DE2244184A1 - Verstaerker fuer gefuehrte elastische wellen - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. Egon Prinz _{β000 MOnchan 60ι} 7.September 1972

Df. Gertrud HaUSer Ernsbsrgerttrassei?

Dipl.-Ing. Gottfried Leiser

Patentanwälte

Telegramme! Labyrinth München

Telefon: 83 15 10 2244184

Poitscheckkonto: München 117078 *- *_ -τ τ ^ Unser Zeichen; T 1263

THOMSON-CSF

173.Bd.Haussmann

Paris 8e, Frankreich

Verstärker für geführte elastische Wellen

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an Verstärkern für geführte elastische Wellen, insbesondere im Hinblick auf eine leichtere Herstellung und die Möglichkeit, jede Art von geführten Wellen, insbesondere Oberflächenwellen zu verstärken bzw. zu dämpfen.

Bei den meisten Vorrichtungen mit geführten elastischen Wellen wird eine Verstärkung erreicht ₉ wenn eine Wechselwirkung der elastischen Wellen mit Raumladungsträgern auftritt, die sich in der gleichen Richtung längs eines Weges verschieben, der mit dem Führungsweg der Wellen zusammenfällt oder diesem überlagert ist. Die Verstärkung tritt auf, wenn die Verschiebungsgeschwindigkeit der Ladungsträger größer als die Geschwindigkeit der elastischen Welle ist. Der entgegengesetzte Fall entspricht einer Dämpfung dieser Welle.

Von den bekannten Anordnungen, die auf diesem Prinzip beruhen, insbesondere denen, die zur Verstärkung akustischer Oberflächenwellen verwendet werden, besteht eine

309811/0879

aus einem Substrat, das zugleich piezoelektrisch und halbleitend ist und an dessen Oberfläche ein elektroakustischer Eingangswandler und ein akustoelektrischer Ausgangswandler angeordnet ist, die einen WellenfUhrungsweg bestimmen. Auf diesem Weg sind außerdem Elektroden angeordnet, an die eine Gleichspannung einstellbarer Größe angelegt wird. Da das piezoelektrische Substrat auch halbleitend ist, wird ein Ladungsträgerstrom auf dem Teil des Weges erzeugt, der zwischen den Elektroden liegt. Durch Änderung der Größe der angelegten Gleichspannung kann man dieVerschiebegeschwindigkeit der Ladungsträger und damit den Verstärkungsfaktor der Anordnung ändern. Es tritt nämlich eine Wechselwirkung zwischen den akustischen Wellen und den angetriebenen Ladungsträgern auf, die einen Teil ihrer Energie abgeben. Diese Anordnung ist jedoch zur Verstärkung digpersiver Wellen kaum geeignet. Außerdem gibt es kein Material, das zugleich optimale Eigenschaften eines piezoelektrischen und eines halbleitenden Materials aufweist.

Dieser letzte Nachteil tritt bei Anordnungen nicht auf, bei denen das piezoelektrische Substrat und das Halbleitermaterial übereinander angeordnet und durch eine Luftschicht getrennt sind. Da die Dicke dieser Luftschicht sehr gering, z.B. weniger als 500 Ä bei 100 MHz und Weniger als 50 Ä bei einem GHz sein muß, ist diese Anordnung in der Frequenz begrenzt und ihre Herstellung ist schwierig und mühsam. Außerdem ist sie zur Verstärkung dispersiver Wellen kaum geeignet , ebensowenig wie für die Verstärkung von Grenzschichtwellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen.

309811/0879

22U18A

Gemäß der Erfindung wird der Weg, längs dem sich die Raumladungsträger des Verstärkers verschieben, von dem Ausbreitungsweg der elastischen Wellen verschieden gewählt, wobei leitende Querbänder die Kopplung zwischen diesen beiden Wegen herstellen.

Nach der Erfindung ist ein Verstärker für geführte elastische Wellen, bei dem sich die Wellen in einem feompressiblen Feststoff zwischen einem Eingangswandler für das zu verstärkende Signal und einem Äusgangswandler für den Verbraucher ausbreiten und mit einer Raumladungsträgerwelle in Wechselwirkung treten, die .in einem Halbleitermaterial in Gegenwart eines elektrischen Ladungsträgertreiberfeldes erzeugt wird, das mittels Elektroden hervorgerufen wird, die von einer einstellbaren Gleichstromquelle gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker einerseits zwischen den Wandlern und andrerseits zwischen den Elektroden leitende Bänder aufweist, die im wesentlichen senkrecht zu dem Führungsweg der elastischen Wellen und dem Ausbreitungsweg der Ladungsträger und an ihren jeweiligen Schnittstellen mit diesen Wegen paralleLzueinander verlaufen, wobei diese Bänder die Kopplungselemente zwischen den Wellen bilden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert . Es zeigen:

Fig.1 eine perspektivische Darstellung eines Verstärkers für elektroakustische Oberflächenwellen gemäß der Erfindung,

Fig.2 eine perspektivische Darstellung eines Verstärkers mit einem Teil aus übereinander angeordneten Materialien gemäß der Erfindung,

309811/0879

22AA18A

Fig.3 eine perspektivische Darstellung eines Verstärkers für elektroakustisch Oberflächenwellen in einer Abwandlung der Ausführungsform der Fig.1,

Fig.4 eine perspektivische Darstellung eines Verstärkers für elektroakustisehe Oberflächenwellen in einer weiteren Ausführungsform und

Fig.5 eine perspektivische Darstellung eines Verstärkers für elektroakutische Oberflächenwellen gemäß der Erfindung zur Verstärkung gekoppelter Wellen.

Ein er±es Ausführungsbeispiel eines Verstärkers für geführte elastischeWellen, im vorliegenden Fall von elektroakustischen Oberflächenwellen ist perspektivisch in Fig.1 gezeigt. Um das Verständnis dieser Figur zu erleichtern, sind die verschiedenen Bauteile des Verstärkers willkürlich vergrößert dargestellt.Der Verstärker besteht aus einem piezoelektrischen Substrat 1,z.B. aus Quarz oder Lithiumniobat, dessen Führungsfläche an einem Ende einen elektroakustischen Eingangswandler 2 aufweist, der von einer elektrischen Signalquelle 3 gespeist wird, und am anderen Ende einen akustoelektrischen Ausgangswandler 4 , der eine Ausgangslast 5 speist. Die Wandler 2 und 4, die z.B. nach Art ineinandergreifender Kämme aufgebaut sind, bestimmen einen Weg C ,

längs dem die erzeugten akustischen Wellen von der Oberfläche des Substrats 1 geführt werden.

Der Verstärker weist außerdem einen Kristall 6 aus Halbleitermaterial, z.B. Silizium, Germanium oder Galliumarsenid auf, dessen Oberseite zwei Elektroden 7 trägt, die mit einer Gleichspannungsquelle 8 verbunden sind, die mittels einer

3 09811/0879

Einstellvorrichtung 9 einstellbar ist. Die beiden Elektroden 7 bestimmen einen Weg C₂» längs dem sich die von der Gleichspannungsquelle 8 erzeugten Raumladungsträger verschieben. Bei einer derartigen Ausführungsform sind die Kristalle 1 und 6 vorteilhafterweise derart nebeneinander angeordnet, so daß die Wege C, und C₂ in einer Ebene liegen. Eine Kopplung zwischen den beiden Wegen wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß in deren gemeinsamer Ebene und senkrecht zu den beiden Wegen C* und C₂ parallele leitende Bänder angeordnet werden. Diese Bänder bestehen z. B. aus Aluminium oder Gold und werden vorteilhafterweise durch Fotogravierung gebildet. Der das piezoelektrische Substrat 1 von dem Halbleiterkristall 6 trennende Raum ist vorzugsweise mit einem isolierenden Harz oder einem durch Katodenzerstäubung abgelagerten Glassteg gefüllt, auf dem die leitenden Bänder 1,0 aufliegen. Außerhalb der Wege C₁ und C₂ kann der Umriß der Bänder 10 beliebig sein. Innerhalb des Weges C^ verläuft der Umriß parallel zu den Wellenflächen der akustischen Wellen, während er im Inneren des Weges C₂ parallel zu den Elektroden 7 verläuft, die nicht notwendigerweise gerade sind. Der Abstand zwischen benachbarten Bändern 10 ist nicht notwendigerweise konstant, aber vorteilhafterweise kleiner als die halbe Wellenlänge einer akustischen Welle gewählt, ebenso wie die Breite der Bänder 10. Die Dicke der Bänder 10 ist vorzugsweise kleiner als ein Zehntel der Wellenlänge einer akustischen Welle, insbesondere in der durch den Weg C,, bestimmten Zone.

Wenn ein elektrisches Feld an die Elektroden 7 angelegt wird, rufen die leitenden Bänder 10 eine Wechselwirkung zwischen dem so erzeugten Strom von Ladungsträgern und den akustischen Wellen hervor. Hierdurch wird je nach der Größe dieses Feldes eine Verstärkung bzw. eine Dämpfung der akustischen Wellen hervorgerufen.

309811/0879

Eine weitere Ausführungsform eines Verstärkers gemäß der Erfindung ist perspektivisch in Fig.2 gezeigt. Er unterscheidet sich von demjenigen von Fig.1 dadurch, daß das Halbleiterkristall 6 auf dem piezoelektrischen Kristall 1 angeordnet ist.Die Wege C₁ und Cg bleiben dennoch seitlich getrennt und sind durch leitende Bänder gekuppelt.

In Fig.2 ist das Halbleitermaterial 6, das die Bänder bedeckt, in Form einer dünnen Schfcht z.B. durch ein Vakuumaufdampfverfahren auf einem piezoelektrischen Substrat ausgebildet . Es ist Jedoch auch möglich, das piezoelektrische Material in Form einer dünnen Schicht auf einem Substrat eines Halbleitermaterials 6 anzuordnen. In beiden Fällen wird vorteilhafterweise eine dünne Schicht 11 aus isolierendem Material, z.B. Glas,zwischen diesen beiden Materialien derart angeordnet, daß jede störende Viechseiwirkung vermieden wird. Wenn man außerdem einen größeren Spielraum für die Wahl der Art dieser Materialien 1 und 6 haben will, kann man sich damit zufrieden geben, sie durch Druck des einen auf das andere in Berührung zu halten.

Es ist bekannt, daß der elektronische Verstärkungsfaktor eines Verstärkers von mehreren Parametern wie u.a. dem spezifischen Widerstand des Halbleitermaterials 6 und der Beweglichkeit der Ladungsträger, die sich in diesem Material verschieben, abhängt, und daß jede Änderung der an die Elektroden 7 angelegten Gleichspannung eine entsprechende Änderung der Größe des Verstärkungsfaktors hervorruft.

Die erfindungsgemäße Anwendung einer Kopplung durch leitende Bänder 10 zv/ischen dem akustischen Weg C- und dem elektronischen Weg C2 bietet weitere Möglichkeiten, auf die Größe des elektronischen Verstärkungsfaktors einzuwirken.

309811/0879

22Α4Ί84

Ändert man die aktive Länge der leitenden Bänder 10, d.h. hauptsächlich die Schnittfläche mit dem Weg C₂* so erhält man eine künstliche Änderung des spezifischen Widerstandes des Halbleitermaterials 6, was eine entsprechende Änderung des Verstärkungsfaktors der Anordnung hervorruft.

Um bei einer üblichen Anordnung einen bestimmten elektronischen Verstärkungsfaktor zu erhalten, ist es notwendig, an die Elektroden.7 eine Gleichspannung solcher Größe anzulegen, daß die Geschwindigkeit der Ladungsträger etwas größer als die Geschwindigkeit der zu verstärkenden elastischen Welle ist. Diese Spannungen sind im allgemeinen erheblich, so daß Probleme hinsichtlich der Verwirklichung und der Verwendung auftreten. Gemäß der Erfindung ermöglicht es die Verwendung von leitenden Bändern 10 zur Kopplung der Wege C, und C₂ der akustischen Wellen und der Ladungsträger, die Größe dieser Spannung zu vermindern.

Wie die Oberansicht der Fig.3 zeigt, besteht ein erstes Mittel darin, daß eine geometrische Ähnlichkeit im Verhältnis k zwischen den Wegen C,, und C₂ vorgesehen wird, was darauf hinauskommt, daß die Breite ebenso wie der Abstand der leitenden Bänder 10 auf dem Weg C₂ k mal kleiner sind als auf dem Weg Cj. Man erhält dann eine Verstärkung, sobald die Geschwindigkeit der Ladungsträger etwas größer als ein k-tel der Geschwindigkeit der elastischen Welle ist. Dies entspricht einer Verminderung der zu dieser Verstärkung notwendigen Gleichspannung im Verhältnis k.

Ein gleichwertiges Ergebnis erhält man, wenn man gleiche leitende Bänder verwendet,der Abstand konstant ist, in welchem Fall räumliche Oberwellen der elastischen Welle

3098 11/087 9

und der Ladungsträgerwelle auftreten. Man nutzt also die Wechselwirkung der elastischen Welle mit einer räumlichen Oberwelle höherer Ordnung der Ladungsträgerwelle aus, deren Geschwindigkeit geringer als diejenige der elastischen Welle ist.

Man kann auch in bekannter Weise die Größe der Gleichspannung vermindern, indem man eine Anordnung ähnlich derjenigen von Fig.4 verwendet, bei der der Ausbreitungsweg C« in mehrere Abschnitte unterteilt ist, bei dem gewählten Beispiel in drei Abschnitte. Jeder Abschnitt wird von einem anderen Kristall 61, 62, 63 aus dem gleichen Halbleitermaterial getragen, an das das elektrische Treiterfeld der Träger angelegt wird, das von einer oder mehreren Gleichspannungsquellen 81, 82, 83 erzeugt wird.

Das Schema der Fig.5 zeigt einen Verstärker für gekoppelte Wellen. Bei diesem Verstärker dient ein einziger Ausbreitungsweg C2 für Ladungsträger zur Steuerung der Geschwindigkeit der akustischen Wellen, die durch mehrere Wege Cj^, CL2» beim gewählten Beispiel zwei Wege, geführt werden, die von der Oberfläche des gleichen piezoelektrischen Substrats getragen werden. Jeder dieser Wege C**, CVp wird durch getrennte Sendeeinrichtungen 21, 31 und 22, 32 und Empfangseinrichtungen 41, 51 und 42, 52 bestimmt.

Wenn diese Wege von verschiedenen piezoelektrischen Kristallen getragen v/erden und die sich ausbreitenden Wellen unterscnfedliche Geschwindigkeiten haben, erhält man eine Verstärkung , wenn man den Abstand der leitenden Bänder für jeden Weg im Verhältnis dieser Geschwindigkeiten wählt.

3 0 9811 /0879

Es wurden leicht herzustellende Anordnungen beschrieben, die in der Lage sind, jede Art von elastischen Oberflächenwellen zu verstärken, vor allem aufgrund der seitlichen Trennung der Wellenführungswege C, und der Ladungsträgerausbreitung swege Cp und der Zugänglichkeit der Wege, insbesondere der Wellenführungswege C.. Wenn man nämlich auf dem Weg C* eine Schicht aus einem Material mit geringerer Schallgeschwindigkeit als die des Substrats, z.B. aus Glas, anordnet, macht man die akustische ^T,-.^relle dispersiv, und man erhöht den piezoelektrischen Kopplungsfaktor. Eine derartige WeIHe kann mittels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung verstärkt werden. Man kann auch eine Welle des "Grenzschicht"-Typs verstärken.

Diese Anordnurgsart ermögl icht es außerdem, ohne Schwierigkeit hinsichtlich der Kompatibilität das piezoelektrische Material zu wählen, das die günstigsten'Eigenschaften hinsichtlich geringer akustischer Verluste und eines großen piezoelektrischen Kopplungsfaktors hat, ebenso wie das Halbleitermaterial, das eine erhebliche Ladungsträgerbeweglichkeit ergibt, einen optimalen spezifischen Widerstand hat und eine minimale Versorgungsspannung erfordert.

Die beschriebenen Anordnungen können nicht nur zur Verstärkung akustischer Wellen, sondern auch für andere geführte elastische Wellen verwendet werden. Ersetzt man das piezoelektrische Substrat 1 durch ein magnetoelastisches Substrat, z.B. aus Eisen-Yttrium-Granat und verwendet man geeignete Wandler, dann ist es möglich, magnetoelastische Wellen zu verstärken.

Patentansprüche 30981 1 /0879

Claims (13)

Patentansprüche

1. Verstärker für geführte elastische fellen, bei dem sich die Wellen in einem kompressiblen Feststoff zwischen einem Eingangswandler für das zu verstärkende Signal und einem Ausgangswandler für den Verbraucher ausbreiten und mit einer Raumladungsträgerwelle in Wechselwirkung treten, die in einem Halbleitermaterial in Gegenwart eines elektrischen Ladungsträgertreiberfeldes erzeugt wird, das mittels Elektroden hervorgerufen wird, die von einer einstellbaren Gleichstromquelle gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (Fig.1) einerseits zwischen den Wandlern (2, 4) und andererseits zwischen den Elektroden (7)) leitende Bänder (10) aufweist, die im wesentlichen senkrecht zu dem Führungsweg der elastischen Wellen (Cj) und dem Ausbreitungsweg (Cp) der Ladungsträger und an ihren jeweiligen Schnittstellen mit diesen Wegen parallel zueinander verlaufen, wobei diese Bänder die Kopplungselemente zwischen den Wellen bilden.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Bänder (10), die in einer gleichen Ebene parallel angeordnet sind, mit ihrem Umriß parallel zu den Wellenflächen der elastischen Wellen innerhalb des entsprechenden Weges (Cj) und parallel zu den Elektroden (7) innerhalb des Ladungsträgerwellenweges (C₂) verlaufen, wobei dieser Umriß außerhalb der Wege beliebig ist, und daß der Abstand benachbarter Bänder und die Breite dieser Bänder kleiner als eine halbe Wellenlänge der elastischen Welle und ihre Dicke kleiner als ein Zehntel der Wellenlänge ist.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

der kompressible Feststoff ein piezoelektrisches Substrat (1)

3098 1 1/0879

ist, das seitlich von dem Halbleitersubstrat (6) getrennt ist, und daß der Zwischenraum zwischen den beiden Substraten mit einem isolierenden Material gefüllt ist, auf dem die leitenden Bänder (10) aufliegen, die aus Gold oder Aluminium bestehen und durch Fotogravierung aufgebracht sind.

4. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsmaterialien (1 und 2) der Wellen übereinander liegen (Fig.2) und die leitenden Bänder (10) aufweisen, die außerhalb der Berührungszone der Materialien den seitlich getrennten Weg (C^) der elastischen Welle kreuzen.

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem konstanten elektrischen Treiberfeld die mit der Oberfläche des Weges der Ladungsträgerwellen (Cp) in Berührung stehende aktive Länge der leitenden Bänder (10) unterschiedlich gewählt wird, wobei die entsprechende Änderung des spezifischen Widerstandes des Halbleitermaterials (6) es ermöglicht, eine entsprechende Änderung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers zu erhalten.

6. Verstärker nach Anspruch 1 und 2, bei dem die an die Elektroden angelegte Gleichspannung vermindert ist, dadurch gekennzeichnet,daß <χ±_β Breite und der Abstand der leitenden Bänder (10) auf dem Ladungsträgerwellenweg (C₀) k mal kleiner als auf dem Weg (C₁) der elastischen Vieilen ist, wobei das Ähnlichkeitsverhältnis k zwischen den Wegen eine Verminderung der für die Verstärkung erforderlichen Gleichspannung im Verhältnis k ermöglicht, wenn die Geschwindigkeit der Ladungsträger größer als ein k-tel der Geschwindigkeit der elastischen Welle wird.

3098 11/0879

7. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die an die Elektroden angelegte Gleichspannung vermindert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Bänder (10) untereinander gleich und in periodischen Abständen angeordnet sind, so daß räumliche Oberwellen der elastischen Wellen und der Ladungsträgerwelle erzeugt v/erden, wobei die Verstärkung durch Wechselwirkung einer räumlichen Oberwelle höherer Ordnung ermöglicht wird, die einer Ladungsträgerwelle entspricht, deren Geschwindigkeit kleiner als diejenige der elastischen Welle ist.

8. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die an die Elektroden angelegte Gleichspannung vermindert ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Verstärker die leitenden Bänder (10) auf mehrere Abschnitte des Ladungsträgerwellenweges (Cp) verteilt sind (Fig.4), die aus verschiedenen Substraten (61, 62, 63) aus Halbleitermaterial bestehen, und daß jedes Substrat die Elektroden (7) aufweist, die an eine gesonderte,einstellbare Gleichspannungsquelle (81, 91; 82, 92; 83, 93) angeschlossen sind.

9. Verstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abschnitt aus dem gleichen Halbleitermaterial besteht, das die gleiche Anzahl leitender Bänder (10) aufweist, und daß die Elektroden (7) parallel an eine einstellbare Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.

10. Verstärker nach Anspruch 1 und 2 zur Verstärkung gekoppelter Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (Fig.5) einen einzigen Trägerwellenweg (C₂) aufweist, und daß die leitenden Bänder (10) zugleich

30981 1 /0879

mehrere Wege (C^, C^₂) elastischer Wellen koppeln, die von dem gleichen piezoelektrischen Substrat (1) getragen werden.

11. Verstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Weg (C^^, C^p) einer elastischen Welle anderer. Geschwindigkeit von einem anderen piezoelektrischen Material getragen wird, und daß die Abstände der leitenden Bänder (10) auf der Höhe der Wege im Verhältnis der Wellengeschwindigkeiten stehen.

12. Verstärker nach Anspruch 1, 2 zur Verstärkung einer dispersiven Welle,- dadurch gekennzeichnet, daß der Weg (C^) elastischer Wellen, der die leitenden Bänder (10) aufweist, mit einer Schicht aus einem Material mit geringerer Schallgeschwindigkeit als die des Fubstrats (1) bedeckt ist, wodurch ein Wellenleiter geschaffen wird, in dem der piezoelektrische Kopplungsfaktor erhöht ist.

13. Verstärker nach Anspruch 1, zur Verstärkung magnetoelastischer Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß der kompressible Feststoff aus einem magnetoelastischen Substrat wie einem Eisen-Yttrium-Granat besteht.

309811/0879