DE2540012B2

DE2540012B2 - Vorrichtung fuer elastische oberflaechenwellen

Info

Publication number: DE2540012B2
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: 1977-04-14
Also published as: JPS5130487A; FR2284222A1; FR2284222B1; GB1526306A; DE2540012A1; DE2540012C3; US3974463A; JPS5515887B2

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen, mit einem piezoelektrischen y-Schnitt-Substrat aus Lithiumniobat (LiNbOs), 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.

In den letzten Jahren ist eine Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen zur Anwendung gelangt, 6s die ein aus Lithiumniobat (LiNbOa) 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 WandlerelektrodeE zur Ausstrahlung und zum Empfang auf, die längs der Z-Achse der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrates ausgebildet sind, das durch y-Schnitt eines piezoelektrischen Lhhiumniobat-Elements gebildet ist, so daß sich die elastischen Oberfläcbenwellen längs der Z-Achse ausbreiten. Fig. 1, die sich auf die bekannte Vorrichtung für Oberflächenwellen bezieht, veranschaulicht die Wellenform eines Ausgangssignals von einem Empfangselektrodenpaar, 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 Rauschkomponente C durch Obersprechen und sodann eine verdichtete Nonnalsignalkomponente S, die von Störsignalkomponenten RAD gefolgt wird Mit D ist eine Stör- oder Rauschkomponente bezeichnet die durch die beiden Empfangselektroden reproduziert wird, nachdem sie zwischen Sende- und Empfangselektrodenpaar dreimal hin- und herreflektiert wurde. Die nach der Normalisierungskomponente Sauftretenden Störsignalkomponen ten 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.

Aus der Zeitschrift »Electronics Letters«, 17. Mai 1973, Nr. 10, Seite 199 bis 201 ist bereits eine Vorrichtung zur Erzeugung von elastischen Oberflächenwellen in geschnittenen Substraten von Lithium niobat mit zur Umwandlung von elektrischen Signalen in Oberflächenwellen dienenden Elektrodenpaarer bekannt Diese bekannte Vorrichtung besitzt jedoch wenigstens zwei Eingangswandler, und in relativ großem Abstand von diesen Wandler befinden sich wenigstens zwei Ausgangswandler, wobei der eine Eingangswandler relativ zum anderen Eingangswandler und ebenso einer der Ausgangswandier zum anderen Ausgangswandler schräg angeordnet sind. Diese bekannte Vorrichtung arbeitet als Oberflächenwellen-Richtungskoppler, und zwar auf der Grundlage der Kristallanisotropie, Die sich bei diesem bekannten Richtungskoppler ergebende Richtung der Gruppengeschwindigkeit schließt einen Winkel von 6,5° mit einer Kristallachse ein. Im Betrieb wird dem einen Eingangs wandler ein Steuersignal zugeführt wobei der Winkel zwischen den dabei erzeugten Wellenbündeln se ausgelegt ist daß eine möglichst vollständige Differenzfrequenz-Phasenanpassung erreicht wird. Das dabei erzeugte Bündel besitzt die gleiche Frequenz wie da: Eingangssignal, und seine Amplitude ist proportiona zur Amplitude des Eingangssignals, solange die Amplitude des Steuersignals konstant gehalten wird.

Dieser bekannte Oberflächenwellen-Richtungskopp ler ist jedoch nicht in der Lage, Störsignale de: Hauptansprechbereiches zu unterdrücken.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteh darin, eine Vorrichtung für elastische Oberflächenwel len der eingangs definierten Art zu schaffen, bei welche das Auftreten von Störsignalkomponenten wirksan unterdrückt werden kann.

Ausgehend von der Vorrichtung der eingang definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäl dadurch gelöst, daß das Elektrodenpaar zur Umwand lung eines elektrischen Signals in eine elastisch' Oberflächenwelle so angeordnet ist, daß die Hauptaus

breiuingsachse der elastischen Oberflächenwelle unter einem Winkel im Bereich von 05—7° relativ zur Z-Aehse schräggestellt ist

Die Erfindung schafft somit eine VoniAtung für die Erzeugung von elastischen Oberflächeawellen, mit der steh effektiv Störsignalkomponente innerhalb des Hauptansprechbereicbes beseitigen lassen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführuägsfonr ist vorgesehen, daß die Sende- und Empfangselektrodenpaare auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrates in einen vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet sind.

Die Vorrichtung kann auch in Verbindung mit einem isolierenden Substrat verwendet werden. Ober dessen Oberfläche sich eine elastische Oberflächenwelle auszubreiten vermag. Eine Ausführungsform mit einem isolierenden Substrat kennzeichnet sich durch zwei in einem räumlichen Abstand auf der Oberfläche des isolierenden Substrats angeordnete piezoelektrische V-Schnitt-Substrate aus Lithiumniobat mit einer durch ao 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 04-7° relativ zur as Z-Achse angeordnet sind. Das piezoelektrische Substrat kann dabei auch eine Rechteckform besitzen, deren Langseite parallel zur Z-Achse und deren Querseite parallel zur X-Achse verläuft

Im einzelnen kann die Erfindung dadurch eine vorteilhafte Weiterbildung erfahren, daß das piezoelektrische Substrat eine Rhombus- oder Parallelogrammform besitzt, deren Längsseite parallel zur Z-Achse verläuft und deren Querseite unter einem rechten Winkel der Hauptausbreitungsachse einer elastischen Oberflächenwelle angeordnet ist

Schließlich besteht auch noch die Möglichkeit, daß das piezoelektrische Substrat eine Rechteckform besitzt, deren Längsseite parallel zur Hauptausbreitungsachse einer elastischen Oberflächenwelle verläuft und deren Querseite unter einem rechten Winkel zu der Hauptausbreitungsachse einer elastischen Oberflächenwelle angeordnet ist

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zu einer bekannten Ausführungsforrii anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

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

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

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

F i g. 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 enthaltenden Störoder Rauschsignalkomponenten je nach den Winkeln unterdrückt werden, welche die Ausbreitungsachsc einer elastischen Oberflächenwelle zur Z-Achse festlegt

Fig.6 eine graphische DarsteBung der Welligkeits charakteristik der mit elastischen Oberflächenwelle! arbeitenden Vorrichtung gemäß F i g. 2,

Fig.7 eine graphische Darstellung verschiedenei Ausmaße, in denen die genannten Störsignalkomponen ten entsprechend den Winkeln der Ausbreitungsachst einer elastischen Oberflächenwelle zur Z-Achse un terdrückt werden, wenn der Abstand zwischen den Sende- und Empfangselektrodenpaar bei der Vorrich tung gemäß F i g. 2 variiert wird.

F i g. 8 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung füi elastische Oberflächenwellen gemäß einer abgewandel tea Ausführungsform der Erfindung,

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

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

F i g. 11 eine graphische Darstellung der Welligkeits charakteristik der Voirichtung gemäß F i g. 10 und

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

In Fig.2 ist bei 1 ein piezoelektrisches K-Schnitt Substrat aus Lithiumniobat (LiNbO₃) dargestellt da: eine gemäß Fig.3 durch eine X- und eine Z-Achse festgelegte Oberfläche besitzt Ein Sendeelektrodenpaar 2 und ein Empfangselektrodenpaar 3 sind in einem Abstand L in der Weise auf der Oberfläche angeordnet daß die Hauptausbreitungsachse T der elastischer Oberflächenwelle unter einem Winkel θ von z. B. 5" gegenüber der Z-Achse schräggestellt ist Gemäß F i g. 2 besteht das Sendeelektrodenpaar aus zwei fingerartig ineinandergreifenden Kammelektroden 2a 2b, die praktisch unter einen rechten Winkel zur Hauptausbreitungsachse 7"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 Hauptausbreitungsachse Γ der elastischen Oberflächenwelle angeordnet sind Gemäß F i g. 2 ist die Hauptausbreitungsachse Γ dei elastischen Oberflächenwelle gegenüber der Z-Achse se geneigt oder schräggestellt, daß sie von links unten nach rechts oben ansteigt Gemäß F i g. 4 kann diese Achse 1 jedoch auch gegenüber der Z-Achse unter einem Winkel - Φ von links oben nach rechts unten verlaufen.

Es wurden vier Muster der Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen gemäß F i g. 2 unter Verwendung eines Lithiumniobat (LtNbOs) bestehenden Substrats 1 mit einer Länge von 40 mm auf der Z-Achse und vor 10 mm auf der X-Achse sowie mit einer Dicke von 1 mir längs der V-Achse hergestellt wobei die Schrägsteliung der Hauptausbreitungsachse Γ 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(fingem) bestanden Bei den auf diese Weise ausgebildeten Mustern odei Proben besaß ein durch sie hindurchlaufendes elektrisches Signal eine Frequenzbreite von 6 MHz, wenn das elektrische Signal eine Mittenfrequenz von 30 MH2 besaß, wobei es während seines Durchlaufs um 5 Mikrosekunden verzögert wurde.

Im folgenden sind nunmehr die Betriebseigenschafter der vorstehend beschriebenen Muster erläutert Bei allen Mustern wurden die Stör- oder Rauschensignalkomponenten A gemäß F i g. 1 auf die durch die Kurve

A in Fig.5 angegebene Weise unterdrückt Genauer gesagt: Wenn der Neigungswinkel der Hauptausbreitungsachse Teiner 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 24 db, ein Neigungswinkel von 3° eine Unterdrückung von 22 db und ein solcher von 5° eine Unterdrückung von etwa 18 db. Die Kurve A von F i g. 5 wurde durch Verbindung dieser Meßpunktwerte gebildet Kurve A 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, erweist sich ein Neigungswinkel von 0,5 - 7° als zweckmäßig.

Die vorgenannten Muster oder Proben der mit elastischer Oberflächenwelle arbeitenden Vorrichtung gemäß Fig.2 bewirkten eine Unterdrückung der Störsignalkomponenten B, D(Fig. 1) auf die durch die Kurven B bzw. D von F i g. 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 Eingangssignals und einer relativen Ausgangsgröße (in db), wenn der Neigungswinkel der Hauptausbreitungsachse T einer elastischen Oberflächenwelle gegenüber der Z-Achse bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß F i g. 2 bei 0,2 und 4° liegt Ein Vergleich der Neigungswinkel θ von 0, 2 und 4° bezüglich der in den relativen Ausgangsgrößen (in db) enthaltenen Welligkeitskomponenten entsprechend einem Frequenzband von 3 MHz vor und hinter bzw. Ober und unter der Mttteafrequenz von 30 MHz eines Emgangssignais, nämlich in einein Frequenzband von insgesamt 6 MHz, läßt geiinaB Fig.6 erkennen, daß ein Neigungswinkel β von 2° -die geringste Weüigkeitskom- poneme ergibt, nämlich oar eine solche von höchstens 1 db,. während bei erntan Winkel θ «on 4° die Weffigkehskomponente gegenüber dem Winkel von 0° wehex verringert wird, so daß sich eine gleichmäßigere Kurve ergibt. Die Versuchsergebnisse von Fig.6 belegen, daß sich die Vorrichtung gemäß Fig.2 als

Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel der Hauptansbrehungsachse Γ einer elastischen Oberflächenwelle gegenüber der Z-Achse and dem Aasmafi, in welchem Störsignalkomponcnten unterdrückt weiden können, wenn der Abstand L zwischen des Sende- and Empfangsetektrodenpaaren 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 F i g. 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 F i g. 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

■j sich ausbreitet aus einer Glasplatte 61 besteht. Die beiden piezoelektrischen V-Schnitt-Substrate 62,63 aus Lithiumniobat (LiNbOa) sind dabei auf den beiden Endabschnitten der Glasplatte 61 montiert und sie besitzen eine durch die X- und Z-Achse festgelegte

K> Oberfläche, wobei die Z-Achse parallel zur Längsrichtung der Glasplatte 61 verläuft Die Hauptausbreitungsachse Teiner durch die Sende- und Empfangselektrodenpaare 2 bzw. 3 erzeugten elastischen Oberflächenwelle ist unter einem Winkel im Bereich von 03-7°,

z. B. 2°, relativ zur Z-Achse geneigt bzw. schräggestellt Die Elektrodenpaare 2, 3 bestehen, wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 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 F i g. 2.

Bei der Ausrührungsform gemäß Fig.2 besitzt das piezoelektrische Substrat 1 eine Rechteckform, deren Langseite parallel zur Z-Achse und deren Schmalseite parallel zur X-Achse verläuft Gemäß F i g. 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.

F i g. 11 ist ein Kennliniendiagramm zur Darstellung der Welligkeitscharakteristik einer mit elastischer Oberflächenwelle arbeitenden Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Substrat 80 mit der Rhombusform gemäß Fig. 10, wobei die Hauptausbreitungsachse T einer elastischen Oberflächenwelle Winkel θ von 0,2,3 und 4° zur Z-Achse festlegt F i g. 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 Weffigkehskomponente stärker verringert als eine herkömmliche Vorrichtung mit einem Winkel θ von 0°, so daß sich gleichmäßigere Kurven ergeben. Außerdem fingert die erfmdungsgemäße Vorrichtung ersichtlicherweise die Höhe der Weffigkeit auf maximal 2db während die herkömmliche Vorrichtung die Weffigkehshöhe bestenfalls auf 23 db zu reduzieren vermag. Die in Fig. 12 dargestellte abgewandelte Ausfuh rungsform der 'fiudsgeBen Vorrichtung weis) ein rechteckiges piezoelektrisches Substrat 90, dessen Langseite 91 parallel zur Hachse 1 einer elastischen Oberflächenwelle fiegt sowie Sende imdEmpfangseiektrodenpaare92bzw.93anf,diedurcl

6s fingerartig verschachtelte Elektrodeaemheiten gebflde sind, welche parallel ze dea Querseiten 94, 95 de rechteckigen piezoelektrischen Substrats 90

SS ven

Hierbei ist die Kristallachse Σ unter einem Winkel ί

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.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung für elastische Oberfläcbenwellen, nut einem piezoelektrischen y-Schnitt-Substrat aus lithiumniobat (LAJbO₃X das eine durch die X- und Z-Achsen festgelegte Oberfläche vorgesehenen Elektrodenpaar zur Umwandlung eines elektrischen Signais in eine elastische Oberflächenwelle, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektroden- to paar zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine elastische Oberflächenwelle so angeordnet ist, daß die Hauptausbreitungsachse (T)äer elastischen Oberflächenwelle unter einem Winkel im Bereich vonO£—7° relativ zur Z-Achse schräggestelhist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, daduron 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 Ober dessen Oberfläche sich eine elastische Oberflächenwelle auszubreiten vermag, gekennzeichnet durch zwei in einem räumlichen Abstand auf der Oberfläche des isolierenden Substrates angeordnete piezoelektrische V-Schnitt-Substrate aus Lithiumniobat (LiNbOs) 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 l>eiden piezoelektrischen Substraten unter einem Neigungswinkel im Bereich von 03—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

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 so einem rechten Winkel zur Hauptausbreitungsachse einer elastischen Oberflächenwelle angeordnet ist