DE2528046A1

DE2528046A1 - Temperaturstabilisierung bei oberflaechenschallwellen-substraten

Info

Publication number: DE2528046A1
Application number: DE19752528046
Authority: DE
Inventors: Frederick Slocum Hickernell; Larry Allan Moore
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1974-07-02
Filing date: 1975-06-24
Publication date: 1976-01-22
Also published as: FR2277437B1; NL7507698A; US3943389A; GB1474825A; SE7507283L; FR2277437A1; JPS5125951A

Description

Dipl.-Phys. O.E. Weber d-s München 71

Patentanwalt Hofbrunnstraße 47

Telefon: (089)7915050

Telegramm: monopolweber münchen

M 137

MOTOROLA, INC.
5725 North East River Road Chicago, 111. 60631, U.S.A.

Temperaturstabilisierung bei Oberflächenschallwellen-Substraten

Die Erfindung betrifft eine Temperaturstabilisierung bei Oberflächens challwellen-Substraten.

Es besteht ein weitverbreitetes Interesse an Oberflächenschallwellen-Einrichtungen, bei welchen die Wellenenergie sich entlang einer Materialoberfläche ähnlich wie die Wellen auf einem Teich ausbreitet. Bei mikroskopischer Betrachtung würde die Oberfläche eines Materials, welches diese Wellen trägt, tatsächlich einem Teich entsprechen, und zwar einschließlich der Wellenberge und der Wellentäler. Einer der großen Vorteile von Oberflächenschallwellen-Einrichtungen ergibt sich aus der Tatsache, daß die Oberflächenwellen mit Schallgeschwindigkeit wan-

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dem, die wesentlich geringer ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit bei elektromagnetischen Wellen. Ein zweiter, ebenfalls wesentlicher Vorteil besteht darin, daß die akustische Wellenenergie entlang ihrem Ausbreitungsweg kontinuierlich zugänglich ist. Da die Wellenlängen kürzer sind und die Energie zugänglic±i ist, können Bauelemente wie Verzögerungsleitungen, Verstärker, Abschwächer, Dämpfungsglieder, Filter und Konolungseinrichtungen in Mikrominiatur-Bauweise dazu verwendet werden, elektronische Signale zu modifizieren und zu verarbeiten.

In ihrer einfachsten Form weist eine Oberflächenschallwellen-Schaltung eine HF-Energiequelle auf, hat weiterhin ein plattenartiges Element oder Substrat aus einem Material, welches dazu in der Lage ist, sich ausbreitende Oberflächenwellen zu tragen, wobei weiterhin schließlich eine Verbrauchereinrichtung vorhanden ist. Elektromechanische Übertrager sind mit dem Substrat gekoppelt, um die HF-Energie in Oberflächenwellen in dem Material umzuwandeln und umgekehrt. In einer derartigen Anordnung ist die grundlegende Oberflächenwellen-Einrichtung hauptsächlich als Verzögerungsleitung geeignet. Häufig ist es erwünscht, die sich ausbreitende Oberflächenwelle in der Weise zu ändern, daß die Arbeitsweise von grundlegenden Einrichtungen verbessert wird und daß neue Einrichtungen mit besonderen Eigenschaften geschaffen werden.

Im allgemeinen werden piezoelektrische Materialien zur Herstellung des Oberfläahenwellen-Substrats verwendet. Bei solchen Substraten nehmen die Eingabe- und die Ausgabe-Übertrager im allgemeinen die Form von Bereichen an, in denen ineinandergreifende Elektroden aus einer dünnen leitenden Folie angeordnet sind, welche auf der Substratoberfläche hergestellt sind. Durch geeignete Ausbildung der Übertrager ist es möglich, Verzögerungsleitungen herzustellen, welche hinsichtlich der Zeitverzögerung und des Frequenzverhaltens gewünschte Eigenschaften haben. Wegen dieser Eigenschaften werden solche Ein-

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richtungen als Verzögerungsleitungsfilter bezeichnet und haben einen breiten Anwendungsbereich bei Fernmeldeeinrichtungen und Radarsystemen.

Da Oberflächenschallwellen-Einrichtungen gewöhnlich eine große Zeitverzögerung im Vergleich zu LO-Netzwerken haben, wird der Temperaturkoeffizient der Zeitverzögerung ein wichtiger Parameter. Es ist schwierig, Temperatureffekte mit einer einfachen Netzwerktechnik zu kompensieren. Bei Bandpaßfilteranwendungen sind die Mittenfrequenz, die Phasenverschiebung und die Zeitverzögerung temperaturabhängig. Im Falle von angepaßten Filtern, wie sie bei Zwitscher-Radareinrichtungen verwendet werden, werden durch eine Substrat-Temperaturveränderung Bereichs-Mehrdeutigkeiten eingeführt. Bei phasenkodierten angepaßten Filtern wird der Verarbeitungsgewinn ernsthaft beeinträchtigt, wenn die Temperatur verändert wird.

Bisher sind zur Kompensation von Verzögerungszeitveränderungen aufgrund der Temperatur auf Oberflächenwellen-Substraten hauotsächlich Methoden angewandt worden, bei welchen ein aus dünnen Schichten zusammengesetztes Material verwendet wird. Diese Vorgehensweise zeichnet sich dadurch aus, daß eine dünne Oxidschicht auf einem Oberflächenwellen-Substrat verwendet wird, welche es gestattet, daß der Temperaturkoeffizient eines Materials den Temperaturkoeffizienten des anderen Materials kompensiert. Eine Steuerung des Temoeraturkoeffizienten der Verzögerung auf kleine Werte ist durch die Verwendung von ZnO-Folienschichten auf geschmolzenem Quarz und isopaustischem Glas erreicht worden. Dieses Schichtfolien-Konzept ist auf ZnO-Folienschichten auf anderen Quarz-Schnitten und SiO^-Folien auf Lithiumniobat ausgedehnt worden. Bestimmte Quarz-Schnitte und ausgewählte Glasarten haben negative Temperaturkoeffizienten, während Lithiumniobat und Zinkoxid positive Koeffizienten haben.

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Bei anderen Methoden ist eine stumpfe Verklebung von ST-Quarz mit LiNbO₇ sowie eine Widerstandsfolien-Heizanordnung unter Verwendung einer phasenstarren Rückführschleife verwendet worden. Die Anordnung der Oberflächenwellen-Einrichtung in einem temperaturgeregelten Ofen ist eine direkte, ,jedoch etwas umständliche Lösung für das Problem. Es wäre vorteilhaft, eine Temperaturkompensation auf einfachere Weise zu erreichen.

Bisher haben entsprechende Versuche nur zu. begrenztem experimentellem Erfolg geführt. Es scheint gegen grundlegende Eigenschaften im Zusammenhang mit dem Aufbau der Materie zu sein, zugleich ei-ien hohen Kopplungswirkungsgrad und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten in einem einzigen Material zu haben. Der beste erreichbare Zustand wäre derjenige, bei welchem ein temperaturstabiler Zustand in einem Material mit hohem Kopplungswirkungsgrad und geringen Ausbreitungsverlusten ohne Verschlechterung dieser Eigenschaften vorhanden wäre. Es wäre außerdem außerordentlich nützlich, wenn die Technik auf eine Vielfalt von Materialien angewandt werden könnte und in der Herstellung einfach und zuverlässig wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es, Oberflächenschallwellen-Einrichtungen zu schaffen, welche temperaturstabile Eigenschaften haben.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß sie in ihrer Ausführung verhältnismäßig preiswert, zuverlässig und einfach ist.

Weiterhin ist gemäß der Erfindung der Vorteil erreichbar, daß eine Druckkraft anwendbar ist, um die Substratlänge einer Oberflächenschallwellen-Einrichtung über den interessanten Temperaturbereich konstant zu halten.

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Weiterhin sind gemäß der Erfindung zugleich ein hoher Kopplungswirkungsgrad, geringe AusbreitungsVerluste und ein kleiner Temperaturkoeffizient der Zeitverzögerung erreichbar.

Die erfindungsgemäße Oberflächenschallwellen-Einrichtung hat somit temperaturstabile Eigenschaften. Die Oberflächenwellen-Einrichtung gemäß der Erfindung ist als äußere Schicht in einer Anordnung aus zusammengesetzten Schichten angeordnet und bildet eine Oberflächenschallwellen-Anordnung. Die zusammengesetzte Schichtanordnung ist in Abhängigkeit von bestimmten Wärmeeigenschaften synthetisiert, welche von dem verwendeten piezoelektrischen Material abhängen, welches als akustische Einrichtung verwendet wird, um eine 'Temperaturkompensation für die akustische Einrichtung zu erreichen. Bei der Zusammensetzung der aus einzelnen Schichten gebildeten Anordnung werden Graphitfasern mit hohem Elastizitätsmodul in einer Richtung in einer hitzebeständigen Epoxymatrix angeordnet. Die Anzahl, die Ausrichtung und die Anordnung der Graphitfasern innerhalb des SchichtQuerschnittes ist derart gewählt, daß in selektiver Weise eine Fehlanpassung an die thermischen Ausdehnungseigenschaf ten der akustischen Einrichtung entlang der Achse der akustischen Ausbreitung erreicht ist und zugleich annähernd eine Anpassung an die thermischen Ausdehnungseigenschaften entlang der orthogonalen Achse der Materialeigenschaft der akustischen Einrichtung gewährleistet ist.

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte bildliche Darstellung eines Oberflächenschallwellen-Verzögerungsleitungsfilters ,

Fig. 2 eine Darstellung einer Anordnung zum Ausgleich des Temperatureffektes auf einer Oberflächenschallwellen-Einrichtung mit Hilfe der Druckkraft, welche in einer zusammengesetzten Graphitschicht-Anordnung erzeugt wird, auf welche das Substrat der Einrichtung aufgeklebt ist,

Fig. 3 eine bildliche Darstellung der Anordnung gemäß Fig. 2, wobei das Verzögerungsleitungsfilter gemäß Fig. 1 die Oberflächenschallwellen-Einrichtung ist, und

Fig. 4- eine graphische Darstellung der Mittenfrequenz des Verzögerungsleitungsfilters gemäß Fig. 1 als Funktion der Temperatur.

In der Fig. 1 der Zeichnung ist ein Oberflächenschallwellen-Verzögerungsieitungsfilter in vereinfachter Weise dargestellt. Gemäß Fig. 1 ist ein Substrat 10 aus piezoelektrischem Material mit einem Eingangsübertrager 11 und einem Ausgangsübertrager versehen. Eine Quelle für HF-Energie, welche in ihrer Gesamtheit mit 13 bezeichnet ist, ist elektrisch mit dem Eingangsübertrager 11 gekoppelt. Die Quelle 13 kann auch geeignete elektromagnetische Abstimmelemente aufweisen, wie es grundsätzlich bekannt ist. Eine Verbraucherschaltung, welche allgemein bei 14- dargestellt ist, ist ihrerseits elektrisch mit dem Ausgangsübertrager 12 gekoppelt. Das piezoelektrische Material, aus welchem das Substrat 10 besteht, ist derart beschaffen, daß es für die Ausbreitung von Oberflächenschallwellen geeignet ist. Für diesen Zweck sind viele Materialien geeignet, und ihre Eigenschaften

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sind in der einschlägigen technischen Literatur zu finden. Neue Materialien wie Lithiumniobat und Wismuthgerrnaniumoxid haben gezeigt, daß sie eine starke piezoelektrische Kopplung bei geringen akustischen AusbreitungsVerlusten und einer großen Zeitverzögerung oro Längeneinheit aufweisen. Kristalliner Quarz, der in größeren akustischen Welleneinheiten bzw. Schallwelleneinheiten sehr verbreitet ist, hat auch für Oberflächenschallwellen eine große Bedeutung, weil neue Anordnungen dieses Materials gefunden wurden, welche sehr geringe Temperaturkoeffizienten der Zeitverzögerung aufweisen. Die verbreiteteten Materialien sind Quarz, und zwar wegen der geringen Kosten und der Temoeraturstabilität, sowie Lithiumniobat, weil es eine hohe oiezoelektrische Kopplung zeigt.

Allgemein ist die Oberfläche des Substrats 10 geschliffen und derart poliert, daß die Oberfläche eine optische Qualität aufweist, um Oberflächenunvollkommenheiten auf ein Minimum zu bringen. Ein Eingangsübertrager 11 sowie ein Ausgangsübertrager 12 werden durch Klebung oder in anderer Weise mechanisch auf der oberen polierten Oberfläche des Substrats 10 aufgebracht. Die Übertrager 11 und 12 können aus einem beliebigen geeigneten elektrisch leitenden Material wie Aluminium oder Gold bestehen. Die Dicke des aufgebrachten leitenden Materials, welches die Übertrager aufweist, ist nicht kritisch und kann typischerweise in der Größenordnung von 5°0 bis 1000 S oder darüber liegen.

Gemäß Fig. 1 besteht jeder Übertrager aus einer Anzahl von ineinandergreifenden Metallelektroden. Im einfachsten Falle sind die Breite und der Abstand dieser Elektroden gleich und über die Übertrageranordnung gleichförmig verteilt. Wenn eine harmonische Spannung an die Übertragerklemmen angelegt wird, erregt das Übertragermuster ein periodisches elektrisches Feld, welches in das piezoelektrische Substrat eindringt. Das Sub-

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strat reagiert durch eine periodische Ausdehnung und Zusammenziehung im Einklang mit diesen Feldern. Wenn die Anordnung des Substrats ordnungsgemäß gewählt ist, wobei gemäß der Erfindung die Y-Schnittrichtung und die Z-Ausbreitungsrichtung gewählt sind, führt diese piezoelektrische Erregung zu Oberflächenschallwellen, welche sich in den zwei Richtungen normal zu den Übertragerelektroden ausbreiten.

Wie aus einer Analogie zu Schallwelleneinrichtungen in festen Materialien, in welchen sich die Schallwellen innerhalb des Materials ausbreiten, erwartet werden könnte, würde der maximale Ausgangswert bzw. der Spitzenausgangswert der Oberflächenschallwelle aus dem Übertrager in der Nähe der Mittenfrequenz f liegen, definiert durch die Oberflächenschallwellen-Geschwin digkeit (v) und die Periodenlänge (L) des Übertragungsmusters als:

f₀ , v/L

Die Zeitverzögerung oder die Zeit (ΐ ), welche die Oberfiächenschallwelle benötigt, um den Abstand (1) zwischen den Ubertra-' gern zurückzulegen, beträgt:

Gemäß den obigen Ausführungen finden hauptsächlich zwei Materialien als Substrate für Oberflächenschallwellen Anwendung. Lithiumniobat (LiNbO,) hat den höchsten Kopplungskoeffizienten, jedoch einen großen linearen Temperaturkoeffizienten der Verzögerung (d.h. 94 ppm/°C). Dieser Temperaturkoeffizient ist zu groß für viele praktische Anwendungen. Das zweite Material ist ST-Quarz, welches einen Temperaturverzögerungskoeffizienten erster Ordnung von Null hat. Jedoch ist sein Kopplungswirkungsgrad etwa 30 mal niedriger als derjenige von LiNbO-,. Somit wird die Einfügungsdämpfung bei solchen Anwendungsfällen ein Problem, welche eine große Teilbandbreite erfordern. Weiterhin ist der Oberflächenwellen-Dämpfungskoeffizient von ST-Quarz g?ößer als 2dB/us bei 1 GHz,

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und sein Temperaturkoeffizient zweiter Ordnung zeiTfc eine oarabolische A/bhüngi^keit von Temperaturkoeffizienten größer als 30 pOm/°G bei Temperaturen von 35°G von Zimmertemperatur ab.

Ideal wäre ein Material, welches eine starke Kopplung hat und zugleich die niedrigen AusbreitungsVerluste von LiNbCK und den geringen Temoeraturkoeffizienten von ST-Ouarz. Unten wird eine Technik beschrieben, mit welcher man dies mit Hilfe von LiNbO-, in Verbindung mit einem Tenroeraturkompensationsmaterial erreichen kann.

Wenn die Temperatur eines Substrats aus LiNbO^ ansteigt, nimmt 1 in der Gleichung (B) zu, und ν in der Gleichung (B) nimmt ab. deshalb nimmt die Zeitverzögerung Γ infolge dieser beiden Effekte zu. Wenn eine Druckkraft entlang der Längsachse des Substrats wirkt, so nimmt 1 ab und ν nimmt zu, so da'i auf diese Weise die Auswirkungen der TemOeraturzunahme auf die Verzögerungszeit kompensiert werden.

Mit zunehmender Temperatur des Substrats nimmt außerdem L in der Gleichung (A) zu und ν nimmt ab. Folglich nimmt f aufgrund dieser zwei Effekte ab. Dies führt wiederum dazu, daß bei einer Druckkraft entlang der Längsachse des Substrats L abnimmt und ν zunimmt und dadurch die Auswirkungen der Temperatur auf f kompensiert werden.

Wenn ein Substrat 20 aus LiNbO_x fest auf eine aus Schichten gebildete Anordnung 21 mit Fasern 22, die einen hohen Elastizitätsmodul aufweisen und in einer Richtung in eine wärmebeständige Epoxymatrix 23 gemäß Fig. 2 eingebettet sind, fest aufgeklebt wird, wie es nachfolgend im einzelnen näher erläutert wird, wird gemäß den obigen Ausführungen eine Druckkraft, welche auf das Substrat wirkt, mit ansteigender Tenroeratur zunehmen. Auf diese Weise kann eine Einrichtung gebildet werden,

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welche dazu dient, die Auswirkungen der Temperatur auf die Verzögerungszeit und die Filtermittenfrequenz zu kompensieren. Die Theorie für diese Temperaturkompensation wird unten kurz diskutiert.

Die Temperaturabhängigkeit der Ausbreitung einer elastischen akustischen Welle in einem Festkörper wird durch den Tenmera turkoeffizienten der Zeitverzögerung bestimmt. Wenn das Produkt aus der Zeitverzögerung Γ und der Weglänge 1 durch eine Geschwindigkeit ν geteilt wird,

r = i/v, (-ι)

so ist der Temperaturverzögerungskoeffizient erster Ordnung durch folgende Beziehung gegeben:

1 3r ι 3i idv

wobei T die Temperatur ist. Die partielle Längenveränderung mit der Temperatur 5 (Ιη1)/$Τ ist der thermische Ausdehnungskoeffizient OC. Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist normalerweise positiv (die Länge nimmt mit ansteigender Temperatur zu), und er liegt für die meisten Materialien in der Grössenordnung von 10 -V C. Der Temperaturkoeffizient der Geschwindigkeit ist im allgemeinen eine negative Größe (die Geschwindigkeit nimmt mit ansteigender Temperatur ab), und seine Größe liegt in der Größenordnung von 10 /G. Die tatsächliche Auswirkung kann zu einem verhältnismäßig großen Wert für den Temperaturverzögerungskoeffizienten führen. Beispielsweise ist in YZ-Lithiumniobat der Wärmeausdehnungskoeffizient 8 opm/°C, und der Temperaturkoeffizient der Geschwindigkeit ist -86 ppm/°G. Dies führt zu einem erheblichen positiven Wert des Temperaturko_effizienten der Verzögerung von 94- ppm/ G.

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Allgemein ist die Schallgeschwindigkeit gleich der Quadratwurzel einer entsprechenden Elastizitätskonstanten c, geteilt durch die Dichte P :

ν = c/p (3)

Somit ist der Temperaturkoeffizient der Geschwindigkeit durch folgende Beziehung gegeben:

1 JLjl 1

1 JLjl - 1 . _

ν d T " 2c dT~ 2p

Es besteht eine direkte Abhängigkeit der Dichteänderung mit der Temperatur von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, welche sich beispielsweise im Falle eines isotropen Materials folgendermaßen ausdrücken läßt:

(5)

Unter Verwendung dieser Beziehung in Verbindung mit den Gleichungen (2) und (4) läßt sich der Temperaturkoeffizient der Zeitverzögerung in vereinfachter Form folgendermaßen schreiben:

iti)

R.E. Newnham, "Elastic Properties of Oxides and the Search for Temperature Compensated Materials", Air Force Cambridge Research Laboratories Scientific Report, AFCRlr-TR-73-O22O, 30. März 1973 hat ein einfaches klassiches mechanisches Analogon entwickelt, in welchem Federn die atomaren Bindungen darstellen, um die Veränderungen in elastischen Konstanten durch einfache mechanische Parameter darzustellen.

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In einem mechanischen Federmodell, bei welchem isotrope identische Federn angenommen werden, ist der Elastizitätskoeffizient direkt proportional zu der Kraftkonstanten k und umgekehrt proportional zu der Bindungslänge 1:

c «* k/l (7)

Mit der durch (7) gegebenen näherungsweisen Beziehung läßt sich die Temperaturveränderung von c berechnen,

IS a JtAW i 2& ^ U. 3T g·*·' * ■ "~ ** —

i£ a λ 2J£. ii ,. 1 /fc\ a*

3c _i__i__j

^?* «Ί7Γ- 7Ί ■ (10)

wobei die Tatsache ausgenutzt wurde, daß die Veränderung in k hauptsächlich von der Bindungslänge abhängt. Durch Einführen dieses Ausdrucks in die Gleichung (6) erhält man ill.« Γ λ. ί (2h. ' Ϊ5.ΎΙ τ ST * 2 L^{1 +} c [Ti - ϊ))

und mit einer zur Vereinfachung eingeführten Substitution für c ergibt sich

1 3t a (I

Die Einführung von typischen Werten für Quarz ergibt einen Wert 9 miT/9 T von 30 ppm/°C.

Das einfache Federkraft-Konstantenmodell liefert die richtige Größenordnung des Wertes, der experimentell zu beobachten ist. In der Praxis ist die tatsächlich vorhandene Kristallstruktur

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wesentlich komplizierter, und das Federkonstantenmodell kann nicht dazu verwendet werden, den Temperaturkoeffizienten der Verzögerung exakt vorherzusagen. Es ist dazu brauchbar, solche physikalischen Eigenschaften hervorzuheben, Vielehe bei der Veränderung der Zeitverzögerung mit der Temperatur dominieren. Aus der Beziehung (11) ist ersichtlich, daß der Temperaturkoeffizient der Zeitverzögerung direkt nroportional ist zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten und zu den Parametern, welche mit partiellen Veränderungen der Bindungslänge und der Federkonstanten in Beziehung stehen.

Daraus läßt sich die Folgerung ziehen, daß der Temperaturkoeffizient der Verzögerung zu Null wird, wenn die Veränderung in der Bindungslänge mit der Temperatur gleich Null ist. Diese Erkenntnis wird dazu verwendet, den TemOeraturkoeffizienten auf einen Wert von Null zu stabilisieren.

Zusammengesetzte Anordnungen sind für einige Zeit dazu verwendet worden, unerwünschte Veränderungen der Eigenschaften zu kompensieren, welche in einem einzelnen Material auftreten können.

Mit dem Ausdruck zusammengesetzt ist angesprochen, daß zwei oder mehreren Materialien dazu verwendet werden, als makroskopische Komponenten zu dienen, um ein zusammengesetztes Material herzustellen, welches gewünschte physikalische Eigenschaften hat. Zusammengesetzte Materialien können anstatt herkömmlicher Materialien in vorteilhafter Weise hergestellt und angewandt werden, und zwar in vielen Anwendungsfällen, weil sie gewöhnlich die besten Eigenschaften ihrer Bestandteile plus einigen Eigenschaften aufweisen, die kein einzelner Bestandteil für sich alleine hat. Weiterhin können einzigartige Eigenschaften herausgezüchtet werden, um speziellen Anforderungen eines bestimmten Anwendungsfalles Rechnung zu tragen, indem die Art,

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die Menge, die Anordnung und die Geometrie eines bestimmten Materxals der Zusammensetzung entsprechend geändert wird. Ersichtliche (makroskopische) Eigenschaften einer bestimmten Zusammensetzung und die Wechselwirkung ihrer Bestandteile können in zuverlässiger Weise auf der Basis der bekannten Eigenschaften eines Materials der Zusammensetzung vorausgesagt werden, wenn die Grundsätze der Festkörpermechanik und/oder die Theorie von Zusammensetzungen, Gemischen und Verbindungen herangezogen werden.

Für temperaturkompensierende akustische Einrichtungen ist ersichtlich, daß in erster Linie, wenn das Material an einer Ausdehnung gehindert wird, ein Temperaturkoeffizient der Zeitverzögerung in der Nähe von Null erreichbar ist. Dies wäre eine Anordnung, welche in physikalischer Weise die Ausdehnung begrenzt. Wenn beispielsweise das Oberflächenwellensubstrat auf ein Material aufgeklebt wird, dessen Eigenschaften eine Ausdehnung an der Oberfläche durch induzierte Soannungsveränderungen verhindern, so sollte dies zu dem gewünschten Tomoeraturkoeffizienten von Null führen. Die Auswahl des Materials, auf welche das Substrat aufgeklebt wird, und das Klebematerial sind kritische Punkte.

Ein eingeschlagener Lösungsweg besteht darin, eine aus Graphit-Schichten zusammengesetzte Anordnung zu verwenden, deren Eigenschaften derart gewählt werden können, daß die gewünschten Spannungspegel erreicht werden. Eine solche Anordnung ist in der Fig. 2 veranschaulicht. Die Anordnung weist ein Oberflächenwellensubstrat 20 als oberste Schicht in einem aus Schichten zusammengesetzten Plattenelement auf. Der Ausgleich in der Schichtanordnung wird aus einzelnen Schichten 21 erreicht, welche in einer Richtung Graphitfasern 22 mit einem hohen Elastizitätsmodul aufweisen, die in einer wärmebeständigen Epoxymatrix 23 angeordnet sind. Die Anzahl, die Art, die Ausrichtung und der geometrische Bereich der zusammengesetzten

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Schichten sind eine Funktion der Kristallart, der Kristalldicke und der Kristallorientierung (Schnitt), wobei eine Temperaturkompensation erreicht werden soll. Die Schichtanordnung ist derart ausgebildet, daß in selektiver Weise eine Anpassung oder Fehlanpassung an Materialeigenschaften der Oberflächenwellen-Substratschicht erreicht ist und dadurch gesteuerte Spannungsoegel in der Einrichtung hervorgerufen werden, wenn die Schichtanordnung Veränderungen in der thermischen Umgebung ausgesetzt wird. Auf diese Weise lassen sich die Eigenschaften der Schichtanordnung derart ausbilden, daß unerwünschte Veränderungen in der thermisch hervorgerufenen Ausdehnung und der Materialeigenschaft an der Oberfläche des Substrats kompensiert werden.

Die Ausbildung der Schichtanordnung basiert auf der Theorie einer zusammengesetzten Platte, veröffentlicht von J. E. Ashton et al in "Primer on Composite Materials: Analysis", Technomic Publishing Co., Stanford, Connecticut, 1969. Diese Theorie ist anwendbar auf eine Schichtanordnung, die aus einer beliebigen Anzahl und Anordnung von anisotropen Schichten hergestellt wird. Eine interne Druckspannung wird entlang einer ausgewählten Materialachse der Oberflächenwellenschicht dadurch entwickelt, daß eine selektive Fehlanpassung zwischen ihrer thermischen Ausdehnungseigenschaft und denjenigen des Ausgleichs der Schichtanordnung vorgesehen wird. Zugleich ist es erforderlich, die zusammengesetzte Anordnung derart auszubilden, daß die Spannungspegel außerhalb der Achse in dem Lithiumniobat innerhalb annehmbarer Pegel gehalten werden.

Zusammengesetzte Schichten in der Form eines dünnen vorimprägnierten Bandes können verwendet werden. Beispielsweise ist ein vorimprägnierter Kohlenstoff NARMCO 52O8T-3OO, hergestellt von der Firma NARMCO Materials Division, Whittaker Corporation, ein modifiziertes Epoxyharz, verstärkt mit Kohlenstoff-Fasern vom Typ Thornal 300 und wird als Band mit einer Dicke von etwa 0,178 mm (0,007 Zoll) geliefert. Die Schichtanordnung wird

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aus verschiedenen übereinander angeordneten Schichten dieses Bandes gebildet. Einzelne Schichten werden in dieser Anordnung derart angebracht, daß ihre Hauptmaterialachsen unter einem vorgegebenen Winkel zu einer Hauptachse der Schichtanordnung liegen. Die Anzahl, die Ausrichtung und die Anordnung der Schichten werden gemäß den für die Schichtanordnung erforderlichen Materialeigenschaften gewählt. Anschließend wird die Schichtanordnung bei erhöhter Temperatur und unter mäßigem Druck ausgehärtet.

Nachdem die Schichtanordnung grundsätzlich fertiggestellt ist, wird die endgültige Schichtanordnung dadurch erreicht, daß der Oberflächenwellenkristall in seiner vorgegebenen Lage und Richtung aufgeklebt wird.

Nachfolgend werden die Ergebnisse der Anwendung dieser Technik erläutert.Die Ausführungsform des LiNbO_-7-Substratfilters gemäß Fig. 1 mit einem Substrat 10 und Übertragern 11 und 12 wird auf einer aus 15 Graphit-Schichten gebildeten Schichtanordnung 30 gemäß den obigen Ausführungen und gemäß der Darstellung in vereinfachter Form gemäß Fig. 3 aufgeklebt. Die Kennlinie des Filters ist in der Fig. '+ dargestellt, in welcher die Frequenz über der Temperatur aufgetragen ist. Gemäß der Darstellung bleibt die Frequenz über den Temperaturbereich von 20 G bis 70 C nahezu konstant, was einem Temperaturkoeffizienten von weniger als 10 ppm/°G entspricht.

Der Temperaturbereich und sein Mittenwert können für einen annähernd bei Null liegenden Temperaturkoeffizienten auf verschiedene Arten geregelt werden, beispielsweise durch Veränderung der Anordnung der einzelnen Schichten und der Richtungswinkel der Graphitfasern oder durch Veränderung der Bindematerialien und der Temperatur, bei welcher die Bindung zustandekommt.

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Diese Temperaturkompensations-Technik ist auch auf andere Materialien für ein Oberflächenschallwellen-Substrat und auf andere Anordnungen aus verschiedenen Schichten sowie auf andere Materialien anwendbar. Es können auch andere Methoden angewandt werden, um eine Druckkraft zu erzeugen, um die Substratlänge konstant zu halten und auf diese Weise einen Tenroeraturko effizient en von annähernd Null über den gesamten interessierenden Temperaturbereich hervorzurufen.

Die oben beschriebene Tenroeraturstabilisationstechnik ist auch auf alle anderen Oberflächenschallwellen-Einrichtungen zusätzlich zu einem Verzögerungsleitungsfilter gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anwendbar.

In der Industrie besteht gegenwärtig ein größeres Interesse daran, bei Oberflächenschallwellen-Einrichtungen eine verhältnismäßig einfache, zuverlässige und billige Einrichtung dazu zu haben, einen hohen Kopplungswirkungsgrad bei geringen Ausbreitungsverlusten und zugleich einen kleinen Temoeraturkoeffizienten der Verzögerung zu gewährleisten. Gemäß der Erfindung wird die Möglichkeit dazu geschaffen, und es werden zugleich die Anwendungsmöglichkeiten von Oberflächenschallwellen-Einrichtungen für militärische Zwecke, für Raumfahrt-Zwecke und auch für kommerzielle Einrichtungen erweitert.

- Patentansprüche -

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Claims

PatentansOrüche

ί 1.1 Temperaturstabile Oberflächenwellen-Anordnunf? mit einem ^■' Körper aus piezoelektrischem Material, welcher eine erste und eine gegenüber angeordnete zweite ebene Oberfläche aufweist, wobei eine Erregungseinrichtung zur Erregung von Oberflächenwellen auf der ersten ebenen Oberfläche des Körpers aus piezoelektrischem Material in Reaktion auf elektromagnetische Signale vorhanden ist, welche an die Anordnung angelegt werden, dadurch gekennzeichnet, da'3 eine aus Schichten aufgebaute Anordnung (30) vorgesehen ist, welche vorgegebene Materialeigenschaften aufweist, um in dem oiezoelektrischen Material eine Temperaturkompensation zu erreichen, indem gesteuerte Spannungsveränderungen in dem Oiezoelektrischen Material hervorgerufen werden, wobei die aus Schichten zusammengesetzte Anordnung auf die zweite Oberfläche des piezoelektrischen Materials aufgeklebt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einzelnen Schichten zusammengesetzte Anordnung eine Vielzahl von einzelnen Laminatschichten (21) aufweist, daß äeüe Schicht Graphitfasern (22) enthält, die in einer Richtung in einer Epoxymatrix angeordnet sind, und daß die Graphitfasern (22) der einzelnen Laminatschichten (21) eine vorgegebene Anordnung in bezug auf die Achse der Ausbreitung der erregten Oberflächenwellen haben, um in selektiver Weise eine Anpassung und eine Fehlanpassung an thermische Ausdehnungseigenschaften des piezoelektrischen Materials zu erreichen, indem gesteuerte Spannungen hervorgerufen werden·

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Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einzelnen Schichten zusammengesetzte Anordnung die gesteuerten Spannungen entlang der Ausbreitungsachse der Oberflächenwellen hervorruft, um in selektiver Weise eine Fehlanpassung an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Materials zu liefern, und daß das aus einzelnen Schichten zusammengesetzte Substrat eine gesteuerte Soannung erzeugt, um im wesentlichen eine Anpassung an die thermischen Ausdehnungseigenschaf ten des piezoelektrischen Materials entlang der orthogonalen Achse su der Ausbreitungsachse der erregten Oberflüchenv/ellen zu liefern.

Oberflächenwellen-Einrichtung mit einem piezoelektrischen Lithiumniobat-Kristall mit einem Y-Schnitt und einer Z-Ausbreitung, wobei eine erste und eine zweite ebene Oberfläche und wenigstens zwei Übertrager vorhanden sind, um .jeweils die Oberflächenwellen auf der ersten Oberfläche der Oberflächenwellen-Anordnung anzuregen bzw. aufzunehmen, wobei eine Anordnung gebildet ist, welche zur Temperaturetabilisation der Oberflächenwellen-Einrichtung dient, dadurch gekennzeichnet , daß eine aus Schichten zusammengesetzte Anordnung (J>0) vorgesehen ist, welche vorgegebene Materialeigenschaften aufweist, um zu gestatten, daß gesteuerte Spannungen in der Oberflächenwellen-Einrichtung hervorgerufen werden, um in selektiver Weise eine Anpassung und eine Fehlanpassung an die thermischen Ausdehnungseigenschaften des piezoelektrischen Kristalls zu bilden, um eine Temperaturstabilisation des piezoelektrischen Kristalls zu erreichen, wobei die aus einzelnen Schichten zusammengesetzte Anordnung auf eine zweite Oberfläche der Oberflächenwellen-Einrichtung derart aufgeklebt ist, daß die erregten Oberflächenwellen nicht dort hindurch übertragen werden.

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5· Anordnung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Schichten zusammengesetzte Anordnung Graphitfasern (22) aufweist, welche in einer wärmebeständigen Epoxymatrix in jeder Schicht der Schichtanordnung
angeordnet sind, und daß die Graphitfasern (22) in jeder
Schicht in einer Richtung verlaufen·

6. Anordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus fünfzehn Schichten zusammengesetzt ist und daß die Graphitfasern (22) in jeder der
fünfzehn Schichten in eine.r vorgegebenen Richtung in bezug auf die Ausbreitungsachse der Oberflächenschallwellen angeordnet sind.

7- Anordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Graphitfasern im Verhältnis
von etwa 65 % in bezug auf das Gesamtvolumen des Substrats gebildet ist.

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