DE2441500C2 - Wandler für akustische Oberflächenwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wandler für akustische Oberflächenwellen mit zwei auf einem piezoelektrischen Substrat angeordneten Elektroden, bei welchem jeweils eine an eine äußere Klemme angeschlossene Sammelelektrode und mehrere mit dieser verbundene Elektrodenfinger vorgesehen sind, die doppelkammartig mit den Elektrodenfingern der jeweils anderen Elektrode verschachtelt sind, und bei welchem ferner die Überlappungslängen der verschachtelten Elektrodenfinger der beiden Elektroden über den gesamten Wandler hinweg gleich sind, und bei welchem des weiteren auf dem piezoelektrischen Substrat zwischen den verschachtelten Elektrodenfingern der beiden Elektroden freie parallel zueinander verlaufende Elektroden mit einer der Überlappungslänge der verschachtelten Elektrodenfinger entsprechenden Länge angeordnet sind.

Es ist bereits eine mit elastischen bzw. akustischen Oberflächenwellen arbeitende Vorrichtung zur Ver-

sin χ

angewandt und damit die Funktion

sin χ

angenähert.

Wenn die apodischen Wandler als Eingangs- und

so Ausgangswandler benutzt werden, ist es unmöglich, die Produkteigenschaft der Übertragungsfunktionen beider Wandler zu erzielen. Zur Gewährleistung einer ausgeprägten 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 Übertragungsfunktionen nicht zu liefern vermögen. Die Elektrodenfinger des Ausgangswandlers, die sich über eine geringe Länge überlappen, sind nicht in der Lage, eine elastische Oberflächenwelle größerer Strahlbreite vom Eingangswandler aufzunehmen, so daß sie kein der Wichtung der Strahlbreite proportionales Ausgangssignal zu erzeugen vermögen.

Aus »Proceedings of the IEEE, Vol. 60, Nr.4, Seiten 443 und 444, April 1972, ist ein Wandler für elastische Oberflächenwellen bekannt, der wenigstens zwei auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnete Elektro-

den enthält, die jeweils eine an eine äußere Klemme angeschlossene Sammelelektrode mit einem mit dieser verbundenen Elektrodenfinger aufweist, und wobei auf dem piezoelektrischen Substrat zwischen den verschachtelten Elektrodenfingern der beiden Elektroden freie parallel zueinander verlaufende Elektroden vorgesehen sind. Diese freien Elektroden besitzten eine Länge, die der Oberlappungslänge der versehachtelten Elektrodenfinger entspricht Bei dieser Anordnung der freien Elektroden kann jedoch keine Verbesserung der SeiteEkeulen-Unterdrückungscharakteristik des Wandlers erreicht werden.

Weiterhin ist aus der DE-OS 22 24497 ein Wandler bzw. Riter für elastische OberflächenwelJen bekannt bei dem zwischen zwei Elektrodenfingern parallel zueinander verlaufende freie Elektroden angeordnet sind, die an einem ihrer freien Enden elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Jedoch ist die Länge dieser freien Elektroden nicht definiert bzw. sie entpricht nicht der Oberlappungslänge der Elektrodenfingern, die zudem nicht doppelkammartig ineinander verschachtelt sind. Bei einer Aushlhrungsform dieses bekannten Wandlers ist gezeigt daß die freien parallel zueinander verlaufenden Elektroden untereinander unterschiedliche Längen aufweisen, wobei die Länge einer der freien Elektroden der Oberlappungslänge der Elektrodenfinger entspricht Diese unterschiedlichen Längen der freien Elektroden dienen dem Zweck, unterschiedliche Kapazitätswerte an verschiedenen Stellen des elektroakustischen Wandlers vorzusehen. Durch diese Bewertungsverfahren wird die Bewertungsfunktion zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode erfüllt. Da jedoch die Intensität des Erregerfeldes durch die Verwendung derartiger Elektroden bewertet wird, läßt sich kein Produkt zwischen den Obertragungsfunktionen des sendenden und empfangenden Wandlers im gewünschten Sinne bilden. Darüber hinaus wird bei dieser bekannten Ausführungsform der Erregerwirkungsgrad zwangsläufig vermindert, da ein größerer Teil der von den relativ langen freien Elektroden erzeugten Oberflächenwellen bzw. Oberflächenwellenstrahlen nicht verwendet wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Wandler mit einem verbesserten Frequenzgang zu schaffen, bei dem sich in Kombination mit einer beliebigen anderen Wandlerart ohne weiteren die Produkteigenschaft der Übertragungsfunktionen beider Wandler realisieren läßt.

Diese Aufgabe wir} bei dem anfangs genannten Wandler für akustische Oberflächen erfindungsgemäß gelöst durch die VerwenJung von freien Elektroden in Form von paarweise jeweils an ihrem einen Ende elektrisch leitend miteinander verbundenen Leitern, mit der Maßgabe, daß die Zahl der freien Elektrodenpaare zwischen den Elektrodenfingern unterschiedlich ist.

Bei Kombination mit einer beliebigen anderen Wandlerart vermag der erfindungsgemäße Wandler, bei dem sich die Elektrodenfinger über den ganzen Wandler hinweg mit gleicher Länge überlappen, ohne weiteres die Produkteigenschaft der Übertragungsfunktion beider Wandler zu realisieren. Außerdem kann bei diesem Wandler die Unterdrückung der Seitenkeule gegenüber einem gewöhnlichen Wandler mit gleichförmiger Überlappungslänge ohne weiteres um mehr als 1OdB verbessert werden. ⁶S

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen mit einem Wandler gemäß der Erfindung,

Fig.2 eine Darstellung der Position einer freien Elektrode relativ zu den verschachtelten Elektrodenfingern,

F i g. 3A, 4A, 5A und 6A Darstellungen der Anordnung der freien Elektrode und der verschachtelten Elektrodenfinger,

F i g. 3B, 4B, 5B und 6B graphische Darstellungen der Verteilungen von Beanspruchungen oder Spannungen entsprechend den Elektrodenanordnungen gemäß den F i g. 3A, 4A, 5A und 6A,

F i g. 7 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Anordnung der freien Elektroden beim erfindungsgemäßen Wandler,

F i g. 8 eine graphische Darstellung der Amplitude der elektrischen Feldstärkeverteilung infolge der freien Elektroden gemäß F i g. 7 und

Fig.9 bis 11 graphische DarstellfÄgen der Ergebnisse von mit dem erfindungsgemäßen "ντ-Uidier durchgeführten Versuchen.

Gemäß F i g. 1 sind ein Eingangswandler 11 und ein Ausgangswandler 12 auf einem Substrat 10 aus einem piezoelektrischen Material, wie Quarzkristall, Lithiumniobat Lithiumtantalat u.dgL angeordnet Hierbei besteht der Eingangswandler 11 aus einem erfindungsgemäßen gewichteten Wandler, während der Ausgangswandler 12 durch einen bekannten apodischen gewichteten Wandler gebildet ist

Der Eingangswandler 11 weist erste und zweite Elektroden E1 bzw. El auf, die auf dem Substrat 10 ausgebildet sind und aus einem leitfähigen Werkstoff wie Aluminium oder Gold bestehen. Die erste Elektrode Ei weist eine mit einer äußeren Klemme 7*1 verbundene Sammelelektrode 12 sowie mit dieser verbundene Elektrodenfinger 14 auf. Die zweite Elektrode £2 besteht aus einer mit einer jiußeren Klemme T2 verbundenen Sammelelektrode 15 sowie aus mit letzterer verbundenen Elektrodenfingern 16. Zwischen die Elektrodenfinger 14 der ersten Elektrode Ei greifen die Finger 16 der zweiten Elektrode E2 ein. Die derart doppelkammartig verschachtelten Elektrodenfinger 14,16 des Eingangswandlers 1.1 besitzen dabei über den ganzen Wandler hinweg eine gleichmäßige Oberlappungslänge /. Außerdem ist auf dem Substrat 10 erfindungsgemäß zwischen den Elektrodenfingern 14 der ersten Elektrode Ei und den benachbarten Elektrodenfingern 16 der zweiten Elektrode E2 mindestens eine fseie Elektrode 30 vorgesehen, die mit keiner der beiden Elektroden Ei, E2 verbunden ist und welche aus zwei parallelen Leitern oder Leitungszügen 31, 32 und einem diese am einen Ende miteinander verbindenden Verbindungsieiter 33 besteht. Die paarigen, parallelen Leiter 31, 32 besitzen eine der Überlappungslänge / entsprechende Länge, und sie erstrecken sich gemäß Fig.2 über die gesamte Überlappungsiänge /der Elekirodenfinger 14,16.

Die Elektrodenfinger 14, 16 der ersten und der zweiten Elektrode Ei bzw. El sowie die parallelen Leiter 31, 32 der freien Elektroden 30 besitzsn jeweils die gleiche Breite d. Der Abstand zwischen der freien Elektrode 30 und einem benachbarten Elektrodenfinger, der Abstand zwischen den parallelen Leitern 31, 32 sowie der Abstand zwischen den benachbarten freien Elektroden 30 kann der Breite d entsprechend gewählt sein, obgleich dies nicht erforderlich ist. In der Praxis betragen die Größen der Werte /und t/etwa 5 mm bzw.

25μΓη.

Der apodische Ausgangswandler 12 weist erste und zweite Elektroden £3 bzw. EA auf. Die erste Elektrode f 3 besteht aus einer mit einer äußeren Klemme TZ verbundenen Sammelelektrode 17 sowie aus mit letzterer verbundenen Elektrodenfingern 18. Die zweite Elektrode £4 weist eine mit einer äußeren Klemme 74 verbundene Sammelelektrode 19 sowie mit letzterer verbundene Elektrodenfinger 20 auf. Beim apodischen Wandler 12 nehmen die Überlappungslängen der doppelkammartig verschachtelten Elektrodenfinger 18, 20 von der Mitte zu beiden Enden des Wandlers fortlaufend entsprechend einer Gewicht- oder Bewertungsfunktion

15

sin χ n²

ab. Die Breite der Elektrodenfinger 18, 20 sowie der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenfingern 18, 20 können die gleichen Werte besitzen wie beim Eingangswandler U

Wenn der erfindungsgemäße eine gleichförmige Überlappungslänge aufweisende Wandler mit einem apodischen Wandler kombiniert wird, sollte die maximale Überlappungslänge der verschachtelten Elektrodenfinger des apodischen Wandlers der einheitlichen Überlappungslänge / der verschachtelten Elektrodenfinger des anderen Wandlers entsprechen.

Wenn beim erfindungsgemäßen Wandler, welcher eine Kombination aus dem üblichen Wandler mit gleichförmiger Überlappungslänge und der freien Elektrode darstellt, an seinen betreffenden Elektrodenfingern eine gleich große Spannung angelegt wird, wird die Amplitude des elektrischen Anregungsfelds infolge des Vorhandenseins der freien Elektrode stärker vermindert als bei einem Wandler ohne die freie Elektrode. Folglich können mehrere freie Elektroden, die längs der Ausbreitungsachse einer elastischen Oberflächenwelle angeordnet sind, die Stärke eines elektrischen Anregungsfelds nach Maßgabe einer Bewertungsfunktion wichten. F i g. 3A zeigt die Anordnung der Elektroden beim üblichen Wandler mit gleichförmiger Überlappungslänge. Fig.3B veranschaulicht die Verteilung der mechanischen Spannungen oder Belastungen, die an den Kanten der einzelnen Elektroden gemäß Fig.3A, wie durch die Pfeile angedeutet, erzeugt werden. Die Länge a jedes Pfeils gibt die Größe der erzeugten Belastung oder Spannung an. Wenn man die Impulsreihe der Belastung in Fourier-Reihen entwickelt, wird der Koeffizient der Grundwellenkomponente, die die durch die gestrichelte Linie in Fig.3B angedeutete Periode besitzt, gleich 2 · föä. Diese Komponente regt eine elastische Oberflächenwelle mit der Grundperiode an.

F i g. 4A veranschaulicht eine Anordnung, bei welcher zwei parallele Leiter einer freien Elektrode zwischen den benachbarten Elektrodenfingern zweiter Elektroden mit gleichförmiger Überlappungslänge angeordnet sind. Hierbei sind die Größen der mechanischen Belastungen oder Spannungen in der in Fig.4B dargestellten Weise verteilt Wenn man die Impulsreihe dieser Belastungen oder Spannungen in Fourier-Reihen entwickelt, wird der Koeffizient der Grundkomponente gleich — - 2 - fZä. Ersichtlicherweise ist somit die Anregungsleistung der Elektroden gemäß Fig.4A im Vergleich zu derjenigen der Elektroden gemäß F i g. 3A auf ein Drittel herabgesetzt. Wenn gemäß F i g. 5A zwei Paare von parallelen Leitern zwischen den benachbarten verschachtelten Elektrodenfingern angeordnet werden, sind die Größen der Belastungen oder Spannungen in der in Fig.5B dargestellten Weise verteilt. Hierbei beträgt der Koeffizient der Grundwellenkomponente im Vergleich zu demjenigen der

Grundwellenkomponente gemäß F i g. 3A — · 2 · |/2~ä.

Sind dagegen gemäß Fig.6A drei Paare von parallelen Leitern zwischen den jeweiligen benachbarten Doppelkamm-Elektrodenfingern angeordnet, 50 entspricht die Verteilung der Belastungs- oder Spannungsgrößen der Darstellung der F i g. 6B. Der Koeffizient der Grundwellenkomponente ist darin -J ■ 3 . /21.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daö dann, wenn / Paare von parallelen Leitern zwischen einander benachbarten verschachtelten Elektrodenfingern angeordnet sind, der Koeffizient der Grundwellenkomponente gleich——j-· 2 · /2~äwird.

Die Anregungsleistung ändert sich um den Faktor — gegenüber derjenigen der Grundanordnung der

Elektroden gemäß F i g. 3A.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, ist es möglich, die Stärke eines elektrischen Anregungsfelds oder einer freien elastischen Oberflächenwelle dadurch zu wichten, daß die freien Elektroden entsprechend längs der Ausbreitungsachse der elastischen Oberflächenwelle angeordnet werden. F i g. 7 zeigt ein Beispiel für die Anordnung des erfindungsgemäßen gewichteten bzw. wichtenden Wandlers. Wenn die freien Elektroden jeweils in Zahlen vorhanden sind, die sich von der Mitte zu beiden Enden des Wandlers fortlaufend vergrößern, besitzt die Amplitude des elektrischen Anregungsfelds, wie in F i g. 8 gezeigt, eine stufenweise Verteilung, die praktisch einer Bewertungsfunktion proportional ist. Ersichtlicherweise ist es hierbei nicht immer erforderlich, im Mittelteil des Wandlers freie Elektroden vorzusehen. Wesentlich ist lediglich, daß die freien Elektroden jeweils in einer Zahl angeordnet sind, welche von der Mitte zu beiden Enden des Wandlers hin fortlaufend größer wird. Es ist jedoch zu beachten, daß die Anordnung der freien Elektroden nicht notwendigerweise dieser genannten Verteilung zu entsprechen braucht.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß F i g. 1 erläutert, die einen Eingangswandler in Form eines erfindungsgemäßen Wandlers 11 mit gleichförmiger Oberlappungslänge und einen aus dem bekannten apodischen wichtenden Wandler gebildeten Ausgangswandler 12 aufweist Die Amplitude der durch den Eingangswandler 11 erzeugten elastischen Oberflächenweüen wird längs der Ausbreitungsachse gewichtet Die Stärke der elastischen Oberflächenwelle bleibt jedoch über die ganze Strahlbreite bzw. die Überlappungslänge /konstant Wenn daher vom Eingangswandler 11 eine elastische Oberflächenwelle mit konstanter Strahlbreite und Amplitude an den Ausgangswandler 12 abgegeben wird, bei dem sich einige Elektrodenfinger Ober ein kürzeres Stück und andere über ein größeres Stück überlappen, dann erzeugt der Ausgangswandler 12 Ausgangssignale, deren Amplituden den kleineren und größeren Überlappungslängen seiner Elektroden-

finger proportional sind, sooft die genannte Oberflächenwelle vom Eingangswandler 11 die Abschnitte unterschiedlicher Überlappungslänge durchläuft. Genauer gesagt, stehen impulsabhängige Wellenformen an den Elektrodenabschnitien mit kleinerer Überlappungslängr und solchen mit größerer Überlappungslänge in einem jinander genau entsprechenden Verhältnis. Die Gesamtübertragungsfunktion zwischen den Eingangsund Ausgangswandlern 11, 12 läßt sich daher als Produkt der Übertragungsfunktionen der betreffenden Wandler ausdrücken.

Es ist auch möglich, zwei erfindungsgemäße wichtende Wandler mit freien Elektroden als Eingangs- und Ausgp'igswandler zu verwenden. Außerdem kann der erfirjungsgemäße Wandler nicht nur mit dem apodisclien Bewertungswandler, sondern auch mit einem beliebigen anderen Wandler, beispielsweise mit einem Wandler mit gleichförmiger Überlappung kombiniert werden. In diesem Fall kann der erfindungsgemäße Wandler mit freien Elektroden als Eingangs- oder als Ausgangswandler eingesetzt werden.

F i g. 9 zeigt die Frequenzcharakteristik des erfindungsgemäßen wichtenden Wandlers mit freien Elektroden gemäß der Messung durch einen Wandler mit gleichförmiger Überlappungslänge, der aus einer kleineren Zahl von Elektrodenfingern besteht und eine Breitbandcharakteristik aufweist, wobei beide Wandler auf einem Substrat aus einem um 131° gedrehten. Y-Schnitt- und X-Ausbreitungs-LiNbOi-Kristall angeordnet sind.

F i g. 10 zeigt die Gesamt-Frequenzcharakteristik von zwei erfindungsgemäßen Wandlern mit freien Elektroden, die als Eingangs- und Ausgangswandler dienen. Ein Vergleich zwischen den F i g. 9 und 10 zeigt, daß im Fall von Fig. 10 die Produkteigenschaft der Übertragungsfunktionen der Eingangs- und Ausgangswandler erzielt wird.

Fig. 11 veranschaulicht die Gesamt-Frequenzcharakteristik des als Eingangswandler benutzten erfindungsgemäßen Wandlers mit freien Elektroden und des als Ausgangswandler verwendeten apodischen Bewertungswandlers. Hierbei beläuft sich die gewährleistete Dämpfung auf etwa 45 db, was für die praktische Anwendung voll ausreichend ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Wandler für akustische Oberflächenwellen mit zwei auf einem piezoelektrischen Substrat angeordneten Elektroden, bei welchem jeweils eine an eine äußere Klemme angeschlossene Sammelelektrode und mehrere mit dieser verbundene Elektrodenfinger vorgesehen sind, die doppelkammartig mit den Elektrodenfingern der jeweüs anderen Elektrode verschachtelt sind, und bei welchem ferner die Überlappungslängen der verschachtelten Elektrodenfinger der beiden Elektroden über den gesamten Wandler hinweg gleich sind, und bei welchem des weiteren auf dem piezoelektrischen Substrat zwischen den verschachtelten Elektrodenfingern der beiden Elektroden freie parallel zueinander verlaufende Elektroden mit einer der Überlappungslänge der verschacjnelten Elektrodenfinger entsprechenden Länge angeordnet sind, gekennzeichnet durch die Verwendung von freien Elektroden (30) in Form von paarweise jeweils an ihrem .einen Ende elektrisch leitend miteinander verbundenen Leitern (31, 32), mit der Maßgabe, daß die Zahl der freien Elektrodenpaare (31,32, 33) zwischen den Elektrodenfingern (14,16) unterschiedlich ist

2. Wandler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Elektrodenpaars (31,32,33) in Gruppen angeordnet sind, in denen sich die Zahl der freien Elekiodenpaare(31,32,33) von der Mitte zu den beiden Enden dps Wanders hin fortlaufend vergrößert

3. Wandler nach Anspruch } ader 2, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Leiter (31,32) der freien Elektrodenpaare (31,32,33) die gleiche Breite besitzen wie die Elektrodenfinger (14,16) der beiden Elektroden (Ei, E₂).

4. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als Eingangswandler oder Ausgangswandler bei einer auf der Basis von akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Vorrichtung, bei welcher der andere Wandler als apodischer Wandler ausgebildet ist.

wendung als Filter oder Verzögerungsleitung im VHF- und UHF-Band bekannt Eine solche Vorrichtung weist auf einem· - piezoelektrischen Substrat angeordnete Sende- und Empfangswandler auf, weiche elektrische Signale in elastische Oberflächenwelle!! oder umgekehrt umwandeln. Bei den Wandlern handelt es sich um sogenannte Doppelkamm-Wandler mit ineinandergreifenden bzw. gegenseitig verschachtelten Elektrod^nfingern.

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 piezoelektrisch ?n 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 hinweggleich groß sind.

Der genannte, bekannte Wandler mit gleichförmiger fingerartiger Überlappung besitzt jedoch einen unzufriedenstellende Frequenzgang. Außerdem besitzt ein solcher Wandler eine Durchlaßbandbreite, die praktisch der Zahl der Elektrodenfinger umgekehrt proportional ist Aus »Proceedings of the IEEE, Vol. 59, Nr. 3, Seite 393, März 1971, ist ein gewichteter Wandler mit einer sogenannten apodischen Elektrodenanordnung zur Verbesserung seines Frequenzganges bekannt Bei diesem speziellen Wander variieren die Überlappungslängen der Elektrodenfinger entsprechend einer Gewicht- bzw. Bewertungsfunktion, so daß die Breite des angeregten elastischen Oberflächenwellenstrahls entsprechend der Bewertungsfunktion gewichtet ist Obgleich eine Bewertungs- oder Gewichtsfunktion bezüglich der Frequenzübertragungseigenschaft eines idealen Filters sin x/x ist, wird in der Praxis zum Beispiel die Funktion