DE3700498A1

DE3700498A1 - Oberflaechen-schallwellenresonator

Info

Publication number: DE3700498A1
Application number: DE19873700498
Authority: DE
Inventors: Takashi Shiba; Norio Hosaka; Takemitsu Buma; Jun Yamada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-01-10
Filing date: 1987-01-09
Publication date: 1987-07-16
Also published as: DE3700498C2; JPH0646692B2; US4760359A; JPS62160807A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oberflächen- Schallwellenresonator mit geringen Verlusten, hohen Q-Werten und einer hohen Unterdrückung künstlichen Ansprechens.

Ein Oberflächen-Schallwellenresonator mit geringen Verlusten und hohen Q-Werten kann dadurch verwirklicht werden, daß ein interdigitaler bzw. kämmender Übertrager (IDT) mit vielen Elektroden verwendet wird, wie er beschrieben ist in "Koyamada et al.; 'Analysis of SAW Resonators Using Long IDT's and Their Applications', The Transactions of the Institute of Electronics and Communication Engineers of Japan, Vol. 60-A No. 9, September, 1977". Obwohl dieses Verfahren zur Verminderung des Verlustes und zur Erhöhung des Q-Wertes wirksam ist, wurde einer Verringerung des künstlichen Ansprechens, wie es im folgenden beschrieben wird, keine Aufmerksamkeit geschenkt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Oberflächen-Schallwellenresonator zur Verfügung zu stellen, der einen IDT mit vielen Elektroden einsetzt, und der geringe Verluste, einen hohen Q-Wert und ein geringes künstliches Ansprechen aufweist, um die erwähnten Probleme von hohem künstlichem Ansprechen, das bei den Geräten des Standes der Technik auftritt, zu vermeiden.

Der Oberflächen-Schallwellenresonator gemäß der Erfindung weist zwei Festkörper-Interdigital-Übertrager und zwei Gitterreflektoren auf einer piezoelektrischen Unterlage oder auf einer Unterlage für Oberflächen-Schallwellen auf, die piezoelektrisches Material enthält, und die Gitterreflektoren sind außerhalb dieser Übertrager angeordnet. Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Oberflächen-Schallwellenresonator eine Anzahl N _i von Elektrodenpaaren des interdigitalen Übertragers aufweist, wobei für die Zahl N _i die Bedingung gilt wobei ε einen charakteristischen mechanischen Abweichungs-Beitrag zwischen der Oberfläche der Elektrode und der freien Oberfläche des interdigitalen Übertragers bedeutet,
und wobei die Teilung (Abstand, Pitch) des interdigitalen Übertragers und die Teilung (Abstand, Pitch) des Gitters des Reflektors voneinander verschieden sind und zwar in einem Ausmaß, daß Wellen bzw. Störpeaks, die von Dreifachdurchgangsecho bei Frequenzen, die von der Spitzenfrequenz verschieden sind, verursacht werden, in einen Bereich außerhalb des Stop-Bandes des Reflektors abgelenkt werden.

Die Erfindung wird nun in bezug auf die Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Oberflächen-Schallwellen-Elements gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Reflektionscharakteristik eines interdigitalen Übertragers;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Übertragungscharakteristik eines isoliert eingesetzten interdigitalen Übertragers;

Fig. 4 eine graphische Darstellung eines Stop-Bandes eines Reflektors eines bekannten Resonators sowie die Übertragungscharakteristik eines interdigitalen Übertragers;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Charakteristika eines bekannten Resonators;

Fig. 6 eine graphische Darstellung eines Stop-Bandes und der Charakteristika eines interdigitalen Übertragers nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Charakteristika eines Resonators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine graphische Darstellung eines Stop-Bandes und der Charakteristika eines interdigitalen Übertragers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Charakteristika eines Resonators nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
darstellen.

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

Erfindungsgemäß werden IDT's eingesetzt, die viele Elektroden aufweisen, um Verluste zu vermindern und den Q-Wert zu erhöhen. Im Stande der Technik, bei Verwendung von Resonatoren des IDT-Typs mit vielen Elektroden fehlen Angaben über die Zahl der zu verwendenden Elektroden.

Bei dem Festkörper-IDT wird die Oberflächenwellenenergie in dem interdigitalen Übertrager gefangen, wodurch ein Peak (Spitzensignal) auf der niederfrequenten Seite oder auf der hoch-frequenten Seite des Passbandes erzeugt wird, der durch den interdigitalen Übertrager bestimmt wird. Der Verlust wird verringert und ein hoher Q-Wert dadurch erreicht, daß die Nebenwellen, die durch Dreifach-Durchgangsecho erzeugt werden, in Übereinstimmung mit dem Peak gebracht werden. Wenn N _i die Anzahl der Elektrodenpaare des interdigitalen Übertragers darstellt, und die Bandbreite Δ f _i des Abweisbereichs zu der Mittel-Frequenz f _oi normalisiert wird, die durch den Elektrodenabstand (electrode pitch) bestimmt wird, so ergibt sich

Da der interdigitale Übertrager auch als ein Reflektor angesehen werden kann, kann sein Stop-Band Bi unter Verwendung einer charakteristischen mechanischen Impedanz-Fehlanpassungs-Beteiligung ε eines Abschnittes, in dem die Elektrode existiert und eines solchen mit freier Oberfläche gemäß folgenden Gleichungen berechnet werden: Δ = ε sin (π t) sin (2N _i Δ) (3)

worin t das Metallisierungsverhältnis (Elektrodenbreite/ Abstand) bezeichnet.

Die obigen Gleichungen stammen aus folgender Literaturstelle P. S. Cross et. al., IEEE, Trans. SU-23, No. 4, 1976. Wenn die Zahl der Elektrodenpaare N _i ausreichend groß ist, kann die Gleichung (2) wie folgt geschrieben werden:

Es besteht das Erfordernis für den Resonator des IDT-Typs mit vielen Elektroden, den Peak des interdigitalen Übertragers in strikte Übereinstimmung mit dem Peak des Dreifach-Durchgangsechos zu bringen. Deshalb muß das Stop-Band gemäß Gleichung (2) größer sein als die Bandbreite der Gleichung (1). Aus den Gleichungen (1) und (4) ergibt sich für die Zahl der Elektrodenpaare N _i folgende Beziehung:

Die Zahl der Paare wird gemäß der Gleichung (5) für die IDT's mit vielen Elektroden bestimmt. Falls der Resonator in üblicher Weise mit dieser Anzahl von Elektrodenpaaren gebaut wird, ergibt sich in auffallender Weise, wie bereits erwähnt, das künstliche Ansprechen. Um dieses technische Problem zu lösen, wird erfindungsgemäß und bevorzugtermaßen vorgeschlagen, das auffallende künstliche Ansprechen zu unterdrücken, indem die Mittel-Frequenz des interdigitalen Übertragers von der Mittel-Frequenz des Reflektors in geeigneter Weise unterschiedlich gewählt wird.

Wie oben beschrieben, wird die Mittel-Frequenz des interdigitalen Übertragers unterschiedlich gemacht von der Mittel-Frequenz des Reflektors. D. h. wenn der Elektrodenabstand des interdigitalen Übertragers von der Teilung des Gitters des Reflektors unterschiedlich gemacht wird, können die durch das Dreifach- Durchgangsecho erzeugten Nebenwellen außer der Peakfrequenz so abgeleitet werden, daß sie außerhalb des Stop-Bandes des Reflektors liegen, so daß das künstliche Ansprechen unterdrückt werden kann. Inwieweit die Teilung (Abstand, Pitch) unterschiedlich gemacht werden soll, wird durch Wiederholung der Berechnungen oder Versuche bestimmt, und zwar derart, daß die Nebenwellen effektiv unterdrückt werden.

Die Erfindung wird nun noch näher unter Bezugnahme auf die Fig. 1-9 und die in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Oberflächen-Schallwellenresonators des IDT-Typs mit vielen Elektroden gemäß der vorliegenden Erfindung. Interdigitale Übertrager 1 und Reflektoren 2 sind auf der Oberfläche einer Schallwellenunterlage 3 wie in Fig. 1 gezeigt, angeordnet. Bezeichnet man die Elektrodenteilung mit g/2, so ergibt sich die Breite des interdigitalen Übertragers aus dem Produkt der Zahl der Elektrodenpaare N _i und λ. Wenn die effektive Schallgeschwindigkeit V beträgt, so wird durch λ die folgende Beziehung in bezug auf eine Mittel-Frequenz f _oi des interdigitalen Übertragers festgelegt:

V = f _oi λ (6)

Fig. 1 zeigt in überzeichneter Weise den Unterschied zwischen der Elektrodenteilung des interdigitalen Übertragers und der Teilung des Gitters des Reflektors.

Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wurde ein experimenteller Resonator unter Verwendung einer ST-X Kristallunterlage und Auswahl einer Peakfrequenz von 668 MHz hergestellt, wobei die Dicke des Elektrodenfilms 1000 Angström betrug. Falls z _m die charakteristische Impedanz eines Abschnitts, auf dem die Elektrode existiert, und z _o die charakteristische Impedanz eines freien Oberflächenbereiches bezeichnen, so ergibt sich der charakteristische mechanische Impedanz-Fehlanpassungs-Anteil ε durch die Formel

Experimente ergaben einen Wert von 0,012 für ε. Aufgrund der Gleichung (5) wurde die Zahl der Elektrodenpaare N _i auf 300 Paare festgelegt. Fig. 2 zeigt ein Stop-Band des interdigitalen Übertragers, wobei die durchgezogene Kurve 4 die Reflektionscharakteristika des interdigitalen Übertragers kennzeichnet. Fig. 3 zeigt die Charakteristika des interdigitalen Übertragers, wobei die durchgezogene Kurve 5 den Übertragungsverlust des interdigitalen Übertragers ohne Verwendung eines Reflektors darstellt. Der durch das Einfangen von Energie in dem Übertrager erzeugte Peak stimmt mit dem durch das dreifache Durchgangsecho erzeugten Peak überein.

Vergleichsbeispiel:

Zu Vergleichszwecken wurden Resonatoren in traditioneller Weise gebaut. Fig. 4 zeigt die Reflektionscharakteristika (gestrichelte Kurve 6) des Reflektors eines bekannten Resonators und den Übertragungsverlust (durchgezogene Kurve 5) des interdigitalen Übertragers allein. In Fig. 4 bezeichnet f _og die Mittel-Frequenz bestimmt durch die Teilung (Abstand, Pitch) des Gitters des Reflektors. Bei dieser bekannten Einrichtung ist die Elektrodenteilung des interdigitalen Übertragers gleich der Gitterteilung des Reflektors und die Mittel-Frequenzen der beiden sind einander gleich. Fig. 5 zeigt die Charakteristika eines Resonators, an den ein Oszillator angeschlossen ist, wobei die durchgezogene Kurve 7 die Transmissionsverluste darstellt. Obwohl der Verlust 6 dB beträgt und der Lastwert Q 3500 ist, erkennt man, daß künstliches Ansprechen in einer großen Zahl auftritt.

Erste Ausführungsform:

Fig. 6 zeigt die Reflektionscharakteristika (gestrichelte Kurve 8) eines Reflektors und die Charakteristika (durchgezogene Kurve 5) des interdigitalen Übertragers allein in der vorliegenden Ausführungsform. Die Elektrodenteilung des Reflektors war so eingestellt, daß sie 1,005 mal größer ist als die des interdigitalen Übertragers (f _og ≦ωτ f _oi), so daß Nebenwellen, die durch Dreifach-Durchgangsecho mit einer anderen als der Peakfrequenz erzeugt wurden, außerhalb des Stop-Bandes lagen. Fig. 7 zeigt die Charakteristika des so aufgebauten Resonators, wobei die durchgezogene Kurve 9 die Übertragungsverluste darstellt. Der Verlust betrug 6,2 dB, Der Lastwert Q betrug 3500 und künstliches Ansprechen konnte um mehr als 15 dB unterdrückt werden.

Zweite Ausführungsform:

Die Fig. 8 und 9 zeigen die Charakeristika dieser Ausführungsform, wenn die Teilung des Reflektors 1,0025 mal größer gewählt wird als die Teilung des interdigitalen Übertragers, und das Metallisierungsverhältnis des Reflektors auf 30% eingestellt wird. Fig. 8 zeigt die Reflektionscharakteristika (gestrichelte Kurve 10) für diesen Fall und die Charakteristika (durchgezogene Kurve 5) des interdigitalen Übertragers allein. Fig. 9 zeigt die Charakteristika des so aufgebauten Resonators, wobei die durchgezogene Kurve 11 die Übertragungsverluste darstellt. Es wurde ein gutes Ergebnis mit 7 dB Verlust und einem Lastwert Q von 3600 erhalten, wobei das künstliche Ansprechen um mehr als 16 dB unterdrückt werden konnte. Ein Merkmal dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Dispersion in der Peakfrequenz, verursacht durch die Dispersion in dem Metallisierungsverhältnis, das sich unvermeidbar während des Herstellungsverfahrens aufgrund kleiner Absolutwerte der Maße ergibt, wenig variiert, da die Peakfrequenz im Zentrum des Stop-Bandes des Reflektors existiert.

Wie oben erläutert, ermöglicht die vorliegende Erfindung die Schaffung eines Oberflächen-Schallwellenresonators mit kleinen Verlusten, hohen Q-Werten und verringertem künstlichen Ansprechen (einer Verbesserung um mehr als 5 dB im Vergleich mit üblichen Vorrichtungen), in dem interdigitalen Übertrager mit vielen Elektroden eingesetzt werden.

Claims

1. Oberflächen-Schallwellen-Resonator mit zwei Festkörper-Interdigital-Übertragern und zwei Gitterreflektoren, die auf einer piezoelektrischen Unterlage oder auf einer Schallwellen- Unterlage, die piezoelektrisches Material enthält, angeordnet sind, wobei die Gitterreflektoren außerhalb der Übertrager angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl N _i der Elektrodenpaare der Interdigital- Übertrager die Beziehung erfüllt, wobei ε einen charakteristischen mechanischen Impedanz-Fehlanpassungs-Anteil zwischen der Oberfläche der Elektrode und der freien Oberfläche des Interdigital-Übertragers bedeutet,
und wobei die Elektrodenteilung des Interdigital- Übertragers und die Teilung des Gitters des Reflektors derart voneinander verschieden ausgebildet sind, daß Nebenwellen, die durch Dreifach- Durchgangsecho bei Frequenzen, die von der Peakfrequenz verschieden sind, erzeugt wurden, in einen Bereich außerhalb des Stop-Bandes der Reflektoren abgeleitet sind.

2. Oberflächen-Schallwellen-Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung der Elektrode des Interdigital-Übertragers und die Teilung des Gitters des Reflektors derart voneinander verschieden sind, daß die Peakfrequenz annähernd im Zentrum des Stop-Bandes des Reflektors liegt.