DE2461664C2

DE2461664C2 - Device based on surface acoustic waves

Info

Publication number: DE2461664C2
Application number: DE2461664A
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Sendai Miyagi Sato; Kimio Shibayama
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 1973-12-28
Filing date: 1974-12-27
Publication date: 1984-07-12
Also published as: NL179326B; JPS5099289A; NL7416981A; GB1491250A; DE2461664A1; NL179326C

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung auf der Basis der akustischen Obcrflächenwellcn, bei welcher als Wandlerbauweise die Interdigitalstruktur gewählt ist und bei welcher eine im V-Schnitt unter dem Schnittwinkel θ ausgeführte Lithiumiobatplatte mit in der X-Richtung sich ausbreitenden Oberflächenwellen vom Schwingungsmodus der ungedämpft sich fortpflanzenden Rayieighwellen vorgesehen ist und bei welcher des weiteren die Festlegung des Schnittwinkels θ unter Berücksichtigung seines Einflusses auf die Unterbindung der parasitären Scherwellen erfolgt.The invention relates to a device based on acoustic surface waves, in which the interdigital structure is selected as the transducer design and in which a lithium iobate plate made in a V-section at the cutting angle θ with surface waves propagating in the X direction from the vibration mode of the undamped propagating Rayieigh waves is provided and in which, in addition, the cutting angle θ is determined taking into account its influence on the suppression of the parasitic shear waves.

Aus der Zeitschrift »Applied Physics Letters«, Vol. 17, Nr. 5, 1. September 1970, Seiten 225 bis 227, ist es bekannt, bei einer als Filter oder Verzögerungsleitung im VHF- oder UHF-Bereich verwendeten elastischen Oberflächenwellenvorrichtung ein Einkrisiall-Lithiumniobat zu verwenden, das gute Eigenschaften als piezoelektrisches Substrat für die elastische Oberflächenwellenvorrichtung zeigt, da dieser Kristall einen vergleichsweise großen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten bezüglich einer elastischen Oberflächenwelle besitzt. Die gewählte Elektrodenanordnung weist eine Interdigitalsirukiur auf. Es treten hierbei neben den in das piezoelektrische Substrat eindringenden Wellen auch Oberflächenwellen verschiedener Art auf: Sich in X-Richtung ausbreitende Oberflächenwellen mit einem Schwingungsmodus, der als ungedämpft sich fortpflanzende Schwingungsart vom Rayleigh-Typ bezeichnet wird, sich ebenfalls in X-Richtung ausbreitende Wellen, die aufgrund einer Abstrahlung von Energie in das piezoelektrische Substrat gedämpft sind, sowie transversale Scherwellen. Die genannte Literaturstclle zeigt in F i g. I die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser verschiedenen Oberflächenwellen von der Größe des beim V-Schniti verwendeten Schnittwinkels. Ähnliehe Untersuchungen von Oberflächenwellen bei Lilhiumniobatkristallcn sind auch aus dem »Journal of Applied Physics«, Vol. 43, No. 3, März 1972, Seiten 856 bis 862, bekannt.From the journal "Applied Physics Letters", Vol. 17, No. 5, September 1, 1970, pages 225 to 227, it is known, with an elastic used as a filter or delay line in the VHF or UHF range Surface acoustic wave device to use a single crystal lithium niobate, which has good properties as a piezoelectric Substrate for the elastic surface wave device shows, as this crystal is a comparatively has large electromechanical coupling coefficient with respect to an elastic surface wave. The chosen electrode arrangement has an interdigital sirucuration. In addition to the Waves penetrating the piezoelectric substrate also have surface waves of various types: Moving in the X-direction Propagating surface waves with an oscillation mode that propagates as undamped Mode of oscillation of the Rayleigh type is called, also in the X-direction propagating waves that due to radiation of energy into the piezoelectric substrate are attenuated, as well as transversal Shear waves. The cited reference shows in FIG. I the dependence of the speed of propagation of these different surface waves on the size of the cutting angle used in the V-cut. Similar Investigations of surface waves in lithium niobate crystals are also from the Journal of Applied Physics ", vol. 43, no. 3, March 1972, pages 856-862.

Auch aus der US-PS 36 80 009 und der Zeilschrift »Elektronies Leiters«, Vol. 6, No. 6. März 1970. Seilen 171 bis 173, ist die Verwendung einer Platte aus Lilhiumniobat mit gedrehtem V-Schnitt als Übertragungsmedium für akustische Oberflächenwellen und eines Interdigitalwandlcrs bekannt, da diese einen großen elektromcchanischen Kopplungskoeffizienten für die Ausbreitung der Rayleighschen elastischen Oberflächenwelle in Richtung der X-Achse besitzt. Auch die letztgenannte Literalurstelle stellt die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwelle vom Schnittwinkcl heraus.Also from US-PS 36 80 009 and the cuneiform "Electronics Leiters", Vol. 6, No. March 6, 1970. Ropes 171 to 173, is the use of a plate made of lithium niobate with a twisted V-cut as the transmission medium known for surface acoustic waves and an interdigital transducer, as these have a large electro-mechanical Coupling coefficient for the propagation of the Rayleigh elastic surface wave in the direction the X-axis owns. The last-mentioned literal passage also represents the dependence of the speed of propagation of the surface wave from the intersection angle.

In der Zeitschrift »Proceedings of the Institute of Electrical and Electronic Engineers«, Vol. 58, No. 8 (August 1970), Seiten 1238 bis 1276, insbesondere S. 1253, werden vier wesentliche Einflußgrößen für die Erzeugung und Fortpflanzung akustischer Oberflächenwellen in einem piezoelektrischen Medium genannt:In the journal "Proceedings of the Institute of Electrical and Electronic Engineers", Vol. 58, No. 8th August 1970), pages 1238 to 1276, especially p. 1253, are four essential influencing variables for the generation and Propagation of surface acoustic waves in a piezoelectric medium called:

a) das piezoelektrische Material und seine Orientierung;a) the piezoelectric material and its orientation;

b) die Dimensionierung und das Material der Elektroden;b) the dimensions and material of the electrodes;

c) die mit der Elektrodenanordnung verbundenen elektrischen Schaltungselemente;
d) die Betriebsfrequenz.c) the electrical circuit elements connected to the electrode arrangement;
d) the operating frequency.

Dabei beeinflussen das Material des piezoelektrischen Mediums und dessen Orientierung u. a. die Geschwindigkeiten der akustischen Wellen (Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten sowie den Phasenwinkel zwischen diesen), die Art der Wellen, die piezoelektrisch gekoppelt werden können (z. B. gewöhnliche Oberflächenwellen, elektroakustische Wellen oder im Medium verlaufende Wellen) und den Kopplungskocffizicnien.The material of the piezoelectric medium and its orientation influence, among other things. the speeds of acoustic waves (phase and group velocities as well as the phase angle between these), the type of waves that can be piezoelectrically coupled (e.g. ordinary surface waves, electroacoustic waves or waves running in the medium) and the coupling coefficients.

Die Zeitschrift »journal of Applied Physics Vol.43, No. 6 (Juni 1972). S. 2498 bis 2501, befaßt sich mit der Erzeugung elastischer Scherwellen durch interdigitale Wandler. Für Lithiumniobatkristalle mit einer Orientierung, die einen hohen Kopplungskoeffizienten bewirkt, wird festgestellt, daß für diese Scherwellen ein nennenswerter Anteil der zugeführten elektrischen Energie verbraucht wird.The journal of Applied Physics Vol. 43, No. 6 (June 1972). Pp. 2498 to 2501, deals with the Generation of elastic shear waves by interdigital transducers. For lithium niobate crystals with an orientation which causes a high coupling coefficient, it is found that a notable one for these shear waves Share of the supplied electrical energy is consumed.

Eine Platte mit 131" gedrehtem >'-Schnitt aus Lithiumniobnt und Wellenausbreitung in X-Richtung besitzt den größten elektromechanischen Koppliingskoeffizienlen bzw. -faktor k (k² = 0,055). Wenn sich jedoch bei einer Platte mit V-Schnitt die Raylcigh sehe Welle und die Schcrwellcnkomponcntc der Gesamtwelle mit sieh annähernd gleichen Geschwindigkeiten ausbreiten, wirkt die Scherwclle als Slörkomponcnic, welche die Eigenschaft eines Filters oder einer Verzögerungsleitung stark beeinträchtigt. Beispielsweise wird durch diese Störte komponente keine ausreichende garantierte Dämpfung im Sperrbereich eines Filters erreicht, und sie verringert außerdem den Rauschabstand in einer Verzögerungsleitung.A plate with a 131 "rotated>'cut of lithium niobnt and wave propagation in the X direction has the largest electromechanical coupling coefficient or factor k (k ² = 0.055). If, however, in a plate with a V-cut, the Raylcigh wave and If the Schcrwellcnkomponcntc of the overall wave propagate with almost the same speeds, the shear wave acts as a noise component, which greatly affects the properties of a filter or a delay line. For example, this interference component does not achieve sufficient guaranteed attenuation in the stop band of a filter, and it also reduces the signal-to-noise ratio in a delay line.

Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, ein piezoelektrisches Substrat gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart zu schaffen, daß ein Schnitiwinkel θ Anwendung rindet, der zwar einen etwas niedrigeren elektio-Accordingly, it is the object of the invention to create a piezoelectric substrate according to the preamble of claim 1 in such a way that a cutting angle θ is used which, although a somewhat lower electio-

Tiechanischcn Kopplungsfaktor ergibt, jedoch die Knistchung und Übertragung von Schcrwcllen unterbindet.Tiechanischcn coupling factor results, but prevents the kneeling and transmission of swellings.

Diese Aufgabe wird durch die ins kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1. Advantageous further developments result from the subclaims.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsforni der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es ieigtIn the following a preferred embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the drawing ieigt

F i g. 1 eine schematische perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung des Winkels, unter welchem ein Substrat aus einem Einkristall-Lithiumniobai geschnitten wird,F i g. 1 is a schematic perspective illustration to illustrate the angle at which a Substrate is cut from a single crystal lithium niobai,

Fig.2 eine graphische Darstellung der vom Schnittwinkel abhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Scherwelle und der Rayleigh'schen Welle auf dem gedrehten V-Sehnittsubstrat,FIG. 2 shows a graphic representation of the propagation speed of the depending on the cutting angle Shear wave and Rayleigh's wave on the rotated V-cut substrate,

F i g. 3A eine in stark vergrößertem Maßstab gehaltene Schnittansicht der üblicherweise bei einer Oberflächenwellen-.urrichtung angewandten, fingerartig ineinandergreifenden bzw. Kammelektroden.F i g. 3A is a sectional view, on a greatly enlarged scale, of the conventional surface wave direction applied finger-like interlocking or comb electrodes.

F i g. 3B eine schematische Darstellung der Verteilung der durch die Kammelektroden erzeugten elektrischen Feldlinien undF i g. 3B shows a schematic representation of the distribution of the electrical generated by the comb electrodes Field lines and

Fig.4 eine Kennlinie der schnittwinkelabhängigen Eigenschaft der Störkomponentenunterdrückung bei einer Lithiumniobatkristallplatte mit gedrehtem V-Sehnitt und Wellenausbreitung in X-Richtung zur Erläuterung der Erfindung.4 shows a characteristic of the cutting angle-dependent property of interference component suppression a lithium niobate crystal plate with a rotated V-section and wave propagation in the X-direction for explanation the invention.

Einkristall-Lithiumniobat gehört zu einem trigonalcn System mit Drcifach-Rotationsachse. Bei einem solchen Kristall liegt die Z-Achsc parallel zur Rotationsachse, während die V-Achse senkrecht zur Z-Achse in einer Spicgelebene verläuft und die X-Achse senkrecht zu den Y- und Z-Achsen. d. h. zur Spiegelebene liegt. In diesem Fall läßt sich die piezoelektrische Konstantenmatrix nach den IRE-Normen wie folgt ausdrücken.Single crystal lithium niobate belongs to a trigonal system with a triple axis of rotation. In such a crystal, the Z-axis is parallel to the axis of rotation, while the V-axis is perpendicular to the Z-axis in a mirror plane and the X-axis is perpendicular to the Y- and Z-axes. ie lies to the mirror plane. In this case, the piezoelectric constant matrix according to the IRE standards can be expressed as follows.

OO 0 0 <?,5 -en - «22 «22 0 e,5 0 0OO 0 0 <?, 5 -en - «22« 22 0 e, 5 0 0

Qi Qi «33 0 0 0Qi Qi «33 0 0 0

(D(D

00 00 00 00 «-15«-15 -«-J- «- J «Si«Si «22«22 «23«23 «24«24 00 00 «Si«Si «32«32 «33«33 «34«34 00 00

Die genannte piezoelektrische Konstantenmatrix dient als Leitlinie zur Feststellung der Richtung sowie der Größe einer erzeugten Spannung bzw. Belastung bei Anlegung von elektrischen Feldern Εχ, Ey und Ez längs der X-, Y- bzw. Z-Achsen.The aforementioned piezoelectric constant matrix serves as a guideline for determining the direction and the magnitude of a voltage or load generated when electrical fields Εχ, Ey and Ez are applied along the X, Y and Z axes.

Eine kristalline Lithiumniobatplatte 1, deren Hauptfläche 2 gemäß F i g. i senkrecht zu einer neuen K-Achse geschnitten ist, welche durch entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgende Drehung der V-Achse über einen Winkel von Θ Grad um die X-Achse herum festgelegt ist (wobei die Z-Achsc ebenfalls entgegen dem Uhrzeigersinn über den Winkel von ÖGrad um die X-Achse herum verdreht ist), wird als X-Ausbreitungs-Lithiumniobatkristallplatte mit 5-gedrehtcm V-Schniit bezeichnet. Eine solche gedrehte V-Schnittplatte besitzt die folgende piezoelektrische Konstantenmatrix:A crystalline lithium niobate plate 1, the main surface 2 of which is shown in FIG. i is cut perpendicular to a new K-axis, which is determined by rotating the V-axis counterclockwise over an angle of Θ degrees around the X-axis (with the Z-axissc also counterclockwise over the angle of Is rotated by degrees around the X-axis), is called X-propagation lithium niobate crystal plate with 5-rotated V-cut. Such a rotated V-cut plate has the following piezoelectric constant matrix:

(2)(2)

⁴⁰⁴⁰

Die Geschwindigkeit, mit welcher sich eine elastische Oberflächenwelle vom Rayleigh-Typ auf einem elastischen V-Schnitt-Oberflächenwellensubstrat in X-Richtung ausbreitet, besitzt bekanntlich die in Fig. 2 veranschaulichte Abhängigkeit vom Schnittwinkel θ. The speed at which a Rayleigh-type elastic surface wave propagates on a V-cut elastic surface wave substrate in the X direction is known to have the dependence on the intersection angle θ illustrated in FIG. 2.

In F i g. 2 veranschaulichen die gestrichelte und die ausgezogene Kurve die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Rayleigh'schen Welle für den Fall, daß die Hauptfläche des piezoelektrischen Substrats mit einer leitenden Schicht überzogen bzw. nicht damit überzogen ist. Im allgemeinen wird ein piezoelektrisches Substrat, bei dem diese Ausbreitungsgeschwindigkeiten weil voneinander abweichen, wegen des großen elektromechanischen Kopplungsfaktors bevorzugt. F i g. 2 zeigt, daß das piezoelektrische Substrat, wenn es unter einem Winkel θ von etwa 131° geschnitten ist, den größtmöglichen Unterschied zwischen den Ausbreitungsgeschwindigkeiten und folglich einen maximalen elektromechanischen Kopplungsfaktor besitzt. Wenn der Schnittwinkel θ sich jedoch dem Wert von 13Γ annähert, wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Rayleigh'schen Welle gemäß Fig.2 dicht an diejenige der Scherwelle herangebracht. Infolgedessen wird in diesem Fall auch die Scherwellenkomponente übertragen und als Störkomponcnte empfangen, wodurch die vorgenannten Schwierigkeiten auftreten. Wie aus F i g. 2 hervorgeht, breitet sich die Schcrwelle mit einer vom Schnittwinkel θ unabhängigen Geschwindigkeit aus.In Fig. 2, the dashed and solid curves illustrate the propagation speeds of the Rayleigh wave in the event that the main surface of the piezoelectric substrate is coated or not coated with a conductive layer. In general, a piezoelectric substrate in which these propagation velocities differ from each other is preferred because of the large electromechanical coupling factor. F i g. Figure 2 shows that the piezoelectric substrate, when cut at an angle θ of about 131 °, has the greatest possible difference between the propagation velocities and, consequently, a maximum electromechanical coupling factor. However, if the intersection angle θ approaches the value of 13Γ, the propagation speed of the Rayleigh wave according to FIG. 2 is brought close to that of the shear wave. As a result, the shear wave component is also transmitted and received as an interfering component in this case, whereby the aforementioned difficulties arise. As shown in FIG. 2, the shear wave propagates at a speed that is independent of the intersection angle θ.

Die Sende- und Empfangselektroden des interdigitalen Wandlers bestehen gemäß F i g. 3A im allgemeineii aus fingerartig ineinandergreifenden bzw. Kammelektroden mit gleichmäßiger Überlappungslänge, die auf der Hauptfläche eines piezoelektrischen gedrehten Y-Schnitt-Substrats ausgebildet sind. Die zwischen jeweils einem Paar von positiven und negativen Elcktrodenfingern der Kammclektroden verlaufenden elektrischen Feldlinien sind dabei gemäß Fig.3B in halbelliptischer Form verteilt. Diese Feldlinien weisen eine elektrische Feldkomponente Ex in X-Richtung, in welcher die elastische Oberflächenwelle verläuft, und eine elektrische Feldkomponente Ev in V-Richiung, senkrecht zur Hauptfläche Jes piezoelektrischen gedrehten V-Schnitt-Substrats auf. In diesem Fall ist keine elektrische Feldkomponenie F./ in /-Richtung vorhanden. Wie aus Formel (2) ersichtlich ist, werden die Schcrwellenkomponcnlcn bzw. Siörkomponcnten der Scherwelle somit in Abhängig- t5 keit von den piezoelektrischen Konstanten c.>₄', fr,' und C|_h' sowie von den elektrischen Feldkomponer.ten E\, Ey erzeugt.The transmitting and receiving electrodes of the interdigital transducer are made according to FIG. 3A is generally comprised of interdigitated or evenly lap length interdigitated electrodes formed on the major surface of a piezoelectric rotated Y- cut substrate. The electric field lines running between a pair of positive and negative electrode fingers of the comb electrodes are distributed in a semi-elliptical shape according to FIG. 3B. These field lines have an electric field component Ex in the X direction, in which the elastic surface wave runs, and an electric field component Ev in the V direction, perpendicular to the main surface Jes of the piezoelectric rotated V-cut substrate. In this case there is no electric field component F. / in / -direction. As is apparent from formula (2), the Schcrwellenkomponcnlcn or Siörkomponcnten of the shear wave are thus c t5 speed of the piezoelectric constant in dependence> ₄ ', fr' and C. | _h 'as well as from the electric field components E \, Ey .

Mittels durchgeführter Versuche wurde unter Verwendung der Kainmelektroden mit gleichmäßiger Überlap-By means of tests carried out using the Kainme electrodes with evenly overlapping

pungslänge gemäß Fig. 3A die Beziehung /wischen dem Schnittwinkel öder V-Achse auf der X-Ausbreilungs-Lithiumniobatkristallplatte mit ^-gedrehtem Y-Schnitt und einem Verhältnis zwischen den Störkomponenten und der Rayleigh'schen Welle untersucht, wobei festgestellt wurde, daß die in F i g. 4 dargestellte Beziehung besteht. Diese Versuche haben weiterhin gezeigt, daß es dann, wenn die F.ntstchung von Störkomponenten um 5 mehr als 60 db unterdrückt werden soll, ratsam ist, den Schnittwinkcl θ auf einen Wert zwischen 127,2° und 128,5° einzustellen; wenn die Entstehung von Slörkomponenten um mehr als 40 db unterdrückt werden soll, empfiehlt sich eine Einstellung des Schnittwinkels 6>auf einen Wert von 125.6" bis 130,1°.3A, the relationship between the cutting angle or the V-axis on the X-propagating lithium niobate crystal plate with ^ -turned Y- cut and a ratio between the spurious components and the Rayleigh wave was examined, whereby it was found that the in F i g. 4 is the relationship shown. These tests have also shown that if the removal of interfering components is to be suppressed by 5 more than 60 db, it is advisable to set the intersection angle θ to a value between 127.2 ° and 128.5 °; if the creation of interfering components is to be suppressed by more than 40 db, it is advisable to set the cutting angle 6> to a value of 125.6 "to 130.1 °.

Wenn die Kammelektroden auf einer unter einem Winkel θ von 127,86° geschnittenen kristallinen Lithiumniobatplatte ausgebildet werden, hat es sich weiterhin als möglich erwiesen, ein piezoelektrisches Substrat für ίο elastische Oberflächenwellen zu schaffen, welches die Entstehung von Störkomponenten um mehr als 65 db zu unterdrücken vermag.If the comb electrodes are formed on a crystalline lithium niobate plate cut at an angle θ of 127.86 °, it has also been found possible to provide a piezoelectric substrate for ίο elastic surface waves which suppresses the generation of spurious components by more than 65 db able.

Fig.2 zeigt, daß das piezoelektrische Lithiumniobat-Subsiral, wenn es unter einem Winkel Θ von 125,6° —130,1° geschnitten ist. praktisch den gleichen elektromechanischen Kopplungsfaktor wie im Fall eines Schnittwinkels von θ = 131° besitzen kann, so daß sich eine elastische Oberflächenwelle zufriedenstellend in !5 X-Richtung ausbreiten kann.FIG. 2 shows that the piezoelectric lithium niobate subsiral when it is cut at an angle Θ of 125.6 ° -130.1 °. can have practically the same electromechanical coupling factor as in the case of an intersection angle of θ = 131 °, so that an elastic surface wave can satisfactorily propagate in the X direction.

Das erfindungsgemäße piezoelektrische Substrat aus kristallinem Lithiumniobat vermag die Entstehung von Störkomponenten effektiv zu unterdrücken, auch wenn die auf der Hauptfläche des Substrats ausgebildeten, gewöhnlichen Kammelektroden mit gleichmäßiger Überlappungslängc durch verschiedene Bewertungselekiroden oder kodierte Elektroden ersetzt werden.The inventive piezoelectric substrate made of crystalline lithium niobate is capable of producing Effectively suppressing spurious components even if those formed on the main surface of the substrate Ordinary comb electrodes with a uniform length of overlap by various evaluation electrodes or coded electrodes can be replaced.

20 20th

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device based on surface acoustic waves, in which the interdigital structure is selected as the wall construction and in which a lithium niobate plate, executed in the K-section at the cutting angle θ , with surface waves propagating in the X-direction from the vibration mode of the undamped propagating Rayleigh waves is provided and in which, furthermore, the cutting angle θ is determined taking into account its influence on the suppression of the parasitic shear periods, characterized in that the angle Θ lies in the range from 125.6 degrees to 130.1 degrees.

to

2. Apparatus according to claim!, Characterized in that the cutting angle! <9 in the range from 127.2 to

1283 degrees.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the cutting angle θ is 127.86 degrees.