DE2144607A1

DE2144607A1 - Elektroakustische Einrichtung mit einem piezoelektrischen Wandler

Info

Publication number: DE2144607A1
Application number: DE19712144607
Authority: DE
Inventors: John Pittsburgh Pa. deKlerk (V.StA.). H03b 23-00
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1970-09-10
Filing date: 1971-09-07
Publication date: 1972-03-16
Also published as: DE2144607B2; DE2144607C3; GB1352538A; US3689784A

Description

DlPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt " 4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

•Düsseldorf, 6. Sept. 1971

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Elektroakustische Einrichtung mit einem
piezoelektrischen Wandler

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektroakustische Einrichtungen ,insbesondere auf piezoelektrische Wandler in Dünnfilmtechnik für Mikrowellen-Anwendungen.

Beim Einsatz von Mikrowellen-Ultraschalleinrichtungen hat man erkannt, daß es wichtig ist, den von jedemWandler in einem System hervorgerufenen Einfügungsverlust auf den geringsten möglichen Wert herabzusetzen. Solche Einfügungsverluste sind einigen oder allen der nachfolgend aufgezählten Gründe zuzuschreiben: elektrische Fehlanpassung, hohe Kontaktwiderstände, niedrige elektrische Impedanz, Fehlen einer Kristallorientierung, kristalline Fehler und ein Fehlen einer vollkommenen Stöchiometrie des piezoelektrischen Materials. Die Gründe für die Einfügungsverluste infolge kristalliner und chemischer Eigenschaften haften den Wandlern mit abgelagertem Film an,und daher sind derartige Verluste schwer herabzusetzen. Leichter können die durch elektrische Fehlanpassung, hohe Kontaktwiderstände und niedrige elektrische Impedanz verursachten Verluste berücksichtigt und bei der Planung eines Mikrowellen-Schallwandlers kompensiert werden. Die anscheinend am meisten auftretenden Ursachen hoher Einfügungsverluste sind durch elektrische Fehlanpassung zwischen der Impedanz der äußeren Übertragungsleitung, an die der Wandler angeschlossen

209812/1547

2U4607

ist, und der niedrigen elektrische! Wandlerirapedanz, die für Dünnfilmwandler charakteristisch ist, bedingt.

In der Vergangenheit hat sich die Notwendigkeit herausgestellt, die Impedanz des Wandlers an die der Übertragungsleitung durch irgendeine Art Impedanztransformator anzupassen, wie etwa durch einen Chebychev-Transformator oder eine andere bekannte Art eines Impedanztransformators.

Mit dem Problem der Fehlanpassung ist das der eiektriscnen Kapazität verbunden. Bei einem Wandler ist eine möglichst geringe Kapazität erwünscht, um eine beträchtliche Bandbreite zur Verfügung stellen und damit senr hone Frequenzen erreichen zu Können. Bei Dünnfilmwandlern nat ein Versuch, die Kapazität nerabzusetzen, eine Verringerung der Elektrodenfläche bedeutet. Eine derartige Verminderung der Kapazität setzt zusätzlich die Impedanz herab und zwar entweder in Gestalt des Widerstandes oder des Strahlungswiderstandes der Struktur. CnaraKteristisch beträgt in dem Fall, daß Wandler bei Mikrowellen-Frequenzen in der Nähe von einem GHz betrieben werden, die Impedanz eines Kadmiumsulfid-Wandlers etwa 0,01 Ohm. Üoertragungsleitungen besitzen dagegen typische Impedanzen von etwa bO Ohm oder mehr. Infolgedessen war die Größe der elektrischen Fehlanpassung bedeutend und Konnte nicht einfach durch Impedanztransformatoren ausgeglichen werden, die bei solchen Frequenzen und für den Ausgleich solch großer Fehlanpassungen unhandliche und kostspielige Vorrichtungen sind.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung eines piezoelektrischen Wandlers mit Vorrichtungen, die seine Impedanz, ohne eine der akustischen Eigenschaften des Wandlers preiszugeben, zur Anpassung an die Impedanz von Übertragungsleitungen auf den erforderlichen Wert ·«* erhöhen und darüber hinaus eine sehr niedrige Kapazität gewährleisten, um seinen Einsatz bei hohen Frequenzen zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine elektroakustische Einrichtung

aAfi 209812/1547

2U4607

mit einem piezoelektrischen Wand lei', der mit einer ein Leiterpaar mit einer charakteristischen Impedanz aufweisenden elektrischen Übertragungsleitung in Verbindung steht, erf indungsgemälo dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler eine
Mehrzahl auf einem einzigen Substrat angeordnete, in Serie geschJLtete piezoelektrische Wand lere lemente mit einer im wesentlichen der Impedanz des Lexterpaares angepaßten Gesamtimpedans und einer iu Vergleich zur Kapazität eines einzelnen Wandlerelementes kleinen Gesamtkapazität aufweist.

Die Verwirklichung der oben beschriebenen elektrischen Eigenschaften eines Wandlers wird durch Dünnfilm-Herstellungstechniken ermöglicht, eingeschlossen eine Ablagerung einer ersten
schablonenartigen Elektrodenanordnung mit einer Mehrzahl einzelner Elektroden auf einem Substrat, eine auf die erste Elektrodenanordnung aufgebrachte einzelne Lage eines piezoelektrischen
Materials, eine zweite über der piezoelektrischen Lage angeordnete schablonenartige Elektrodenanordnung sowie selektiven· Ver-

en
bindung/zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenanordnung. Die Anwendung von Dünnfilm-Herstellungstechniken nach dem Stand der Technik ermöglicht die Bildung derartiger Strukturen mit
extrem kleinen Bereichen und zahlreichen einzelnen Elektroden.

Die. Erfindung wird nachstehend zusammen mit weiteren Merkmalen anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung;

Fig. 2 schematisch dargestellt die Ersatzschaltung der Einrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt durch die Einrichtung nach Fig. 1

längs der Linie III-III;

2 0 9 8 1 2 / 1 5 A 7 SAO

21U6G7

Fig. 4 und 5 eine Dräute icht auf gemäß Fig. 1 angeordnete Elektroden;

Fig. 6 eine Dravfeicht auf eine andere Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 einen Schnitt durch Fig. 6 längs der Linie VII-VII; und

Fig. 8 eine Draüfeicnt auf ein weiteres Ausführungsbeispiel ψ nach der Erfindung.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Wandlers nach der Erfindung. Der Wandler befindet sich auf einem Substrat 10, das aus einem Material mit Eigenschaften einer akustischen Verzögerungsleitung bestehen kann, in dem sich also akustische Wellen ohne Verlust ihrer Charakteristik, dagegen im wesentlichen lediglich mit einer Zeitverzögerung fortpflanzen. Der Aufbau umfaßt im wesentlichen eine Lage 12 piezoelektrischen Materials^ das sandwichförmig zwischen einer ersten und einer zweiten schablonenartigen Elektrodenanordnung 14 und 16, die untereinander selektive Verbindungen besitzen, angeordnet ist.

" Fig. 4 veranschaulicht die erste, untere schablonenartige Elektrodenanordnung 14, die auf der Oberfläche des Substrats angeordnet ist, und Fig. -5 die zweite, obere schablonenartige Elektrodenanordnung 16, obschon die Elektrodenanordnungen auch vertauscht eingesetzt werden können. Jede der Elektrodenanordnungen 14 und 16 weist eine Mehrzahl streifenförmiger, über den Rand der Lage 12 des piezoelektrischen Materials hinausragende Elektroden 14A und 16A auf. Die Elektroden 16A der oberen Elektrodenanordnung 16 besitzen an einem Ende verbreiterte Bereiche 16B, die auf den Enden der streifenförmigen Elektroden 14A liegen, damit zwischen ihnen eine Verbindung herbeigeführt werden kann. Zum anderen sind die Elektroden 14A und lüA, wie in Fig. 3 dargestellt, sich vertikal überdeckend angeordnet.

209812/1547

Zusätzlich weist jede Elektrodenanordnung 14 und 16 eine größere Elektrodenlasche 14C und 16C auf, die einzeln mit jeweils einer der streifenförmigen Elektroden 14A und 16A verbunden sind und ebenfalls über den Rand der piezoelektrischen Lage 12 hinausragen. Diese stellen einen äußeren Anschluß des Wandlers wie etwa an eine Übertragungsleitung dar, die,wie oben erläutert, eine charakteristische Impedanz aufweist, der die Impedanz des Wandlers angepaßt werden soll.

Die Ersatzschaltung der Fig. 2 veranscnaulicht, wie die schablonenartigen Elektrodenanordnungen, obwohl sie nur an einer einzigen Lage piezoelektrischen Materials angeordnet sind, eine Reihenscnaltung einer Menrzanl einzelner Wandlerelemente 18 zwischen den beiden Elektrodenlaschen 14C und 16C, die jeweils mit einem Leiter 20 und 22 einer koaxialen Übertragungsleitung 24 verbunden sind, ermöglichen. Auf diese Weise können Widerstände addiert werden, um exne der Impedanz der äußeren Übertragungsleitung 24 angepaßte Impedanz zu erreichen. Gleichzeitig werden Kapazitäten starK herabgesetzt, und damit wird eine Eignung für Breitband- und folglich Hocnfrequenzanwendung geschaffen.

Wie Fig. 1 und 2 zeigen, ist, um die Reinenschaltung zu erreichen, jeweils die untere Elektrode der einzelnen Wandlerelemente 18 mit der oberen Elektrode des direkt benachbarten Wandlerelementes verbunden. Eine Verbindung benachbarter unterer und oenachbarter oberer Elektroden zu einer Reihenschaltung sollte nicht vorgezogen werden, da die Wandlerelemente 18 dann abwechselnd polarisiert würden.

Die Anzahl der piezoelektrischen WandlerdLemente 18, die zur Anpassung an eine besondere Übertragungsleitung notwendig ist, hängt natürlich sowohl von der Impedanz der Übertragungsleitung als auch von den für das einzelne Wandlerelernent gewählten Abmessungen ab. Bei früheren Dünnfilm-Wandlern hat sich die Notwendigkeit herausgestellt, die Fläche der Elektroden soweit wie möglich herabzusetzen, um die Kapazität zu verringern, und folglich war die Impedanz eines derartigen Wandlers sehr gering und

209812/1547

betrug typisch etwa 0,01 Ohm. Hier aber sind die Kapazitäten durch Reihenverbindungen der Wandlerelemente herabgesetzt, und daher müssen die einzelnen Elemente nicht so klein sein.

Die für die beiden schablonenartigen Elektrodenanordnungen und die piezoelektrische Lage erforderlichen Strukturen können nach bekannten Technologien der Dünnfilmherstellung gebildet werden, beispielsweise durch eine Ablagerung durch eine mit öffnungen versehene Maske, obschon sie auch durch Ablagerung einer durchgehenden Schicht auf der Oberfläche des Substrats IO und Anwen- ψ dung abtragender Methoden gebildet werden können.

Gemäß vorliegender Erfindung ist die Auswahl des anzuwendenden Materials nicht kritisch. Geeignete Elektroden können aus verdampftem Gold auf einer, um ein größeres Haftvermögen an dem Substrat zu erzielen, Grundbeschichtung aus Chrom gebildet werden, Die piezoelektrische Lage 12 kann aus Kadmiumsulfid oder einem anderen piezoelektrischen Material bestehen, das nach einer der verschiedenen bekannten Techniken abgelagert werden ist, wie beispielsweise in der noch nicht erledigten, auf denselben Erfinder und dieselbe Anmelderin zurückgehenden US-Patentanmeldung vom 29. Oktober 1965 mit der Ser.-Nr. 505 714 beschrieben worden ist.

Die piezoelektrische Lage kann eine einzelne homogene Lage oder, um verschiedene Leistungsübertragungsfaktoren zu erreichen, eine einzelne Lage aus horizontal erstreckten Lagenbereichen mit unterschiedlichen Eigenschaften aufweisen,und,um unterschiedliche Buidbreitedaten zu erzielen, kann der piezoelektrische Wandler einen viellagigen Dünnfilm abwechselnder Polarität in der in dem US-Patent 3 497 727 beschriebenen Weise aufweisen. Mit solchen Strukturen kann gestaffelte Abstimmung erreicht werden.

Wie Fig. 3 zeigt, weist das Ausführungsbeispeil weiter zwischen den Elektrodenanordnungen sandwichartig eine Schicht 13 aus dielektrischem Material auf, die die Aufgabe hat, jegliche unabsichtlich durch die piezoelektrische Lage infolge winziger Löcher o. dgl. auftretenden Kurzschlüsse zu verhindern. Eine

209812/154?

21U6Q7

solche Schicht sollte im Vergleich zur piezoelektrischen Lage dünn sein, damit sie die akustischen Verhältnisse nicht beeinflußt.

Es wurden Wandler gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer einzelnen Lage piezoelektrischen Materials aus Kadmiurasulfid und mit Elektrodenanordnungen, die auf Lithiumniobat abgelagertes Gold aufweisen (mit einer Grundbeschichtung aus Chrom zur Haftung am Substrat), hergestellt. Innerhalb einer Fläche von 2 χ 2 mm wurden Elektrodenanordnungen mit jeweils streifenförraigen Elektroden mittels Aufdampfen durch Lochmasken hindurch gebildet, wobei die streifenförmigen Elektroden etwa 12 um breit sind und der Abstand zwischen ihnen 4 um beträgt. Die Kadmiumsulfidlage war mit einer Dicke von etwa 2 um nach dem oben angeführten Verfahren der noch nicht erledigten Patentanmeldung abgelagert worden. Eine Schicht Siliziummonoxid in einer Stärke von etwa lOO 8 war auf der piezoelektrischen Lage aufgebracht worden.

Die Einrichtung führt zu einer Bandbreite von - 50 % um eine Mittenfrequenz von 850 MHz ohne externe elektrische Anpassung an eine 50 Ohm übertragungsleitung.

Die Ausführungen der Fig. 1-5 sind für Druck- oder Longitudinalwellen vorgesehen. Aber gemäß vorliegender Erfindung können Wandlerstrukturen für Transversalwellen ähnlich gebildet werden. Bei Transversalwellen wird es notwendig sein, daß die schablonenartigen Elektrodenanordnungen ein Entstehen jeglicher elektrischer Felder senkrecht zur Ebene der piezoelektrischen Lage verhindern.

Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen eine für Transversalwellen geeignete Ausführung. Die vorgesehenen unteren und oberen schablonenartigen Elektrodenanordnungen 34 und 36 sind identisch. Die obere Elektrodenanordnung 36 ist in Fig. 6 dargestellt. Sie weist ein Paar Elektrodenkämme 36A und 36B mit untereinander ver-

209812/1547

21U6Q7

zahnten, zahnförmig angeordneten Elektroden auf. Ihre Kammrücken, von denen ausgehend sich die Elektroden erstrecken, sind auf dem Substrat außerhalb des Randes der piezoelektrischen Lage 12 angeordnet und mit gleichen Kammrücken der unteren Elektrodenanordnung verbunden. Die äußere Übertragungsleitung kann an die großen Bereiche der Kammrücken angeschlossen werden. Wie in Fig. .7 für den Zeitraum einer Halbperiode dargestellt, ergeben sich derartige Polaritätsbedingungen, daß lediglich parallel zu einer Seite des Substrats ausgerichtete Felder in der piezoelektrischen * Lage 12 auftreten.

Ein anderes Ausfühi-ungsbeispiel für Transversalwellen ist in Fig. 8 dargestellt. Es kann eine einzige Elektrodenanordnung 44 entweder oberhalb oder unterhalb, andernfalls zwei identische Elektrodenanordnungen oberhalb und unterhalb der piezoelektrischen Lage 12 aufweisen. Die Elektrodenanordnung 44 enthält eine Mehrzahl streifenförmiger Elektroden 44A, die untereinander durch einen Widerstandsfilm 44B wie etwa durch einen Nickel-Chrom-Film, der einen Destimmten Potentialabfall zwischen oenachbarten Elektroden 44A bewirkt, verbunden sind. Auf diese Weise wird ein nach einer Seite des Suostrats ausgerichtetes Feld ohne PolaritätSAvecnsel ermöglicht.

Patentansprüche

209812/154 7

Claims

21U607

- a Patentansprüche;

Elektroakusriscne Einricntung rait einem piezoelektrischen Wandler, der mit einer ein Leiterpaar mit einer charakteristischen Impedanz aufweisenden elektrischen Übertragungsleitung in Verbindung steht, dad urch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler eine Mehrzahl auf einem einzigen Substrat (10) angeordnete, in Serie geschaltete piezoelektrische Wandlerelemente (18) mit einer im wesentlichen der Impedanz des Leiterpaares (20,22) angepaßten Gesamtimpedanz und einer im Vergleich zur Kapazität eines einzelnen Wandlerelementes (18) kleinen Gesamtkapazität aufweist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

in Serie geschalteten piezoelektrischen Wandlerelemente (18) ^β ^ angeordnete ^v '

eine erste,auf dem Substrat (lO)/scnablonenartige Elektrodenanordnung (14) mit einer Menrzahl einzelner Elektroden (14A) aufweisen, daß über der ersten Elektrodenanordnung (14) eine Lage (12) piezoelektrischen Materials mit einer auf der Lage angeordneten zweiten schablonenartigen Elektrodenanordnung (16) mit einer Mehrzahl einzelner Elektroden (16A) und eine durchgehende von Piezoeffekten freie Isolationsschicht (13) zwischen der Lage (12) aus piezoelektrischem Material und der zweiten Elektrodenanordnung (16) liegt, und daß die Elektroden (14A, 16A) der ersten und zweiten Elektrodenanordnung (14,16) über den Rand der Lage (12) aus piezoelektrischem Material hinausragen sowie selektiv untereinander verbunden sind.
3. Elektroakustische Einrichtung nach ^Aripruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elektroden (14A, löA) der

schablonenartigen Elektrodenanordnungen (14,16) im wesentli- ^b zueinander ^{& v} '

chen streifenförmig parallel/angeordnet sind und die erste Elektrodenanordnung (14) eine erste größere mit einer der streifenförmig angeordneten Elektroden (14A) verbundene Elektrodeni^che (14C), an die ein Leiter (20) der Übertragungsleitung (24) angeschlossen ist, sowie die zweite Elektroden-

209812/154 7

2U4F5O7 - ίο -

anordnung (16) eine zweite größere mit einer der streifenförmig angeordneten Elektroden (16A) der zweiten ,schabloneiw, _N

verouudene EieKtrodeniascne TlGc)

artigen Elektrodenanordnung (16)/, an die der zweite Leiter (22) der Übertragungsleitung angeschlossen ist, aufweisen.
4. Elektroakustische Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Veroindungen zwischen Elektroden (14A, 16A) der ersten und der zweiten schablonenartigen Elektrodenanordnung (14,16) unmittelbar durch über die Begrenzung der Lage (12) aus piezoelektrischem

ψ Material hinausragende und aufeinanderliegende Bereiche der Elektroden (14A, 16A) gebildet sind.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils abwechselnd auf zwei Seitenflächen der Elektrodenanordnungen (14, 16) ein Ende einer Elektrode (14A) der ersten Elektrodenanordnung (14) mit einem Ende einer Elektrode (16A) der zweiten Elektrodenanordnung (16) verbunden ist.
6. Elektroakustische Einrichtung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) aus einem schall-. wellen-verzögernden Material besteht und daß die einen unbeabsichtigt en elektrischen Kurzschluß durch die Lage (12) aus piezoelektrischem Material verhindernde Schicht (13) dünn im Vergleich zur Stärke der Lage (12) ist.

to/sb 3

209812/1547

Leerseite