DE3111020C2

DE3111020C2 - Akustische Oberflächenwellenvorrichtung

Info

Publication number: DE3111020C2
Application number: DE3111020A
Authority: DE
Inventors: Michio Kyoto Kadota; Tomoharu Takatsuki Sato; Kikuo Muko Wakino
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1980-03-22
Filing date: 1981-03-20
Publication date: 1984-10-31
Also published as: DE3111020A1; US4388600A; GB2073528A; JPS56132806A; GB2073528B

Abstract

Akustische Oberflächenwellenvorrichtung (SAW = Surface Acoustic Wave Device) zum Unterdrücken von akustischen Körperwellen bzw. Wellen im Körperinneren. Die SAW-Vorrichtung besteht aus einem Substrat mit zwei einander gegenüberliegenden planen Oberflächen aus einem solchen Material, daß sich auf der ersten planen Oberfläche akustische Wellen ausbreiten können. Das Substrat ist mit einer Vielzahl von Nuten in der zweiten planen Oberfläche versehen, die unter einem Winkel zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen angeordnet sind. Auf der ersten planen Oberfläche sind ein erster und zweiter Meßwertwandler schichtförmig aufgebracht, um die akustischen Wellen vom ersten Meßwertwandler auszusenden und durch den zweiten Meßwertwandler zu empfangen. Erfindungsgemäß sind die Nuten in mindestens zwei Gruppen unterteilt, wobei die Nuten der ersten Gruppe eine zur Nuttiefe der zweiten Gruppe von Nuten unterschiedliche Nuttiefe aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung, im folgenden als SAW-Vorrichtung bezeichnet (SAW =■ Surface Acousti? Wave), wie im Oberbegriff vom Patentanspruch 1 angegeben.

Allgemein besteht eine SAW-Vorrichtung aus einem Sendewandier und einem Empfangswandler, die jeweils durch kammförmige Wandlerelemente gebildet werden, deren Elektroden ineinandergreifen, und die auf einem piezoelektrischen Substrat, wie z. B. einem PZT piezoelektrischen Keramiksubstrat, einem Einkristall-LiNb-Oj-Substrat oder einem auf einer Glasplatte aufgeschichteten ZnO Mikroplättchen, angeordnet sind. Wenn eine elektrische Wechselspannung an die Elektroden des Sendewandlers angelegt wird, werden akustische Oberflächenwellen erzeugt, die sich entlang der Oberfläche des Substrats auf einem Weg rechtwinklig zu den Elektroden ausbreiten und durch den Empfangswandler empfangen werden. Zusätzlich zu den akustischen Oberfläthenwellen werden auch akustische Körperwellen erzeugt, die durch das piezoelektrische Material wandern, ein- oder mehrfach an den Oberflächen des piezoelektrischen Substats reflektiert werden und im Empfangswandlcr als unerwünschte Signale cmpfiingen werden.

Es sind verschiedene SAW-Vorrichtungcn bekannt, die solche akustischen Körperwellcn eliminieren beispielsweise aus der US-PS 39 80 904. Diese Druckschrift betrifft eine Vorrichtung für elastische Obcrflächenwellen, in der der verwendete piezoelektrische Körper mindestens eine Nut in der Oberfläche aufweist die der Oberfläche gegenüberliegt auf der der Wandler, d. h. die verzahnte Elektrode, ausgebildet ist. Die Nut erstreckt sich in die Richtung, in der sich die Oberflächenwelle ausbreitet und mindestens einen Teil der Nut liegt in einem Teil des piezelektrischen Körpers, der zum Wandlerbcreich gehört um so in Wechselwirkung mit der Oberflächenwelle zu treten und Störsignale zu un- !erdrücken.

Eine weitere bekannte SAW-Vorrichtung ist aus der japanischen Offeniegungsschrift Nr. 49 98 552/1974 bekannt. Gemäß dieser Veröffentlichung weist der piezoelektrische Körper eine Vielzahl von parallelen Nuten aui, die in der Oberfläche ausgebildet sind, die der Oberfläche gegenüberliegt auf der die ineinandergreifenden Elektroden ausgebildet sind, auf eine Weise, daß die Nuten sich in einer Richtung senkrecht oder schräg zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle erstrecken und eine Tiefe haben, die ungefähr gleich oder größer ist als die Wellenlänge der unerwünschten Körperwellen.

Der Abstand zwischen den Nuten kann auf einen festen Abstandswert festgelegt sein oder variiert werden.

Beide oben erwähnten bekannten SAW-Vorrichtungen können die unerwünschten Körperwellen bis zu einem gewissen Grade unterdrücken, sind aber nicht ausreichend für die Körperteilen, die im oberen Sperrfrequenzbereich auftreten. Wenn z. B. eine SAW-Vorrichtung in einem Fernsehempfänder als Videozwischenfrequen/filter verwendet wird, können die bekannten SAW-Vorrichtungen die unerwünschten Körperwellen im angrenzenden Tonträgerfrequenzbereich nicht unterdrücken. Sie haben folglich den Nachteil, daß die Abschwächung im Tonträgerfrequenzbereich nicht im ge-

J5 wünschten Maße erreicht werden kann.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine akustische Oberflächenwellenvorrichiung zu schaffen, die unerwünschte Körperwellen im oberen Sperrfrcqucnzbereich unterdrücken kann und billig und einfach hergestellt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe bei ßiner Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs I erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Ausführungsbcispielc und der Figuren erläutert. Es zeigt

Fig. I eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße SAW-Vorrichtung:

F i g. 2 eine Bodenai/sicht der SAW-Vorrichtung von

ίο P i g. I;

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-1II von Fig 2;

Fig.4 eine Bodenansicht der SAW-Vorrichtung. die für die Versuche benutzt wurde;

Fig.5 einen Querschnitt entlang der Linie V-V von F i g. 2, die die erfindungsgemäüe Anordnung der Nuten zeigt:

F i g. 6 und 7 entsprechende Querschnitte einer SAW-Vorrichtung, die die Ausgestaltung der Nuten gemäß

bo dem Stand der Technik zeigen:

F i g. 8 eine grafische Darstellung des Versüchscrgebnisses für die SAW-Vorrichtungcn gemäß Fi g. 4 bis 7; und

F i g. 9 bis 12 F i g. 3 entsprechende Ansichten, die cr-

H^r> findungsgemäßc Ausgestaltungen der Nuten zeigen.

Die erfindungsgemäßc SAW-Vorrichtung weist ein langgestrecktes rechteckiges Substrat I aus einem piezoelektrischen Material, wie z. B. PZT. LiNbOj-Einkris-

tall oder ZnO, auf. Falls das Substrat 1 aus ZnO besteht, ist es vorzuziehen, das ZnO in Form eines Blättchens tierzustellen und auf einer Glasplatte aufzubringen. Das rechteckige Substrat t weist einen Sendewandler 2 und einen Empfangswandler 3 auf, die beide auf der oberen Oberfläche la des Substrats 1 auf bekannte Weise aufgebracht sind. Der Sendewandler 2 weist ein Paar von Dünnschichtmetallelektroden auf, die in Form von Kämmen mit ineinandergreifenden Zähnen angeordnet sind. Die Enden der kammförmigen Elektroden des Sendewandlers 2 sind entsprechend der gewünschten mathematischen Gewichtsfunktion angeordnet. Im gezeigten Beispiel sind die Zähne des Sendewandlers 2 apodisch angeordnet. Der Empfangswandler 3 enthält ein Paar von kammförmigen Elektroden mit gleichförmiger Überlappung, d. h. vom Interdigitaltyp.

Die SAW-Vorrichtung des oben beschriebenen Typs wird z. B. a!j Videozwischenfrequenzfilter für Fernsehempfänger verwendet.

Wenn eine elektrische Wechselspannung an die Elektroden des Senderwandlers 2 angelegt wird, werden akustische Wellen ausgesendet, die sich entlang dei Oberfläche des Substrats auf einem Wege senkrecht zu den Elektroden ausbreiten, wie durch den Pfeil A gezeigt ist Die ausgesendeten akustischen Wellen werden durch den Empfangswandler 3 empfangen.

Gemäß Fig.2 und 3 weist die erfindungsgemäße SAW-Vorrichtung ferner eine Vielzahl von Nuten 4 bis 10 auf, die durch irgendeine bekannte Weise, wie z. B. mit Hilfe eines Diamantschneiders oder Fräsers, in der Oberfläche \b ausgebildet sind, die der Oberfläche la gegenüberliegt, die mit den Wandlern 2 und 3 versehen ist. Die Nuten 4 bis 10 sind parallel zueinander in einem vorbestimmten Abstand voneinander ausgebildet und sind bevorzugt um einen vorbestimmten Winkel zur Ausbreitungsrichtung A der akustischen Wellen geneigt Die Tiefe der Nuten 4 bis 10 ist abwechselnd flach und tief gewählt In der Anordnung gemäß F i g. 3 sind die mit geraden Zahlen bezeichneten Nuten von einer Tiefe d2 und Jie mit ungeraden Zahlen bezeichneten von einer Tiefe d 1, die größer ist als die Tiefe d 2.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform werden die akustischen Körperwellen, die sich im Substrat 1 ausbreiten, an der unregelmäßigen Bodenfläche reflektiert, die durch die flachen und tiefen Nuten 4 bis 10 gebildet wird, so daß die akustische Ke'perwellen wirksam unterdrückt werden, bevor sie den Empfangswandler 3 erreichen.

In Versuchen wurden achtzehn SAW-Vorrichtungen untersucht, die jeweils aus <;inem 0,7 mm dicken, parallelogrammförmigem PZT-Substrat 1 gebildet wurden, wie F i g. 4 ztigt, mit darauf gemäß F i g. 1 ausgebildeten Wandlern 2 und 3, um ein Videozwischenfrequenzfilter mit einer Mittenfrequenz von etwa 36,5 MHz zu bilden. Die achtzehn SAW-Vorrichtungen wurden in drei Gruppen aufgeteilt. Die SAW-Vorrichtungen der ersten Gruppe wurden mit sechs Nuten 5 bis 10 ausgebildet, die abwechselnd angeordnet waren als tiefe Nuten mit einer Tiefe von 035 mm und einer Breite von 0,2 mm und flachen Nuten mit einer Tiefe von 0,15 mm und einer Breite von 0,2 mm, wie in F i g. 5 gezeigt. Die Nuten 5 bis 10 sind mit einem Abstand von 0,9 mm angeordnet und um 60° zur Ausbreitungsrichtung A der akustischen Welle geneigt. Die SAW-Vorrichtung der zweiten und dritten Gruppe wurden auf ähnliche Weise mit sechs Nuten versehen, die aber alle die gleiche Tiefe hatten. Die SA W-Vorrichtungen der /weiten Gruppen hatten Nuten 5' bis 10' mit einer Tiefe von 0,35 mm, wie in F i g. 6 gezeigt und die SAW-Vorrichtung der dritten Gruppe hatten Nuten 5" bis 10" mit einer Tiefe von 0,15 mm, wie ir. F i g. 7 gezeigt

Um den Grad der Unterdrückung der akustischen Körperwelle im Tonträgerfrequenzbereich auszuwerten, wird ein Absorbermaterial gänzlich auf die Oberfläche la des Substrats aufgebracht, um die akustischen Oberflächenwellen vollständig zu unterdrücken und nur den akustischen Körperwellen den Weg durch das Substrat 1 zu erlauben. Dann wird der Abschwächungsgrad der akustischen Körperwelle im Tonträgerfrequenzbtreich durch Vergleich der Signalpegel am Sendewandler 2 und am Empfangswandler 3 ermittelt Das Verhältnis der Signalpegel, wird im folgenden als BAW-Verhältnis (BAW = Bulk Acoustic Wave) bezeichnet Dieses BAW-Verhältnis wird in einem Diagramm unter Berücksichtigung der Abschwächung der akustischen Oberflächenwelle in Dezibeleinheiten (dB) aufgetragen. Das heißt, vor dem Aufbringen des Absorbermaterials wird die Absciiwächung der gewünschten akustischen Oberflächenwelle im Bereich der Miu-.afrequenz auf eine ähnliche Weise zur oben beschriebene,! ermittelt, um das Verhältnis der Signalpegel der akustischen Oberflächenwellen zu erhalten. Dieses Verhältnis wird im folgenden als SAW-Verhältnis bezeichnet. Da das SAW-VerLiltnis in dB ungefähr den gleichen Wert für alle Versuchsstücke zeigte, kann es als Konstante betrachtet werden. Dann wird die Differenz BAW-Verhältnis in dB — SAW-Verhältnis in dB berechnet, um den Pegel des SAW-Verhältnisses als Nullpegel für das BAW-Verhältnis zu berücksichtigen, und der berechnete Wert wird in das Diagramm eingetragen.

Das Ergebnis der Versuche ist im Diagramm von F i g. 8 gezeigt, in dem die Ordinate die Abschwächung in dB zeigt, die im Tonträgerfrequenzbereich erhalten wird und die Abszisse in drei Bereiche aufgeteilt ist, um das Versuchsergebnis der drei Gruppen auftragen zu können. Die SAW-Vorrichtungen der ersten Gruppe, ausgestaltet gemäß der Erfindung, zeigten eine Ab-Schwächung von 56 dB oder mehr mit einem Mittelwert χ = 5?.6 dB und einer Standardabweichung a = 1,9 dEt, Die SAW-Vorrichtung der zweiten Gruppe, gemäß dem Stand der Technik, zeigten eine Abschwächung von 47 dB oder mehr mit einem Mittelwert χ = 52,9 dB und einer Standardabweichung von ο = 3,7 dE. Die SAW-Vorrichtung der dritten Gruppe, gemäß einer anderen bekannten SAW-Vorrichtung, zeigte eine Abschwächung von 47 dB oder mehr mit einem Mittelwert χ — 50,0 dB und einer Standardabweichung ο = 1,7 dB. so Wie aus den Versuchsergebnissen zu ersehen ist, zeigten die SAW-Vorrichtungen der ersten Gruppe, d. h. die erfindungsgemäßen SAW-Vorrichtungen, eine verbesserte Abschwächung im Tonträgerfrequenzbereich, im Vergleich zu den SAW-Vorrichtungen der zweiten und dritten Gruppe. Beim Vergleich der SAW-Vorrichtungen der zweiten und dritten Gruppe kann gesagt werden, daß die Tiefe der Nuten die Abschwächung im Tonträgerfrequenzbereich in der Form verbessert, daß je größer die Tiefe, d>,sto besser die Abschwächung ist. bo Durch die erfindungsgemäße Anordnung von tiefen und flachen Nuten wird eine wesentlichere Verbesserung der Abschwächung von akustischen Körperwellen erreicht als durch einfaches Vertiefen der Nuten.

In der oben beschriebenen bevorzugten Ausfüh-

t>5 rungsform wurde gezt'gt, daß die tiefen und flachen Nuten einzeln abwechselnd angeordnet sind. Es soll!

aber betont werden, daß die tiefen und flachen Nuten im jeder gewünschten Anordnung angeordnet sein können,

wie ζ. B. in Fig.9 paarweise abwechselnd oder wie in Fig. 10 dreierweise abwechselnd oder in irgendeiner anderen unregelmäßigen Anordnung.

Ferner wurde im oben genannten Ausführungsbeispiel beschrieben, daß die Nuten in zwei verschiedenen Gruppen von Nuten angeordnet waren, d. h. tiefe Nuten und flache Nuten. Es soll betont werden, daß die Nuten in mehr als zwei, wie z. B. drei, verschiedenen Typen von Nuten angeordnet sein können, d. h. tiefen, mittleren und flachen Nuten, wie in F i g. 11 oder 12 gezeigt ist.

Ferner kann die Breite und/oder der Abstand der Nuten auf jeden gewünschten Wert geändert werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

20

J5

40

45

50

55

Claims

Patentansprüche:

1. Akustische Oberflächenwellen vorrichtung mit einem piezoelektrischen Substrat mi», einer ersten und zweiten einander gegenüberstehenden planen Oberfläche, auf dessen erster planen Oberfläche sich zwischen einem Sendewandler und einem Empfangswandler akustische Wellen ausbreiten können, und dessen zweite plane Oberfläche mit einer Vielzahl von parallelen Nuten versehen ist, die unter einem Winkel zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (5 bis 10) in mindestens zwei Gruppen von jeweils unterschiedlicher Tiefe unterteilt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten der ersten Gruppe (5,7,9) und die der zweiten Gruppe (6, 8, 10) einzeln abwechseln.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten der ersten Gruppe und die der zweiten Gruppe paarweise abwechseln.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten der ersten und die der zweiten Gruppe dreierweise abwechseln.

5. Vorrichtung nach Anspruch v, dadurch gekennzeichnet daß die Nuten der ersten und die der zweiten Gruppe unregelmäßig abwechseln.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ah Nuten in drei Gruppen von jeweils unterschiedlicher Tiefe unterteilt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch '., dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten in eine Vielzahl von Gruppen von jeweils unterschiedliche. Tiefe unterteilt sind.