DE2441499B2 - Wandler fuer elastische oberflaechenwellen - Google Patents

Description

35

Es ist bereits eine mit elastischen bzw. akustischen Oberflächenwellen arbeitende Vorrichtung ζ:λγ Verwendung als Filter oder Verzögerungsleitung im VHF- und UHF-Band bekannt Eine solche Vorrichtung weist auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnete Sende- und Empfangswandler auf, welche elektrische Signale in elastische Oberflächenwellen oder umgekehrt umwandeln. Bei den Wandlern handelt es sich um sogenannte Doppelkamm· Wandler mit ineinandergreifenden bzw. gegenseitig verschachtelten Elektrodenfingern.

Bei einem bekannten Wandler für elastische Oberflächenwellen überlappen sich die Elektrodenfinger alle mit gleicher Länge. Er besitzt eine erste und eine zweite Elektrode auf einem Substrat aus einem piezoelektrisehen Material. Jede Elektrode umfaßt eine an eine äußere Klemme angeschlossene Haupt- bzw. Sammelelektrode sowie eine Vielzahl von mit der Sammelelektrode verbundenen Elektrodenfingern, wobei die Überlappungslängen der Elektrodenfinger der ersten und zweiten Elektrode über den gesamten Wandler hinweg gleich groß sind.

Der genannte, bekannte Wandler mit gleichförmiger fingerartiger Überlappung besitzt jedoch unzufriedenstellende Frequenzeigenschaften. Außerdem besitzt ein solcher Wandler eine Durchlaßbreite, die praktisch der Zahl der Elektrodenfinger umgekehrt proportional ist.

In Proc. IEEE, Band 59, Nr. 3, S. 393, März 1971, ist ein gewichteter Wandler mit einer sogenannten »apodischen« Elektrodenanordnung zur Verbesserung seines Frequenzgangs beschrieben. Bei diesem speziellen Wandler variieren die Überlappungslängen der Elektro-Hfi entsDrechend einer Gewicht- bzw. Bewertungs&wktion, so daß die Breiten der angeregten elastischen ObeiflächenweUenbßndel entsprechend der Bewertungsfunktion gewichtet sind. Obgleich eine Bewertungsfunktion bezüglich der Frequenzübertragungseigenschaft eines idealen Filters

ist, wird in der Praxis z. B. die Funktion

sin χ

angewandt und damit die Funktion

sin χ

angenähert

Wenn die apodischen Wandler als Eingangs- und AusgangswaniUer benutzt werden, ist es unmöglich, die Produkteigenschaft der Übertragungsfunktionen beider Wandler zu erzielea Zur Gewährleistung einer ausgezeichneten Dämpfung im Sperrbereich muß jedoch die Produkteigenschaft erzielt werden. Im folgenden ist der Grund dafür aufgeführt, weshalb apodische gewichtete Wandler, die als Eingangs- und Ausgangswandler benutzt werden, das gewünschte Produkt der f tbertragungsfunktionen nicht zu liefern vermögen. Die Elektrodenfinger eines Ausgangswandlers, die sich über eine geringe Länge überlappen, erzeugen Ausgangssignale gleicher Größe in Abhängigkeit von einem Bündel eines Eingangswandlers mit einer Breite, die größer als die Überlappungslänge der Elektrodenfinger ist und in Abhängigkeit von einem anderen Bündel mit einer Breite, die kleiner als die genannte Überlappungslänge ist

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen wichtenden neuartigen Wandler zu schaffen, der die Möglichkeit bietet, das Produkt der Übertragungsfunktionen zu erhalten, wenn der neuartige Wandler in Kombination mit diesem anderen Wandlertyp verwendet wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Wandler für elastische Oberflächenwellen mit zwei auf einem piezoelektrischen Substrat angeordneten Elektroden, die jeweils eine an eine äußere Klemme angeschlossene Sammelelektrode und mehrere mit dieser verbundene Elektrodenfinger aufweisen, welche doppelkammartig mit den Elektrodenfingern der jeweils anderen Elektrode verschachtelt sind, wobei die Überlappungslängen der verschachtelten Elektrodenfinger der beiden Elektroden über den gesamten Wandler hinweg gleich sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektrodenfinger einer der beiden Elektroden in mehrere Abschnitte mit jeweils mindestens einem Elektrodenfinger unter teilt sind und daß zwischen den bzw. die Finger dei betreffenden Abschnitte und die Sammelelektrod« Kondensatoren eingeschaltet sind. Die Stärke eine elektrischen Anregungsfelds wird daher durch Auswah der Kapazität der Kondensatoren und/oder der Zah der die betreffenden Abschnitte bildenden Elektroden finger nach Maßgabe einer Gewicht- oder Bewertungs funktion gewichtet.

Der Kondensator kann wie folgt hergestellt werder Zunächst werden die Elektrodenfinger der betreffende Abschnitte und die mit diesen Abschnitten verbundene

enteren Elektroden der Kondensatoren auf einem piezoelektrischen Substrat ausgebildet Sodann wird eine dielektrische Dünnschicht z. B. aus Siliziummonpxid oder Siliziuradioxid auf alle unteren Elektroden der Kondensatoren aufgebracht Weiterhin wird auf die dielektrische Schicht ein Leiter bzw. Leitungszug als obere Sammelelektrode für die Kondensatoren aufgetragen.

Die der Sammelelektrode zugewandten Flächen der untere»» Elektroden der Kondensatoren werden dabei entsprechend der gewünschten Größenverteilung der Kapazitäten der Kondensatoren ausgebildet

Da die Überlappungslängen der doppelkammartig verschachtelten Elektrodenfinger eines erfindungsgemaßen gewichteten bzw. wichtenden Wandlers über den gesamten Wandler hinweg gleichmäßig bzw. einheitlich sind, führt der Wandler zu der gewünschten Produkteigenschaft der Übertragui,gsfunktionen und zwar unabhängig davon, ob er in Verbindung mit dem apodischen wichtenden Wandler oder mit einem Wandler mit gleichförmiger Überlappungslänge verwendet wird.

Der erfindungsgemäße Wandler läßt sich ohne weiteres z. B. nach den Lichtdruck-Fertigungsverfahren für übliche integrierte Schaltkreise herstellen. Außerdem kann die Unterdrückung der Seitenkeule beim erfindungsgemäßen Wandler gegenüber einem gewöhnlichen Doppelkamm-Wandler mit gleichförmiger Überlappungslänge ohne weiteres um mehr als 10 db verbessert werden. Schließlich besitzt ein Wandler mit den Merkmalen nach der Erfindung auch einen verbesserten Frequenzgang.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen mit einem Wandler gemäß der Erfindung,

F i g. 2 ein Ersatzschaltbild der betreffenden Abschnitte des erfindungsgemäßen Wandlers,

Fig.3 eine Darstellung einer für die Praxis geeigneten Ausbildung des erfindungsgemäßen Wandlers.

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Gewicht- oder Bewertungsfunktion, die beim Wandler gemäß F i g. 3 Anwendung findet und

F i g. 5 eine graphische Darstellung der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Wandlers und des apodischen Wandlers sowie die Gesamteigenschaften dieser Wandler in Kombination miteinander.

Gemäß F i g. 1 sind ein Eingangswandler 11 und ein Ausgangswandler 12 auf der gleichen Fläche eines Substrats 10 aus einem piezoelektrischen Material, wie Quarzkristall, Lithiumniobat Lithiumtantalat od. dgl., angeordnet. Hierbei besteht der Eingangswandler 11 aus dem erfindungsgemäßen wichtenden Wandler, während der Ausgangswandler 12 aus einem bekannten apodischen wichtenden Wandler besteht.

Der Eingangswandler 11 weist zwei auf dem Substrat 10 ausgebildete Elektroden Ei, £2 auf, die aus einem Jeitfähigen Werkstoff, wie Aluminium oder Gold, hergestellt sind. Die erste Elektrode Ei besteht aus einer mit einer äußeren Klemme Π verbundenen gemeinsamen oder Sammelelektrode 13 sowie mehreren mit letzterer verbundenen Elektrodenfingern 13. Die zweite Elektrode E 2 weist eine mit einer äußeren Klemme T2 verbundene gemeinsame oder Sammelelektrode 15 sowie mit letzterer verbundene Elektrodenfinger 16 auf. Die Finger 14, 16 der beiden Elektroden £"1, E2 sind so angeordnet daß sie gemäß Fig. 1 doppelkammartig ineinandergreifea Die derart verschachtelten Finger 14,16 besitzen über den ganzen Wandler hinweg jeweils eine gleichförmige Überlappungslänge 1. Erfindungsgemäß sind die Finger 14 der einen Elektrode, z.B. der ersten Elektrode Ei, in mehrere Abschnitte 51 bis Sx unterteilt die jeweils mindestens einen Elektrodenfinger umfassen. Zwischen

ίο diese Abschnitte und die Sammelelektrode 13 sind Kondensatoren Cl bis Cx eingeschaltet. Die Bezugszeichen CAl bis CAx bezeichnen elektrostatische Kapazitäten, die zusätzlich aus einem noch näher zu erläuternden Grund zwischen den Fingern der betref-

t$ fenden Abschnitte und den entsprechenden Fingern der zweiten Elektrode E2 vorgesehen sind

Der apodische Ausgangswandler 12 weist dagegen zwei Elektroden £3, EA auf, von denen die erste Elektrode £"3 aus einer mit t.^:ner äußeren Klemme TZ verbundenen Sammelelektrode 17 und mit letzterer verbundenen Elektrodenfingern 18 besteht Die zweite Elektrode £4 umfaßt eine mit einer äußeren Klemme Γ4 verbundene Sammelelektrode 19 sowie mit letzterer verbundene Elektrodenfinger 20. Im Gegensatz zum Eingangswandler 11 variieren beim apodischen Ausgangswandler 12 die Überlappungslängen der doppelkammartig verschachtelten Elektrodenfinger über den Wandler hinweg entsprechend einer Gewicht- oder Bewertungsfunktion. Wenn der apodische wichtende Wandler 12 mit dem wichtenden Wandler 11 mit gleichförmiger Überlappungslänge kombiniert wird, sollte die maximale Überlappungslänge der Elektrodenfinger des apodischen Wandlers 12 vorzugsweise der Überlappungslänge 1 der Elektrodenfinger des Wandlers 11 entsprechen.

Da der effektive mechanische Ankopplungskoeffizient bei der Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen nicht besonders groß ist und somit Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Abschnitten vernachlässigt werden können, läßt sich die Ersatzschaltung für jeden Abschnitt Si-Sx gemäß Fig. 1 wie in Fig.2 gezeigt, darstellen. In F i g. 2 bedeuten Vo eine Ausgangsspannung von einer Anregungsquelle 22, die an die äußeren Klemmen Ti, T2 angeschlossen ist, Vi eine effektive Anregungsspannung, die an einem Abschnitt mit der Rangordnung 1 (i= 1 bis x) den Fingern der ersten und der zweiten Elektrode Ei bzw. £2 aufgeprägt wird und die eine eleastische Oberflächenwelle zu erzeugen vermag, Cieine mit dem Abschnitt der Rangordnung /in Reihe geschaltete Kapazität, Coi die gesamte elektrostatische Klemmkapazität zwischen den Fingern des Abschnitts der Rangordnung / sowie den entsprechenden Fingern der zweiten Elektrode £2, CAi eine dem Abschnitt der Rangordnung / erteilte zusätzliche Kapazität und Äoden Strahlwiderstand.

Unter der Voraussetzung, daß der Strahlwiderstand Ro vernachlässigt werden kann und die Kapazität CAi nicht vorhanden ist, läßt sich die dem Abschnitt der Rangordnung / aufgeprägte effektive Anregungsspannung ersichtlicherweise durch folgende Gleichung ausdrücken:

''• = Cc7 ^{+ 1})~^Vo·

Die obige Gleichung zeigt daß die effektive Anregungsspannung Vi im wesentlichen durch die Werte der Kapazitäten Coi, C/bestimmt wird.

Die Kapazität Co/variiert dabei in Abhängigkeit von der Zahl der in den Abschnitten der Rangordnung i enthaltenen Elektrodenfinger. Die an jeden Abschnitt angeschlossene Kapazität und/oder die Zahl der Elektroderifinger dieser Abschnitte können daher die effektive Anregungsspannung oder die Stärke des elektrischen Atiregungsfelds des betreffenden Abschnittswichten.

Fm folgenden ist nunmehr anhand von Fig.3 die bevorzugte Anordnung des erfindungsgemäßen Wand- ι ο lers unter Verwendung von Kondensatoren beschrieben. In F i g. 3 sind die den Teilen γοη F i g. 1 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet Die unteren Elektroden 25 der einzelnen Kondensatoren sind auf dem Substrat 10 einstückig mit den Elektrodenfingern der Abschnitte ausgebildet Auf die unteren Elektroden 25 der Kondensatoren ist eine dielektrische Dünnschicht 26 ζ. B. aus Siliziummonoxid oder -dioxid in einer Dicke von beispielsweise 1500 A aufgetragen. Auf die dielektrische Schicht 26 ist eine obere Sammelelektrode 13 für die Kondensatoren aufgebracht Die Kapazitäten der Kondensatoren variieren in Abhängigkeit von den der Sammelelektrode 13 zugewandten Flächen der unteren Elektroden 25.

Der erfindungsgemäße Wandler läßt sich ohne weiteres nach den üblichen Lichtdruck-Fertigungsverfahren für bekannte integrierte Schaltkreise herstellen. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß die Überlappungslänge, die Breite und der Mittenabstand der beim erfindungsgemäßen Wandler vorgesehenen Elektrodenfinger etwa 5 mm. 25 μπι bzw. 50 μπι betragen.

Die zusätzlichen Kapazitäten CA 1 bis CAx gemäß Fig. 1 sind aus dem folgenden Grund vorgesehen: Wenn beim Wandler 11 gemäß F i g. 3 die Stärke eines elektrischen Anregungsfelds proportional zur Bewertungsfunktion

sin χ

40

gemäß F i g. 4 gewählt wird, kann es in manchen Fällen erforderlich werden, die nahe der Endabschnitte des Wandlers vorgesehenen Kapazitäten auf einen so niedrigen Wert zu reduzieren, der schwierig zu realisieren ist. Wenn hierbei die zusätzlichen Kapazitäten gemäß F i g. 1 an den betreffenden Abschnitten vorgesehen sind, läßt sich obige Gleichung (1) wie folgt umschreiben:

Vi

-C

Coi + CAi
Ci

. -1

+ 11 Vo.

(2)

Diese Gleichung (2) zeigt daß infolge der Anordnung der zusätzlichen Kapazität CAi die Kapazität G zur Erzielung des gleiche!) Werts von Vi einen großen Wert besitzen kann. Diese zusätzliche Kapazität kann durch eine aufgedampfte dielektrische Dünnschicht ζ. Β. aus SHiziummonoxid oder -dioxid vorgesehen werden. Diese Schicht besitzt eine in Abhängigkeit von ihrer Dicke variierende Kapazität Erforderlichenfalls können die zusätzlichen Kapazitäten selbstverständlich Werte entsprechend einer Verteilung besitzen.

Bei der Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 3, deren Eigangswandler 11 aus dem wichtenden Kondensator-Wandler und deren Ausgangswandler 12 aus dem apodischen wichtenden Wandler besteht, besitzt die durch den Einggswndler erzeugte elastische Oberflächenwelle eine entsprechend einer Bewertungsfunk tion gewichtete Stärke. Erwähnenswert ist dabei, daC diese Stärke über die gesamte Strahlbreite oder die Überlappungslänge der Elektrodenfinger konstanl bleibt. Wenn daher eine vom Eingangswandler 11 gelieferte elastische Oberflächenwelle mit konstantei Strahlbreite und Stärke dem Ausgangswandler 12 zugeführt wird, bei dem sich einige Elektrodenfingei über ein kleineres Stück und andere Elektrodenfingei über ein größeres Stück überlappen, dann erzeugt dei Ausgangswandler 12 Ausgangssignale mit Amplituder entsprechend den kleineren und größeren Uberlap pungslängen seiner Elektrodenfinger, sooft die genann te Oberflächenwelle vom Eingangswandler 11 die Abschnitte mit unterschiedlicher Überlappungslänge durchläuft. Dies bedeutet, daß impulsabhängige Wellenformen an den Elektrodenabschnitten mit geringerei Überlappungslänge und denen mit größerer Überlappungslänge in einem einander genau entsprechender Verhältnis stehen. Die Gesamt-Übertragungsfunktior zwischen dem Eingangswandler 11 und dem Ausgangs wandler 12 läßt sich daher als Produkt der Übertra gungsfunktion des Eingangswandlers 11 und dei Ausgangswandlers 12 ausdrücken.

Die vorstehende Beschreibung bezog sich auf dei Fall, daß die Oberflächenwellen-Vorrichtung aus einen erfindungsgemäßen Eingangswändler und einem Aus gangswandler vom apodischen Typ besteht Es könnet jedoch auch zwei wichtende Kondensator-Wandlei gemäß der Erfindung als Eingangs- und Ausgangswand ler benutzt werden. Selbstverständlich kann dei erfindungsgemäße Kondensator-Wandler nicht nur mi einem apodischen Wandler, sondern mit jeder beliebi gen anderen Form eines Wandlers, z.B. mit einen Wandler mit gleichförmiger Überlappungslänge, korn biniert werden. Bei einer solchen Kombination kann de erfindungsgemäße Kondensator-Beweitungswandle als Eingangs- oder als Ausgangswandler eingesetz werden.

Fig.5 veranschaulicht Daten von Versuchen, be denen ein wichtender Kondensator-Wandler vom Typ

sin χ

für den Empfang und ein apodischer wichtendei Wandler vom Typ

smx

fflr das Senden benutzt wurden. Der Versuch gemäi Fig.5 wurde in der Weise durchgeführt daß eil Doppe&amm-Meßwandter mit gleichförmiger Über »ppungslänge, der eine kleinere Zahl von Sektroden nngern und volle Breitbandcharakteristik besitzt aui einem piezoelektrischen Substrat aus einem 13l°-Dre hung, y-Schnitt-, X-Ausbraömgs-UNbOrKristall zwi sehen dem erfindungsgeiniBen Kondensator-Wandlei und dem apodischen Wandler angeordnet wurde: Dk Kurve A gemäß F i a 5 gibt die durch den Meßwandle' äst gleichförmiger Öbertappungslänge gemessene Fre ^«»charakteristik des Kondensator-Wandlers an. Dk Kurve B zeigt die darch den Meßwandler gemessen« Frequenzcharakteristik des apodischen Wandlers. Dk Kurve C gibt die Gesantt-Frequenacharakteristä zwischen dem erfindimgsgemäßen Kondensator-Wand

ink-.!aß die :ant 11 lter 12 ^er ?er der !en ipmlie

ler und dem apodischen Wandler wieder. F i g. 5 zeigt außerdem, daß im Durchlaß- und Übergangsbereich die Summe der Dämpfungen im Kondensator-Wandler und im apodischen Wandler praktisch gleich der Dämpfung der Gesamtkurve C ist, wodurch belegt wird, daß ein Produkt der Übertragungsfunktionen beider Wandler erzielt wurde. Im Sperrbereich wird dagegen die im Durchlaß- und Übergangsbereich realisierte Produkteigenschaft wegen des Einflusses einer elektrischer Streukomponente und einer Neben-Massenwellenkom ponente nicht erzielt Bei einem anderen Versuch untei Verwendung einer Platte aus LiNbOj-ICristall, welchei Nebenkomponenten zu unterdrücken vermag, sowi« eines Kondensator-Wandlers und eines apodischer Wandlers wurde eine Mindestdämpfung von mehr ah 50 db erzielt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

in r

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Wandler for elastische Oberflächenwellen nut zwei auf einem piezoelektrischen Substrat angeordneten Elektroden, die jeweils eine an eine äußere Klemme angeschlossene Sammelelektrode und mehrere mit dieser verbundene Elektrodenfinger aufweisen, welche doppelkammartig mit den Elektrodenfingern der jeweils anderen Elektrode verschachtelt sind, wobei die Überlappungslängen der verschachtelten Elektrodenfinger der beiden Elektroden über den gesamten Wandler hinweg gleich sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenfinger einer der beiden Elektroden (Ei oder £2) in mehrere Abschnitte (St, S2, SX) mit jeweils mindestens einem Elektrodenfinger (14) unterteilt sind und daß zwischen den bzw. die Finger (14) der betreffenden Abschnitte (Si, S2, SX?und die Sammelelektrode (13) Kondensatoren (Ci, C2, CX) eingeschaltet sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Kondensatoren (CA 1, CA 2, CAX) zwischen den Elektrodenfingern (14) der betreffenden Abschnitte (Si, 52, SX)der einen Elektrode (E 1) und den entsprechenden Elektrodenfingern (16) der anderen Elektrode (E 2) vorgesehen «ind.

3. Wandler nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kondensator aus einer dielektrischen Dünnschicht (26) besteht.