DE2938354A1

DE2938354A1 - Frequenzwaehlvorrichtung

Info

Publication number: DE2938354A1
Application number: DE19792938354
Authority: DE
Inventors: Nobuo Mikoshiba; Shoichi Minagawa; Takeshi Okamoto; Saitama Toda
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1978-09-22
Filing date: 1979-09-21
Publication date: 1980-04-03
Also published as: NL7907069A; US4254388A; GB2035005A; JPS5544245A; FR2437070B1; GB2035005B; FR2437070A1

Description

Patentanvalte Dipl.-ing. H. ¥eickmj> nn, Di-'l.-Piiys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. 1^;. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska

Clarion Co., Ltd.

8000 MÜNCHEN 86, DEN

POSTIACH 860 820

MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

FP-79-39 P/ha

Frequenzwählvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Frequenzwählvorrichtung mit Wandlern für akustische Oberflächenwellen.

Durch die Erfindung soll eine Frequenzwählvorrichtung geliefert werden, bei der die Mangel bekannter derartiger Vorrichtungen dadurch beseitigt sind, daß ein Einwegwandler als Wandler für die akustischen Oberflächenwellen verwandt wird.

Dazu weist die erfindungsgemäße Frequenzwählvorrichtung eine piezoelektrische Einrichtung, Wandler für akustische Oberflächenwellen mit in eine Richtung gehende Eingabe und Ausgabe, von denen jeder im Fortpflanzungsweg der akustischen Welle auf der piezoelektrischen Einrichtung angeordnet ist, Reflektionselektroden, die im FortpflanEungeweg der akustischen Welle

an den gegenüberlieaenden Seiten der Wandler Und neben den Wandlern angeordnet sind, und eine Einrichtung auf, die Wechselspannungssignale an die Reflektionselektroden jeweils legt.

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Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung ein Ausführungsbeispiel einer bekannten Frequenzwählvorrichtung sowie ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Frequenzwählvorrichtung näher beschrieben.

Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer bekannten Frequenzwählvorrichtung .

Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Frequenzwählvorrichtung.

Es ist eine Frequenzwählvorrichtung mit dem in Figur 1 dargestellten Aufbau bekannt, die in der Lage ist, den Frequenzänderungsbereich zu verbreitern und den Gütefaktor Q merklich zu erhöhen. In Figur 1 sind ein Signaleingangswandler 1, ein Signalausgangswandler 2, Pumpelektroden 3 und 4, eine piezoelektrische Schicht 5, eine Isolierschicht 6, ein Halbleitersubstrat 7, Elemente 8 und 9 zum Absorbieren von akustischen Oberflächenwellen, eine Pumpenergiequelle 10, ein Gleichstromsperrkondensator 11, eine Wechselstromsperrinduktivität 12 und eine Gleichvorspannungsauelle 13 dargestellt.

Die oben beschriebene Vorrichtung kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß eine Isolierschicht 6, beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht (SiO«) auf einem Halbleitersubstrat 7 aus Silizium (Si) usw. durch thermische Oxidation ausgebildet wird, daß eine piezoelektrische Schicht 5, beispielsweise eine Zinkoxidschicht auf die Isolierschicht 6 aufgedampft wird und daß ein Metall, wie beispielsweise Aluminium (Al) usw. auf die piezoelektrische Schicht niedergeschlagen wird, um anschließend die Elektroden 1 bis 4 durch ein Photoätzen des Metalls zu formen. Die Elektroden 1 und 2, die im mittleren Teil der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht ausgebildet sind, sind kammförmige Elektroden und wirken als Signaleingangs- und Signalausgangswandler jeweils.

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Die Elektroden 3 und 4 neben den Elektroden 1 und 2, die am Randbereich der piezoelektrischen Schicht 5 angeordnet sind, sind andererseits Pumpelektroden, wie sie oben erwähnt wurden. Die Pumpelektroden 3 und 4 stehen über die Wechselstromsperrinduktivität 12 mit der Gleichvorspannungsquelle 13 und über den Gleichstromsperrkondensator 11 weiterhin mit der Pumpenergiequelle 10 in Verbindung.

An den gegenüberliegenden Enden des Fortpflanzungsweges der piezoelektrischen Schicht 5 für die akustischen Wellen sind Elemente 8 und 9 zum Absorbieren von akustischen Oberflächenwellen vorgesehen.

Das Material der piezoelektrischen Schicht 5 muß nicht unbedingt Zinkoxid (ZnO) sein, sondern kann irgendein piezoelektrisches Material, beispielsweise Lithiumniobat (LiNbO,), Aluminiumnitrat (AlN) Kadmiumsulfid (CdS), Zinksulfid (ZnS) usw. sein. Das verwandte Halbleitermaterial kann entweder vom P-leitenden oder N-leitenden Typ sein. Die Polarität der Gleichspannungsquelle 13 für die Vorspannung ist in Abhängigkeit vom Leitungstyp des Substrats bestimmt, um eine geeignete Raumladungskapazität auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 7 zu erzeugen.

Obwohl die Isolierschicht 6 als Stabilisierungsschicht zwischen dem Halbleitersubstrat 7 und der piezoelektrischen Schicht 5 bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt, kann die Isolierschicht 6 auch in Abhängigkeit von dem für die piezoelektrische Schicht 5 verwandten Material fehlen. Die Vorrichtung kann auch aus einem piezoelektrischen Substrat mit einem darauf vorgesehenen Halbleiterüberzug gebildet sein.

Bei der oben beschriebenen Anordnung legt die Gleichvorspannungsquelle 13 eine Gleichvorspannung an die Pumpelektroden 3 und 4, um eine geeignete Raumladungskapazität auf der Oberfläche des

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Halbleitersubstrats an den Teilen unter den Elektroden 3 und 4 zu erzeugen.

Das Ausgangssignal der Pumpenergiequelle 10 zum Erzeugen einer Pumpspannung mit einer Frequenz 2f, die zweimal so grcE vj_e die gewünschte Frequenz, d.h. die gewählte Frequenz f ist,lie—_ cleichfalls über den Gleichstromsperrkondensator 11 an den Pumpelektroden 3 und 4. Das hat zur Folge, daß die Raumladungskapazität auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 7 bei einer Frequenz 2f der Pumpspannung angeregt wird. Da sich die Kapazität in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung ändert, ändert sie sich mit einer Frequenz 2f.

Wenn ein elektrisches Eingangssignal an der Klemme 1' des Signaleingangswandlers 1 mit einem ausreichend breiten Frequenzband liegt, wird das Eingangssignal in ein akustisches Oberflächenwellensignal umgewandelt, das sich längs der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 5 in Figur 1 nach links und nach rechts fortpflanzt. Von den akustischen Oberflächenwellen, die sich in Figur 1 vom Eingangswandler 1 nach links fortpflanzen, wird ein Anteil mit einer Frequenz f verstärkt, während er sich durch die Pumpelektrode 3 fortpflanzt, da das piezoelektrische Potential an der Elektrode 3 einer parametrischen Wechselwirkung mit der Pumpspannung aufgrund der Nichtlinearität der Raumladungskapazität auf der Oberfläche des Substrats unterliegt. Gleichzeitig wird eine akustische Oberflächenwelle erzeugt, die sich in Figur 1 von der Pumpelektrode 3 nach rechts fortpflanzt. Diese Welle hat eine Frequenz f und eine Amplitude, die der Amplitude des Eingangssignals entspricht. Diese akustische Oberfläche pflanzt sich in Figur 1 nach rechts fort und wird durch den Signalausgangswandler 2 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Es wird somit ein Signal mit der gewünschten Frequenz f von der Klemme 2¹ des Wandlers 2 ausgegeben.

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In ähnlicher Weise pflanzt sich von den akustischen Oberflächenwellen die in Figur 1 vom Eingangswandler 1 nach rechts verlaufen, eine reflektierte Welle mit der Frequenz f und einer Amplitude, die der Amplitude des Signalanteils mit der Frequenz f entspricht,nach links in Figur 1 von der Pumpelektrode 4 fort. Diese reflektierte Welle wird durch den Ausgangswandler 2 in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Die akustischen Oberflächenwellen, die durch die Pumpelektroden 3 und 4 reflektiert werden, bestehen hauptsächlich aus Anteilen mit der Frequenz f und haben eine Amplitude, die der Amplitude des Eingangssignals entspricht und in Abhängigkeit von der Höhe der Pumpspannung und der Vorspannung bestimmt ist. Der Frequenzgang des Ausgangssignals des Ausgangswandlers 2 verläuft steil. Es kann daher eine Frequenzwahl mit einem extrem hohen Gütefaktor Q erzielt werden.

Die Bandpaßmittenfrequenz f vom Ausgangswandler 2 kann andererseits dadurch verändert werden, daß die Frequenz 2f der Pumpspannung der Pumpenergiequelle 10 verändert wird.

Die akustischen Oberflächenwellen, die durch die Pumpelektroden 3 und 4 gehen und sich davon nach links und nach rechts jeweils fortpflanzen, werden durch die Elemente 8 und 9 jeweils absorbiert.

Eine Frequenzwählvorrichtung mit dem oben beschriebenen Aufbau hat die folgenden Nachteile, wenn ein gewöhnlicher Intercigitationswandler (ein kammförmiger Verriegelungswandler)als Wandler für die akustischen Oberflächenwellen verwandt wird.

Wenn angenommen wird, daß eine Pumpenergie mit einer Frequenz fp von der Pumpenergiequelle 10 an den Pumpelektroden 3 und 4 liegt, so wird ein elektrisches Signal mit einer Frequenz fs, das an der Klemme 1' des Eingangswandlers 1 liegt, in eine akustische Ober-

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flächenwelle durch den Wandler 1 umgewandelt, die sich nach rechts und nach links fortpflanzt. Eine akustische Welle mit einer Frequenz fs, die sich nach links fortpflanzt, bewirkt dann, wenn sie durch die Pumpelektrode 3 hindurchgeht, eine parametrische Wechselwirkung mit der Raumladungskapazität auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats, die durch die Pumpenergie angeregt wird, und erzeugt eine akustische Welle mit einer Frequenz fi (fi = fp-fs), die von der Pumpelektrode 3 nach rechts läuft. Diese akustische Welle wiederum erzeugt aufgrund der parametrischen Wechselwirkung beim Durchgang durch die Pumpelektrode 4 einen Anteil mit einer Frequenz fs, der von der Pumpelektrode 4 nach links läuft.

In ähnlicher Weise wird eine akustische Welle mit einer Frequenz fs durch den Eingangswandler 1 erzeugt, die davon nach links läuft und beim Durchgang durch die Pumpelektrode 4 eine akustische Welle mit einer Frequenz fi erzeugt, die nach links läuft und ihrerseits beim Durchgang durch die Pumpelektrode 3 eine akustische Welle mit einer Frequenz fs erzeugt, die nach rechts läuft.

Das hat zur Folge, daß akustische Wellen mit den Frequenzen fs und fi, die nach rechts und nach links laufen, gleichzeitig im Fortpflanzungsweg der akustischen Wellen vorhanden sind. Aufgrund dieser Tatsache enthält das Ausgangssignal ein Signal mit einer Frequenz fs und einen Störanteil mit einer Frequenz fi. Wenn insbesondere das Eingangssignal eine Frequenz fs (fs = 1/2fp) hat, ändert sich die Amplitude des Ausgangssignals entsprechend der Phasenbeziehung zwischen der Pumpfrequenz fp und dem Eingangssignal.

Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Frequenzwählvorrichtung unterscheidet sich im wesentlichen von der in Figur 1 dargestellten Anordnung dadurch, daß Einwegwandler als Eingangs- und Ausgangswandler 1 und 2 für die akustischen Oberflächenwellen verwandt sind. Insbesondere ist ein Pha-

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senschieber 14 zwischen die elektrischen Signaleingangsklemmen 1¹ und 1" geschaltet, um für einen geeigneten Phasenunterschied zwischen den Klemmen 1¹ und 1" zu sorgen, so daß der Wandler 1 als Einwegwandler arbeitet, der eine akustische Welle erzeugt, die sich nur nach links fortpflanzt. Andererseits ist ein Phasenschieber 15 zwischen die elektrischen Signalausgangsklemmen 2¹ und 2" des Ausgangswandlers 2 geschaltet, um für einen geeigneten Phasenunterschied zwischen den Klemmen 2¹ und 2" zu sorgen, so daß der Wandler 2 als Einwegwandler arbeitet, der nur die nach rechts laufende akustische Welle in ein elektrisches Signal umwandelt.

Bei der oben beschriebenen Anordnung wird das elektrische Signal, das am Einwegeingangswandler 1 liegt, in eine akustische Welle umgewandelt, die sich nur nach links fortpflanzt. Die akustische Welle erzeugt aufgrund einer parametrischen Wechselwirkung beim Durchgang durch eine Pumpelektrode 3 eine akustische Welle mit einer Frequenz fi (fi = fp - fs), die nach rechts läuft. Wenn diese akustische Welle durch eine Pumpelektrode 4 geht, erzeugt sie wiederum aufgrund einer parametrischen Wechselwirkung einen Anteil mit einer Frequenz fs, der sich nach links fortpflanzt. Dieser Anteil wird durch den Einwegausgangswandler 2 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Es ergibt sich somit ein Resonator, der in der lage ist, die Störung des Anteils fi auf die Frequenz fs auszuschalten.

Aus dem obigen ergibt sich, daß durch die Erfindung die folgenden Vorteile erzielt werden:

a) Der Gütefaktor Q ist stark erhöht.

b) Die Resonanzmittenfrequenz kann dadurch verändert werden, daß eine Pumpenergiequelle verwandt wird, deren Schwingungsfrequenz veränderlich ist.

c) Die Stabilität der Resonanzfrequenz kann dadurch verbessert werden, daß ein hochstabiler Oszillator, beispielsweise ein Quarzschwinger, ein Normalfrequenzoszillator usw. verwandt wird, da die Stabilität der Resonanzmittenfrequenz durch die Stabilität

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der Pumpfrequenz bestimmt ist.

d) Aufgrund der Ausnutzung der parametrischen Wechselwirkung kann die Ausgangsamplitude dadurch verändert werden, daß die Pumpenergie geändert wird, so daß ein verstärktes Ausgangssignal mit einer über einem gegebenen Wert liegenden Pumpenergie erhalten werden kann.

e) Der Ausgangsfrequenzgang des Frequenzbandes ist ausgezeichnet, da Anteile mit anderen Frequenzen als den Frequenzen um die Resonanzmittenfrequenz keiner parametrischen Wechselwirkung unterliegen und leicht so wie sie sind,ohne ausgegeben zu werden, durch die Pumpelektrode hindurchgehen.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. ^ΛΧ ei ckmann, Diil.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ii\g. Γ. A.Veickmawn, Dipl.-Chem. B. Huber I Dr. Ing. H. Li ska

8000 MÜNCHEN 86, DUN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 9S 3921/22

FP-79-39 P/ha

Clarion Co., Ltd.

35-2 Hakusan 5-chome, Bunkyo-ku

Tokyo, Japan

Frequenζwählvorrichtung

PATENTANSPRÜCHE

Frequenzwählvorrichtung gekennzeichnet cTurch eine piezoelektrische Einrichtung, Einweg-Eingangs- und Ausgangswandler (1,2) für akustische Oberflächenwellen, von denen jeder in Fortpflanzungsweg der akustischen Wellen auf der piezoelektrischen Einrichtung angeordnet ist, durch Reflektionselektroden (3,4), die im Fortpflanzungsweg der akustischen Wellen auf den gegenüberliegenden Seiten der Wandler (1) und (2) und neben den Wandlern (1) und (2) angeordnet sind, und durch eine Einrichtung (10,11,12,13), die Wechselspannungssignale an die Reflektionselektroden (3,4) jeweils legt.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Einrichtung aus einem Schichtkörper aus einer Halbleiterschicht (7) und einer piezoelektrischen Schicht (5) besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einweg-Eingangswandler (1) einen Phasenschieber (14) aufweist, der zwischen seine beiden Eingangsklemmen (1'/ 1") geschaltet ist,und daß der Einweg-Ausgangswandler (2) einen Phasenschieber (15) aufweist, der zwischen seine beiden Ausgangsklemmen (2',2") geschaltet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (10,11,12,13), die Wechselspannungssignale anlegt, einen Oszillator aufweist, dessen Schwingungsfrequenz veränderbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (10,11,12,13), die Wechselspannungssignale anlegt, einen hochstabilen Oszillator aufweist.

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