DE2802946A1

DE2802946A1 - Schallwellen-einrichtung

Info

Publication number: DE2802946A1
Application number: DE19782802946
Authority: DE
Inventors: Meirion Francis Lewis
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1977-01-24
Filing date: 1978-01-24
Publication date: 1978-08-03
Also published as: FR2378357B1; JPS53105394A; USRE35204E; NL186938C; JPS62149210A; JPS6216050B2; GB1591624A; NL7800821A; CA1108746A; FR2378357A1; US4159435A; DE2802946C2

Description

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The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London, SWl

Großbritannien

Schallwellen-Einrichtung

Die Erfindung betrifft eine Schallwellen-Einrichtung, in der Schallwellen durch den Körper einer Unterlage (Substrat) zwischen zwei Wandlern geschickt werden.

Es gibt einen Oszillator (vgl. GB-PS 1 451 326), der eine Schallwellen-Verzögerungsleitung in der Rückkopplungsschleife eines Verstärkers aufweist. Diese Verzögerungsleitung hat ihrerseits eine piezoelektrische Unterlage, die zwei interdigitale Kamm-Wandler trägt, die Oberflächenschallwellen entlang oder in der Oberfläche zwischen den Wandlern senden und empfangen können. Wahlweise, nämlich bei Verwendung von Ouarzscheiben, die rechtwinklig zur AT-Schnitt-Ebene und zur YZ-Ebene ausgerichtet sind, kann die Verzögerungsleitung

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unter Verwendung von Körperschallwellen, d. h. Schallwellen, die sich unterhalb der Unterlagenoberfläche ausbreiten, arbeiten. Dies verleiht eine gewisse Unempfindlichkeit gegenüber Oberflächenkontamination.

Erfindungsgemäß hat die Schallwellen-Einrichtung eine piezoelektrische Unterlage mit ebener Oberflächenseite, die mindestens zwei Wandler zum Senden und Empfangen von Schallwellen in den aus dem Körper der Unterlage zwischen den beiden Wandlern trägt, wobei die piezoelektrische Unterlage eine Ausrichtung wie im folgenden beschrieben aufweist:

Die .Ausrichtung der ebenen Oberflächenseite der Unterlage gemäß der Erfindung ist folgende:

ein gedrehter Y-Schnitt von Quarz (gedreht um die X-Achse), wobei die Wandler so angeordnet sind, daß die Schallwellen sich senkrecht zur X-Achse ausbreiten, und wobei die Drehung um die X-Achse - 6o° bis - 45°, vorzugsweise - 55° bis - 48°, und auch 30° bis 45° beträgt;

ein (um die X-Achse) gedrehter Y-Schnitt von LiTaO-, wobei die Drehung 36⁰ ± 3° und - 54° ± 3° beträgt und die Ausbreitung entlang der X-Achse erfolgt: und

ein (um die Y-Achse) gedrehter Y-Schnitt von LiNiO,, wobei die Drehung 45° + 5° und - 45° + 5° beträgt und die Ausbreitung entlang der X-Achse erfolgt.

Vorzugsweise sind die Wandler interdigitale Kamm-Wandler.

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Wandler können eine größere Anzahl von Wellentypen von Körperschallwellen in eine Unterlage aussenden (vgl. z. B. die Vorträge Tl und T2 im 1977 Ultrasonics Symposium Proc, nämlich M.P. Lewis, Surface Skimming Bulk Waves, und T.I. Browning, D.J. Gunton, M.P. Lewis und CO. Newton, Bandpass Filters). Ein Wellentyp von Körperschallwellen, der an und unterhalb der Oberfläche im wesentlichen parallel dazu sich ausbreitet, ist Oberflächengleit-Körperwelle ("surface skimming bulk wave", abgekürzt SSBW) genannt worden und stellt eine horizontal polarisierte Scherwelle (auch Scherungs-, Transversal-, Quer- oder Schubwelle genannt) dar. Ein anderer SSBW-WeIlentyp ist eine Longitudinalwelle.

Die folgenden Eigenschaften sind wünschenswert oder notwendig für eine Oberflächengleit-Körperwellen-Einrichtung:

1. keine Oberflächenschallwellen-Kopplung:

2. die Scherwelle (Schubwelle) or;er O.uasi-Scherwelle ist in der Oberflächenebene polarisiert, um einen Energieverlust in den Körper der Unterlage hinein zu vermeiden;

3. ein guter Wert k für die Körperwellen gemäß 2. oben mit kleiner Kopplung zu anderen Körperwellenj

4. Null-Temperaturkoeffizient für Körperwellen; und

5. Bündelsteuer- oder -fokussler-Eigenschaften.

Eine Klasse von Schnitten, die den Bedingungen 1, 2 und genügt, sind die (um die X-Achse) gedrehten Y-Schnitte von

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Quarz mit einer Ausbreitung senkrecht zur X-Achse. Diese

p
ganze Klasse hat k = O für Oberflächenschallwellen. Sie weist eine Scherwelle auf, die in X-Richtung polarisiert ist, d. h. in der Ebene, die notwendig für die Ausbreitung der Welle ohne größere Energieverluste in die Unterlage hinein ist. Zu dieser Klasse gehören auch zwei Bereiche von Drehwinkeln des Y-Schnitts, die die Bedingung 4 erfüllen. Diese Bereiche umfassen einen um - 48° bis - 55° gedrehten Y-Schnitt, der eine Scherwelle mit einer Geschwindigkeit von ca. 3*3 · ICK cm/s fortpflanzt (ziemlich ähnlich der Scherwelle, die in einem normalen AT-Schnitt-Körperwellen-Oszlllator verwendet wird) und auch den Bereich von 30° bis 4o°, der eine Scherwelle mit einer Geschwindigkeit von ca. 5,1 · IcP cm/s fortpflanzt (und ziemlich ähnlich der Scherwelle ist, die im normalen BT-Schnitt-Körperwellen-Oszillator verwendet wird). Schallwellen-Einrichtungen ändern ihre Frequenz mit der Temperatur der Unterlage, so daß bei manchen Einrichtungen der Einsatz begrenzt wird. Diese Quarze mit gedrehtem Y-Schnitt zeigen einen Null-Temperaturkoeffizienten, d. h. sie sind frequenzkonstant bei sich ändernder Unterlagen-Temperatur bei einem Temperaturwert oder -bereich, der vom Drehwinkel abhängt. Z. B. tritt der Null-Temperaturkoeffizient für eine Anzahl von Quarz-Schnitten wie folgt auf:

Drehwinkel £°3 Temperatur C°Cj

- 49 - 30

- 49,5 - 10

- 50 +10

- 50,5 + 40

- 50,5 bis - 51 oberhalb 6θ für einen Tempera

turbereich

35 - 10

35,3 + I₅

36 30 36,5 50

37 70 809831/0741

Der besondere Verzögerungs-Aufbau, der zur Erzielung der obigen Ergebnisse benutzt wurde, hatte einen Schallweg von 25OO TL Länge und eine Wandlerlänge von 25OO Λ mit periodisch verdünnten (fehlenden) Fingerpaaren (Λ = Wellenlänge). Ein anderer Wandler-Aufbau ändert diese Werte ab. Für gedrehte Y-Schnitte in den obigen Bereichen mit einer Ausbreitung senkrecht zur X-Achse findet die Schallausbreitung symmetrisch um die Ausbreitungsrichtung statt, so daß die Energie parallel zum k-Vektor (d. h. ohne Bündellenkung) sich ausbreitet, was eine Unempfindlichkeit gegenüber kleinen Fehlausrichtungen bei der Herstellung bewirkt.

Die Klasse von Schnitten mit einer Scherwellengeschwindigkeit von 5*1 · 1O-³ cm/s ist besonders zweckmäßig für Hochfrequenz-Oszillatoren. Ein derartiger Oszillator wurde mit einer parabolischen Frequenz-Tempera tur-Ä'nderung (bei einem um 35)3° gedrehten Y-Schnitt) mit einer Inversions-Temperatur von 20 ⁰C hergestellt, und zwar gemessen an einem Oszillator mit einer Verzögerungsleitung von einer Weglänge von 2500 Λ.- (Wellenlänge).

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einige Schnittebenen in Puarz;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Körperschallwellen-Einrichtung, die an einen Verstärker zur Bildung eines Oszillators angeschlossen ist; und

Fig. 3 eine Endansicht von Fig. 2.

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Die drei orthogonalen Achsen eines Kristalls sind in Fig. 1 abgebildet. Ein Y-Schnitt-Plättchen ist ein Plättchen, dessen Betriebs-Oberfläche (Oberseite) in der Z-,X-Ebene liegt. Wenn die Ebene um 35,3° um die X-Achse gedreht wird, wird es ein AT-Schnitt genannt. Ein anderer Schnitt ist der BT-Schnitt. Ein weiterer Schnitt ist der ST-8chnitt. Die Schnitte, die für Körperwellen gemäß der Erfindung benutzt werden, sind ungefähr senkrecht zum AT-Schnitt und zum BT-Schnitt angeordnet, da die Körperwellen sich ungefähr parallel zur ebenen Oberflächenseite und nicht durch die Dicke eines dünnen Plättchens wie bei herkömmlichen Körperschallwellen-Einrichtungen ausbreiten.

Gemäß Fig. 2 und 3 hat eine Verzögerungsleitung eine Ouarz-Unterlage 1 mit einer ebenen Oberseite 2, die wie eben definiert ausgerichtet ist. Die Unterseite 3 1st vorzugsweise um einen Winkel von einigen Grad geneigt und aufgerauht, um Reflexionen zu vermeiden, die die erwünschten Körperschallwellen stören könnten. Zwei interdigitale Wandler 4 und 5 sind auf der ebenen Oberseite 2 angeordnet. Z. B. können die Wandler jeweils 90 Finger-Paare aufweisen und in einem (mittigen) Abstand ungefähr gleich der Wandlerlänge angeordnet sein, um eine Moden-Unterdrückung wie nach der GB-PS 1 4-51 326 zu erzielen. Ein Verstärker 6 ist zwischen die Wandler 4 und 5 geschaltet. Die ganze Einrichtung kann kunststoffgekapselt sein.

Beim Betrieb werden Oberflächengleit-Körperschallwellen durch den Wandler 4 in die Unterlage 1 ausgesandt. Diese Oberflächengleit-Körperschallwellen (SSBW-Wellen) laufen unterhalb der Oberseite 2 und werden durch den Wandler 5 in elektrische Signale zurückgeformt. Da die Wandler 4 und 5

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nahe zueinander benachbart sind., findet eine gute Kopplung in die und aus der Unterlage statt. Es sind jedoch auch andere Wandler-Strukturen möglich, z. B. Leiter-Strukturen, wie in der GB-PS 1 452 326 beschrieben ist.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Anwendung bei Oszillatoren beschränkt, sondern sie kann auch anstelle von Oberflächenschallwellen-Verzögerungsleitungen bei vielen PiIteranwendungen eingesetzt werden.

Die Unterlagen können anstatt aus Quarz auch z. B. aus LiNbO, und LiTaO-, gefertigt werden, jedoch müssen die verwendeten Schnitte so ausgerichtet sein, daß sie den oben aufgeführten Bedingungen 1-5 genügen. Für LiTaO- bedeutet dies im wesentlichen um + 36° ± 3° sowie - 54° ± 3° (orthogonal) (um die X-Achse) gedrehte Y-Schnitte, die die Polarisationsrichtungen der Scherkörperwellen enthalten, die sich entlang der X-Achse des Kristalls ausbreiten (berechnet für ein unendliches Medium). Die Schallwellenausbreitung erfolgt in der X-Richtung. Für LiNbO-, sind die Schnitte um 45° + 5° sowie - 45° t 5° gedrehte Y-Schnitte, wobei die Ausbreitung in der X-Richtung stattfindet.

Es versteht sich, daß die obige Aufzählung der Anforderungen 1-5 nicht genau eingehalten werden muß, da es sich dabei um eine idealisierte Einrichtung handelt; z. B. kann eine geringfügige Oberflächenwellen-Kopplung toleriert (und durch oberflächenmontierte Absorber beseitigt) werden, jedoch sollte sie vorzugsweise möglichst niedrig sein.

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Claims

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BEETZ-LAMPRECHT- BEETZ PATENTANWÄLTE

München 22 - Steinsdorfstr. 10 Dipl.-ing. r.beetz sen.

TELEFON (089) 2272O1 -22 72 44-29 5910 Dipl. -Ing. K. LAM PRECHT

Telex 522048-Telegramm Allpatent München Dr.-lngj-R^BEjCjCZ jr.

Dlpl.-Phya.'u. He'iDRICH auch Rechtsanwalt Dr.-Ing. W.TIMPE Dipl.-Ing. J. SI EaFRI E D

295-27.814P 24. Jan. 1978 Ansprüche

Schallwellen-Einrichtung,

mit einer piezoelektrischen Unterlage einschließlich einer ebenen Oberflächenseite (Außenfläche),

die mindestens zwei Wandler zum Senden und Empfangen von Schallwellen in den bzw. aus dem Körper der Unterlage zwischen den Wandlern trägt,

gekennzeichnet

durch eine Quarz-Unterlage (1) mit ausgerichteter ebener Oberflächenseite,

die ein um die X-Achse gedrehter Y-Schnitt von Quarz mit einem Drehwinkel von - 60° bis - 45° bzw. 30° bis 45° ist, und

durch eine derartige Anordnung der Wandler (4, 5), daß die Sehallwellen sich senkrecht zur X-Achse ausbreiten.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Drehwinkel um die X-Achse - 55° bis - 48° beträgt.
3. Schallwellen-Einrichtung,

mit einer piezoelektrischen Unterlage einschließlich einer ebenen Oberflächenseite(Außenfläche),

die mindestens zwei Wandler zum Senden und Empfangen von Schallwellen in den bzw. aus dem Körper der Unterlage zwischen den Wandlern trägt,

809831 AO 7 O ORIGINAL INSPECTED

gekennzeichnet

durch eine Lithiumtantalat-Unterlage mit ausgerichteter ebener Oberflächenseite (2),

die ein um die X-Achse gedrehter Y-Schnitt von Lithiumtantalat

mit einem Drehwinkel von 33° bis 39° und - 51° bis ist, und

durch eine derartige Anordnung der Wandler (4, 5), daß die Schallwellen sich parallel zur X-Achse ausbreiten.

Schallwellen-Einrichtung,

mit einer piezoelektrischen Unterlage einschließlich einer ebenen Oberflächenseite fAußenfläche),

die mindestens zwei Wandler zum Senden und Empfangen von Schallwellen in den bzw.aus dem Körper der Unterlage zwischen den Wandlern trägt,

gekennzeichnet

durch eine Lithiumniobat-Unterlage mit ausgerichteter ebener Oberflächenseite (2),

die ein um die X-Achse gedrehter Y-Schnitt von Lithiumniobat bei einem Drehwinkel von 4o° bis 50° und - 4o° bis - 50° ist, und

durch eine derartige Anordnung der Wandler (4, 5), daß die Schallwellen sich parallel zur X-Achse ausbreiten.

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