DE2238925C2

DE2238925C2 - Akustisches oberflaechenwellenwandlersystem

Info

Publication number: DE2238925C2
Application number: DE2238925A
Authority: DE
Inventors: Carmine F. Greenlawn N.Y. Vasile
Original assignee: Hazeltine Corp
Current assignee: BAE Systems Aerospace Inc
Priority date: 1971-08-09
Filing date: 1972-08-08
Publication date: 1984-03-08
Also published as: GB1369884A; NL181542C; CA952233A; DE2238925A1; JPS56969B2; US3760299A; NL7210572A; FR2149975A5; JPS4826452A

Description

Die Erfindung betrifft einen geschichteten elektromechanischen Wandler zur Aussendung bzw. zum Empfang von akustischen Oberflächenwellen, der aus einem piezoelektrischen Substrat, einer Elektrodenanordnung mit einer InterdigitaUtruktur und einer dielektrischen Schicht besteht.

Elektromechanische Wandler zum Aussenden bzw. zum Empfangen von akustischen Oberfiächenwellen sind in neuerer Zeit bei vielen nützlichen und praktischen Einrichtungen verwendet worden, wie Impulskompressionsfiltern, Verzögerungsleitungen und angepaßten Filtern (matched-filters). Die Physik der akustischen Oberflächenwellenausbreitung gestattet es, mit verhältnismäßig geringen Kosten im Vergleich zu entsprechenden elektronischen Filtern, Verzögerungsleitungen etc. leichtgewichtige, widerstandsfähige und kleine Einrichtungen mit kleinem Leistungsbedarf herzustellen.

Ein spezielles Problem, das bei bekannten elektromechanischen Wandlern für akustische Oberflächenwellenanordnungen bisher nicht gelöst worden ist, besteht jedoch darin, daß die Wandler, welche Energie in das Substrat einkoppeln oder aus diesem auskoppeln ein Hindernis für die sich auf dem Substrat ausbreitenden Wellen darstellen. Dieses Problem tritt insbesondere dann in den Vordergrund, wenn der Wandler interdigitale Elektroden aufweist, die aus einer Anzahl längs der Oberfläche des Substrats angeordneter und durch eine gemeinsame Sammelschiene (wie es bei solchen Verzögerungsleitungen mit Abgriffen üblich ist) miteinander verbundener Finger bestehen, weil jeder dieser Finger für die sich ausbreitende Oberflächenwelle ein periodisches Hindernis darstellt und beträchtliche Streuungen der Oberflächenwellen sowie Reflexionen hervorrufen kann. Beim Auftreffec der sich ausbreitenden Oberfiächenwellen auf die einzelnen Finger eines solchen Wandlers wird jedesmal eine bestimmte Energiemenge wegen der von den Fingern und deren elektrischen Anschlüssen hervorgerufenen piezoelektrischen Störung als Volumenwellen in dem Substrat zerstreut. Dies hat sowohl eine Amplituden- als auch eine Phasenverzerrung in den Ausgangssignalen zur Folge. Außerdem treten, wenn die Lastimpedanz der Sammelschienen nicht sehr niederohmig ist. bei jedem Finger Reflexionen auf, die zu einer weiteren Verzerrung der Ausgangssignale führen.

In dem Aufsatz »Analysis of Interdigital Surface Wave Transducers by Use of an Equivalent Circuit Model« aus IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques Vol.MTT-17, Nr. 11, Seiten 856 bis 864 (Nov. 1969) ist ein mathematisches Modell und ein Sechspolersatzschaltbild für die Streuung und Reflexionseigenschaften solcher elektromechanischer Wandler für Oberfiächenwellen auf piezoelektrischen Substraten angegeben. Die untersuchten elektromechanisehen Wandler weisen eine Elektrodenanordnung mit Interdigitalstruktur auf, die sich auf einem piezoelektrischen Substrat befindei, an dessen Oberfläche die akustischen Wellen entlanglaufen sollen. Es wurde dabei angenommen, daß das Substrat, beispielsweise Lithiumniobat relativ starke piezoelektrische Eigenschaften aufweist.

Bei dieser Untersuchung wurde eine Vereinfachung insoweit vorgenommen, als nur eindimensionale Vor-

gange betrachtet werden, wodurch Volumenwellen im Substrat unberücksichtigt bleiben.

Das Ergebnis dieser Untersuchung zeigt, daß sich verhältnismäßig geringe akustische Reflexionsverluste ergeben, wenn die elektrische Lastimpedanz mit der > Wandlerkapazität in Resonanz ist Andererseits ist es wiederum bekannt, daß die Verzerrungen klein gehalten werden können, wenn das Substrat nur eine kleine Piezoelektrizitätskonstante aufweist, wie etwa Quarz. In solchen Substanzen tritt keine ins Gewicht fallende w Vobimenwellenstreuung auf, während die Reflexionserscheinungen durch übliche Maßnahmen auf ein Minimum reduziert werden können. Diese Maßnahmen erwiesen sich aber für Substrate mit starken piezoelektrischen Eigenschaften als unbrauchbar. Ein spezielles Problem bei der Verwendung von Quarz (oder ähnlichen Materialien) liegt aber in dem außerordentlich großen Koppelverlust, der auf die geringe Koppelfähigkeit bzw. das geringe Kopplungsvermögen des Quarzes zurückzuführen ist -°

Aus »Applied Physis Letters« Vol. 18 Nr. 4, Seiten 111 und 112 vom 15. Februar 1971 ist ein elektromechanischer Wandler für akustische Oberflächenwellen bekannt, bei dem ein Substrat aus Lithiumniobat, also einem Material mit starken piezoelektrischen Eigen- 2i schäften verwendet wird, wobei auf das Substrat eine Schicht aus nichtpiezoelektrischem Material aufgebracht ist. Die Elektrodenanordnung zum Ein- bzw. Auskoppeln der elektrischen Energie befindet sich hierbei zwischen dem Substrat und der aufgebrachten Schicht.

Wie aus diesem Aufsatz hervorgeht, soll mit der Schicht eine Verbesserung des Kopplungsfaktors und damit eine Verbesserung des Wandlerwirkungsgrades herbeigeführt werden.

Ob die aufgebrachte Schicht darüber hinaus noch andere Eigenschaften des Wandlers verändert, kann dem Aufsatz nicht entnommen werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen geschichteten elektromechanischen Wandler zur Aussendung bzw. zum Empfang von akustischem Oberflächenwellen zu schaffen, der bei der Verwendung von Material mit einer großen Piezoelektrizitätskonstanten als Substrat nur einen geringen Einfügungsverlust, d. h. eine gute Ankopplung as das Substrat ergibt. wobei gleichzeitig Streuungs- und Reflexionserscheinungen sowie Volumenwellen weitgehend vermieden sind.

Gelöst wird diese /-Vjfgabe für einen geschichteten elektromechanischen Wandler der eingangs genannten Art mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Merkmalen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des neuen Wandlersystems ergeben sich aus den anschließenden Unteransprüchen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen elektromechanischen Wandler zur Aussendung bzw. zum Empfang von akustischen Oberflächenwellen in der Ausbildung als akustische Oberflächenwellen-Verzögerungsleitung mit Abgriffen, in Draufsicht und in schematischer Darstellung,

F i g. 2 die Verzögerungsleitung nach F i g. 1 im Längsschnitt,

F i g. 3 ein typisches Eingangssignal zur Einspeisung in eine als angepaßtes Filter (matched filter) verwendete akustische Oberflächen-Verzögerungsleitung nach Fig. 1,

io

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so F i g. 4 eine codierte Anordnung der Finger in der mit Abgriffen versehenen Verzögerungsleitung nach F i g. 1 in schematischer Darstellung, und

Fig.5 das erhaltene Ausgangssignal der Verzögerungsleitung nach F i g. 1 bei Speisung mit dem Eingangssignal nach F i g. 3.

Elektromechanische Wandler zur Erzeugung bzw. zum Empfang von akustischen Oberflächenwellen finden viele unterschiedliche Anwendungen; sie werden deshalb in verschiedenen Ausführungsformen hergestellt. So können sie zum Beispiel für angezapfte Verzögerungsleitungen, angepaßte Filter (matched filter), Impulskompressionsfilter und viele andere zweckmäßige Anordnungen Verwendung finden. Alle diese Anordnungen weisen ein Substrat, das zur Ausbreitung von Oberflächenwellen geeignet ist und einen oder mehrere elektromechanisch^ Wandler zur Ein- und Auskopplung der Energie in dieses Substrat auf.

Die Substrate für eine Oberfläc^nwellenausbreitung sind normalerweise aus piezoelektrischen Materialien hergestellt, die als Träger für eine Oberflächenwellenausbreitung in Frage kommen, unabhängig davon ob es sich um natürliche piezoelektrische Materialien, künstliche piezoelektrische Materialien (d. h. gepolte ferroelektrische Materialien) oder kombinierte Materialien handelt, die lediglich teilweise piezoelektrisch sind.

Piezoelektrische Materialien haben die Eigenschaft, daß sie unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes eine elastische Formänderung erfahren. Diese Formänderung hat die Ausbreitung von Oberflächenwellen längs des Substrats zur Folge. Bei einem gegebenen einwirkenden elektrischen Feld erfahren einige Materialien (d. h. hoch piezoelektrische Materialien) naturgemäß eine größere Formänderung als andere, so daß sie über eine größere Fähigkeit zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und umgekehrt verfügen. Die Empfindlichkeit eines speziellen Materials gegenüber einem einwirkenden elektrischen Feld wird als »Kopplungsfähigkeit« des Materials bezeichnet. Je größer diese Kopplungsfähigkeit ist, um so geeigneter ist das Material für Oberflächenwcllen-Anordnungen. Dies ist der Grund, warum Substrate :nit kleiner Piezoelektrizitätskonstante wie Quarz, bei der Verwendung in einem Oberflächenwellen-Bauteil wegen ihrer schlechten Kopplungsfähigkeit große Koppelverluste hervorrufen. Auf der anderen Seite führen Substrate mit einer großen Piezoelektrizitätskonstante wie Lithiumniobat wegen ihrer hohen Kopplungsfähigkeit zu entsprechend niedrigeren Koppelverlusten.

Zum Ein- und Auskoppeln von Energie in das Substrat werden bei allen Oberflächenwellen-Anord-,lungen ein oder mehrere elektromechanische Wandler verwendet. Während an sich solche Wandler in den verschiedensten Ausführungsformen und Konstruktionen bekannt sind, wird für Zwecke dieser Anmeldung ein Wandler als ein Element definiert, welches Energie in das wellenleitende Substrat ein- oder auskoppelt. Die Wandler können grob in zwei Klassen unterteilt werden, nämlich in solche Wandler, die öberflächenwellen in das Substrat einführen (Eingcn;j;swandler) und solche die in Abhängigkeit von dem mit der Wellenstörung wandernden elektrischen Feld einer Belastung ein Ausg_:'.ngssignal zuliefern (Ausgangswandler). Eine Oberflächenwelien-Anordnung kann deshalb viele individuelle Energiekopplungselemente (die gelegentlich als Wanderfinger, Fingerpaare oder Anzapfungen bezeichnet werden) aufweisen, welche Energie in

das Substrat ein- oder auskoppein und die in vielen verschiedenen Größen miteinander verbunden sein können. Für Zwecke dieser Anmeldung werden aber alle Elemente, die Energie in das Substrat einkoppeln, gemeinsam betrachtet und mit »Eingangswandler« bezeichnet, während alle Elemente, die Energie aus dem Substrat auskoppeln, in entsprechender Weise ebenfalls gemeinsam betrachtet und »Ausgangswandler« genannt werden.

Dies bezieht sich naturgemäß lediglich auf den für einen speziellen Anwendungszweck benutzten Wandler, weil die meisten Oberflächenwellen-Bauteile reziprok sind, so daß ein Eingangswandler eines Anwendungszweckes als Ausgangswandler eines anderen Anwendungszweckes verwendet werden kann. In einigen Fällen können sogar der Eingangs- und Ausgangswandler der gleiche Wandler sein, der dazu benutzt wird, während eines ersten Zeitintervalls

anderen Zeitintervalles Wellen aus dem Substrat zu empfangen.

Bei vielen Oberflächenwellen-Bauteilen können der eine oder beide dieser Wandler aus einer Anzahl leitender Finger bestehen, die auf einer Oberfläche des Substrats in dem Weg der Wellenstörung angeordnet sind. Diese Finger koppeln entweder ein elektrisches Feld in die Oberfläche des Substrats oder sie tasten ein in dem Substrat sich bewegendes elektrisches Feld ab. Die Finger sind in der Regel auf ein bestimmtes Signalformat abgestimmt, so daß Signale von einem Format in ein anderes umgeformt werden können; so kann zum Beispiel bei einem abgestimmten akustischen Oberflächenwellen-Filter ein Wandler auf ein einziges Impulssignal abgestimmt sein, während ein zweiter Wandler eine solche Anordnung seiner Finger aufweist, daß er auf eine codierte Impulskette anspricht Auf diese Weise kann, wie es an sich bekannt ist. die Impulskette in einen Einzelimpuls und umgekehrt umgewandelt werden. Wie bereits vermerkt, treten dort wo diese Wandler eine Anzahl solcher Finger aufweisen, unerwünschte Streuungs- und Reflexionserscheinungen auf.

Zur Veranschaulichung des Problems und der neuartigen Lösung ist in F i g. 1 eine erfindungsgemäß gestaltete Verzögerungsleitung mit Anzapfungen dargestellt.

Die Ausführungsform nach Fig. 1 weist ein rechtekkig gestaltetes Substrat 10 für die Ausbreitung von Oberflächenwellen und einen ersten sowie einen zweiten Wandler 11 bzw. 12 auf, die auf der Oberfläche des Substrats 10 beigeordnet sind und Elektrodenanordnungen mit einer Interdigitalstruktur aufweisen. An sich kann jeder der beiden Wandler als Eingangswandler betrachtet werden, da die Verzögerungsleitung reziprok ist doch sei der Einfachheit halber angenommen, daß der Wandler 11, ein üblicher Wandler, als Eingangswander verwendet sei. Damit wird der Wandler 12 als Ausgangswandler benutzt; er besteht aus einer Anzahl von Fingern 13, die jeweils in Paaren (a und b) benachbarter Finger angeordnet sind, wobei jedes Fingerpaar eine Abgriffsstelle auf der von dem Substrat 10 gebildeten Verzögerungsleitung aufweist Der Wandler 12 verfügt außerdem über zwei Sammelschienen 14a, 146, die eine gemeinsame Anschlußklemme für die Finger 13 bilden. Wenn somit ein elektrisches Signal etwa ein Impuls, dem Wandler 11 zugeführt wird, breitet sich eine diesem Impuls entsprechende Oberflächenwelle längs der Oberfläche des Substrats 10 aus. Da die Geschwindigkeit dieser Oberflächenwelle, verglichen mit der Geschwindigkeit des elektrischen Signales in einem Leiter, verhältnismäßig klein ist, trifft die Oberflachenwelle auf jedes der Fingerpaare (13a und b) in einer zeitlichen Aufeinanderfolge auf, wobei jeweiU zwischen den Fingern ein Impuls induziert wird und somit an den Ausgangsklemmen IS, 16 in an sich bekannter Weise eine Kette verzögerter Impulse entsteht.

ίο Die Polarität dieser Ausgangsimpulse ist durcn die Orientierung der Finger 13 jedes Fingerpaares (13a und b) bestimmt. Ist bei einem speziellen Fingerpaar der Finger 13a an die Sammelschiene 14a angeschlossen, während der Finger 136 mit der Sammelschiene 146 verbunden ist, so haben die zwischen den Klemmen IS, 16 auftretenden Impulse eine bestimmte Polarität. 1st aber andererseits bei dem gleichen Fingerpaar der Finger 13a mit der Sammelschiene 146 verbunden, während der Finger 13b an die S2mmc!schi?n? 14λ μ angeschlossen ist, so weisen die zwischen den Klemmen 15, 16 auftretenden Impulse die entgegengesetzte Polarität auf. Dies macht diese Anordnung zur Verwendung als angepaßtes Filter (matched filter) besonders geeignet, da der Abstand und die Orientierung der Fingerpaare derart gewählt werden können, daß sie auf einen vorbestimmten Code in an sich bekannter Weise ansprechen. Wenn zum Beispiel das Eingangssignal ein Signal mit Phasenumkehr ist. wie es in Fig.3 dargestellt ist, (wobei die eingetragenen Ziffern 1 und 0 die Polarität der Impulse des eingespeisten Signals angeben) und die Orientierung der Abgriffsstellen 13a, 136 so gewählt ist. daß sie den Ziffern 1 und 0 des Signals mit Phasenumkehr entspricht, wie dies in Fig.4 dargestellt ist, ergibt sich ein Ausgangssignal, das aus einem zugeordneten Impulsbündel besteht, wie es in Fig.5 dargestellt ist. Eine andere Codierung des Eingangssignales würde nicht zur Erzeugung des entsprechenden Ausgangssignals nach F i g. 5 führen, weit die phasenumgekehrten ■»ο Anteile des Eingangssignales nicht den Ziffern 1 und 0 der Abgriffsstellen 13 entsprechen würden.

Was bisher beschrieben worden ist, entspricht im wesentlichen bekannten Anordnungen, wobei, wie bereits vermerkt, bei Verwendung von stark-piezoelekfrischen Substanzen als Substrat 10 normalerweise Streuungs- und Reflexionserscheinungen beim Auftreffen der Wellenstörung auf jeden Finger 13 auftreten. Durch die Verwendung von gering-piezoelektrischen Substanzen, wie Quarz, als Substrat 10 könnten diese Verzerrungen bis zu einem gewissen Grad verringert werden. Die rührt daher, daß in Materialiei· mit geringen piezoelektrischen Eigenschaften Streuungserscheinungen nicht in größerem Umfang auftreten und diese außerdem dadurch auf ein Minimum reduziert werden könnten, daß einfach die Masse der Finger kleingehalten wird. Da darüber hinaus die Impedanz solcher Materialien mit geringen piezoelektrischen Eigenschaften verhältnismäßig groß ist, kann auch die Reflexionserscheinung auf ein Minimum dadurch reduziert werden, daß eine genügend kleine Lastimpedanz verwendet wird (beispielsweise dadurch, daß die Sammelschiene 14a, 146 mit Erde kurz geschlossen werden).

Derartige Lösungen funktionieren aber nicht bei &⁵ Ausbreitungsmedien mit starken piezoelektrischen Eigenschaften, wie Lithiumniobat, weil die Kopplungsfähigkeit dieser Substanzen so groß ist daß sogar kleine metallische Hindernisse (wie die Finger 13) auf dem

Substrat eine beträchtliche Streuung hervorrufen können. Da außerdem die relative Dielektrizitätskonstante des Substrats selbst hoch ist (30—40 im Fall von Lithiumniobat) wird es schwierig die Lastimpedanz der Sammelschienen 14 so klein zu machen, daß die Wirkungen der Reflexion ausgeschaltet werden. Dies rührt Jäher, daß die verteilte Induktivität der Sammelschienen und die Kapazität der Finger ein Tiefpaßfilter bilden, welches eine Spannungsänderung längs der Sammelschienen hervorruft (d. h. die Finger liegen nicht mehr parallel). Die Spannungsänderung hat zur Folge, daß das erwähnte Kurzschließen zur Verringerung der Reflexion nicht in Frage kommt.

Um die niedrigen Einfügungsverluste einer stark-piezoelektrischen Substanz auszunützen und dennoch nicht die normalerweise auftretende starke Verzerrung in Kauf nehmen zu müssen, wäre es erwünscht, ein

ZüSämincrigcSctZicS material Zu näucn, uäS äliS ucFi

angestrebten Vorteilen sowohl gering- als auch stark-piezoelektrischer Substanzen besteht. Es wurde gefunden, daß dies dadurch erreicht werden kann, daß die Finger 13 von dem Substrat 10 durch ein dielektrisches Material getrennt werden, wie etwa durch eine verhältnismäßig dünne dielektrische Schicht 17, die in der Ausführungsform nach F i g. 1 durch Punkte angedeutet und in der Darstellung nach F i g. 2 deutlicher veranschaulicht ist (in F i g. 2 ist die Dicke der Schicht jedoch der besseren Klarheit wegen stark übertrieben dargestellt). Die Schicht 17 ist unmittelbar auf Jer Oberfläche des Substrats 10 angeordnet, während der Wandler 12 unmittelbar auf der Schicht 17 sitzt und deshalb durch diese von dem Substrat 10 getrennt ist.

Wenn auch bei der Ausführungsform nach F i g. 1 die Schicht 17 lediglich unter dem Ausgangswandler 12 liegend dargestellt ist. so kann die Schicht 17 doch zur Verringerung der Verzerrung auf ein Minimum entweder lediglich unter einem oder aber unter beiden Wandlern 11, 12 vorgesehen sein. Dies ist besonders dann zweckmäßig, wenn beide Wandler eine Anzahl von Finger aufweisen. Bei der Ausführungsform nach Fi g. 1 ist die Schicht 17 jedoch lediglich auf dem Teil des Substrats 10 vorgesehen, welcher den Wandler 12 trägt, um damit Verzerrungen in diesem Wandler auf ein Minimum zu reduzieren und gleichzeitig die Kopplungsfähigkeit des Wandlers 11 maximal zu erhöhen.

Die dielektrische Schicht 17 bildet zusammen mit dem Wandler 12 ein neuartiges Wandlersystem, über das Energie in das Substrat 10 eingekoppelt und aus diesem ausgekoppelt werden kann. Die dielektrische Schicht 17 hat einen zweifachen Zweck. Das Material dieser Schicht 17 kann erstens derart gewählt werden, daß es im Vergleich zu dem Substrat 10 eine kleinere relative Dielektrizitätskonstante aufweist Dadurch wird nämlich eine in Reihe liegende Kapazität zwischen dem Substrat 10 und den Fingern 13 eingefügt, die die Finger 13 etwas von dem Substrat 10 entkoppelt und dadurch den Impedanzwert des Substrats bezüglich der Finger 13 und der Sammelschienen 14 anhebt Die Sammelschienen 14 können deshalb nunmehr, ebenso a!s wenn Quarz für das Substrat 10 verwendet worden wäre, in einfacher Weise belastet oder elektrisch kurz geschlossen werden, um damit Reflexionserscheinungen auf ein Minimum zu reduzieren oder ganz auszuschalten (die über die Sanunelschienen kommenden Signale können dennoch verwertet werden, weil der Kurzschlußstrom gemessen und falls notwendig verstärkt werden kann). Durch Benutzung der Erfindung können somit trotz der Verwendung eines stark-piezoelektrischen Substrats 10 Reflexionen auf ein Minimum reduziert werden.

Ein zweiter Zweck des Mlaterials der Schicht 17 besteht darin, Wellenstreuungen auf einen Minimalwert zu verringern, die normalerweise dann auftreten, wenn die in dem Substrat 10 sich ausbreitenden Oberflächenweiten auf die von den Fingern 13 gebildeten metallischen Hindernisse auftreffen. Um dies zu erreichen, kann das Material der Schicht 17 derart to ausgewählt werden, daß es eine kleine Piezoelektrizitätskonstante aufweist, so daß die Finger 13 von dem Substrat 10 durch ein Material getrennt sind, das, wie Quarz, an der Stelle des Hindernisses keine so großen Wellenstreuungen auftreten läßt, wie ein stark-piezoelektrisches Material. Durch die Schicht 17 werden die Finger auch etwas über die Oberfläche des Substrats 10 angehoben und damit auch etwas über das mit der Welle wöndcrüdc elektrische Feid, wodurch eine weitere Entkopplung der Finger von dem Substrat 10 und eine

Vergrößerung der Wirksamkeit des Wandlersystems

(das durch das Material der Schicht 17 und den Wandler 12 gegeben ist) zur Verringerung der Streuungen und

Reflexionen auf ein Minimum erzielt werden. An sich sind mehrere Wege zur Trennung der Finger

13 von dem Substrat 10 möglich; der herstellungsmäßig einfachste Weg ist in F i g. 1 veranschaulicht, wo eine verhältnismäßig dünne gleichmäßige dielektrische Schicht 17 unmittelbar auf der Oberfläche des Substrats 10 (beispielsweise durch Vakuumauftrag) und die Finger 13 auf der Schicht 17 (beispielsweise durch Fotoätzung) angeordnet sind. Diese Anordnung führt zu einem Wandlersystem, das eine gleichmäßige Entkopplung jedes Fingers ergibt. Die Schicht 17 ist vorzugsweise verhältnismäßig dünn im Vergleich zu der Wellenlänge der Oberflächenwelle, um damit sicherzustellen, daß die Schicht 17 nicht ihrerseits durch Streuung der sicn ausbreitenden Welle Verzerrungen hervorruft. Durch eine dünne Ausführung der Schicht 17 wird auch sichergestellt, daß selbst wenn die Schicht 17 im Vergleich mit dem Substrat 10 eine kleine relative Dielektrizitätskonstante und eine geringe Piezoelektrizitätskonstante aufweist, keine unzulässige Erhöhung des Einfügungsverlustes auftritt

Es wurde gefunden, daß Schichten in der Stärke von

etwa zwischen '/» und ¹As einer Wellenlänge der sich ausbreitenden Oberflächenwellen eine ausreichende Entkopplung ergeben, wenn als Substrat 10 Lithiumniobat (relative Dielektrizitätskonstante etwa 30—40) und als Material 17 Silicium-Monoxid (relative Dielektrizi tätikonstante etwa 4) Verwendung finden. Hierbei wird keine nennenswerte Verzerrung des Signals oder Zunahme des Einfügungsverlustes hervorgerufen. Abhängig von dem jeweils verwendeten Substrat 10, der Größe des tragbaren Einfügungsverlustes und der Größe der jeweils zulässigen Wellenstreuung und der Reflexion können naturgemäß unterschiedliche Dicken oder Materialien für die Schicht 17 verwendet werden, die ein unterschiedliches Maß der Entkopplung ergeben. Wichtig bei der Wahl der Materialien und der

so Schichtdicke ist, daß mit zunehmender Schichtdicke auch die Gefahr wächst, daß die Schicht Verzerrungen des Signals hervorruft und außerdem den Einfügungsverlust erhöht Es sollte deshalb zur Erzielung bester Ergebnisse eine Schicht verwendet werden, die so dünn ist, daß sie eine ausreichende Entkopplung ergibt In den meisten Fällen ergeben Schichten mit einer Dicke von weniger als einer halben Wellenlänge annehmbare Ergebnisse.

Wenn auch in F i g. 1 das dielektrische Material als gleichmäßige Schicht veranschaulicht ist, so ist dies doch kein notwendiges Erfordernis der Erfindung. Die Schicht 17 kann auch eine ungleichmäßige Dickenverteilung aufweisen, um eine ungleichmäßige Entkopplung zu erzielen, wie es alternativ auch möglich ist, die Schicht überhaupt zwischen Fingerpaaren wegzulassen oder lediglich unter den Fingern vorzusehen. Diese Ungleichmäßigkeiten der Schicht 17 können aber ihrerseits zu Wellenstreuungen führen; sie sollten deshalb so klein wie möglich gehalten werden.

Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß die beschriebene Erfindung insbesondere dann nützlich ist, wenn das Substrat für die Ausbreitung der Oberflächenwellen eine hohe Piezoelektrizitätskonstante aufweist, weil diese es gestattet, die Reflexionen und die Streuungen auf ein Minimum zu reduzieren, ohne daß dafür andere Vorteile der hochaktiven Substanzen (d. h. der niedrige Einfügungsveriust) geopfert werden müssen; es versteht sich aber, daß die Erfindung auch bei allen anderen Arten von Substraten verwendet werden kann, wobei ähnliche Resultate bei weniger aktiven Materialien, die an sich mit Nachteilen behaftet sind, erzielt werden. Dies gilt insbesondere bei Vorhandensein einer großen Anzahl von Fingern in dem Wandler, wodurch die Reflexionen selbst bei gering-piezoelektrischen Substraten zu einem ernsten Problem werden.

Das nachfolgende Ausführungsbeispiel dient zur Veranschaulichung eines typischen, aus einer angezapften Verzögerungsleitung bestehenden angepaßten Filters (matched filter), das gemäß der Erfindung hergestellt und betrieben wurde. Die nachfolgenden Angaben sollen lediglich zur Veranschaulichung benützt werden.

1. Substrat aus —rechteckige Platte aus Litniumniobat.

2. Anzahl der Fingerpaare im Ausgangswandler — 255.

3. Material der Fingerpaare — 80 nm Kupfer (bei Verwendung von höheren Frequenzen kann Aluminium geeigneter sein).

4. Frequenz des Eingangssignals — 60 MHz.

5. Bitrate — 10 M bit pro Sekunde.

6. dielektrische Schicht — 30.00 nm dick aus Silicium-Monoxid, welche die Fingerpaare des Ausgangs · wandler von dem Substrat 10 trennt abei keine Trennung des Eingangswandlers von dem Substrat 10 bewirkt.

Die beschriebene Anordnung hat, wie festgestellt wurde, das durch Streuung und Reflexion bedingte Problem bei einem eine Verzögerungsleitung mit Abgriffen aufweisenden angepaßten Filter (matched filter) praktisch vollständig gelöst, wobei sich ein Kopplungsverlust von etwa 2 dB (bei einem an die Abgriffsstellen der Verzögerungsleitung angepaßten Eingangssignal) ergab, im Vergleich zu etwa 48 dB bei einem ähnlichen Filter, welches Quarz als Substrat ohne die neuartige Einfügung der dielektrischen Schicht verwendet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Geschichteter elektromechanischen Wandler zur Aussendung bzw. zum Empfang von akustischen Oberflächenwelle!!, der aus einem piezoelektrischen Substrat, einer Elektrodenanordnung mit einer · Interdigitalstruktur und einer dielektrischen Schicht besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (17) zwischen dem piezoelektrischen Substrat (10) und der Elektrodenanordnung (13,14) angeordnet ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (17) im Vergleich zu dem Substrat (10) eine kleine Dielektrizitätskonstante aufweist. '5

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der dielektrischen Schicht (17) im Vergleich mit dem Substrat (10) eine kleine Piezoelektrizitätskonstante aufweist

4. Wanoier nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet. daß das Material der dielektrischen Schicht (17) im Vergleich zu dem Substrat (10) eine verhältnismäßig kleine Dielektrizitätskonstante und eine kleine Piezoelektrizitätskonstante aufweist.

5. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der unmittelbar auf dem Substrat (10) liegenden dielektrischen Schicht (17) im Vergleich zu der Wellenlänge der in dem Substrat (10) sich ausbreitenden Oberflächenwellen gering ist.

6. Wandln nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dielektrischen Schicht (17) kleiner als die halbe Wellenlänge und gleichförmig ist und daß er eine gleichmäßige ICoppIungsfä · higkeit für alle Finger (13) der Elektrodenanordnung aufweist.

7_ Wandler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) aus iithium-Nicbat und die dielektrische Schicht (17) aus Silicium-Monoxid ist und daß die dielektrische Schicht (17) eine Dicke von etwa zwischen '/» und '/is der Wellenlänge der in dem Substrat sich ausbreitenden Oberfiächenwellen aufweist

8. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer als angepaßtes Filter (matched filter) verwendbaren akustischen Oberflächenwellen-Verzögerungsleitung mit Abgriffen, ivobei auf dem Substrat zumindest ein erster und ein zweiter elektromechanischer Wandler angeordnet sind, von denen zumindest einer eine Anzahl von Fingerpaaren aufweist, die der Anzahl der Abgriffe auf dem Substrat entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der unmittelbar auf einem Teil des Substrates (10) liegenden dielektrischen Schicht (17) im Vergleich zur Wellenlänge der in dem Substrat (10) sich ausbreitencsn Oberfiächenwellen klein ist und im Vergleich zu dem Substrat (10) eine kleine Piezoelektrizitäts- 5 und Dielektrizitätskonstante aufweist.