DE2447814A1

DE2447814A1 - Akustische oberflaechenwellenanordnungen

Info

Publication number: DE2447814A1
Application number: DE19742447814
Authority: DE
Inventors: Richard Frank Mitchell; Eileen Read; Redhill Salfords; Richard Stevens
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-10-12
Filing date: 1974-10-08
Publication date: 1975-04-17
Also published as: GB1440950A; US3956647A; ES430906A1; BR7408485D0; SE398585B; BE821003A; IT1020984B; FR2247850A1; AU7417874A; SE7412716L; FR2247850B1; CA1019812A; JPS5080051A

Description

PHB.32377 BECK/JV/JB -

-τ- 30-9-1974

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Dr. FIcrbrrt S Patentamt-alt

Anmelder: N. Y. Philips' GloeilampenFabrlekeü
Akte No.j PHB-32.377

Anmeldung vom: 7. Okt. 1974

"Akustische Oberflächenwellenanordnungen" .

Di© Erfindung bezieht sich auf el eic tr ©mechanische Bandpassfilter und/oder "Verzögerungsanordnungen unter Verwendung akustischer Oberflächenwellen von dem Typ, bei dem die Vellenamplitude schnell mit dem Abstand von der Fortpflanzungsoberfläche abnimmt, wie z.B. Rayleighwellen, insbesondere, aber nicht ausschliesslich für die Filterung von Zwischenfrequenzen in Fernsehempfängern. ' " .

• Die Anwendung akustischer Oberflächenwellen hat die Herstellung frequenzselektiver Filter und/oder Verzögerungsanordnungen in einer Ausführung, gestattet, die klein und gedrängt ist, wobei Techniken angewandt werden,. die der Herstellung integrierter Schaltungen ähnlich und mit dieser Herstellung kompatibel sind. Solche Anordnungen

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ermöglichen es, dass die Schwierigkeiten, z.B. in bezug auf Umfang und Herstellungskosten, die sich bei der Anbringung diskreter Induktivitäten ergeben, vermieden . werden.

Bei einer solchen Anordnung wird eine akustische Oberflächenwelle auf einer planaren Fortpflanzungsoberfläche für akustische Oberflächenwellen eines piezoelektrischen Körpers mittels einer interdigitalen Elektrodenmatrix ausgesandt, die einen Sendewandler bildet. Eine weitere interdigitale Elektrodenmatrix ist in dem Wege akustischer Oberflächenwellen angeordnet, die sich von dem Sendewandler her fortpflanzen, und diese Matrix bildet einen Empfangswandler, der die empfangene akustische Oberflächenwelle in ein entsprechendes elektrisches Signal rückverwandelt. Die interdigitalen Matrizen weisen je eine periodische Struktur auf, die in Vereinigung mit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen einen frequenzselektiven Gesamtdurchlassbereich für die Anordnung herbeiführt. Dieser Durchlassbereich kann dadurch die gewünschte Form erhalten, dass der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenelementen und- die gegenseitige Überlappung dieser Elemente in der Matrix derart passend gewählt werden, dass ein Durchlassbereich aus einer grossen Verschiedenheit gewünschter Durchlassbereiche erhalten werden kann.

Die elektrische Feldverteilung in einer interdigitalen Elektrodenmatrix ist jedoch derartig, dass neben der gewünschten akustischen Oberflächenwelle auch unerwünschten akustischen Mässenweilen in Longitudinal- und

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Schermodi erzeugt werden können, die sich durch den Körper mit Geschwindigkeiten fortpflanzen, die im allgemeinen von der Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen verschieden sind, welche Massenwellen von dem Empfangswandler empfangen werden können, was zu einem entsprechenden unerwünschten Ausgangssignal führen kann. Beim .Entwurf eines Zwischenfrequenzfilters zur Anwendung in einem Fernsehempfänger werden in bezug auf Signalsperrung sehr strenge. Anforderungen für Frequenzen nahe bei und gerade über dem Durchlassband gestellt und gerade in und nahe bei diesem Gebiet werden leicht' von den interdigitalen Wandlern entsprechende Maseenwellen mit Frequenzen erzeugt, die von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der betreffenden Massenwelle abhängen.

Massenwellen können von einem interdigitalen Wandler unter unterschiedlichen Winkeln zu der Fortpflanzungsoberfläche ausgesandt werden und die zu der gegenüberliegenden Oberfläche der Scheibe hin gerichteten Massenwellen können von geeigneten Mitteln absorbiert und/oder gestreut werden. Es wurde gefunden, dass jedoch, sogar wenn dies auf zweckmässige Weise stattgefunden hat, eine bedeutende unvorhersagbare unerwünschte Komponente in dem Ausgangssignal des Filters vorhanden sein kann.

Die Erfindung bezweckt, eine akustische Oberflächenwellenanordnung zu schaffen, die verhältnismässig preiswert und kompakt ist und in der die vorgenannte unerwünschte Signalkomponente auf eine annehmbar niedrige Grosse herabgesetzt werden kann. Nach der Erfindung ist eine akustische Oberflächenwellenanordnung dadurch gekenn-

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zeichnet, dass sie einen Körper in Form einer Scheibe aus einkristallinem Wismufcsiliciumoxid enthält, der derart' gestaltet ist, dass die grosse Fläche der genannten Scheibe, die die Fortpflanzungsoberfläche der akustischen Oberflächenwellen der Anordnung bildet, nahezu parallel ,zu der kristallographxschen (i1i)-Ebene oder einer kris*- tallographisch äquivalenten Ebene der hier definierten Art liegt, wobei interdigitale Sende- und Empfangswandler auf der genannten grossen Fläche angebracht sind, um akustische Oberflächenwellen in irgendeiner der Richtungen (1O1), (110) und (011) oder äquivalenten Richtungen der hier definierten Art in der (I1i)-Ebene oder in irgendeiner der krxstallographisch äquivalenten Richtungen der hier definierten Art in der genannten äquivalenten Ebene auszusenden bzw. zu empfangen, welche Scheibe derart angeordnet ist, dass auf die andere grosse Fläche dieser Scheibe gerichtete Massenwellen effektif absorbiert und/oder gestreut werden, wobei der gegenseitige Abstand der genannten Wandler derartig ist, dass Massenscherwellen mit einer zu der zuerst genannten grossen Fläche geneigten Teilchenbewegung, die von einem der genannten Wandler in Richtung auf den genannten anderen Wandler ausgesandt werden, den genannten anderen Wandler nahezu nicht erreichen können.

Wismutsiliciumoxid (Bi₁₂SiO₂₀) ist ein symmetrischer kubischer Kristall und demzufolge sind die kristallographxschen X-,,Y-, Z-, -X-, -Y- und -Z-Richtungen alle als einander in bezug auf die piezoelektrischen Koeffizienten äquivalent zu betrachten. Die (i1i)-Ebene

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1st somit der (i1i)-Ebene äquivalent und die (101)-, (IIO)- und (011)-Richtungen sind den entgegengesetzten (IOT)-, (TiO)- bzw. (0T1)-Richtungen äquivalent.

Die folgenden Richtungen sind hier auch als diesen Ebenen bzw. Richtungen kristallographisch äquivalent zu betrachten:

Die Richtungen

(1T0), (OH) und (ΙΟΙ) oder (T10), (oTf) und (ToT) in der Ebene (I1T) oder fm), die Richtungen

(QiT), (ΙΟΙ) und (HO) oder (0T1 ), (ToT) und (ITo) in der Ebene (Ti 1 ) oder (1IT), oder die Richtungen

(110), (Toi) und (OH) oder (TTo), (10T) und (ΟΊΤ) in der Ebene (1T1) oder (TiT).

Die Wahl eines geeigneten piezoelektrischen Materials für die Herstellung akustischer Oberflächenwellenanordnungen hat sich in der Vergangenheit als schwierig erwiesen. Einkristalle mit den günstigsten piezoelektrischen oder polarisierten Eigenschaften mit einem genügend hohen piezoelektrischen Kopplungsfaktor (k²) (z.B. Lithiumniobat) sind verhältnismässig teuer, während polarisierte künstliche keramische Materialien sich schwär mit genügend unveränderlichen und gleichmässigen Eigenschäften herstellen lassen.

Wismutsiliciumoxid ist ein Einkristall, der

sich leicht aus verhältnismässig preiswerten Materialien · herstellen lässt und den Vorteil aufweist, dass die Portpflanzungsgeschwindigkeit akustischer Oberflächenwellen

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erheblich niedriger als die für Lithiumniobat ist, wodurch das äquivalente Filter in kleineren Abmessungen hergestellt werden kann. Wismutsiliciumjoxid kann auch einen genügenden piezoelektrischen Kopplungsfaktor (k²) nahezu gleich der Hälfte dieses Faktors für Lithiumniobat liefern.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde,

dass die unerwünschten Signale, die verbleiben können, wenn Schritte durchgeführt werden sind, um auf ide grosse Fläche der Scheibe auffallende Massenwellen zu absorbieren und/oder zu streuen, durch Massenlongitudinal- und —scherwellen herbeigeführt werden, die von dem Sendewandler in einer Richtung parallel zu der gewünschten Fortpflanzungsbahn für die akustischen Oberflächenwellen ausgesandt werden, Venn die Scheibe aus einkristallinem Wismutsiliciumoxid hergestellt wird, und die genannte Fortpflanzungsoberfläche nahezu parallel zu der (i1i)-Ebene ist, und wenn die akustischen Oberflächenwellen in einer der Richtungen (TO1), (iTo) oder (0i7) gerichtet werden, stellt sich heraus, dass die beiden Schermassenwellen, die sich mechanisch in dem Kristall in einer Richtung parallel zu der Oberfläche fortpflanzen können, transversale Teilchenbewegungen haben, die unter Winkeln von 6O" bzw. JO' zu der Fortpflanzungsoberfläche stehen. Die beiden Schermassenwellen WBrden von einem interdigitalen Wandler ausgesandt. Die Scherwelle mit einer unter einem Winkel von 60* zu der Oberfläche geneigten Teilclienbewegung weist die niedrigste Fortpflanzungsgeschwindigkeit auf und dies kann in Vereinigurig mit dem gegenseitigen Abstand der interdigitalen Elektroden ein Streusignal in dem Sperrband gerade oberhalb des

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Durchlassbandes eines Bandpassfilters herbeiführen. Da die Teilchenbewegung jedoch unter einem Winkel von 60* zu der Oberfläche geneigt ist, wird diese Scherwellenkomponente bald von der Fortpflanzungsoberfläche ab gerichtet und an der anderen Fläche der Scheibe gestreut oder absorbiert. Die Scherwelle mit einer unter einem Winkel von 30° zu der Oberfläche geneigten Teilchenbewegung weist die höhere Fortpflanzungsgeschwindigkeit auf und kann Streusignale in grössere Entfernung von dem Durchlassband herbeiführen. Diese Scherwelle wird auf gleichmässigere Weise von der Fortpflanzungsoberfläche ab gerichtet, aber die zulässige Grosse des.Streubereiches ist im allgemeinen auch höher.

Eine longitudinale Massenwelle kann auch in der Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen ausgesandt werden, aber die Geschwindigkeit dieser Welle ist höher als die der beiden anderen Wellen, so dass sie zu einem Durchlassbereich führt, der noch weiter von dem Durchlassband entfernt ist und daher grosser sein darf. Neben diesen Faktoren ist der piezoelektrische Kopplungsfaktor (k²) für diese Orientation verhältnis-r massig gross und übersteigt die Grosse der entsprechende piezoelektrischen Konstanten, die das Wandlerfeld mit den respektiven Massenwellen koppeln, in genügendem Masse, um zu bewirken, dass das gewünschte akustische Oberflächenwellensignal in bezug auf die Streusignale vergrössert wird und die letzteren Signale genügend klein sind, damit ein befriedigendes Fernsehzwischenfrequenzfilter hergestellt werden kann, vorausgesetzt, dass die Sende- und

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Empfangswandler genügend weit voneinander entfernt sind.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise für ein Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines
akustischen Oberflächenwellenfilters nach der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Durchlassbereiches als Funktion der Frequenz in bezug auf das Filter nach Fig. 1, und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Detail der Fig. 1.

Ein akustisches Oberflächenwellenfernsehzwischenfrequenzfilter für eine Zwischenfrequenz von 37 MHz nach der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Eine
Scheibe 1 wird aus einem Einkristall aus Wismutsiliciumoxid (Bi₁₂SiOp₀) geschnitten, so dass eine Fortpflanzungsoberfläche 2 für akustische Oberflächenwellen, die ein
der grossen Flächen der Scheibe enthält, parallel zu der kristallographischen (i1i)-Ebene des Einkristalls orientiert ist. Um dies zu erreichen, werden die kristallographischen Achsen des Einkristalls auf bekannte Weise
unter Verwendung von Röntgenstrahlungsbeugung definiert; nach Unterteilung werden interdigitale Sende- und Empfangswandler k, 5 auf der Oberfläche 2 vorzugsweise aus einer Goldschicht, z.B. unter Verwendung photolithographischer Techniken gebildet, so dass die Fortpflanzungsrichtung 3 für eine von dem Wandler h ausgesandte und von dem Wandler 5 empfangene akustische Oberflächenwelle längs der Zonenachse (ld) gerichtet wird. Durch ein übliches Herstel-

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!längsverfahren wird ein Matrixmuster von Vandlerpaaren 4, 5 auf einer Scheibe gebildet, wobei sie je die genannte Orientation aufweisen, und die Scheibe wird dann in einzelne Scheiben unterteilt.

Die Form, der gegenseitige Abstand und die Bewertung der Elektroden 6 der interdigitalen Wandler h und 5 werden auf übliche Weise derart gewählt, dass das gewünschte Durchlassband für das Filter erhalten wird. Um den Entwurfvorgang zu vereinfachen, wird für die Elektroden eines der Wandler, und zwar h, eine gleichmässige Länge und Breite gewählt, wobei die Bewertung auf die Elektroden des Wandlers 5 beschränkt ist. Blindelektrodentexle 7 werden eingeführt, um den Raum zwischen benachbarten Elektrodenelementen zu füllen, die mit der gleichen Anschlussklemme verbunden sind, wobei das zwischengefügte Elektrodenelement verkürzt ist, um die Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen über der Matrix konstant zu halten und so eine unerwünschte Verzerrung des Bündels zu vermeiden. Die Enden 8 der Scheibe 1 werden unter einem:'Winkel von nahezu 70° zu der Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen geschnitten, um das von dem Wandler h emittierte unerwünschte Bündel von dem Wandler 5 ab und das vom Wandler 5 emittierte Bündel von dem Wandler k ab zu erstreuen.

Die andere grosse Fläche der Scheibe wird derart behandelt, dass Massenwellenstörungen, die von den Wandlern h und 5 auf diese Fläche gerichtet werden, effektiv absorbiert und/oder gestreut werden und den anderen Wandler nicht erreichen, so dass auf Auftreten eines unerwünschten

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Ausgangssignals vermieden wird. Ein Behandlungsverfahren besteht darin, dass eine Vielzahl diskreter Aussparungen in der unteren Fläche 10 gebildet werden, die sich bis zu innerhalb einiger Wellenlängen akustischer Oberflächenwellen von der Fortpflanzungsoberfläche 2 erstrecken, wie in der deutschen Patentanmeldung P 24 40 718.9 der Anmelde rin beschrieben ist.

In der graphischen Darstellung nach Fig. 2 der Ausgangssignalgrösse als Funktion der Frequenz für eine konstante Eingangssignalgrösse bezeichnet die Linie 12 den gewünschten Filterdurchlassbereich, der mit dem akustischen Oberflächenwellenfilter erhalten wird. Das Gebiet 13 neben dem Durchlassband ist ein verhältnismässig tiefes Sperrband, was notwendig ist, um Störungen des Tonträgers » eines benachbarten Fernsehkanals zu entfernen.

Der ¥andler k sendet auch eine Schermassenwelle mit einer unter einem Winkel von 60^e zu der Fortpflanzungsoberfläche 2 geneigten Teilchenbewegung in einer Richtung 20 (Fig. 2) parallel zu der Fortpflanzungsrichtung 3 der akustischen Oberflächenwellen aus und, weil die Geschwindigkeit dieser Massenwelle etwas grosser als die der akustischen Oberflächenwelle: ist, liegt das Durchlassband Ik dieser Massenwelle gerade oberhalb des gewünschten Durchlassbandes des Filters in dem erforderlichen tiefen Sperrband I3. Die starke Neigung der Teilchenbewegung zu der Oberfläche bedeutet jedoch, dass diese Schermassenvelle verhältnismässig schnell von der Fortpflanzungsoberfläche 2 ab gerichtet vird, wenn sie sich zu dem Wandler 5 hin bewegt, während der gegenseitige Abstand der Wandler h

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und 5 derart gewählt wird, dass diese Welle effektiv gestreut oder absorbiert wird.

Eine Massenscherwelle mit einer unter einem

Winkel von 30° zu der Fortpflanzungsoberfläche 2 geneigten Teilchenbewegung wird auch von dem Wandler h in der Richtung 20 ausgesandt. Diese Massenscherwelle weist eine höhere Geschwindigkeit als die andere Welle auf und ihr Durchlassband. 15 ist weiter von dem gewünschten Durchlassband· des akustischen Oberflächenwellenfliters entfernt. Infolge des kleineren Winkels, den die Teilchenbewegung mit der Oberfläche 2 einschliesst, wird diese Welle langsamer abgelenkt, wie durch den Weg 22 dargestellt ist, und der gegenseitige Abstand der Wandler muss derartig sein, dass das sich aus dem Massenwellensignal 15 ergebende Ausgangssignal unter der gewünschten Schwächungskurve an diesem Punkt liegt.

Eine longitudinale Massenwelle wird von dem Wandler k in der Richtung 20 wieder parallel zu der Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen ausgesandt und bewegt sich direkt zu dem Empfangswandler 5. Die Geschwindigkeit dieser Welle ist höher als die der beiden Scherwellen und das Durchlassband 16 ist weit von dem Durchlassband des Durchlassbereiches der akustischen Oberflächenwellen entfernt an dem Punkt, an dem das erforderliche Si gnal spermiveau nicht so gross wie das dem Durchlassband näher liegende Niveau ist. Durch Anwendung der beschriebenen Orientation bei Wismutsiliciumoxid wird der Kopplungsfaktor (k²) mit der akustischen Oberfläche gross im Vergleich zu dem piezoelektrischen Kopplungs-

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faktor gemacht, was zur Folge hat, dass dor interdigitale Wandler diese longitudinale Massenvelle aussendet und empfängt, wodurch der Durchlassbereich 16 kleiner als der gewünschte Schwächungsbereich für das Filter und daher annehmbar ist.

Andere äquivalenten kristallographische Oriontationen und äquivalenten kristallographische Ebenen der hier definierten Art können ebenso gut verwendet werden und die Erfindung lässt sich auch vorteilhaft bei Anordnungen anwenden, deren Hauptzweck darin besteht, eine Signalverzögerung herbeizuführen, da sich die unerwünschten Massenwellen mit von der Geschwindigkeiten fortbewegen.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

1 ./ Akustische Öberfläclienwellenanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Körper in Form einer Scheibe aus einkristallinem Wismutsiliciumoxid enthält, der¹ derart gestaltet ist, dass eine grosse Fläche der genannten Scheibe, die die Fortpflanzungsoberfläche für akustische Oberflächenwellen der Anordnung bildet, nahezu parallel zu der kristallographischen (i1i)-Ebene oder einer kristallographisch äquivalenfen Ebene der hier definierten Art liegt, wobei Sende- bzw. Empfangswandler auf der genannten grossen Fläche angebracht sind, um akustische Oberflächenwellen in irgendeiner der Richtungen (1.O1), (IIO) und (01 1 ) oder äquivalenten Richtungen der hier definierten Art in der genannten (i1i)-Ebene oder in irgendeiner der kristallographisch äquivalenten Richtungen der hior definierten Art in der genannten äquivalenten Ebene auszusenden bzw. zu empfangen und wobei diese Scheibe derart angeordnet ist, dass auf die andere grosse Fläche der Scheibe gerichtete Massenwellen effektiv absorbiert und/oder gestreut werden, während der gegenseitige Abstand dieser Wandler derart gewählt ist, dass Massenscherwellen mit einer zu der zuerst genannten grossen Fläche geneigten Teilchenbewegung, die von einem der genannten Wandler zu dem genannten anderen Wandler hin ausgesandt werden, nahezu den genannten anderen Wandler nicht erreichen können.
2.. Bandpassfilter mit einer akustischen Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 1 ...

3· Zwischenfrequenzfilter für einen Fernsehempfänger,

das eine akustische Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch

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enthält.

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