DE4132309A1

DE4132309A1 - Stoneleywellen-bauteil mit nicht-reflektierenden interdigitalwandlern

Info

Publication number: DE4132309A1
Application number: DE19914132309
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl Ing Dr Lerch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 1993-04-01

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stoneleywellen-Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispielsweise aus IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 36, No. 2, March 1989, p. 159-167 bekannt ist.

Neben den bekannten Oberflächenwellen-Komponenten, deren Funk tion auf der Anregung, Ausbreitung und Detektion von akusti schen Oberflächenwellen in piezoelektrischen Medien beruht, sind auch Stoneleywellen-Bauteile bekannt, bei denen als In formationsträger Stoneleywellen verwendet werden. Solche Sto neleywellen-Bauteile können beispielsweise als Filter oder Verzögerungskomponenten in der Signalverarbeitung eingesetzt werden. Stoneleywellen setzen sich aus zwei mit gleicher Aus breitungsgeschwindigkeit und -richtung laufenden akustischen Oberflächenwellen zusammen, die sich in aneinandergrenzenden Medien ausbreiten. Entsprechend den Rayleighwellen bei Ober flächenwellen sind auch Stoneleywellen im allgemeinen nicht dispersiv und zeichnen sich durch eine geringe Dämpfung in ihrer Ausbreitungsrichtung aus. Wegen der im Vergleich zu elektromagnetischen Wellen wesentlich geringeren Ausbreitungs geschwindigkeit akustischer Wellen allgemein können insbeson dere auch durch die Verwendung von Stoneleywellen bei der Ver zögerung elektrischer Signale die geometrischen Abmessungen von Bauteilen verringert werden. Stoneleywellen-Bauteile eig nen sich deshalb für solche Baugruppen, bei denen eine Minia turisierung erreicht werden soll. Ein besonderer Vorteil von Stoneleywellen besteht darin, daß sie im Inneren eines Fest körpers verlaufen und deshalb der Wellenleiter keines besonde ren mechanischen Schutzes bedarf. Ein Gehäuse ist somit nicht notwendig.

Es sind Kriterien zur Auswahl geeigneter Materialien für die zwei aneinandergrenzenden Trägermedien bekannt, um die Existenzbedingung für Stoneleywellen in einem Bereich der Grenzfläche zwischen den beiden Medien zu erfüllen. Allgemeine Kriterien sind annähernd gleiche Scherwellengeschwindigkeiten sowie ein großes Verhältnis der Dichten der beiden Medien. Durch numerische Berechnungen, die durch Experimente bestätigt wurden, wurde als beste Kombination der untersuchten Materia lien eine Kombination aus einem X-148°Y-LiTaO₃-Schnitt als piezoelektrischem Medium und Siliziumdioxid SiO₂ als isotropem Medium ausgewählt. Dadurch erhält man eine temperaturunab hängige Verzögerungszeit und einen großen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten. Die Stoneleywellen werden dabei in einem ersten Interdigitalwandler angeregt, breiten sich im Grenzflächenbereich aus und werden dann von einem zweiten Interdigitalwandler detektiert (IEEE Transactions on Ultra sonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 36, No. 2, March 1989, p. 159-167).

Problematisch sind sowohl bei Oberflächenwellen als auch bei Stoneleywellen die stets auftretenden Reflexionen dieser aku stischen Wellen an den Fingerelektroden der Interdigitalwandler. Diese Reflexionen führen zu einem parasitären Triple- Transit-Signal. Dieses Signal entsteht dadurch, daß die Wel len nacheinander an Empfänger und Sender reflektiert werden und somit erst nach dreimaligem Durchlaufen der Laufstrecke zwischen Empfänger und Sender detektiert werden.

Bei tiefen Frequenzen können diese störenden Reflexionen durch Splitfinger unterdrückt werden. Bei hohen Frequenzen, etwa über 500 MHz, sind derartige Splitfinger wegen der dazu benö tigten zu geringen Abmessungen technologisch nicht mehr zu realisieren. Für Oberflächenwellen-Bauteile sind auch bei hohen Frequenzen nicht-reflektierende Interdigitalwandler be kannt. Die Fingerelektroden dieser Interdigitalwandler sind dabei nicht geteilt. Durch numerische Berechnungen mit Hilfe eines Finite-Elemente-Verfahrens wurde gezeigt, daß für das Trägermedium YRot128°X-LiNbO₃ die Oberflächenwellen dann nicht an dem Interdigitalwandler reflektiert werden, wenn die Fin gerelektroden aus Aluminium Al und mit einer geeigneten Höhe gewählt werden (Archiv Electronik und Übertragungstechnik AEÜ, Bd. 44, Heft 4, Juli/August 90, Seiten 317 bis 327).

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, ein Stoneleywellen-Bauteil mit nicht-reflektierenden Inter digitalwandlern, auch für Stoneleywellen hoher Frequenzen, anzugeben.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des An spruchs 1. Ein Stoneleywellen-Bauteil mit nicht-reflektieren den Interdigitalwandlern gemäß der Erfindung enthält ein pie zoelektrisches und ein direkt daran angrenzendes isotropes Trägermedium. Diese Trägermedien sind derart gewählt, daß sich in dem Bereich ihrer Grenzfläche Stoneleywellen ausbreiten können. Zum Erzeugen und Empfangen der Stoneleywellen sind jeweils ein Interdigitalwandler mit piezoelektrischen Finger elektroden als Sender bzw. Empfänger vorgesehen. Diese Finger elektroden werden vorzugsweise mit alternierender Polarität angeordnet. Der Abstand der Fingerelektroden bestimmt die Wellenlänge λ der Stoneleywellen. Erfindungsgemäß werden nun die Höhe und das Material der Fingerelektroden so gewählt, daß keine Reflexionen der Stoneleywellen an den Fingerelektroden mehr auftreten.

Besondere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprü chen. Durch Berechnungen mit Hilfe eines numerischen Finite- Elemente-Verfahrens wurden für die Kombination von einem Lithiumtantalatschnitt, vorzugsweise einem X-148°Y-LiTaO₃- Schnitt, als piezoelektrischem Trägermedium und Siliziumdioxid SiO₂ als isotropem Trägermedium zwei Möglichkeiten für refle xionsfreie Interdigitalwandler festgestellt, wenn die Mitten der Fingerelektroden in einem Abstand λ/2 der Wellenlänge angeordnet sind. Entweder man wählt als Material für die Fingerelektroden Silber Ag und als Höhe H = 0,012 λ oder als Material Gold Au und als entsprechende Höhe der Fingerelek troden H = 0,005 λ. Abweichungen von den angegebenen Zahlen werten für die Höhen H der Fingerelektroden sind möglich und gegebenenfalls entsprechend zu berücksichtigen. Solche Abwei chungen können auftreten beispielsweise bei anderen Elektro denformen, beispielsweise bei von λ/4 verschiedenen Elektro denbreiten, bei anderen Trägermaterialien oder auch aufgrund der nie ganz zu vermeidenden Toleranzen in den Lithiumtanta lat-Tensor-Daten, beispielsweise infolge von Inhomogenitäten.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die zwei Figu ren der Zeichnung Bezug genommen.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Stoneleywellen Bauteils gemäß der Erfindung.

In der Fig. 2 ist in einem Diagramm der berechnete Refle xionskoeffizient r pro Fingerelektrode für verschiedene Materialien über dem Quotienten aus Elektrodenhöhe H durch Wellenlänge λ aufgetragen.

In der Ausführungsform eines Stoneleywellen-Bauteils gemäß Fig. 1 ist ein isotropes Trägermedium 2 auf einem piezoelek trischen Trägermedium 4 angeordnet. Im Bereich der Grenzfläche 6 zwischen den beiden Trägermedien sind zwei Interdigitalwand ler als Sender 8 und Empfänger 10 vorgesehen. Die Mitten der Fingerelektroden 9 der beiden Interdigitalwandler sind in einem Abstand d angeordnet. Dieser Abstand d bestimmt die Wellenlänge λ der Stoneleywelle und beträgt vorzugsweise eine halbe Wellenlänge λ. Durch geeignete Wahl der Höhe H und des Materials der Fingerelektroden 9 erhält man reflexionsfreie Interdigitalwandler 8 und 10.

In Fig. 2 ist der berechnete Reflexionskoeffizient r bezogen auf eine Fingerelektrode in Abhängigkeit von dem Quotienten aus der Höhe H der Fingerelektrode durch die Wellenlänge λ der Stoneleywelle für drei verschiedene Elektroden-Materialien aufgetragen. Der Reflexionskoeffizient ist ein Maß für den Anteil der reflektierten Stoneleywellen. Negative Werte des Reflexionskoeffizienten entsprechen einer Phasenverschiebung von 180° der reflektierten gegenüber der einfallenden Welle. Die Werte wurden berechnet für eine Ausführungsform mit einem X-148°Y-LiTaO₃-Schnitt als piezoelektrischem und SiO₂ als isotropem Trägermedium sowie für λ/4-breite Elektroden. Aus dem Diagramm ist zu erkennen, daß der Reflexionskoeffizient r Al für Fingerelektroden aus Aluminium annähernd konstant bei etwa 0,5% bleibt. Für die Materialien Silber Ag und Gold Au jedoch schneiden die entsprechenden mit r_Ag bzw. r_Au bezeich neten Kurven die Nullinie in den entsprechenden Punkten H_Ag/λ = 0,012 bzw. H_Au/λ = 0,005. Mit diesen beiden Materia lien und den dazugehörigen Höhen für die Fingerelektroden lassen sich also reflexionsfreie Interdigitalwandler in einem Stoneleywellenbauteil herstellen.

Claims

1. Stoneleywellen-Bauteil mit folgenden Merkmalen:

a) Im Bereich der Grenzfläche (6) zwischen einem isotropen Trägermedium (2) und einem piezoelektrischen Trägermedium (4) sind als Sender (8) zur Anregung von Stoneleywellen und als Empfänger (10) für Stoneleywellen jeweils ein Interdigitalwandler vorgesehen, der mit Fingerelektroden (9) versehen ist,
b) die beiden Trägermedien (2) und (4) sind so gewählt, daß die Bedingungen für die Existenz von Stoneleywellen im Be reich der Grenzfläche (6) erfüllt sind;
c) die Wellenlänge λ der Stoneleywellen wird durch den Abstand d der Mitten der Fingerelektroden (9) bestimmt, der vor zugsweise λ/2 beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß
d) das Material und die Höhe H der Fingerelektroden (9) der Interdigitalwandler so gewählt sind, daß keine Reflexionen der Stoneleywellen an den Fingerelektroden (9) auftreten.

2. Stoneleywellen-Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als isotropes Träger medium (2) Siliziumdioxid SiO₂ und als piezoelektrisches Trä germedium (4) ein Lithiumtantalatschnitt, vorzugsweise ein X 148,8°-LiTaO₃-Schnitt, vorgesehen ist.

3. Stoneleywellen-Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

a) λ/4-breite Fingerelektroden (9) vorgesehen sind,
b) diese Fingerelektroden (9) aus Silber Ag bestehen und
c) die Höhe H = 0,012 λ beträgt.

4. Stoneleywellen-Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

a) λ/4-breite Fingerelektroden (9) vorgesehen sind,
b) diese Fingerelektroden (9) aus Gold Au bestehen,
c) die Höhe H = 0,005 λ beträgt.