DE2600138C2

DE2600138C2 - Einrichtung auf der Basis der akustischen Oberflächenwellen mit einem zur Übertragung der akustischen Oberflächenwellen dienenden Trägerkörper aus piezoelektrischem Material und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2600138C2
Application number: DE2600138A
Authority: DE
Inventors: Thomas Edward Framingham Mass. Parker; Frank Howland Concord Mass. Spooner; Charles Baynard Willingham
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1975-01-03
Filing date: 1976-01-03
Publication date: 1984-05-30
Also published as: US3965444A; JPS555924B2; IT1052796B; JPS5184548A; GB1489265A; CA1043432A; DE2600138A1

Description

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12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs- und Ausgangswandler als Interdigitalwandler ausgebildet sind.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 sowie 8 bis 12 und/oder Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Filter mit umschaltbarer Bandmittenfrequenz in der Weise, daß die Enden der Übertragungsbahn für die OberflächenweUen am Trägerkörper (74) Wandler (80, 82) aufweisen, die durch ihre Beschallung mit entsprechend bemessenen Reaktanzen (76, 78) als Reflektoren für die OberflächenweUen dienen und daß entlang der Übertragungsbahn für die OberflächenweUen zwischen den reflektorisch wirkenden Wandlern (80,82) mehrere, jeweils einzeln durch Schalter (88) mit der Filter-Eingangsschaltung verbindbare Eingangswandler (86) und ein an die Filter-Ausgangsschaltung (92) angeschlossener Ausgangswandler (84) vorgesehen sind.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 sowie 8 bis 12 und/oder Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Ausbildung als frequenzbestimmender Bestandteil von Oszillatoren in der Weise, daß zwischen den Wandlern auf der Oberfläche des Trägerkörpers Gittermuster vr/gesehen sind, durch welche stehende akustische Oberflächenwellen herbeigeführt werden.

15. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Trägerkörper aus piezoelektrischem Werkstoff zunächst die Wandler aufgebracht werden und anschließend auf der die Wandler tragenden Oberfläche des Trägerkörpers und auch über den Wandlern eine Siliziumdioxidschicht abgelagert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablagern der Siliziumdioxidschicht durch Sputtern im Hochfrequenzfeld von einer Auftreffelektrode aus geschmolzener Kieselerde durchgeführt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Sputtern bei einer Temperatur von etwa 15O⁰C in einer Atmosphäre von im wesentlichen reinem Sauerstoff geschieht.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Sputlern mit einer Geschwindigkeit von 200 r_;m/h bis 1000 nm/h durchgeführt wird.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung auf der Basis der akustischen Oberflächenwellen mit einem zur Übertragung der akustischen Oberflächenwellen dienenden Trägerkörper aus piezoelektrischem Material und auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Einrichtung. Eine solche Einrichtung bildet bekanntlich die Grundlage für die Verwirklichung von Verzögefungseinriehtungen, Filtern und Oszillatoren nach dem Oberflächenwellenprinzip.

Verzögerungseinrichtungen auf der Basis der akustischen Oberflächenwellen sind in der Radartechnik und auf dem Gebiete der Nachrichtenübertragung seit geraumer Zeit in Gebrauch. In der einfachsten Form enthalten solche Verzögerungseinrichtungen einen Trägerkörper aus piezoelektrischem Material, an welchem mindestens zwei mit der Oberfläche des Trägerkörpers

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gekoppelte Wandler angesetzt sind. DieWandler sind in der Regel als Interdigitalwandler ausgebildet, d. h. sie enthalten ineinandergreifende Gruppen von Leiterfingern, welche an der Oberfläche des piezoelektrischen Trägerkörpers Oberflächenwellen anregen bzw. aus der Oberfläche solche Wellen detektieren.

Die Verzögerungszeit, weiche von Verzögerungseinrichtungen dieser Art herbeigeführt wird, ist diejenige Zeit, welche eine Oberflächenwelle für die Ausbreitung von dem Eingangswandler zu dem Ausgangswandler benötig?. Diese Größe ist für viele Anwendungsbereiche der Einrichtung wesentlich. Beispielsweise ändert sich bei Verwendung der Einrichtung als frequenzbestimmender Bestandteil eines Oszillators die Ausgangsfrequenz dieses Oszillators invers zur Änderung der VerzögerungszeiL

Aus eintr Anzahl von Gründen ist die Verzögerungszeit einer die Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen ausnützenden Verzögerungseinrichtung eine Funktion von der Temperatur. Diese Funktion von der Temperatur kann entweder positiv oder negativ '_T;in. Die überwiegende Mehrzahl der piezoelektrischen Werkstoffe, die für den Trägerkörper in Betracht kommen, hat jedoch einen positiven Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit. Die Funktion ist ferner im allgemeinen nicht linear, da viele unterschiedliche Faktoren die Abhängigkeit der Verzögerungszeit von der Temperatur bestimmen. Mathematisch kann die Abhängigkeit der Verzögerungszeit von der Temperatur für irgendeine Einrichtung oder ein bestimmtes Material als Taylor'sche Reihe entwickelt werden. Der erste nicht konstante Ausdruck, nämlich der einer linearen Temperaturabhängigkeit entsprechende Ausdruck der Taylor'schen Reihenentwicklung wird als Temperaturkoeffizient erster Ordnung bezeichnet. Der nächste Ausdruck der Taylor'schen Reihe ist der Temperaturkoeffizient zweiter Ordnung und gibt Änderungen zweiten Grades der Verzögerungszeit abhängig von der Temperatur an.

Ein Quarz mit ST-Schnitt, wie er in der US-Patentschrift 38 18 382 beschrieben ist, besitzt bei Raumtemperatur einen Temperaturkoeffizienten erster Ordnung vom Betrag Null und einen Temperaturkoeffizienten zweiter Ordnung von etwa 31 ■ 10~⁹l/(K)². Für viele Anwendungsfälle reicht dieser Temperaturkoeffizient des Quarzes mit ST-Schnitt aus. Der elektromechanische Kopplungsfaktor eines aus einem Quarz mit ST-Schnitt gefertigten Trägerkörpers ist jedoch ziemlich niedrig. Für manche Zwecke werden größere elektromechanische Kopplungsfaktoren zur Erzielung einer größeren Bandbreite benötigt, als sie mit einem Quarz mit ST-Schnitt erreicht werden können.

Werkstoffe mit größeren elektromechanischen Kopplungsfaktoren, jedoch auch größeren Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit als beim Quarz mit ST-Schnitt machen andere Maßnahmen erforderlich, um eine ausreichende Temperaturstabilität der Verzögerungszeit zu erreichen. Oft verwendete man zu diesem Zweck einen Thermostaten. Selbstverständlich sind solche Systeme unhandlich, teuer und können in vielen Fällen nicht verwendet werden, beispielsweise in Flugkörpern, bei welchen der Raumbedarf und der Leistungsverbrauch eines Thermostaten nicht tragbar sind.

Man hat auch schon die Übertragung akustischer Oberflächenwellen ausnützende Einrichtungen und unter anderem auch Verzögerungseinrichtungen mit mehreren Schichten aus piezoelektrischem und nichtpiezoelektrischem Werkstoff m't dem Ziel entwickelt, bei solchen Einrichtungen temperaturunabhängige Laufzeiten bzw. Verzögerungszeiten zu erreichen. Einrichtungen dieser Art sind beispielsweise in der US-PS 37 86 373 beschrieben und besitzen eine piezoelektrische Schicht aus ZnO, welche auf einem nichtpiezoelektrischen Trägerkörper aufgebracht ist, der aus geschmolzener Kieselerde besteht. Mit Einrichtungen dieser Art wurden viele Schwierigkeiten beseitigt, die bei den bis dahin bekannten Einrichtungen aufgetreten sind. Es ist jedoch verhältnismäßig schwierig, ZnO-Schichten hoher Qualität auf geschmolzener Kieselerde abzulagern und daher ist es wünschenswert, die Probleme hinsichtlich des Temperaturkoeffizienten auf eine weniger kostspielige Art zu lösen.

Die Veröffentlichung »Applied Physics Letters«, Vol. 19, No.8. (15. Oktober 1971) Seiten 279 und 280 befaßt sich mit dem Problem, den elektromechanischen Kopplungsfaktor von Wandlern bei Einrichtungen nach dem Oberfläehenwellenprinzip zu verSrssern. Dies ge-

^o schieht dadurch daß eine Sili/.iumdioxv^schicht auf die am Trägerkörper vorgesehene Interdigitaistruktur des Wandlers aufgebracht wird. Der Trägerkörper besteht dabei aus einem Liihiumniobatkristall mit V-Z-Schnitt. Diese Veröffentlichung bietet dem einschlägigen Fachmann jedoch keinen Weg zur Überwindung der Schwierigkeit, der man sich beim Entwurf der in der obengenannten US-PS 37 86 373 beschriebenen Verzögerungsvorrichtung gegenübersah und die darin bestand, daß man bei einer Verzögerungseinrichtung nach dem Oberflächenwellenprinzip entweder einen niedrigen elektromechanischen Kopplungsfaktor der Wandler in Kauf nehmen mußte, wenn die Einrichtung eine niedrige Temperaturdrift besitzen sollte oder eine größere Temperaturabhängigkeit, wenn der Werkstoff einen größeren Kopplungsfaktor der Wandler aufweisen sollte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung auf der Basis der akustischen Oberf!ächenwellen mit einem zur Übertragung der akustischen Oberflächenwellen dienenden Trägerkörper aus piezoelektrischeri Material so auszubilden, daß der Temperaturkoeffizient der Laufzeit möglichst nahe bei Null liegt, und daß gleichzeitig ein hoher elektromechanischer Kopplungsfaktor der auf dem piezoelektrischen Trägerkörper aufgebrachten Wandler erzielt werden soll, um die Einrichtung auch für solche Anwendungsfälle geeignet zu machen, in denen ein breitbandiges Frequenzverhalten gefordert wird. Der Temperaturkoeffizient erster Ordnung soll vorzugsweise gleich Null sein und der Temperaturkoeffizient der Laufzeit soll insgesamt so niedrig sein, daß im FaI! der Ausbildung der Einrichtung als Verzögerungseinrichtung, Filter oder als frequenzbestim-nender Bestandteil eines Oszillators besondere Temperaturstabilisierungsmaßnahmen nicht erforderlich sind.

Ausgehend von einer Einrichtung auf der Basis der akustischen Oberflächenwelien mit einem zur Übertragung der akustischen Obcri'ächcnwcHen dienenden Trägerkörper aus piezoelektrischem Material, auf den zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Laufzeit eine Schicht aus nichtleitendem Material aufgebracht ist. wird die vorstehend beschriebene Aufgabe dadurch gelöst, daß bei Verwendung von Lithiumtantalat oder Lithiumniobnt als piezoelektrisches Material des Trägerkörpers die Schicht aus nichtleitendem Material in an sich bekannter Weise aus Siliziumdioxid besteht und die Dicke dieser Schicht so gewählt ist, daß der Temperaturkoeffizient der Laufzeit innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liest.

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Die Einrichtung kann so ausgelegt sein, daß der Temperaturkoeffizient erster Ordnung des Trägerkörpers durch einen gleich grollen jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen versehenen Temperaturkoeffizienten erster Ordnung für die Siliziiimdioxidschicht kompensiert wird, so daß der resultierende Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Verzögerung einen Minimalwert bzw. den Wert Null besitzt. Zur Einkopplung oder Auskopplung der Oberflächenwellen in den bzw. aus dem Trägerkörper sind jeweils ein oder mehrere Wandler vorgesehen.

Falls der Trägerkörper aus Lithiumtuntalat besteht, wird die Siliziumdioxidschicht vorzugsweise gleichförmig mit einer Schichtdicke aufgebracht, die etwa der halben Wellenlänge der Obcrflächenwellcn gleich ist. Falls der Triigerkörper hingegen aus Uthiumniobat besteht, ist die Dicke der Sili/iunidioxidschicht vorzugsweise iiniiM-srhiodlii-h. um die Umwandlung der Obcrflächenwellcn in Körperschwingungen und die damit verbundenen hohen Einfügungsdäntpfungswerte zu verhindern. In einer Verzögerungseinrichtung, welche jeweils Wandler an jedem Ende aufweist, hat die Siliziumdioxidschicht im Bereich der Wandler, die von der Schicht überdeckt werden, vorzugsweise eine Starke von etwa dem 0,1 fachen der Wellenlänge der Oberflächen wellen. Der mittlere Teil der Siliziumdioxidschicht besitzt eine Stärke von etwa dem OJfachen der Wellenlänge der Oberflächenwellen und nimmt von diesem Bereich in der Stärke ab. um in die dünneren Schichtbereiche überzugehen. Der mittlere Teil nimmt etwa 55% des linearen Abstandes zwischen den Wandlern ein.

Als Verzögerungseinrichtungen ausgebildete Einrichtungen nach der Erfindung finden vorteilhafterweise in Radaranlagen und Nachrichtenübertragungsanlagen Verwendung. Bei der Anwendung als dispersive Verzögerungsleitung in Radaranlagen mit Impulskompression wird die Einrichtung mit schräggestellten Wandlern versehen. Für solche Wandler ist neben der Schrägstellung bekanntlich charakteristisch, daß der Abstand zwischen den Leiterfingern und deren Länge sich entlang dem Wandler ändert, damit die vorgeschriebene Frequenzabhängigkeit der Laufzeit erreicht wird.

Bei der Ausgestaltung der Einrichtung nach der Erfindung als umschaltbarer frequenzbestimmender Bestandteil eines Oszillators oder eines Filters mit stufenweise veränderbarer Bandmittenfrequenz ist eine Vielzahl von Wandlern vorgesehen, welche in bestimmten gegenseitigen Abständen entlang der Übertragungsbahn für die Oberflächenwellen auf dem Trägerkörper angeordnet sind. Die an den Enden der Übertragungsbahn befindlichen Wandler sind mit Reaktanzen abgeschlossen, die dem Betrag nach dem Imaginärteil der Wandler-Eingangsimpedanz gleich sind, aber entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen, wodurch sie reflektierend wirken. Die Wandler entlang der Übertragungsbahn sind jeweils durch Schalter mit der Eingangs- bzw. Ausgangsschaltung verbindbar, so daß nur Signale mit der durch die Schalter wählbaren Bandmittenfrequenz von der Eingangs- auf die Ausgangsschaltung übertragen werden.

Die als Verzögerungseinrichtung bemessene Einrichtung nach der Erfindung läßt sich auch ohne weiteres als angezapfte Verzögerungsleitung ausbilden, wobei Signale von einer Anzahl von Punkten längs des piezoelektrischen Trägerkörpers durch Wandler abgenommen werden und nach geeigneten Signalverarbeitungsvorgängen und entsprechender Gewichtung jeweils wieder einander überlasen werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Einrichtung gemäß der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung gemäß der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, auf die hiermit zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich verwiesen wird.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar

F i g. I eine teilweise im Schnitt gezeichnete perspektivische Ansicht einer als Verzögerungseinrichtung dienenden Einrichtung nach der Erfindung auf der Basis der akustischen Oberflächenwellen

Fig. 2 einen Schnitt durch die Einrichtung gemäß Fig. I entsprechend der in Fig. 1 angedeuteten Schnittebene 2-2,

π F i g. 3 einen Schnitt durch eine die Übertragung akustischer Oberflächenwellen ausnützenden Einrichtung, deren Trägerkörper aus Lithiumniobat besteht,

Fig. 4 eine graphische Darstellung, in welcher der Temperaturkoeffizient der Verzögerung über dem

>o Wert hk für einen Trägerkörper aus Lithiumtantalat aufgetragen ist,

Fig. 5 eine graphische Darstellung, in welcher der Temperaturkoeffizient der Verzögerung über dem Wert hk für einen Trägerkörper aus Lithiumniobat aufgezeichnet ist,

F i g. 6 eine graphische Darstellung, in welcher die Frequenzänderung über der Temperatur für eine Einrichtung mit einem Lithiumtantalatträgerkörper aufgetragen ist,

jo F i g. 7 eine graphische Darstellung, in welcher die Ausgangsfrequenz über der Temperatur für eine Einrichtung gemäß Fig. 3 aufgetragen ist. welche im Mitkopplungspfad eines Oszillators eingefügt ist,
F i g. 8 eine graphische Darstellung, in welcher der elektromechanische Kopplungsfaktor k² über dem Wert hk für eine Einrichtung mit einem Lithiumtantalatträgerkörper aufgezeichnet ist.

Fi g. 9 eine Aufsicht, teilweise aufgeschnitten, von einer als dispersive Verzögerungsleitung dienenden Einrichtung mit schräggestellten Wandlern,

Fig. 10 ein Blockschaltbild einer Impulskompression anwendenden Radaranlage mit einer Verzögerungseinrichtung gemäß F i g. 9.

Fig. Il eine teilweise aufgeschnitten gezeichnete Aufsicht eines die Ausbreitung akustischer Oberflächenwcllen benutzenden Filters mit wählbaren Bandmittenfrequenzen des Durchlaßbereiches,

Fig. 12 ein Blockschaltbild einer Oszillatorschaltung, in welcher eine Einrichtung mit den Eigenschaften gemaß F ig. 8 Verwendung findet und

Fig. 13 ein Blockschaltbild eines Teiles eines Nachrichtenübertragungssystems mit einer als mehrfach angezapfte Verzögerungsleitung ausgebildeten Einrichtung nach der Erfindung.

In F i g. 1 ist teilweise aufgeschnitten eine perspektivische Darstellung einer als Verzögerungsleitung dienenden Einrichtung 10 gezeigt, in welcher die Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen ausgenützt wird und welche die vorstehend kurz umrissenen Merkmale aufweist. Die Basis der Einrichtung bildet ein Trägerkörper 16 aus piezoelektrischem Material, auf welchem die Verzögerungseinrichtung aufgebaut ist. Die Dicke des Trägerkörpers 16 beträgt vorzugsweise ein Vielfaches der Wellenlänge der akustischen Wellen, welche sich

b5 über die Oberfläche hin ausbreiten. Signale, welche von einer Eingangssignalquelle 12 bereitgestellt werden, erfahren durch einen Eingangswandler 20 eine Umwandlung ven der elektrischen in die mechanische Form und

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werden als akustische Oberflächenwellen eingespeist, die sich längs der Oberfläche des Trägerkörpers 16 in Richtung auf einen Ausgangswandler 22 hin ausbreiten. Sowohl der Eingangswandler 20 als auch der Ausgangswandler 22 werden durch ineinandergreifende Leiterfinger gebildet, deren Länge und deren gegenseitiger Abstund ·;οη der Frequenz und der Bandbreite der F.ingangssignalc abhängig sind. Die Wandler 20 und 22 sind somit als Interdigitalwandler ausgebildet.

Als piezoelektrisches Material für die Hf «teilung des Trägerkörpers 16 wird ein Lithiumniobatkristall mit KZ-Schnitt oder Lithiumtantalatkristall mit YZ-Schnitt verwendet. Diese Werkstoffe ermöglichen bekanntlich die Verwirklichung von Interdigitalwandlern für Oberflächenwellen mit außerordentlich günstigen elektromechanischen Kopplungsfaktoren. Lithiumniobat und Lithiumtantalat eignen sich auch deswegen besonders pul. weil ihrp ynko?nⁿ?ns!crten Temⁿer2t!irkoeii!zisnten der Verzögerung etwas unter den Werten für die meisten piezoelektrischen Materialien liegen, die bisher für die Herstellung von Verzögerungseinrichtungen auf der Basis der akustischen Oberflächenwellen verwendet wurden.

Auf der Oberfläche des Trägerkörpers 16 ist eine Siliziumdioxidschicht 14 abgelagert, welche sowohl mit der Oberfläche des Trägerkörpers als auch mit den Eingangs- und Ausgangswandlern 20 bzw. 22 in Berührung steht. Lithiumniobat. Lithiumtantalat und die übrigen, in der Einrichtung verwendeten, nichtpiezoelektrischen Werkstoffe besitzen einen positiven Temperaturkoeffizienten erster Ordnung der Verzögerung, während der Temperaturkoeffizient für Siliziumdioxid negativ ist. Die Dicke der Siliziumdioxidschicht 14 im Verhältnis zur Wellenlänge der über die Oberfläche des Trägerkörpers 16 sich ausbreitenden akustischen Wellen bestimmt die resultierende Wirkung der Siliziumdioxidschicht 14 auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen. Es hat sich herausgestellt, daß durch sorgfältige Wahl der Dicke der Siliziumdioxidschicht 14 in bezug auf die Wellenlänge der Oberflächenwellen der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Verzögerung der Einrichtung praktisch zu Null gemacht werden kann. Wird als Trägerkörper Lithiumtantalat verwendet, so hat aus den nachfolgend angegebenen Gründen die Siliziumdioxidschicht 14 vorzugsweise eine gleichförmige Stärke, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Im Falle eines Trägerkörpers aus Lithiumniobat ist die Siliziumdioxidschicht 14 vorzugsweise ungleichförmig dick.

In den F i g. 4 und 5 sind für die in den F i g. 2 bzw. 3 gezeigten Einrichtungen experimentell gewonnene Kurven aufgezeichnet, welche den Verlauf des Temperaturkoeffizienten der Verzögerung abhängig von dem Wert hk angeben, wobei Λ die Filmdicke der Siiiziumdioxidschicht bedeutet, während

"³T

ist, worin mit Λ die Wellenlänge der Oberflächenwellen bezeichnet ist Für eine Einrichtung mit einem Lithiumtantalatträgerkörper ist der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Verzögerung gleich Null, wenn hk etwa drei beträgt Für eine Einrichtung mit einem Lithiumniobatträgerkörper nimmt der Temperaturkoeffizient der Verzögerung den Wert Null an, wenn hk etwa 2,3 beträgt Im Falle des Trägerkörpers aus Lithiumtantalat führt also eine Siliziumdioxidschicht in einer Stärke von etwa

-υ % o,5A
In

'> zu einem Tcnipcraiurkocffizicntcn erster Ordnung der Verzögcrungs/cil von Null. Wird der Trägerkörper der Einrichtung aus Lilhiiimniobai hergestellt, so /eigen Versuche, daß bei einer Sili/iumdioxid.schicht konstanter Dicke ein großer Teil der Energie der angeregten

ίο Oberflächenwellen in die inneren Bereiche des Trägerkörpers abwandert und als Volumenwellen innerhalb des Trägerkörpers auftritt, so daß ein großer Teil der angeregten Oberflächenwellenenergie nicht zum interdigitalen Ausgangswandler gelangen kann. Diese Schwierigkeit kann beseitigt werden und ein großer Teil der Oberflächenwellenenergie kann erhalten bleiben, wenn die Siliziumdioxidschicht in solcher Weise abgelagert wird, daß sie eine ungleichförmige Dicke besitzt. Bei der bevorzugten Ausführungsform einer Einrichtung mit Lithiumniobatträgerkörper gemäß Fig. 3 besitzt der mittlere Bereich 36 der Siliziumdioxidschicht eine Stärke von annähernd dem 0,7fachen der Wellenlänge der Oberflächenwellen und nimmt etwa 55% des Abstandes zwischen dem Eingangswandler und dem Ausgangswandler längs der Oberfläche des Trägerkörpers 30 ein. Die Teile 32 und 34 der Siliziumdioxidschicht, welche über dem Eingangswandler und dem Ausgangswandler liegen, haben vorzugsweise eine Dikke entsprechend dem 0,1 fachen der Wellenlänge der Oberflächenwellen. Die Enden oder Ränder des Mittelbereiches 36 der Siliziumdioxidschicht sind abgeschrägt, so daß sie in die Bereiche oder Schichtteile 32 bzw. 34 verlaufend übergehen.

Um bei Einrichtungen nach der Erfindung sich durch Messungen davon zu überzeugen, ob ein niedriger Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit erzielt worden ist. empfiehlt es sich zur Überprüfung der erreichten Ergebnisse die Einrichtungen nach den Fig. 2 und 3 in bekannter Weise in den Mitkopplungspfad von Oszillatoren einzufügen. In einer derartigen Schaltung macht sich jede Änderung der Verzögerungszeit der Einrichtung in der Ausgangsfrequenz der Oszillatorschaltung bemerkbar. Die Ergebnisse sind in den F i g. 6 und 7 für Lithiumtantalat bzw. Lithiumniobat als Trägerkörper dargestellt, wobei in jedem Falle die Wellenlänge der Oberflächenwellen 10, 16 Mikron beträgt. Für eine Einrichtung mit Lithiumtantalatträgerkörper verläuft die Frequenzänderung abhängig von der Temperatur im Diagramm nahezu horizontal und die Änderung beträgt

so über den gesamten Temperaturbereich von — 20⁰C bis + 70"C weniger als 20 · 10-^J Promille oder weniger als I ■ >0~^J Promillc/°C. Für ein Gerät mit Lithiumniobatträgerkörper ist die tatsächliche Frequenz über der Temperatur zusammen mit einer Angabe der proportio-

nalen Änderung aulgetragen, wobei der Verlauf für einen Bereich von — 20⁰C bis +25° C im Diagramm nahezu horizontal ist und die Änderung nur etwa 1 ■ 10-³ Promille je ⁰C beträgt. Diese Temperaturkoeffizienten sind ganz bedeutend niedriger als die von nicht kompensierten Lithiumtantalatirägerkörpern und Lithiumniobatträgerkörpern, welche Koeffizienten von 35 · ΙΟ-³ Promille/°C bzw. 90 · 10-3 p_romille/°C aufweisen.

Zumindest im Falle der Einrichtung mit Lithiutntantalatträgerkörper wird durch die zusätzlich vorgesehene Siliziumdioxid-Temperaturkompensationsschicht auch der elektromechanische Kopplungsfaktor k² verbessert. F i g. 8 zeigt eine graphische Darstellung, in wel-

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ίο

eher der Kopplungsfaktor k ² über dem Wert hk aufgetragen ist. Aus der graphischen Darstellung ist zu ersehen, daß in dem Bereich praktischer Werte von hk der Kopplungsfaktor k² sich von einem Wert von etwa 0,7% für eine Anordnung ohne Siliziumdioxidschicht bis zu einem Wert von 1,2% für hk = 3 vergrößert. Auch der Kopplungsfaktor der Wandler einer Einrichtung nach der Erfindung mit Lithiumniobatträgerkörper ist — wie aufgrund der Abhandlung in der Zeitschrift »Applied Physics Letters« Vol. 19, No. 8 (15. Oktober 1971) Seiten 279 und 280 erwartet werden kann — vergleichsweise hoch und wurde experimentell zu mindestens 5,4% bestimmt.

F i g. 9 zeigt eine nach den Lehren der Erfindung verwirklichte Verzögerungseinrichtung 40. welche als lineare dispersive Verzögerungsleitung ausgebildet ist. Die Eingangs- und Ausgangswandler 44 bzw. 46 sind mit Bezug auf die Mittellinie der Einrichtung symmetrisch schräggestellt. Die Leiterfinger am unteren Ende mit Bezug auf die in der Zeichnung dargestellten Lage haben größeren Abstand voneinander als die Leiterfinger am oberen Ende der Wandlerelemente. Die Leiterfinger mit dem größeren gegenseitigen Abstand sprechen auf die tieferen Frequenzen an und die Leiterfinger mit dem geringeren gegenseitigen Abstand erfahren eine Anregung durch höhere Frequenzen. Aufgrund dieser geometrischen Anordnung haben die Oberflächenwellen mit den niedrigeren Frequenzen einen kürzeren Ausbreitungsweg vom Eingangs- zum Ausgangswandler turänderungen -vürde eine Verschiebung der verschiedenen Komponenten des Ausgangssignales mit sich bringen.
Bei vielen Radaranlagen, etwa bei der in F i g. 10 vereinfacht dargestellten Anlage, wird die Geschwindigkeit eines Zielobjektes unter Auswertung des Dopplereffektes bestimmt, welcher eine Frequenzverschiebung der Echosignale gegenüber der Frequenz oder dem Frequenzspektrum der Sendesignale verursacht. Änderungen des Frequenzspektrums der Eingangswellen aufgrund von Temperaturänderungen treten in der Radaranlage als Fehler der gemessenen Geschwindigkeit des Zielobjektes in Erscheinung. Ein hoher Grad von Frequenzstabilität in bezug auf Temperaturänderungen.

wie sie bei Einrichtungen nach der Erfindung erreicht wird, schaltet die vorstehend genannten Fehler weit£,> hend aus.

Die mit der linear dispersiven Verzögerungsleitung 40 erzeugten Ausgangssignaie werden von der in Fig. 10 dargestellten Radar-Sende- und Empfangseinheit 56 ausgesendet, an Zielobjekten reflektiert, wieder empfangen und dann einer Impulskompressionseinheit 60 zugeführt, um wieder in die schmale, aber hohe Amplitude aufweisende Impulsform zurückverwandelt zu werden. Die Impulskompressionseinrichtung 60 kann entsprechend aufgebaut sein, wie die linear dispersive Verzögerungsleitung 40, doch liegen die Leiterfinger mit dem geringsten gegenseitigen Abstand hier am unteren Ende der Wandler und die Leiterfinger mit dem

und werden daher weniger verzögert als Wellen höhe- 30 größten gegenseitigen Abstand liegen am oberen Ende

rer Frequenz. Diese Wirkung auf Signale, welche vom Eingangswandler zum Ausgangswandler übertragen werden, wird bekanntlich als dispersivcs Verzögerungsverhalten bezeichnet. Die Mittelachse jedes Wandlers kann auch nichtlinear ausgebildet sein, so daß sich ein nichtlineares dispersives Verzögerungsverhalten ergibt, wenn dies gewünscht wird.

Über dem Eingangswandler 44 und dem Ausgangswandler 46 sowie über den zwischen diesen Wandlern der Wandler. Die rekonstruierten Impulse werden dann in ein Sichtgerät eingespeist, um von einer Bedienungsperson beobachtet und ausgewertet zu werden.

Fig. 11 zeigt eine Einrichtung nach der Erfindung, die j5 als Filter nach dem Oberflächenprinzip ausgebildet ist. Filter mit dieser Wirkungsweise sind in der US-PatentschrSii 38 31 ! ί δ beschrieben. An jedem Ende des piezoelektrischen Trägerkörpers 74 sind Wandler 80 und 82 vorgesehen, die jeweils mit Reaktanzen abgeschlossen

liegenden Oberflächenbereichen des Trägerkörpers 50 40 sind, die dem Betrag nach dem Imaginärteil der Wand

liegt eine Siliziumdioxidschicht 52. Die Dicke dieser Siliziumdioxidschicht ist so gewählt, daß die Einrichtung insgesamt einen Temperaiurkoeffizienten erster Ordnung der Verzögerung von Null besitzt oder einen minimalen Gesamuemperaturkoeffizienten aufweist.

Eine hohe Temperaturstabilität ist bei linear dispersiven Verzögerungsleitungen notwendig, die in Anordnungen zur Impulskompression und zur Impulsdehnung verwendet werden, etwa in Radaranlagen gemäß dem vereinfachten Blockschaltbild nach Fig. 10. Die linear dispersive Verzögerungsleitung 40, etwa die in Fig.9 gezeigte Einrichtung, wird durch einen durch den Impulsgenerator 50 erzeugten Impuls angeregt. Dieser Impuls, welcher sich in gleicher Weise sämtlichen Leiterringern des Eingangswandlers mitteilt, bewirkt, daß an den Ausgangsanschlüssen des Ausgangswandlers Ausgangssignale zu Zeiten auftreten, welche von der Verzögerungszeit abhängig ist, die zwischen den verschiedenen Teilen des Eingangswandlers 44 und des Alisgangswandlers 46 jeweils eingeführt wird. Nachdem die Fouriertransformation eines Inipulsverlaufes ein flaches Frequenzspektrum ist, erscheint das Ausgangssignal mit einer Frequenz, die sich sinusförmig ändert, wobei die Anfangsfrequenz und die Endfrequenz durch den maximalen Abstand der Leiterfinger bzw. dem minimalen Abstand der Leiterfinger des Eingangs- und Ausgangswandlerelementes bestimmt sind. Eine Änderung der Verzögerungszeiten aufgrund von Temperaler-Eingangsimpedanz gleich sind, aber entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen, wodurch sie Oberfläehenwellen reflektieren, welche dort auftreffen. Die Eingangswandler 86 sind mittels äußerer Schalter 88 wahlweise mit einer Eingangsschaltung 90 verbindbar. Ein Ausgangswandler 84, welcher etwa in der Mitte der Einrichtung liegt, ist mit einer Ausgangsschaltung 92 gekoppelt. Wie in der oben angeführten Patentschrift ausgeführt ist, wird die Frequenz der Signale, welche zwischen der Eingangsschaltung und der Ausgangsschaltung übertragen werden, durch den Abstand zwischen den Wandlern, die Länge der Leiterfinger der Wandler und durch die Auswahl der Wandler bestimmt, die mit der Eingangsschaltung gekoppelt werden. Eingang und Ausgang der Schaltung können vertauscht werden, wobei das Übertragungsverhalten der Einrichtung unverändert bleibt.

Ein umschaltbares Filter gemäß F i g. 11 ist in der Oszillatorschaltung nach Fig. 12 anwendbar, deren Ausgangsfrequenz wahlweise auf verschiedenen Werten einstellbar ist. Das iimschaltbare Riter 70 und der Frequenzwählschalter 88 sind in einer Mitkopplungssehlcife mit dem Oszillatorverstärker 94 und dem Bandpaßfilter 98 vorgesehen. Der Verstärkungsfaktor des Oszillatorverstärkers 94 ist so hoch gewählt, daß die Anordnung schwingt Das Bandpaßfilter 98 beseitigt unerwünschte Komponenten in der Ausgang<;schwingung. Der Pufferverstärker 96 dient zur Erzielung der erfor-

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ierlichen Rückwirkungsfreiheit und verstärkt das letztlich abgegebene Ausgangssignal. Frequenzumschaltba- t Oszillatoren dieser Art eignen sich zur Verwendung bei Funkanlagen mit zwei Übertragungsrichtungen, wobei es vorteilhaft ist, rasch von einer Betriebsfrequenz zur anderen umschalten zu können. Für Funkanlagen dieser Art werden aufgrund der gesetzlichen Bestimmungen hohe Anforderungen an die Frequenzstabilität gestellt. Durch Verwendung einer Einrichtung nach den Lehren der Erfindung mit einer Siliziumdioxidschicht 72, welche über dem Trägerkörper 74 und den Wandlern 80, 82, 84 und 86 angeordnet ist, wobei die Dicke der Siliziumdioxidschicht 72 so gewählt ist, daß der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Verzögerung zu Null wird, können die Forderungen hinsichtlich Frequenzstabilität bei solchen Oszillatoren eingehalten werden.

Als frequenzbestimmender Bestandteil von Oszillatoren können auch verschiedene andere Ausführungsformen von Einrichtungen nach der Erfindung dienen. Bei einer solchen Einrichtung ist ein Trägerkörper aus piezoelektrischem Material vorgesehen, bei welchem an einander gegenüberliegenden Enden einer Oberfläche des Trägerkörpers Eingangs- und Ausgangswandler angeordnet sind. Zwischen den Wandlern befinden sich zwei Gruppen von Gittermustern, welche durch Einätzen von Rillen in den Trägerkörper senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der über die Oberfläche laufenden Wellen gebildet sind. Die Rillen jeder Gruppe von Gittermustern haben einen Abstand von einer halben Wellenlänge bei der Oszillatorfrequenz und in der Mitte zwischen den beiden Wandlern ist ein Raum von einem Viertel der Wellenlänge der Oberflächenwellen freigelassen. Ober den Wandlern den Gittermustern und der Oberfläche des piezoelektrischen Trägerkörpers ist in der hier vorgeschlagenen Weise eine Siliziumdioxidschicht abgelagert. Der Eingangswandler ist mit dem Ausgang eines Verstärkers verbunden, während der Ausgangswandler an den Eingang dieses Verstärkers angeschlossen ist, so daß eine Mitkopplungsschleife entsteht. Wenn die Verstärkung des Verstärkers zur Selbsterregung ausreicht, so bilden sich stehende Wellen in jeder Gruppe von Gittermustern, wobei eine akustische Kopplung zwischen den Gittcrmuslcrn und den Wandlern auftritt. Bei entsprechender Wahl der Dicke der Siliziumdioxidschicht ist die in dieser Weise aufgebaute Oszillatorschaltung außerordentlich temperaturstabil. Viele Oszillatoren, welche bisher in ein Gehäuse mit konstanter Temperatur untergebracht werden mußten, können nun ohne ein solches Gehäuse betrieben werden.

F i g. 13 zeigt die Ausgestaltung der Einrichtung nach der Erfindung als angezapfte Verzögerungsleitung 102, wie sie in Signalverarbeitungsschaltungen für Nachrichtenübertragungssysteme als Transversalfilter oder als Transversalentzerrer Verwendung findet Die angezapfte Verzögerungsleitung weist einen einzigen Eingangswandler an dem einen Ende eines piezoelektrischen Trägerkörpers auf, welcher über seine Länge hin eine Reihe von Wandlern zur Verwirklichung der Anzapfungen trägt, welche im passenden Abstond voneinander vorgesehen sind. Am Ausgang der Verzögerungsleitung 102 befindet sich ein Wandler der mit der äußeren Belastung 108 verbunden ist, die den Wandler mit Widerstandsanpassung abschließt, so daß dieser Wandler die ganze Oberflächenwellenenergie absorbiert, welche das Ende der Verzögerungsleitung erreicht, wodurch Reflexionen zum Eingang der Einrichtung hin vermieden werden. Bei der Schaltung gemäß Fig. 13 sind die Anzapfungen jeweils mit Bewertungswiderständen 104 verbunden, deren AusgangsanschlUsse mit einer Summationsschaltung 106 verbunden sind. Bei Schaltungsanordnungen dieser Art für Signaiverarbeitungs- und Nachrichtenübertragungssysteme muß die Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen an allen Anzapfungen außerordentlich genau konstant gehalten werden. Verschiebungen oder Änderungen der

ίο Phasenunterschiede zwischen den Anzapfungen machen die Einrichtung unbrauchbar. Durch eine nach den Lehren der Erfindung entworfene Einrichtung wird ein hoher Grad der Stabilität der Verzögerungszeiten in bezug auf die Temperatur erreicht, wie dies bei Signal-Verarbeitungseinrichtungen in Nachrichtenübertragungssystemen moderner Bauart gefordert wird.

Einrichtungen nach der Erfindung lassen sich in der Weise herstellen, daß zunächst die Interdigitalwandler auf einem piezoelektrischen Trägerkörper aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat abgelagert werden, was in bekannter Weise nach photolithographischen Verfahren geschehen kann. Vorzugsweise verwendet man als Werkstoff für die Wandler Aluminium. Danach wird über dem Trägerkörper und den Wandlern die Siliziumdioxidschicht aufgebracht. Es hat sich gezeigt, daß dieses Ablagern der Siliziumdioxidschicht zweckmäßig durch Hochfrequenzsputtern (Glimmlichtentladungsbeschichtung im Hochfrequenzfeld) von einer Auftreffelektrode aus geschmolzener Kieselerde bei einer Temperatur von etwa 150^cC mit einer Geschwindigkeit zwischen 200 nm/h und 1000 nm/h in reiner Sauerstoffumgebung durchgeführt wird.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

26 OO 10 15 Patentansprüche:

1. Einrichtung auf der Basis der akustischen Oberflächenwellen mit einem zur Übertragung der akustischen OberflächenweUen dienenden Trägerkörper aus piezoelektrischem Material, auf den zur (Compensation des Temperaturkoeffizienten der Laufzeit eine Schicht aus nichtleitendem Material aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Lithiumtantalat oder Lithiumniobat als piezoelektrisches Material des Trägerkörpers (16,30,50,74) die Schicht (14; 32,34,36; 52; 72) aus nichtleitendem Material in an sich bekannter Weise aus Siliziumdioxid besteht und die Dicke dieser Schicht so gewählt ist, daß der Temperaturkoeffizient der Laufzeit innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, i&B sie durch einen die vorgeschriebene Verzögerungszeit ergebenden Abstand zwischen dem Eingangswandler (20; 44) und dem Ausgangswandler (22; 46) als Verzögerungsleitung dient.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei Verwendung von Lithiumniobat als Trägerkörper (JO) die Stärke der Siliziumdioxidschicht (32,34,36) über die Oberfläche des Trägerkörpers (30) hin ändert.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Lithiumtantalat als Trägerkörper (16, 50, 74) die Stärke der Siliziumdioxidschichi (14, 52-, 72) über die Oberfläche des Trägerkörpers (IS, 50,74) hin gleich bleibt.

5. Einrichtung nach einem ,.ier Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (20, 22; 44, 46; 80, 82, 86) auf der die Siliziumdioxidschicht tragenden Oberfläche des Trägerkörpers aufgebracht sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Siliziumdioxidschicht (14; 32, 34, 36; 52; 72) so gewählt ist. daß der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Laufzeit bzw. Verzögerungszeit im wesentlichen gleich Null ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumdioxidschicht (14; 32, 34, 36: 52; 72) auch die Wandler (20, 22; 44, 46; 80,82,86) überdeckt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Siliziumdioxidschicht (14; 52; 72) etwa der halben Wellenlänge der OberflächenweUen entspricht.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein bestimmter Bereich (36) der Siliziumdioxidschicht größere Dicke als daran angrenzende Bereiche (32, 43) bzw. als die die Wandler überdeckenden Bereiche besitzt.

!0. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der eine größere Dicke aufweisende Bereich (36) der Siliziumdioxidschicht etwa 55% der t>o Länge des Trägerkörpers (30) überdeckt.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der die Wandler überdeckenden Bereiche (32, 34) der Siliziumdioxidschicht etwa Vio der Wellenlänge der Oberflächen- b5 wellen beträgt, während die Dicke des die größere Stärke aufweisenden Bereiches (36) etwa ⁷A₀ der Wellenlänge der OberflächenweUen mißt.

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