DE3112273A1

DE3112273A1 - Vorrichtung zur verarbeitung von akustischen oberflaechenwellen sowie verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3112273A1
Application number: DE19813112273
Authority: DE
Inventors: Shoichi Toda Saitama Minagawa
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1980-03-28
Filing date: 1981-03-27
Publication date: 1982-04-01
Also published as: GB2073529B; JPS56136017A; FR2479608A1; FR2479608B1; US4403202A; JPH025326B2; GB2073529A

Description

- 5 Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verarbeitung von akustischen Oberflächenwellen sowie Verfahren zu ihrer Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Wandler für akustische Oberflächenwellen mit hoher Frequenz und Bandbreite,der sich einfach herstellen lässt.

Ein herkömmlicher Wandler der in Rede stehenden Art mit kantenseitiger Anklebung seiner laminierten Anordnung ist in Fig. 1 gezeigt und wird nachfolgend noch näher erläutert. Obgleich dieser herkömmliche Wandler eine Breitbandkennlinie hat, ist seine Herstellung in der Praxis mit Schwierigkeiten verbunden. Folgende Verfahren zur Herstellung dieses Wandlers eignen sich:

(1) Zunächst wird das piezoelektrische Element ausgebildet und dann werden an dessen gegenüberliegenden Enden Elektroden vorgesehen. Die erhaltene Anordnung wird dann an die Endfläche des elastischen Materials angeklebt.

(2) Eine Metallelektrode, wird auf die Endfläche des elastischen Elementes in Vakuum aufgegeben und dann ein piezoelektrischer dünner Film (z.B. aus Zinkoxid oder dgl.) und die weitere Metallelektrode darauf unter Vakuum abgelagert.

Beide Verfahren erweisen sich als schwierig bei der praktischen Herstellung des gewünschten Wandlers. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Mittenfrequenz f_Q hoch ist, da die in Fig. 1 angegebenen Abmessungen a und b der laminierten Anordnung klein sind. Ausserdem ergeben sich Probleme hinsichtlich des ak\istischen Verhaltens bei Verwendung von Klebstoffen.

-Ii! /O

Ziel der Erfindung ist demgegenüber die Schaffung einer Vorrichtung der in Rede stehenden Art sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung unter Ausschaltung der mit herkömmlichen Vorrichtungen verbundenen Nachteile.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Verarbeitung von akustischen Oberflächenwellen zeichnet sich aus durch:

ein elastisches Element,

eine laminierte Anordnung, die auf dem Fortpflanzungsweg der akustischen Oberflächenwelle des elastischen Elementes vorgesehen ist und wenigstens eine Metallelektrode und ein piezoelektrisches Element umfasst, und

eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Signales . an die Elektrode, wobei

das elastische Element eine akustische Impedanzdiskontiuitätsfläche hat und die laminierte Anordnung bei Anlegen des elektrischen Signales eine Longitudinalwelle erzeugt, die durch die akustische Impedanzdiskontinuitätsfläche reflektiert wird, um eine Transversalwelle vorzusehen.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter vorhergehender Bezugnahme auf den Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert.Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht von einem herkömmlichen Wandler mit akustischen Oberflächenwellen,

Fig. 2 schematische Ansichten von einer Ausführungsform ^un<? ³ der Erfindung,

Fig. 4 Kurven bezüglich des charakteristischen Verlaufes ^un des Reflexionsvermögens in Abhängigkeit von dem

Winkel der reflektierenden Fläche bei erfindungsgemäss aufgebauten Vorrichtungen,

<-< I ί J.

_ 7 —

Fig. 6 eine schematische Ansicht von einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 8i, schematische Ansichten zur Erläuterung weisowie*Fia 9 ^terer Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemässen Vorrichtungen, und

Fig. 10 schematische Ansichten von verschiedenen Modibis 14 £··,.· -, ^..-.j

fxkatxonen der Erfxndung.

Der herkömmliche Wandler mit kantenseitiger Anklebung ist in Fig. 1 gezeigt. Darin betreffen das Bezugszeichen 1 ein elastisches Element, 1' eine Fortpflanzungsfläche für die akustische Oberflächenwelle, 2 ein piezoelektrisches Element, 3 und 4 Elektroden, 5 einen Eingangsanschluss für das elektrische Signal und 6 eine akustische Oberflächenwelle.

Zur Fortpflanzung der akustischen Oberflächenwelle 6 auf der Fläche 1' des elastischen Elementes 1 ist, wie dargestellt, eine laminierte Anordnung, bestehend aus den Elektroden 3 und 4 sowie dem piezoelektrischen Element 2, an einer Endfläche des elastischen Substrates 1 senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der hervorzurufenden akustischen Oberflächenwelle vorgesehen.

Das piezoelektrische Element 2 hat eine wirksame Breite a und eine Dicke b. Bei einer angenommenen Wellenlänge ^₀ der akustischen Oberflächenwelle bei der Mittenfrequenz beträgt a :ü /I „ und b ori ö"° ·

Wenn an dem Eingangsanschluss 5 eine Wechselspannung anliegt, gerät das piezoelektrische Element 2 in Schwingungen. Infolge davon wird an einem Endbereich der Fläche 1' des elastischen Elementes 1 eine akustische Oberflächenwelle 6 hervorgerufen, die sich in Fig. 1 nach links fortpflanzt.

Nachfolgend werden die Ausfuhrungsformen der Erfindung beschrieben. In Fig. 2 und 3 tragen gleiche Teile das gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1. 7 betrifft eine akustische Impedanzdiskontinuitätsfläche (eine Reflexionsfläche für Longitudinalwellen) an einem elastischen Element 1. Die Fläche 7 wird durch Schneiden des elastischen Elementes unter einem Winkel oC gegenüber der · Fortpflanzungsfläche 1' für die akustische Oberflächenwelle gebildet, so dass die Fläche einen Punkt auf dem Fortpflanzungsweg der akustischen Oberflächenwelle nahe einem Kantenbereich der laminierten Anordnung und einen Punkt unterhalb der laminierten Anordnung umfasst.

Die laminierte, z.B. in Form eines Streifens ausgebildete Anordnung ist auf dem Fortpflanzungsweg der akustischen Oberflächenwelle des elastischen Elementes 1 vorgesehen und erstreckt sich senkrecht zu dem Wellenfortpflanzungsweg.

Wenn eine Wechselspannung an den Metallelektroden 3 und 4, die an der ober-en bzw. unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elementes 2 der laminierten Anordnung vorgesehen sind, über die Anschlussklemme 5 angelegt wird, entsteht eine Schwingung infolge einer Expansion und Kontraktion des piezoelektrischen Elementes 2 und wird damit eine LongitudinalwelleA im elastischen Element 1 hervorgerufen. Diese Longitudinalwelle A wird an der akustischen Impedanzdiskontinuitätsfläche 7 reflektiert und in eine Longitudinalwelle C und eine Transversalwelle B aufgeteilt.

■" - - υ ι ; ,:. ,ι.

Da die Transversalwelle B in einer Tiefe von etwa einer Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle von der Oberfläche des elastischen Elementes 1 ähnliche Schwingungskomponenten wie diejenigen der akustischen Oberflächenwelle hat, wird die Transversalwelle B effektiv in eine akustische Oberflächenwelle umgewandelt.

Fig. 4 zeigt für Berechnungsbeispiele den charakteristischen Verlauf der Änderung des Reflexionsvermögens in Abhängigkeit von dem Winkel oü der reflektierenden Fläche bei einem Amplitudenverhältnis ["!.. (Reflexionsgrad) zwischen der reflektierten Transversalwelle B und der auffallenden Longitudinalwelle A sowie bei einem Amplitudenverhältnis

Jl₁ zwischen der reflektierten Longitudinalwelle C und der auffallenden Longitudinalwelle A, wenn für das elastische Element 1 geschmolzener Quarz verwendet wird. Wie aus Fig. 4 zu entnehmen ist, sollte zur wirksamen Umwand^ng der auffallenden Longitudinalwelle A in die reflektierte Transversalwelle B ein Winkel oC/ gewählt werden, bei dem TV₁ gross und der absolute Werte für 7~3i klein ist. Bei dem Beispiel nach Fig. 4 wird daher ein Winkel co im Bereich von 20°<-Λ,. C 60° bevorzugt.

Fig. 5 zeigt ein ähnliches Berechnungsbeispiel mit Kupfer als Material für das elastische Element 1. Bei diesem Beispiel ergibt sich ein bevorzugter Bereich für den Winkel cO von 3 0° CfL· C 75°, vgl. Fig. 5.

Der erfindungsgemässe akustische Oberflächenwellenwandler arbeitet somit wirksam, wenn der Winkel oC im Bereich von C 75° gewählt wird.

Angenommen die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Transversalwelle B (Fig. 3) beträgt V_gv und die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Longitudinalwelle C (Fig. 3) V_T, dann ergibt sich folgende Beziehung zwischen oi> und ß (ein Winkel, der durch die Richtung der Transversalwelle und die Diskontinuitätsfläche 7 definiert ist):

α ^VSV . c _D r

cos ß = -—— sm σθ ι ο = ß - ds

^VL

Um wirksam die hervorgerufene Transversalwelle B in eine akustische Oberflächenwelle umzuwandeln, sollte ^ vorzugsweise so klein wie möglich nahezu 0 sein. Daher kann bei der Auslegung eines erfindungsgemässen akustischen Oberflächenwellenwandlers, der in wirksamer Weise akustische Oberflächenwellen zu erzeugen vermag, der Winkel ^jC i-^m Bereich von 2Q°/Ä, £ 75° bei den Werten für V und V_T

und V so ausgewählt werden, dass b nahezu 0 wird.

Was die Breite in Tiefenrichtung der Transversalwelle B betrifft, so kann die Welle B am wirksamsten in eine akustische Oberflächenwelle umgesetzt werden, wenn besagte Breite im wesentlichen der Eindringtiefe der akustischen Oberflächenwelle, d.h. der Wellenlänge /[_Q der akustischen Oberflächenwelle, entspricht. Angenommen die effektive Breite des piezoelektrischen Elementes 2 und der Metallelektroden 3 und 4 betrage. a, dann kann der gewünschte Wandler so ausgelegt sein, dass er der Beziehung a·. taneO— Aq folgt·

Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Verarbeitung von akustischen Oberflächenwellen.

Die Vorrichtung nach der Erfindung lässt sich leicht nach einem herkömmlichen photolithographischen Verfahren herstellen, da

die Anordnung mit dem piezoelektrischen Element auf der Fortpflanzungsfläche der akustischen Oberflächenwelle angeordnet ist. Geeignete Vorfahren zur Schaffung der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Verarbeitung von akustischen Oberflächenwellon werden nachfolgend angegeben:

(1) Gemäss Fig. 7 wird ein Substrat 1 aus elastischem Material zu einem rechteck- oder quadratförmigen Plättchen gebildet, das an einem Ende unter einem Winkel .cG abgeschliffen wird. Danach wird auf die Oberfläche 1' ein Metall 3 aufgedampft und ein piezoelektrisches Material 2 darauf durch Aufdampfen oder dgl. aufgegeben. Anschliessend wird durch Aufdampfen ein Metall 4 auf das piezoelektrische Material 2 aufgegeben. Danach werden nach dem Photoätzungsverfahren oder dgl. die nicht erforderlichen Bereiche entfernt.

(2) Wenn als Material für das Substrat 1 Silicium Si oder Galliumarsenid GaAs verwendet wird, wird die Art und Geschwindigkeit der chemischen Ätzung entsprechend den Richtungseigenschaften der Kristalle variiert. Bei Verwendung dieses besonderen Ätzungsverfahrens kann ein gewünschter Winkel eO für die akustische Impedanzdiskontinuitätsfläche erhalten werden.

Z.B. wird gemäss Fig. 8(i) die laminierte Anordnung aus dem Metall 3,dem piezoelektrischen Element 2 und dem Metall 4 auf dem Substrat 1 durch Aufdampfen und Photoätzen ausgebildet. Danach wird gemäss Fig. 8{ii) eine Schicht aus SiO₂ oder dgl. schräg auf der erhaltenen Anordnung aufgedampft, wobei ein Bereich 9 mit einer geeigneten Grosse nahe der laminierten Anordnung unter Verwendung einer Bedampfungsmaske 8 nicht bedampft wird. Infolge davon entsteht an der rechten Seite der laminierten Anordnung genäss Fig. 8 (ii) ein Fenster 10. Auf dem Be-

reich 9 wird ein lichtelektrischer Film 11 ausgebildet. Dann erfolgt an dem Fenster 10 zur Bildung einer Fläche mit dem Winkel JL* eine gezielte Ätzung. Der SiO₅-FiIm und der Photowiderstandsfilm 11 werden an-

schliessend entfernt.

Durch die Schrägbedampfung zur Bildung des Ätzwiderstandsfilms (SiO₂-FiIm) kann die mit der Maskenausrichtung verbundene Arbeit ausgeschaltet und eine sehr genaue Verarbeitung erhalten werden.

(3) Anstelle der gezielten chemischen Ätzung kann auch eine Ätzung mit einem gerichteten Ionenstrahl gemäss Fig. 9 oder eine Trockenätzung, z.B. durch ein Ionenabtragverfahrenyzur Bildung der Endfläche unter dem Winkel oC· verwendet werden.

Fig. 10 bis 14 zeigen verschiedene Modifikationen der Erfindung. In Fig. 10 betrifft das Bezugszeichen 13 ein die Endfläche abschirmendes Element, das die laminierte Anordnung und die reflektierende Fläche des elastischen Elementes 1 überdeckt. Vorzugsweise hat das abschirmende Element 13 einen ausreichenden Unterschied in der akustischen Impedanz relativ zum elastischen Material. Fig. 11 und 12 zeigen jeweils einen sphärisch gekrümmten akustischen Wellengenerator mit einer sphärisch gekrümmten laminierten Anordnung 14 und einer reflektierenden Fläche 15 an einem elastischen Element. Fig. 13 zeigt einen konischen Wandler mit einer konisch ausgebildeten laminierten Anordnung 16, die sich zur Verbreiterung des Bandes eignet. Fig. 14 zeigt eine Modifikation, bei der eine Metallelektrode 4 eine andere Breite als die Breite der Metallelektrode 3 und des piezoelektrischen Elementes 2 hat.

Anhand der vorausgehenden Buschreibung dürfte ersichtlich sein, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Verarbeitung von akustischen Oberflüchenwellen die folgenden Wirkungen vorsieht:

(1) eine grosse Bandbreite;

(2) im Vergleich zu herkömmlichen kantenbeklebten Wandlern eine leichtere Herstellung in der Praxis;

(3) eine hohe Produktivität durch Anwendung einer planaren Technik,

(4) eine hohe Wirksamkeit insbesondere hinsichtlich der Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen auf einem elastischen Material aus Si oder GaAs;

(5) die Möglichkeit der Erzeugung akustischer Oberflächenwellen auf einer integrierten Schaltung;

(6) Wegfall der mit der Verwendung von Klebstoffen bei herkömmlichen kantenbeklebten Wandlern verbundenen Probleme;

(7) Möglichkeit der Fertigung nach dem photolithographischen Verfahren, so dass akustische Oberflächenwellen mit sehr hoher Frequenz erhalten werden können, und

(8) eine ausgezeichnete Umwandlungswirksamkeit, da ein longitudinaler Wandler verwendet werden kann.

Claims

3 5-2 Hakusan 5-chome, Bunkyo-ku Tokyo, Japan Vorrichtung zur Verarbeitung von akustischen Oberflächenwellen sowie Verfahren zu ihrer Herstellung PATENTANSPRÜCHE

1.) Vorrichtung zur Verarbeitung von akustischen Oberflächenwellen, gekennzeichnet durch

ein elastisches Element (1),

eine laminierte Anordnung (2,3,4;14,16), die auf dem Fortpflanzungsweg der akustischen Oberflächenwelle des elastischen Elementes vorgesehen ist und wenigstens eine Metallelektrode (3, 4) und ein piezoelektrisches Element (2) umfasst, und

eine Einrichtung (5) zum Anlegen eines elektrischen Signales an die Elektrode, wobei

: ■ : . ■ r ^r·" ι "· ο 7 ο

das elastische Element eine akustische Impedanzdiskontinuitätsfläche (7) hat und die laminierte Anordnung bei Anliegen des elektrischen Signales eine Longitudinalwelle erzeugt, die von der akustischen Impedanzdiskontinuitätsfläche reflektiert wird, um eine Transversalwelle hervorzurufen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die laminierte Anordnung streifenförmig ausgebildet ist und eine Längsrichtung hat, die sich senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle erstreckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Metallelektrode (3, 4) eine Breite in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle hat, die im wesentlichen der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle entspricht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die akustischen Impedanzdiskontinuitätsfläche (7) unter einem Winkel im Bereich von 20° bis 75° relativ zum Fortpflanzungsweg der akustischen Oberflächenwelle liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das elastische Element (1) und die laminierte Anordnung so ausgebildet sind, dass sich die Beziehung a · tan<# CL X, ergibt bei einer Breite a der laminierten Anordnung in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle, einem Winkel du , unter dem die akustische Impedanzdiskontinuitätsfläche (7) relativ zum Fortpflanzungsweg der akustischen Oberflächenwelle liegt und einer Wellenlänge X der akustischen Oberflächenwelle.

i ..:. Z

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein an der laminierten Anordnung und der akustischen Impedanzdiskontinuitätsfläche (7) vorgesehenes abschirmendes Material (13).

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die laminierte Anordnung (14) und die akustische Impedanzdiskontinuitätsfläche (7) sphärisch ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die laminierte Anordnung (16) konisch ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Metallelektrode (4) eine andere Breite als die des piezoelektrischen Elementes (2) hat.

10. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zur Verarbeitung von akustischen Oberflächenwellen, dadurch gekennzeichnet, dass man ein elastisches Substrat in Form eines rechteckförmigen Plättchens ausbildet, eine Endfläche des Substrates so bearbeitet, dass sie unter einem gewünschten Winkel zu liegen kommt, und einen Metallfilm, einen piezoelektrischen Film und einen weiteren Metallfilm nacheinander auf das Substrat aufgibt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , dass man nach der Bildung des elastischen Substrates und der Aufgabe des Metallfilms, des piezoelektrischen Films und des weiteren Metallfilms auf dem Substrat ein Ätzwiderstandsmaterial so aufdampft, dass an einer Seite der laminierten Anordnung, bestehend aus den Metallelektroden und dem piezoelektrischen Element, ein Fenster verbleibt, an dem Fenster das elastische Element einer Ätzung unterzieht, um

die unter dem gewünschten Winkel liegende Endfläche auszubilden, und das Ätzwiderstandsmaterial entfernt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufdampfen schräg durch eine Maske erfolgt, ein Photowiderstandsfilm auf dem Substrat an einer der Maske entsprechenden Stelle ausgebildet wird und der Photowiderstandsfilm nach dem Ätzen entfernt wird.

13. Verfahren zum Herstellen von einer akustische Oberflächenwellen verarbeitenden Vorrichtung, dadurch g e k e η η zeichnet , dass man ein Material zu einem elastischen Substrat verarbeitet, einen Metallfilm, einen piezoelektrischen Film und einen weiteren Metallfilm in dieser Reihenfolge auf das Substrat aufgibt, ein Ätzwiderstandsmaterial so aufdampft, dass auf der rechten Seite der laminierten Anordnung, bestehend aus den Metallelektroden und dem piezoelektrischen Element, ein Fenster verbleibt, eine Endfläche des elastischen Elementes an dem Fenster so vorsieht, dass sie unter einem gewünschten Winkel zu liegen kommt, und das Ätzwiderstandsmaterial entfernt.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , dass das Ätzen gezielt auf chemischem Wege vorgenommen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , dass die Bildung der Endfläche eine schräge Bestrahlung mit einem Ionenstrahl umfasst.

16. Verfahren nach Anspruch 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet , dass eine Schrägbedampfung vorgenommen wird.