DE3049102A1

DE3049102A1 - Parametrische vorrichtung zur verarbeitung von akustischen oberflaechenwellen

Info

Publication number: DE3049102A1
Application number: DE19803049102
Authority: DE
Inventors: Shoichi Minagawa; Takeshi Toda Saitama Okamoto
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1979-12-27
Filing date: 1980-12-24
Publication date: 1981-09-10
Also published as: JPS5693415A; JPS5835404B2; FR2472882A1; GB2069279B; US4348650A; GB2069279A; FR2472882B1

Description

- 4 Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine parametrische Vorrichtung zur Verarbeitung von akustischen Oberflächenwellen, die als Wählvorrichtung mit variabler Frequenz verwendbar ist. Die Erfindung betrifft insbesondere eine parametrische Vorrichtung der in Rede stehenden Art, bei der eine parametrische Wechselwirkungszone eine dem gewünschten Ausgangsfrequenzgang entsprechende Form hat, so dass der Frequenzgang der Frequenzwählvorrichtung entsprechend der Anforderung ausgelegt werden kann.

In der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 54-41089 (1979) wird schon eine, akustische Oberflächenwellen verarbeitende Vorrichtung beschrieben, die die Wahl variabler Frequenzen ermöglicht. Hierauf wird in Verbindung mit Fig. 1 noch näher Bezug genommen. Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist, dass, wenn sie als Frequenzwählvorrichtung verwendet wird, die Frequenzkennlinie nicht frei gewählt werden kann. Dennoch ist der Störsignalanteil zu hoch für einen praktischen Einsatz .

Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung einer parametrischen Vorrichtung der in Rede stehenden Art,mit der die mit der bekannten Vorrichtung verbundenen Nachteile ausgeschaltet sind. Insbesondere soll durch die Erfindung eine parametrische Vorrichtung geschaffen werden, die eine Anpassung hinsichtlich ihres Ansprechens auf ein Signalpassband für eine gewünschte Spezifikation erlaubt und bei der der Störsignalanteil so weit herabgesetzt ist, dass er für den praktischen Einsatz vernachlässigt werden kann, wenn die Vorrichtung als Frequenzwähl vor richtung verwendet wird.

Die erfindungsgemässe parametrische Vorrichtung zeichnet sich aus durch

ein aus einer Halbleiterschicht und einer piezoelektrischen Schicht gebildetes Laminat,

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eine Einrichtung zum Anlegen einer Pumpspannung an das Laminat,

eine Einrichtung zum Eingeben einer akustischen Oberflächenwelle in das Laminat, und

eine Einrichtung zum Ausgeben einer, einer parametrischen Wechselwirkung unterzogenen akustischen Oberflächenwelle, wobei das Laminat eine parametrische Wechselwirkungszone mit einer Breite- senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle hat, die sich in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle entsprechend einem gewünschten Frequenzgang der akustischen Ausgangsoberflächenwelle ändert.

Zusammengefasst wird durch die Erfindung eine akustische Oberflächenwellen verarbeitende parametrische Vorrichtung geschaffen, die sich dadurch auszeichnet, dass die Breite einer parametrischen Wechselwirkungszone in einer Richtung senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle so variiert wird, dass sie einem gewünschten Frequenzgang entspricht.

Eine Ausfuhrungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht von einer herkömmlichen Vorrichtung zur Verarbeitung von akustischen Oberflächenwellen ,

Fig. 2 charakterische Kurven des Ausgangsfrequenzganges ^Un der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, wobei Fig. 2 den Fall betrifft, bei dem eine relativ schwache Pumpspannung anliegt,und Fig. 3 den Fall betrifft, bei dem die Pumpspannung relativ gross ist,

Fig. 4A die Wellenform von einem idealen Impuls zur Auslegung einer parametrischen Wechselwirkungszone,

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Fig. 4B ein Beispiel für den Zeitverlauf bei Anliegen des idealen Impulses nach Fig. 4A an der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 5A den Frequenzgang der idealen akustischen Eingangsoberflächenwelle,

Fig. 5B das FrequenzSpektrum einer rückwärtsgerichteten

akustischen Ausgangsoberflächenwelle bei Anliegen der idealen akustischen Eingangsoberflächenwelle nach Fig. 5A an der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 6A ein Beispiel für den Verlauf eines anstelle des

idealen Impulses nach Fig. 4A praktisch verwendeten Hochfrequenzimpulses,

Fig. 6B ein Beispiel für den Zeitverlauf bei Anliegen des

Hochfrequenzimpulses nach Fig. 6A an der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 7A den Frequenzgang einer akustischen Eingangsoberflächenwelle, die anstelle der idealen akustischen Eingangsoberflächenwelle nach Fig. 5A praktisch verwendet wird,

Fig. 7B das FrequenzSpektrum einer rückwärtsgerichteten

akustischen Ausgangsoberflächenwelle bei Anliegen der in Fig. 7A gezeigten akustischen Eingangsoberflächenwelle an der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 8 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform

einer erfindungsgemäss aufgebauten parametrischen Vorrichtung mit perspektivischer Darstellung von deren Laminat,

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Pig. 9 den charakterischen Verlauf des Frequenzganges von einem idealen Bandfilter,

Fig. 10 den Zeitverlauf bei einer Fourier-Transformation und dem Frequenzgang nach Fig. 9,

Fig. 11 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel· einer dem Zeitverlauf nach Fig. 10 entsprechend ausgebildeten Pumpelektrode,

Fig. 12A den Zeitverlauf entsprechend Fig. 10 bei Wegnahme der Wellenbereiche ausserhalb - TT <c χ

Fig. 12B Draufsichten auf weitere Beispiele für entsprechend ^un dem Impulsverlauf nach Fig. 12A ausgebildete Pumpelektroden,

Fig.. 13 ein Beispiel für den Ausgangsfrequenzgang bei Anwendung der Anordnungen nach Fig. 12B und 12C an der Vorrichtung nach Fig. 8,

Fig. 14A ein weiteres Beispiel für einen bei der Erfindung angelegten Impulsverlauf,

Fig. 14B eine Draufsicht auf ein Beispiel einer'entsprechend dem Impulsverlauf nach Fig. 14A ausgelegten Pumpelektrode , und

Fig. 15 den Ausgangsfrequenzgang bei Anwendung der Pumpelektrode nach Fig. 14B an der Vorrichtung nach Fig. 8.

In Fig. 1 ist eine bekannte parametrische Vorrichtung mit variabler Frequenzwählfunktion gezeigt. In Fig. 1 betrifft das Bezugszeichen 1 ein Halbleitersubstrat,auf dem ein Isolierfilm

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und eine piezoelektrische Schicht 3 auflaminiert sind. Eine rechteckförmige Pumpelektrode 4,an der eine Gleichvorspannung und eine Pumpspannung anliegen, und ein Eingangs- sowie Ausgangswandler 5, 6 sind auf der piezoelektrischen Schicht 3 angeordnet.

Das Bezugszeichen 7 betrifft eine Gleichspannungsenergiequelle zum Anlegen einer Gleichvorspannung, 8 eine Induktivität zur Blockierung eines Wechselstromes, 9 eine Hochfrequenzenergiequelle zum Anlegen einer Pumpspannung, 10 einen Kondensator zur Blockierung eines Gleichstromes,und die Bezugszeichen 11 und 12 betreffen absorbierende Elemente für die akustischen Oberflächenwellen, die eine unerwünschte Reflexion der Wellen an den Enden der Vorrichtung verhindern.

Die Gleichvorspannung wird von der Gleichspannungsenergiequelle 7 an die Pumpelektrode 4 angelegt,-so dass an einem Oberflächenbereich des Halbleitersubstrates 1 unter der Pumpelektrode 4 eine geeignete Sperrschichtkapazität hervorgerufen wird. Ferner wird die Pumpspannung mit einer Frequenz 2fo, gleich der zweifachen Mittenfrequenz fo von einem gewünschten Frequenzband_/von der Hochfrequenzenergiequelle 9 an die Pumpelektrode 4 angelegt, so dass die Sperrschichtkapazität in Schwingung gebracht und bei der Frequenz 2fo moduliert wird.

Wenn an dem Breitbandeingangswandler 5 ein elektrisches Signal anliegt, wird das elektrische Eingangssignal in ein akustisches Oberflächenwellensignal umgesetzt, das sich auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 3 bei Betrachtung nach Fig, 1 nach rechts und links fortpflanzt.

Während eine Signalkomponente des sich nach rechts fortpflanzenden akustischen Eingangsoberflächensignales 13 mit einer Frequenz fo durch den Arbeitsbereich unter der Pumpelektrode 4 läuft, wird das piezoelektrische Potential einer parametrischen

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Wechselwirkung mit der Pumpspannung aufgrund des Nichtlinearitätseffektes der Sperrschichtkapazität auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 unterzogen und die Signalkomponente verstärkt. Dieses verstärkte Wellensignal 14 wird von dem Ausgangswandler 6 in ein elektrisches Signal umgesetzt und ausgegeben.

Zur gleichen Zeit wird auch ein akustisches Oberflächenwellensignal 1.5 mit der Frequenz fi (fi = 2fo - -fs,, mit fs = Frequenz des der Amplitude des Welleneingangssignales 13 entsprechenden Eingangssignales) von der Pumpelektrode 4 abgegeben und dieses Signal 15 pflanzt sich in Fig. 1 nach links fort. Dieses akustische Oberflächenwellensignal 15 kann ebenfalls als Ausgangssignal abgegeben werden.

Der Frequenzgang 14a, 15a, 14b und 15b der betreffenden Ausgangswellensignale 14 und 15 ist in Fig. 2 und 3 in Relation zum Eingangssignal 13 gezeigt, dessen Amplitude bei 1 in den Figuren eingetragen ist. Fig. 2 zeigt den Fall, bei dem die Pumpspannung relativ klein ist, während Fig. 3 den Fall bei Anliegen einer relativ grossen Pumpspannung betrifft.

Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, sind bei der,, akustische Oberflächenwellen verarbeitendenVorrichtung mit einer rechteckförmigen Pumpelektrode das Ansprechen auf ein Signalpassband und der Störsignalanteil im wesentlichen festgelegt, wenn ein Ausgang mit einer gewünschten Mittenfrequenz fo gewählt wird. Wenn aus diesem Grund die herkömmliche Vorrichtung als Frequenzwählvorrichtung verwendet wird, lässt sich die Frequenzkennlinie nicht frei wählen. Selbst wenn man diesen Umstand berücksichtigt, ist der Störsignalanteil dennoch zu hoch, um praktisch in Kauf genommen zu werden.

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Gemäss einer allgemeinen elektrischen Schaltungstheorie kann der Ausgangsfrequenzgang einer linearen Schaltung durch eine Fourier-Transformation des Zeitverlaufes (der zeitlichen Änderung) an einem Ausgang erhalten werden, wenn am Eingang ein Impuls anliegt.

Wenn daher der Zeitverlauf, der in Beziehung zur Fourier-Transformation mit einem gewünschten Frequenzgang steht, zunächst erhalten und die lineare Schaltung so ausgebildet wird, dass der Zeitverlauf gleich dem Impulsverlauf wird, ist ein Ausgangssignal mit dem gewünschten Frequenzgang erzielbar.

Diese Theorie wird nachfolgend näher in Verbindung mit ihrer Anwendung bei der in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Vorrichtung anhand von Fig. 4A bis 7B erläutert.

Bei der, akustische Oberflächenwellen verarbeitenden Vorrichtung nach Fig. 1 ist die parametrische Wechselwirkung nicht sehr gross eingestellt und wird ein idealer Eingangsimpuls e.] mit der Zeitdauer 0 gemäss Fig. 4A an dem Eingangswandler 5 zur Zeit t = 0 eingegeben. Der Zeitverlauf I- der akustischen Ausgangsoberflächenwelle 15 (mit der Frequenz fi) der sich ergebenden beiden rechts- und linksseitig von der Pumpelektrode 4 ausgehenden akustischen Oberflächenwellensignale, die in einer Richtung entgegengesetzt zu der akustischen Oberflächeneingangswelle 13 läuft, ist in Fig. 4B gezeigt. In Fig. 4B handelt es sich bei der Zeit t- um die erforderliche Zeit für das akustische Oberflächenwellensignal für eine Hin- und Herbewegung zwischen dem Eingangswandler 5 und dem nahen Ende 4¹ der Pumelektrode 4, während die Zeit t₂ diejenige ist, die für die Hin- und Herbewegung des akustischen OberflächenweIlensignales zwischen dem Eingangswandler 5 und dem entfernten Ende 4" der Pumpelektrode 4 notwendig ist.

Der Eingangs impuls e-j und der äusgangsseitige Zeitverlauf I-werden nachfolgend näher beschrieben. Der ideale.Impuls e-

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enthält eine infinite Anzahl von Frequenzanteilen. Wenn dieser Impuls e₁ durch den Eingangswandler 5 eingegeben wird, werden nur die Signalanteile mit einer Frequenz um fo (wenn die Pumpfrequenz 2fo beträgt) unter der infiniten Anzahl an Signalanteilen einer parametrischen Wechselwirkung unterworfen und in Form des rückwärtsgerichteten akustischen Oberflächenwellensignales 15 ausgegeben. Dieses Wellensignal 15 läuft entgegengesetzt zu dem akustischen Eingangswellensignal 13. Die durch eine Amplitudendemodulation der Frequenzanteile des AusgangsSignales erhaltene Hüllenkurve ist in Fig. 4B in Gestalt des ausgangsseitigen Zeitverlaufes I* gezeigt.

Wenn ein Signal e„ mit einer konstanten Amplitude und mit einer Frequenz fo gemäss Fig. 5A anstelle des Impulses e. am Eingangswandler 5 anliegt, hat das rückwärtsgerichtete akustische Oberflächenausgangssignal 15 ein FrequenzSpektrum 15c gemäss Fig. 5B. Das Frequenzspektrum 15c nach Fig. 5B entspricht dem in Fig. 2 bei 15a angedeuteten Ausgangsfrequenzgang.

Das Frequenzspektrum 15c entspricht dem Ergebnis einer Fourier-Transformation des Zeitverlaufes I₁.

Angenommen, das Frequenzspektrum 15c nach Fig. 5B stellt den gewünschten Frequenzgang dar,handelt es sich bei dem Zeitverlauf I, nach Fig. 4B um denjenigen, der in Beziehung zu der Fourier-Transformation mit dem gewünschten Verlauf steht, und bei der den Zeitverlauf I., schaffenden Linearschaltung, d.h. der, akustische Oberflächenwellen verarbeitenden parametrischen Vorrichtung um die in Fig. 1 gezeigte mit der rechteckförmigen oder quadratischen Pumpelektrode

Der ideale vorbeschriebene Impuls ist jedoch in Wirklichkeit nicht praktikabel. Daher wird ein Hochfrequenzimpuls e.' mit

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einer Trägerfrequenz fo und einer Zeitdauer t(t^t₂ - t-,)
gemäss Fig. 6A verwendet.

In diesem Fall verhält sich der Zeitverlauf I-' des rückwärtigen Ausgangssignales 15 gemäss Fig. 6B. Wird der Zeitverlauf I₁ ¹ einer Amplitudendemodulation unterworfen, so ist die erhaltene Hüllenkurve im wesentlichen die gleiche wie nach Fig. 4B.
Die Trägerfrequenz des Ausgangssignales I-| ' nach Fig. 6B beträgt fi = 2fo - fo = fo.

Im Gegensatz zu dem Signal &j mit einer konstanten Amplitude nach Fig. 5A hat das tatsächliche Signal e₂' eine Amplitudenschwächungstendenz bei Frequenzbereichen, die ausserhalb der Mittenfrequenz fo liegen.

Wird jedoch ein solches Signal e^' über den Wandler 5 eingegeben, so ist das FrequenzSpektrum 15c¹ des erhaltenen
rückwärtsgerichteten Ausgangssignales ähnlich dem in Fig. 7 gezeigten. Das Frequenzspektrum 15c¹ ist im wesentlichen
das gleiche wie in Fig. 5B.

Bei der praktischen Konstruktion einer akustische Oberflächewellen verarbeitenden parametrischen Vorrichtung mit dem gewünschten Frequenzgang (d.h. der Auslegung der Pumpelektrode) werden Signale mit der konstanten Amplitude gemäss Fig. 6A
und 7A verwendet.

Die auf der vorgehenden Technik basierende Erfindung wird nachfolgend im Detail anhand der in Fig. 8 ff gezeigten Ausführungsform beschrieben.

Fig. 8 zeigt ein Halbleitersubstrat 1 aus beispielsweise Silicium (Si). Ein Isolierfilm 2 und eine piezoelektrische Schicht 3 sind in der genannten Reihenfolge unter Bildung eines Laminates

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auf dem Halbleitersubstrat 1 aufgelegt.

Der Isolierfilm 2 dient der Oberflächenpassivierung des Halbleitersubstratas 1 und besteht beispielsweise aus Siliciumdioxid (SiO-)· Die piezoelektrische Schicht 3 besteht aus einem piezoelektrischen Material wie Zinkoxid (ZnO), Aluminiumnitrid (AlN) oder dgl.

Ein Eingangswandler 5 und ein Ausgangswandler 6 sind an Stellen auf dem Laminat nahe dessen gegenüberliegenden Enden angeordnet. Diese Wandler 5 und 6 haben eine ausreichend breite Bandkennlinie.

Längs des Fortpflanzungsweges der akustischen Oberflächenwelle zwischen dem Eingangswandler 5 und dem Ausgangswandler ist eine Pumpelektrode M vorgesehen, die entsprechend der vorbeschriebenen Technik ausgebildet ist. Die Vorgehdnsweise zur Ausbildung der Elektrode wird im Detail nachfolgend erläutert.

Das Bezugszeichen 7 betrifft eine Gleichspannungsquelle zum Anlegen einer Gleichvorspannung, 8 eine wechselstromblockierende Induktivität, 9 eine Hochfrequenzenergiequelle zum Anlegen einer Pumpspannung und 10 einen den Gleichstrom blockierenden Kondensator.

Die Bezugszeichen 11 und 12 betreffen absorbierende Elemente für die akustische Oberflächenwelle, die eine unerwünschte Reflexion der Welle an den Enden der Vorrichtung verhindern.

Die Auslegung der parametrischen Wechselwirkungszone oder Pumpelektrode M wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die vorerwähnte Technik erläutert.

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Dabei sei angenommen, dass der gewünschte Frequenzgang der Frequenzgang E₂ von einem idealen Bandfilter mit der Bandbreite B nach Fig. 9 sein soll. Wenn der Zeitverlauf I₂ einer Fourier-Transformation bei dieser Frequenz E₂ folgt, hat er die Form einer Sinusfunktion sin x/x, die sich gemäss Fig. unendlich seitlich erstreckt.

In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass die Amplitude von einem akustischen Oberflächenwellenausgangssignal SAW-, hervorgerufen durch einen Impuls e.,, im wesentlich proportional zur Abmessung der parametrischen Wechselwirkungszone oder der Breite der Pumpelektrode senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle ist, wenn eine relativ niedrige Pumpspannung anliegt. Um daher den Zeitverlauf I₂ an den Impulsverlauf anzugleichen, kann die Breite der Pumpelektrode so bemessen sein, dass der Wellenform des Zeitverlaufes I₂ Rechnung getragen wird. Ein Beispiel für eine Pumpelektrode M₂, die diesbezüglich ausgebildet ist, zeigt Fig. 11. Die Scheitel- oder Knotenpunkte der betreffenden Elektrodenelemente m₂, m₂', m₂",aus der die Pumpelektrode M₂ besteht, sind elektrisch isoliert. In Fig. 11 betrifft das Bezugzeichen 16 eine Phasenumkehrschaltung zur Änderung der Phase der Pumpspannung um 180°. Wie in Fig. 11 gezeigt, erstreckt sich die dem idealen Bandfilter (Fig. 9) entsprechende Pumpelektrode M^ in seitlicher Richtung unendlich. Daher ist es praktisch unmöglich, diese Pumpelektrode M₂ bei der Vorrichtung nach Fig. 8 anzuwenden, da die Abmessung des Laminates unendlich gross werden würde.

Aus diesem Grund kann die Filterkennlinie (die Frequenzselektionslinie) soweit beeinträchtigt werden, dass hierdurch bei der praktischen Verwendung keine Probleme entstehen, um für die Pumpelektrode trotz Erhalt einer optimalen Verhaltensweise innerhalb der Beschränkung eine geeignete Länge vorsehen zu können.

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Ein Beispiel für die Auslegung eines praktikablen parametrischen Wechselwirkungsbereiches, insbesondere für die Gestaltung der Pumpelektrode, wird nachfolgend beschrieben.

Fig. 12A zeigt den Impulsverlauf I, entsprechend dem Zeitverlauf, der dem Zeitverlauf der Funktion sin x/x in Fig. 10 bei Weglassung derjenigen Wellenbereiche entspricht, die ausserhalb -TT^.^x £.fliegen. Beispiele für Pumpelektroden, die so ausgebildet sind, dass sie dem Impulsverlauf I₃ entsprechen, sind in Fig. 12B und 12B zu finden. Der Buchstabe L in Fig^:. 12B errechnet sich aus L = ((t- - t.j)/2j xV (V gleich Schallgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle) . Für die Anwendung bei der Vorrichtung nach Fig. 8 wird eine gemäss Fig. 12C symmetrisch ausgebildete Pumpelektrode vorgesehen.

Wenn die Pumpelektrode M₃ gemäss Fig. 12C bei der Vorrichtung nach Fig. .8 angeordnet wird, ergibt sich der in Fig. 13 gezeigte gewünschte Frequenzgang des Ausgangswellensignales SAW₃.

Ein Vergleich dieses Frequenzganges E₃ mit dem Frequenzgang E₂ des idealen Bandfilters nach Fig. 9 zeigt eine gewisse Verschlechterung hinsichtlich des Auftretens eines Kennlinienknickes des Filters, doch wird der Störsignalanteil im Vergleich zu der bekannten Vorrichtung nach Fig. 2 soweit deutlich herabgesetzt, dass er für die Praxis vernachlässigt werden kann.

Die Pumpelektrode M₃ nach Fig. 12C ist daher als Elektrode für eine akustische Oberflächenwellen verarbeitende parametrische Vorrichtung verwendbar, die den gewünschten Frequenzgang E_ schafft.

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Fig. 14A und 14B zeigen weitere Konstruktionsbeispiele für die Pumpelektrode. Hierbei folgt der gewünschte Frequenzgang

-2 vT f²
der Gauss'sehen Funktion e und ist die Pumpelektrode M^ so gestaltet, dass der Impulsverlauf gleich dem Zeitverlauf I₄ nach einer Fourier-Transformation in Bezug auf die Gauss'sehe Funktion wird.

Bei diesem Beispiel kann gegenüber der Kennlinie E- des idealen Bandfilters eine geringe Verschlechterung durch einen Kennlinienknick des Filters festgestellt werden, doch wird eine Verbesserung hinsichtlich des Störsignalanteiles erzielt. Des weiteren können die Gestalt und Abmessung der Pumpelektroden M-, M„ ... innerhalb eines praktikablen Bereiches gewählt werden. Dieses Beispiel zeigt daher eine Pumpelektrode für die in Fig. 8 dargestellte parametrische Vorrichtung.

Bei den in Fig. 12A bis 15 gezeigten beiden Beispielen sind die Pumpspannungen gering. Bei grosser Pumpspannung und grosser parametrischer Wechselwirkung weicht die Beziehung zwischen dem Impulsverlauf und der Gestalt der parametrischen Wechselwirkungszone (Pumpelektrode) etwasvon dem proportionalen Verhältnis ab. Wenn diese Abweichung in Betracht gezogen wird, kann die parametrische Wechselwirkungszone (Pumpelektrode) hinsichtlich ihrer Formgebung zur Erzielung des gewünschten Frequenzganges in ähnlicher Weise wie vorbeschrieben konstruiert werden.

Obgleich die vorhergehenden Beispiele den Fall betreffen, dass eine in Fig. 8 mit SAW₃ angedeutete rückwärtsgerichtete Ausgangswelle als akustisches Ausgangswellensignal abgenommen wird, kann die gleiche Konstruktion für den Fall angewendet werden, dass eine akustische Ausgangsoberflächenwelle SAW₂ in der gleichen Richtung wie die akustische Eingangsoberflächenwelle SAW. als Ausgangssignal abgenommen wird.

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Was die akustische Oberflächenwelle SAW» betrifft, so wird eine Signalkomponente mit einer Frequenz, bei der keine parametrische Wechselwirkung hervorgerufen wird, so wie sie ist, ohne Modulation ausgegeben, so dass sich der Verbesserungseffekt bezüglich der Störsignalanteile etwas verschlechtert.

Die in der vorbeschriebenen Weise aufgebaute,akustische Oberflächenwellen verarbeitende parametrische Vorrichtung nach der Erfindung arbeitet wie folgt:

Eine Gleichvorspannung mit einer geeigneten Grosse wird von der Gleichspannungsquelle 7 an die Pumpelektrode M angelegt, um. eine geeignete Sperrschichtkapazität an der Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 unter der Pumpelektrode M hervorzurufen. Des weiteren liegt eine Pumpspannung mit der Frequenz 2fo, d.h. dem Zweifachen der Mittenfrequenz fo bei dem gewünschten Frequenzselektionsband/an der Pumpelektrode M,abgegeben von der Hochfrequenzenergiequelle 9, an, um die Sperrschichtkapazität, wie erwähnt, bei der Frequenz 2fo anzuregen und die Sperrschichtkapazität bei der Frequenz 2fo zu modulieren.

Ein an dem Breitbandeingangswandler 5 anliegendes elektrisches Eingangssignal wird in eine akustische Oberflächenwelle umgesetzt, die sich auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 3 von dem Eingangswandler 5 nach rechts und links in Fig. 8 ausbreitet.

Bei der Fortpflanzung einer Signalkomponente mit einer Frequenz um der Frequenz fo eines nach rechts laufenden akustischen Eingangsoberflächensignales SAW₀ durch die parametrische Wechselwirkungszone unter der Pumpelektrode M wird das piezoelektrische Potential der parametrischen Wechselwirkung mit der Pumpspannung durch den Nichtlinearitätseffekt der Sperrschichtkapazität an der Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 unterzogen und diese Komponente so verstärkt, dass von der

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Pumpelektrode M bei Betrachtung nach Fig. 8 rechts- und linksseitig eine akustische Ausgangsoberflächenwelle abgeht.

Die akustische Ausgangsoberflächenwelle SAW₂/ die in der gleichen Richtung wie die Eingangswelle SAW₁ läuft, wird durch den Ausgangswandler 6 in ein elektrisches Signal umgesetzt und nach aussen abgegeben.

Die akustische Ausgangsoberflächenwelle SAW₃, die in einer Richtung entgegengesetzt zu der Eingangswelle SAW- läuft, wird in Form eines elektrischen Signales mittels des Eingangswandlers 5 oder einer anderen geeigneten Einrichtung, z.B. einer Ausgabeeinrichtung mit einem Mehrstreifenkopplungsglied gemäss der japanischen Patentanmeldung Nr. 54-64923 (1979); abgenommen.

Da die Gestalt der parametrischen Wechselwirkungszone, d.h. der Pumpelektrode M,entsprechend dem gewünschten Frequenzgang ausgebildet ist, wird nur die Signalkomponente der akustischen Eingangsoberflächenwelle SAW₁, die dem gewünschten Frequenzgang entspricht, als akustische Oberflächenwelle SAW„ oder SAW- gezielt ausgegeben.

Z.B. wird die Ausgangswelle SAW-, die entgegengesetzt zu der Eingangswelle SAW₁ läuft, als Signal mit dem gewünschten Frequenzgang gemäss Fig. 13 oder 15 ausgegeben, so dass die parametrische Vorrichtung wie ein gewünschter Bandfilter wirkt.

Was die Ausgangswelle SAW₂ betrifft, die in die gleiche Richtung wie die Eingangswelle SAW^ lauft, so ist hier der Störsignalanteil im Vergleich zu der Ausgangswelle SAW₃ etwas schlechter, doch wird auch diese Welle als Signal mit dem gewünschten Frequenzgang ausgegeben.

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Wie vorbeschrieben, ist erfindungsgemäss die Gestalt der parametrischen Wechselwirkungszone, d.h. der Pumpelektrode _t so ausgebildet, dass sie dem gewünschten Frequenzgang der akustischen Ausgangsoberflächenwelle entspricht. Wenn eine derartige parametrische Vorrichtung als variable Frequenzwählvorrichtung (Bandfilter) eingesetzt wird, hat sie den Vorteil, dass sie so ausgelegt werden kann, dass sie jedem gewünschten Ausgangsfrequenzgang Rechnung trägt.

Neben dem vorerwähnten Vorteil hat .die parametrische Vorrichtung nach der Erfindung sämtliche andere Vorteile, die man allgemein bei akustische Oberflächenwellen verarbeitenden Vorrichtungen findet. Z.B. hat die Vorrichtung eine variable Abstimmkennlinie über einen weiten Frequenzbereich, ist die Stabilität der Ausgangsmittenfrequenz durch die Stabilität einer externen Pumpenergiequelle bestimmbar und liegt ein sehr ausgezeichnetes Signal/Rauschverhältnis vor.

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Leerseite

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H-Weickm:am:m, D1?-l.-P-hys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska 3049102

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MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

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35-2 Hakusan 5-chome, Bunkyo-ku

Tokyo / Japan

Parametrische Vorrichtung zur Verarbeitung von
akustischen Oberflächenwellen

PATENTANSPRÜCHE

( 1 .J Parametrische Vorrichtung zur Verarbeitung von
aKustischen Oberflächenwellen, gekennzeichnet
durch

ein aus einer Halbleiterschicht (1) und einer piezoelektrischen Schicht (3) gebildetes Laminat,

eine Einrichtung zum Anlegen einer Pumpspannung an das
Laminat,

eine Einrichtung (5) zum Eingeben einer akustischen Oberflächenwelle in das Laminat, und

eine Einrichtung (6) zum Ausgeben einer, einer parametrischen Wechselwirkung unterzogenen akustischen Oberflächenwelle, wobei

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das Laminat eine parametrische Wechselwirkungszone (M) mit einer Breite senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle hat, die sich in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle entsprechend dem gewünschten Frequenzgang der akustischen Ausgangsoberflächenwelle ändert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) zum Ausgeben der akustischen Oberflächenwelle so ausgelegt ist, dass sie die entgegengesetzt zur akustischen Eingangsoberflächenwelle laufende akustische Oberflächenwelle ausgibt..
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Einrichtung zum Anlegen der Pumpspannung eine Pumpenergiequelle (9) umfasst, und dass eine Pumpelektrode (M) mit der Pumpenergiequelle verbunden und auf dem Fortpflanzungsweg der akustischen Oberflächenwelle auf dem Laminat angeordnet ist, wobei die Pumpelektrode eine Gestalt hat, die die Breite der parametrischen Wechselwirkungszone reguliert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Pumpelektrode (M) aus einer Vielzahl von Elektrodenelementen (m) besteht, die jeweils dem Zeitverlauf der akustischen Ausgangsoberflächenwelle bei einem an der Eingabeeinrichtung (5) anliegenden Impulssignal entsprechen und die gegeneinander isoliert sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Pumpelektrode (M) aus wenigstens einem Elektrodenelement gebildet ist, das eine Breite hat, die dem Zeitverlauf der akustischen Ausgangsoberflächenwelle in einem Bereich von -T bis ic bei einem an der Eingabeeinrichtung (5) anliegenden Impulssignal entspricht.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (7) zum Anlegen einer Gleichvorspannurig an die Pumpelektrode (M), wobei die Gleichvorspannung eine Sperrschichtkapazität hervorruft.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Halbleiterschicht aus Silicium und die piezoelektrische Schicht (3) aus Zinkoxid besteht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht aus Silicium und die piezoelektrische Schicht (3) aus Aluminiumnitrid besteht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen Isolierfilm (2), der zwischen der Halbleiterschicht (1) und der piezoelektrischen Schicht (3) angeordnet ist, um die Oberfläche der Halbleiterschicht zu passivieren.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , dass der Isolierfilm (2) ein Film aus Siliciumdioxid ist.

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