DE2144607C3 - Piezoelektrischer Wandler zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine Oberflächenwelle - Google Patents

Description

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

Beim Einsatz von Mikrowellen-LTltraschalleinrichtungen hat man erkannt, s?aß es wichtig ist, den von jedem Wandler 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 piezoelektrisehen Materials. Die Ursachen für die Einfügungsverluste infolge kristalliner und chemischer eigenschaften haften Wandlern, die durch Schichtablagerung hergestellt wurden, von Hause aus an und sind daher 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 ist, und der niedrigen elektrischen Wandlerimpedanz, 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 Tschebyscheff-Transformator oder eine andere bekannte Art eines Impedanztransformators.

Mit dem Problem der Fehlanpassung ist das der elektrischen Kapazität verbunden. Bei einem Wandler ist eine möglichst geringe Kapazität erwünscht, um eine beträchtliche Bandbreite zur Verfügung stellen und damit sehr hohe Frequenzen erreichen zu können. Bei Dünnfilmwandlern hat ein Versuch, die Kapazität herabzusetzen, 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. Charakteristisch 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. Übertragungsleitungen besitzen dagegen typische Impedanzen von etwa 50 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 der piezoelektrische Wandler zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine Oberflächenwelle, der an eine ein Leiterpaar mit einer charakteristischen Impedanz aufweisende elektrisehe Übertragungsleitung angeschlossen ist, und gebildet ist aus einer Mehrzahl auf einem Oberflächenwellen leitenden Substrat angeordneten, Wandlerelemente bildenden Wandlerfinger, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerfinger elektrisch in Serie geschaltet sind und dadurch eine im wesentlichen der Impedanz des Leiterpaares angepaßte Gesamtimpedanz und eine im Vergleich zur Kapazität eines einzelnen aus Wandlerfingern gestalteten Wandlerelementes kleine Gesamtkapazität aufweisen.

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 Verbindungen 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 Ausführungsb^spielen in Verbindung mit der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung;

F i g. 2 schematisch dargestellt die Ersatzschaltung der Einrichtung nach Fig. I;

Fig.3 einen Schnitt durch die Einrichtung nach F i g. 1 längs der Linie III-III;

F i g. 4 und 5 eine Draufsicht auf gemäß F i g. 1 angeordnete Elektroden;

F i g. 6 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 7 einen Schnitt durch F i g. 6 längs der Linie VII-VII und

F i g. 8 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung.

Im einzelnen zeigt F i g. 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 a!so akustische Wellen ohne Verlust ihrer Charakteristik, dagegen im wesentlichen lediglich mit piner Zeitverzögerung fortpflanzen. Der Aufbau ~.niaut 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.

F i g. 4 veranschaulicht die Qrste, 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 Elektrodenanorrinungen 14 und 16 weist eine Mehrzahl streifenförmiges über den Rand der Lage Ϊ2 des piezoelektrischen Materials hinausragende Elektroden 14Λ und 16.4 auf. Die Elektroden 16Λ der oberen Elektrodenanordnung 16 besitzen an einem Ende verbreiterte Bereiche 165, die auf den Enden der streifenförmigen Elektroden 14.A liegen, damit zwischen ihnen eine Verbindung herbeigeführt werden kann. Zum anderen sind die Elektroden 144 und 16Λ, wie in Fig.3 dargestellt, sich vertikal überdeckend angeordnet

Zusätzlich weist jede Elektrodenanordnung 14 und 16 eine größere Elektrodenlasche 14C und 16C auf, die einzeln mit jeweils einer der streifenförmigen Elektroden 144 und 16.4 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 F i g. 2 veranschaulicht, wie die schablonenartigen Elektrodenanordnungen, obwohl sie nur an einer einzigen Lage piezoelektrischen Materials angeordnet sind, eine Reihenschaltung einer Mehrzahl einzelner, aus Fingern 18a und 18Zj bestehender Wandlerelemente 18 zwischen den beiden Elektrodenlaschen KCund 16C, die jeweils mit einem Leiter 20 und 22 einer koaxialen Übertragungsleitung 24 verbunden sind, ermöglichen. Auf diese Weise können Widerstände addiert werden, um eine der Impedanz der äußeren Übertragungsleitung 24 angepaßte Impedanz zu erreichen. Gleichzeitig werden Kapazitäten stark herabgesetzt, und damit wird eine Eignung für Breitband- und folglich Hochfrequenzanwendung geschaffen.

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

Die Anzahl der piezoelektrischen Wandlerelemente 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 Wandlerelement 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 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 10 und Anwendung abtragender Methoden

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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 worden ist.

Die piezoelektrische Lage kann eine einzelne homogene Lage oder, um verschiedene Leistungsübertragungsfaktoren zu erreichen, eine einzelne Lage aus horizontal erstreckten Lagenbereichen mit unterschiedlirhpn

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ehe Bandbreitedaten zu erzielen, kann der piezoelektrische Wandler einen viellagigen Dünnfilm abwechselnder Polarität in der in dem US-Patent 34 97 727 beschriebenen Weise aufweisen. Mit solchen Strukturen kann gestaffelte Abstimmung erreicht werden.

Wie Fig.3 zeigt, weist das Ausführungsbeispiel 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 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 Kadmiumsulfid und mit Elektrodenanordnungen, die auf Lithiumniobat abgelagertes Gold aufweisen (mit einer Grundbeschichtung aus Chrom zur Haftung am Substrat), hergestellt Innerhalb einer Fläche von 2x2 mm wurden Elektrodenanordnungen mit jeweils 30 streifenförmigen 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 Kadrniumsulfidlagi war mit einer Dicke von etwa 2 um nach dem oben ingeführten Verfahren der noch nicht erledigten Patentanmeldung abgelagert worden. Eine Schicht Siliziummonoxid in einer Stärke von etwa lOOÄ 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 Obertragungsleitung.

Die Ausführungen der F i g. 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 F i g. 6 und 7 veranschaulichen eine für Transversalweüen geeignete Ausführung. Die vorgesehener, unteren und oberen schablonenartigen Elektrodenanordnungen 34 und 36 sind identisch. Die obere Elektrodenanordnung 36 ist in Fig.6 dargestellt. Sie weist ein Paar Elektrodenkämme 36Ά und 36ß mit untereinander verzahnten, zahnförmig angeordneten Elektroden auf. Ihre Kammrücken, von denen ausgehend sich die Elektroden erstrecken, sind auf dem Substrat außerhalb des Randes der piezoelektrischen Lage 12 artgeordnet und mit gleichen Kammrücken der unteren Elektrodenanordnung verbunden. Die äußere Übertragungsleitung kann an die großen Bereiche der Kammrücken angeschlossen werden. Wie in F i g. 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 Ausführungsbeispiel 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 44Λ, die untereinander durch einen Widerstandsfilm 44Z? wie etwa durch einen Nickel-Chrom-Film, der einen bestimmten Potentialabfall zwischen benachbarter. Elektroden 44A bewirkt verbunden sind. Auf diese Weise wird ein nach einer Seite des Substrats ausgerichtetes Feld ohne Polaritätswechsel ermöglicht

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Wandler zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine Oberflächenwelle, der an eine ein Leiterpaar mit einer charakteristischen Impedanz aufweisende elektrische Übertragungsleitung angeschlossen ist, gebildet aus einer Mehrzahl auf einem Oberflächenwellen leitenden Substrat angeordneten, Wandlerelemente bildenden Wandlerfinger, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerfinger (18a, b) elektrisch in Serie geschaltet sind und dadurch eine im wesentlichen der Impedanz des Leiterpaares (20, 22) angepaßte Gesamtimpedanz und eine im Vergleich zur Kapazität eines einzelnen aus Wandlerfingern (18a, Mb) gestalteten Wandlerelementes kleine Gesamtkapazitäi aufweisen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Serie geschalteten piezoelektrischen Wandlerfinger (18) eine erste, auf dem Substrat (10) angeordnete schablonenartige Elektrodenanordnung (14) mit einer Mehrzahl einzelner Elektroden (14AJ 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 (16AJ 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, 16AJ der ersten und zweiten Elektrodenanordnung (14, i6) über den Rand der Lage (12) aus piezoelektrischem Material hinausragen.

3. Elektroakustische Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elektroden (14A, 16AJ der schabloner<artigen Elektrodenanordnungen (14, 16) im wesentlichen streifenförmig parallel zueinander angeordnet sind und die erste Elektrodenanordnung (14) eine erste größere mit einer der streifenförmig angeordneten Elektroden (14/4,) verbundene Elektrodenlasche (14CJ, an die ein Leiter (20) der Übertragungsleitung (24) angeschlossen ist, sowie die zweite Elektrodenanordnung (16) eine zweite größere mit einer der streifenförmig angeordneten Elektroden (16AJ der zweiten schablonenartigen Elektrodenanordnung (16) verbundene Elektrodenlasche (16CJ, 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 Verbindungen zwischen Elektroden (14A 16AJ der ersten und der zweiten schablonenartigen Elektrodenanordnung (14, 16) unmittelbar durch über die Begrenzung der Lage (12) aus piezoelektrischem Material hinausragende und aufeinanderliegende Bereiche der Elektroden (14A, 16A₇) 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 (14AJ der ersten Elektrodenanordnung (14) mit einem Ende einer Elektrode (16AJ der zweiten Elektrodenanordnung (16) verbunden ist.

6. Elektroakustische Einrichtung nach einem der

Ansprüche 2—5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) aus einem Schallwellen verzögernden Material besteht und daß die einen unbeabsichtigten elektrischen Kurzschluß durch die Lage (12) aus piezoelektrischem Material verhindernde Schicht (13) dünn im Vergleich zur Stärke der Lage (12) ist