DE2215877A1

DE2215877A1 - Anordnung zum ueberkoppeln elektrischer wechselfelder

Info

Publication number: DE2215877A1
Application number: DE2215877A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dipl Phys Hoffmann; Helmut Dipl Phys Dr Thomann
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1972-03-30
Filing date: 1972-03-30
Publication date: 1973-10-18
Also published as: IT982642B; NL7304477A; DE2215877C3; LU67320A1; BE797598A; FR2178182A1; DE2215877B2; FR2178182B1; JPS4917186A; GB1382542A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, den ^{c u}'" ■ - ■ <■

Berlin und München Wittelsbacherplatz

VPA 72/7040

Anordnung zum Überkoppeln elektrischer Wechselfelder

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Uberkoppeln elektrischer Wechselfelder von einem ersten Körper auf einen zweiten Körper, wobei wenigstens ein Körper aus piezoelektrischem Material besteht und wobei an einem Körper ein elektromechanischer Wandler zur Erzeugung einer aktustischen Oberflächenwelle angebracht ist und wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Körper ein Abstand vorliegt.

Anordnungen dieser Art sind beXanjit. In der Zeitschrift Appl. Phys. Letters, Vol. 14, (1960) ,',0.122-124ist eine Verzögerungsleitung beschrieben, bei der zwei gegeneinander verschiebbare piezoelektrische Körper aus Lithiumniobat durch einen Luftspalt von einander getrennt sind.

Da es sehr aufwendig ist, Kristalle aus Lithiumniobat in der für die oben angegebene bekannte Verzögerungsleitung erforderlichen Größe zu ziehen, ist die Verwendung von Lithiumniobat unerwünscht.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung anzugeben, deren piezoelektrischer Körper aus einem für die Verwendung günstigeren Material besteht und die für die Überkopplung elektrischer Wechselfelder geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch eine wie eingangs angegebene Anordnung gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß der Abstand mit einer Flüssigkeit Mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten und mit einer Viskosität, die so niedrig ist, daß eine mechanische Überkopplung im wesentlichen vermieden wird,

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ausgefüllt ist, und daß der Wandler so ausgebildet ist, daß er Bleustein-Wellen erzeugt.

Vorzugsweise werden als Flüssigkeiten Glyzerin, Azeton, destilliertes Wasser oder eine Mischung aus Glyzerin und destilliertem Wasser verwendet.

Als piezoelektrischer Körper ist insbesondere ein Körper aus piezoelektrischer Keramik oder aus Wismutgermaniumoxid vorgesehen.

Ein durch die Erfindung erzielbarer Vorteil besteht darin, d8ß bei der Verwendung einer erfindungsgemäßen Anordnung an die Qualität der Oberflächenbearbeitung der durch den Abstand getrennten Oberflächen der Körper keine so hohen Anforderungen gestellt werden müssen, wie dies bei der oben genannten bekannten Anordnung mit dem Luftspalt der Fall ist.

Vorteilhafterweise läßt sich mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Anordnung die Kopplung zwischen den Körpern gegenüber einer bekannten Anordnung etwa um den Faktor 40 - 80 erhöhen.

Bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung als Verzögerungsleitung besteht ein .Üurch die Erfindung erzielbarer Vorteil darin, daß infolge der in dem Abstand befindlichen Flüssigkeit eine leichte, ruckfreie Relativverschiebung der beiden Körper gegeneinander gewährleistet ist.

Weitere Erläuterungen zur Erfindung und zu deren Ausgestaltungen gehen aus der Beschreibung und den Figaren bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihren Weiterbildungen hervor.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung zur Überkopplung elektrischer Wechselfelder von einem Körper auf einen piezoelektrischen Körper.

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B^ Figuren 2 und 3 zeigen in schematischer Darstellung eine als Verzögerungsleitung ausgebildete erfindungsgemäße Anordnung.

Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung einen Oberflächenwellen-Wanderfeldverstärker.

In der Figur 1 ist der Wandler, von dem eine Bleustein-Welle in dem piezoelektrischen Körper erzeugt wird, mit 5 bezeichnet, Der piezoelektrische Körper, der vorzugsweise ein Keramikkörper 1st,trägt das Bezugszeichen 1. Vorzugsweise ist der Wandler 5 ein Interdigital-Wandler aus zwei Kammelektroden, deren Finger ineinander eingreifen. Die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Körpers 1 liegt parallel zu den Fingern der Kammelektroden. Die Kammelektroden sind auf der, dem piezoelektrischen Körper zugewandten Oberfläche einer Glasplatte 2 aufgebracht, vorzugsweise aufgedampft. Zwischen der Glasplatte und dem piezoelektrischen Körper befindet sich ein Abstand, der mit einer Flüssigkeit 3 ausgefüllt ist. Diese Flüssigkeit ist vorzugsweise Glyzerin, destilliertes Wasser, Azeton oder eine Mischung aus Glyzerin und destilliertem Wasser. Der Wandler 5 ist so dimensioniert, daß seine Indentitätsperiode der Wellenlänge der zu erzeugenden Bleustein-Welle entspricht. Unter Indentitätsperiode wird der Abstand zwischen zwei benachbarten Fingern einer Kammelektrode verstanden. In dem Wandler entsteht ein-elektrisches Feld, das über den mit der Flüssigkeit 3 ausgefüllten Abstand auf den piezoelektrischen Körper 1 übergreift und in ihm eine Bleustein-Welle erzeugt. Unter einer Bleustein-Welle wird eine akustische Oberflächenwelle verstanden, bei der eine Teilchenauslenkung nur parallel zurOberf lache und quer zur Fortpflanzungsrichtung der Welle auftritt.

Die Viskosität der in dem Abstand befindlichen Flüssigkeit ist so beschaffen, daß ein»mechanische Kopplung weitgehendst ausgeschlossen wird.

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Gemäß einem Merkmal; der Erfindung besitzt die Flüssigkeit eine möglichst große Dielektrizitätskonstante, damit der Potentialabfall am Abstand möglichst klein ist.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht das Material des piezoelektrischen Körpers aus Wismutgermaniumoxid. Um in diesem Material eine Bleustein-Welle erzeugen zu können, ist der Wismutgermaniumoxid-Körper beispielsweise in der (HO)-Ebene geschnitten. Ein Wandler ist dann so sn dem Wismutgermaniumoxid-Körper angebracht, daß die Ausbreitungsrichtung einer erzeugten Bleustein^WelIe die Richtung QlTO] ist.

Die in der Figur 2 dargestellte erfindungsgemäße Anordnung ist eine Verzögerungsleitung. Mit Hilfe des Wandlers 5, der eis Eingangswandler dient und der wieder aus zwei Kaminelektroden besteht und auf dem piezoelektrischen Körper 11 vorzugsweise aufgedampft ist, werden auf der Oberfläche des Körpers 11 Bleustein-Wellen erzeugt. Die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Körpers 11 liegt parallel zu den Fingern der Kammelektroden. Auf dem Keramikkörper 11 sind Abstandsstege 4 aufgebracht. Der Körper 22, der ein piezoelektrischer Körper ist, ist auf den Stegen 4 engebracht und ist gegenüber dem Körper 11 verschiebbar. An der den Abstandsstegen 4 zugewandten Oberfläche des Körpers 22 ist ein elektromechanischer Wandler6, der als Ausgangswandler dient, angebracht, und der insbesondere ebenfalls aus zwei Kammelektroden besteht und vorzugsweise auf die Oberfläche des Körpers 22 aufgedampft ist. Der Abstand zwischen den beiden piezoelektrischen Keramikkörpern , ist gemäß eines Merkmals der Erfindung mit einer wie oben angegebenen hochdielektrischen Flüssigkeit ausgefüllt.

Mit Hilfe des elektromechanischen Wandlers 5> dessen Identitätsperiode der Wellenlänge der zu erzeugenden Bleustein-Welle entspricht, wird eine Bleustein-Welle in die Oberfläche des Körpers 11 eingekoppelt. Aufgrund der piezoelektrischen

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Eigenschaften des Körpers 11 treten elektrische Felder auf, die mit der Bleustein-Welle mitlaufen und in den oberhalb der Oberfläche des Körpers 11 befindlichen Raum,- der erfindungsgemäß mit einer Flüssigkeit mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten gefüllt ist, eingreifen. Durch diese Felder wird die Bleustein-Welle rein elektrisch von der Oberfläche des Körpers 11 über die Flüssigkeit auf die Oberfläche des Körpers 22 Ubergekoppelt.

Durch Verschieben der beiden Keramikkörper in Richtung der Ausbreitungsrichtung der Bleustein-Wellen läßt sich der Abstand zwischen den elektromechanischen Wandlern 5 und 6 und somit auch die Laufzeit der Bleustein-WelIe kontinuierlich verändern. In dem Überkopplungsbereich, d.h. in dem Bereich, in dem sich die Oberflächen der Keramikkörper 11 und 22 gegenüber liegen und durch die Flüssigkeit voneinander getrennt sind, erfolgt die Ausbreitung der Bleustein-WeIlen mit annähernd der gleichen Geschwindigkeit wie auf der freien Oberfläche der Keramikkörper, so daß die Laufzeit dem Abstand zwischen den beiden Wandlern 5und 6 proportional ist.

Im folgenden wird ein Beispiel für Abmessungen einer erfindungsgemäßen Anordnung, die als Verzögerungsleitung ausgebildet ist, beschrieben. Die Verzögerungsleitung ist aus den beiden Keramikkörper 11 und 22 von jeweils 35 mm Länge aufgebaut. Die Oberflächen dieser Keramikkörper sind vorzugsweise plangeschliffen und mit optischer Qualität poliert. Die Polarisationsrichtung der Keramikkörper liegt parallel zu den Fingern der Kammelektrode und parallel zur Oberfläche. Die elektromechanischen Wandler zur Erzeugung von Bleustein-Wellen bestehen beispielsweise aus jeweils 25 Fingerpaaren mit einer Fingerlänge von 3,8 mm und einer Indentitätsperiode von 200 /um. Die Größe des Abstands zwischen den Keramikkörpern beträgt bei dem beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung etwa 1 bis 2 /um. Als Flüssigkeit dient vorzugsweise Glyzerin oder eine Mischung aus Glyzerin und destilliertem Wasser, da

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diese Flüssigkeiten den Vorteil geringer Flüchtigkeit besitzen. Durch die Kapilarwirkung des Glyzerins wird erreicht, daß der Spalt gegen die Federkraft einer Führungsmechanik, die die Körper 11 und 22 gegeneinander drückt, aufgeweitet wird. Dadurch stellt sich ein Gleichgewicht ein und technisch schwer realisierbare Abstandsstege sind unnötig. Mit einer wie oben angegebenen, erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung wurden etwa folgende Werte erreicht. Die kürzeste Laufzeit betrug etwa 13 /usec, die längste Laufzeit dagegen etwa 21 /usec. Die Bandbreite lag bei 0,5 MHz, die Bandmittenfrequenz lag bei etwa 11,5 MHz.

In der Figur 3 ist ein Schnitt durch eine wie oben angegebene Verzögerungsleitung dargestellt. Dabei befindet sich die Schnittebene in dem Gebiet, in dem sich die Oberflächen der Körper 11 und 22 gegenüber liegen. Die Schnittebene ist außerdem parallel zu den Fingern der Kammelektroden der Wandler 5 und 6.

Einzelheiten der Figur 3» die bereits in den anderen Figuren beschrieben sind, tragen die entsprechenden Bezugszeichen.

In der Figur 4 ist eine erfindungsgemäße Anordnung, die als Oberflächenwellen-Wanderfeldverstärker ausgebildet ist, dargestellt. In der Veröffentlichung "IEEE, Transactions on Microwave Theory and Techniques", Vol. MTT-17, No. 11 (1969), Seiten 912 bis 920 ein Oberflächenwellen-Wanderfeldverstärker beschrieben, bei dem auf einem Körper aus Lithiumniobat, durch Abstandsstege von diesem Körper getrennt, ein weiterer Körper aus einem Halbleitermaterial aufgebracht ist. In dem Körper aus Lithiumniobat wird eine langsam laufende elektromagnetische Welle akustisch erzeugt, die von diesem Körper in den Halbleiterkörper gekoppelt und von diesem wieder zurück in den Lithiumniobat-Körper gekoppelt wird. Bei der bekannten Anordnung sind der Lithiumniobat-Körper und der Halbleiterkörper durch einen Luftspalt von einander getrennt. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Abstand zwischen dem Halbleiter-

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körper und dem piezoelektrischen Körper mit einer hochdielektrischen Flüssigkeit auszufüllen. In der Figur 4 ist der Halbleiterkörper mit dem Bezugszeichen 222 versehen. Der piezoelektrische Körper, der vorzugsweise aus Keramik besteht und auf dessen Oberfläche gemäß einem Merkmal der Erfindung Bleustein-Wellen erzeugt werden, trägt das Bezugszeichen 111. Einzelheiten der Figur 4, die bereits in den anderen Figuren beschrieben sind ,tragen die entsprechenden Bezugszeichen.

der Mit Hilfe der Spannungsquelle 8 und Metallisierungen 7 wird das zur Verstärkung notwendige Drift-Feld an den Halbleiterkörper 222 angelegt.

9 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

Patentansprüche

Anordnung zum Uberkoppeln elektrjLscher Wechselfelder von einem ersten Körper auf einen zweiten Körper, wobei wenigstens ein Körper aus piezoelektrischem Material besteht und wobei an einem Körper ein elektromechanischer Wandler zur Erzeugung einer akustischen Oberflächen-Welle angebracht ist und wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Körper ein Abstand vorliegt, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand mit einer Flüssigkeit mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten und mit einer Viskosität, die so niedrig ist, daß eine mechanische Uberkopplung im wesentlichen vermieden wird, ausgefüllt ist, und daß der Wandler so ausgebildet ist, daß er Bleustein-Wellen erzeugt.
2. Anordnung nach Anspruch- 1, dadurch gekennzeichnet daß als piezoelektrisches Material piezoelektrische Keramik vorgesehen ist, wobei die Polarisationsrichtung der Keramik parallel zur Wellenfront einer in der Keramik erzeugten Bleustein-Welle i8t.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daßpfezoelektrisches Material Wismutgermaniumoxid vorgesehen ist, wobei der Kristallschnitt so gewählt wird, daß in dem Material Bleustein-Wellen erzeugbar sind.
4. Anordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß der Kristall in der (HO)-Ebene geschnitten ist, und daß die Ausbreitungsrichtung der Bleustein-Welle die Richtung [1 To] ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der elektromechanisch« Wandler ein Interdigital-Wandler ist.

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6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß als Flüssigkeit Glyzerin, destilliertes Wasser, Azeton oder eine Mischung aus Glyzerin und destilliertem Wasser vorgesehen ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß als Körper zwei in Richtung der Ausbreitung der Bleustein-Wellen, gegeneinander verschiebbare piezoelektrische Körper vorgesehen sind, wobei an jedem Körper jeweils ein elektromechanischer Wandler angeordnet ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß als Körper ein Körper aus Halbleitermaterial und ein piezoelektrischer Körper vorgesehen sind, wobei an dem piezoelektrischen Körper, zwei elektromechanische Wandler angebracht sind.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß Interdigital-Wandler auf, über einem Körper aus piezoelektrischer Keramik verschiebbaren isolierenden Körpern aufgebracht sind.

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