DE2540012A1

DE2540012A1 - Vorrichtung fuer elastische oberflaechenwellen

Info

Publication number: DE2540012A1
Application number: DE19752540012
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Onodera; Kazue Sekikawa
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1974-09-09
Filing date: 1975-09-09
Publication date: 1976-03-25
Also published as: DE2540012B2; JPS5130487A; FR2284222A1; FR2284222B1; GB1526306A; DE2540012C3; US3974463A; JPS5515887B2

Description

ΓΑΤΕ NTANWÄLTE

HENKEL, KERN, FEILER &HÄNZEL

BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UND

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TELEX: 05 29 802 HNKL D EDUARD-SCHMID-6 1 KAÜiifc, I DRESDNER BANK MÜNCHEN 3»14»75

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Tokyo Shibaura Electric Co.,Ltd.
Kawasaki-shi, Japan

UNSERZEICHEN: MÜNCHEN, DEN

BETRIFFT:

' 9,

Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen

Die Erfindung betrifft eine mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Vorrichtung und insbesondere eine verbesserte Vorrichtung dieser Art, mit welcher das Auftreten von Störsignalkomponenten unterdrückt werden kann.

In den letzten Jahren ist eine Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen zur Anwendung gelangt, die ein aus Lithiumniobat (LiNbO,) bestehendes piezoelektrisches Element mit einem hohen Koppelfaktor und mit hohem Wirkungsgrad der Umwandlung von elektrischen Signalen in elastische Oberflächenwellen verwendet. Diese Vorrichtung weist paarweise angeordnete Wandlerelektroden zur Ausstrahlung und zum Empfang auf, die längs der Z-Achse der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats ausgebildet sind, das durch Y-Schnitt eines piezoelektrischen Lithiumniobat-Elements gebildet ist, so daß sich die elastischen Oberflächenwellen längs der Z-Achse ausbreiten. Fig. 1, die sich auf die bekannte Vorrichtung für Oberflächenwellen bezieht, veranschaulicht die Wellenform eines Ausgangssignals von einem Empfangselektrodenpaar,

v.I./Bl/ro - 2

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wenn ein Ausstrahl- oder Sendeelektrodenpaar mit einem Signal gespeist wird, dessen Amplitude durch eine Trägerwelle mit einer Frequenz von 30 MHz gespeist wird. Hierbei erzeugen die beiden Empfangselektroden eine erste Stör- oder Rauschenkomponente C durch Übersprechen oder Kreuzkopplung (crosstalk) und sodann eine verdichtete Normalsignalkomponente S, die von Störsignalkomponenten B, A, D gefolgt wird. Mit D ist eine Stör- oder Rauschenkomponente bezeichnet, die durch die beiden Empfangselektroden reproduziert wird, nachdem sie zwischen Sende- und Empfangselektrodenpaar dreimal hin- und herreflektiert wurde. Die nach der Normalsignalkomponente S auftretenden Störsignalkomponenten B, A, D können dabei irrtümlich für die normale Signalkomponente S gehalten werden, wenn die Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen als Verzögerungsglied oder als Filter eingesetzt wird,

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen, bei welcher das Auftreten von Störsignalkomponenten wirksam unterdrückt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen, mit einem piezoelektrischen Y-Schnitt-Substrat aus Lithiumniobat (LiNbO,), das eine durch die X- und Z-Achsen festgelegte Oberfläche besitzt, und mit mindestens einem auf der Oberfläche vorgesehenen Elektrodenpaar zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine elastische Oberflächenwelle, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Elektrodenpaar zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine elastische Oberflächenwelle so angeordnet ist, daß die Hauptausbreitungsachse der elastischen Oberflächenwelle unter einem Winkel im Bereich von 0,5-7 relativ zur Z-Achse schräggestellt ist.

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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Wellenform des Ausgangssignals von den beiden Empfangselektroden einer bisher verwendeten Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen ,

Fig. 2 eine schematische Aufsicht auf eine mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht eines bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2 verwendeten piezoelektrischen Substrats zur Veranschaulichung seiner Kristallachsen,

Fig, 4 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen der Z-Kristallachse des piezoelektrischen Substrats und der Richtung, in welcher sich die elastische Oberflächenwelle über das Substrat ausbreitet,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Kennlinien verschiedener Ausmaße oder Grade, in welchen die in einem Ausgangssignal des Empfangselektrodenpaars einer Vorrichtung gemäß Fig. 2 enthaltenen Stör- oder Rausch« Signalkomponenten je nach den Winkeln unterdrückt werden, welche die Ausbreitungsachse einer elastischen Oberflächenwelle zur Z-Achse festlegt,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Welligkeitscharakteristik der mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Vorrichtung gemäß Fig« 2,

Fig. 7 eine graphische Darstellung verschiedener Ausmaße, in denen die genannten Störsignalkomponenten entsprechend

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den Winkeln der Ausbreitungsachse einer elastischen Oberflächenwelle zur Z-Achse unterdrückt werden, wenn der Abstand zwischen dem Sende- und Empfangselektrodenpaar bei der Vorrichtung gemäß Fig«, 2 variiert wird,

Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 eine schematische Aufsicht auf die Vorrichtung von Fig. 8,

Fig.10 eine schematische Aufsicht auf eine weitere Abwandlung der Vorrichtung gemäß Fig. 2,

Figo 11 eine graphische Darstellung der Welligkeitscharakteristik der Vorrichtung gemäß Fig. 10 und

Fig.12 eine schematische Aufsicht auf eine noch weitere Abwandlung der Vorrichtung gemäß Fig. 2.

In Fig. 2 ist bei 1 ein piezoelektrisches Y-Schnitt-Substrat aus Lithiunmiobat (LiNbO^) dargestellt, das eine gemäß Fig. durch eine X- und eine Z-Achse festgelegte Oberfläche besitzt,, Ein Sendeelektrodenpaar 2 und ein Empfangs elektro denpaar 3 sind in einem Abstand L in der Weise auf der Oberfläche angeordnet, daß die Hauptausbreitungsachse T der elastischen Oberflächenwelle unter einem Winkel θ von z.B. 5° gegenüber der Z-Achse schräggestellt ist. Gemäß Fig. 2 besteht das Sendeelektrodenpaar aus zwei fingerartig ineinandergreifenden Kammelektroden 2a, 2b, die praktisch unter einem rechten Winkel zur Hauptausbreitungsachse T der elastischen Oberflächenwelle angeordnet sind. Das Empfangselektrodenpaar 3 besteht ebenfalls aus zwei fingerartig ineinandergreifenden Kammelektroden 3a, 3b, die wiederum praktisch unter einem rechten Winkel zur

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Hauptausbreitungsachse T der elastischen Oberflächenwelle angeordnet sind. Gemäß Fig. 2 ist die Hauptausbreitungsachse T der elastischen Oberflächenwelle gegenüber der Z-Achse so geneigt oder schräggestellt, daß sie von links unten nach rechts oben ansteigt,, Gemäß Fig. 4 kann diese Achse T jedoch auch gegenüber der Z-Achse unter einem Winkel -& von links oben nach rechts unten verlaufen.

Es wurden vier Muster der Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen gemäß Fig, 2 unter Verwendung eines aus Lithiumniobat (LiNbO-,) bestehenden Substrats 1 mit einer Länge von 40 mm auf der Z-Achse und von 10 mm auf der X-Achse sowie mit einer Dicke von 1 mm längs der Y-Achse hergestellt, wobei die Schrägstellung der Hauptausbreitungsachse T gegenüber der Z-Achse auf 0°, 2°, 3° bzw. 5° eingestellt wurde« Jedes Muster wurde mit einem Sende- und einem Empfangselektrodenpaar 2 bzw. 3 versehen, die jeweils aus 160 Paaren von ineinandergreifenden Elektroden(fingern) bestanden. Bei den auf diese Weise ausgebildeten Mustern oder Proben besaß ein durch sie hindurchlaufendes elektrisches Signal eine Frequenzbreite von 6 MHz, wenn das elektrische Signal eine Mittenfrequenz von 30 MHz besaß, wobei es während seines Durchlaufs um 5 Mikrosekunden verzögert wurde.

Im folgenden sind nunmehr die Betriebseigenschaften der vorstehend beschriebenen Muster erläutert. Bei allen Mustern wurden die Stör- oder RauschensignalkomponentenA gemäß Fig_e auf die durch die Kurve A in Fig, 5 angegebene Weise unterdrückt. Genauer gesagt: Wenn der Neigungswinkel der Hauptausbreitungsachse T einer elastischen Oberflächenwelle gegenüber der Z-Achse auf 0° eingestellt war, wurde die Störsignalkomponente A um etwa 7,5 db unterdrückt. Ein Neigungswinkel von 2° ergab eine Unterdrückung oder Dämpfung um 24db, ein Neigungswinkel von 3° eine Unterdrückung von 22 db und ein solcher von 5° eine Unterdrückung von etwa 18 db. Die Kurve A von Fig. 5 wurde durch Verbindung dieser Meßwertpunkte gebildet. Kurve A — »

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zeigt, daß ein Winkelbereich zwischen etwa 0,5° und 2° eine scharf ansteigende Unterdrückung gewährleistet, während größere Neigungswinkel von bis zu 7° zu einer langsam abfallenden Unterdrückung führten. Wenn daher ein in der Praxis erforderlicher Unterdrückungsbereich zwischen 11 und 12 db liegen soll, e:
zweckmäßig.

gen soll, erweist sich ein Neigungswinkel von 0,5 - 7° als

Die vorgenannten Muster oder Proben der mit elastischer Oberflächenwelle arbeitenden Vorrichtung gemäß Figo 2 bewirkten eine Unterdrückung der Störsignalkomponenten B, D (Fig„ 1) auf die durch die Kurven B bzw, D von Fig. 5 dargestellte Weise. Wenn der Neigungswinkel der Hauptausbreitungsachse T einer elastischen Oberflächenwelle gegenüber der Z-Achse in einem Bereich von 0,5 - 7° liegt, wird ersichtlicherweise die Störsignalkomponente B in wesentlich größerem Ausmaß unterdrückt als die Störsignalkomponente A, während die Störsignalkomponente D in einem erheblich größeren Ausmaß unterdrückt wird als die Störsignalkomponenten B, A. Bei einem Neigungswinkel von 0° unterdrückt die erfindungsgemäße Vorrichtung die Störsignalkomponenten praktisch im gleichen Maße wie die bisher verwendete Vorrichtung. Bei einem Neigungswinkel im Bereich von 0,5-7 bewirkt die erfindungsgemäße Vorrichtung jedoch eine wesentlich ausgeprägtere Unterdrückung der Störsignalkomponente A als die bisher verwendete Vorrichtung, welche diese Störsignalkomponente A um nur 7»4 db zu unterdrücken vermag.

Fig. 6 zeigt eine Kennlinie der Beziehung zwischen der Frequenz eines Eingangs signals und einer relativen Ausgangsgröße (in db), wenn der Neigungswinkel der Hauptausbreitungsachse T einer elastischen Oberflächenwelle gegenüber der Z-Achse bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 2 bei 0°, 2° und 4° liegt. Ein Vergleich der Neigungswinkel θ von 0°, 2° und 4° bezüglich der in den relativen Ausgangs-

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größen (in db) enthaltenen Welligkeitskomponenten entsprechend einem Frequenzband von 3 MHz vor und hinter bzw_o über und unter der Mittenfrequenz von 30 MHz eines Eingangssignals, nämlich in einem Frequenzband von insgesamt 6 MHz, läßt gemäß Fig. 6 erkennen, daß ein Neigungswinkel 0 von 2° die geringste Welligkeitskomponente ergibt, nämlich nur eine solche von höchstens 1 db, während bei einem Winkel θ von 4° die Welligkeitskomponente gegenüber dem Winkel von 0° weiter verringert wird, so daß sich eine gleichmäßigere Kurve ergibt„ Die Versuchsergebnisse von Fig. 6 belegen, daß sich die Vorrichtung gemäß Fig. 2 als Filter eignet.

Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel der Hauptausbreitungsachse T einer elastischen Oberflächenwelle gegenüber der Z-Achse und dem Ausmaß, in welchem Störsignalkomponenten unterdrückt werden können, wenn der Abstand L zwischen den Sende- und Empfangselektrodenpaaren 2 bzw. 3 variiert wird, Die Kurve 51 gibt den Fall an, in welchem dieser Abstand L auf 1 mm eingestellt ist, während die Kurve 52 für einen Abstand von 4,5 mm gilt. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, vermag die erfindungsgemäße Vorrichtung Störsignalkomponenten unabhängig vom genannten Abstand L wirksam zu unterdrücken, sofern der Neigungswinkel zwischen der Hauptausbreitungsachse T einer elastischen Oberflächenwelle und der Z-Achse im Bereich von 0,5 - 7° liegt.

In den Fig» 8 und 9 ist eine Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher das Substrat, auf dem die elastische Oberflächenwelle sich ausbreitet, aus einer Glasplatte 61 besteht. Die beiden piezoelektrischen Y-Schnitt-Substrate 62, 63 aus Lithiumniobat (LiNbO,) sind dabei auf den beiden Endabschnitten der Glasplatte 61 montiert, und sie besitzen eine durch die X- und Z-Achse festgelegte Oberfläche, wobei die Z-Achse parallel zur Längsrichtung der Glasplatte

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verläuft. Die Hauptausbreitungsachse T einer durch die Sende- und Empfangselektrodenpaare 2 bzw₀ 3 erzeugten elastischen Oberflächenwelle ist unter einem Winkel im Bereich von 0,5 - 7°, z,B. 2°, relativ zur Z-Achse geneigt bzw. schräggestellt.

Die Elektrodenpaare 2, 3 bestehen, wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2, aus fingerartig ineinandergreifenden bzw. verschachtelten Einheiten,, Die Ausführungsform gemäß den Fig. 8 und 9 vermag Störsignalkomponenten ebenso wirksam zu unterdrücken wie die Ausführungsform gemäß Figo 2.

Bei der Ausführungsform gemäß Figo 2 besitzt das piezoelektrische Substrat 1 eine Rechteckform, deren Langseite parallel zur Z-Achse und deren Schmalseite parallel zur X-Achse verläuft» Gemäß Figo 10 kann das piezoelektrische Substrat 80 jedoch auch eine Rhombus- oder Parallelogrammform besitzen, deren Langseite 81 parallel zur Z-Achse verläuft, während ihre Querseiten 84, 85 parallel zur den betreffenden Seiten der Sende- und Empfangselektrodenpaare 2 bzw. 3 verlaufen.

Fig» 11 ist ein Kennliniendiagramm zur Darstellung der Welligkeitscharakteristik einer mit elastischer Oberflächenwelle arbeitenden Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Substrat 80 mit der Rhombusform gemäß Fig₀ 10, wobei die Hauptausbreitungsachse T einer elastischen Oberflächenwelle Winkel Θ von 0°, 2°, 3° und 4° zur Z-Achse festlegt. Fig. 11 zeigt, daß bei einem Eingangssignal mit einer Frequenzbreite von 6 MHz (bei einer Mittenfrequenz von 30 MHz) die Vorrichtung gemäß Fig. 10 bei Neigungswinkeln θ von 2°, 3° und 4° die Welligkeitskomponente stärker verringert als eine herkömmliche Vorrichtung mit einem Winkel θ von 0°, so daß sich gleichmäßigere Kurven ergeben. Außerdem verringert die erfindungsgemäße Vorrichtung ersichtlicherweise die Höhe der Welligkeit auf maximal 2 db, während die herkömmliche Vor-

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richtlang die Welligkeitshöhe bestenfalls auf 2,5 db zu reduzieren vermag.

Die in Fig. 12 dargestellte abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist ein rechteckiges piezoelektrisches Substrat 90, dessen Langseite 91 parallel zur Hauptausbreitungsachse T einer elastischen Oberflächenwelle liegt, sowie Sende- und Empfangselektrodenpaare 92 bzw, 93 auf, die durch fingerartig verschachtelte Elektrodeneinheiten gebildet sind, welche parallel zu den Querseiten 94, 95 des rechteckigen piezoelektrischen Substrats 90 liegen. Hierbei ist die Kristallachse Z unter einem Winkel 9 relativ zur Hauptausbreitungsachse T der elastischen Oberflächenwelle, d.h. relativ zur Langseite 91 des Substrats 90 geneigt bzw. schräggestellt. Ersichtlicherweise vermag diese Anordnung Störsignalkomponenten ebenso wirksam zu unterdrücken wie die vorher beschriebenen Ausführungsformen_e

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Claims

2540Q12 - ίο -

Patentansprüche

M„/Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen, mit einem piezoelektrischen Y-Schnitt-Substrat aus Lithiumniobat (LiNbO,), das eine durch die X- und Z-Achsen festgelegte Oberfläche besitzt, und mit mindestens einem auf der Oberfläche vorgesehenen Elektrodenpaar zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine elastische Oberflächenwelle, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenpaar zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine elastische Oberflächenwelle so angeordnet ist, daß die Hauptausbreitungsachse (T) der elastischen Oberflächenwelle unter einem Winkel im Bereich von 0,5 - 7° relativ zur Z-Achse schräggestellt ist,
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfangselektrodenpaare auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats in einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einem isolierenden Substrat, über dessen Oberfläche sich eine elastische Oberflächenwelle auszubreiten vermag, gekennzeichnet durch zwei in einem räumlichen Abstand auf der Oberfläche des isolierenden Substrats angeordnete piezoelektrische Y-Schnitt-Substrate aus Lithiumniobat (LiNbO,) mit einer durch die X- und Z-Achsen festgelegten Oberfläche, und durch ein Elektrodenpaar zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine elastische Oberflächenwelle, die auf den beiden piezoelektrischen Substraten unter einem Neigungswinkel im Bereich von 0,5 - 7° relativ zur Z-Achse angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Substrat eine Rechteckform besitzt, deren Langseite parallel zur Z-Achse und deren Querseite parallel zur X-Achse verläuft.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Substrat eine Rhombus- oder Parallelogrammform besitzt, deren Langseite parallel zur Z-Achse verläuft und deren Querseite unter einem rechten Winkel zur Hauptausbreitungsachse einer elastischen Oberflächenwelle angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Substrat eine Rechteckform besitzt, deren Langseite parallel zur Hauptausbreitungsachse einer elastischen Oberflächenwelle verläuft und deren Querseite unter einem rechten Winkel zur Hauptausbreitungsachse einer elastischen Oberflächenwelle angeordnet ist»

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