NO176590B - Akustisk-elektrisk overflatebölge-transduser - Google Patents

Description

Oppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en elektrisk/akustisk overflatebølgeinnretning eller transduser, av den art som er angitt i den innledende del av det vedføyde patentkrav 1 .

For å fremskaffe slike transdusere starter man med et tynt plant piezoelektrisk substrat. Ved hjelp av mikrolitografi eller ved hjelp av andre mikromaskineringsteknikker, blir der på en stor flate av dette substrat dannet to rader av tynne, ledende fingre, som forløper parallelt med hverandre i hver rad.

Under visse bruksbetingelser vil der finne sted en kobling mellom de to fingerrader ved overflateakustiske bølger som brer seg i det piezoelektriske substrat. Denne kobling har visse temporære og frekvenstilknyttede egenskaper avhengig av fingergeometrien, hovedsakelig fingerbredden, samt på det fenomen som vedrører akustisk utbredelse fra en finger-rad til den annen.

Inntil nå er disse innretninger hovedsakelig blitt benyttet for forholdsvis smale båndbredder. De er da tilfredsstillende og deres oppførsel kan forhåndsbestemmes på en rimelig måte.

De er imidlertid ikke så tilfredsstillende eller forutsig-bare hva angår anvendelse i forbindelse med brede eller meget brede båndbredder. Med uttrykket "meget brede bånd" skal det her forstås at den effektive båndbredde kan være så stor som verdien av medianfrekvensen.

Kient teknikk

I forbindelse med disse anvendelser for meget brede bånd, er de to rader av fingre generelt skråstilt i forhold til perpendikulæren med hensyn til fingerretningen, samtidig som dessuten medianretningen for disse rader vanligvis er kurve-lineære. Man bestreber og bestemme at antallet av fingre i den ene rad og den annen som vil innebære en samvirkning for fremskaffelse av den akustiske kobling, og å gjøre dette for hver gitt frekvensverdi innenfor drifts-båndet.

Ved en kjent konstruksjon, betegnet singelfingerkonstruksjoner, vil bredden av en finger være lik en fjerdedel av den øyeblikkelige (lokale) akustiske bølgelengde for den tilhør-ende frekvens. Det samme vil være tilfelle for avstanden mellom tilstøtende fingre. Begrensningene i forbindelse med vanlig mikrolitografiske teknikker har som resultat at disse konstruksjoner for tiden kan betjenes bare opptil tilnærmet 2 GHz (fundamentfrekvensen). De kan ha en god frekvens- og faserespons, men på den annen side vil de være belemret med en temporær forstyrrelsesrespons, som er betegnet et trip-pelekko og befinner seg tilnærmet 20 til 25 dB under det effektive signal.

Man har viet oppmerksomhet til å bruke konstruksjoner som er betegnet konstruksjoner med "binære fingre", hvor bredden av fingrene utgjør en åttendedel av den øyeblikkelige akustiske bølgelengde. Den temporære trippelekkointer-ferens kan da reduseres ned til 40 til 45 dB under det effektive signal. Men disse konstruksjoner er vanskelige å fremskaffe. Med den samme mikrolitografiske submikro-skopiske presisjon kan de bare tillate fremskaffelsen av frekvenser som er to ganger så lav som dem for singel-fingerkonstruksjonene.

Dessuten vil bruken av binære fingre stimulere, på sin side, en trippelharmonisk interferensfrekvensrespons som kan være plassert ved -15 dB under basisresponsen og hvis båndbredde er tre ganger bredere enn den for basisresponsen .

En fagmann vil være vel kjent med de ulemper som har forbin-delse med de ovenfor omtalte observasjoner.

Således vil man for nåværende ikke ha noen virkelig tilfredsstillende løsning når det er ønsket å operere i en bred båndbredde, spesielt når man har til hensikt å operere ved høyere frekvenser med et redusert temporært trippel-ekko.

Hensikter med oppfinnelsen

En første hensikt med oppfinnelsen er å skaffe en løsning på det ovenfor omtalte problem.

En ytterligere hensikt med oppfinnelsen er å skaffe en forbedret elektrisk/akustisk/elektrisk overflatebølgetrans-duser, der det tillates en fremadskridelse av overflateakustiske bølger mellom fingrene i den første rad og dem i den annen.

Enda en hensikt med den foreliggende oppfinnelse er å skaffe en tranduser hvor koblingen har spektrale og/eller temporære karakteristikker som er definert ved den akustiske fremadskridelse og frekvensselektiviteten som skyldes fingergeometrien.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Disse hensikter oppnås ved at det i henhold til oppfinnelsen er skaffet en akustisk/elektrisk overflatebølgeinn-retning av den innledningsvis angitte art, som er kjennetegnet ved de trekk som er definert i den karakteriserende

del av det vedføyde patentkrav 1.

Selv om andre arrangementer kan være aktuelle, så føler man for nærværende at én, og bare én av de to fordelinger burde fordeles på denne måte, samtidig som den annen bibeholder en så å si regulær fordeling av sine fingre, i prinsippet med den innbyrdes avstandsrelasjon mellom fingrene og bredden av fingrene begge lik tilnærmet en fjerdedel av den akustiske bølges lengde.

Det skal forstås at de ovenfor omtalte trekk vedrører hovedsakelig fingrene, og bare fingrene. Mange arrangementer av radene kan derfor være tenkelige, idet disse vil stemme overens med oppfinnelsen.

Forutsatt at fingrene i de to rader er parallelle i forhold til hverandre, vil de bli gitt individuelle geometrier som progressivt varierer langs hver rad for å dekke en meget bred frekvensbåndbredde, samtidig som de svarer til hverandre fra en rad langs den annen perpendikulært i forhold til den felles retning for disse fingre.

Med andre ord vil bredden av en finger i praksis alltid være en forhåndsbestemt undermultippel av den halve lengde av den ønskede aktuelle overflateakustiske bølge, hvilket i prin-sippet innebærer et undermultippel i størrelsesorden 2, dvs. en fjerdedel av bølgelengden. Avstanden mellom tilstøtende fingre er hovedsakelig lik dette undermultippel, dvs. en fjededel av bølgelengden. Imidlertid vil der oppstå et multippel av dette, i prinsippet av størrelsesorden 2, for de "steder" hvor festesekvensen av fingrene blir modifisert.

Meget fordelaktig er disse "steder" anordnet etter hver tredje eller fjerde finger.

Det er allerede blitt omtalt at den første og annen rad hovedsakelig strekker seg langs kurvelineære akser. De kan

likevel være tilknyttet generelle retninger.

I en første gruppe av innretninger vil disse generelle retninger være skråstilt på en forskjellig måte langs perpendikulæren i relasjon til fingerretningen. Innretningen vil da ha karakteristikkene for en dispersiv linje.

I en annen gruppe vil de generelle retninger for den første og annen rad ha hovedsakelig den 'samme skråstilling langs perpendikulæren relatert til fingerretningen. Innretningen vil da ha karakteristikkene for en ikke-dispersiv forsinkelseslinje.

Kort omtale av teqninqsfiqurene

Andre hensikter og fordeler ved oppfinnelsen vil nå frem-komme ved gjennomlesning av den følgende detaljerte beskriv-else under henvisning til de vedføyde tegnings-figurer. Figur 1 er et diagram som anskueliggjør en første gruppe av innretninger hvor den foreliggende oppfinnelse finner anvendelse. Figur 2 er et diagram som anskueliggjør en annen gruppe av innretninger hvor den foreliggende oppfinnelse kan anvendes. Figur 3 anskueliggjør en såkalt "singel finger" konstruksjon, men figurene 3A og 3B anskueliggjør trippelekkointer-ferensen ved denne konstruksjon. Figur 4 anskueliggjør den såkalte "binær finger" konstruksjon, mens figur 4A er et tidsbasisdiagram som anskuelig-gjør den tredje harmoniske interferens respons. Figur 5 anskueliggjør et eksempel på de forbedrede innret-

ninger i henhold til oppfinnelsen.

Figur 5 anskueliggjør et annet eksempel på innretninger som er forbedret i henhold til oppfinnelsen.

Beskrivelse av foretrukne utførelsesformer

Det skal forstås at geometrien er meget viktig for den fore-liggende oppfinnelse. Dessuten skal det forstås at de ved-føyde tegninger i hovedsak er av definerende natur. De skal derfor forstås som innlemmet i den foreliggende beskrivelse og de skal tjene til, ikke bare å gi en bedre forståelse for beskrivelsen, men også om nødvendig, bidra til definisjonen av oppfinnelsen.

Figurene 1 og 2 viser et piezoelektrisk substrat 1 hvis tykkelse kan være av størrelsesorden 0,5 mm. De andre dimen-sjoner ligger i området fra noen få millimeter til minst noen få titalls millimeter.

To rader 10 eller 20 med fingre er plassert over et stort område av substratet.

I denne forbindelse er fingerraden 10 avgrenset av to elek-trisk separerte ledende soner 15 og 16, tildannet f.eks. av 200 nanometer tykk aluminium. Fingrene 11 er forbundet med sonen 15, mens fingrene 12 er forbundet med sonen 16, på en alternerende måte.

På lignende måte er raden 20 forsynt med soner 25 og 26 med en alternerende innbyrdes relasjon av fingrene 21 til sonen 25, og fingrene 22 til sonen 26.

Figurene 1 og 2 viser dessuten at det øvre parti av fingrene befinner seg tettere inntil hverandre. De er også smalere, noe som ikke er så tydelig vist på tegnings-figurene. Det følger av dette at i det øvre parti av figurene 1 og 2, vil koblingen mellom de fingre som er plassert på den samme horisontal, finne sted i det høyere frekvensparti av det aktuelle område. På den annen side er fingrene ved bunnen av figurene 1 og 2 innbyrdes avstands-relatert med bredere dimensjoner og de er individuelt utført med større bredde. Koblingen vil her innvirke på det lavere frekvensparti i det aktuelle område.

Forskjellen mellom figurene 1 og 2 er som følger:

På figur 1 er de generelle retninger for radene 10 og 20 slik at de strekker seg hovedsakelig parallelt med hverandre (i den utstrekning at man kan snakke om parallel-litet for kurvelineære retninger). Som et resultat vil utbredelsestiden for bølgen hos rad 10 relatert til rad 20 være hoved-sakelig den samme for alle frekvenser. Den innretning som er vist på figur 1 , vil derfor kunne betraktes som en ikke-dispersiv forsinkelseslinje.

Situasjonen er imidlertid forskjellig på figur 2, hvor det vil ses at avstanden mellom fingrene avtar progressivt etter hvert som man går fra bunnen av figuren hvor de lavere fre-kvenser blir påvirket, til toppen av figuren hvor de høyere frekvenser blir påvirket. Dette utgjør således en dispersiv linje med frekvensselekteringsegen-skaper.

Oppfinnelsen finner anvendelse i begge tilfeller av innretninger omtalt ovenfor (kjent under navnet "down chirp" i anglosaksisk litteratur) og i forbindelse med de innretninger som er betegnet "up chirp" går bredden av fingrene og avstanden mellom fingrene progressivt øker idet man kommer fra bunnen av figuren (som påvirker de høyere frekvenser) til toppen av figuren (som påvirker de lavere frekvenser).

I prinsippet vil de to rader i alle tilfeller være skråstilt i relasjon til utbredelsesretningen for de akustiske bølger. Dette er hvorfor disse konstruksjoner hyppig blir betegnet SLT (SLanted Transducer) eller til og med har bibeholdt sitt gamle navn (Slanted Acoustic Correlator" eller SAC.

Søkerne har vært interessert i anvendelsen av disse konstruksjoner for å fremskaffe dispersive linjer, og spesielt forsinkelseslinjer med meget bred båndbredde.

Figur 3 viser i ytterligere detalj en rad med fingre som er anvendbare til bruk i konstruksjonene i henhold til figur 1 og 2. Ved de ovenfor omtalte anvendelser er der så langt benyttet for de to fingerrader, konstruksjoner som i prin-sippet er helt like.

På figur 3 er den konstruksjon som benyttes, av den såkalte singel-fingertype. Det innebærer at bredden av fingrene er av størrelsesorden en fjerdedel av lengden av den aktuelle akustiske bølge, hvilket også er tilfellet med den inn-byrdes avstandsdimensjon. Dette gjelder bredden målt i utbredelsesretningen for de akustiske bølger, dvs. i retning perpendikulært på fingrene. Der foreligger ikke noe behov for å ta med i beregningen den retning som selve raden strekker seg langs.

Figur 3A viser skjematisk nivået ved hvilket trippelekkoet kan befinne seg mellom de to rader av fingre som således er frembrakt. Det vil i virkeligheten forstås at i lys av fingrenes geometri, kan der lett realiseres tre baner mellom transduserne uten større tap. Figur 3B viser at trippelekkoresponsen således finner sted ved tidspunkt 3t, hvilket er tre ganger den fundamentale responstid, samtidig som nivået STE befinner seg 20 til 26 dB under nivået for hovedresponsen.

Det vil forstås at i det minste for visse anvendelser kan en slik respons være til betydelig ulempe.

Det vi derfor foreligge en bestemt ulempe for singelfingerkonstruksjonen, som, idet alle andre ting er like, er den letteste å produsere.

Det er også kjent binære fingerkonstruksjoner, i likhet med dem på figur 4.

I dette tilfelle vil bredden av fingrene utgjøre en åttende-del av den aktuelle bølgelengde, hvilket også gjelder det innbyrdes avstandsforhold.

Slik det allerede er indikert, vil bruken av de to binærfingerkonstruksjoner for radene 10 og 20 bevirke en under-trykkelse av trippelekkoet ned til 40 til 45 dB, hvilket vil være tilfredsstillende. Uheldigvis stimulerer de binære fingre en tredje harmonisk frekvensrespons (figur 4A), som ligger ikke like ved et nivå bare 15 desibel under funda-mentalresponsen, men har, i tillegg, en båndbredde 3B, hvor B er båndbredden for den fundamentale respons.

Denne ulempe kan være aksepterbar i en smal båndbredde når minimumsfrekvensen for båndet er klart høyere enn en tredje-del av den maksimale frekvens. Imidlertid, når det er hen-sikten å operere over en bred båndbredde, vil dette i prak-sis være uakseptabelt.

Dessuten, ved det etablerte ytelsesnivå for de mikrolitografiske teknikker, vil konstruksjoner med binære fingre få bare halvparten av frekvensen som oppnås med singelfinger-konstruks joner .

Dersom man går imot den naturlige tendens som ligger i bruken av like konstruksjoner for de to rader, i det minste når det er hensikten å operere over en bred båndbredde, så er det funnet at under visse forhold er det mulig å bruke forskjellige geometrier for fingrene i de to rader.

Mer nøyaktig vil den individuelle geometri for fingrene ikke bli modifisert fundamentalt. Det som vil bli modifisert i en av de to rader (og i prinsippet bare i en av de to rader), vil være fordelingen av fingrene langs raden, og mer nøyak-tig sekvensen for deres tilfestelse.

Dette er anskueliggjort på figur 5, hvor singelfingertrans-duseren ifølge figur 3 er anskueliggjort til venstre.

Til høyre på denne figur er det vist en delrepresentasjon av den nye konstruksjon i henhold til den foreliggende oppfin-nelse, som er kjennetegnet ved at periodevis vil den inn-byrdes avstandsrelasjon mellom visse tilstøtende fingre bli påvirket til å bli overført til en halvdel av bølge-lengden, og ved at festesekvensen av fingrene blir modifisert .

Dette tillater at den totale respons hos innretningen vil bli forbedret, på grunn av fordelaktigheten ved den fremragende frekvensfiltrering av singelfingerkonstruksjonen, samtidig som den nye konstruksjon på høyre side, selv om den har en mer kompleks harmonisk respons, på den annen side har en fremragende temporær respons.

Således vil der forekomme etter hverandre anordnede grupper av fingre med følgende egenskaper: to etterfølgende grupper, f.eks. 31-33 og 34-36, er festet til den samme ledende sone, idet to fingre her er festet for hver gang til sonen 25,

mens en og en finger er festet til sonen 26;

i motsetning hertil vil man i de følgende grupper, omfattende fingrene 37-39 og 40-42, få den samme kon-struksjon, men festet symmetrisk, dvs. bare en finger er festet til den ledende sone 25, mens to fingre er festet til den ledende sone 26.

Den ovenfor angitte beskrivelse under henvisning til figur 5 kan også anvendes med hensyn til tre og tre fingre, men det samme prinsipp kan også anvendes ved grupper på fire eller flere fingre. Et eksempel med fire fingre er anskueliggjort på figur 6. Sammenligningsmessig har søkeren fremskaffet to forsinkelseslinjer som er knyttet til basiskonstruksjoner ved hjelp av enkeltstående fingre, dvs. fingre med en bredde som utgjør en fjerdedel av lengden av den aktuelle bølge.

Fordelingen eller elementærfestesekvensen i henhold til figur 3 kan representeres ved den periodiske sekvens av de følgende digitale verdier: 1,0,-1,0,1,0,-1,0 hvor 1 angir en finger festet ved toppen, 0 et mellomrom med bredde svarende til en fjerdedel av lengden av den aktuelle bølge, og -1 en finger som festet ved bunnen med en fingerbredde svarende til en fjerdedel av lengden av den aktuelle bølge.

I forbindelse med figur 4 (binære fingre), vil man få følg-ende mønster: 1,0,1,0,-1,0,-1,0,1,0,1,0,-1,0,-1,0 med en finger-bredde svarende til en åttendedel av den aktuelle bølgelengde.

De foreslåtte nye konstruksjoner har en fingerbredde på en fjerdedel av en bølge, men med modifiserte festesekvenser med høyere spesiell periodisitet, spesielt: på figur 5 (ved en høyre "gruppe av 3")

1,0,-1,0,1,0,0,1,0,-1,0,1,0,0

-1,0,1,0,-1,0,0,-1,0,1,0,-1,0,0 etc

på figur 6 (ved den høyre "gruppe av 4")

1,0,-1,0,1,0,-1,0,0,1,0,-1,0,1,0,-1,0,0

-1,0,1,0,-1,0,1,0,0,-1,0,1,0,-1,0,1,0,0

Disse elementære sekvenser vil da bli gjentatt inntil man oppnår de ønskede fordelingskarakteristikker for innretningen.

En første forsinkelseslinje er blitt fremstilt med to ene-stående singelfingerkonstruksjoner. En annen forsinkelseslinje er blitt fremstilt med en singelfingerkonstruksjon og en ny konstruksjon i henhold til oppfinnelsen, slik dette er vist på figur 5 (relatert til den bemerkning at den nye kon-struksjon like godt kunne være plassert på den venstre og den konvensjonelle konstruksjon til høyre).

Trippelekkonivåene var -24 dB for den vanlige forsinkelses-lin je, sammenlignet med -50 dB for den nye f orsinkelses-lin je i henhold til den forliggende oppfinnelse. Den nye forsinkelseslinje har dessuten en fremragende frekvensrespons med hensyn til amplitude de vanlige bølgeformer som skyldes trippelekkoet.

Det var også mulig å observere bare en liten variasjon av gruppetiden over hele det effektive bånd, noe som så langt har vært vanskelig å oppnå.

Selvsagt vil de ovenfor angitte betraktninger og beskrivelse gitt i forbindelse med singelfingerkonstruksjoner, også kunne anvendes ved binærfingerkonstruksjoner.

Dessuten er oppfinnelsen på ingen måte begrenset til de spesielle anvendelser som er omtalt ovenfor. Den kan i virkeligheten utvides til en hvilken som helst innretning hvor der benyttes fingerrader som er akustisk koblet ved hjelp av overflatebølger for det formål å behandle elektro-magnetiske signaler.

Claims (10)

1. Akustisk/elektrisk overflatebølgeinnretning av den type som over et stort område på et plant piezoelektrisk substrat, omfatter: (a) en første rad av parallelle ledende fingre med en individuell geometri som er valgt og fordelt i henhold til et valgt fordelingsarrangement langs denne første rad, (b) en annen rad av parallelle ledende fingre med en individuell geometri valgt og fordelt i henhold til et valgt fordelingsarrangement langs denne annen rad, idet den annen rad er innbyrdes avstandsorientert i forhold til første slik at der tillates en utbredelse av overflateakustiske bølger mellom nevnte fingre av den første rad og nevnte fingre av den annen rad, noe som tillegger innretningen spektrale og/ eller temporære egenskaper som er definert ved den akustiske utbredelse og frekvensselektiviteten som skyldes fingergeometrien, karakterisert ved at (c) geometrien av nevnte fingre er valgt, i avhengighet med hensyn til en rad i forhold til den annen, for å oppnå en akustisk kobling med en bred frekvensbåndbredde, og at (d) fordelingsarrangementet eller -sekvensen for festingen av nevnte fingre av en av den første og annen rad er modifisert hovedsakelig periodisk.

2. Transduser som angitt i krav 1, karakterisert ved at fingrene i den første og annen rad er parallelle i forhold til hverandre, og at de har individuelle geometrier som varierer progressivt langs hver rad for å dekke en meget bred frekvensbåndbredde, sam-tidig som de svarer til hverandre fra den ene rad til den annen vinkelrett på fingerretningen.

3. Transduser som angitt i krav 2, karakterisert ved at bredden av en finger er hovedsakelig en forhåndsbestemt undermultippel av halv-lengden av den tilhørende aktuelle akustiske bølge, mens avstanden mellom tilstøtende fingre er hovedsakelig lik dette undermultippel, eller et multippel derav.

4. Transduser som angitt i krav 1, karakterisert ved at modifikasjonen av sekvensen for festestedet for fingrene blir utført ved frem-skaffelse av et bredere avstandsforhold etter hver tredje eller fjerde finger.

5. Transduser som angitt i krav 2, karakterisert ved at den første og annen rad har medianretninger som er skråstilt forskjellig langs perpendikulæren i forhold til fingerretningen, noe som tillegger dispersive linjekarakteristikker hos transduseren.

6. Transduser som angitt i krav 2, karakterisert ved at den første og annen rad har medianretninger med hovedsakelig likt skråforløp langs perpendikulæren i forhold til fingerretningen, hvilket tillegger ikke-dispersive linjekarakteristikker hos trans-duseren.

7. Transduser som angitt i krav 1, karakterisert ved at for i det minste en av radene er fingrene respektivt forbundet med i det minste to ledende soner som strekker seg på hver side av raden.

8. Transduser som angitt i krav 7, karakterisert ved at nevnte ene rad som har det modifiserte fordelingsarrangement, er den som er forsynt med de ledende soner, og har hovedsakelig periodisk to av nevnte etterfølgende fingre festet til den samme ledende sone.

9. Transduser som angitt i krav 7, karakterisert ved at det modifiserte fordelingsarrangement omfatter etterfølgende grupper av fingre, hvis festemønster til sonene er symmetrisk.

10. Transduser som angitt i krav 9, karakterisert ved at hver gruppe omfatter et utvidet mellomrom mellom to av nevnte fingre, for derved å være sammensatt av to like suksessive festemønstre relatert til nevnte soner.