DE69626626T2

DE69626626T2 - Akustischer oberflächenkonverter und akustisches wellenfilter damit

Info

Publication number: DE69626626T2
Application number: DE69626626T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Odagawa; Masao Takeuchi; Mitsuhiro Tanaka; Kazuhiko Yamanouchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1995-11-08
Filing date: 1996-11-08
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2016-11-09
Also published as: US6373353B1; WO1997017757A1; JPH09135142A; EP0802627A4; EP0802627B1; JP3268179B2; DE69626626D1; KR19980701280A; EP0802627A1; KR100300897B1

Description

Technisches Fachgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen akustischen Oberflächenwellenwandler zur Verwendung in einer akustischen Oberflächenwellenvorrichtung wie z. B. einem AOW-Filter und einem AOW-Resonator, und insbesondere einen akustischen Oberflächenwellenwandler, der ein piezoelektrisches Substrat umfasst, welches ein natürliches einphasiges unidirektionales Wandlerverhalten (bezeichnet als NSPUDT-Verhalten) und eine Elektrodenstruktur mit Richtfähigkeit aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein akustisches Oberflächenwellenfilter mit solch einem Wandler.

Technischer Hintergrund

Bisher wurde üblicherweise ein AOW-Filter vom Transversaltyp verwendet, bei dem auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats ein senderseitiger Wandler, der interdigital angeordnete positive und negative Elektroden umfasst, welche an zwei Ausgangsanschlüssen einer einphasigen Signalquelle mit einer Phasendifferenz von 180º angeschlossen werden sollen, und ein empfängerseitiger Wandler, der ebenfalls interdigital angeordnete positive und negative Elektroden umfasst, angeordnet sind, wobei der senderseitige und der empfängerseitige Wandler durch einen vorgegebenen Abstand getrennt sind, um eine spezielle Frequenz zu erhalten.
Bei solch einem AOW-Filter ist es erforderlich, eine Einfügungsdämpfung sowie eine Welligkeit innerhalb eines gegebenen Frequenzbereichs zu reduzieren. Da eine herkömmliche interdigitale Elektrodenstruktur Bidirektionalität aufweist, beträgt eine theoretische Einfügungsdämpfung 6 dB und könnte nicht weiter unterdrückt werden. Außerdem muss, um die Leistungsfähigkeit der akustischen Oberflächenwellenvorrichtung zu verbessern, nicht nur die Einfügungsdämpfung reduziert werden, sondern es ist auch wichtig, die Phasencharakteristik abzuflachen und eine Frequenzcharakteristik, wie z. B. die Welligkeit innerhalb eines Durchlassbandes und eines unterdrückten Bandes zu unterdrücken, zu verbessern.
Um die oben angeführten Anforderungen zu erfüllen, sind in der Praxis unidirektionale Wandler verwendet worden, mit denen eine geringe Einfügungsdämpfung unter 1 dB sowie gute Phasen- und Frequenzcharakteristika erreicht werden können. Es sind verschiedene Arten von unidirektionalen Wandlern vorgeschlagen worden, und sie können grob in (a) unidirektionale Mehrphasen-Wandler und (b) unidirektionale Einphasen-Wandler klassifiziert werden. Als letztere unidirektionale Einphasen-Wandler ist beispielsweise ein unidirektionaler Einphasen- Wandler vorgeschlagen worden, bei dem innere Reflexion aufgrund der Asymmetrie einer Elektrodenstruktur und eines Massenbeladungseffekts eingesetzt wird; ein unidirektionaler Einphasen-Wandler, bei dem eine Reflexion durch eine schwebende Elektrode eingesetzt wird, und ein natürlicher unidirektionaler Einphasen-Wandler, bei dem eine Anisotropie eines Substrats genutzt wird. Bei akustischen Oberflächenwellenvorrichtungen, die solche unidirektionalen Wandler nutzen, wird die Richtfähigkeit durch die Tatsache erzielt, dass eine Phasendifferenz zwischen einer Erregerwelle, einer angeregten Welle und einer reflektierten Welle in einer Ausbreitungsrichtung dieselbe Phase haben, aber in einer der Ausbreitungsrichtung entgegengesetzten Richtung entgegengesetzte Phase aufweisen.
Bei den oben erwähnten unidirektionalen Einphasen-Wandlern mit Ausnahme des natürlichen unidirektionalen Einphasen-Wandlers wird die Elektrodenstruktur sehr kompliziert, und vor allem müssen der Kantenabstand und die Breite von Elektrodenfingern kleiner als λ/4 sein. Bei Erhöhung einer Betriebsfrequenz werden die Abmessungen sehr gering und es wird schwierig, die Elektroden mit den gewünschten Abmessungen präzise herzustellen.
Als eine Lösung für dieses Problem wurde ein natürlicher unidirektionaler Einphasen-Wandler (NSPUDT) vorgeschlagen, bei dem aufgrund der Anisotropie des Substrats selbst die Unidirektionalität auch unter Verwendung einer herkömmlichen Elektrode erhalten werden kann, bei der der Kantenabstand und die Breite der Elektroden auf λ/4 eingestellt sind. Bei dieser akustischen Oberflächenwellenvorrichtung, die das NSPUDT-Verhalten nutzt, wird die Anisotropie des Substrats selbst genutzt. Bekannte piezoelektrische Substrate, die aufgrund der Anisotropie Unidirektionalität aufweisen, sind ein Quarzsubstrat, LiNbO&sub3;-Substrat und LiTaO&sub3;- Substrat. Die Erfinder haben außerdem erkannt, dass Lithiumtetraboratsubstrat mit einem speziellen Schnitt NSPUDT-Verhalten aufweist. Insbesondere im Vergleich mit den anderen Substraten, die das Verhalten natürlicher unidirektionaler Einphasen-Wandler aufweisen, könnte dieses Lithiumtetraboratsubstrat eine ideale akustische Oberflächenwellenvorrichtung darstellen, da es eine große elektromechanische Kopplungskonstante K², einen Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit von Null und einen Leistungsflusswinkel von Null usw. aufweist.
Bei der akustischen Oberflächenwellenvorrichtung, welche den oben erwähnten NSPUDT nutzt, tritt, da die Anisotropie des Substrats selbst genutzt wird, das Problem auf, dass unidirektionale Wandler mit Vorwärtsrichtungen, die einander zugewandt sind, nicht leicht als ausgangsseitiger oder senderseitiger Wandler bzw. als eingangsseitiger oder empfängerseitiger Wandler bereitgestellt werden können. Um diese Problem zu lösen, wurden verschiedene Verfahren zur Umkehr der Richtfähigkeit vorgeschlagen. Beispielsweise kann die Richtfähigkeit eines der sender- und empfängerseitigen Wandler umgekehrt werden, indem Elektroden aus einem Material verwendet werden, dessen Phase des Reflexionsfaktors sich von jener des anderen Wandlers um 180º unterscheidet, oder indem Ausnehmungen in der Substratoberfläche bereitgestellt werden, und in diese Ausnehmungen Elektroden eingebettet werden.
Gemäß des allgemein verwendeten Herstellungsverfahrens können die Bildung von Elektroden aus unterschiedlichen Elektrodenmaterialien und die eingebetteten Elektroden jedoch Probleme beim Entwurf und bei der Herstellung sowie hohe Kosten verursachen, und daher wäre es schwierig, die gewünschte Präzision zu erzielen, so dass die gewünschte Frequenz- und Phasencharakteristik nicht erhalten werden könnte.
Wenn ein akustisches Oberflächenwellenfilter zum Herausfiltern eines Signals innerhalb eines speziellen Frequenzbereichs durch Bereitstellung eines sender- und empfängerseitigen Wandlers auf dem Anisotropie aufweisenden Substrat bereitgestellt wird, wobei die Elektrodenstruktur des senderseitigen Wandlers aus einem anderen Material besteht als die des empfängerseitigen Wandlers, kann sich außerdem die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer akustischen Oberflächenwelle im senderseitigen Wandler von jener im empfängerseitigen Wandler unterscheiden und eine Mittenfrequenz kann sich zwischen dem senderseitigen Wandler und dem empfängerseitigen Wandler verschieben.
Im dem Fall, in dem das NSPUDT-Substrat mit einem großen Reflexionsfaktor der Elektrodenfinger verwendet wird, kann die Reflexionswirkung der Elektrodenfinger außerdem zu stark werden, um die Wandlercharakteristik zu steuern.
Das US-Patent Nr. 4.731.595 offenbart NSPUDT-AOW-Resonatoren.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, einen akustischen Oberflächenwellenwandler und ein akustisches Oberflächenwellenfilter bereitzustellen, bei denen die oben erwähnten Nachteile bekannter akustischer Oberflächenwellenwandler mit NSPUDT- Verhalten beseitigt oder vermindert und bessere Frequenz- und Phasencharakteristika durch ein einfaches Herstellungsverfahren erzielt werden können.
Gemäß vorliegender Erfindung wird ein akustischer Oberflächenwellenwandler bereitgestellt, umfassend ein anisotropes piezoelektrisches Substrat, das so geschnitten ist, dass es ein natürliches unidirektionales Einphasen-Wandler-Verhalten aufweist, sowie zumindest eine Wandlerstruktur mit einer Anregungselektrodenstruktur und einer Reflektorstruktur, die auf dem Substrat ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass λ die Wellenlänge einer akustischen Grund-Oberflächenwelle ist, wobei die Anregungselektrodenstruktur eine positive Elektrode mit einer Vielzahl von Elektrodenfingern, die in einem Teilungs-Abstand λ angeordnet sind, und eine negative Elektrode mit zumindest einem Elektrodenfinger umfasst, die mit einem Mittenabstand von λ/2 interdigital zwischen den Elektrodenfingern der positiven Elektrode angeordnet ist, dass die Reflektorstruktur eine Vielzahl von Elektrodenfingern umfasst, die mit einem Mittenabstand von λ/2 angeordnet sind, und dass der Abstand Lg zwischen der Anregungselektrodenstruktur und der Reflektorstruktur Lg = (2n + 1)λ/4 beträgt (wobei n eine positive ganze Zahl ist).
Bei einem herkömmlichen piezoelektrischen Substrat ohne die Anisotropie kann ein Reflexionszentrum im Zentrum eines Elektrodenfingers angeordnet sein, obwohl eine Reflexion an eingangs- und ausgangsseitigen Kanten der Elektrodenfinger stattfindet. Im Gegensatz dazu wird bei dem piezoelektrischen Substrat, das so geschnitten ist, dass es das natürliche unidirektionale Einphasen-Wandler-Verhalten aufweist, durch die Reflexion eine Phasendrehung von ±45º hinzugefügt. Aufgrund dieser 45º-Phasendrehung wird das Reflexionszentrum einem Phasensprung von λ/8 in Bezug auf das Zentrum des Elektrodenfingers in eine positive oder negative Richtung der Betriebsrichtung, die durch das NSPUDT-Verhalten des Substrats bestimmt wird, unterzogen. Die vorliegende Erfindung kann den unidirektionalen Wandler mit der Richtfähigkeit, die der durch das NSPUDT-Verhalten bestimmten Betriebsrichtung des Substrats entgegengesetzt ist, umsetzen, indem die Anisotropie des Substrats, die Reflexionswirkung der Elektrode und die Reflexionswirkung der Reflektorstruktur genutzt werden. Bei der Verwendung von STX + 25º-geschnittenem Quarzsubstrat wird beispielsweise die 45º-Phasendrehung durch die Reflexion ausgelöst, und das Reflexionszentrum wird um λ/8 in eine positive Richtung der Betriebsrichtung, die durch das NSPUDT-Verhalten des Substrats bestimmt wird, verschoben. Wenn ein Abstand zwischen der Anregungselektrodenstruktur und der Reflektorstruktur (ein Mittenabstand zwischen einem Elektrodenfinger der Anregungselektrodenstruktur und einem Elektrodenfinger der Reflektorstruktur, wobei diese Elektrodenfinger nebeneinander liegen) auf einen Wert von (2n + 1)λ/4 (wobei n eine positive ganze Zahl ist) eingestellt wird, kommt daher eine akustische Oberflächenwelle, die sich in die Vorwärtsrichtung auf die Reflektorstruktur zu ausbreitet, durch die Reflektorstruktur reflektiert wird und sich in die Rückwärtsrichtung (wobei die Betriebsrichtung durch das NSPUDT-Verhalten bestimmt wird) ausbreitet, in Phase in Bezug auf eine akustische Oberflächenwelle, die von der Anregungselektrodenstruktur in die Rückwärtsrichtung ausgesandt wurde, und diese akustischen Oberflächenwellen verstärken einander gegenseitig. Dies führt dazu, dass der Wandler die umgekehrte Richtfähigkeit aufweist. Bei diesem Wandler ergibt sich die Reflexionswirkung aus der Summe des Reflexionswirkung des Elektrodenfingers der Anregungselektrodenstruktur und der Reflexionswirkung des Elektrodenfingers der Reflektorstruktur. Durch eine geeignete Anpassung der Zahl der Elektrodenfinger der Anregungselektrodenstruktur und der Reflektorstruktur ist es daher möglich, den Wandler, dessen Richtfähigkeit aufgrund des NSPUDT-Verhaltens in Bezug auf die Betriebsrichtung umgekehrt ist, und den Wandler mit der nicht umgekehrten Richtfähigkeit umzusetzen.
Gemäß der Erfindung werden die Elektrodenfinger der Anregungselektrodenstruktur und der Reflektorstruktur periodisch in einem Abstand von λ/2 angeordnet, und die Reflexionswirkung der Reflektorstruktur selbst wird auf geeignete Weise genutzt. Es ist anzumerken, dass auch ein Wandler bekannt ist, bei dem die Anregungselektrode und der Reflektor auf einem bidirektionalen Substrat ohne die Anisotropie angeordnet sind. Dieser bekannte Wandler unterschiedet sich jedoch schon dadurch von der vorliegenden Erfindung, dass die Phase der reflektierten Welle durch eine Abweichung des Reflektors in Bezug auf die Anregungselektrode verschoben wird. Das heißt, bei dem bekannten Wandler vom Reflexionsbank-Typ werden die Elektrodenfinger des Reflektors periodisch in Bezug auf die Elektrodenfinger der Anregungselektrode um λ/2 verschoben. Wenn diese bekannte Anordnung auf das Substrat mit dem NSPUDT-Verhalten angewandt wird, wäre es unmöglich, die Reflexionswirkung effizient zur Umsetzung eines praktischen Wandlers zu nutzen.
Außerdem wird, wenn ein anisotropes Substrat wie beispielsweise ein Li&sub2;B&sub4;O&sub7;- Substrat mit einem Schnittwinkel, als Euler-Winkel dargestellt, mit φ = 0º, θ = 51º und φ = 90º verwendet wird, wobei auf diesem Substrat durch die Reflexion eine Phasendrehung von -45º erzeugt wird, da die Phasenverschiebung von λ/8 in eine Richtung vorgenommen wird, die der Orientierung des Substrats entgegengesetzt ist, wenn ein Abstand zwischen der Anregungselektrodenstruktur und der Reflektorstruktur auf (2n + 1)λ/4 (wobei n eine positive ganze Zahl ist) eingestellt wird, eine akustische Oberflächenwelle, die von der Anregungselektrodenstruktur in eine der Betriebsrichtung des NSPUDT-Verhaltens entgegengesetzte Richtung ausgesandt wird, dieselbe Phase aufweist wie eine akustische Oberflächenwelle, die durch die Reflektorstruktur reflektiert wird. Auf diese Art ist es auch möglich, den Wandler mit der umgekehrten Richtfähigkeit umzusetzen. Wenn das akustische Oberflächenwellenfilter vom Transversaltyp gebildet wird, indem der senderseitige Wandler und der empfängerseitige Wandler auf einem piezoelektrischen Substrat bereitgestellt werden, können sowohl der senderseitige als auch der empfängerseitige Wandler aus ein und demselben Material gebildet werden, wodurch das Herstellungsverfahren viel einfacher wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Beziehung zwischen Koordinaten und Kristallachsen eines STX + 25º-geschnittenen Quarzsubstrats mit dem NSPUDT-Verhalten;
Fig. 2A bis 2E sind schematische Ansichten, die die räumliche Beziehung zwischen dem Anregungszentrum und dem Reflexionszentrum zeigen, um Betriebseigenschaften zu erklären, wenn Elektrodenstrukturen vom normalen Typ auf verschiedenen Substraten bereitgestellt werden.
Fig. 3 ist ein Graph, der eine Umwandlungsdämpfung eines akustischen Oberflächenwellenwandlers zeigt, bei dem die Elektrode vom normalen Typ mit λ/4 auf dem STX + 25º-geschnittenen Quarzsubstrat gebildet ist;
Fig. 4 ist ein Graph, der eine Umwandlungsdämpfung eines akustischen Oberflächenwellenwandlers mit dem NSPUDT-Verhalten zeigt, bei dem die Elektrode vom normalen Typ mit λ/4 auf einem Lithiumtetraboratsubstrat gebildet ist;
Fig. 5A bis 5E sind schematische Ansichten, welche die Elektrodenstruktur und die Betriebseigenschaft einer ersten Ausführungsform des akustischen Oberflächenwellenwandlers gemäß der Erfindung zeigen;
Fig. 6 ist eine Draufsicht auf die Elektrodenstruktur einer zweiten Ausführungsform des akustischen Oberflächenwellenwandlers gemäß der Erfindung;
Fig. 7 ist eine schematische Ansicht, die eine dritte Ausführungsform des akustischen Oberflächenwellenwandlers gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, welche die Struktur eines Elements zur Bestätigung der Richtfähigkeit darstellt;
Fig. 9 ist ein Graph, der eine Charakteristik eines Wandlers zeigt, welcher durch die Bereitstellung der in Fig. 5 dargestellten Elektrodenstruktur auf einem STX + 25º- geschnittenen Quarzsubstrat gebildet wird;
Fig. 10 ist eine schematische Ansicht, die ein Element zur Bestätigung des Verhaltens des in Fig. 7 dargestellten Wandlers zeigt;
Fig. 11 ist ein Graph, der eine Charakteristik eines Wandlers zeigt, welcher durch die Bereitstellung der in Fig. 6 dargestellten Elektrodenstruktur auf einem STX + 25º- geschnittenen Quarzsubstrat gebildet wird,
Fig. 12 ist eine schematische Draufsicht auf die Elektrodenstruktur einer ersten Ausführungsform des akustischen Oberflächenwellenfilters gemäß der Erfindung;
Fig. 13 ist ein Graph, der der Frequenzgang der ersten Ausführungsform des akustischen Oberflächenwellenfilters gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 14 ist eine Draufsicht auf die Elektrodenstruktur einer zweiten Ausführungsform des akustischen Oberflächenwellenfilters gemäß der Erfindung;
Fig. 15 ist eine schematische Ansicht, die eine dritte Ausführungsform des akustischen Oberflächenwellenfilters gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 16 ist eine schematische Ansicht, die eine Modifikation des Wandlers gemäß der Erfindung zeigt;
Fig. 17 ist eine schematische Draufsicht auf eine Modifikation des Wandlers gemäß der Erfindung;
Fig. 18 ist eine schematische Draufsicht auf eine Modifikation des Wandlers gemäß der Erfindung;
Fig. 19 ist eine schematische Draufsicht auf eine Modifikation des akustischen Oberflächenwellenfilters gemäß der Erfindung;
Fig. 20 ist eine schematische Draufsicht auf eine Modifikation des akustischen Oberflächenwellenfilters gemäß der Erfindung.

Best-Mode-Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt eine Beziehung zwischen den Koordinaten (x, y, z) eines STX + 25º- geschnittenen Quarzsubstrats mit NSPUDT-Verhalten und den Kristallachsen (X, Y, Z).
Fig. 2 zeigt die Elektrodenstruktur einer Elektrode von normalen Typ mit λ/4, die auf einem Lithiumtetraboratsubstrat mit den Schnittwinkeln von (0º, 51º, 90º), dargestellt durch den Euler-Winkel (φ, θ, φ), bereitgestellt ist, und das Anregungszentrum und Reflexionszentrum zur Erklärung ihrer Funktionsweise. Solch eine Elektrode von normalen Typ kann vorteilhafterweise beim akustischen Oberflächenwellenwandler gemäß der Erfindung verwendet werden. Wie in Fig. 2A und 2B dargestellt ist, weisen sowohl die positive als auch die negative Elektrode 11 und 12 Elektrodenfinger 11a und 12a mit einer Breite von λ/4 auf, die in einem Teilungsabstand λ angeordnet sind. Diese Elektrodenfinger sind in Ausbreitungsrichtung einer akustischen Oberflächenwelle gesehen interdigital mit einem Kantenabstand von λ/4 angeordnet und können beispielsweise aus Aluminium bestehen.
Fig. 2C zeigt Anregungs- und Reflexionszentren der akustischen Oberflächenwelle, die in einem piezoelektrischen Substrat ohne das NSPUDT-Verhalten erzeugt wird, beispielsweise in einem ST-geschnittenem Quarz mit der Elektrode von normalen Typ mit λ/4, die aus darauf bereitgestelltem Aluminium besteht. Hier bezeichnet ein weißer Pfeil XE das Anregungszentrum der Elektrode und ein schwarzer Pfeil XR stellt das Reflexionszentrum der Elektrode dar. Es wurde ein Reflexionsfaktor r&sub0; = r&sub0; e-j90º angenommen. Bei dieser normalen Elektrodenstruktur gibt es daher weder nach rechts noch nach links eine Phasendifferenz zwischen der angeregten akustischen Oberflächenwelle und der reflektierten akustischen Oberflächenwelle, so dass keine Richtfähigkeit auftritt.
Fig. 2D bis 2E zeigen das Prinzip des Vorgangs des unidirektionalen Einphasen- Wandlers. Wenn ein STX + 25º-geschnittenes Quarzsubstrat als piezoelektrisches Substrat mit dem NSPUDT verwendet wird, wird das Reflexionszentrum XR, wie in Fig. 2D dargestellt, um λ/8 in Bezug auf das Anregungszentrum XE nach rechts verschoben. Auf diese Weise kann, wenn das Reflexionszentrum XR in Bezug auf das Anregungszentrum XE so verschoben werden kann, dass ein Abstand LAB = 3λ/8 und ein Abstand LAC = λ/8 ist, eine Ausbreitungsdistanz der vom in Bezug auf den Referenzpunkt des Anregungszentrums XE links gelegenen Reflexionszentrum XR reflektierten akustischen Oberflächenwelle, solange es sich um die wie durch den Pfeil angezeigt nach rechts ausbreitende akustische Oberflächenwelle handelt, durch Berücksichtigung der Reflexionsphase abgeleitet werden, so dass 3λ/8 · 2 + λ/4 = λ. Diese reflektierte Welle weist dieselbe Phase auf wie die vom Anregungszentrum XE ausgesandte akustische Oberflächenwelle, und daher verstärken sich die nach rechts ausbreitenden akustischen Oberflächenwellen gegenseitig. Auf ähnliche Weise breitet sich, wenn die sich nach links ausbreitende akustische Oberflächenwelle betrachtet wird, eine durch das rechte Reflexionszentrum XR reflektierte akustische Oberflächenwelle über eine Ausbreitungsdistanz von λ/8 · 2 + λ/4 = λ/2 aus und kommt in entgegengesetzte Phase zu der sich nach links ausbreitenden angeregten akustischen Oberflächenwelle. Daher werden die sich nach links ausbreitende akustische Oberflächenwelle und die durch das rechte Reflexionszentrum reflektierte ausgelöscht. Auf diese Weise kann die Richtfähigkeit nach rechts erhalten werden.
Wenn ein piezoelektrisches Lithiumtetraboratsubstrat mit einem Schnittwinkel von (0º, θ, 90º) (θ = 32-86º) verwendet wird, tritt, wie in Fig. 2E dargestellt, die umgekehrte Situation zu der des Quarzsubstrats ein und die sich nach links ausbreitenden akustischen Oberflächenwellen verstärken sich gegenseitig. Auf diese Weise kann die Richtfähigkeit nach links erhalten werden.
Fig. 3 ist ein Graph, der eine Umwandlungsdämpfung zeigt, wenn die Elektrode vom normalen Typ mit λ/4 auf dem oben erwähnten STX + 25º-geschnittenen Quarzsubstrat mit dem NSPUDT-Verhalten bereitgestellt ist und eine Frequenz auf einer Horizontalachse durch eine Mittenfrequenz des akustischen Oberflächenwellenwandlers normalisiert wird. Es wurde angenommen, dass eine Öffnungslänge, die als Abstand, über den sich die Elektrodenfinger 11a und 12a der positiven und negativen Elektroden 11 und 12 in Ausbreitungsrichtung gesehen überlappen, definiert werden kann, 250λ ist und die Anzahl der Paare von positiven und negativen Elektrodenfingern 11a und 12a 250 beträgt. Dann wurde die theoretische Umwandlungsdämpfung durch eine Simulation unter Verwendung einer Überwachungselektrode mit fünfzig Paaren gespaltenen Elektroden berechnet.
Fig. 4 stellt die Umwandlungsämpfung für das oben erwähnte piezoelektrische Lithiumtetraboratsubstrat mit dem NSPUDT dar, bei dem der theoretische Wert erhalten wurde, indem die Öffnungslänge mit 200λ und die Anzahl der Paare mit 50 angenommen wurde.
Durch die oben gegebene Erklärung ist offensichtlich, dass, wenn das Substrat mit dem NSPUDT-Verhalten verwendet wird, die Richtfähigkeit durch die Bereitstellung der Elektrode vom normalen Typ mit λ/4 erhalten werden kann. Im Allgemeinen ist es notwendig, wenn die akustische Oberflächenwellenvorrichtung vom Transversaltyp, wie z. B. der AOW-Filter, gebaut wird, die Vorwärtsrichtung des senderseitigen Wandlers jener des empfängerseitigen Wandlers entgegenzusetzen. Daher ist es erforderlich, einen akustischen Oberflächenwellenwandler umzusetzen, bei dem die durch das NSPUDT-Verhalten bestimmte Richtfähigkeit umgekehrt wird. In diesem Fall ist es möglich, akustische Oberflächenwellenwandler mit den entgegengesetzten Richtfähigkeiten zu erhalten, indem unterschiedliche Elektrodenmaterialien, wie z. B. Aluminium und Gold, durch eine Vielzahl von präzisen Bearbeitungsschritten kombiniert werden. In diesem Fall wird das Herstellungsverfahren jedoch kompliziert, und die Ausbeute wird aufgrund einer möglichen Muster-Fehlausrichtung verringert, wodurch die akustische Oberflächenwellenvorrichtung teuer wird. Darüber hinaus haben Gold und Aluminium in manchen Substraten dieselben Vorzeichen des Reflexionsfaktors, so dass diese Lösung für solche Substrate nicht eingesetzt werden kann.
Im Allgemeinen ist bekannt, dass der Reflexionsfaktor pro Elektrodeneinheit in Übereinstimmung dem Substratmaterial, dem Elektrodenmaterial und den elektrischen Bedingungen, der Dicke und Breite der Elektroden geändert wird. Das wurde beispielsweise in "A Collection of Theses of Lectures in Acoustical Society of Japan", März 1985, S. 645-646, beschrieben. Die vorliegende Erfindung soll auf dieser Basis den auf dem Substrat mit dem NSPUDT-Verhalten gebildeten Wandler sowie das akustische Oberflächenwellenfilter bereitstellen.
Fig. 5 sind schematische Ansichten, welche die Elektrodenstruktur und den Betrieb einer ersten Ausführungsform des akustischen Oberflächenwellenwandlers gemäß der Erfindung zeigen. In dieser Ausführungsform wird ein STX + 25º-geschnittenes Quarzsubstrat als Substrat mit dem NSPUDT-Verhalten verwendet. Der Wandler der vorliegenden Erfindung ist so aufgebaut, dass eine Vielzahl von Wandler-Strukturpaaren, die jeweils eine Anregungselektrodenstruktur und eine Reflexionsstruktur umfassen, aufgrund des NSPUDT-Verhaltens des Substrats entlang der Betriebsrichtung der akustischen Oberflächenwelle angeordnet sind. Es ist anzumerken, dass aus Gründen der Klarheit in der Zeichnung nur ein Abschnitt mit zwei Paaren der Wandlerstruktur dargestellt ist. Eine aufgrund des NSPUDT-Verhaltens des Substrats positive Richtung der Betriebsrichtung ist durch einen Pfeil +X dargestellt. Eine aufgrund des NSPUDT-Verhaltens für das anisotrope Substrat spezifische Betriebsrichtung, die durch einen Pfeil Y bezeichnet ist, wird erhalten, wenn die Elektrode vom normalen Typ mit λ/4 auf dem Substrat gebildet wird, wobei in diese Betriebsrichtung fast die gesamte Anregungsenergie gerichtet ist. Eine erste Wandlerstruktur 20 umfasst eine Anregungselektrodenstruktur 21 und eine Reflexionsstruktur 22. Die erste Anregungselektrodenstruktur 21 umfasst eine positive Elektrode 23 mit zwei Elektrodenfingern 23a und 23b, die mit einem Mittenabstand von λ angeordnet sind, wobei λ die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle ist, und eine negative Elektrode 24 mit einem Elektrodenfinger 24a, die zwischen den Elektrodenfingern der positiven Elektroden angeordnet ist. Ein Abstand zwischen den Elektrodenfingern der positiven und der negativen Elektrode wird auf λ/2 eingestellt. Eine Breite dieser Elektrodenfinger in die durch das NSPUDT-Verhalten bestimmte Betriebsrichtung der akustischen Oberflächenwelle gesehen wird auf λ/4 eingestellt. Die Reflektorstruktur 22 umfasst einen Elektrodenstruktur, in der 2 m-Elektrodenfinger (in der vorliegenden Ausführungsform zwölf Elektrodenfinger) in einem Teilungsabstand von λ/4 periodisch entlang der Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle angeordnet sind.
Auch die zweite Wandlerstruktur 30 umfasst eine Anregungselektrodenstruktur 31 und eine Reflektorstruktur 32. Die Anregungselektrodenstruktur 31 umfasst ebenfalls eine positive Elektrode 33 mit zwei Elektrodenfingern 33a und 33b, die mit einem Mittenabstand von λ angeordnet sind, und eine negative Elektrode 34 mit einem Elektrodenfinger 34a, der mit einem Mittenabstand von λ/2 zwischen den Fingern der positiven Elektrode angeordnet ist. Die Reflektorstruktur 32 umfasst ebenfalls zwölf Elektrodenfinger (in der Zeichnung sind nur zwei Finger dargestellt), die in einem Teilungsabstand von λ/2 periodisch angeordnet sind. Eine Breite dieser Elektrodenfinger ist ebenfalls auf λ/4 eingestellt. Die positiven Elektroden 23 und 33 der jeweiligen Wandlerstrukturen 20 und 30 sind über eine erste Sammelschiene 35 miteinander gekoppelt, und die negativen Elektroden 24 und 34 sind über eine zweite Sammelschiene 36 miteinander gekoppelt.
In der vorliegenden Ausführungsform sind ein Abstand zwischen der nebeneinander liegenden Anregungselektrodenstruktur und der Reflektorstruktur (ein Mittenabstand zwischen den Elektroden 23b und 22a und ein Mittenabstand zwischen den Elektrodenfingern 33b und 32a) auf 3λ/4 eingestellt. Ein Abstand zwischen der ersten Wandlerstruktur 20 und der zweiten Wandlerstruktur 30 (ein Abstand zwischen dem letzten Elektrodenfinger 22b der Reflektorstruktur 22, in die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle gesehen, und dem Elektrodenfinger 33a der positiven Elektrode der benachbarten zweiten Wandlerstruktur 30) wird auf (2m + 1)λ/4 (in der vorliegenden Ausführungsform 3λ/4) eingestellt. Daher wird ein Abstand zwischen der Anregungselektrodenstruktur der ersten Wandlerstruktur 20 und der Anregungselektrodenstruktur der zweiten Wandlerstruktur 30 8λ, und daher wird der Anregungsvorgang in Phase durchgeführt. Alle diese Elektroden bestehen aus Aluminium und weisen die selbe Dicke auf, wie in Fig. 5B dargestellt ist.
Fig. 5C stellt die Wandler- und Reflexionszentren dar, wenn die oben erwähnte Elektrodenstruktur auf einem piezoelektrischen Substrat ohne das NSPUDT- Verhalten gebildet wird, und Fig. 5D stellt die Wandler- und Reflexionszentren dar, wenn dieselbe Elektrodenstruktur auf einem anisotropen piezoelektrischen Substrat, wie z. B. dem STX + 25º-geschnittenem Quarzsubstrat, gebildet wird, in dem die reflektierte Welle aufgrund des NSPUDT-Verhaltens der Phasendrehung von +45º unterzogen wird. Wie in Fig. 5C dargestellt, wird, wenn das Substrat kein NSPUDT- Verhalten aufweist, das Wandlerzentrum mit dem Reflexionszentrum ident und es wird keine Phasenverschiebung zwischen dem Wandlerzentrum der Anregungselektrodenstruktur und dem Reflexionszentrum der Reflektorstruktur vorgenommen. Im Gegensatz dazu wird, wie in Fig. 5D dargestellt ist, die Phasendrehung von +45º aufgrund des NSPUDT-Verhaltens des Substrats durch die Reflexion der Elektrodenfinger durchgeführt, und so sind die Reflexionszentren der jeweiligen Elektrodenfinger um λ/8 in die positive Richtung der Betriebsrichtung, die durch das NSPUDT-Verhalten des Substrats bestimmt wird, verschoben.
Im Folgenden wird eine Phase einer akustischen Oberflächenwelle, die durch den Elektrodenfinger 23b der positiven Elektrode der ersten Wandlerstruktur in die Betriebsrichtung des NSPUDT-Verhaltens (in der Zeichnung nach rechts) angeregt, durch die Reflektorstruktur reflektiert und in den Elektrodenfinger 23b zurückgebracht wird, betrachtet. Ein Abstand zwischen dem Wandlerzentrum des Elektrodenfingers 23b und dem Reflexionszentrum des Elektrodenfingers 22a wird gleich (3λ/4 + λ/8). Ein Zeitintervall, in dem die vom Elektrodenfinger 23b erzeugte akustische Oberflächenwelle sich zum Elektrodenfinger 22a ausbreitet, vom selben Elektrodenfinger reflektiert wird und am Elektrodenfinger 23b ankommt, wird daher gleich 2 · (3λ/4 + λ/8) + λ/4 = 2λ, wenn es durch die Phase ausgedrückt wird, wenn die Phasenverschiebung durch die Reflexion von λ/4 betrachtet wird. Diese akustische Oberflächenwelle kommt in Phase in Bezug auf die akustische Oberflächenwelle, die vom Elektrodenfinger 23b in eine der aufgrund des NSPUDT-Verhaltens bestimmten Betriebsrichtung +X entgegengesetzten Richtung ausgesandt wird, und diese akustischen Oberflächenwellen verstärken sich gegenseitig. Des Weiteren wird ein Abstand zwischen dem Elektrodenfinger 22a der Reflektorstruktur und den anderen Elektrodenfingern auf ein ganzes Vielfaches von λ/2 eingestellt, wodurch die Phasengleichheits-Beziehung zwischen dem betroffenen Elektrodenfingern der Anregungselektrodenstruktur und allen Elektrodenfinger der Reflektorstruktur aufrecht erhalten wird. Dieselbe In-Phasen-Beziehung ist auch bei den anderen Elektrodenfingern 23a und 24a der Anregungselektrodenstruktur vorhanden. Bei der darauffolgenden Wandlerstruktur 30 verstärken sich die in der Zeichnung nach links ausbreitenden akustischen Oberflächenwellen gegenseitig. Auf diese Weise wird bei allen Wandlerstrukturen die nach links gerichtete Vorwärtsrichtung erhalten, und diese Vorwärtsrichtung der Wandler ist der aufgrund des NSPUDT-Verhaltens des Substrats bestimmten Betriebsrichtung entgegengesetzt. Daher kann der Wandler mit der umgekehrten Richtfähigkeit gemäß der Erfindung durch die Anregungselektrodenstruktur und die Reflektorstruktur umgesetzt werden.
Fig. 5E zeigt die Wandler- und Reflexionszentren, wenn das anisotrope piezoelektrische Substrat durch ein (0º, 51º, 90º)-geschnittenes Li&sub2;B&sub4;O&sub7;-Substrat gebildet wird. Das (0º, 51º, 90º)-geschnittene Li&sub2;B&sub4;O&sub7;-Substrat führt eine Phasendrehung von -45º ein, und so wird die Reflexion nach links verschoben, was der Verschiebung beim STX + 25º-geschnittenen Quarzsubstrat entgegengesetzt ist, so dass die Vorwärtsrichtung des Wandlers eine +X-Richtung wird. Es sollte angemerkt werden, dass die aufgrund des NSPUDT-Verhaltens bestimmte Betriebsrichtung des (0º, 51º, 90º)-geschnittenen Li&sub2;B&sub4;O&sub7;-Substrats jener des STX + 25º-geschnittenen Quarzsubstrats entgegengesetzt ist, und dass es daher möglich ist, den Wandler mit der der Betriebsrichtung des Substrats entgegengesetzten Richtfähigkeit umzusetzen.
Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform des akustischen Oberflächenwellenwandlers gemäß der Erfindung. Der Wandler der vorliegenden Ausführungsform weist im Grunde dieselbe Elektrodenstruktur auf, aber die Anzahl der jeweiligen Anregungselektrodenstrukturen und Reflektorstrukturen unterscheidet sich von jener der in Fig. 5 dargestellten Elektrodenstruktur. Die Wirkung der Reflexion durch die Elektrodenfinger kann als für beide, die Anregungselektrode und die Reflektorelektrode, ident betrachtet werden. Da die jeweiligen Elektrodenfinger in einem Teilungsabstand von λ/2 ausgebildet sind, kann die Reflexionwirkung der Elektrodenfinger als der Summe der Reflexionswirkungen der jeweiligen Elektrodenfinger entsprechend betrachtet werden. Die Reflexionswirkung der Elektrodenfinger der Anregungselektrodenstruktur verstärken die akustische Oberflächenwelle, die in die aufgrund des NSPUDT-Verhaltens bestimmten Betriebsrichtung angeregt wird, schwächt jedoch die akustische Oberflächenwelle ab, die in die der Betriebsrichtung entgegengesetzte negative Richtung angeregt wird. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Wandler liegt die Anzahl der Elektrodenfinger der Anregungselektrodenstruktur bei drei und die Anzahl der Elektrodenfinger der Reflektorstruktur bei zwölf. In diesem Fall wird, da die Anzahl der Elektrodenfinger der Reflektorstruktur größer ist als die der Anregungselektrodenstruktur, die Reflexionswirkung der Elektrodenfinger der Reflektorstruktur manifest und scheint bemerkenswert. Daher ist es möglich, den Wandler mit der der aufgrund des NSPUDT-Verhaltens des Substrats bestimmten Betriebsrichtung entgegengesetzten Richtfähigkeit zu erhalten.
Im Gegensatz dazu liegt in der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform die Anzahl der Elektrodenfinger der Anregungselektrodenstruktur bei fünf und die Anzahl der Elektrodenfinger der Reflektorstruktur bei vier. Daher ist die Reflexionswirkung der jeweiligen Elektrodenfinger der Anregungselektrodenstruktur vorherrschend und fast die gesamte Energie wird in die durch das NSPUDT-Verhalten bestimmte Betriebsrichtung angeregt. Folglich wird bei beiden, dem STX + 25º-geschnittenen Quarzsubstrat und dem (0º, 51º, 90º)-geschnittenen Li&sub2;B&sub4;O&sub7;-Substrat, die Vorwärtsrichtung ident mit der aufgrund des NSPUDT-Verhaltens des Substrats bestimmten Betriebsrichtung. Auf diese Weise ist es möglich, den Wandler mit der nicht umgekehrten Richtfähigkeit umzusetzen. Wie aus diesen Ergebnissen offensichtlich ist, ist es gemäß der Erfindung möglich, den Wandler mit umgekehrter oder nicht umgekehrter Richtfähigkeit zu erhalten, indem einfach die Anzahl der Elektrodenfinger geändert wird, während die Elektrodenstruktur im Grunde gleich aufgebaut ist. Es sollte angemerkt werden, dass, wenn ein NSPUDT-Substrat mit dem großen Reflexionsfaktor, wie z. B. das (0º, 51º, 90º)-geschnittene Li&sub2;B&sub4;O&sub7;-Substrat, verwendet wird, die Reflexionswirkung des Elektrodenfingers sehr stark ist, und dass daher die Vorwärtsrichtung verändert werden kann, indem die Anzahl der Elektrodenfinger leicht geändert wird.
Fig. 7 ist eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform des akustischen Oberflächenwellenwandlers gemäß der Erfindung. In der vorliegenden Ausführungsform kann das anisotrope piezoelektrische Substrat durch das Substrat, wie z. B. das STX + 25º-geschnitte Quarzsubstrat, in dem die reflektierte Welle einer Phasendrehung von +45º unterzogen wird, oder das Substrat, wie z. B. das Li&sub2;B&sub4;O&sub7;-Substrat, in dem die reflektierte Welle einer Phasendrehung von -45º unterzogen wird, gebildet werden. Die Elektrodenstruktur der vorliegenden Ausführungsform ist im Grunde mit jener der in Fig. 5 dargestellten ersten Ausführungsform ident. Daher sind Abschnitte der vorliegenden Ausführungsform, die jenen der ersten Ausführungsform ähnlich sind, mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 5 bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Abstand Lg zwischen der Anregungselektrodenstruktur 21 und der Reflektorstruktur 22 auf nλ/2 (in dieser Ausführungsform λ/2) eingestellt, und ein Abstand zwischen der Wandlerstruktur 20 einer bestimmten Stufe und der Elektrodenstruktur 30 einer darauffolgenden Stufe (ein Abstand zwischen den Zentren der benachbarten Elektrodenfinger 22b und 33a) ist ebenfalls auf nλ/2 (in dieser Ausführungsform λ/2) eingestellt. Der Rest der Struktur der vorliegenden Ausführungsform ist ident mit jener des in Fig. 5 dargestellten Wandlers. Hier zeigt Fig. 7C die Wandler- und Reflexionszentren der jeweiligen Elektrodenfinger in dem Fall, in dem das bidirektionale Substrat ohne das NSPUDT-Verhalten verwendet wird, Fig. 7D stellt die Wandler- und Reflexionszentren der jeweiligen Elektrodenfinger in dem anisotropen Substrat dar (wie z. B. dem STX + 25º-geschnittenen Quarzsubstrat), in dem die reflektierte Welle der Phasendrehung von +45º unterzogen wird, und Fig. 7E zeigt die Wandler- und Reflexionszentren im isotropen Substrat (wie z. B. dem Li&sub2;B&sub4;O&sub7;-Substrat), in dem die reflektierte Welle der Phasenrotation von -45º unterzogen wird.
Bei dem in Fig. 7D dargestellten anisotropen Substrat kommt die durch die Reflektorstruktur 22 in der Zeichnung nach links (in die der Betriebsrichtung des Substrats entgegengesetzte Richtung) reflektierte akustische Oberflächenwelle in entgegengesetzte Phase in Bezug auf die akustische Oberflächenwelle, die durch die Anregungselektrodenstruktur 21 nach links angeregt wird, und so werden diese akustischen Oberflächenwellen ausgelöscht. Auf der anderen Seite kommt die akustische Oberflächenwelle, die von der Anregungselektrodenstruktur 31 nach links ausgesandt und von der Reflektorstruktur 22 nach rechts (in die Betriebsrichtung des Substrats) reflektiert wird, in Phase in Bezug auf die akustische Oberflächenwelle, die von der Anregungselektrodenstruktur 31 nach rechts ausgesandt wird. Das führt dazu, dass der Wandler die Vorwärtsrichtung aufweist, die in die positive Richtung der aufgrund des NSPUDT-Verhaltens des Substrats bestimmten Betriebsrichtung führt.
Auch bei dem in Fig. 7E dargestellten anisotropen Substrat kann die oben erwähnte Reflexionswirkung erhalten werden, und der Wandler, dessen Vorwärtsrichtung in die positive Richtung der aufgrund des NSPUDT-Verhaltens des Substrats bestimmten Betriebsrichtung führt, kann umgesetzt werden. Auf diese Weise ist es gemäß der Erfindung möglich, den Wandler mit der Richtfähigkeit zu erzielen, die der aufgrund des NSPUDT-Verhaltens des Substrats bestimmten Betriebsrichtung entgegengesetzt ist oder nicht entgegengesetzt ist, indem der Abstand zwischen der Anregungselektrodenstruktur und der Reflektorstruktur auf einen geeigneten Wert eingestellt wird. Daher kann die im Grunde idente Struktur im sender- und empfängerseitigen Wandler des Filters vom Transversaltyp verwendet werden, wodurch sehr nützliche Vorteile erzielt werden können.
Im Folgenden wird die Bestätigung der Richtfähigkeit der oben erwähnten Wandler erklärt. Die Richtfähigkeit wurde unter Verwendung eines Elements der in Fig. 8 dargestellten Struktur bestätigt. Die in Fig. 5 dargestellte Wandlerstruktur wurde auf dem STX + 25º-geschnittenen Quarzsubstrat gebildet, und λ/8-gespaltene Elektroden ohne Richtfähigkeit wurden auf beiden Seiten der Wandlerstruktur angeordnet. Dann wurde eine durch die ungerichteten Elektroden überwachter Frequenzgang nach der Moden-Theorie berechnet. Die Bedingungen waren wie folgt:
Anzahl der Wiederholungen der Wandlerstrukturen 10 Gruppen
Anzahl der Elektrodenfinger des Wandlers 30
Anzahl der Anregungselektrodenpaare 5 Paare
Abstand zwischen der Anregungselektrodenstruktur
und der Reflektorstruktur 3λ/4
Aluminiumdicke 0,02λ
Anzahl der Überwachungselektrodenpaare 50 Paare
Das Ergebnis der Simulation ist in Fig. 9 dargestellt. Wie in Fig. 9 zu sehen ist, verläuft die Vorwärtsrichtung in die -X-Richtung und ist jener in Fig. 3 entgegengesetzt. Aus diesem Ergebnis ist ersichtlich, dass der in Fig. 5 dargestellte Wandler vorteilhafterweise im Filter vom Transversaltyp, der das anisotrope Substrat mit dem NSPUDT-Verhalten einsetzt, als empfängerseitiger Wandler verwendet werden kann.
Als Nächstes wurde die Richtfähigkeit des in Fig. 7 dargestellten Wandlers bestätigt, indem ein Element mit der in Fig. 10 dargestellten Struktur verwendet wurde. Das Ergebnis dieser Bestätigung ist in Fig. 11 dargestellt. Wie aus Fig. 11 ersichtlich ist, wurde bestätigt, dass die Vorwärtsrichtung in die positive Richtung der durch das NSPUDT-Verhalten bestimmten Betriebsrichtung verläuft. Daher kann durch Bereitstellung des in Fig. 7 dargestellten Wandlers auf dem anisotropen Substrat mit dem NSPUDT-Verhalten dieser als senderseitiger Wandler des Filters vom Transversaltyp verwendet werden.
Im Folgenden wird das akustische Oberflächenwellenfilter vom Transversaltyp gemäß der Erfindung erklärt. Fig. 12 zeigt eine erste Ausführungsform des akustischen Oberflächenwellenfilters gemäß der Erfindung. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein STX + 25º-geschnittenes Quarzsubstrat als Substrat mit dem NSPUDT-Verhalten verwendet, wobei die Elektrode vom normalen Typ mit der Elektrodenfinger-Breite von λ/4, die in Fig. 2 dargestellt ist, als senderseitiger Wandler 40 und der Wandler mit der umgekehrten Richtfähigkeit, der in Fig. 5 dargestellt ist, als empfängerseitiger Wandler 41 verwendet wird. In diesem Fall können der sender- und der empfängerseitige Wandler aus demselben Elektrodenmaterial gebildet werden. Es sollte angemerkt werden, dass, wenn das Substrat durch das (0º, 51º, 90º)-geschnittene Li&sub2;B&sub4;O&sub7;Substrat gebildet wird, ein Substrat mit umgekehrter +X-Richtung verwendet werden kann.
Im Folgenden werden die Ergebnisse der Simulation für die Wandlercharakteristik des in Fig. 12 dargestellten akustischen Oberflächenwellenfilters erklärt.
Empfängerseitiger Wandler:
Anzahl der Anregungselektrodenstrukturen 7 Paare
Anzahl der Elektrodenfinger des Reflektors 34
Anzahl der Wiederholungen der Wandlerstrukturen 16 Paare
Senderseitiger Wandler:
Elektrode vom normalen Typ mit λ/4
Anzahl der Elektrodenpaare 112 Paare
Das Ergebnis dieser Simulation ist in Fig. 13 dargestellt. Wie aus Fig. 13 ersichtlich ist, wurde bestätigt, dass eine sehr geringe Einfügungsdämpfung, beispielsweise von etwa 1 dB, erhalten werden kann.
Fig. 14 ist eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des akustischen Oberflächenwellenfilters gemäß der Erfindung. In dieser Ausführungsform wird ein STX + 25º-geschnittenes Quarzsubstrat als das Substrat mit dem NSPUDT-Verhalten verwendet, wobei der Wandler mit der in Fig. 7 dargestellten Elektrodenstruktur als senderseitiger Wandler 40 und der Wandler mit der in Fig. 5 dargestellten Elektrodenstruktur als empfängerseitiger Wandler 41 verwendet wird. Bei diesem Filter kann ebenfalls eine Wandlercharakteristik mit einer sehr geringen Dämpfung erhalten werden. Dasselbe kann auf das (0º, 51º, 90º9-geschnittene Li&sub2;B&sub4;O&sub7;Substrat angewandt werden.
Fig. 15 ist eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform des akustischen Oberflächenwellenfilters gemäß der Erfindung. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Substrat durch das Li&sub2;B&sub4;O&sub7;Substrat gebildet, bei dem die reflektierte akustische Oberflächenwelle der Phasendrehung von -45º unterzogen wird. Der in Fig. 6 dargestellte Wandler mit der nicht umgekehrten Richtfähigkeit wird als senderseitiger Wandler 60 und der in Fig. 5 dargestellte Wandler mit der umgekehrten Richtfähigkeit als empfängerseitiger Wandler 61 verwendet. Diese sender- und empfängerseitigen Wandler weisen im Grunde dieselbe Elektrodenstruktur auf, aber die Anzahl der Elektrodenfinger der Anregungselektrodenstruktur und die Anzahl der Elektrodenfinger der Reflektorstruktur sind für die Senderseite und die Empfängerseite unterschiedlich. Daher können die Elektrodenfinger der sender- und empfängerseitigen Wandler im selben Teilungsabstand gebildet werden, und die Herstellungspräzision kann weiter erhöht werden.
Fig. 16 ist eine schematische Ansicht einer Modifikation des akustischen Oberflächenwellenwandlers gemäß der Erfindung. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Bewertung für den in Fig. 5 dargestellten Wandler durchgeführt, indem die Elektrodenfinger der Anregungselektrodenstruktur teilweise entfernt werden. Das Bewertungsverfahren durch eine teilweise Entfernung ist ein wirksames Verfahren. Im Falle der teilweisen Entfernung der Elektrodenfinger wird die Schallgeschwindigkeit lokal verändert und eine Körperwelle erzeugt, die eine Nebenwelle verursachen kann. Um solch einen Nachteil des Verfahrens der teilweisen Entfernung zu vermeiden, werden an den Kanten der Anregungselektrodenstrukturen Pseudoelektroden 70, 71 und 72 bereitgestellt, wie in Fig. 16 dargestellt ist, wobei diese Pseudoelektroden keine Anregungsfunktion erfüllen. Durch solch einen Aufbau des Wandlers werden Elektrodenfinger mit einer Breite von λ/4 in einem Abstand von λ/4 über den gesamten Wandler verteilt, wodurch die Herstellungspräzision verbessert und Rauschen verringert werden kann.
Fig. 17 und 18 sind schematische Ansichten modifizierter Ausführungsformen des Wandlers gemäß der Erfindung. Es gibt einige NSPUDT-Substrate mit einer solchen Charakteristik, dass die durch die Anregungselektrodenstruktur angeregte akustische Oberflächenwelle sich, wenn die Beugung außer Acht gelassen wird, in eine Richtung ausbreitet, die von der Ausbreitungsrichtung (+X-Richtung) abweicht, während die Wellenfront im angeregten Zustand so beibehalten wird, wie sie ist (Leistungsflusswinkel). Wenn in den in Fig. 2, 5, 6 und 7 dargestellten Elektrodenstrukturen ein Strahlsteuerungswinkel nicht Null ist, kann der Wirkungsgrad aufgrund der Tatsache vermindert werden, dass nicht alle Wellenfronten der angeregten akustischen Oberflächenwelle durch den Anregungsabschnitt hindurchverlaufen.
Außerdem überlappt sich die durch die Elektrode reflektierte Welle aufgrund der Abweichung der Wellenfront nicht teilweise mit der angeregten Welle, wodurch eine Verteilung in der Richtfähigkeit über eine zur Ausbreitungsrichtung senkrechte Richtung auftreten kann. Insbesondere beim Filter, bei dem die sender- und empfängerseitigen Wandler, wie in Fig. 12, 14 und 15 dargestellt, einander entgegengesetzt sind, könnte die akustische Oberflächenwelle nicht effizient empfangen werden. Vor allem die Verringerung der Effizienz manifestiert sich beim Filter mit einer großen Größe in die Ausbreitungsrichtung. Beim STX + 25º-geschnittenen Quarzsubstrat ist der Strahlsteuerungswinkel 5,4º. In Fig. 17 und 18 sind die Elektroden in Übereinstimmung mit dem Strahlsteuerungswinkel des STX + 25º- geschnittenen Quarzsubstrats parallel in eine zur Ausbreitungsrichtung senkrechten Richtung verschoben.
Fig. 19 und 20 sind schematische Ansichten von Filtern, die durch den Wandler gemäß der Erfindung gebildet werden. Auf dem Substrat mit dem Strahlsteuerungswinkel von nicht Null, wie z. B. dem STX + 25º-geschnittenen Quarzsubstrat, werden die sender- und empfängerseitigen Wandler gebildet, die in Übereinstimmung mit dem Leistungsflusswinkel schräg angeordnet sind, und die Achsen der sender- und empfängerseitigen akustischen Oberflächenwellenwandler werden so eingestellt, dass der akustische Oberflächenwellenstrahl, der in Übereinstimmung mit der Ausbreitung abweicht, effizient empfangen werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, eine viel geringere Dämpfung zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern es sind viele Modifikationen und Veränderungen möglich. Beispielsweise werden hier die anisotropen Substrate, bei denen durch die Reflexion die Phasendrehung von 45º ausgelöst wird, verwendet, aber gemäß der Erfindung ist es auch möglich, jedes Substrat zu verwenden, dass eine andere Phasendrehung als 45º aufweist. In solch einem Fall könnte die Einstellung durchgeführt werden, indem eine Breite von Elektrodenfingern in die Betriebsrichtung des NSPUDT- Verhaltens verändert wird.
Bei den oben erwähnten Ausführungsformen besteht ein einzelner Wandler aus einer Vielzahl von Wandlerstrukturen, aber der Wandler kann auch aus einer einzigen Wandlerstruktur bestehen, z. B. einer einzelnen Anregungselektrode und einer einzelnen Reflektorstruktur.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen werden das Lithiumtetraboratsubstrat mit den Schnittwinkeln φ = 0º, θ = 51º und φ = 90º, dargestellt durch die Euler- Winkel-Schreibweise (φ, θ, φ), und das STX + 25º-geschnittene Quarzsubstrat als piezoelektrisches Substrat verwendet, doch gemäß der Erfindung ist es auch möglich, ein Lithiumtetraboratsubstrat zu verwenden, das eine anderen Schnittwinkel hat und das NSPUDT-Verhalten aufweist. Das heißt, es ist möglich, ein Lithiumtetraboratsubstrat mit einem Schnittwinkel von φ = -5º-+5º, θ = 9º-29º und φ = 85º-90º zu verwenden. Außerdem ist es möglich, ein anderes Substrat als Lithiumtetraborat und Quarz zu verwenden. Beispielsweise können YZ + 51,25º- geschnittenes Lithiumtantalat (LiTaO&sub3;) und Y-θX(θ = 25º-445º)-geschnittenes oder um 128º gedrehtes Y-geschnittenes Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) als Substrat mit dem NSPUDT-Verhalten verwendet werden.
Des Weiteren kann das gewünschte Ziel sogar erreicht werden, auch wenn Breite, Teilungsabstand und Kantenabstand verschiedener Elektroden aufgrund eines möglichen Fehlers während der Präzisionsbearbeitung um etwa ±10% von den oben genannten Werten abweichen. Darüber hinaus kann, wenn die Richtfähigkeit aufgrund eines Fehlers beim Schnittwinkel oder dem Substratmaterial abweicht, diese Abweichung durch eine Veränderung der Breiten der Elektrodenfinger korrigiert werden.
Wie oben erklärt, kann die Richtfähigkeit des Substrats mit dem NSPUDT-Verhalten beim akustischen Oberflächenwellenwandler gemäß der Erfindung umgekehrt werden, und so ist es möglich, einen Filter mit geringer Dämpfung und guter Phasencharakteristik zu erhalten, indem das Substrat mit der Elektrode vom normalen Typ kombiniert wird. Darüber hinaus können, da die Elektroden durch eine einzige Präzisionsbearbeitung gebildet werden können, das Herstellungsverfahren einfach gehalten, die Ausbeute erhöht und die Kosten gesenkt werden.
Des Weiteren wird durch die Erfindung die Reflexionswirkung der Reflektorstruktur effizient genutzt und die Richtfähigkeit kann umgekehrt werden, auch wenn ein Substrat mit einem kleinen Reflexionsfaktor, wie z. B. das STX + 25º-geschnittene Quarzsubstrat, verwendet wird. Hierin wurde ein Substrat mit einem hohen Reflexionsfaktor, wie z. B. das Li&sub2;B&sub4;O&sub7; des (0º, 51º, 90º)-geschnittenen Li&sub2;B&sub4;O&sub7; als nicht praktisch betrachtet. Gemäß der Erfindung kann ein solches Substrat jedoch verwendet werden, da die ungewünschte reflektierte Welle ausgelöscht werden kann, indem die Reflexionswirkung des Reflektors auf geeignete Weise genutzt wird. So kann die Reflexionswirkung gemäß der Erfindung durch die Elektrodenfinger auf geeignete Weise kontrolliert werden, und der Wandler mit einer hervorragenden Wandlungseigenschaft kann umgesetzt werden.
Darüber hinaus kann bei den Ausführungsformen des akustischen Oberflächenwellenwandlers gemäß der Erfindung, bei denen die positiven und negativen Elektroden und schwebenden Elektroden aus demselben Material gebildet werden, das Herstellungsverfahren sehr einfach gehalten und die Genauigkeit der Abmessungen leicht erhalten werden. So kann die Einfügungsdämpfung durch das Material reduziert werden und die Frequenz- und Phasencharakteristik kann durch eine Kombination mit dem piezoelektrischen Substrat mit dem NSPUDT-Verhalten verbessert werden. Dieses Verhalten des akustischen Oberflächenwellenwandlers gemäß der Erfindung kann auch für das NSPUDT-Substrat mit dem Leistungsflusswinkel aufgrund der Verformung aufrecht erhalten werden.
Vor allem kann die Wandlerstruktur gebildet werden, indem die Elektrodenfinger mit einer Breite von λ/4 periodisch angeordnet werden, wodurch die Herstellungspräzision und die Wandlercharakteristik weiter verbessert werden kann.

Claims

1. Akustischer Oberflächenwellenwandler, umfassend ein anisotropes piezoelektrisches Substrat, das so geschnitten ist, dass es ein natürliches unidirektionales Einphasen- Wandler- oder NSPUDT-Verhalten aufweist, sowie zumindest eine Wandlerstruktur (20, 30) mit einer Anregungselektrodenstruktur (21, 31) und einer Reflektorstruktur (22, 32), die auf dem Substrat ausgebildet sind, wobei λ die Wellenlänge einer akustischen Grund-Oberflächenwelle ist, wobei die Anregungselektrodenstruktur eine positive Elektrode (23, 33) mit einer Vielzahl von Elektrodenfingern (23a, 23b, 33a, 33b), die in einem Teilungs-Abstand λ angeordnet sind, und eine negative Elektrode (24, 34) mit zumindest einem Elektrodenfinger (24a, 34a) umfasst, die mit einem Mittenabstand von λ/2 interdigital zwischen den Elektrodenfingern der positiven Elektrode angeordnet ist, und die Reflektorstruktur (22, 32) eine Vielzahl von Elektrodenfingern umfasst, die mit einem Mittenabstand von λ/2 angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand Lg zwischen der Anregungselektrodenstruktur (21, 31) und der Reflektorstruktur (22, 32) Lg = (2n + 1)λ/4 beträgt (wobei n eine positive ganze Zahl ist).

2. Akustischer Oberflächenwellenwandler nach Anspruch 1, worin jedes m eine positive ganze Zahl ist, die Zahl NE der Elektrodenfinger (23a, 23b, 33a, 33b) der Anregungselektrodenstruktur (21, 31) NE = 2m + 1 beträgt, und die Zahl NR der Elektrodenfinger der Reflektorstruktur (22, 32) NR = 2 m beträgt.

3. Akustischer Oberflächenwellenwandler nach Anspruch 2, worin NE und NR die Bedingung NE < NR erfüllen und eine Vorwärtsrichtung aufgrund der NSPUDT- Eigenschaft des Substrats auf eine negative Richtung einer Betriebsrichtung eingestellt ist.

4. Akustischer Oberflächenwellenwandler nach Anspruch 2, worin NE und NR die Bedingung NE > NR erfüllen und eine Vorwärtsrichtung aufgrund der NSPUDT- Eigenschaft des Substrats auf eine positive Richtung einer Betriebsrichtung eingestellt ist.

5. Akustischer Oberflächenwellenwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Breite der Elektrodenfinger der Anregungselektrodenstruktur und der Reflektorstruktur etwa λ/4 beträgt.

6. Akustischer Oberflächenwellenwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das anisotrope piezoelektrische Substrat mit der NSPUDT-Eigenschaft aus einem STX + 25º- geschnittenen Quarzsubstrat, einem Quarzsubstrat mit einem Schnittwinkel (45º,55º,0º), dargestellt als Euler-Winkel (φ, θ, φ), einem YZ + 51.25º-geschnittenen Lithiumtantalit-(LiTaO&sub3;)-Substrat, einem Y - θX(θ = 25º-45º)-geschnittenen Lithiumtantalit-(LiTaO&sub3;)-Substrat, einem Y - θX(θ = 25º-45º)-geschnittenen Lithiumniobat-(LiNbO&sub3;)-Substrat, einem 128º Y - θX-geschnittenen Lithiumniobat- (LiNbO&sub3;-)Substrat (23º < θ ≤ 40º) und einem Lithiumtetraborat-(Li&sub2;B&sub4;O&sub7;)-Substrat ausgewählt ist, für dessen Schnittwinkel, dargestellt als Euler-Winkel gilt: φ = -5º-+5º, θ = 9º-29º, 32º-86º und φ = 85º-95º.

7. Akustischer Oberflächenwellenwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend eine Vielzahl der Wandlerstrukturen (20, 30), die so angeordnet sind, dass ihre Betriebsrichtungen aufgrund des NSPUDT miteinander ausgerichtet sind, worin der Abstand Lt zwischen aufeinanderfolgenden Wandlerstrukturen (2n + 1)λ/4 beträgt (wobei n eine positive ganze Zahl ist).

8. Akustischer Oberflächenwellenwandler nach Anspruch 7, worin die Abstände Lg und Lt gleich 3λ/4 sind.

9. Akustischer Oberflächenwellenwandler nach Anspruch 7 oder 8, worin zumindest eine der Wandlerstrukturen eine Wandlungscharakteristik aufweist, die sich von jener der verbleibenden Wandlerstruktur oder -strukturen unterscheidet.

10. Akustischer Oberflächenwellenwandler nach Anspruch 9, worin sich die Anzahl der Elektrodenfinger der Anregungselektrodenstruktur der zumindest einen Wandlerstruktur von der Anzahl der Elektrodenfinger der Anregungselektrodenstruktur der verbleibenden Wandlerstruktur oder -strukturen unterscheidet.

11. Akustischer Oberflächenwellenwandler nach Anspruch 10, worin die Anregungselektrodenstruktur der zumindest einen Wandlerstruktur zumindest eine Pseudoelektrode umfasst, die nicht zur Anregung beiträgt.

12. Akustisches Transversal-Oberflächenwellenfilter, umfassend ein piezoelektrisches Substrat, das so geschnitten ist, dass es ein natürliches unidirektionales Einphasen- Wandler- oder NSPUDT-Verhalten aufweist, einen auf dem Substrat ausgebildeten senderseiten Wandler (40) und einen auf dem Substrat ausgebildeten empfängerseitigen Wandler (41), worin ein erster aus dem sender- und empfängerseitigen Wandler durch einen Wandler gebildet ist, dessen Vorwärtsrichtung aufgrund der NSPUDT-Eigenschaft des Substrats in eine positive Richtung einer Betriebsrichtung gerichtet ist, und der andere Wandler von diesen aus einem richtungs-umgekehrten Wandler gebildet ist, dessen Vorwärtsrichtung aufgrund der NSPUDT-Eigenschaft des Substrats in eine negative Richtung der Betriebsrichtung gerichtet ist, wobei der richtungs-umgekehrte Wandler auf dem piezoelektrischen Substrat ein Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ist.

13. Akustisches Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 12, worin der Wandler auf der Senderseite eine positive Elektrode, die eine Vielzahl von Elektrodenfingern aufweist, die periodisch in einem Teilungs-Abstand λ angeordnet sind, sowie eine negative Elektrode umfasst, die zumindest einen Elektrodenfinger aufweist, der interdigital mit einem Mittenabstand λ/2 zwischen den Elektrodenfingern der positiven Elektrode angeordnet ist.

14. Akustisches Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 12, worin der erste der Wandler eine Wandlerstruktur umfasst, die eine Anregungselektrodenstruktur und eine Reflektorstruktur umfasst, worin λ die Wellenlänge einer akustischen Grund- Oberflächenwelle ist, wobei die Anregungselektrodenstruktur eine positive Elektrode mit einer Vielzahl von Elektrodenfingern, die in einem Teilungs-Abstand λ angeordnet sind, und eine negative Elektrode mit zumindest einem Elektrodenfinger umfasst, die mit einem Mittenabstand von λ/2 interdigital zwischen den Elektrodenfingern der positiven Elektrode angeordnet ist, der Reflektorwandler eine Vielzahl von Elektrodenfingern umfasst, die mit einem Mittenabstand von λ/2 angeordnet sind, wobei der Abstand Lg zwischen der Anregungselektrodenstruktur und der Reflektorstruktur auf nλ/2 (wobei n eine positve ganze Zahl ist) eingestellt ist.

15. Akustisches Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 12, worin der erste der Wandler eine Wandlerstruktur umfasst, die eine Anregungselektrodenstruktur und eine Reflektorstruktur umfasst, worin λ die Wellenlänge einer akustischen Grund- Oberflächenwelle ist, wobei die Anregungselektrodenstruktur eine positive. Elektrode mit einer Vielzahl von Elektrodenfingern, die in einem Teilungs-Abstand λ angeordnet sind, und eine negative Elektrode mit zumindest einem Elektrodenfinger umfasst, die mit einem Mittenabstand von 212 interdigital zwischen den Elektrodenfingern der positiven Elektrode angeordnet ist, der Reflektorwandler eine Vielzahl von Elektrodenfingern umfasst, die mit einem Mittenabstand von λ/2 angeordnet sind, wobei der Abstand Lg zwischen der Anregungselektrodenstruktur und der Reflektorstruktur (2n + 1)λ/4 beträgt (wobei n eine positive ganze Zahl ist), die Zahl NE der Elektrodenfinger der Anregungselektrodenstruktur und die Zahl NR der Elektrodenfinger der Reflektorstruktur eine Bedingung NE > NR erfüllen und die Vorwärtsrichtung aufgrund der NSPUDT-Eigenschaft des Substrats auf eine positive Richtung der Betriebsrichtung eingestellt ist.

16. Akustisches Transversal-Oberflächenwellenfilter, umfassend ein piezoelektrisches Substrat, das so geschnitten ist, dass es ein natürliches unidirektionales Einphasen- Wandler- oder NSPUDT-Verhalten aufweist, einen auf dem Substrat ausgebildeten senderseitigen Wandler und einen auf dem Substrat ausgebildeten empfängerseitigen Wandler, worin jeder aus dem sender- und dem empfängerseitigen Wandler eine Vielzahl von Wandlerstrukturen umfasst, die so angeordnet sind, dass sie aufgrund der NSPUDT-Eigenschaft des Substrats aufeinander ausgerichtete Vorwärtsrichtungen aufweisen, wobei jede der Wandlerstrukturen eine Anregungselektrodenstruktur und eine Reflektorstruktur aufweist und, wenn λ eine Wellenlänge einer akustischen Grund- Oberflächenwelle ist, jede der Anregungselektrodenstrukturen eine positive Elektrode mit einer Vielzahl von Elektrodenfingern, die in einem Teilungs-Abstand λ angeordnet sind, und eine negative Elektrode mit zumindest einem Elektrodenfinger umfasst, die mit einem Mittenabstand von λ/2 interdigital zwischen den Elektrodenfingern der positiven Elektrode angeordnet sind, wobei jeder der Reflektorwandler eine Vielzahl von Elektrodenfingern umfasst, die mit einem Mittenabstand von λ/2 angeordnet sind, und wobei in jeder der Wandlerstrukturen der Abstand Lg zwischen der Anregungselektrodenstruktur und der Reflektorstruktur sowie der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Wandlerstrukturen 3λ/4 beträgt, und, wenn m eine positive Zahl ist, die Zahl NE an Elektrodenfingern einer jeden der Anregungselektrodenstrukturen NE = 2m + 1 ist und die Zahl NR der Elektrodenfinger in jeder der Reflektorstrukturen NR = 2 m ist, und in jeweiligen Wandlerstrukturen eines aus dem sender- und dem empfängerseitigen Wandler NE > NR gilt und in jeweiligen Wandlerstrukturen des anderen Wandlers NE < NR gilt.