DE2224497C3 - Wandler zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine akustische Oberflächenwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wandler zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine akustische Oberflächenwelle auf einem Körper aus piezoelektrischem Material oder zur Umwandlung einer akustischen Oberflächenwelle in ein elektrisches Signal.

Die Anwendung akustischer Oberflächenwellen hat es ermöglicht, Verzögerungsvorrichlungen und frequenzselektive Vorrichtungen herzustellen, die sehr klein sind und außerdem durch die gleiche Herstellungstechnik wie integrierte Schaltungen hergestellt werden können. Derartige Vorrichtungen ermöglichen es, Schwierigkeiten, die normalerweise bei der Anwendung von Induktivitäten, z. B. in bezug auf den Umfang und die Herstellungskosten, auftreten, zu vermeiden.

Ein elektromechanisches Filter, bei dem akustische Oberflächenwellen verwendet werden, besteht gewöhnlich aus einer dünnen Scheibe aus piezoelektrischem Material, auf deren einer Seile ein F.ingangs· und ein Ausgangswandlcr angebracht sind, jeder Wandler besteht normalerweise aus einem Gebilde zweier kammförmiger Elektroden, deren parallele /ahne ineinander eingreifen. Dieses Gebilde wird im allgemeinen durch ein photolithographisches Verfahren aus einer Schicht eines geeigneten Metalls, wie Gold, erhalten, die auf der Oberfläche der Scheibe angebracht

In der Praxis kann ein derartiger Wandler eine unerwünscht hohe Kapazität aufweisen, wenn piezoelektrische Materialien mit einer hohen Dielektrizitätskonstante verwendet werden. Es hat sich außerdem herausgestellt, daß bei bestimmten piezoelektrischen Materialien, darunter z. B. ferroelektrisches keramisches Material, wie Kalium-Natrium-Niobat, eine unerwünschte Verformung dor FrequenzkennlHe des

ίο Wandlersauftritt

Die Erfindung bezweckt, einen verbesserten Wandler für ein Oberflächenwellenfilter zu schaffen, der die obenerwähnten ungünstigen Effekte in erheblich geringerem Maße oder nahezu gar nicht aufweist.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler eine Anzahl nahezu parallel nebeneinanderliegender langgestreckter Elektroden enthält, die gegeneinander elektrisch isoliert und zwischen zwei zu ihnen parallel verlaufenden langgestreckten Endelektroden angeordnet sind, an denen das elektrische Signal anliegt bzw. auftritt.

Jede der elektrisch isolierten Elektroden kann aus zwei räumlich voneinander getrennten parallelen elektrisch leitenden Streifen bestehen, die elektrisch miteinander verbunden sind. Das piezoelektrische Material kann die Eigenschaft aufweisen, daß die Erzeugung nkustischer Oberflächenwelltn durch einen Eingangswandler durch die auf der Oberfläche des Körpers induzierte elektrische Ladung bestimmt wird, während das Material ein ferroelektrisches keramisches Material sein kann.

Der Wandler kann als Eingangswandler wirken und mit einer mit Hilfe von Gewichtsfaktoren bestimmten Verteilung der Stärken der wirksamen Quellen akustischer Oberflächenwellen versehen sein; diese Quellen werden durch benachbarte Eleklrodenpaare gebildet. Wenn der piezoelektrische Effekt durch die auf der Oberfläche aes Körpers induzierte elektrische Ladung bestimmt wird, werden die Längen der langgestreckten Elektroden des Eingangswat.dlers der gewünschten Stärke der Quelle umgekehrt proportional bemessen, während ein Ausgangswandler derart in der Bahn der von dem Eingangswandler herrührenden akustischen Oberflächenwellen angebracht ist, daß der Teil des Ausgangswandlers, der auf diese akustischen Oberflächenwellen anspricht, nahezu völlig in demjenigen Teil des Bündels liegt, der von den Paaren langgestreckter Elektroden des Eingangswandlers herrührt.

Es hat sich herausgestellt, daß bei bestimmten piezoelektrischen Materialien mit einem hohen piezoelektrischen Kopplungsfaktor, z. B. ferroeleklrischcn keramischen Materialien, die Erzeugung einer akustischen Oberflächenwelle durch einen Doppelkammwandler durch die auf der Oberfläche der Scheibe induzierte Ladung bestimmt wird. Bei der üblichen Form eines Doppelkammwandlers werden jedoch durch das angelegte Signal die an die einzelnen Elektrodenelemente angelegten Spannungen bestimmt. Auf diese Weise wird die auf der Oberfläche vorhandene entsprechende elektrische Ladung nicht unmittelbar durch das angelegte Signal bestimmt und diese Ladung kann während der Zeitspanne, in der akustische Oberflächenwellen das F.lcktrodcngcfUge passieren, infolge des piezoelektrischen Effekts variic-

h5 rcn. Diese Variation in eier Verteilung elektrischer Ladung beeinflußt die Frcquen/kcnnlinie auf unerwünschte Weise.

Durch die Anwendung der Erfindung wird der

Signalstrom über die Endelektroden zugeführt und fließt nacheinander über jede der zwischen den Endelektroden liegenden benachbarten langgestreckten Elektroden. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Signalstrom, und somit die durch das Signal herbeigeführte Ladung, für jede dazwischenliegende Elektrode gleich ist. Auf diese Weise wird, wenn auch der Durchgang einer akustischen Oberflächenwelle durch dieses Gefüge Änderungen in den Potentialen der einzelnen Elektroden herbeiführen kann, die Ladungsverteilung eindeutig durch das Eingangssignal bestimmt. Außerdem wird die Eingangskapazität des Wandlers durch die Reihenschaltung erheblich herabgesetzt. Schließlich stellt sich heraus, daß bei Anwendung als Eingangswandler die Gefahr eines elektrischen Durch-Schlags zu einem benachbarten Ausgangswandler erheblich herabgesetzt ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf einen Teil eines Oberflächenwellenfilters nach der Erfindung,

Fig. 2 in einem Längsschnitt der Ausführungsform nach F i g. 1 die Verteilung des elektrischen Feldes,

Fig.3 eine Draufsicht auf eine andere Ausfüiirungsform, und

F i g. 4 eine Ausführungsform, bei der die Quellenstärke der Elektroden geändert ist.

Fig. 1 zeigt einen Eingangswandler 2 für akustische Oberflächenwellen, der auf der Oberseite eines Körpers 1 aus piezoelektrischem Material, wie z. B. Kaiium-Natrium-Niobat, angebracht ist. Der Eingangswandler 2 enthält langgestreckte nahezu rechteckige Endelektroden 3 und 4, die zueinander parallel an je einem Ende des Wandlers 2 angebracht sind. Eine Anzahl dazwischenliegender langgestreckter elektrisch leitender Elektroden 5 sind in einem gewissen Absland voneinander zwischen und nahezu parallel zu den Endelektroden 3 und 4 angebracht. Die Elektroden 5 sind gegeneinander und gegen die Endclektroden 3 und 4 elektrisch isoliert. Jede Elektrode 5 weist die Form zweier paralleler rechteckiger Streifen 7 und 8 auf, die elektrisch durch einen Brückenteil 9 miteinander verbunden sind. Dieser Wandler 2, der aus den Endelektroden 3 und 4 und den Elektroden 5 besteht, wird dadurch erhalten, daß eine dünne Goldschicht auf der Oberseile des Körpers 1 angebracht und dann ein Photoälzverfahren durchgeführt wird. Ein elektrischer Anschluß mit dem Gefüge 2 erstreckt sich über Anschlußgebiete 10 und il, die Verlängerungen der Elektroden 3 und 4 bilden

Fig. 2 zeigt näherungsweise die Verteilung des elektrischen Feldes in dem piezoelektrischen Material des Körpers 1. Es wird angenommen, daß augenblicklich die linke Endelektrode 3 eine positive Spannung in bezug auf die andere Endelektrode 4 aufweist. Es ist einleuchtend, daß die Richtung des elektrischen Feldes zwischen benachbarten Elektroden derart ist, daß die Erzeugung einer akustischen Oberflächenwelle begünstigt wird. Das zugeführte elektrische Signal wird selbstverständlich in seiner Polarität wechseln, wodurch eine entsprechende Änderung der Richtung des elektrischen Feldes bewirkt wird. Der Wechselstrom durch die Vorrichtung fließt von der Elektrode 3 zu der Elektrode 4, und umgekehrt, über die zwischenliegendcn Elektroden 5, so dall die von dem Signal induzierte Ladungsändcrung fü- jede der Elektroden 3,4 und 5 fest bestimmt wird. Der Durchgang einer akustischen Oberflächenwelle durch das Gefüge kann eine Änderung des Potentials jeder einzelnen Elektrode herbeiführen, aber dies wird auf die Kennlinie des Wandlers einen vernachlässigbaren Einfluß ausüben, weil diese Kennlinie ja durch die Ladungsverteilung bestimmt wird.

Die Reihenschaltung der Elektroden 3,5 und 4 in dem Gefüge 2 setzt die Eingangskapazität des Eingangswandlers herab, wodurch der Eingangsverstärker einfacher ausgebildet werden kann. Außerdem kann das Ausmaß des elektrischen Durchschlags zwischen dem Eingangswandler und einem Ausgangswandler niedriger als bei einem üblichen parallelgeschalteten Wandler gemacht werden, indem die einander zugekehrten Endelektroden der betreffenden Wandler geerdet werden.

Eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung ist in F i g. 3 dargestellt, in der die entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in F i g. 1 bezeichnet und deshalb nicht näher beschrieben sind. Die ZwischeneJcktroden 5 nach F i g. 1 sind durch rechteckige Elektroden 15 ersetzt. Dadurch k?-y, die Herstellung erleichtert werden, aber die Wirkung dieser Ausführungsform kann weniger befriedigend als die der Ausführungsform nach F i g. 1 sein.

Die an Hand der F i g. 1 und 3 beschriebenen Wandler können .;|s Ausgangswandler für akustische Oberflächenwellen verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Endelektroden 3 und 4 mit einer Verstärkerschaltung mit einer genügend hohen Impedanz verbunden werden.

Bei Anwendung als Filter ist es meistens erwünscht, die Größen der wirksamen Quellen akustischer Oberflächenwellen, die durch benachbarte Paare langgestreckter Elektroden gebildet werden, zu variieren. Wenn der Körper aus piezoelektrischem Material, auf dem der Wandler angebracht ist, die Eigenschaft aufweist, daß der piezoelektrische Effekt durch die in dem Körper induzierte elektrische Ladung bestimmt wird, kann eine Änderung der Quellen in dem Wandlergefüge auf die in Fig.4 beschriebene Weise stattfinden, die nunmehr näher erläutert wird. Ein Eingangswandler 22 und ein Ausgangswandler 42 für akustische Oberflüchenwellen sind auf der Oberseite eines Körpers aus piezoelektrischem Material, z. B. Kalium-Natrium-Niobat, angebracht.

Der Eingangswandler 22 ist im wesentlichen wie der Wandler 2 nach Fig. 1 ausgebildet, indem er aus zwei langgestreckten nahezu rechteckigen Endelektroden 23 und 24 besteht, die nahezu parallel zueinander an je einem Ende des Wandlers angebracht sind, während er ferner eine Anzahl Zwischenelektroden 25 enthält, die aus je zwei parallelen rechteckigen Streifen 27 und 28 bestehen, die durch einen Brückenteil 29 elektrisch miteinander verbunden sitid. Die Länge der Elektroden 23,24 und 25 ist derart gewählt, daß sie der gewünschten Stärke der Quelle umgekehrt proportional ist. So ist in der Mitte des Gefüges, wo die maximale Stärke der Quelle verlangt v/ird, die Elektrode 25' verhältnismäßig kurz ausgeführt, während die Anordnung derart ist, daß die effektive Quelienstärke zu den Enden des Gefüges hin abnimnrt, indem die Elektroden 25 jeweils länger gemacht werden, bis die endgültig schwächste Quelle durch die Elektroden 25" und die Elekiroüen 23 und 24 gebildet wird.

Der Ausgangswandlcr 42 ist ein üblicher Wandler für akustische Oberfliichonwellcn. er besteht aus einem Gefüge kammartiger ineinander eingreifender Elcktrodenpaare, die durch die Elektroden 43 und 44 gebildet

werden. Lin derartiger Wandler ist für ein Mündel akustischer Oberflächenwelle!! innerhalb des von den Linien 54 und 55 begrenzten Gebietes empfindlich, in dem benachbarte Elcktrodenstreifen 45. die einen Teil einander gegenüberliegender Elektroden 43 und 44 bilden, sich in der Fortpflanztingsrichtiing der aktisti sehen Oberflächenwelle!! überlappen, wahrend der Wandler für akustische Oberflächenwellcn, die sich außerhalb dieses Gebietes fortpflanzen, nahezu unempfindlich ist.

Der Ausgangswandler 42 weist derartige Abmessungen auf, daß die Breite des von den Linien 54 und 55 begrenzten Gebietes kleiner als die Länge der kürzesten Elektrode 25' des Eingangswandlers 22 ist. so daß das empfindliche Gebiet des Ausgangswandlers 42 nahezu völlig innerhalb desjenigen Teiles eines Bündels akustischer Oberflächenwellen liegt, der von dem durch dir langgpstrerkten Elektroden 23. 24 und 25 gebildeten Wandler erzeugt wird.

Da die von dem Eingangssignal, das den mit den Endelektroden 23 bzw. 24 verbundenen Anschlußklemmen 30 und 31 zugeführt wird, induzierte elektrische Ladung bei jeder der dazwischenliegenden Elektroden 25 dieselbe ist. werden die kürzeren Elektroden, z. B. 25'.

eine serhältnisn.äHig hohe Signalladungsdichte an der Oberfläche lies piezoelektrischen Materials des Körpers I aufweisen, während hingegen die längeren Elektroden. λ H. 25". cine entsprechend geringere Oberflächen!,! ■> dungsdichtc aufweisen werden.

Die piezoelektrische Verschiebung, also die Oiielknstärke. hängt von der Dichte tier Ohcrfiiichcnladung ab und. weil der Ausgangsvvandlcr 42 derart ausgebildet ist. daß er fast nur die akustischen Oberflächenwellcn

t° empfängt, die in demjenigen Teil des von dein I ingangswandler 22 erzeugten llündels vorhanden sind, der sich zwischen den gestrichelten Linien 54 und 55 verschiebt, ist die effektive Quellenstiirke jeder Elektrode 25. die eine Komponente des empfangenen Signals in dem Gefiigc 42 liefert, von der Ladiingsdichte an der betreffenden Elektrode 25 abhängig und somit der Gesamtlänge der Elektrode umgekehrt proportional.

Der Ausgangswandlcr 42 kann natürlich auch die Form des an Hand der F i g. I oder der I" i g. 3 beschriebenen Gefüges aufweisen. Ferner kann selbstverständlich neben der lilterwirkung auch, gegebenenfalls sogar in erster Linie, die Zeitverzögerung eines derartigen Oberflächenwellenfilter ausgenutzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Wandler zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine akustische Oberflächenwelle auf einem Körper aus piezoelektrischem Material oder zur Umwandlung einer akustischen Oberflächenwelle in ein elektrisches Signal, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (2; 22) eine Anzahl nahezu parallel nebeneinanderliegender langgestreckter Elektroden (5; 15; 25) enthält, die gegeneinander elektrisch isoliert und zwischen zwei zu ihnen parallel verlaufenden langgestreckten Endelektroden (3, 4; 23; 24) angeordnet sind, an denen das elektrische Signal anliegt bzw. auftritt.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Elektroden (5; 25) aus zwei in einem gewissen Abstand voneinander sich parallel zueinander erstreckenden leitenden Streifen (7, 8; 27, 28) besteht, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

3. Wandäes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ein Eingangswandler (2; 22) ist.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit Hilfe von Gewichtsfaktoren bestimmte Verteilung der effektiven Stärken der Quellen der akustischen Oberflichenwellen über den Eingangswandler (22) dadurch erhalten wird, daß die Längen der langgestreckten Elektroden (23, 24, 25) umgekehrt proportional zur gewünschten effektiven Quellenstärke bemessen werden, während ein AusgangswaiiJler (42) derart in der Bahn der akustischen Oberflächenwelle.;, die von dem Eingangswandler herrühren, angebracht ist. daß derjenige Teil des Ausgangswand! rs, der für diese akustischen Oberflächenwellen empfindlich ist, nahezu völlig innerhalb desjenigen Teiles eines Bündels akustischer Oberflächenwellen liegt, der von dem Eingangswandler erzeugt wird.