DE2532646A1

DE2532646A1 - Integrierte duennfilmschaltung mit den eigenschaften eines tankkreises

Info

Publication number: DE2532646A1
Application number: DE19752532646
Authority: DE
Inventors: Samuel Chin-Chong Tseng
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-08-29
Filing date: 1975-07-22
Publication date: 1976-03-11
Also published as: FR2283587B1; JPS581850B2; FR2283587A1; US4166258A; JPS5136091A

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 973 069

Integrierte Dünnfilmschaltung mit den Eigenschaften eines Tankkreises

Die Erfindung bezieht sich auf eine neuartige integrierte Dünnfilmschaltung mit den Eigenschaften eines TYnkkreises und deren Anwendung auf in Dünnfilmtechnik aufgebaute Filter und Oszillatoren.

Mit Oberflächenwellen oder Deformationswellen arbeitende Vorrichtungen sind allgemein bekannt. In einer Ausführungsform weisen diese Vorrichtung ein Muster von auf einem piezoelektrischen Substrat angeordneter Leiter auf. Gewöhnlich besteht dieses Leitungsmuster aus einem Paar paralleler, einander auf Abstand gegenüberliegender Leitungen, deren jede eine Anzahl senkrecht dazu verlaufender und damit verbundener fingerartiger Leitungen aufweist. Die Länge dieser Kammelektroden ist geringer als der Abstand zwischen den beiden Leitern, und sie liegen alle parallel zueianander. Einander benachbarte Kammelektroden sind abwechselnd mit der einen oder der anderen der beiden parallelen Leitungen verbunden.

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Wenn bei dieser Anordnung durch eine zwischen den Leitungen bestehende Spannungsdifferenz ein elektrisches Feld erzeugt wird, so entsteht dadurch aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften in dem Substrat eine Deformations- oder Oberflächenwelle. Im Stand der Technik hat man diese Vorrichtungen als Filter in einer mit zwei Eingängen versehenen Vierpolschaltung mit einem Paar von Wandlern verwendet. Der erste Wandler erzeugt dabei über eine an einem Paar von Klemmen angelegte Spannung eine Deformations- oder Oberflächenwelle. Der zweite Wandler wandelt die durch den erste Wandler erzeugte Deformationswelle wieder in ein elektrisches Signal um, das dann dem zweiten Klemmenpaar zugeleitet wird. Wählt man die Materialien der Wandler und deren Parameter entsprechend aus, so lassen sich die Impedanzeigenschaften derartiger Vorrichtungen frequenzabhangig machen, so daß sie als Filter arbeiten können.

Obgleich diese Vorrichtungen recht nützlich sind, so haben sie doch eine Anzahl von Nachteilen. Zunächst benötigt jede dieser Vorrichtungen zwei auf dem Substrat anzubringende Wandler für Deformationswellen. Außerdem wird eine gewisse Menge an piezoelektrischem Material zur Kopplung der durch einen Wandler erzeugten Deformationswellen mit dem anderen Wandler benötigt. Außerdem besteht der Wunsch, die Impedanzkennlinie der Vorrichtung steiler zu machen, so daß sie beispielsweise auch als Tankkreis zur Darstellung eines Schaltungsblockes für die Anwendung bei Filtern und Oszillatoren anwendbar sein könnte.

Eine frequenzselektive Anordnung unter Verwendung von Deformationswellen ist z.B. ein Quarzfilter. Bei dieser Vorrichtung wird ein zwischen zwei voneinander in Abstand stehenden Elektroden erzeugtes elektrisches Feld durch ein piezoelektrisches Material hindurch gekoppelt. In dieser Anwendung ist das Frequenzgang der Vorrichtung sehr steil. Da jedoch das elektrische Feld über dem piezoelektrischem Material angelegt wird, hängt das Frequenzverhalten unmittelbar von der Dicke

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des zwischen den Elektroden befindlichen Materials ab. Daher müssen die Abmessungen des piezoelektrischen Materials außerordentlich genau eingehalten sein. Außerdem nimmt mit zunehmendem Frequenzbereich die Dicke des Quarzfilters ab. Mit den derzeitigen technischen Möglichkeiten liegt der Frequenzbereich von Quarzfiltern bei etwa 20 Megahertz mit einer oberen Grenze von etwa 100 Megahertz.

Die vorliegende Erfindung stellt eine integrierte Dünnfilmschaltung mit zwei Klemmen dar, die die Eigenschaften eines Tankkreises aufweist. Sie enthält einen einzigen Wandler für Deformationswellen, welcher ähnliche Eigenschaften aufweisen kann wie die bereits bekannten Vorrichtungen. In dieser Hinsicht besteht der Wandler aus einem Paar paralleler, auf einem piezoelektrischen Substrat angeordneter Leitungen, An jeder der Leitungen ist eine Anzahl senkrecht dazu verlaufender, ebenfalls auf dem Substrat niedergeschlagener Kammelektrode angeschlossen. Einandner benachbarte Kammelektroden sind mit der einen bzw, der anderen der beiden Leitungen verbunden. Wenn man die Anzahl der Kammelektroden erhöht, dann weist die Vorrichtung in einem Frequenzbereich zwischen einer Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz einen induktiven Blindwiderstand auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind in der Nachbarschaft des Wandlers für Deformationswellen (SAW = SURFACE ACOUSTIC WAVES = auf der Oberfläche sich ausbreitende Deformationswellen) auf dem Substrat Reflektoren für Deformationswellen angeordnet. Diese Reflektoren erhöhen den induktiven Blindwiderstand der Vorrichtung. Diese SAW-Reflektoren sind vorzugsweise paarweise vorgesehen und auf gegenüberliegenden Seiten des Wandlers angebracht. Die Reflektoren können aus einer Reihe von Leitern bestehen, die zu den Kammelektroden parallel verlaufen. Andererseits können die Reflektoren auch aus einer Anzahl von parallel zu den Kammelektroden verlaufenden Rillen bestehen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die Reflektoren durch eine Reihe von parallelen

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b U H 8 1 1 / f) R 0 R

dielektrischen Streifen auf der Oberfläche des Substrats gebildet sein. Unabhängig von der jeweiligen Ausgestaltung der Reflektoren sind die Abstände zwischen den verschiedenen Reflektorelementen gleich. Für den Aufbau einer Vorrichtung mit einem einzigen Paar aus Resonanzfrequenz und Antiresonanzfrequenz trägt der Abstand der einzelnen Reflektorelemente 1/4 Wellenlänge bei der Resonanzfrequenz. Verringert man den Abstand zwischen den Reflektorelementen (bis etwa 60 bis 80 % einer viertel Wellenlänge) dann erhält man ein breitbandiges Frequenzverhalten, und die gesamte Vorrichtung verhält sich etwa wie ein mehrfacher Tankkreis, d.h. ein Tankkreis mit mehreren Paaren von Resonanz- und Antxresonanzfrequenzen.

Die Verwendung von Reflektoren ist deswegen vorzuziehen, weil sie den induktiven Blindwiderstand der Vorrichtung erhöhen, ohne daß dadurch auch der kapazitive Blindwiderstand vergrößert wird. Ein neuartiger SAW-Wandler, der eine geringere äquivalente Kapazität aufweist, ist ebenfalls für Vorrichtungen brauchbar, die die Eigenschaften eines Tankkreises zeigen. Der neue SAW-Wandler kann mit und auch ohne die oben erwähnten Reflektoren benutzt werden, obgleich vorzugsweise Reflektoren eingesetzt werden.

Der neue SAW-Wandler hat mindestens drei parallele Leiter, von denen zwei kollinear sind. An jedem dieser Leiter ist eine Anzahl senkrecht zu den Leitern verlaufender Kammelektroden angeschlossen. Natürlich sind die kollinearen Leiter mit einem solchen Abstand voneinander angeordnet, so daß zwischen ihnen keine elektrisch leitende Verbindung besteht. Einander benachbarte Kammelektroden sind abwechselnd an den auf Abstand stehenden Leitern mit Ausnahme des Bereiches angeschlossen, v/o zwischen den beiden kollinearen Leitern ein Spalt besteht. In diesem Bereich sind zwei miteinander benachbarte Kammelektroden mit dem gleichen Leiter gegenüber dem Spalt zwischen den beiden kollinearen Leitern angeschlossen. Verringert man die Länge, über die zwei beliebige Leiter parallel zueinander

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verlaufen, dann wird die äquivalente Kapazität des Wandlers verringert, ohne daß dadurch die äquivalente Induktivität herabgesetzt wird. Selbstverständlich läßt sich dies auch auf Wandler mit mehr als drei parallelen Leitern in der Weise anwenden, daß man die Anzahl der kolliniearen Leiter mit dazwischenliegenden Spalten erhöht.

Eine Mehrzahl solcher SAW-Vorrichtungen, von denen jede die Eigenschaften eines Tankkreises aufweist, läßt sich auf einem piezoelektrischen Substrat anbringen und kann dann durch ebenfalls aufgebrachte Leiter zur Darstellung von Filtereigenschaften elektrisch miteinander verbunden werden. Ferner kann die Vorrichtung als Rückkopplungselement zwischen den Eingangs- und Ausgangsklemmen eines Verstärkers angeschlossen werden, wodurch ein Oszillator entsteht. Die von dem Oszillator erzeugte Frequenz oder die durch diesen erzeugten Frequenzen werden durch den Frequenzgang der Vorrichtung bestimmt.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sind den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen im einzelnen zu entnehmen.

In den Zeichnungen zeigt;

Fig, 1 eine Draufsicht auf einen Wandler für Defor

mationswellen gemäß dem Stande der Technik;

Fig. 2A eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäß

aufgebauten Wandler für Deformationswellen mit den Eigenschaften eines Tankkreises;

Fig. 2B eine äquivalente Schaltung für die elektrischen Eigenschaften der in Fig. 2A gezeigten Vorrichtung;

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Fig. 2C den Impedanzverlauf über der Frequenz der in

Fig. 2A dargestellten Vorrichtung;

Fig. 3A ,eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausfüh-

rungsform der Erfindung;

Fig. 3B + 3C Schnittansichten der in Fig. 3A gezeigten Vorrichtung;

Fig. 3D eine Draufsicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4A eine Draufsicht eines neuartigen Wandlers für

Deformationswellen gemäß der Erfindung;

Fign. 4B + C Ersatzschaltbilder zur Erläuterung der Vorteile

des neuen SAW-Wandlers;

Fig. 5A eine Draufsicht auf ein Filter für Deformationswellen mit den Eigenschaften eines T-Gliedes;

Fig. 5B ein elektrisches Ersatzschaltbild der in Fig.

5A dargestellten Vorrichtung;

Fig. 5C ein Diagramm, in dem die Impedanz für die

einzelnen Zweige des T-Gliedes in Fig. 5B über der Frequenz aufgetragen ist;

Fig. 5D ein Diagramm zur Darstellung des Dämpfungsverlaufes über der Frequenz für die in Fig. 5A gezeigte Vorrichtung und

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2 h 3 2 6 4 b — / —

Fig. 6 eine schema ti sehe Darstellung eines Oszillators

unter Verwendung eines Wandlers für Deforniationswellen gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine mit Eingang und Ausgang versehene Vierpol-SAW-Vorrichtung. Diese Vorrichtung 10 weist die Eingangsklemmen 1-1' und die Ausgangsklemmen 2-2' auf. Auf einem piezoelektrischen Substrat 4 ist ein Paar paralleler Leiter 5 und 6, die den ersten SAVJ-Vvandler bilden, mit den PJingangsklemmen 1 bzw. 1¹ verbunden. Mit den Leitern 5 und 6 sind eine Anzahl von Kammelektroden 3 verbunden, die ebenfalls auf dem Substrat niedergeschlagen sein können. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind einander benachbarte Kammelektroden mit den verschiedenen Leitern verbunden. Wird zwischen den Klemmen 1 und 1' eine elektrische Spannung angelegt, dann wird durch die Spannung ein elektrisches Feld erzeugt und erzeugt wegen der piezoelektrischen Eigenschaften des Materials 4 beformationswellen als Oberflächenwellen. Diese an der Oberfläche laufenden Deformationswellen sind durch Pfeile 9 angedeutet.

Die Vorrichtung 10 enthält einen zweiten SAW-Wandler. Dieser zweite Wandler besteht aus einem zweiten Paar paralleler Leiter 7 und 8, die an den Ausgangsklemmen 2 bzw. 2" angeschlossen sind. Eine Anzahl paralleler Kammelektroden 11 ist an den Leitern 7 und 8 angeschlossen, wobei die Kammelektroden 11 senkrecht zu den Leitern 7 und 8 verlaufen. Einander benachbarte Kammelektroden sind abwechselnd mit dem Leiter 7 bzw. dem Leiter 8 verbunden. Die durch den ersten Wandler erzeugten Deformationswellen werden wiederum durch das piezoelektrische Material 4, das über die Kammelektroden 11 angekoppelt ist, in ein elektrisches Potential umgewandelt. Dieses Potential steht an den Klemmen 2 und 2¹ zur Verfügung.

Es sei zunächst einmal darauf aufmerksam gemacht, daß über die gesamte Beschreibung die Zeichnungen keine Werkstattzeichnungen

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sind und daß die Größe und die Abstände der Kammelektroden nicht maßstabsgerecht dargestellt sind. Ferner ist die Anzahl der Kammelektroden und die Länge der Leiter, an denen sie angeschlossen sind, ebenfalls nicht maßstabsgerecht dargestellt. Nähere Angaben über den Abstand und die Breite der Kammelektroden und die Anzahl der Kaxnmelektroden und die Länge der Leiter werden noch in der Beschreibung gegeben.

Fig. 2A zeigt eine schematische Darstellung eines Wandlers für Deformationswellen gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Substrat 4 aus piezoelektrischem Material (wie z.B. Lithiumniobrat), weist ein Paar darauf niedergeschlagener paralleler Leitungszüge 16 und 17 auf. Diese Leitungszüge sind in üblicher Weise mit Anschlußklemmen verbunden. An den Leitern 16 und 17 sind außerdem Kammelektroden 18 angeschlossen. Wie aus Fig. 2A zu sehen, sind einander benachbarte Kammelektroden 18 abwechselnd an dem einen bzw. an dem anderen Leiter 16 bzw. 17 angeschlossen.

Damit der SAW-^Wandler gemäß der Erfindung in der Lage ist, die elektrischen Eigenschaften eines Tankkreises darzustellen, muß die elektrische Impedanz des Kreises bei bestimmten Frequenzen von einem kapazitiven auf einen induktiven Blindwiderstand übergehen. Durch Versuche wurde festgestellt, daß die Anzahl der Kammelektroden und damit auch die Länge der Leiter, an denen sie angeschlossen sind, gegenüber der bei solchen Wandlern im Stande der Technik verwendeten Anzahl erhöht werden muß, damit die Vorrichtung einen ausreichend hohen induktiven Blindwiderstand aufweist. Wenn diese Vorrichtung gemäß den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist, dann lassen sich ihre elektrischen Eigenschaften anhand des in Fig. 2B dargestellten Ersatzschaltbildes beschreiben. Insbesondere wird sioh diese Anordnung dann wie eine Parallelschaltung einer Kapazität 10 mit der Reihenschaltung einer Induktivität L und einer Kapazität CR verhalten. Die mit der Frequenzänderung sich ergebende Impedanζänderung dieser Ersatzschaltung ist in Fig. 2C gezeigt.

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Wie aus Fig, 2C zu ersehen, ist die Impedanz der Ersatzschaltung in Fig. 2B in dem Frequenzbereich von 0 bis F kapazitiv. F ist dabei die Resonanzfrequenz der Ersatzschaltung, d.h. die Schaltung weist bei dieser Frequenz ihre kleinste Impedanz auf. Wird die Frequenz über E¹ hinaus erhöht, dann zeigt die Ersatzschaltung einen induktiven BtLndwiderstand. Die äquivalente Impedanz der in Fig. 2A dargestellten Anordnung ist in einem Frequenzbereich von F bis F induktiv. F ist dabei die Anti-

r a a

resonanz-Frequenz der Schaltung d.h. die Frequenz, bei der die Impedanz der Schaltung unendlich, d.h., in der Praxis sehr hoch v/ird. Oberhalb der Antiresonanzfrequenz stellt die Schaltung wiederum einen kapazitiven Blindwiderstand dar.

Die Resonanzfrequenz wird durch die Periodizität der Kammelektroden, durch die Breite der Kammelektroden und den Abstand zwischen den Kammelektroden bestimmt. Die Antiresonanzfrequenz wird durch die vorerwähnten Parameter und die elektromechanischen Eigenschaften des für das Substrat verwendeten Materials bestimmt. Vorzugsweise soll eine Periodizität der Kammelektroden von 1/2 Wellenlänge mit einem Kammelektrodenabstand gleich der Kammelektrodenbreite gleich 1/4 Wellenlänge verwendet werden. Dem Fachmann leuchtet dabei ohne weiteres ein, daß die Wellenlänge für eine bestimmte Frequenz von dem piezoelektrischen Material abhängt. Wie aus der Technik der mit Deformationsv/ellen arbeitenden Wandler bekannt ist, können die Leiter 16 und 17 sowie die Kammelektroden 18 aus einem metallischen Film aus Gold oder Aluminium bestehen.

Wie bereits erwähnt, besteht der Hauptunterschied zwischen der in Fig. 2A gezeigten Anordnung und dem Wandler der Fig. 1 darin, daß in der Anordnung gemäß Fig. 2A die Anzahl der Kammelektroden erhöht wurde, um dadurch den induktiven Blindv/iderstand zu erhöhen und damit der Anordnung den in Fig. 2C gezeigten Frequenzgang zu geben. Obgleich eine solche Anordnung einen ausreichend hohen induktiven Blindwiderstand für die Simulation

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eines Tankkreises aufweist, hat sie dennoch ihre Nachteile. Mit der Zunahme der Anzahl der Kammelektroden muß selbstverständlich auch die Länge der Leiter 17 und 16 erhöht werden. Das ergibt aber eine höhere Kapazität. Das hat zur Folge, daß die tatsächliche Zunahme der Induktivität teilweise durch die Zunahme der Kapazität aufgehoben wird.

Bevor eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im einzelnen beschrieben wird, erscheint es doch zweckmäßig, die theoretischen Grundlagen der SAW-Wandler gemäß der Erfindung aufzuzeigen. Wenn eine Spannung an den parallelen Leitern, wie z.B. den Leitern 16 und 17, angelegt wird, dann erzeugen die Kammelektroden eine Deformationswelle dann, wenn die Spannung im entsprechenden Frequenzbereich liegt. Außerhalb dieses Frequenzbereiches verhalten sich die Elektroden wie ein Kondensator. Diese Deformationswelle induziert nunmehr über die piezoelektrischen Eigenschaften des Substrats eine EMK in die Elektroden hinein. Bei einer bestimmten Frequenz addieren sich die so erzeugte und die angelegte Spannung, so daß durch die Elektroden ein maximaler Strom fließt. Diese bestimmte Frequenz wird als Resonanzfrequenz bezeichnet. Bei einer anderen Frequenz, die gewöhnlich höher liegt als die Resonanzfrequenz, ist diese EMK der angelegten Spannung entgegengerichtet, so daß nur ein minimaler Strom durch die Vorrichtung zu fließen vermag. Diese Frequenz wird als Antiresonanzfrequenz bezeichnet. Zwischen diesen beiden Frequenzen verhält sich die Schaltung wie ein induktiver Blindwiderstand und außerhalb dieser beiden Frequenzen verhält sich die Schaltung wie ein kapazitiver Blindwiderstand. Der Fachmann erkennt sofort, daß dieses Frequenzverhalten dem Frequenzverhalten eines Tankkreises äquivalent ist.

Wie bereits erwähnt, erhöht die größere Anzahl der Kammelektroden der in Fig. 2 gezeigten Anordnung die Induktivität der Anordnung, während gleichzeitig auch die statische Kapazität der Anordnung zunimmt. Die tatsächliche Erhöhung der Induktivität

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- 11 wird also durch die Zunahme der Kapazität zum Teil aufgehoben.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3A gezeigt, bei der die Induktivität erhöht wird, ohne daß dadurch auch gleichzeitig die Kapazität heraufgesetzt wird.

Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung stellte eine Verbesserung der in Fig. 2A gezeigten Anordnung dar. In Fig. 3A ist die Anzahl der Kammelektroden 18 relativ klein gehalten, wie dies auch bereits im Stand der Technik bekannt war. Daher reicht der induktive Blindwiderstand der Leiter 16 und 17 und der Kammelektroden 18 für eine Simulierung eines Tankkreises nicht aus.

In Fig. 3A ist ein SAW-Wandler auf einem piezoelektrischen Substrat aufgebracht und besteht aus den paralleln Leitern 16 und 17 und den Kammelektroden 18, die senkrecht zu den Leitern 16 und 17 verlaufen, wobei jeweils benachbarte Kammelektroden 18 an verschiedenen Leitern 16 und 17 angeschlossen sind. Die Breite jeder der Kammelektroden und der Abstand zwischen den Kammelektroden wird entsprechend der für die Vorrichtung gewünschten Resonanzfrequenz ausgewählt. Ferner sind auf dem piezoelektrischen Substrat Reflektoren vorgesehen. Diese Reflektoren sind in Fig. 3A mit R bezeichnet. Insbesondere besteht jeder der Reflektoren R aus einer Reihe von parallelen, reflektierenden Elementen 19. Jedes der parallelen, reflektierenden Elemente 19 stellt ünstetigkextsstelle des Wandlers dar und reflektiert daher die Deformationswelle nach dem Wandler zurück. Jedes der reflektierenden Elemente 19 verläuft parallel zu den Kammelektroden 18 mit einem gleichen Abstand zwischen benachbarten der reflektierenden Elemente 19, die zu jedem der Reflektoren gehören. Für eine Dünnfilmschaltung, die ein einziges Paar einer Resonanz- und Antiresonanzfrequenz aufweisen soll, wird der Abstand zwischen den reflektierenden Elementen zu einer Viertelwellenlänge bei der Resonanzfrequenz gewählt. Die Breite der Reflektorelemente 19 beträgt vorzugsweise auch 1/4 Wellenlänge.

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Jedes der reflektierenden Elemente 19 kann ganz verschieden aufbaut sein. In einer Ausführungsform der Erfindung bestehen die reflektierenden Elemente 19 aus einem dünnen metallischen Leiter, der, wie in den Fign. 3A und 3B zu sehen, weder mit dem Wandler noch mit irgend einem anderen Reflektorelement 19 elektrisch verbunden sind. Der dünne metallische Film-kann aus Gold oder Aluminium oder einem anderen geeigneten Material bestehen. Andererseits kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung jedes der reflektierenden Elemente 19 aus einem dicken, dielektrischen Streifen bestehen, wie er im Querschnitt in Fig. 3B zu sehen ist. Jeder dieser Streifen hat eine Länge und eine Breite, die mit metallischen dünnen Filmen vergleichbar ist. Die Dicke der Streifen bestimmt sich aus ihrer Funktion, die darin besteht, eine Unstetigkeitsstelle für die Ausbreitung der Deformationswellen darzustellen. Das Gewicht dieser Streifm ist ein wesentlicher Faktor für die Darstellung dieser Unstetigkeitsstelle.

Eine weitere Ausführungsform für jedes der reflektierenden Elemente 19 ist im Querschnitt in Fig. 3C gezeigt. In Fig. 3C besteht jedes der reflektierenden Elemente 19 aus einer in der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 4 angebrachten Kerbe oder Nut. Jeder dieser Nuten 19 hat eine Länge und eine Breite, die der Länge und der Breite eines aus einem metallischen Film bestehenden Leiters gemäß der ersten Ausführungsform entspricht. Die Tiefe der Nut 19 ist dabei so gewählt, daß die Nut eine ausreichend große Unstetigkeitsstelle für die an der Oberfläche entlanglaufende Deformationswelle darstellt, um die erwünschte Wirkung zu erzielen.

Die Herstellung der Dünnfilmanordnungen gemäß Fig. 2A oder Fig. 3A kann mit einem geeigneten piezoelektrischen Substrat 4 beginnen. Mittels üblicher Photolackverfahren werden die Dünnfilmleiter 16 und 17 wie auch die Kammelektroden 18 auf dem Substrat aufgebracht. Für die Herstellung der elektrischen Anschlüsse an diesen Leitern in Fig. 2A und 3A bedient man sich

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60a8.11/0finfi

- 13 ebenfalls üblicher Verfahren.

Wie bereits angedeutet, bestimmt sich die Resoanzfrequenz der Dünnfilmschaltung aus den geometrischen Abmessungen der Kammelektroden. Für einen großen Frequenzbereich reichen übliche Photolackverfahren für eine präzise Herstellung genau bemessener Kammelektroden aus. Mit Zunahme der gewünschten Resonanzfrequenz der Vorrichtung kann es jedoch erforderlich sein, den Photolack mit Hilfe von Elektronenstrahlen zu belichten, um die Präzision zu erhöhen und andererseits auch die Periodizität der Kammelektroden herabzusetzen. Durch die sehr viel höhere Präzision bei einer Belichtung mit Elektronenstrahl lassen sich höhere und höhere Resonanzfrequenzen verwirklichen.

Mit diesen Verfahrensschritten kann man ohne weiteres auf einem geeigneten Substrat einen Wandler für Deformationswellen zusammen mit den Anschlußleitungen herstellen.

Für die Ausführungsform, in der die reflektierenden Elemente 19 aus in Dünnfilmtechnik hergestellten Leitern bestehen, können diese mit den gleichen Photolackverfahren, wie sie auch für die Leiter 16 und 17 und die Kammelektroden 18 verwendet werden, durch Belichtung des Photolacks entweder mit Licht oder mit einem Elektronenstrahl hergestellt werden. In der Ausführungsform, in der die reflektierenden Elemente 19 aus dielektrischen Streifen bestehen, lassen sich diese unter Verwendung ähnlicher Photolackverfahren niederschlagen. Für die weitere Ausführungsform, bei der die reflektierenden Elemente 19 aus Kerben oder Nuten bestehen, lassen sich diese Nuten, je nach der gewünschten Präzision und den Abmessungen der Nuten, unter Verwendung üblicher Photolackverfahren und Belichtung mit Licht oder durch Elektronenstrahl sowie durch Ätzen herstellen.

Die in Fig. 2A und 3A dargestellten Anordnungen weisen jeweils ein einziges Paar aus Resonanz- und Antiresonanzfrequenz auf. Fig. 3D zeigt eine weitere Ausführungsform der Anordnung gemäß

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Fig. 3A mit einem Frequenzverhalten, bei dem es eine Anzahl von paarweise auftretenden Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen gibt. Insbesondere stellt Fig. 3D einen Viandler für Deformationswellen dar und besteht aus den Leitern 16 und 17 sowie den Kammelektroden 18, die auf einem piezoelektrischen Substrat niedergeschlagen sind. Die Reflektoren in Fig. 3D sind jedoch anders aufgebaut als die Reflektoren in Fig. 3A. Insbesondere sind eine Anzahl von Reflektorelementen 19 an den verschiedenen Enden miteinander verbunden und bilden auf diese Weise Breitbandreflektoren. Solche Reflektoren sind an sich bereits aus dem Stand der Technik bekannt (vergl. beispielsweise den Aufsatz "Surface Acoustic Wave Multi-Strip Components and Their Applications" von Marshall und andere in IEEE Transactions on Sonic and Ultrasonics, Band SU-20, Nr. 2, April 1973, beginnend auf Seite 134_r insbesondere Fig. 9 auf Seite 137).

Der Frequenzgang des aus mehreren Streifen bestehenden Reflektors, wenn er als Reflektor zusammen mit einem Wandler für Deformationswellen benutzt wird, zeigt eine Anzahl von paarweise auftretenden Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen. Damit das Breitbandverhalten mit einer Anzahl von paarweise auftretenden Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen verwirklicht werden kann, wird der Abstand zwischen den reflektierenden Elementen gegenüber den vorher genannten Werten verringert. Vorzugsweise wird der Abstand dabei 60 bis 80 % der vorher genannten Werte annehmen. Die in Fig. 3D dargestellten Reflektoren können entweder aus in Dünnfilmtechnik hergestellten Leitern, aus dielektrischen Streifen oder Nuten in dem Material bestehen.

Wie bereits im Zusammenhang mit Fign. 2A und 3A erläutert, ergibt die Verwendung von Reflektoren eine zusätzliche äquivalente Induktivität, so daß die Schaltung gute Tankkreiseigenschaften aufweist. Die Notwendigkeit für die Reflektoren ergibt sich aus der unerwünschten Zunahme der statischen Kapazität

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Kapazität bei Zunahme der Kammelektroden, wenn man versucht, die äquivalente Induktivität zu erhöhen. Der in Fig. 4A dargestellte SAW-Wandler zeigt einen neuartigen Wandler für Deformationswellen, welcher eine geringere statische Kapazität aufweist, als bisher bekannte SAW-Wandler. Durch die Zunahme der statischen Kapazität des SAW-Wandlers bei gleichbleibender äquivalenter Induktivität werden natürlich die Tankkreiseigenschaften der Schaltung verbessert. Der in Fig. 4A gezeigte SAW-Wandler kann zur Darstellung der Eigenschaften eines Tankkreises mit oder ohne die in Fig. 3A gezeigten Reflektoren eingesetzt werden. Vorzugsweise verwendet man aber ebenfalls Reflektoren.

Der in Fig. 4A dargestellte SAW-Wandler besteht aus mindestens drei Leitern 16, 16' und 17. Zwei dieser Leiter 16 und 16' sind zueinander kollinear und durch einen Spalt 45 voneinander getrennt. Wie bei anderen SAW-Kandlern üblich, sind eine Anzahl von Kammelektröden 18 vorgesehen, die senkrecht zu den Leitern 16, 17,und 16' verlaufen. Außerhalb des Bereichs in der Nachbarschaft des Spaltes 45 sind einander benachbarte Kammelektroden 18 abv/echselnd mit dem einen bzw. anderen der beiden Leiter verbunden. In dem Bereich des Spaltes 18 jedoch ist ein Paar von Kammelektroden 18 an einem gemeinsamen Leiter angeschlossen. Diese Kammelektroden 18' und 18" sind an dem Leiter 17 angeschlossen, der den Spalt 45 und den kollinearen Leitern 16 und 16¹ gegenüberliegt. Verbindungsleitungen 41 und 42 zeigen an, daß die Dünnfilmschaltung über die Leitungen 16 und 16' mit einer äußeren Schaltung verbunden ist. Der Leiter 17 ist somit also nicht mit einer äußeren Schaltung verbunden. Der Fachmann erkennt auch anhand der vorangegangenen Beschreibung, auf welche Weise der in Fig. 4A gezeigte Wandler hergestellt werden kann. Die Breite der Kammelektroden 18 und der Abstand zwischen diesen bestimmt sich aus den gleichen Parametern, die auch für die Bestimmung der Parameter der anderen bereits offenbarten Wandler bestimmend waren.

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b 0 M 8 1 1 / Π R 0 B

Im Betrieb erzeugt der Wandler eine Deformationswelle, wie dies bereits im Zusammenhang mit den anderen Wandlern beschrieben war. Durch die Art der äußeren Anschlüsse wird jedoch die statische Kapazität der Schaltung weit unter einen Wert der äquivalenten statischen Kapazität ohne den Spalt 45 verringert. Die statische Kapazität dieser Schaltung hängt dabei von der Länge der auf Abstand stehenden Leiter und insbesondere von der Anzahl der Kammelektroden ab. Da der Abstand 45 im Vergleich mit der Länge der Leiter 16 und 16 * klein sein kann, ergibt sich die Verringerung der statischen Kapazität aus den elektrischen Anschlüssen und nicht durch die Breite des Spaltes 45.

Um dies klarzulegen, ist in Fig. 4B die effektive äquivalente Kapazität der in Fig, 4A gezeigten Schaltung dargestellt, wenn zwischen den Leitern 16 und 16' kein Spalt 45 vorhanden ist, d.h., wenn diese beiden Leiter miteinander verbunden sind. Für die Berechnung der statischen Kapazität sollen sie jedoch als verschiedene Leiter betrachtet werden. D.h. ein Teil des Paares 16, 17 habe eine äquivalente Kapazität C₁ und der zweite Teil habe eine äquivalente Kapazität C₀, wobei C₁ gleich C_ ist, wenn jeder Abschnitt gleich lang ist. Die statische Kapazität ist eine Funktion der Anzahl und der Ausdehnung der Kammelektroden. Wenn kein Spalt 45 vorhanden ist, dann stellen sie sich als parallelgeschaltete Kondensatoren dar, wie in Fig. 4B. Die äquivalente Kapazität C ist daher C₁ +C₀. Nimmt man jedoch an,

CS Xc*

daß die Leiter 16 und 16' gleich, in der Mitte jedoch durch einen Spalt 45 getrennt sind und mit den in Fig. 4A dargestellten Anschlüssen versehen sind, dann läßt sich die äquivalente statische Kapazität unter Verwendung der Ersatzschaltung in Fig. 4C berechnen. In diesem Fall, wie sich sofort ergibt, besteht die äquivalente Schaltung oder Ersatzschaltung aus einem Paar in Reihe geschalteter Kondensatoren und Kapazitäten. Wenn der Kondensator C. = C_ 1st, dann ist die äquivalente Kapazität C = 1/2 C₁. In der Ersatzschaltung der Fig. 4C ist die Klemme 41 am Leiter 16 und die Klemme 42 am Leiter 16' angeschlossen.

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25326AB

Der gemeinsame Einfluß der Kondensatoren C₁ und C„ stellt den Leiter 17 dar.

In der in Fig. 4A gezeigten Ausführungsform läßt sich der dort gezeigte SAW-Wandler auch mit mehr als drei Leitern ausführen. Solch ein Wandler kann beispielsweise auch vier Leiter, bestehend aus zwei Paaren kollinearer Leiter aufgebaut sein. Dann wären zwei Spalten 45 vorzusehen, die jeweils zwischen einem Paar kollinearer Leiter angeordnet wären. Diese Anordnung wäre effektiv einer Reihenschaltung von drei Kondensatoren äquivalent, so daß die Gesamtkapazität 1/3 jeder Teilkapazität wäre (wenn alle drei Kapazitäten gleich groß sind), die durch den Wandler erzeugte Deformationswelle würde jedoch stärker ausfallen,

Fig. 5 zeigt beispielsweise, wie ein T-Glied gemäß dem Prinzip der Erfindung aufgebaut sein kann. Fig. 5A zeigt ein piezoelektrisches Substrat 4, auf dem ein Muster von Leitern 16, 17, 25 26 und 27 aufgebracht ist, die die Elemente der drei SAW-Wandler bilden und Verbindungsleitungen 30, 31, 32 und 33, Eine Eingangsklemme 35 ist über die Leitung 31 mit dem Leiter 26 verbunden. Der Leiter 27 ist über die Leitung 30 mit dem Leiter 16 verbunden. Der Leiter 25 ist über die Leitung 32 mit der Klemme 36 und der Leiter 17 ist über die Leitung 33 und die Anschlußklemme 37 an Masse angeschlossen. Die Klemmen 35, 36 und 37 bilden daher die drei Anschlußklemmen eines T-Gliedes Ein erster SAW-Wandler, der einen einzigen Tankkreis darstellt, besteht aus den Leitern 26 und 27 und den dazwischenliegenden Kammelektroden 28. Ein zweiter SAW-Wandler zur Darstellung eines zweiten Tankkreises besteht aus den Leitern 27 und 25 und den dazwischenliegenden Kammelektroden 28. Schließlich besteht ein dritter SAW-Wandler zur Darstellung eines dritten Tankkreises aus den Leitern 16, 17 und den dazwischenliegenden Kammelektroden 18. Aus Fig. 5A ersieht man außerdem, daß jedem dieser Wandler Reflektoren zugeordnet sind, wie dies einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht. Obgleich

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Fig. 5A eine bestimmte Ausrichtung für jedes dieser einen Tankkreis simulierender Elemente zeigt, so ist doch ohne weiteres klar, daß die Ausrichtung der einzelnen Wandler und auch die relative Ausrichtung dieser Vorrichtungen verändert werden kann. Obgleich der Leiter 27 zwei SAW-Wandlern gemeinsam ist, so ist doch einleuchtend, daß dies für die Durchführung der Erfindung nicht zwingend erforderlich ist. Zwei miteinander elektrisch verbundene Leiter erfüllen den gleichen Zweck, obgleich das in Fig. 5A gezeigte Muster einfacher herzustellen ist.

Ein Ersatzschaltbild für die in Fig. 5A gezeigte Anordnung zeigt Fig. 5B. Genau wie Fig. 2B zeigt auch Fig. 5B ein Ersatzschaltbild für jeden der drei SAW-Wandler, die jeweils aus einer mit einer Kapazität in Reihe geschalteten Induktivität und einer dazu parallelgeschalteten zweiten Kapazität besteht. In der Ersatzschaltung der Fig. 5B besteht der erste SAW-Wandler aus den Elementen L , C und C _A, der zweite Wandler wird in dem Ersatzschaltbild der Fig. 5B durch L , , C,., C , und der dritte Wandler wird durch die Elemente L , C und C _ dargestellt. Obgleich die Parameter, die die Resonanz- und

Antiresonanzfrequenzen für jeden der Wandler bestimmen, innerhalb eines weiten Bereiches gewählt werden können, zeigen doch die Kurven in Fig. 5C einen typischen Verlauf. Aus Fig. 5C sieht man, daß die Resonanzfrequenz für den dritten Wandler F kleiner ist als die Antiresonanzfrequenz F „ für dieses EIe-

ai3

ment F ist jedoch gleich der Resonanzfrequenz des ersten Wandlers, F ist außerdem gleich der Resonanzfrequenz des zweiten Wandlers und außerdem ist die Antiresonanzfrequenz F _Λ für die beiden letztgenannten Wandler größer als die Re-

sonanzfrequenz F . Dies zeigt graphisch die Fig. 5C, bei der die Impedanz für jeden der drei Wandler unabhängig voneinander über der Frequenz aufgetragen ist.

Fig. 5D zeigt den Dämpfungsverlauf des in Fig. 5A gezeigten Netzwerks als eine Funktion der Frequenz. Wächst die Eingangs-

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_ ₁₉ . 2 ^ 3 2 b Λ b

frequenz von niedrigen Frequenzen bis auf F an, dann sind alle drei Glieder kapazitiv. Bei F _T, ist der dritte Wandler in Resonanz, so daß die Impedanz der Anordnung praktisch null ist. Das Netzwerk der Fig. 5A zeigt daher eine hohe Dämpfung. Nimmt die Frequenz bis auf die Resonanzfrequenz des ersten und des zweiten Wandlers zu, dann hat jeder dieser Wandler eine kleine Impedanz. Zum gleichen Zeitpunkt hat jedoch der dritte Wandler eine hohe Impedanz und somit hat das Netzwerk der Fig. 5A bei dieser und oberhalb dieser Frequenz eine sehr kleine Dämpfung Dieses Durchlaßband reicht bis zu der Antiresonanzfrequenz

F , bei der der erste und der zweite Viandler sich dem LeerlaufaA

zustand nähern. Daher ist das gesamte Netzwerk ein schmalbandiges Bandfilter. Man erkennt, daß dieser schmale Durchlaßbereich eines Bandfilters mit Hilfe einer Anordnung erzielt wird, die vollständig in Dünnfilmtechnik durch Aufdampfen leitender Muster oder entsprechender Verbindungen auf einem piezoelektrischen Substrat hergestellt werden kann. Damit ist es nicht unbedingt erforderlich, diejenige Ausführungsform der Erfindung einschließlich der Reflektoren einzusetzen, sondern man könnte auch mit den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 2A und Fig. 4A ein solches Bandfilter aufbauen. Verwendet man diejenigen Aussführungsformen mit Reflektoren, so lassen sich dabei die in Fig. 3A, 3B oder 3C dargestellten Reflektoren benutzen.

Fig. 6 ist ein weiteres Beispiel einer Anwendung des erfindungsgemäß aufgebauten Wandlers für Deformationswellen durch Simulierung eines Tankkreises in einem Oszillator. Eine gemäß der Erfindung aufgebaute Anordnung 60 kann beispielsweise zwischen der Eingangsklemme eines Verstärkers und einem variablen Kondensator 5O eingeschaltet sein. Verbindet man die andere Klemme des variablen Kondensators mit der Ausgangsklemme des Verstärkers, dann kann die Schaltung bei einer Frequenz oder bei Frequenzen zum Schwingen gebracht werden, die von den Eigenschaften und Werten des SAW-Wandlers 60 und des veränderbaren Kondensators 50 abhängen. In einer Ausführungsform eines solchen Oszillators mit einem Wandler gemäß der Erfindung mit einem

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2 b 3 2 6 4 b

-2O-

einzigen Paar aus Resonanz- und Antiresonanzfrequenz kann der Kondensator 50 weggelassen v/erden und die Schwingfrequenz wird durch die Parameter des SAW-Wandlers allein bestimmt.

Wenn man jedoch einen SAW-Wandler 60 mit einer Anzahl paarweise auftretender Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen benutzt/ dann kann die Schwingschaltung bei einer Anzahl verschiedener Frequenzen in einem Band oder einem Bereich schwingen. Die bestimmte Schwingfrequenz oder Oszillatorfrequenz läßt sich dabei durch Auswahl des Wertes des Kondensators bestimmen. Ein typischer variabler Kondensator 5O kann beispielsweise aus einer PIN-Diode bestehen, deren Kapazität durch Veränderung des der Vorspannung dienendnen Stromes verändert werden kann. Ein solcher Oszillator, der bei einer Anzahl unterschiedlicher Frequenzen schwingen kann, kann für Abstimmschaltungen für einen Empfänger oder einen Sender eingesetzt werden, der auf eine Anzahl unterschiedlicher Frequenzen abstimmbar sein soll. Durch Veränderung der Vorspannung der PIN-Diode läßt sich dann die Oszillatorfrequenz ganz genau einstellen und steuern.

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Claims

^532646 PATENTANSPRÜCHE

1.. In Dünnfilmtechnik auf einem piezoelektrischen Substrat aufgebauter, mit zwei Klemmen versehener piezoelektrischer Wandler mit den Eigenschaften eines Parallel-Schwingkreises zur Erzeugung von Deformationswellen, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem piezoelektrischen Substrat (4) mindestens ein Leiterpaar mit daran angeschlossenen Kammelektroden (18) derart angeordnet sind, daß benachbarte Kammelektroden an verschiedenen Leitern (16, 17) angeschlossen sind, und daß jeder Leiter eines Leiterpaares mit jeweils einer der beiden Klemmen verbunden ist,

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nachbarschaft der Leiterzüge Reflektoren (R; 19) für die Deformationswellen angeordnet sind.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

zu jeder Seite jedes Wandlers (16, 17, 18) ein Reflektor (R) angeordnet ist.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Reflektor für Deformationswellen aus einer Anzahl paralleler Leiter (19) besteht und daß die Abstände der parallelen Leiter (19) voneinander gleich groß sind.

5. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Reflektor für Deformationswellen aus einer Anzahl paralleler Nuten (19a) besteht und daß die Abstände der parallelen Nuten voneinander gleich groß sind.

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6. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Reflektor für Deformationswellen aus einer Anzahl paralleler, dielektrischer Elemente besteht und daß die Abstände der parallelen Elemente voneinander gleich groß sind.

7. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Reflektoren für Deformationswellen aus einer Anzahl zu einander paralleler Reflektorelemente besteht, deren gleichmäßiger Abstand voneinander eine Viertel-Wellenlänge der Resonanzfrequenz beträgt.

8. Wandler für rue here Paare von paarweise auftretenden Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Reflektoren für Deformationswellen aus einer Anzahl von parallen Reflektorelementen (19) besteht, deren gleichmäßiger Abstand voneinander weniger als eine Viertel-Wellenlänge bei einer zwischen den Extremwerten der Resonanzfrequenzen liegenden Resonanzfrequenz beträgt.

9. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei parallele Leiter (16, 16', 17) vorgesehen sind, von denen zwei (16, 16') über Anschlußleitungen (41, 42) anschließbar sind, und daß jeder der Leiter (16, 16*, 17) mit einer Anzahl senkrecht dazu verlaufender, zueinander paralleler Kammelektroden (18, 18', 18") verbunden ist und daß die zwei parallelen Leiter (16, 16') zueinander kollinear angeordnet sind.

10. Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander parallelen Kammelektroden alle gleich lang und gleich breit sind und voneinander gleiche Abstände aufweisen.

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11. Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden kollinearen Leiter (16, 16') durch einen Spalt

(45) voneinander getrennt sind, und daß mit Ausnahme zu beiden Seiten des Spaltes (45) die zueinander parallelen Kammelektroden abwechselnd mit einem der beiden kollinearen Leiter (16, 16') bzw. mit dem anderen, dazu parallelen Leiter (17) verbunden sind.

12. Anwendung von Wandlern nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehere solcher Wandler als Filter z.B. zu einem T-Glied zusammengeschaltet sind.

13. Anwendung von Wandlern nach einem der Ansprüche 1 bis 11f dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbau eines Oszillators der Wandler (60) im R rckkopplungsStromkreis eines Verstärkers eingeschaltet ist.

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