im allgemeinen bevorzugt. % Die Einganssignale müssen aber das ganze Frequenzband in Phasenquadratur sein. Schaltungen hierfür sind allgemein bekannt, beispielsweise aus "Proceedings I. R. E" 1949, Seite 147, Aufsatz von D. G. Luck. Abwandlungen solcher Schaltungen können Dreiphasen oder Breitbänder hervorrufen, besonders wenn man einen invertierenden Übertrager benutzt, so daß nur 60 zwischen jedem Paar der

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Schaltungskreise erzeugt werden müssen. Ein Dreiphase nsystsr hat den Vorteil einer größeren Einfachheit. Offensichtlich kann man auch mehrphasige Systeme mit mehr alo vier Phasen ähnlich erhalten, jedoch ist es nicht wahrscheinlich, daß
daran einmal ein größerer Bedarf bestehen wird.

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Claims

Patentansprüche

1.7 Piezoelektrischer Wandler mit wenigstens einer rasterartigen Interdigitalleitung, dadurch gekennzeichnet, daß die rasterartige Interdigitalleitung wenigstens zwei geschachtelte Gruppen von Leitungszügen, sowie eine durchgehende Schicht eines festen ^ Isoliermaterials aufweist und daß die Isolierschicht zwischen den Gruppen von Leitungszügen derart angeordnet ist,.daß sie die Lei-' tungszüge der einen Gruppe von den Leitungszügen der anderen . · Gruppe isoliert.

2. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur zwei Gruppen von Leitungszügen mit einer dazwischenliegenden Isolierschicht vorgesehen sind.

3. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Gruppen von Leitungszügen und eine Mehrzahl von durchgehenden Isolierschichten vorgesehen sind, wobei zwischen zviel benachbarten Gruppen von Leitungszügen wenigstens eine Isolierschicht angeordnet ist. . \

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4. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis j>, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungszüge jeder Gruppe einen gleichmäßigen Abstand voneinander aufweisen.

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dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Leitungszüge jeder Gruppe variieren oder abgestuft,sind.

6. Piezoelektrischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5/ dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke dsr Isolierschicht wesentlich geringer ist als die Abstände der- L^itungszüge voneinander (oder als der geringste Abstand ae-r Leitur^szüre voneinander im Falle von abgestuften Abständen).

7. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Isolierschicht ungefähr 1/10 des Abstandes der Leitungszüge beträgt.

8. Piezoelektrischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7j dadurch gekennzeichnet, daß eine schützende Deckschicht aus isolierendem Material über der gerasterten Interdigital leitung vorgesehen ist.

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9. Piezoelektrischer Wandler nach.einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, da3 wenigsten" — Ine Gruppe von Leitungszügen die Form eines Kammes besitzt (Kammleitung ).■ ^

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10. Verfahren zum Herstellen einer Interdigitalleitungs-Hasterung

eines piezoelektrischen Wandlers nach einem oder mehreren der An- * Sprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Herstellen einer ersten Gruppe von Leitungszügen auf dem piszeoelektrischen Körper des V/andlers ;

Aufbringen einer dünnen Schicht von isolierendem Material auf den Leitungszügen der ersten Gruppe und auf dem piezoelektrischen Körper in den Zxvischenräumen zwischen den Leitungszügen ; Herstellen einer zweiten Gruppe von Leitungszügen auf der isolierenden Schicht in der Weise, daß sich die Leitungszüge der ziveiLten Gruppe J auf den Teilen der Isolierschicht befinden, die zwischen den Leitungszügen der ersten Gruppe angeordnet ist.

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