JPS5835404B2 - 弾性表面波パラメトリック装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は可変周波数選択装置として作用させる弾性表面
波パラ７Ｉ−ＩＪラック置に関するもので、パラン１〜
リツク相互作用領域の形状を所望の周波数特性に対応さ
せて形成させることにより、前記可変周波数選択装置の
周波数特性を所望通りに設計し得るようにしたパラメト
リック装置に係るものである。

本出願人は先に特願昭５２−１０７２７１号等で開示し
たように、第１図に示すような可変周波数選択機能を備
えた弾性表面波装置を発明した。

第１図において符号１は半導体基板にして、この半導体
基板１上に絶縁膜２および圧電体層３を順次積層させ、
さらにこの圧電体層３上に直流バイアス電圧ならびにポ
ンプ電圧を印加するための方形状のポンプ電極４、およ
び入・出カドランスジューサ５，６をそれぞれ配設した
ものである。

符号７は直流バイアス印加用の直流電源、８は交流阻止
用のインダクタ、９はポンプ電圧印加用の高周波電源、
１０は直流阻止用のコンデンサであって、さらにｌＬ１
２は端面において不要な弾性表面波が反射するのを防止
するための弾性表面波吸収材である。

そしてポンプ電極４に直流電源７から直流バイアス電圧
を印加し、このポンプ電極４直下の半導体基板１表面部
に適宜の空間電荷層容量を生じさせ、さらに高周波電源
９から選択希望中心周波数ｆｏの２倍の周波数２ｆｏの
ポンプ電圧を同じくポンプ電極４に印加し、前記の空間
電荷層容量を周波数２ｆｏで励振して、この空間電荷層
容量を周波数２ｆｏで変化させる。

一方、広帯域性の入カドランスジューサ５に電気信号を
入力させると、この入力電気信号は弾性表面波信号に変
換されて圧電体層３の表面を第１図において入カドラン
スジューサ５の左右に向けて伝播する。

そして右方に伝播する弾性表面波入力信号１３のうちで
周波数ｆ。

近傍の信号成分がポンプ電極４下方部の動作領域を伝播
していく過程で、その圧電ポテンシャルが半導体基板１
表面の空間電荷層容量非線形効果によりポンプ電圧とパ
ラメトリック相互作用を生じて増幅され、この増幅され
た弾性表面波信号１４が出カドランスジューサ６により
再び電気信号に変換されて外部に出力される。

またこれと同時にポンプ電極４から図の左方に向けて、
弾性表面波入力信号１３の大きさに対応した周波数ｆｉ
（ｆｉ＝２ｆＯ−ｆｓ、ｆｓ：入力信号の周波数）の弾
性表面波信号１５が発生する。

この弾性表面波信号１５も出力信号として適宜に外部に
出力させることができる。

ここで上記の各出力弾性表面波信号１４．１５の周波数
特性を、入力信号１３の大きさを１として示したのが第
２〜３図であって、第２図はポンプ電圧が比較的小さい
場合、第３図はポンプ電圧が比較的大きい場合をそれぞ
れ示したものである。

上記の両図に示すように、方形状のポンプ電極４を備え
た弾性表面波装置においては、選択希望中心周波数ｆ。

における出力を定めたとき、信号通過帯域のレスポンス
、およびスプリアスレスポンスはほぼ決ってしまう。

このため従来の弾性表面波装置は周波数選択装置として
使用する場合に、周波数特性の設計の自由度が極めて少
なく、またスプリアスレスポンスの大きさも実用上十分
に小さいとは云えないものであった。

ここにおいて本発明は周波数選択装置として使用する上
において、信号通過帯域のレンポンスを仕様に合わせ得
るとともに、スプリアスレスポンスを実用上支障のない
程度にまで減少させ得るようにした弾性表面波パナメト
ＩＪツク装置を提供しようとしたものである。

即ち本発明は次のような理論のもとになされたものであ
る。

いま一般的な電気回路理論によれば、線形回路の出力周
波数特性は、入力端にインパルスを印加したときの出力
端の時間応答（時間変化）をフーリエ変換することによ
り求められる。

したがって、逆に所望の周波数特性とフーリエ変換の関
係にある時間応答を求め、この時間応答とインパルス応
答とが等しくなるように線形回路を構成すれば当該所望
の周波数特性を有する出力信号が得られる。

ここで上記の理論を、前記した従来例たる第１図の装置
に適用した場合について、第４図Ａ〜第７図Ｂを参照し
てさらに具体的に説明すると次のとおりである。

いよ第１図に示す弾性表面波パラメトリック装置におい
て、パラメトリック相互作用を余り強くない状態に設定
して、入カドランスジューサ５に第４図Ａに示すような
継続時間をＯとした理想的なインパルスｅ１を時間１＝
０で入力させたとする。

このときポンプ電極４から左右に向けて出力される２つ
の弾性表面波信号出力のうち、入力弾性表面波１３と逆
方向に進行する出力信号１５（周波数ｆｉ）についての
時間応答１１をとると第４図Ｂに示すものが得られる。

ここで第４図Ｂ中、時間ｔ１とは弾性表面波信号が入カ
ドランスジューサ５とポンプ電極４における前端４′と
の間を往復するのに要する時間であり、また時間ｔ２と
は弾性表面波信号が入カドランスジューサ５とポンプ電
極４における後端４“との間を往復するのに要する時間
を示している。

上記の入力インパルスｅ１と、出力時間応答１、とをさ
らに詳しく説明すると、理想的なインパルス応答中には
無限の周波数成分が含まれている。

このインパルスｅ１が入カドランスジューサ５から入力
されると、上記の周波数成分のうち（ポンプ周波数を２
ｆｏとしたとき）周波数ｆ。

近傍の信号成分のみが主にパラメトリック相互作用を受
けて入力弾性表面波１３と逆方向に進行する後退波弾性
表面波信号１５として出力される。

この出力信号における周波数成分をＡ、Ｍ検波したとき
のエンベロープが第４図Ｂに示す出力時間応答１１であ
る。

一方、インパルスｅ１に代えて、入カドランスジューサ
５に第５図Ａに示すような周波数ｆ。

を含む振幅一定の信号ｅ２を印加したときの後退波弾性
表面波出力信号１５の周波数スペクトル１５ｃを示した
のが第５図Ｂである。

因みにこの第５図Ｂの周波数スペクトル１５ｃは前記第
２図中符号１５ａで示す出力周波数特性に対応する。

ここで上記の周波数スペクトル１５ｃは、前記の時間応
答１１をフーリエ変換したものに相当する。

そこで、いま仮りに第５図Ｂに示す周波数スペクトル１
５ｃが、所望の周波数特性であるとすると、これとフー
リエ変換の関係にあるのが第４図Ｂに示す時間応答１１
であって、この時間応答１１を呈する線形回路、即ち弾
性表面波パラメトリック装置が第１図に示した方形状の
ポンプ電極４を備えた装置なのである。

しかし上記の理想的インパルスｅ１は実際には実現不可
能である。

そこでこれに代えて第６図Ａに示すようなキャリア周波
数ｆ。

、継続時間１（１＜：１２−１１）のＲＦパルスｅ１′
を用いる。

このとき後退波出力信号１５についての時間応答１□′
は第６図Ｂに示すものが得られ、これをＡＭ検波したと
きのエンベロープは前記第４図Ｂに示したものと殆んど
同じである。

因みに第６図Ｂに示す時間応答出力信号Ｉ□′のキャリ
ア周波数はｆ ｉ ＝ ２ ｆ（１−ｆ６＝ ｆＯであ
る。

また前記の第５図Ａの振幅一定の信号ｅ２についても、
実際の信号ｅ２′には第７図Ａに示すように中心周波数
ｆ。

から離れた周波数において振幅の減衰傾向がみられる。

しかしこのような信号ｅ２′をトランスジューサ５から
入力させた場合にも、後退波出力信号の周波数スペクト
ル１５０′は第７図Ｂに示したものが得られる。

この周波数スペクトル１５Ｃ′は、前記の第５図Ｂに示
したものと殆んど同じである。

したがって所望周波数特性の弾性表面波パラメトリック
装置の設計（ポンプ電極の設計）に当っては、実際には
インパルスおよび振幅一定の信号として第６図Ａおよび
第Ｔ図Ａに示した信号をそれぞれ用いる。

次に上記の如き技術的手法に基いてなされた本発明を図
の実施例を参照して具体的に説明する。

なお以下の図において前記第１図と共通する部材につい
ては、前記と同一の符号を附すものとする。

第８図において符号１は一例としてシリコン（Ｓｉ）材
料により形成した半導体基板にして、この半導体基板１
上に絶縁膜２および圧電体層３を順次積層させて積層体
を形成する。

絶縁膜２は半導体基板１表面の安定化膜として作用させ
るもので、−例として２酸化シリコン膜（Ｓｉｎ２）で
形成する。

また圧電体層３は酸化亜鉛（ＺｎＯ）、または窒化アル
ミニウム（Ａ［Ｎ）等の圧電体材料により形成する。

次いで図における上記積層体上の左右両端部近傍に入カ
ドランスジューサ５および出カドランスジューサ６をそ
れぞれ配設する。

この人・出カドランスジューサ５，６は十分に広帯域特
性を有するように形成する。

そして上記の入カドランスジューサ５と出カドランスジ
ューサ６との間における弾性表面波の伝播路上に、前述
した技術的手法に基いて形成したポンプ電極Ｍを配設す
る（形成手順については後述する）。

符号７は直流バイアス印加用の直流電源、８は交流阻止
用のインダクタ、９はポンプ電圧印加用の高周波電源、
１０は直流阻止用のコンデンサである。

また符号１１，１２は端面において不要な弾性表面波が
反射するのを防止するための弾性表面波吸収材である。

次に前述の技術的手法に基いてパラメトリック相互作用
領域、つまりポンプ電極Ｍを設計する手順について説明
する。

いま所望の周波数特性を第９図に示すようなバンド幅Ｂ
の理想的なバンドパスフィルタとする。

このときこの周波数特性Ｅ２とフーリエ変換の関係にあ
る時間応答Ｉ２を求めると、第１０図に示すような５１
ｎｘ／Ｘ形の図において左右に無限に広がったものにな
る。

ここでポンプ電圧を比較的小とした場合、インパルスｅ
１によって発生する弾性表面波出力信号５ＡＷ３の大き
さは、パラ７ｌ−ＩＪラック互作用領域の大きさ、即ち
弾性表面波の伝播方向と直交する方向のポンプ電極幅に
ほぼ比例する。

したがって前記の時間応答Ｉ２とインパルス応答とを等
しくするためには、ポンプ電極幅を時間応答Ｉ２の波形
に対応させて同一の形状に形成させればよい。

これに従って形成させたポンプ電極Ｍ２の一例を第１１
図に示す。

このポンプ電極Ｍ２における各電極形成体ｍ２ ＊ ｍ
２’ ？ ｍ２〃のつなぎ目部分は電気的には絶縁する
。

また同図において符号１６はポンプ電圧の位相を１８０
°変化させるための位相変化回路である。

同図に示すように理想的なバンドパスフィルタ（第９図
）に対応したポンプ電極Ｍ２は、図において左右方向に
無限の広がりを持った形状になってしまう。

したがってかかるポンプ電極Ｍ２を前記第８図に示す装
置に適用しようとすると積層体の形状寸法もこれに合わ
せて増大させねばならず実用上問題が生ずる。

このためフィルタ特性（周波数選択特性）は、実用上支
障のない程度に多少悟性にした上でポンプ電極長を装置
に適用する上において最適になるように設計しなければ
ならない。

そこで実用性を加味させたパラメトリック相互作用領域
、云い換えればポンプ電極形状の設計例を次の２つの例
について述べる。

まず第１２図Ａは前記第１０図の５１ｎＸ／Ｘ形の時間
応答のうち、−π＜ ｘ ＜π以外の波形部分を取り去
った形に対応したインパルス応答１３を示したもので、
このインパルス応答１３に対応させて形成したポンプ電
極例が第１２図Ｂ乃至第１２図Ｃである。

第１２図Ｂ中符号りは、ｒ’４（ｔ２ｔｔ）／２）×■
、（■：弾性表面波の音速）である。

第８図に示したバランｈ ＩＪラック置に適用する場合
には第１２図Ｃに示すような図において上下対象形のも
のを用いる。

そして、この第１２図Ｃに示すポンプ電極Ｍ３を適用し
たとき、弾性表面波出力信号５ＡＷ３についての周波数
特性は１３図に示す如き所望のものが得られる。

この周波数特性Ｅ３を前記第９図に示した理想的なバン
ドパスフィルタＥ２と比較したとき、フィルタの肩特性
において劣化がみられるが、第２図等に示した従来例の
それと比較するとスプリアスレスポンスは実用上差支え
ない程度に顕著に減少している。

したがって第１２図Ｃに示すポンプ電極Ｍ３は、所望の
周波数特性Ｅ３を生じさせる弾性表面波パラメトリック
装置のポンプ電極として適用し得る。

次に第１４図Ａ、Ｂはポンプ電極の他の設計事例を示し
たもので、この事例においては所望の周波数特性を
２７ｒ２ ｆ２のガウス関数形のものとし、これとフー
リエ変換の関係にある時間応答１４とインパルス応答が
等しくなるようにそのポンプ電極形状を第１４図ＢのＭ
４の如く設定したものである。

この事例においても理想的なバンドパスフィルタの特性
Ｅ２と比較したとき、フィルタの肩特性においてやや劣
化がみられるが、スプリアスレスポンスが除去され、ま
たポンプ電極の形状寸法においても実用し得る範囲に設
定し得るものであり、第８図の弾性表面波パラメトリッ
ク装置のポンプ電極として適用し得るものである。

上記した第１２図Ａ〜第１５図について述べた２つの設
計事例は、何れもポンプ電圧を小とした場合についての
ものである。

ポンプ電圧を犬にしてパランｌ−ＩＪラック互作用の大
きい場合は、インパルス応答とパラメトリック相互作用
領域（ポンプ電極）の形状とは比例関係からややはずれ
てくる。

しかし、このずれの効果を考慮に入れて行えばポンプ電
圧が犬の場合も上記の設計事例とほぼ同様にして所望の
周波数特性が得られるパラメトリック相互作用領域（ポ
ンプ電極）の形状を設計し得るものである。

また以上の設計事例は何れも弾性表面波出力として第８
図中符号５ＡＷ３で示す後退波出力をとり出す場合につ
いて述べたが入力弾性表面波５ＡＷ１と同方向の出力波
である符号５ＡＷ２の弾性表面波をとり出す場合につい
ても同様に設計し得るものである。

ただし符号５ＡＷ２の弾性表面波については、パラメト
リック相互作用を生じない周波数の信号成分が変化を受
けずにそのまま出力されるためスプリアスレスポンスに
ついての改善効果がやや少なくなる。

本発明の実施例たる弾性表面波パラメトリック装置は上
述のように構成され以下のように動作する。

まずポンプ電極Ｍに直流電源γから適宜値の直流バイア
ス電圧を印加し、このポンプ電極４直下の半導体基板１
の表面部に適宜の空間電荷層容量を生じさせ、さらに高
周波電源９から所望の周波数選択帯域における中心周波
数ｆ。

の２倍の周波数２ｆｏのポンプ電圧を同じくポンプ電極
Ｍに印加し、前記の空間電荷層容量を周波数２ｆｏで励
振して、この空間電荷層容量を周波数２ｆｏで変化させ
る。

一方、広帯域性の入カドランスジューサ５に印加された
入力電気信号は、弾性表面波に変換されて圧電体層３の
表面を第８図において入カドランスジューサ５の左右に
向けて伝播する。

そして右方に伝播する弾性表面波入力信号Ｓ ＡＷｌの
うちで周波数ｆ。

近傍の信号成分がポンプ電極Ｍ下方部のパランＩ−ＩＪ
ラック互作用領域を伝播していく過程で、その圧電ポテ
ンシャルが半導体基板１表面の空間電荷層容量非線形効
果によりポンプ電圧とパラメトリック相互作用を生じて
増幅され、出力弾性表面波が第８図においてポンプ電極
Ｍ部から左右に向けて発生する。

そして入力弾性表面波ＳＡＷ、と同方向に進行する出力
弾性表面波５ＡＷ２は出カドランスジューサ６により再
び電気信号に変換されて外部に出力される。

一方、入力弾性表面波５ＡＷ１と逆方向に進行する出力
弾性表面波５ＡＷ３は、入力トランスジュ−サ５を兼用
させるか、もしくは他の適宜の手段（例えば本出願人が
特願昭５４−６４９２３号等で開示したようなマルチス
トＩＪツブカプラを配設した出力手段）によって同じく
電気信号として外部にとり出すことができる。

そして上記のように弾性表面波５ＡＷ２および５ＡＷ３
が出力される過程において、パラメトリック相互作用領
域たるポンプ電極Ｍの形状が所望の周波数特性に対応さ
せて形成しであるので、入力弾性表面波５ＡＷ１のうち
、この所望の周波数特性に対応した周波数の信号成分の
みが当該弾性表面波５ＡＷ２または５ＡＷ３として選択
的に出力される。

即ち、−例として入力弾性表面波５ＡＷ１と逆方向の出
力弾性表面波５ＡＷ３については、前記の第１３図また
は第１５図に示したような所望の周波数特性を有する信
号として出力され、当該弾性表面波パラメトリック装置
は所望の帯域通過フィルタとして機能するのである。

また入力弾性表面波５ＡＷ１と同方向の出力弾性表面波
５ＡＷ２については、スプリアスレスポンスの点で上記
の出力弾性表面波５ＡＷ３よりも劣るが、上記と同様に
して所望の周波数特性を有する信号として出力される。

以上詳述したように本発明によれば、パラメトリック相
互作用領域、云い換えればポンプ電極の形状を、所望の
出力周波数特性に対応させて形成させるようにしたから
、弾性表面波パラメトリック装置を可変周波数選択装置
（帯域通過フィルタ）として用いる場合、その出力周波
数特性を仕様に合わせて所望通りに設計できるという極
めて優れた効果を発揮する。

また上記の効果に加えて、弾性表面波バラメトノック装
置が本質的に備えている効果、即ち広い周波数範囲に亘
って可変同調特性を有する点、出力中心周波数の安定度
は外部のポンプ電源の安定度で決定される点、およびＳ
／Ｎが良好である点などの諸種の効果を併せ有せしめる
ことができ、可変周波数選択装置として使用する上にお
いて極めて優れた弾性表面波パランｈ ＩＪラック置を
提供し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例を示す斜視図、第２図および第３図は同
上の出力周波数特性を示す特性図で第２図はポンプ電圧
が比較的小さい場合第３図はポンプ電圧が比較的大きい
場合をそれぞれ示す、第４図Ａはパラン） ＩＪラック
互作用領域部の設計に使用する理想的インパルスを示す
波形図、第４図Ｂは同上インパルスを第１図の装置に適
用したときの時間応答の一例を示す特性図、第５図Ａは
理想的入力弾性表面波の周波数特性図、第５図Ｂは同上
入力弾性表面波を第１図の装置に適用したときの後退波
弾性表面波出力の周波数スペクトルを示す特性図、第６
図Ａは第４図Ａに代えて実用するＲＦパルスの一例を示
す波形図、第６図Ｂは同上ＲＦパルスを第１図の装置に
適用したときの時間応答の一例を示す特性図、第７図Ａ
は第５図Ａに代えて実用する入力弾性表面波の周波数特
性図、第７図Ｂは同上入力弾性表面波を第１図の装置に
適用したときの後退波弾性表面波出力の周波数スペクト
ルを示す特性図、第８図は本発明の実施例たる弾性表面
波パラメトリック装置を示す図で積層体部は斜視図を以
って示す、第９図は理想的なバンドパスフィルタの周波
数特性を示す特性図、第１０図は同上特性とフーリエ変
換の関係にある時間応答を示す特性図、第１１図は同上
の時間応答に対応して形成させたポンプ電極の一例を示
す平面図、第１２図Ａは第１０図の特性のうち−π＜
ｘ ＜π以外の波形部分を取り去った形のインパルス応
答を示す特性図、第１２図Ｂ、Ｃはそれぞれ同上のイン
パルス応答に対応させたポンプ電極の形成例を示す平面
図、第１３図は同上ポンプ電極を第８図に適用したとき
の出力周波数特性の一例を示す特性図、第１４図Ａは本
発明に適用するインパルス応答の他の例を示す特性図、
第１４図Ｂは同上のインパルス応答に対応させたポンプ
電極の形成例を示す平面図、第１５図は同上ポンプ電極
を第８図に適用したときの出力周波数特性の一例を示す
特性図である。 １・・・・・・半導体基板、２・・・・・・絶縁膜、３
・・・・・・圧電体層、５・・・・・・入カドランスジ
ューサ、６・・・・・・出カドランスジューサ、７・・
・・・・直流電源、８・・・・・・インダクタ、９・・
・・・・高周波電源、１０・・・・・・コンデンサ、１
１．１２・・・・・・弾性表面波吸収材、Ｍ、Ｍ２．Ｍ
３゜Ｍ４・・・・・・ポンプ電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体と圧電体とを備えた積層体における当該圧電
   体上に、パラメトリック相互作用領域形成用のポンプ電
   極を配設するとともに、該ポンプ電極における弾性表面
   波伝播方向と直交する方向の幅を出力弾性表面波の所望
   の周波数特性に対応して前記弾性表面波伝播方向に順次
   界ならせたことを特徴とする弾性表面波パラ７Ｉ−ＩＪ
   ラック置。 ２ 半導体としてシリコンを用いるとともに、圧電体と
   して酸化亜鉛を用いた特許請求の範囲第１項記載の弾性
   表面波パラメトリック装置。 ３ 半導体としてシリコンを用いるとともに、圧電体と
   して窒化アルミニウムを用いた特許請求の範囲第１項記
   載の弾性表面波パラ７ｌ−ＩＪラック置。