JPS584484B2 - 表面弾性波トランスジュ−サ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気信号と表面弾性波（以下表面波と略記する
）との変換をするための表面弾性波トランスジューサに
関し、さらに詳しくは交流電気信号電力（ポンピング電
力）印加用電極の少なくとも一方の側に、表面波の反射
制御電極を配設するとともに、この反射制御電極に反射
制御用直流バイアス電圧を印加させるようになし、もっ
てポンピング電力のしきい値を減少させ得るようにした
トランスジューサに係る。

一般に表面弾性液を用いた信号処理を行なうに当っては
交流電気信号と表面信号波との変換作用をなすための変
換手段を必須のものとする。

そして上記の変換手段として従来は■櫛形電極を用いた
もの、および＠一旦バルク波を別途のバルク波トランス
ジューサで発生させてからこのバルク波を表面波に変換
するようにしたもの等があった。

まず上記■のものは第１図に示すように、圧電体１上に
金属薄膜状の２つの櫛形電極２，２′を交叉させた構造
からなるもので、比較的狭帯域用の変換器として多く用
いられるものであるが広帯域特性を付与させる場合にお
いては構成上の複雑さを伴うばかりか、変換効率が落ち
てしまうという難点があった。

また数１００ＭＨｚ以上等の高周波域用に構成するため
には櫛形電極２，２′間の間隔を非常に狭くしなければ
ならず、このため超微細加工技術が必要とされるので、
その歩留りが悪くなるという難点があった。

また細幅状の櫛形であるため、その電気抵抗による損失
も本質的に免れ得なかった。

他方前記＠のものは、第２図に示すように圧電膜３に電
極４，４′をとりつけたバルク波トランスジューサを圧
電体等の基板５下方に配設するとともに基板５の表面部
にはグレーテイング（周期的溝）６′等を設け、バルク
液トランスジューサで発生さ詳たバルク波７をグレーテ
イング６等の作用により表面波８，８′に変換するとい
うものであった。

しかし上記のものはバルク波から表面波に２段階を経て
変換させるようにしたものであるから、変換効率が悪く
、また不用な信号波も発生してしまう等の欠点があった
。

そこで本出願人は上記のような諸種の技術的課題に対処
して先に特願昭５２−１０７２７２号で開示したように
、半導体と圧電体とを備えさせた積層体における前記圧
電体の表面部に、直流バイアス電圧および交流電気信号
供給用の板状電極を配設し、もって微細加工を不要とす
るとともに、超高周波域における変換も効率よくなし得
るようにした表面弾性波トランスジューサを発明した。

上記のように先の発明に係る表面弾性波トランスジュー
サは、前記した従来例等と比較して構成容易性と、特に
超高周波域における変換効率の向上を図り得たものであ
る。

しかるに超高周波域における交流電気信号源即ちポンピ
ング電力源を考慮したとき、パワーの比較的大なる超高
周波電力源は得ることが難しく、アンプ等を附設して所
望のパワーが得られたとしても超高周波用のパワーアン
プは高価につくものであるから、上記した諸種の効果に
加えてさらにポンピング電力のしきい値を小ならしめ得
るような表面弾性波トランスジューサが望まれていた。

また信号処理における実際の運用上、変調機能も有する
トランスジューサとしたい場合がしばしば生ずるもので
あるが、上記した先の発明に係る表面弾性波トランスジ
ューサでは、これを容易になし得す、この点においても
なお改良が望まれていた。

ここにおいて本発明は交流電気信号供給用電極の少なく
とも一方の側に表面弾性波の反射制御電極を配設し、こ
の反射制御電極に反射制御用直流バイアス電圧を印加す
るようになし、さらに所要の場合にはこの反射制御用直
流バイアス電圧に変調信号電圧をも重畳させるようにな
し、もって上記した要望を満たし得るようにした表面弾
性波トランスジューサを提供しようとしたものである。

即ち本発明は、交流電気信号（ポンピング電力）供給用
電極の少なくとも一方の側部近傍に別途に表面弾性波の
反射制御電極を配設し、この反射制御電極に反射制御用
直流バイアス電圧を印加して、当該反射制御電極直下に
おける半導体表面のキャリア濃度を変化させ、表面弾性
波伝播路の特性インピーダンスを変化させれば、前記の
交流電気信号供給用電極の下方に表面弾性波エネルギー
が一部蓄積されるような現象が生じて、ポンピング電力
のしきい値が減少するという事実を見出し、さらに前記
の反射制両用電圧に変調電圧を重畳させれば被変調表面
弾性波信号が得られるという事実をも見出したことに基
づいてなされたものである。

以下本発明を図の実施例に基づいて具体的に説明する。

第３図は本発明の一実施例を示すもので、図において符
号Ｓは一例としてシリコン（Ｓｉ）材料等により形成さ
れた半導体基板、■は酸化亜鉛（ＺｎＯ）等により形成
された圧電体膜にして、この圧電体膜■の厚さは、適用
する周波数域によって異ならしめるのを可とするもので
あるが、一例として数μｍ程度に構成する。

また符号■′はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）等の保護膜
であって、この保護膜■′は一例として１０００Å程度
の厚さに形成し半導体基板Ｓ表面の安定化膜として作用
させる。

そして上記の半導体基板Ｓ、保護膜■′、および圧電体
膜■により積層体を形成する。

なお上記の積層体を形成するに当っては圧電体■側を基
板とし、この圧電体基板上に半導体膜を適宣に形成する
ようにしてもよい。

また半導体基板Ｓの導電形に関してはｐ形、ｎ形のいず
れでもよく、適用した導電形のいずれかに対応させて後
述の直流バイアス電圧の極性を選び、半導体基板Ｓの表
面部に空間電荷層を発生させるようにすればよい。

さらに圧電体膜Ｉ上における符号Ｍ１は、直流バイアス
電圧および交流電気信号供給用の金属電極にして、この
金属電極Ｍ１は蒸着膜等により薄膜状に形成するもので
あって、その平面形状は一例として図において左右方向
を長手方向とする長方形に形成する。

長方形に形成したとき発生した表面波は主として長手方
向の左右に向けて進行する。

そしてさらに上記の電極Ｍ１は、交流電流阻止用のチョ
ークコイルＣＨおよび直流バイアス電圧印加用の電圧可
変直流電源Ｅ１を順次介して接地に連ねる。

他方同じく上記の電極Ｍ１を直流電流阻止用のコンデン
サＣおよび交流電気信号源１２を順次介しく接地に連ね
る。

符号Ｍ２は半導体基板Ｓとオーミツク接触をとるための
電極であって、このオーミツク接触用電極Ｍ２は接地に
連ねる。

また符号１３は一例としてシリコングリス等の音波（表
面波）吸収材にして、この音波吸収材１３の配設により
表面波１４，１４′のうち一方に向けて進行する表面波
１４′を吸収させ、一方向性の表面弾性波トランスジュ
ーサとなす。

そして本発明においては、上記した構成に加えて、さら
に次のような部材を附設する。

即ち交流電気信号供給用の電極Ｍ１の図における左右両
側方に、この電極Ｍ１とはそれぞれ間隔ｌだけ離隔させ
て反射制御電極Ｍ３，Ｍ４を配設する。

この反射制御電極Ｍ３，Ｍ４は電極Ｍ１と同様に金属蒸
着膜等により薄板状に形成する。

また上記の間隔ｌは、一例として数μｍ〜数１０μｍ程
度の長さに形成するものであって、電極Ｍ１に向けて適
宜の反射率で表面波を反射させることができ、かつ反射
制御電極Ｍ３またはＭ４と、電極Ｍ１とにそれぞれ異な
る電圧を印加した場合においても、両電極間において絶
縁破壊を生じしめないような間隔とする。

さらに両反射制御電極Ｍ３，Ｍ４の図における紙面に垂
直方向の長さは、電極Ｍ１の横幅の長さと同程度乃至は
長くてもよく、上記したように電極Ｍ１に向けて適宜の
反射率で表面波を反射させることができるような長さで
あればよい。

そして上記の両反射制御電極Ｍ３，Ｍ４には、それぞれ
電圧可変の反射制御用直流バイアス電源Ｅ２、Ｅ３を接
続する。

なお図の例においては、上記のようにそれぞれの反射制
御電極Ｍ３，Ｍ４に、各別に反射制御用直流バイアス電
源Ｅ２，Ｅ３を接続したが、反射制御用直流バイアス電
源は１個のものを用いて、この１個の反射制御用直流バ
イアス電源を両反射制御電極Ｍ３，Ｍ４に対して共用と
させてもよい。

本発明の一実施例たる表面弾性波トランスジューサは上
述のように構成され以下のように動作する。

まず電圧可変直流葡源Ｅ１から適宜値の直流バイアス電
圧を電極Ｍ１に印加させて半導体基板Ｓの表面部に表面
電荷層容量非線形性を付与させておく。

また両反射制御電極Ｍ３，Ｍ４に対しても、それぞれの
反射制御用直流バイアス電源Ｅ２，Ｅ３から適宜値の直
流バイアス電圧を印加して、当該反射制御電極Ｍ３，Ｍ
４直下における半導体基板Ｓ表面部のキャリャ濃度を変
化させて、表面波伝播路の特性インピーダンスを変化さ
せておく。

次いで交流電気信号源１２から、電極Ｍ１に周波数２ｆ
からなる或る値以上のポンピング電力を印加すると熱雑
音等を発生源として、電極Ｍ１の下方部に周波数ｆの表
面信号波１４，１４′が発生する。

そしてこのようにして発生した表面信号波１４，１４′
はポンピング電力と前記の表面電荷層容量非線形性との
パラメトリック相互作用により増大され乍ら図において
電極Ｍ１の左右方向、即ち電極形状の長手方向に向けて
伝播する。

ところで、本発明においては、前記したように電極Ｍ１
の両端部近傍における表面信号波伝播路の特性インピー
ダンスは局部的に変化しているものであるから、上記の
ように電極Ｍ１の下方部から図において左右方向に向け
て伝播する表面信号波１４，１４′の一部は上記のイン
ピーダンス変化部において反射され反射表面波１５，１
５′が形成される。

本発明の構成においてその反射率は外部へ導出する表面
信号波出力には殆んど影響を与えない程度の低い値でお
るがこの反射表面波１５，１５′の存在により電極Ｍ１
下方に表面弾性波エネルギーの蓄積現象が生ずる。

このため引続き当該表面弾性波トランスジューサを作動
状態とさせるためのポンピング電力のしきい値が減少し
、ポンピング電力供給源たる交流電気信号源１２は比較
的低パワーのものであっても有効に変換作用が生ずるの
である。

なお前述の反射率の値は、反射制御用直流バイアス電源
Ｅ２，Ｅ３を調整することにより変え得るものであり、
したがってしきい値を効果的に減少させるように適宜に
調整し得る。

そして図示のように圧電体１部の一方に音波吸収材１３
を設けておけば、この方向への表面信号波１４′は吸収
されて反射することがないので、一方向性の表面弾性波
トランスジューサとなる。

因みに図の事例においては、反射制御電極を、ポンピン
グ電力供給用の電極Ｍ１の両側方部に配設したが、本発
明は両側方部への配設に限ることなく、少なくとも何れ
か一方の側に配設し、電極Ｍ１に向けて反射波を生ぜし
めておけばポンピング電力のしきい値を減少させ得るも
のである。

次に第４図に示す本発明の他の実施例について説明する
。

この事例は、表面弾性波トランスジューサに変調機能を
有せしめ、被変調表面弾性波出力信号が得られるように
したものである。

そして上記の機能を有せしめるために、反射制御電極Ｍ
４に連ねた反射制御用直流バイアス電源線路に変調信号
電圧源１６を介在させる。

而して被変調表面弾性波出力信号を得るに当っては、反
射制御電極Ｍ４に反射制御用直流バイアス電圧と、変調
信号電圧との重畳電圧を印加する。

このとき反射制御電極Ｍ４下方部の表面波伝播路の特性
インピーダンス、換言すれば表面波の反射率が変調信号
電圧に応じて変化するので、外部への表面信号波出力と
して被変調信号が得られるのである。

なお前記した第３図の事例において圧電体および保護膜
の厚さ、さらには電極間間隔等の諸寸法を例示したが、
本発明はかかる例示寸法のみに限られるものではなく、
その諸寸法は適用する周波数帯域等によって適宜の変更
を可とするものである。

また前述の実施例において圧電体■の材料は酸化亜鉛に
より形成したが、酸化亜鉛のみに限らず、ニオブ酸リチ
ウム（ＬｉＮｂｏ３）、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、
硫化カドミウム（ＣｄＳ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）等のそ
の他の圧電材料により形成してもよい。

以上詳述したように本発明によれば、交流電気信号電力
（ポンピング電力）供給用電極の少なくとも一方の側に
表面波の反射制御電極を配設し、この反射制御電極に反
射制御用直流バイアス電圧を印加させるようにしたから
、ポンピング電力のしきい値を減少させることができ、
したがってポンピング電力源の所用パワーを小ならしめ
得るという優れた効果を発揮する。

また反射制御電極に印加する反射制御用直流バイアス電
圧に変調信号電圧を重畳させるようにしたときは、被変
調表面弾性波出力信号をも得ることができるというこの
種装置にとって極めて優れた実用上の効果を発揮する。

さらに本発明は上記の諸効果に加えて、圧電体表面部に
配設した諸電極は半導体基板の表面部に所要の空間電荷
層を生じさせるものであればその形状には制約を受ける
ことなく単なる板状体であればよいから微細加工を全く
必要としないという優れた実用上の効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は櫛形電極を適用した従来例を示す斜視図、第２
図は他の従来例を示す側面図、第３図は本発明の一実施
例たる表面弾性波トランスジューサを説明するための回
路図で積層体は一部を切欠いた側面図をもって示す。 第４図は同上の他の実施例を示す要部回路図である。 １２：交流電気信号源、１３：音波吸収材、１４，１４
′：表面信号波、１５．１５′：反射表面波、１６：変
調信号電圧源、Ｃ：コンデンサ、ＣＨ：チョーク、Ｅ１
：電圧可変直流電源、Ｅ２，Ｅ３：反射制御用直流バイ
アス電源、■：圧電体■′：保護膜、Ｍ１：電極、Ｍ２
：オーミツク接触用電極、Ｍ３，Ｍ４：反射制御電極、
Ｓ：半導体、ｌ：電極間間隔。

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前記圧電
   体の表面部に、直流バイアス電圧および交流電気信号供
   給用の電極を配設するとともに、該電極の少なくとも一
   方の側に当該電極とは離隔して表面弾性波の反射制御電
   極を配設し、該反射制御電極に反射制御用直流バイアス
   電圧を印加することを特徴とする表面弾性波トランスジ
   ューサ。 ２ 反射制御用直流バイアス電圧は可変直流電圧源から
   供給する特許請求の範囲第１項記載の表面弾性波トラン
   スジューサ。