DE2215877C3 - Anordnung zum überkoppeln elektrischer Wechselfelder - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Überkoppeln elektrischer Wechselfelder zwischen zwei mit geringem Abstand einander gegenüberliegend angeordneten Körpern, von denen wenigstens einer aus piezoelektrischem Material besteht und an wenigstens einem ein elektromechanischer Wandler zur Erzeugung akustischer Oberflächen-

wellen angebracht ist. _t , _A ^ .

Anordnungen dieser Art sind bekannt. In der Zeitschrift »Appl. Phys. Letters«, Vol. 14 (1969), S. 122 bis 124, ist eine Verzögerungsleitung beschrieben, bei der zv/ei gegeneinander verschiebbare piezoelektrische

ίο Körper aus Lithiumniobat durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind.

Da es sehr aufwendig ist, Kristalle aus Lithiumniobat in der für die oben angegebene bekannte Verzögerungsleitung* erforderlichen Größe zu ziehen, ist

die Verwendung von Lithiumniobat unerwünscht.

In der deutschen Offenlegungsschrift 2 011 327 ist eine Verzögerungsleitung, bei der auf einem Körper aus piezoelektrischer Keramik zwei Transduktoren angebracht sind, beschrieben. Dabei besteht wenig-

λο stens ein Transduktor aus einer kammartigen Elektrode.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung anzugeben, deren piezoelektrischer Körper aus einem für die Verwendung günstigen Material besteht

und die für die Überkopplung elektrischer Wechselfelder geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch eine wie eingangs angegebene Anordnung gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß der Wandler ein Bleu-

stein-Wellen erzeugender Wandler ist und daß der Zwischenraum zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Körpern von einer eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisenden Flüssigkeit ausgefüllt ist, deren Viskosität ausreichend gering ist, um eine

mechanische Überkopplung der Wechselfelder weitgehend zu verhindern.

Vorzugsweise werden als Flüssigkeiten Glyzerin, Azeton, destilliertes Wasser oder eine Mischung aus Glyzerin und destilliertem Wasser verwendet.

Als piezoelektrischer Körper ist insbesondere ein Körper aus piezoelektrischer Keramik oder aus Wismutgermaniumoxid vorgesehen.

Ein durch die Erfindung erzielbarer Vorteil besteht darin, daß bei der Verwendung einer erfindungs-

gemäßen Anordnung an die Qualität der Oberflächenbearbeitung der durch den Abstand getrennten Oberflächen der Körper keine so hohen Anforderungen gestellt werden müssen, wie dies bei der obengenannten bekannten Anordnung mit dem Luftspalt der Fall ist.

Vorteilhafterweise läßt sich mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Anordnung die Kopplung zwischen den Körpern gegenüber einer bekannten Anordnung etwa um den Faktor 40 bis 80 erhöhen.

Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung als Verzögerungsleitung besteht ein durch die Erfindung erzielbarer Vorteil darin, daß infolge der in dem Abstand befindlichen Flüssigkeit eine leichte, ruckfreie Relativversthiebung der beiden

Körper gegeneinander gewährleistet ist.

Weitere Erläuterungen zur Erfindung und zu deren Ausgestaltungen gehen aus der Beschreibung und den Figuren bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihren Weiterbildungen hervor.

F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung zur Überkopplung elektrischer Wechselfelder von einem Körper auf einen piezoelektrischen Körper; F i g. 2 und 3 zeigen in schematischer Darstellung

eine als Verzögerungsleitung ausgebildete erfindungsgemäße Anordnung;

Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung einen Oberflächen-Wanderfeldverstärker.

In der F i g. 1 ist der Wandler, von dem eine Bleustein-Welle in dem piezoelektrischer» Körper erzeugt wird, mit 5 bezeichnet. Die piezoelektrische Körper, der vorzugsweise ein Keramikkörper ist, trägt das Bezugszeichen 1. Vorzugsweise ist der Wandler 5 ein Interdigital-Wandler aus zwei Kammelektroden, deren Finger ineinander eingreifen. Die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Körpers 1 liegt parallel zu den Fingern der Kammelektrodein. Die Kammelektroden sind auf der dem piezoelektrischen Körper zugewandten Oberfläche einer Glasplatte 2 aufgebracht, vorzugsweise aufgedampt. Zwischen der Glasplatte und dem piezoelektrischen Körper befindet sich ein Abstand, der mit einer Flüssigkeit 3 ausgefüllt ist. Diese Flüssigkeit ist vorzugsweise Glyzerin, destilliertes Wasser, Azeton oder eine Mischung aus Glyzerin und destilliertem Wasser. Der Wandler 5 ist so dimensioniert, daß seine Identitätsperiode der Wellenlänge der zu erzeugenden Bleustein-Welle entspricht. Unter Identitätsperiode wird der Abstand zwischen zwei benachbarten Fingern einer Kammelektrode verstanden. In dem Wandler entsteht ein elektrisches Feld, das über den mit der Flüssigkeit 3 ausgefüllten Abstand auf den piezoelektrischen Körper 1 übergreift und in ihm eine Bleustein-Welle erzeugt. Unter einer Bleustein-Welle wird eine akustische Oberflächenwelle verstanden, bei der eine Teilchenauslenkung nur parallel zur Oberfläche und quer zur Fortpflanzungsrichtung der Welle auftritt.

Die Viskosität der in dem Abstand befindlichen Flüssigkeit 3 ist so beschaffen, daß eine mechanische Kopplung weitgehendst ausgeschlossen wird.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung besitzt die Flüssigkeit eine möglichst große Dielektrizitätskonstante, damit der Potentialabfall am Abstand möglichst klein ist.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht das Material des piezoelektrischen Körpers aus Wismutgermaniumoxid. Um in diesem Material eine Bleustein-Welle erzeugen zu können, ist der Wismutgermaniumoxid-Körper beispielsweise in der (HO)-Ebene geschnitten. Ein Wandler ist dann so an dem Wismuigermaniumoxid-Körper angebracht, daß die Ausbreitungsrichtung einer erzeugten Bleustein-Welle die Richtung [1TO] ist.

Die in der F i g. 2 dargestellte erfindungsgemäße Anordnung ist eine Verzögerungsleitung. Mit Hilfe des Wandlers 5, der als Eingangswanaler dient und auf dem piezoelektrischen Körper 11 vorzugsweise aufgedampft ist, werden auf der Oberfläche des Körpers 11 Bleustein-Wellen erzeugt. Die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Körpers 11 liegt parallel zu den Fingern der Kammelektroden. Auf dem Keramikkörper 11 sind Abstandsstege 4 aufgebracht. Der Körper 22, der ein piezoelektrischer Körper ist, ist auf den Stegen 4 angebracht und ist gegenüber dem Körper 11 verschiebbar. An der den Abstandsstegen 4 zugewandten Oberfläche des Körpers 22 ist ein elektromechanischer Wandler 6, der als Ausgangswandler dient, angebracht, und der insbesondere ebenfalls aus zwei Kammelektroden besteht und vorzugsweise auf die Oberfläche des Körpers 22 aufgedampft ist. Der Abstand zwischen den beiden piezoelektrischen Keramikkörpern ist gemäß eines Merkmals der Erfindung mit einer wie oben angegebenen hochdielektrischen Flüssigkeit ausgefüllt.

Mii Hilfe des elektromechanischen Wandlers 5, dessen Identitätsperiode der Wellenlänge der zu erzeugenden Bleustem-Welle entspricht, wird eine Bleustem-Welle in die Oberfläche des Körpers 1 eingekoppelt. Auf Grund der piezoelektrischen Eigenschaften des Körpers 11 treten elektrische Felder auf, die mit der Bleustein-Welle mitlaufen und in den

ίο oberhalb der Oberfläche des Körpers 11 befindlichen Raum, der erfindungsgemäß mit einer Flüssigkeit mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten gefüllt ist, eingreifen. Durch diese Felder wird die Bleustein-Welle rein elektrisch von der Oberfläche des Körpers 11 über die Flüssigkeit auf die Oberfläche des Körpers 22 übergekoppelt.

Durch Verschieben der beiden Keramikkörper in Richtung der Ausbreitungsrichtung der Bleustein-Wellen läßt sich der Abstand zwischen den elektro-

ao mechanischen Wandlern 5 und 6 und somit auch die Laufzeit der Bleustein-Welle kontinuierlich verändern. In dem Uberkopplungsbereich, d. h. in dem Bereich, in dem sich die Oberflächen der Keramikkörper 11 und 22 gegenüberliegen und durch die Flüs-

»3 sigkeit voneinander getrennt sind, erfolgt die Ausbreitung der Bleustein-Wellen mit annähernd der gleichen Geschwindigkeit wi; auf der freien Oberfläche der Keramikkörper, so daß die Laufzeit dem Abstand zwischen den beiden Wandlern 5 und 6 proportional ist.

Im folgenden wird ein Beispiel für Abmessungen einer erfindungsgemäßen Anordnung, die als Verzögerungsleitung ausgebildet ist, beschrieben. Die Verzögerungsleitung ist aus den beiden Keramikkörpern 11 und 22 von jeweils 35 mm Länge aufgebaut. Die Oberflächen dieser Keramikkörper sind vorzugsweise plangeschliffen und mit optischer Qualität poliert. Die Polarisationsrichtung der Keramikkörper liegt parallel zu den Fingern der Kammelektrode und parallel zur Oberflache. Die elektromechanischen Wandler zur Erzeugung von Bleustein-Wellen bestehen beispielsweise aus jeweils 25 Fingerpaaren mit einer Fingerlänge von 3,8 mm und einer Identitätsperiode von 200 μΐη. Die Größe des Abstands zwi-

sehen den Keramikkörpern beträgt bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung etwa 1 bis 2 μίτι. Als Flüssigkeit dient vorzugsweise Glyzerin oder eine Mischung aus Glyzerin und destilliertem Wasser, da diese Flüssigkeiten den Vorteil geringer Flüchtigkeit besitzen. Durch die Kapilarwirkung des Glyzerins wird erreicht, daß der Spalt gegen die Federkraft einer Führungsmechanik, die die Körper 11 und 22 gegeneinander drückt, aufgeweitet wird. Dadurch stellt sich ein Gleichgewicht ein, und techni^ch schwer realisierbare Abstandsstege sind unnötig Mit einer wie oben angegebenen erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung wurden etwa folgende Werte erreicht: Die kürzeste Laufzeit betrug etwa 13μ?εΰ, die längste Laufzeit dagegen etwa 21 μβεε.

Die Bandbreite lag bei 0,5 MHz, die Bandmittenfrequenz lag bei etwa 11,5 MHz.

In der Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine wie oben angegebene Verzögerungsleitung dargestellt. Dabei befindet sich die Schnittebene in dem Gebiet, in dem sich die Oberflächen der Körper 11 und 22 gegenüberliegen. Die Schnittebene ist außerdem parallel zu den Fingern der Kammelektroden der Wandler 5 und 6.

Einzelheiten der F i g. 3, die bereits in den anderen Figuren beschrieben sind, tragen die entsprechenden Bezugszeichen.

In der Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Anordnung, die als Oberflächenwellen-Wanderfeldverstärker ausgebildet ist, dargestellt. In der Veröffentlichung »IEEE, Transactions on Microwave Theory and Techniques«, Vol. MTT-17, Nr. 11 (1969), S. 912 bis 920, ein Oberflächenwellen-Wanderfeldverstärker beschrieben, bei dem auf einem Körper aus Lithiumniobat, durch Abstandsstege von diesem Körper getrennt, ein weiterer Körper aus einem Halbleitermaterial aufgebracht ist. In dem Körper aus Lithiumniobat wird eine langsam laufende elektromagnetische Welle akustisch erzeugt, die von diesem Körper in den Halbleiterkörper gekoppelt und von diesem wieder zurück in den Lithiumniobat-Körper gekoppelt wird. Bei der bekannten Anordnung sind der Lithiumniobat-Körper und der Halbleiterkörper durch einer Luftspalt voneinander getrennt. ErfindungsgemäE wird vorgeschlagen, den Abstand zwischen dem HaIbleiterkörper und dem piezoelektrischen Körper mil einer hochdielektrischen Flüssigkeit auszufüllen. Ir der F i g. 4 ist der Halbleiterkörper mit dem Bezugszeichen 222 versehen. Der piezoelektrische Körper, der vorzugsweise aus Keramik besteht und auf dessen

ίο Oberfläche gemäß einem Merkmal der Erfindung Bleustein-Wellen erzeugt werden, trägt das Bezugszeichen 111. Einzelheiten der Fig. 4, die bereits in den anderen Figuren beschrieben sind, tragen die entsprechenden Bezugszeichen.

Mit Hilfe der Spannungsquelle 8 und der Metallisierungen 7 wird das zur Verstärkung notwendige Drift-Feld an den Halbleiterkörper 222 angelegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Überkoppeln elektrischer Wechselfelder zwischen zwei mit geringem Abstand einander gegenüberliegend angeordneten Körpern, von denen wenigstens einer aus piezoelektrischem Material besteht und an wenigstens einem ein elektromechanischer Wandler zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ein Bleustein-Wellen erzeugender Wandler ist und daß der Zwischenraum zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Körpern von einer eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisenden Flüssigkeit ausgefüllt ist, deren Viskosität ausreichend gering ist, um eine mechanische Überkopplung der Wechselfelder weitgehend zu verhindern.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als piezoelektrisches Material piezoelektrische Keramik vorgesehen ist, wobei die Polarisationsrichtung der Keramik parallel zur Wellenfront einer in der Keramik erzeugten Bleustein-Welle ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als piezoelektrisches Material Wismutgermaniumoxyd vorgesehen ist, wobei der Kristallabschnitt so gewählt wird, daß in dem Material Bleustein-Wellen erzeugbar sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall in der (HO)-Ebene geschnitten ist und daß die Ausbreitungsrichtung der Bleustein-Welle die Richtung [ITO] ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler ein Intcrdigital-Wandler ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit Glyzerin, destilliertes Wasser, Azeton oder eine Mischung aus Glyzerin und destilliertem Wasser vorgesehen ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ihre Verwendung als Verzögerungsleitung, wobei beide Körper aus piezoelektrischem Material bestehen und in Richtung der Ausbreitung der Bleustein-Wellen gegeneinander verschiebbar sind und wobei an jedem Körper jeweils ein elektromechanischer Wandler angeordnet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ihre Verwendung als Oberflächenwellen-Wanderfeldverstärker, wobei der zweite Körper aus einem Halbleitermateria' besteht und an dem piezoelektrischen Körper zwei elektromechanische Wandler angebracht sind.