DE2550075A1

DE2550075A1 - Mit selektiver reflexion von elastischen oberflaechenwellen arbeitende einrichtung

Info

Publication number: DE2550075A1
Application number: DE19752550075
Authority: DE
Inventors: Pierre Hartemann
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1974-11-08
Filing date: 1975-11-07
Publication date: 1976-05-20
Also published as: GB1531999A; FR2290786A1; FR2290786B1; US4013983A; JPS5199448A; JPS5831767B2

Description

75OOB PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: T 1888

Mit selektiver Reflexion von elastischen Oberflächenwellen arbeitende Einrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende elektromechanische Einrichtungen, die als Resonator oder als Filter verwendbar sind.

Es sind mit elastischen Volumenwellen arbeitende elektromechanische Resonatoren und Filter bekannt, deren Kenndaten vor allem von der Dicke einer elastischen Schicht abhängig sind, innerhalb welcher die Volumenwellen durch den piezoelektrischen Effekt angeregt werden. Ein bekanntes Beispiel für einen mit Volumenwellen arbeitenden elektromechanischen Resonator ist die herkömmliche Anordnung einer dünnen Quarzplatte mit parallelen Seiten zwischen zwei Elektroden.

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Nachteilig ist bei den mit elastischen Volumenwellen arbeitenden elektromechanischen Einrichtungen, daß es erforderlich ist, der als Substrat dienenden dünnen Platte eine genaue Dicke zu geben. Die Platten, die mit einer geringen Dicke gebildet sind, sind zerbrechlich und es ist bei diesen Einrichtungen erforderlich, die Elektroden auf den beiden Hauptseiten vorzusehen.

Aufgrund dieser Nachteile hat man sich auf dem Gebiet der elektromechanischen Filter bemüht, mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Einrichtungen zu schaffen. Diese sind nämlich robuster und einfacher herstellbar. In diesem Zusammenhang können die mit elastischen Ober— flächenwellen arbeitenden Filter genannt werden, bei welchen Wandler in Form von interdigital angeordneten Kämmen benutzt werden. Bekanntlich ist die übertragungsfunktion dieser Filter mit der Form der Kämme verknüpft, welche Zinken mit ungleichmäßiger Höhe und ungleichmäßigem Abstand haben können.

Unterwirft man die von einem Wandler ausgesandten elastischen Oberflächenwellen einer oder mehreren selektiven Reflexionen, so ist es möglich, Resonatoren und Interferenzfilter zu schaffen, mittels welchen der vorhandene Bereich der mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Einrichtungen ergänzt werden kann.

Die Erfindung schafft eine mit selektiver Reflexion von elastischen Oberflächenwellen arbeitende Einrichtung, welche an der Oberfläche eines Substrats zumindest einen elektromechanischen Wandler trägt und dadurch gekennzeichnet ist, daß auf dem Weg der elastischen Oberflächenwellen eine diskrete periodische Störung der Ausbreitungskenndaten dadurch erzeugt worden ist, daß der Oberfläche zumindest ein dauerhaftes Gitter von Linien zugeordnet worden ist, die mit einer Gruppe von Wellenfronten zusammenfallen, welche einen Abstand von einer halben WeI-

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lenlänge der Wellen haben, die der elektromechanischen Wandler liefern kann.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 - eine mit selektiver Reflexion arbeitende Resonatoreinrichtung,

Fig. 2 die elektrischen Kennlinien des Resona

tors von Fig. 1,

Fig. 3 einen Resonator mit Resonanzraum,

Fig. 4 ein Bandpaßfilter mit in der Frequenz

verschobenen Resonanzräumen,

Fig. 5 ein Filter, das einen Resonanzraum ent

hält, dem ein selektiver Reflektor zugeordnet ist,

Fig. 6 eine mit zwei Wellen arbeitende Interferome

ter e inr i ch tung,

Fig. 7 eine mit einem Resonanzraum versehene In

ter ferometereinrichtung, die mit mehreren Wellen arbeitet, und

Fig. 8 abgewandelte Ausführungsformen eines

Filters mit Resonanzraum und eines Resonators .

Fig. 1 zeigt eine mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Resonatoreinrichtung, die ein elastisches Substrat 1 enthält, an dessen Oberfläche 2 ein elektromechanischer

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Wandler 5, 6 vorgesehen ist, der elastische Oberflächenwellen nach zwei Seiten abstrahlen kann. In Fig. 1 ist der elektromechanische Wandler durch zwei interdigital angeordnete leitende Kämme 5 und 6 dargestellt. In diesem Fall ist das Substrat 1 piezoelektrisch und es besteht beispielsweise - worunter keine Einschränkung zu verstehen ist - aus einer monokristallinen dünnen Quarzplatte, deren Ränder 4:.mittels Sandstrahl abgeschnitten sind, damit durch Streuung Wellenreflexionen an den beiden Enden der Wellenleiteroberfläche 2 vermieden werden. Es ist bekannt, daß ein solcher Wandler, der über seine Klemmen A und B mit einem elektrischen Wechselgenerator G verbunden ist, in der Lage ist, in der positiven und in der negativen Richtung der X-Achse elastische Oberflächenwelle^ wie etwa Rayleigh-Wellen, auszusenden. Wenn sich die Wellen an der Oberfläche 2 des Substrats 1 frei fortpflanzen, ist das Übertragungsband verhältnismäßig breit und seine Mitte liegt bei einer Frequenz, für die der Abstand von zwei aufeinanderfolgenden Kammzinken gleich der halben Wellenlänge der sich längs der Oberfläche 2 fortpflanzenden elastischen Oberflächenwellen ist. Das gilt nur, wenn die Fortpflanzungskenndaten der Oberfläche 2 in der gesamten Ausdehnung derselben gleichmäßig sind. Unter diesen Bedingungen stellt man nämlich fest, daß sich die elektrische Impedanz des Wandlers in dem Durchlaßband relativ wenig ändert.

Die Einrichtung von Fig. 1 kann als Resonator arbeiten. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung vor, eine periodische Störung der Kenndaten der Ausbreitung längs der Oberfläche 2 des Substrats zu erzeugen. Diese periodische Störung wird hervorgerufen, indem der Oberfläche ein Raster von Linien 3 zugeordnet wird, die in einer typischen Ausführungsform aus durch Ionenbeschuß implantierten Zonen bestehen können. Zur Herstellung dieser implantierten Zonen kann die Oberfläche des Substrats

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einem diskreten Ionenbeschuß ausgesetzt werden, der den Übergang aus dem kristallinen Zustand in einen Versetzungszustand bewirkt. Man beobachtet in den beschossenen Zonen eine Erhöhung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elastischen Oberflächenwellen. Durch Implantieren leichter Ionen in den Quarz kann die Erhöhung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit —y— leicht ein Prozent erreichen, was einen Sprung der akustischen Impedanz ρV der Größenordnung von 0,5 % zur Folge hat. Eine in Fig. 1 schraffierte Linie 3 kann somit gegenüber elastischen Oberflächenwellen, die von dem Wandler 5, 6 ausgesandt werden, einen Reflexionskoeffizienten in der Grössenordnung von 0,5% aufweisen. Wenn man die periodische Struktur, deren Linien 3 eine diskrete Zustandsänderung des Substrats 1 ausdrücken, in ihrer Gesamtheit betrachtet, sieht man, daß die Ausbreitung der elastischen Oberflächenwellen in Frequenzbändern nicht möglich ist, die als Sperrbänder bezeichnet werden. Die Mitte eines dieser Sperrbänder befindet sich bei der Braggschen Frequenz, bei welcher die Reflexionen an den Linien 3 des Gitters reflektierte Strahlungen in Phasenübereinstimmung ergeben. Diese Frequenz entspricht einer Wellenlänge, die gleich dem Doppelten der Teilung des Liniengitters ist.

Aufgrund des Vorhandenseins des Gitters von Strichen 3 werden die elektrischen Kenndaten des elektromechanischen Wandlers 5, 6 in dem Sperrband des Liniengitters vollständig verändert.

In Fig. 2 ist die Änderung des Absolutbetrages |Z| der elektrischen Impedanz des Wandlers in Abhängigkeit von der Frequenz f dargestellt. Diese Änderung des Absolutbetrages IZI ist durch die Kurve 16 dargestellt, welche eine Resonanzspitze in dem Sperrband 19 aufweist. Die Änderung des Phasenwinkels ψ ist in Fig. 2 ebenfalls dargestellt, und zwar durch eine gestrichelte Kurve,

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deren Ordinate Null der Bezugslinie 18 entspricht.

Der Übersichtlichkeit halber ist in Fig. 1 eine sehr kleine Anzahl von Linien 3 dargestellt, deren gegenseitiger Abstand eine halbe Wellenlänge beträgt. In der Praxis kann das Gitter für Resonanzfrequenzen in der Nähe von etwa Hundert Megahertz mehrere Hundert Linien enthalten, so daß .man eine sehr wirksame Sperre für die Fortpflanzung der Wellen erhält.

In dem Beispiel von Fig. 1 sind die Elektroden 5 und 6, welche die beiden Wandlerkämtne bilden,mit ihren Zinken zwischen die Linien 3 des Gitters eingefügt. Diese Konfiguration stellt keineswegs eine Einschränkung dar, denn man kann Linien 3 mit einer Breite schaffen, die zumindest gleich einer Viertelwellenlänge ist, und die Kämme 5 und 6 können auf das Gitter derart aufgebracht werden, daß ihre Zinken die Intervalle zwischen den Linien 3 überlappen. Der Teilschnitt von Fig. 1 zeigt, daß die Linien 3 durch Ionenbeschuß versetzte Quarzzonen sind, die in der Höhe der Oberfläche 2 des Substrats 1 liegen und unter der Oberfläche nicht tief eindringen.

Im Rahmen der Erfindung können die Linien 3 auch ein Gitter von Vertiefungen und Erhöhungen bilden. In diesem Fall wird nach dem Ausführen des Ionenbeschusses die Oberfläche 2 einer selektiven chemischen Einwirkung ausgesetzt. Es vertieft sich ein Relief aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten der chemischen Einwirkung, die man in den implantierten Bereichen und in den anderen Bereichen beobachtet, die ihre intakte Kristallstruktur bewahrt haben. Schließlich können die Linien 3 ebensogut aus Rillen wie aus implantierten Zonen bestehen. Als Anhaltspunkt sei angegeben, daß in dem Fall von Quarz die chemische Einwirkung mittels Fluorwasserstoffsäure ausgeführt werden kann. Bezüglich ihrer Form sind die Linien 3

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in Fig. 1 gerade, da die von einem Wandler mit geradlinigen Zinken ausgehenden Wellenfronten ebenfalls geradlinig sind. Die Linien 3 des Gitters haben, allgemeiner ausgedrückt, eine derartige Form, daß sie den Wellenfronten, die sie erreichen, überlagerbar sind.

Der in Fig. 1 dargestellte Resonator hat eine Resonanzspitze, deren Amplitude und deren Schärfe relativ mäßig sind. Zur Anhebung der Amplitude dieser Resonanzspitze und zum Schärfermachen derselben sieht die Erfindung vor, einen Resonanzraum zu bilden,in dem das Gitter von Linien 3 in zwei Teile getrennt wird.

Fig. 3 zeigt einen solchen Resonanzraum der Länge L, dessen Spiegel aus zwei Liniengittern 7 und 8 bestehen. Zur Bildung eines Resonators ist ein elektromechanischer Wandler 5, 6 in den Resonanzraum an einer Stelle eingefügt, an welcher die stehenden Wellen, die sich darin ausbilden, zu einem Maximum der an den Klemmen A und B gemessenen elektrischen Impedanz führen. Bei dieser Struktur sieht man, daß sich die Gitter 7 und 8 in dem Sperrband wie Spiegel verhalten. Die Erfahrung zeigt, daß diese Spiegel Reflexionskoeffizienten haben können, welche 50% überschreiten können. Diese Art von Struktur mit Resonanzraum erlaubt das Erzielen einer sehr scharfen Resonanzspitze, deren Breite bei 3 dB in der Größenordnung von 0,03% liegen kann, mit einer Resonanzfrequenz von 75 MHz. Bei der Resonanz kann der Absolutbetrag IZI der elektrischen Impedanz ein Vielfaches des Wertes erreichen, den er ohne den Resonanzraumeffekt hätte.

Bis hierher arbeiten die betrachteten Einrichtungen als Zweipol und sind zur Verwendung bei dem Aufbau von elektrischen Filternetzwerken und von Schaltungen bestimmt, welche zum Erzeugen von aufrechterhaltenen Schwingungen dienen. .

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Fig. 4 zeigt die Struktur eines mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Filters, das zwischen einem Eingangsklemmenpaar A, B und einem Ausgangsklemmenpaar C, D als Vierpol arbeitet. Bei dieser Ausführungsform ist zwar das Prinzip des Resonanzraums beibehalten worden, aber der elektromechanische Wandler ist in zwei Elemente aufgeteilt worden, die sich außerhalb des Resonanz— raumes befinden. Tatsächlich zeigt Fig. 4 einen Sendewandler 5, 6, der mit den Eingangsklemmen A und B elektrisch verbunden ist, und einen Empfangswandler 11, 12, der mit den Ausgangsklemmen C und D verbunden ist.

Zwischen die Wandler 5, 6 und 11, 12 sind drei aufeinanderfolgende Resonanzräume eingefügt, die durch die Aufeinanderfolge von Gittern 7, 8, 9 und 10 mit selektiver Reflexion festgelegt sind. Die Längen L.. , L₂ und L- der Resonanzräume sind verschieden groß, damit die Resonanzspitzen in der Frequenz verschoben sind.

Die Einrichtung von Fig. 4 verhält sich wie ein Bandpaßfilter, denn in dem Sperrband der Gitter 7, 8, 9 und 1O sind Durchlässigkeitspunkte vorhanden, welche den Resonanzfrequenzen der Resonanzräume entsprechen.

Der Durchlaßfaktor eines Resonanzraumes erreicht sein Maximum, wenn seine Länge L einer ungeraden Anzahl von Viertelwellenlängen entspricht. Je nach dem, ob die Längen L₁, L₂ und L₃ einander nahe- oder fernliegende Werte haben, kann man ein einziges Gesamtdurchlaßband oder drei getrennte Durchlaßbänder erhalten. Selbstverständlich kann das Filter von Fig. 4 mit einem einzigen Resonanzraum arbeiten, wenn man beispielsweise die Gitter 9 und 10 wegläßt.

Das Filter von Fig. 4 hat den Nachteil, daß außerhalb des Sperrbandes der Gitter mit selektiver Reflexion ein guter Durchlaßfaktor für die elastischen Oberflächenwellen vorhanden ist, die durch die Wandler 5, 6 und 11,

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ausgetauscht werden.

Zur Beseitigung dieses Nachteils kann man die Konfiguration von Fig. 5 verwenden. Der Sendewandler 5, 6 strahlt in einer ersten Richtung 14 zu einem Gitter 13 mit selektiver Reflexion. Der von dem Gitter 13 reflektierte Schwingungsenergieanteil wird in einer anderen Richtung 15 zu dem Empfangswandler 11, 12 weitergeleitet. Zwischen das Gitter 13 und den Wandler 11, 12 ist ein Resonanzraum mit der Länge L eingefügt, dessen Spiegel aus zwei Gittern 7 und 8 mit selektiver Reflexion bestehen, welche im wesentlichen das gleiche Sperrband wie das Gitter 13 haben. Wegen des Vorhandenseins des Gitters 13 empfängt der Resonanzraum 7, 8 nur in dem Sperrband liegende Strahlungen, denn außerhalb dieses Bandes werden die von dem Wandler 5, 6 ausgesandten Oberflächenwellen übertragen, ohne an dem Gitter 13 eine Reflexion zu erfahren.

Die in den vorstehend beschriebenen Figuren dargestellten Einrichtungen mit selektiver Reflexion sind mit mehreren Wellen arbeitende Interferenzeinrichtungen.

Fig. 6 zeigt eine mit zwei Wellen arbeitende Interferometereinrichtung. Sie enthält an der Oberfläche 2 des Substrats 1 einen elektromechanischen Sendewandler 5, 6, der elastsiche Oberflächenwellen 20 zu einem schrägen Selektivreflexionsgitter 23 hin abstrahlt. Ein Anteil der einfallenden Schwingungsenergie wird durch das Gitter 23 in Richtung eines zweiten Selektivreflexionsgitters 21 reflektiert, das ihn entsprechend den ausgezogenen Pfeilen 26 und unter Durchquerung des Gitters 23 zu einem elektromechanischen Empfangswandler 11, 12 zurückschickt. Der andere Anteil - der auf das Gitter 23 auftreffenden Schwingungsenergie wird zu einem dritten Selektivreflexionsgitter 22 durchgelassen, das ihn ent-

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sprechend den gestrichelten Pfeilen 25 und 24 zu dem Wandler 11, 12 zurückschickt, wobei er eine zweite Reflexion an dem Gitter 23 erfährt.

In dem Sperrband der Gitter 21, 22 und 23 wird die aus dem Wandler 5, 6 stammende Energie auf zwei getrennten Wegen zu dem Wandler 11, 12 zurückgeschickt. Die beiden Energieanteile, die von dem Wandler 11, 12 empfangen werden, können interferieren und zu einer übertragungsfunktion führen, deren Verlauf an den der Interferenzstreifen erinnert, die man in der Optik in Michelson-Interferometer η beobachtet.

Fig. 7 zeigt eine Struktur, die der von Fig. 6 zwar nahekommt, die jedoch eine mit mehreren Wellen arbeitende Interferenzeinrichtung bildet. Die einzige Abwandlung liegt in der Änderung der dem Gitter 23 gegebenen Orientierung. Gemäß Fig. 7 wirkt das Gitter 23 mit den Gittern 21 und 22 derart zusammen, daß ein Resonanzraum gebildet wird, in welchem sich ein Betrieb mit stehenden Wellen ausbilden kann, der durch die gestrichelte Linie 28 dargestellt ist. Das Gitter 23 dient außerdem als geneigter Reflektor, welcher die von dem Wandler 5, 6 ausgesandte Schwingungsenergie der Richtung 20 empfängt und sie teilweise in der Richtung 27 zu dem Wandler 11, 12 weiterleitet. Das Reflexionsvermögen des Gitters 23 wird durch den Resonanzraumeffekt beeinflußt und es ergibt sich daraus eine Betriebsweise, die der der Einrichtung von Fig. 5 analog ist.

In den vorangehenden Beispielen sind elastische Oberflächenwellen gewählt worden, welche geradlinige Wellenfronten haben, so daß die Linien der Gitter mit selektiver Reflexion ebenfalls geradlinig sind. Die Erfindung

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sieht außerdem vor, Resonatoreinrichtungen oder Einrichtungen mit Resonanzraum zu schaffen, bei denen die Linien der Gitter mit selektiver Reflexion die Form von ungeradlinigen Wellenfronten annehmen.

Fig. 8 zeigt einen Resonanzraum, dessen Spiegel aus Gittern 7 und 8 bestehen, welche krumme Linien haben. Die Wandler 5, 6 und 11, 12 haben ebenfalls krumme Zinken und sind in der Lage, Wellen abzustrahlen, deren Wellenfronten den Linien der Gitter 7 und 8 überlagerbar sind. Durch Weglassen der Wandler 5, 6 und 11, 12 und durch Einfügen eines Wandlers 30, 31 mit krummen Zinken (in Fig. 8 gestrichelt dargestellt) in den Resonanzraum 7, 8 wird von dem Betrieb als Bandpaßfilter auf den Betrieb als Resonator übergegangen.

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Claims

Patentansprüche:

1.7 Mit selektiver Reflexion von elastischen Oberflächenwellen arbeitende Einrichtung, welche an der Oberfläche eines Substrats zumindest einen elektromechanischen Wandler aufweist, dadurch gekennzeichnet/ daß das Substrat kristallin ist, daß auf dem Weg der elastischen Oberflächenwellen eine periodische Störung der physikalischen Fortpflanzungskenndaten des Substrats dadurch erzeugt ist, daß der Oberfläche zumindest ein dauerhaftes Gitter von Linien zugeordnet ist, die mit einer Gruppe von Wellenfronten zusammenfallen, die um eine halbe Wellenlänge der Welle, wie sie von dem elektromechanischen Wandler abgestrahlt wird, voneinander entfernt sind, und daß die Linien aus Zonen der Oberfläche des Substrats bestehen, welche eine Ionenimplantation erfahren haben, die den Übergang aus dem kristallinen Zustand in einen versetzten Zustand hervorruft.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linien eine räumliche Prägung in der Oberfläche bilden, wobei die Oberfläche nach der Ionenimplantation eine zum Entstehen der räumlichen Prägung führende selektive chemische Einwirkung erfahren hat.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Resonatorelements der eüektromechanische Wandler in dem Mittelbereich des Gitters angeordnet ist, wobei der Wandler zwei Elektroden in Form von interdigital angeordneten leitenden Kämmen enthält und das Substrat piezoelektrisch ist und wobei die Zinken der leitenden Kämme zwischen die Linien eingefügt sind.

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4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Resonatorelements der Wandler im Innern eines Resonanzraumes angeordnet ist, der durch zwei.als Spiegel dienende Liniengitter begrenzt ist, wobei der Wandler zwei Elektroden in Form von interdigital angeordneten leitenden Kämmen enthält und wobei das Substrat piezoelektrisch ist.

5. Einrichtung nach Anspruch Ί oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Interferenzfilters zwei elektromechanische Wandler auf der Oberfläche derart angeordnet sind, daß die elastischen Oberflächenwellen ausgetauscht werden, daß zumindest ein Resonanzraum zwischen die Wandler eingefügt ist, der durch zwei als Spiegel dienende Liniengitter begrenzt ist, daß die Wandler jeweils zwei Elektroden in Form von interdigital angeordneten leitenden Kämmen enthalten und daß das Substrat piezoelektrisch ist.

6. Einrichtung nach Anspruch .5, dadurch gekennzeichnet, daß ein die elastischen Oberflächenwellen schräg reflektierendes Liniengitter zwischen den Resonanzr.aum und wenigstens einen der elektromechanischen Wandler eingefügt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei elektromechanische Wandler vorgesehen sind, welche sich in einem Punkt schneidende Strahlungsrichtungen haben, daß ein erstes Liniengitter im wesentlichen entsprechend einer der Winkelhalbierenden der Richtungen orientiert und an ihrem Schnittpunkt angeordnet ist, daß zweite und dritte Liniengitter derart angeordnet sind, daß die in den Richtungen aus dem ersten Gitter austretenden Strahlungsanteile in umgekehrter Richtung reflektiert werden, daß die Wandler jeweils aus zwei Elektroden in Form von interdigital angeordneten leitenden

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Kämmen bestehen und daß das Substrat piezoelektrisch ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung des ersten Gitters derart gewählt ist, daß ein mit zwei Wellen arbeitendes Interferometersystem gebildet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung des ersten Gitters derart gewählt ist, daß ein mit mehreren Wellen arbeitendes Interferometer sys tem gebildet ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Linien gerade sind.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Linien krumm sind.

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