DE2546193A1

DE2546193A1 - Vorrichtung fuer elastische oberflaechenwellen

Info

Publication number: DE2546193A1
Application number: DE19752546193
Authority: DE
Inventors: Toshikazu Kokama
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1974-10-15
Filing date: 1975-10-15
Publication date: 1976-04-22
Also published as: JPS561805B2; FR2331199A1; DE2546193B2; GB1529869A; JPS5144890A; FR2331199B1; DE2546193C3; US3990023A

Description

PATE NTANWALTE 2 O 4 61 9 J

HENKEL, KERN, FEILER & HÄNZEL

TTfiv »i -i v„- iivt-T i, BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UND

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

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Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen

Die Erfindung betrifft eine mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Vorrichtung mit fingerartig verschachtelten bzw. Kamm- oder sog. Interdigitalelektroden_o

Eine derartige Vorrichtung verwendet im allgemeinen als elektromechanische Snergiewandlerelektrode zwei Kammelektroden mit Fingerabschnitten, die in elektrisch isoliertem, fingerartig verschachteltem Verhältnis zueinander angeordnet sind. Da bei einer solchen Kammelektrode ein Unterschied in der akustischen Impedanz im einen Fingerabschnitt der beiden Kammelektroden und der akustischen Impedanz im Zwischenraum zwischen dem Fingerabschnitt der einen der beiden Kammelektroden und dem benachbarten Fingerabschnitt der anderen Kammelektrode eingeführt wird, wird eine sich auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats ausbreitende elastische Oberflächenwelle auf der Substratoberfläche am Fingerabschnitt der Kammelektrode reflektiert. Diese reflektierte Oberflächenwelle erscheint als Störkomponente im Ausgangssignal der mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Vorrichtung,,

/Bl/ro - 2

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Zur Unterdrückung der Reflexion der Oberflächenwelle aufgrund des vorstehend geschilderten Unterschieds in der akustischen Impedanz ist der Fingerabschnitt der Kammelektrode auf die in der US-PS 3 727 155 beschriebene Weise geschlitzt bzw₀ geteilt, oder eine freibewegliche bzw· "fliegende" (floating) Elektrode ist auf die in der US-PS 3 748 603 beschriebene Weise in der Kammelektrode von deren Fingerabschnitt getrennt angeordnet. In diesen Fällen muß jedoch wegen der Impedanzherabsetzung eines diese Kammelektroden verwendenden elektromechanischen Energiewandlers die Lastimpedanz vergleichsweise klein sein, um die Oberflächenwellenreflexion aufgrund elektroakustischer Regeneration bzw«, Rückkopplung (regeneration) zu vermindern«. Außerdem ist der Produktionsausstoß an Vorrichtungen (device yield) bei der bisher verwendeten Elektrodenkonfiguration infolge der geringen Breite der Elektroden nicht besonders gut.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Vorrichtung, welche Störkomponenten zu unterdrücken vermag,.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen, bestehend aus einem piezoelektrischen Substrat und mindestens einem auf dessen Oberfläche angeordneten Paar erster und zweiter, einander benachbarter Interdigital- bzw₀ Kammelektroden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dann, wenn die Breite des einen Fingerteils der ersten Kammelektrode mit 11 und die Breite des einen, diesem benachbarten Fingerteils mit 12 und der Abstand zwischen den Fingerteilen des Kammelektrodenpaars mit 13 bezeichnet sind und die Mittenfrequenz der Grundwelle einer Oberflächenwelle durch fO angegeben ist, die folgende Beziehung gilt:

1+5
vm vf

13. 12 _
vf vm ~

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vm die Oberflächenwellengeschwindigkeit am Fingerteil der Kammelektrode und

vf die Oberflächenwellengeschwindigkeit zwischen den benachbarten Pingerteilen des Kammelektrodenpaars

bedeuten.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformeη der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläuterte Es zeigen:

Figo 1 eine Aufsicht auf eine Vorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 2 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Aufsicht auf ein Kammelektrodenpaar,

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung einer Möglichkeit der Bestimmung der Breite einander benachbarter Fingerteile zweier Kammelektroden bei einer mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig«, 4 eine Aufsicht auf ein Kammelektrodenpaar bei einer abgewandelten Aus führungs form der Erfindung,

Figo 5 eine Aufsicht auf ein Kammelektrodenpaar bei einer weiter abgewandelten Ausführungsform der Erfindung und

Figo 6 eine graphische Darstellung der Einfügungsdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Oberflächenwellenfilter für eine Bildzwischenfrequenzschaltung bei einem Farbfernsehempfänger.

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Gemäß Pig· 1 sind zwei Interdigital- bzw₀ Kammelektrodenpaare 2a, 2b und 3a, 3b unter Bildung einer Vorrichtung 4 für elastische Oberflächenwellen jeweils am einen Ende der einen Fläche eines Z₀B. aus LiNbO, bestehenden piezoelektrischen Substrats 1 angeordnet«, Wenn zwischen die beiden Kammelektroden 2a, 2b der Vorrichtung 4 ein Eingangssignal angelegt wird, wird in Abhängigkeit von letzterem auf der die KammeIektrode tragenden Fläche eine elastische Oberflächenwelle erzeugt, die sich in Richtung auf die beiden Kammelektroden 3a> 3b ausbreitet, zwischen denen dann entsprechend der eingehenden elastischen Oberflächenwelle ein Ausgangssignal erzeugt wird« Bei dieser Ausführungsform sind die beiden an der Eingangsseite der Vorrichtung vorgesehenen Kammelektroden 2a, 2b auf die beispielsweise in Fig. 2 dargestellte Weise ausgebildet, so daß das Ausgangssignal nur einen sehr geringen Störkomponententeil enthält.

Fig«, 2 veranschaulicht ein Kammelektrodenpaar 2a, 2b, bei dem die Kammelektrode 2a vier Fingerteile 2a-1 bis 2a-4 mit einer vorbestimmten Dicke und einer, in Ausbreitungsrichtung gemessenen,Breite von 11 aufweist, während die Kammelektrode 2b drei Fingerteile 2b-ijbis 2b-3 mit der gleichen Dicke wie die Finger-2a-1 bis 2a-4 und einer, in Ausbreitungsrichtung gemessenen, Breite von 12(11<12) aufweist. Infolgedessen verbleibt in Wellen-Ausbreitungsrichtung ein Zwischenraum oder Spalt 13 zwischen jedem Fingerteil der Kammelektrode 2a und dem benachbarten Fingerteil der Kammelektrode 2b₀ Zwischen den Abständen 11, 12 und 13 sowie der Mittenfrequenz fO der Grundwelle der elastischen Oberflächenwelle besteht dabei die folgende Beziehung:

^j^ -Γ _v£ - /,4?Γ\ ««β.ΟΟ·β»»ί 1j

12 4. 12 - JL
vf vm ~ 3?0

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2b46193

vm die Geschwindigkeit der Oberflächenwelle im Fingerteil der Kammelektrode und

vf die Geschwindigkeit der Oberflächenwelle zwischen benachbarten Fingerteilen der Kammelektroden

bedeuten„

Für die Ausdrücke 11, 12 und 13 kann eine Vielzahl von Werten eingesetzt werden, damit den Beziehungen (1) und (2) genügt wird. Die Werte für 11, 12 und 13 lassen sich auf graphischem Wege unter Heranziehung von Gleichungen finden, in denen eine Beziehung zwischen 13 und 11 und 12 definiert ist. Der Einfachheit halber sei beispielsweise angenommen, daß vm = vf = ν gilt. In diesem Fall folgt aus den Gleichungen (1) und (2):

13 = -11 +T¹ ooooeooo.o(3)

4
13 = -12 + 5 λ. /₄₎

worin λ= v/fO bezeichnet.

Gleichungen (3) und (4) haben sich in der Praxis als zufriedenstellend erwiesen. Bei Auftragung von Gleichungen (3) und (4) auf einer 13-11(12)-Koordinatenebene einer graphischen Darstellung gemäß Fig«, 3 ergeben sich gerade Linien A und B₀ Für den Fall von 13=% lassen sich die Werte für 11 und 12 bei-

spielsweise durch Ziehen einer geraden Linie entsprechend 13 = g und Ablesen der geraden Linie C sowie der geraden Linien A, B auf der 13-11(12)-Koordinatenebene der graphischen Darstellung von Fig_e 2 ermitteln,. In diesem Fall gilt H = ττ und 12 = ^λ_ο Figo 2 veranschaulicht eine Anordnung der Kammelektroden 2a und 2b, bei welcher 11 = 13 = |r und 12 = ·|λ gilt.

Bei der Kammelektrodenanordnung gemäß Fig_o 2 wird beispielsweise

λ,

ein Phasenunterschied von £· zwischen einer Reflexionswelle ¥1

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von der Vorderkante des Fingerteils 2a-1 der Kammelektrode 2a und einer Reflexionswelle ¥2 vom Fingerteil 2b-2 der Kammelektrode 2b erzielt,, Hierbei werden die kombinierten Reflexionswellen ¥1 und ¥2 zu Null. Andererseits wird ein Phasenunterschied ^ λ. zwischen einer Reflexionswelle ¥3 von der Hinterkante des Fingerteils 2a-1 der Kammelektrode 2a und einer Reflexionswelle ¥4 von der Hinterkante des Fingerteils 2b-2 der Kammelektrode 2b erzielte Hierbei werden die kombinierten Reflexionswellen ¥3 und ¥4 zu NuIl₀

Auf diese ¥eise werden die Reflexionswellen von den betreffenden Kanten benachbarter Fingerteile der Kammelektroden 2a, 2b bei Kombination miteinander zu Null, so daß die Reflexionswelle der Kammelektrodenanordnung insgesamt zu Null wird und mithin Störkomponenten ausgeschaltet werden,, Das gleiche gilt für die Anordnung der Kammelektroden 3a und 3b«, Bei der Kammelektrode 2b sind die Fingerteile erheblich breiter ausgebildet als bei der Kammelektrode 2a. Aus diesem Grund besteht eine geringere Möglichkeit für das Auftreten von Durchbruch in den Fingerteilen der Kammelektroden während der Fertigung, wodurch eine beträchtliche Verbesserung der Produktionsleistung geboten wird,. Außerdem ist die Impedanz der Kammelektroden 2a und 2b größer als diejenige von freibeweglichen Elektroden oder von Kammelektroden mit geschlitzten bzw· geteilten Fingerteilen, so daß folglich eine größere Last oder Quellenimpedanz angewandt werden kann, ohne daß akustische ¥ellenreflexion aufgrund elektroakustischer Regeneration bzw« Rückkopplung auftritt; infolgedessen können Störkomponenten reduziert werden,,

Obgleich bei der Anordnung gemäß Fig_o 2 die Fingerteile 2a-1 bis 2a-4 der Kammelektrode 2a einerseits und die Fingerteile 2b-1 bis 2b-3 der Kammelektrode 2b andererseits jeweils untereinander die gleiche Breite besitzen, kann die Breite der Fingerteile bei den Kammelektroden 12a und 12b gemäß Fig. 4

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selektiv variiert werden,, Bei der Ausführungsform gemäß Fig. weist die Kammelektrode 12a Fingerteile 12a-1 und 12a-2 mit einer Breite von 11 sowie Fingerteile 12a-3 bis 12a-6 mit einer Breite von 12 auf, während die Kammelektrode 12b Fingerteile 12b-1 und 12b-2 mit einer Breite von 12 sowie Fingerteile 12b-4 bis 12b-7 mit einer Breite von 11 aufweist© Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 können somit Störkomponenten auf die gleiche Weise unterdrückt werden wie bei der Ausführungsform gemäß Fig« 2.

Fig_e 5 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher die Erfindung als asymmetrisches Filter, beispielsweise als Oberflächenwellenfilter für eine Bildzwischenfrequenzschaltung eines Farbfernsehempfängers, realisiert ist«, Als Kammelektrodenpaar an der Eingangsseite einer mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Vorrichtung werden Kammelektroden 22a und 22b der Art gemäß Fig. 5 verwendete Die Kammelektroden 22a und 22b sind zusammen mit zwei Kammelektroden an der Ausgangsseite der Vorrichtung auf einem piezoelektrischen LiNbO,-Substrat mit einer Größe von z_eB₀ 8 χ 8 χ 0,5 mm angeordnet, das beispielsweise eine Y-Schnitt-Z-Ausbreitungsebene besitzt,, Die Kammelektroden an der Eingangsseite der Vorrichtung weisen jeweils eine Anzahl von Fingerteilen unterschiedlicher Längen auf, die so bemessen bzw_o abgestimmt (weighted) sind, daß ein Scheitel gemäß Fig«, 5 in der Mitte der Fingerteilanordnung liegt, während die bemessenen Längen zu beiden Enden der Finge rteilanordnung hin allmählich abnehmen* Jeder Teilungsabstand (pitch) des Fingerteils (Ortswellenlänge) (local wave length) kann durch Erweiterung einer den Frequenzgang bzw. die Frequenzcharakteristik darstellenden Funktion mittels einer Fourierschen Reihe bestimmt werden^ Beim Filter ist somit ersichtlich, daß die Breite der Fingerteile im Wandler nicht gleichmäßig ausgebildet ist_e Die Bemessung kann jedem Fingerteil der betreffenden Kammelektrode durch Änderung des Teilungsabstands der Fingerteile entsprechend den

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Kurven I und II in Fig_o 5 erteilt werden. Die Kammelektrode 22a weist eine abwechselnde Anordnung von ersten und zweiten Gruppen von Fingerteilen auf, wobei die Fingerteile der ersten, den mit 22a-i bezeichneten Fingerteil einschließenden Gruppe eine Breite 11 und die Fingerteile der zweiten, den Fingerteil 22a-(i+i) einschließenden Gruppe eine Breite 12 besitzen_e Ebenso weist die Kammelektrode 22b eine abwechselnde Reihe oder Anordnung von ersten und zweiten Gruppen von Fingerteilen auf, die mit dem eine Breite von 11 besitzenden Fingerteil 22b-i in der ersten Gruppe beginnen und von dem eine Breite von 12 besitzenden Fingerteil 22b-(i+i) in der zweiten Gruppe gefolgt werden· Bei dieser Ausführungsform sind im Kammelektrodenpaar 22a, 22b neunzig Paare von Fingerteilen 22a-i, 22b-i vorgesehen« Beim Kammelektrodenpaar an der Ausgangsseite der Vorrichtung sind die Fingerteile auf ähnliche Weise bemessen wie beim Kammelektrodenpaar 22a, 22b an der Eingangsseite der Vorrichtung« Das Kammelektrodenpaar an der Ausgangsseite umfaßt acht Paare von Fingerteilen (nicht dargestellt) β Bei dieser Ausführungsform liegt die Länge vom Ende des eingangsseitigen Kammelektrodenpaars 22a, 22b zum ausgangsseitigen Kammelektrodenpaar z„B, in der Größenordnung von 7 mm, wobei zwischen den benachbarten Fingerteilen in den Kammelektrodenpaaren eine maximale Überlappungsbreite von 6 mm festgelegt ist«, Beispielsweise sind die beiden eingangsseitigen Kammelektroden zusammen mit den beiden ausgangsseitigen Kammelektroden mit Aluminium auf die Oberfläche des piezoelektrischen Substrats aufgedampft,.

Fig« 6 ist eine graphische Darstellung der Einfügungsdämpfung in Abhängigkeit von der Eingangsfrequenz (MHz) des vorstehend beschriebenen Oberflächenwellenfilters in einer Bildzwischenfrequenzschaltung eines Farbfernsehempfängers, wobei die ausgezogene Linie Q eine Kennlinie der erfindungsgemäßen Oberflächenwellenvorrichtung und eine gestrichelte Linie P die Kennlinie einer bisher verwendeten Oberflächenwellenvorrichtung angeben.

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Ein Vergleich der beiden Kennlinien läßt erkennen, daß die Störkomponente bei 55 - 60 MHz bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung (verglo die ausgezogene Linie Q) erheblich verringert ist (doh_o die Welligkeit ist um 0,5 db reduziert)_β Die Verringerung der Welligkeit um einen Betrag von 0,5 db bedeutet, daß in die Verzögerungszeit der Oberflächenwellenvorrichtung eine Abweichung in der Größenordnung von etwa 50 Nanosekunden eingeführt wird«, Figo 6 veranschaulicht die Kennlinie bei einer Mittenfrequenz von 57»2 MHz und einer 3-db-Bandbreite von 4 MHz₀

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, ist es erfindungsgemäß möglich, die von reflektierten bzw₀ Reflexionsoberflächenwellen in den Fingerteilen der Kammelektrodenpaare sowie von der Reflexion aufgrund der elektroakustischen Regeneration bzwe Rückkopplung herrührenden Störkomponenten wirksam zu unterdrücken bzw. auszusehalten₀ Da die Erfindung für die Grundwelle oder -frequenz der Oberflächenwelle wirksam ist, kann sie sich selbstverständlich auch für ungeradzahlige höhere Harmonische, einschließlich der Harmonischen dritter und fünfter Ordnung, als wirkungsvoll erweisen,»

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Claims

- ίο -

Patentansprüche

Λ j Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen, bestehend "'·/ aus einem piezoelektrischen Substrat und mindestens einem auf dessen Oberfläche angeordneten Paar erster und zweiter, einander benachbarter Interdigital- bzw. Kammelektroden, dadurch gekennz eichnet, daß dann, wenn die Breite des einen Fingerteils (2a-1, 12a-1, 22a-i) der ersten Kammelektrode (2a, 12a, 22a) mit 11 und die Breite des einen,diesem benachbarten Fingerteils (2b-1, 12b-1, 22b-(i+1) der zweiten Kammelektrode (2b, 12b, 22b) mit und der Abstand zwischen den Fingerteilen des Kammelektrodenpaars mit 13 bezeichnet sind und die Mittenfrequenz der Grundwelle einer Oberflächenwelle durch fO angegeben ist, die folgende Beziehung gilt:

11 + 12-vm Vf

worin

12
vf

12 ,3

vm - WS

vm

vf

bedeuten.

die Oberflächenwellengeschwindigkeit am Fingerteil der Kammelektrode und

die Oberflächenwellengeschwindigkeit zwischen den benachbarten Fingerteilen des Kammelektrodenpaars

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammelektrode eine Anzahl von Fingerteilen mit jeweils einer Breite von 11 und die zweite Kammelektrode eine Anzahl von Fingerteilen mit jeweils einer Breite von 12 aufweist·

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3β Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammelektrode eine erste Gruppe von Fingerteilen mit einer Breite von 11 und eine zweite Gruppe von Fingerteilen mit einer Breite von 12 aufweist und daß die zweite Kammelektrode eine dritte Gruppe von Fingerteilen mit jeweils einer Breite von 12, welche der ersten Fingerteilgruppe unter elektrischer Isolierung davon in fingerartig verschachteltem Verhältnis zugeordnet sind, und eine vierte Gruppe von Fingerteilen mit jeweils einer Breite von 11 aufweist, welche der zweiten Fingerteilgruppe unter elektrischer Isolierung davon in fingerartig verschachteltem Verhältnis zugeordnet sind«,

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammelektrode eine abwechselnde Anordnung aus ersten Fingerteilen mit der Breite 11 und zweiten Fingerteilen mit der Breite 12 aufweist, daß die zweite Kammelektrode eine abwechselnde Anordnung aus dritten Fingerteilen der Breite 11 und vierten Fingerteilen der Breite 12 aufweist und daß die ersten und zweiten Fingerteile der ersten Kammelektrode den dritten bzw« vierten Fingerteilen der zweiten Kammelektrode zugewandt bzw. gegenüberstehend angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Fingerteile der ersten und der zweiten Kammelektrode so bemessen ist, daß eine vorbestimmte Beziehung erzielt wird.

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