DE2540012C3 - Vorrichtung fuer elastische oberflaechenwellen - Google Patents

Description

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fl_tH^n eine ersie Stör- oder Rauschkomponente C

!^lekK°nhPrsDrechen und sodann eine verdichtete durch Übersprechen un _{Storsignalkompo}.

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Ä^ÄWt wird, nachdem sie Empfangselektrodenpaar dreimal t wurde. Die nacn der Normalisienden Störsignalkomponenirrtümlich für die normale

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1973 Nr 10, Seite 199 bis 201 ist bereits eine Vorrichtung zur Erzeugung von elastischen OberfläcTenwellen in geschnittenen Substraten von Lithiumnfobat mit zur Umwandlung von elektrischen Signalen Γ Oberflächenwelle« dienenden Elektrodenpaaren bk h b dh

vonu,3— / iciauYiui^.· °, , u ι in Oberflächenweueii uiu^..->·" —-—- \ , ,

4. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekenn- in. we _bekannte Vorrichtung besitzt jedoch zeichnet, daß das piezoelektrische Substrat eine 35 bekannt Eingangswandler, und in relativ Rechteckform besitzt, deren Langseite parallel zur *^εη£^εη _{nd von} diesen Wandler befinden s.ch Z-Achse und deren Querseite parallel zur X-Achse 8«>öem ^. _Ausgarigswandler, wobei der eine verläuft. _, _u . PinJaneswandler relativ zum anderen Eingangswandler

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ^"V* _{einer der} Ausgangswandler zum anderen zeichnet, daß das piezoelektrische Substrat eine 40 "**™£™& _schräg angeordnet sind Diese beRhombus- oder Parallelogrammform bes.tzt, deren Au^wan ^.^ ^ _oberflach „

. · „ λ^ „„,„„ft „„d deren g^ngitoppler. und zwar auf der Grundlage der

Krisänanisotropie. Die sich bei diesem bekannten 45 R chtungskoppler ergebende Richtung der Gruppengeschwindigkeit schließt einen Winkel von 6,5° mit e.ner irUtXchse ein Im Betrieb wird dem einen Eingangs-ηΪγ ein Steuersignal zugeführt, wobei der Winkel

_,_._..— . , _Ober ^s_chen der!dabei erzeugten Wellenbündeln so

Hauptausbreitungsachse einer elastischen Ober- zwiscn _ möglichst vollständige Differenzflächenwelle verläuft und deren Querse.te unter 50 ausgeleg*¹· _{erreicht wird}. Das dabei

einem rechten Winkel zur Hauptausbreitungsachse frequenz rnas _P ^ ^ _{Frequenz w}

... ^.^„,u.™,*«,,«. ^e™^_s™_{mi und} seine Amplitude ist proportional

^Amplitude des Eingangssignals solange die

55 Amplitude des Steuersignals konstant gehalten wird.

Dieser bekannte Oberflächenwellen-R.chtungskopp.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für elastische tor* ^-^^ ^ ^

Oberflächenwellen, mit einem P·«^"*^ "^SSRndung zugrundeliegende Aufgabe besteh

y-Schnitt-Substrat aus Lithiumn.obat (LiNbO₃J, uas .^'^e !f__{e Vorrich}f_ung für elastische Oberflächenwel

eine durch die X- und Z-Achsen festgelegte Oberfläche 60 ^^^^c _MiJ_{nm Art zu} schaffen, bei welche

besitzt, und mit mindestens einem auf der Oberfläche Jnflereι g g _Störsignai_komponenten w.rksan

vorgesehenen E.ektrodenpaar-zur-U^-^ ™ ^. ...-..- ^

Rhombus- oder h'araneiograniiniuuii u\.oü<.·.,

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 Hauptausbreitungsachs einer elastischen Oberflächenwelle angeordnet ist.

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In den letzten Jahren ist eine Vorrichtung für Ausgehend von der Vorrichtung de. ~..._e_.._o

elastische Oberflächenwellen zur Anwendung gelangt, ^5 definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäl

die ein aus Lithiumniobat (LiNbO₃) bestehendes dadurch gelöst, daß das Elektrodenpaar zur Umwand

piezoelektrisches Element mit einem hohen Koppelfsk- lung eines elektrischen Signals in eine elastisch

tor und mit hohem Wirkungsgrad der Umwandlung von Oberflächenwelle so angeordnet ist, daß die Hauptau;

eitungsachse der elastischen Oberflächenwelle unter •inem Winkel im Bereich von 0,5—7° relativ zur r-Achse schräggestellt ist

nie Erfindung schafft somit ein·? Vorrichtung für die F u^ng _von elastischen Oberflächenwellen, mit der ch effektiv Störsignalkomponente innerhalb des Hauptansprechbereiches beseitigen lassen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Sende- und Empfangselektrodenare 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, über 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 y-Schnitt-Substrate aus Lithiumniobat 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. Das piezoelektrische Substrat kann dabei auch eine Rechteckform besitzen, deren Langseite parallel zur Z-Achse und deren Querseite parallel zur X-Achse verläuft _{JA u} ■

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, dab 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. ... r

Im folgenden sind bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung im Vergleich zu einer bekannten Ausführungsform anhand der Zeichnung näher erläu-

F i g-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 Kristall-

^a°Fig.4 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen der Z-Kristallachse des piezoelektrischen ic 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 F i g. 2 enthaltenden Störoder Rauschsignalkomponenten je nach den Winkeln unterdrückt werden, welche die Ausbreitungsachse einer elastischen Oberflächenwelle zur Z-Achse festlegt, F i g. 6 eine graphische Darstellung der Welligkeitscharakteristik der mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Vorrichtung gemäß F i g. 2,

F i g. 7 eine graphische Darstellung verschiedener Ausmaße, in denen die genannten Störsignalkomponenten entsprechend den Winkeln der Ausbreitungsachse einer elastischen Oberflächenwelle zur Z-Achse unterdrückt werden, wenn der Abstand zwischen dem Sende- und Empfangselektrodenpaar bei der Vorrichtung gemäß F i g. 2 variiert wird,

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

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

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

F i g. 11 eine graphische Darstellung der Welligkeitscharakteristik der Vorrichtung gemäß F i g. 10 und

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

In Fig.2 ist bei 1 ein piezoelektrisches Y-Schnitt-Substrat aus Lithiumniobat (LiNbO₃) dargestellt, das 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 elastischen 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 einem rechten Winkel zur Hauptausbreitungsachse Tder 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 T der elastischen Oberflächenwelle gegenüber der Z-Achse so geneigt oder schräggestellt, daß sie von links unten nach rechts oben ansteigt. Gemäß F i g. 4 kann diese Achse 7 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 (LiNbOs) 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 K-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 bzw. 3 versehen, die jeweils aus 160 Paaren von ineinandergreifenden Elektroden(fingern) bestanden Bei den auf diese Weise ausgebildeten Mustern odei Proben besaß ein durch sie hindurchlaufendes elektri sches Signa! eine Frequenzbreite von 6 MHz, wenn da; elektrische Signal eine Mittenfrequenz von 30 MH; besaß, wobei es während seines Durchlaufs um i Mikrosekunden verzögert wurde.

Im folgenden sind nunmehr die Betriebseigenschaitei der vorstehend beschriebenen Muster erläutert. Be allen Mustern wurden die Stör- oder Rauschensignal komponenten A gemäß F i g. 1 auf die durch die Kurv

A in Fig. 5 angegebene Weise unterdrückt. Genauer gesagt: Wenn der Neigungswinke! der Hauptausbreitungsachse 7"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 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 12db 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 Bbzw. 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.

F i g. 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. über und unter der Mittenfrequenz von 30 MHz eines Eingangssignals, nämlich in einem Frequenzband von insgesamt 6 MHz, läßt gemäß F i g. 6 erkennen, daß ein Neigungswinkel θ 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 F i g. 6 belegen, daß sich die Vorrichtung gemäß Fig.2 als Filter eignet.

F i g. 7 zeigt die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel der Hauptausbreitungsachse Feiner elastischen Oberflächenwelle gegenüber der Z-Achse und dem Ausmaß, in welchem Störsignalkomponentcn unterdrückt werden können, wenn der Abstand L zwischen den Sende- und Empfjingselektrodenpaaren 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°

ίο 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 durc'-i die X- und Z-Achse festgelegte

»o Oberfläche, wobei die Z-Achse parallel zur Längsrichtung der Glasplatte 61 verläuft. Die Hauptausbreitungsachse Γ einer durch die Sende- und Empfangselektrodenpaare 2 bzw. 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 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 Ausführungsform 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 Fi 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.

Fig. 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 7 einer elastischen Oberflächenwelle Winkel θ von 0, 2,2 und 4° zur Z-Achse festlegt. F i g. 11 zeigt, daß bei einen Eingangssignal mit einer Frequenzbreite von 6 MHi (bei einer Mittenfrequenz von 30 MHz) die Vorrichtung gemäß Fig. 10 bei Neigungswinkeln θ von 2, 3 und 4^C die Welligkeitskomponente stärker verringert als ein» herkömmliche Vorrichtung mit einem Winkel θ von 0° so daß sich gleichmäßigere Kurven ergeben. Außerden

verringert die erfindungsgemäße Vorrichtung ersieht licherweise die Höhe der Welligkeit auf maximal 2 dt während die herkömmliche Vorrichtung die Wellig keitshöhe bestenfalls auf 2,5 db zu reduzieren vermag.

Die in Fig. 12 dargestellte abgewandelte Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weis ein rechteckiges piezoelektrisches Substrat 90, dessei Langseite 91 parallel zur Hauptausbreitungsachsc einer elastischen Oberflächenwelle liegt sowie Sende und Empfangselektrodenpaare 92 bzw. 93 auf, die durc fingerartig verschachtelte Elektrodeneinheiten gebildc sind, welche parallel zu den Querseiten 94, 95 de rechteckigen piezoelektrischen Substrats 90 liegei Hierbei ist die Kristallachse Z unter einem Winkel I

relativ zur Hauptausbreitungsachse T der elastischen Oberflächenwelle, d. h. relativ zur Langseite 91 des Substrats 90 geneigt bzv/. schräggestellt. Ersichtlicherweise vermag diese Anordnung Störsignalkomponenten ebenso wirksam zu unterdrücken wie die vorher beschriebenen Ausführungsformen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche: 10

1. Vorrichtung für elastische Oberfläd ,wellen, mit einem piezoelektrischen V-Schnitt-Substrat aus Lithiumniobat (LiNbO₃), das eine durch die X- und Z-Achsen festgelegte 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 itn Bereich von 0,5—7° relativ zur Z-Achse schräggestellt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfangsefektrodenpaare 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 Substrates angeordnete piezoelektrische V-Schnitt-Substrate aus Lithiumniobat (LiNbO₃) 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 gekenn-

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elektrischen Signalen in elastische Oberflachenwellen JnHPt Diese Vorrichtung weist paarweise an-^VerWH„?e Wandlerelektroden zur Ausstrahlung und ^gC° ρ"5Z auf dL längs der Z-Achse der Oberfläche _Zum ^EmP^f^f_eJS^e _en substrates ausgebildet sind, das

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^FL^g· n- inwdlen bezieht, veranschaulicht die Wellen-Oberlta^^Jgh^ _{von einem Empfangselek}.

form eines Ausgang* * _H_ _d Sendeelektroden-