DE2115412A1

DE2115412A1 - Piezoelektrisches Filter nach dem Oberfl ächenwellenprinzip

Info

Publication number: DE2115412A1
Application number: DE19712115412
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Phys. 8022 Grünwald Kuny
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1971-03-30
Filing date: 1971-03-30
Publication date: 1972-10-12
Also published as: US3753164A

Description

Piezoelektrisches Filter nach dem Oberflächenwellenprinzip

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Filter nach dem Oberfläehenwellenprinzip, bei dem entsprechend einem elektrischem Signal, mittels eines ersten kammartigen Y/andlers, auf einem piezoelektrischen Substrat eine Ultraschallwelle erzeugt wird, die nach Zurücklegen einer gewissen Laufstrecke auf dem Substrat von einem zweiten kammartigen Wandler in ein elektrisches Signal zurückverwandelt wird.

Ein bekanntes Problem aller Filter und Verzögerungsleitungen, die mit Ultraschallwellen arbeiten, ist die Vermeidung von unerwünschten Reflexionen. Diese Reflexionen treten immer dann auf, wenn der Eingangswandler, der das elektrische Signal in eine Ultraschallwelle umformt, nicht nur in einer Richtung abstrahlt. Bei ungünstigen Abmessungen interferieren Haupt- und Nebenochall am Ausgangswandler, wodurch das Ausgangssignal verzerrt wird.

Εε sind bereits Filter bzw. Verzögerungsleitungen bekannt, bei denen die Ultraschallwelle in Form einer Oberflächenwelle auf einem piezoelektrischem Substrat von einem Eingangswandler zu einem Ausgangswandler transportiert wird. Als Wandler werden dabei kaminartige Interdigitalstrukturen verwendet. Diese Interdigitalstrukturen können einfach hergestellt werden und erlauben eine Beeinflussung der Übertragungscharakteristik durch entsprechende Ausführung. Leider strahlen diese einfachen Irrterdigitalwandler in zwei Richtungen je eine Oberflächenwelle ab. Die eine Y/elle läuft direkt vom Eingangswandler zum Ausgangs- _. wandler. Die zweite Welle läuft vom Eingangswandler zunächst

VPA 9/140/0062 Bit/Bro

209842/0289

zum Rand des Substratplättchens, wird dort reflektiert und _m gelangt dann nach Zurücklegen eines wesentlich längeren Weges zum Ausgangswandler. Am Ausgangswandler treten nochmals die gleichen Effekte auf, denn ein Teil der Ultraschallwelle läuft unter dem Ausgangswandler vorbei und wird ebenfalls am Rand des Substratplättchens reflektiert. Es kommt daher zu mehrfachen Interferenzen der Ultraschallwellen im Bereich des Ausgangswandler, was zu einer entsprechenden Verzerrung des elektrischen Ausgangssignals führt*

Zur Vermeidung dieses Nachteils ist bereits bekannt, die Enden des Substrate mit einem schallabsorbierenden Material· zu belegen, z.B* mit einer Wachsschicht, in der die ankommenden Oberflächenwellen mechanisch gedämpft und absorbiert werden.

Es sind auch schon Interdigitalwandler bekannt, die nur in eine Richtung Ultraschallwellen abstrahlen. Derartige Wandler bestehen aus zwei, um eine Viertel-Wellenlänge gegeneinander verschobenen Interdigitalwandlern, die mit einem um 90° phasenverschobenen Signal gespeist werden.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die Grundfläche des Substratplättchens nicht rechteckig auszubilden, sondern ihr die Form eines unregelmäßigen Vielecks zu geben. Hierdurch trifft die am Substratrand reflektierte Ultraschallwelle nicht mehr senkrecht auf den Interdigitalwandler auf und erregt kein ■ elektrisches Ausgangssignal.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß trotz Befolgens aller die,ser bereits bekannten bzw. vorgeschlagenen Maßnahmen immer noch störende Interferenzen auftreten, die insbesondere in dem Frequenzbereich zwischen der einfachen und der doppelten Resonanzfrequenz störende Minima und Maxima in der Übertragungskurve hervorrufen. Experimente haben gezeigt, daß die bei Filtern nach dem Oberflächenwellenprinzip verwendeten interdigitalen Wandlerelektroden nicht nur eine Oberflächenwelle anregen, sondern auch in das Substratinnere Ultraschallwellen abstrahlen.

VPA 9/140/0062 Bit/Bro 209842/0289 ' ' -3·

Bei gegebenen Abstand der Wandlerelektroden und gegebener Substratdicke sind hierbei Wellenzüge möglich, die von dem Eingangswandler auf verschiedenen Wegen nach ein- oder mehrfacher Reflexion an der Substratober- und Unterseite derart zum Ausgangswandler gelangen, daß sie dort aufgenommen werden und untereinander und mit der Oberflächenwelle interferieren und dadurch zu einer störenden starken Welligkeit des Ausgangssignals im Sperrbereich führen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches Filter bzw. eine Verzögerungsleitung nach dem Oberflächenwellenprinzip anzugeben, bei dem der schädliche Einfluß der im Innern des Substrats verlaufenden und an der Substratunterseite reflektierten Ultraschallwellen nicht auftritt«

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Substrat keilförmig ausgebildet ifrfc.

Durch diese Maßnahme wird die für eine Interferenz notwendige Bedingung des gleichen Einfallwinkels bei Eingangs- und Ausgangswandler gestört. Dadurch können die im Inneren des Substrats verlaufenden und an der Substratunterseite reflektierten Schallwellen im Ausgangswandler kein elektrisches Signal mehr hervorrufen, wodurch der Sperrbereich des Oberflächenwellenfilter^, insbesondere der Bereich zwischen der einfachen und der doppelten Resonanzfrequenz geglättet wird.

Es hat sich herausgestellt, daß bereits ein Keilwinkel von ca. 4° ausreicht, um die störenden Reflexionen auszuschalten. Dieser Keilv.'inkel von 4° ist anderseits aber so gering, daß eine Schwächling der mechanischen Festigkeit des Substrats noch nicht zu befürchten ist«

Die Keilform kann sich dabei in Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle oder auch quer dazu erstrecken. Auch, eins kombiniei'te Form ist möglich.

FPA 9/1<0/0062 Bit/Brο - 4 -

209842/0289

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.

Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Filter nach dem Oberflächenwellenprinzip. Man erkennt das rechteckige Substrat 11 und auf dessen Oberfläche einen Eingangswandler 2 und einen Ausgangswandler 3 in Form von kammartigen, ineinander verzahnten Interdigitalstrukturen. Die bekannten Maßnahmen sur Verhinderung der Reflexionen der Oberflächenwellen an den Substratkanten sind der Einfachheit halber nicht dargestellt, da sie nicht zum Gegenstand der Erfindung gehören. '

Figur 2 zeigt eine Seitenansicht des in Figur 1 dargestellten Filtere mit parallel verlaufenden Ober- und Unterseite. Man erkennt das Substrat 21, sowie die interdigitalen Eingangsund Ausgangswandler 2 und 3. Eingezeichnet sind außerdem zwei Ultraschallwellen 4,5, die im Innern des Substrats 21 verlaufen und an der Substratunterseite ein oder mehrmals reflektiert werden. Die Ultraschallwelle 4 wird z.B. nur einmal an der Unterseite reflektiert, während die Schallwelle 5 zweimal an der Unterseite und einmal an der Oberseite reflektiert wird. Aufgrund der parallelliegenden Substrat-" ober- und Unterseite ist die Interferenzbedingung, daß der Abstrahlwinkel der UltraschallweHe am Eingangswandler und der Einfallswinkel am Ausgangswandler gleich groß sein müssen, erfüllt. Außer den* beiden eingezeichneten Ultraschall-, wellen 4 und 5 erfüllen selbstverständlich auch noch weitere Vellenzüge diese Bedingung.

Figur 3 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Ausführungsform. Das Substrat 31 trägt auf seiner Oberseite Eingangs- und Ausgangswandler 2,3* Durch eine entsprechende Formgebung ist das Substrat jedoch in Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle keilförmig ausgebildet. Substratober- und un-

VPA 9/140/0062 Bit/Bro - 5 -

209842/0289

terseite schließen dabei den KeilwinkelC>£ ein. Dieser Winkel^ beträgt z.B. 4°. Man erkennt-sofort, daß eine vom Eingangs- ■ wandler 2 in das Substratinnere unter einem bestimmten Winkel abgestrahlte und an der Substratunterseite reflektierte Ultraschallwelle nicht mit dem gleichen Winkel am Ausgangswandler zur Substratoberseite zurückkehren kann. Dadurch ist aber auch keine Interferenz mehr mit der. Oberflächenwelle möglieh, so daß eine Welligkeit der Übertragungskurve im Sperrbereich des Filters, insbesondere in den Frequenzbereich zwischen der einfachen und der doppelten Resonanzfrequenz, verhindert wird,

Figur 4 zeigt die Durchlaßkurve eines piezoelektrischen Filters nach dem Oberflächenwellenprinzip mit parallelliegender Substratober- und Unterseite gemäß Figur 2. Auf der Abszisse des rechtwinkeligen Koordinatensystems ist die Frequenz f aufgetragen, auf der Ordinate die Dämpfung a in negativer Richtung. Die Durchlaßkurve steigt von niedrigen Frequenzen kommend zunächst an* durchläuft zwei kleine Maxima b und erreicht in der Umgebung der Resonanzfrequenz f_Q ihr Maximum. Am Ende des Durchlaßbereiches fällt die Durchlaßkurve wieder ab, durchläuft 2 weitere Nebenraaxima b und weist dann mit wachsender Frequenz im Bereich c eine große Welligkeit auf. Diese Maxima und Minima im Frequenzbereich c werden hervorgerufen durch die Interferenzen der im Substratinneren verlaufenden und an der Substratunterseite ein- oder mehrfach reflektierten Ultraschallwellen. Der Dämpfungsunterschied zwischen Durchlaßbereich und Sperrbereich beträgt dabei nur etwa 7 dB| das bedeutet aber, daß ein derartiges Filter nur durch zusätzliche Maßnahmen, z.B. durch das Hinzufügen eines Sperrkreises aus Induktivitäten und Kapazitäten brauchbar wäre. Die Nebenmaxima b in der unmittelbaren Nachbarschaft des Durchlaßbereiches bei der Frequenz f_Q sind bedingt durch die Interdigitalwandler und sind nicht auf Reflexionen zurückzuführen. " i .

VPA 9/140/0062 Bit/Bro - 6

209842/0289

Figur 5 zeigt in gleicher Darstellung die· Durchlaßkurve eines erfindungsgemäßen Filters, bei dem Substratoberseite und -Unterseite einen Winkel einschließen, wie in Figur 3 dargestellt. Man sieht sofort, daß die vielen Maxima und Minima in dem Frequenzbereich zwischen der einfachen und doppelten Resonanzfrequenz versehwunden sind und daß nur noch die durch die Interdigitalwandler bedingten Nebenmaxima b auftreten. Die Dämpfung zwischen Durchlaßbereich und Sperrbereich konnte auf mindestens 20 dB erhöht werden. Ein solches Filter ist somit auch ohne zusätzliche Maßnahmen brauchbar. i)er Kurvenverlauf zwischen der einfachen und doppelten Ifsonanzfrequenz entspricht dabei dem mittle- * ren Dämpfungsabfall im gleichen Frequenzbereich der Figur

4 Patentansprüche

5 Figuren

VPA 9/140/0062 Bit/Bro

209842/0289

Claims

Patentansprüche

V 1.) Piezoelektrisches Filter oder Verzögerungsleitung nach dem Ober'flächenwellenprinzip, bei dem entsprechend einem elektrischen Signal mittels eines ersten kammartigen Wandlers auf einem piezoelektrischen Substrat eine Ultraschallwelle erzeugt wird, die nach Zurücklegen einer gewissen Laufstrecke auf dem Substrat von einem zweiten kammartigen Wandler in ein elektrisches Signal zurückverwandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (31) keilförmig ausgebildet ist.
2. Filter nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Keilwinkel (a) ca. 4° beträgt.
3. Filter nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilform sich in Ausbreit ungsrichtung der Oberflächenwelle erstreckt.
4. Filter nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilform sich quer zur Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle erstreckt.

209842/0289

Leerseite