DE2731032A1

DE2731032A1 - Mit elastischen oberflaechenwellen arbeitender oszillator

Info

Publication number: DE2731032A1
Application number: DE19772731032
Authority: DE
Inventors: Pierre Hartemann
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-07-09
Filing date: 1977-07-08
Publication date: 1978-01-19
Also published as: FR2358051A1; JPS5330854A; GB1590393A; PL199504A1; US4129837A; CA1078933A; FR2358051B1; PL112388B1

Description

Mit elastischen Oberflächenwellen arbeitender Oszillator

Die Erfindung betrifft elektrische Oszillatoren, die einen aktiven Dreipol oder einen aktiven Vierpol aufweisendem eine Rückkopplungsschleife zugeordnet ist, die aus einer mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden übertragungseinrichtung besteht. Die Schwingungsfrequenz wird durch die Rückkopplungsschleife festgelegt, welche als schmalbandiges Bandpaßfilter benutzt wird. Zur Erzeugung einer Wechselspannung, die frei von Verzerrungen ist und deren Schwingungsfrequenz besonders stabil ist, muß man dem Verlauf der übertragungsfunktion der Rückkopplungsschleife,

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den Renndaten des Ausbreitungsmediums der elastischen Oberflächenwellen, der Art der Entnahme der elektrischen Energie, den Störreflexionen und unerwünschten Effekten aufgrund der kapazitiven Kopplung oder der Strahlung durch Volumenwellen größte Beachtung schenken.

Wegen der mit der Herstellung verknüpften Vorteile besteht die gegewärtig aktuellste Lösung darin, elektromechanische Wandler in Form von Elektroden aus interdigital angeordneten Kämmen herzustellen. Es sind mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Oszillatoren bekannt, bei welchen ein einfacher Austausch von Schwingungsenergie zwischen zwei Wandlerkämmen benutzt wird, bei welchen aber die Reinheit der gewonnenen Schwingung und die Frequenzstabilität zu wünschen übrig lassen.

Die Erfindung schafft einen mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Oszillator,mit elektrischen Verstärkungseinrichtungen, die mit einer RUckkopplungsschleife versehen sind, welche aus ersten und zweiten Wandlern aus an der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats interdigital angeordneten Kämmen besteht, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die elektrische Energie an den Klemmen eines Wandlergitters aus an der Oberfläche interdigital angeordneten Kämmen verfügbar ist, um einen Bruchteil der durch den zweiten Wandler ausgesandten Schwingungsenergie zu entnehmen, während der übrige Teil der Schwingungsenergie in Richtung des ersten Wandlers ausgesandt wird, um Schwingungen mit einer vorbestimmten Frequenz aufrechtzuerhalten.

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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Oszillator nach der Erfindung,

und

die Fig. 2 und 3 Erläuterungsdiagramme.

Fig. 1 zeigt einen mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Oszillator, der elektrische Verstärkungseinrichtungen 16 enthält, deren Ausgangs- und Eingangsklemmen durch eine Rückkopplungsschleife miteinander verbunden sind, die selektiv ein Schwingungsaufrechterhaltungssignal überträgt, das eine vorbestimmte Frequenz f hat. Zum Herstellen der Rückkopplungsschleife ist beispielsweise ein Plättchen 1 aus einem piezoelektrischen Kristall mit Kristallachsen XYZ gebildet worden. An der Oberfläche 2 des Plättchens 1 sind zwei elektromechanische Wandler angeordnet, die elastische Oberflächenwellen austauschen, welche sich in der Richtung der Achse AA ausbreiten. Der erste elektromechanische Wandler besteht aus einem Niederschlag aus elektrisch leitendem Werkstoff, der in Form von zwei Interdigitalkämmen hergestellt worden ist. Diese Kämme haben als Längssteg die leitenden Streifen 3 und 4 und als Zinken die geradlinigen, parallelen Fäden 6 und 5. In bekannter Anordnung bilden die Zinken 5 und 6 einen Raster oder ein Gitter von Strahlungsintervallen, die zu der StrahLungsrichtung AA rechtwinkelig sind ,und die Teilung des Gitters ist gleich

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einem Viertel der Wellenlänge λ der abgestrahlten Oberflächenwellen. Selbstverständlich ergibt sich die Wellen-

λ aus der bekannten Formel λ - —r— , wobei C die ο or

Phasengeschwindigkeit der elastischen Oberflächenwellen in der Richtung AA ist, die mit der X-Achse einen Winkel θ bildet. Der zweite elektromechanische Wandler hat einen analogen Aufbau, d. h. zwei interdigital angeordnete Kämme, die als Längsstege die leitenden Streifen 10 und 11 und als Zinken die geradlinigen, parallelen Fäden 8 und 9 haben. Zwischen den ersten und den zweiten elektromechanischen Wandler ist eine elektrostatische Abschirmung in Form eines leitenden Streifens 7 eingefügt, der mit der Masse M der elektrischen Verstärkungseinrichtungen 16 verbunden ist.

Mit den vorstehend aufgeführten Elementen kann die Oszillatorschaltung von Fig. 1 zwar schwingen, es muß jedoch noch die Art der Entnahme der Schwingungsenergie angegeben werden. Das elektrische Signal S, das der Oszillator von Fig. 1 liefert, wird nicht an den Ausgangsklemmen der elektrischen Verstärkungseinrichtungen 16 entnommen, denn der Anschluß einer elektrischen Belastung an diese Klemmen kann einen nichtvemachlässigbaren Einfluß auf die Frequenzstabilität des Oszillators haben. Außerdem ist die an den Ausgangsklemmen der elektrischen Verstärkungseinrichtungen erscheinende Schwingung mit harmonischer Verzerrung behaftet. Infolgedessen sieht die Erfindung vor, die Schwingungsenergie mit Hilfe eines Wandlergitters aus interdigital angeordneten Kämmen zu entnehmen, das in der

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Verlängerung der beiden Kammwandler angeordnet ist, die Teil der Rückkopplungsschleife sind. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 enthält das elektromechanische Wandlergitter als nicht als Einschränkung zu verstehendes Beispiel zwei interdigital angeordnete Kämme mit Längsstegen 14 und 15, deren geradlinige Zinken 12 und 13 senkrecht zu der Ausbreitungsachse AA ausgerichtet sind. In einer bevorzugten Ausführung s form sind die Sendekämme 8, 9, 10, 11 durch die Kämme 3, 4, 5, 6 und 12, 13, 14, 15 eingerahmt. Die Verwendung eines Wandlergitters oder -rasters, das außerhalb der Schleife gelegen ist, die für die Aufrechterhaltung der Schwingungen sorgt, gestattet nicht nur die Erzielung einer besseren Frequenzstabilität und einer größeren Reinheit der gelieferten Schwingung, sondern auch die bestmögliche Impedanzanpassung an die äußere elektrische Belastung. Das Wandlergitter, das das elektrische Signal S liefert, kann in einer erdfreien Schaltung liegen und eine Anordnung von Zinken in Parallel-, Reihen- oder Reihenparallelschaltung aufweisen. Darüberhinaus können die Zinken, die dieses Wandlergitter bilden, mit einer Verteilung oder mit einem Schritt λ /8 halbiert werden, wodurch die Reflexionen der elastischen Oberflächenwellen beim Zusammentreffen mit den leitenden Zinken verringert werden können. Um den allgemeinen Aufbau der Einrichtung von Fig. 1 abzuschließen, sei angemerkt, daß der störende Einfluß der Reflexionen der elastischen Oberflächenwellen an den Enden des Plättchens 1 beseitigt werden kann, indem entweder absorbierende Einrichtungen an der Oberfläche 2 vorgesehen werden oder durch Sandstrahlen Streuränder geschaffen werden oder

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die Enden des Plättchens in bezug auf die Achse AA schräg ausgebildet werden. Zur Unterdrückung von parasitären Signalen, die sich aus der Ausbreitung durch Volumenwellen ergeben, ist es vorteilhaft, die Hauptfläche des Plättchens 1, die zu der Oberfläche 2 entgegengesetzt ist, zu sandstrahlen.

Bezüglich der Rückkopplungsschleife ist es vorteilhaft, die Obertragungsverzögefung soweit wie möglich zu verringern, was darauf hinausläuft, daß die aus interdigital angeordneten Kämmen gebildeten Wandler, die sie bilden, einander soweit wie möglich genähert werden. Daraus folgt, daß die kapazitive Kopplung dazu tendiert, zwischen dem Wandler 3,4, 5, 6, und dem Wandler 8, 9, 10, 11 zuzunehmen. Zur Vermeidung dieses Nachteils sieht die Erfindung mehrere Maßnahmen vor. Eine dieser Maßnahmen besteht darin, zwischen die Wandler einen mit der Masse M verbundenen leitenden Streifen 7 einzufügen, um die Streukapazität zwischen den leitenden Kämmen zu verringern, die beiderseits dieser elektrostatischen Abschirmung angeordnet sind Die dem Streifen 7 am nächsten gelegenen Zinken 5 und 8 werden ebenfalls mit der Masse M verbunden, ebenso wie die entsprechenden Längsstege 4 und 11, die nicht in der gegenseitigen Verlängerung liegen.

Eine weitere Maßnahme besteht darin, die Zinkenzahl der Wandler zu reduzieren, ohne dadurch die Selektivität der RUckkopplungsschleife zu verringern. Dieses Verfahren wird anhand von Fig. 1 in Verbindung mit den Erläuterungsdiagrammen von Fig. 2 erläutert. Die beiden Wandler der

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RUckkopplungsschleife sind tatsächlich Reihen von Strahlungsquellenelementen, deren Abstände p. bzw. p_ Vielfache der Wellenlänge λ der elastischen Oberflächenwellen sind. Für eine Reihe von η punktförraigen Quellen mit dem Schritt oder der Teilung ρ kann ein genormter Reihenfaktor F(f) definiert werden, für den folgende Gleichung gilt:

_sin
F (f) -Γ

η . π ρ _£
sin f
c

wobei c die Phasengeschwindigkeit der elastischen Oberflächenwellen und f die Frequenz der sich ausbreitenden Schwingung ist.

Wenn die Teilung ρ der Quellen gleich dem k-fachen der Wellenlänge λ ist, die der Mittenfrequenz f des Strahlungsbandes einer Strahlungsquelle entspricht,kann für die vorhergehende Gleichung geschrieben werden:

F (-	f ν	1	C f	sin	TT	k	r^η ο
ρ -	f ^; O	η	sin	π	k	f_ ο
^k\>	- k.	ο

Die übertragungsfunktion der Rückkopplungsschleife kann in die Form eines Produkts von mehreren Faktoren gebracht werden. Bezüglich der Selektivität sind die beiden bestimmenden Faktoren durch die vorhergehende Gleichung gegeben.

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Die Diagramme von Fig. 2 sind aufgezeichnet worden, indem die Teilung p, auf 7 λ und die Teilung p_ auf 5 λ festgelegt worden ist. Der Frequenzgang der bei (a) dargestellt ist, ist für den Wandler 8, 9, 10, 11 kennzeichnend, während der Frequenzgang, der bei (b) dargestellt ist, sich auf den Wandler 3, 4, 5, 6 bezieht. Der Gesamtfrequenzgang ist bei (c) angegeben und enthält ein einziges, sehr schmales Übertragungsband. Unter der Bedingung, daß die Teilungen p. und p_ gleich k. λ bzw. k_? λ gewählt werden, wobei k. und k„ nicht durcheinander teilbar sind, ist es daher möglich,eine Rückkopplungsschleife zu schaffen, die nur ein einziges, sehr schmales übertragungsband besitzt. Die Verringerung der unerwünschten kapazitiven Kopplung wird noch weiter getrieben, wenn darauf geachtet wird, daß jedes Strahlungsquellenelement durch einen einzigen Zinken 6 oder 9 gebildet wird, der durch zwei Zinken 5 oder 8 eingerahmt ist, die mit der Masse M verbunden sind. Diese besondere Anordnung der Zinken ergibt im Impulserregungsbetrieb eine vollständige Schwingung, die an jedem Quellenelementort ausgesandt wird. Das elektrische Feld wird mit zunehmender Entfernung von den Quellenelementen sehr schnell gedämpft, da die Quellenelemente aus zwei Zweipolen gebildet sind, die fast miteinander vereinigt und in Gegenphase sind. Es sei angemerkt, daß die Maßnahmen, die ergriffen werden, um die kapazitive Kopplung zu begrenzen, außerdem hinsichtlich der Begrenzung der Reflexionen von Vorteil sind, die die elastischen Oberflächenwellen bei dem Zusammentreffen mit den Kammzinken erfahren, da diese weniger zahlreich sind.

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Bezüglich des Ausgangswandlergitters, das sich außerhalb der Rückkopplungsschleife befindet, besteht die Möglichkeit, eine Konfiguration zu benutzten, deren Ausdehnung begrenzt ist, aber ausreicht um die Stärke der Harmonischen 2, 3, 4 und folgende, die die durch den Oszillator erzeugte elastische Oberflächenwelle enthalten kann, wirksam zu verringern.

Vorstehend sind die Maßnahmen angegeben worden, die gestatten, eine reine Ausgangsschwingung zu erzielen, und zwar mit einer Frequenz, die hinsichtlich der Änderungen, die die elektrische Belastung des Oszillators erfahren kann, stabil ist. Die Stabilität der Schwingungsfrequenz gegenüber der Betriebstemperatur wird durch eine geeignete Wahl des Plättchens 1 sichergestellt.

Wenn die geforderte Stabilität mäßig ist, kann das Plättchen 1 aus Lithiumniobat hergestellt werden, denn dieses kristalline Material wird in der Technik der mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Einrichtungen häufig benutzt.

Für Verwendungszwecke, die eine besonders stabile Schwingungsfrequenz erfordern, ist die Verwendung von Quarz angezeigt.

Fig. 3 zeigt Temperaturdriftkurven für den Y-Schnitt von Quarz. Auf der Abszisse ist die Betriebstemperatur T und auf der Ordinate der Relativwert —■=— der beobachteten

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Frequenzabweichung aufgetragen.

Die Kurve 20 hat ein Maximum bei der Temperatur T und weist für den Y-Schnitt von Quarz die Temperaturdrift auf, die sich für einen Winkel θ - 33° ergibt, den die Ausbreitungsrichtung mit der X-Achse (vgl. Fig. 1) bildet. Die Temperatur T beträgt etwa 20 °C und das Glied erster Ordnung der Temperaturdrift ist Null. Das Glied zweiter Ordnung der Temperaturdrift ist 2, d. h. 2-mal kleiner als bei Verwendung des ST-Schnittes von Quarz.

Wenn vorgesehen ist, daß der Oszillator in eine thermostatische Umhüllung eingeschlossen wird, ist es günstig, das Maximum der Wärmedriftkurve in der Temperatur höher zu legen. Der Y-Schnitt von Quarz kann zu diesem Zweck vorteilhaft verwendet werden, wie die Kurve 21 von Fig. zeigt.

Zur Erzielung der durch die Kurve 21 dargestellten Temperaturdriftkennlinie wird ein Quarzplättchen nach dem Y-Schnitt geschnitten und die Oberfläche, an der sich die elastischen Oberflächenwellen ausbreiten, wird einer Behandlung durch Ionenimplantation unterzogen, die oberflächlich die regelmäßige Anordnung der Atome ändert. Beispielsweise kann ein Quarzplättchen, das nach dem Y-Schnitt geschnitten ist, einem Ionenbeschuß mit Hilfe von leichten Heliumatomen ausgesetzt werden. Durch Einstellen des Beschleunigungspotentials auf 95 kV und durch Festsetzen der Dosis auf 1,5 10 He /cm ergibt sich eine ausreichen-

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de Implantation, so daß Oberflächenwellen, die sich unter eirem Winkel θ von 35 gegen die X-Achse ausbreiten, mit einer Schwingungsfrequenz von 107 MHz zu der Driftkurve 21 führen können, die ihr Maximum bei der Temperatur von 80 C hat.

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Leerseite

Claims

PatnntanwäUe

Dipl-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - ^GLeis<273 1 032

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

THOMSON - CSF 8. Juli 1977

173, Bd. Haussmann
75008 Paris / Frankreich

Unser Zeichen: T 2231

PATENTANSPRÜCHE

l/Mit elastischen Oberflächenwellen arbeitender Oszillator, mit elektrischen Verstärkungseinrichtungen, die mit einer Rückkopplungsschleife versehen sind, welche aus einem ersten und einem zweiten Wandler aus an der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats interdigital angeordneten Kämmen besteht, wobei die elektrische Energie an den Klemmen eines dritten Wandlers aus interdigital angeordneten Kämmen zur Verfügung steht, der an der Oberfläche so angeordnet ist, daß ein Bruchteil der durch den zweiten Wandler ausgesandten Schwingungsenergie gewonnen wird, wobei die Zinken der den ersten und den zweiten Wandler bildenden Interdigitalkämme so angeordnet sind, daß sie Reihen von Strahlungsquellenelementen bilden, deren Teilungen gleich dem k.-fachen bzw. k_-fachen der der Schwingungsenergie entsprechenden Wellenlänge sind, und wobei k. und k₂ natürliche ganze Zahlen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte von kj und k₂ fünf bzw. sieben sind.
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein nach dem Y-Schnitt geschnittenes Quarz-

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ORIGINAL INSPECTED

plättchen ist, von welchem eine der Hauptflächen die genannte Oberfläche bildet, und daß die Ausbreitungsrichtung der elastischen Oberflächenwellen mit der X-Achse des Quarzes einen Winkel bildet, der im wesentlichen gleich 33° ist.
3. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein nach dem Y-Schnitt geschnittenes Quarzplättchen ist, von welchem eine der Hauptflächen oberflächlich durch Ionenimplantation modifiziert ist und die genannte Oberfläche bildet und daß die Ausbreitungsrichtung der elastischen Oberflächenwellen derart gewählt ist, daß der Koeffizient erster Ordnung der Wärmedrift der Schwingungsfrequenz minimiert wird.
4. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die geradlinigen Strahlungsintervalle der Wandler symmetrisch in bezug auf die Achse angeordnet sind, in welcher sich die elastischen Oberflächenwellen an der Oberfläche des Substrats ausbreiten.
5. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Strahlungsquellenelement zwei geradlinige Strahlungsintervalle aufweist, die durch einen zu einem der interdigital angeordneten Kämme gehörenden Zinken voneinander getrennt und durch zwei aufeinanderfolgende Zinken des anderen der interdigital angeordneten Kämme eingerahmt s ind.

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6. Oszillator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kamm, der die Zinken trägt, die die geradlinigen Strahlungsintervalle einrahmen, mit einer Masseklemme des Oszillators verbunden 1st.
7. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Wandler aus Interdigital angeordneten Kämmen In unmittelbarer gegenseitiger Nähe angeordnet und durch einen leitenden Zwischenstreifen kapazitiv entkoppelt sind, der mit einer Masseklemme des Oszillators verbunden 1st.
8. Oszillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einander am nächsten liegenden äußersten Zinken, die zu den Kämmen des ersten bzw. des zweiten Wandlers gehören, elektrisch mit der Masseklemme verbunden sind, um den Einfluß der zwischen den Elektroden vorhandenen Kapazitäten der Rückkopplungsschleife zu verringern.
9. Oszillator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußersten Zinken mit den Längsstegen von Kämmen verbunden sind, welche auf der einen bzw. auf der anderen Seite der Achse angeordnet sind, auf der sich die elastischen Oberflächenwellen ausbreiten.

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