Способ изготовления гребенчатого преобразователя акустических поверхностных волн с перекрывающимися штыревыми электродами Советский патент 1979 года по МПК H03H3/02 H03H9/00 H01L41/22 

ные операции до получения преобразователя с полным перекрытием вдоль его длины.

Штыревые электроды удаляются в местах преобразователя, соответствующих превышению функции огибающей преобразователя над заданной функцией огибающей.

На фиг. 1 показан гребенчатый преобразователь; на фиг. 2 изображена импульсная характеристика этого преобразователя; на фиг. 3 а, б приведены огибающая и функция пересечения нулей для типичной требуемой импульсной характеристики; на фиг. 4 - огибающие для требуемой и для исходной импульсной характеристики; на фиг. 5 изображена огибающая для типичной рещетки с удалением щтыревых электродов; на фиг. 6 - интегральная функция огибающей; на фиг. 7 иллюстрируется процесс обработки первого участка рещетки с удалением штыревых электродов; на фиг. 8 изображена огибающая для первого участка рещетки с удалением щтыревых электродов; на фиг. 9 иллюстрируется процесс обработки центрального участка решетки с удалением щтыревых электродов; на фиг. 10 изображена огибающая для центрального участка решетки с удалением штыревых электродов; на фиг. 11 показан участок гребенчатого преобразователя с расщепленными штыревыми электродами.

Линия задержки на поверхностных волнах может быть сформирована па подложке 1 из пьезоматериала, например ниобата лития или кварца. Сформированная на подложке решетка выходного гребенчатого преобразователя состоит из верхней и нижней токопроводящих площадок 2 и 3 и чередующихся между собой щтыревых электродов (штырей) 4 и 5. Обычно решетку гребенчатого преобразователя формируют из тонкой пленки токопроводящего материцла, например золота или алюминия. Верхняя и нижняя части рещетки преобразователя связаны с внешним источником 6 сигнала шинами 7 и 8. Как показано на фиг. 1, чередующиеся штыревые электроды 4 и 5 имеют одинаковую ширину, и область перекрытия между соседними электродами одинакова по всей длине преобразователя.

При работе преобразователя в любой момент времени внешний источник 6 подает на верхнюю и нижнюю части решетки преобразователя некоторые напряжения, причем напряжения, прикладываемые к любой паре соседних штырей, имеют противоположную полярность. Эти напряжения наводят электрические поля в участках подложки, расположенных между чередующимися штырями. В силу пьезоэлектрических свойств материала подложки электрические поля вызывают в материале

подложки деформации, которые распространяются в стороны от гребенчатого преобразователя в виде акустических поверхностных волн. Если выходной сигнал источника 6 импульсный, то деформации, связанные с акустической поверхностной волной, распространяющейся от преобразователя, будут иметь форму, показанную на фиг. 2. Ута форма колебаний совпадает

с импульсной характеристикой преобразователя. Часть импульсной характеристики, соответствующая любой данной паре чередующихся штырей, представляет соОой один полупериод синусоидального колебания.

Точки пересечения нулевого уровня у импульсной характеристики соответствуют серединам чередующихся штырей, а амплитуда каждого полупериода синусоиды пропорциональна (1/2 Г)ЗД где Т - время задержки между точками пересечения нулевого уровня. Эта временная задержка прямо пропорциональна расстоянию между соседними штырями в той паре, с которой

связано -возникновение данной полуволны синусоиды.

Требуемую импульсную характеристику можно характеризовать двумя функциями- А (t) и 2 (t), как это показано на

фиг. 3, а и б. Л (/) - огибающая, которую проводят так, чтобы она охватывала наибольшие амплитуды требуемой импульсной характеристики, Z (t) - функция пересечения нулей, соответствующая требуемой импульсной характеристике. Хотя на фиг. 3, а функция пересечения нулей изображена имею1цей неизменную величину периода, но в общем случае Z (t) может на некоторых участках вести себя по-иному. Возможна, например, функция пересечения нулей Z (t) с линейной частотной модуляцией.

Первым шагом к аппроксимации требуемой импульсной характеристики при методе удаления штырей является разработка гребенчатого преобразователя с равномерным перекрытием между штырями. Функция пересечения нулей у импульсной характеристики этого преобразователя будет

идентична функции 2 (t) для требуемой импульсной характеристики. Типичная форма огибающей для этого преобразователя с равномерным перекрытием между щтырями показана в виде функции В (t)

на фиг. 4. Равномерным наклоном эта огибающая обладает по той причине, что она соответствует преобразователю, обеспечивающему поверхностную волну с линейной частотной модуляцией. Фактическую причину появления этого наклона огибающей можно понять, рассмотрев конструкцию такого гребенчатого преобразователя. Шаг расположения штырей у такого преобразователя будет с одного конца преобразователя большим, чем с другого, причем этот

шаг линейно возрастает по длине преобразователя. В результате амплитуда импульсной характепистики, относящейся к той части преобразователя, где расстояния между штырями велики, будет меньше, чем амплитуда импульсной характеристики, относяш.аяся к той части преобразователя, где расстояния между штырями малы. На фиг. 4 приведена также огибающая требуемой импульсной характеристики.

На фиг. 5 показана огибающая С (t) импульсной характеристики преобразователя с удалением штырей, аппроксимирующей требуемую импульсную характеристику. Эта огибающая С (/) соответствует гребенчатому преобразователю, полученному из исходного преобразователя, обладающего огибающей В (f), посредством удаления выбранных чередующихся штырей или групп штырей. Импульсная характеристика преобразователя с удалением штырей равна нулю для моментов времени, соответствующих тем участкам преобразователя, из которых зубны удалены. Таким образом, на огибающей С (t) имеются интервялы, на которых ее значение равно нулю. Огибающая С (Л аппроксимирует требуемую огибающую А (t) в том смысле, что общая площадь под каждой из этих кривых одинакова. Кроме того, в любом интервале по оси времени общая площадь под кривой С (f) для этого интервала хорошо приближается к площади под кривой Л (t) для этого же интервала. Именно в этом смысле импульсная характеристика преобразователя, разработанного по методу удаления штырей, аппроксимирует требуемую импульсную характеристику.

Рассмотрим процедуру выбора штырей, подлежащих удалению. Вычислим интеграл по времени от функции А (t)

/Л(0 ГЛ(т)т. о

Как показано на фиг. 6, функция /Л (Л соответствует функции Л (t) из фиг. 4. Разрабатываемый преобразователь с удалением штырей первоначально рассматривается как не имеющий чередующихся щтырей вообще. Из исходного преобразователя, т. е. преобразователя, представленного огибающей В (t), в разрабатываемый преобразователь добавляются подходящие пары штырей таким образом, чтобы образовалась огибающая С (t), аппроксимирующая огибающую Л (t) в указанном выше смысле. Каждая из пар соседних штырей исходного преобразователя дает в его импульсной характеристике ОДНУ полуволну синусоиды, амплитуда которой пропорциональна (1/2 Г) V2. Таким образом, каждая пара соседних штырей в исходном преобразователе добавляет к площади под кривой В (t) величину, )авгтую произведению этой амплитульт ня длительность пoлvпeриода синА соиды. Эта .огть пяпма времени, требующемуся для распоостранения поверхностной волны на расстояние между соседними штырями. В дальн йптем вносимые каждой парой соседних штьшей в исходном преобразователе части общей площади В (t) будем относить к случаю

взаимодействий при полном перекрытии между щтырями.

Далее производят сравнение функции /Л (/) у разрабатываемого и у исходного преобразователя для момента времени t

0. В первый момент, когда значение /Л (/) равно половине площади, соответствующей взаимодействию при полном пеоекрытии в тот же момент времени, в преобразователь с удалением штырей добавляют

ту пару штырей и исходного преобразователя, которая дает упомянутое взаимодействие при полном перекрытии. Добавление этой пары к преобразователю с удалением щтырей имеет результатом некоторое конечное увеличение огибающей С (П, а также интеграла от огибающей /Cf/V На фиг. 7 показаны типичные функции /Л (t и 1C (t для небольших значений времени. В то время, как функции /Л (/) для малых

значений времени монотонно возрастает, функция 1C (t) остается равной нулю вплоть до момента, когда она достигает точки, при которой в преобразователь с удалением зубцов вводится нарастание

значения функции 1C (t), продолжающееся в течение всего интервала времени, соответствующего расстоянию соседними штырями, которые были добавлены в преобразователь с удаленнем штырей. Начиная с этой точки в функции времени, производится анализ алгебраической разности между значениями функции /Л (t) и функции 1C (О для исходного и проектируемого преобразователей соответственно,

пока будет обнаружен новый момент времени, при котором эта разность снова равна половине плошади, соответствующей взаимодействию при полном перекрытии. В этой точке к преобразователю с удалением

штырей добавляется еще одна пара штырей, обеспечивающая это второе взаимодействие при полном перекрытии и приводятцая к появлению второго участка линейного нарастания функции 1C (t) Tia

фиг. 7. Для моментов времени, промежуточных но отношению к моментам, при которых добавляются пары зубцов, график функции 1C (t) имеет нулевой наклон. На фиг. 8 показана результирующая огнбающая С (/) импульсной характеристики преобразователя с удалением штырей для малых значений времени. Вследствие малой скорости нарастания функции /Л (t) на этом участке заметное увеличение функции С (О за счет вклада отдельных пар

штырей в преобразователе с удалением штырей имеет место за относительно большие интервалы времени. Проектирование преобразователя завершается, когда проводится сравнение разностей между /Л (t) и 1C (t) для всех значений времени, соответствующих полной длине преобразователя.

.Представительные значения функций /Л (t) и 1C (t), соответствуюш,ие центральной части преобразователя, приведены на фиг. 9. На участке, где скорость нарастания функции /Л (t) максимальна, плотность размешения пар штырей, добавляемых к преобразователю с удалением штырей, больше, чем для случая меньших интервалов времени, представленного на фиг. 7. Фуикция С (t), соответствующая этому центральному интервалу времени, показана на фиг. 10. Для этого этапа проектирования все пары штырей, добавляемые в преобразователь с удалением штырей, имеют полное перекрытие.

Далее каждая пара штырей, добавляемая в преобразователь с удалением штырей, занимает по длине преобразователя то же самое место, как в исходном преобразователе, и таким образом, пересечения нулевого уровня у импульсной характеристики преобразователя с удалением штырей, соответствующие этим парам штырей, будут иметь место в те же моменты времени, как у импульсной характеристики исходного преобразователя. Хотя выше указано, что штыри добавляются в преобразователь с удалением штырей попарно, но это не всегда обязательно. Когда процедура проектирования имеет результатом добавление в преобразователь с удалением штырей большого числа смежных штырей, обеспечивающих взаимодействия при полном перекрытии, то лишь для первого взаимодействия требуется пара штырей, а все последующие взаимодействия могут быть достигнуты при помоши одиночных штырей. Кроме того, хотя процедура проектирования описывалась выше как процесс добавления в преобразователь с удалением штырей соответствуюших участков, обеспечивающих взаимодействия при полном перекрытии, конечным результатом этого процесса является тот же исходный преобразователь, но с частично удаленными штырями.

Требуемая импульсная характеристика нового преобразователя с удалением штырей характеризуется огибаюшей Л (t) и функцией пересечения нулей Z (t). Проектирование начинается с обычного гребенчатого преобразователя, который обладает функцией пересечения нулей, идентичной требуемой функции пересечения нулей Z (/) нового преобразователя. Путем сравнения огибающей Л (t) и реализованной огибающей С (/) исходного преобразователя соответствующие пары щтырей из исходного преобразователя вводятся в преобразователь с здалением щтырей. В результате происходит аппроксимация, при которой площадь под общей реализованной огибающей С (/) преобразователя с удалением штырей равна площади под общей требуемой огибающей Л (/). Кроме того, внутри любого достаточно длинного участка преобразователя площадь под реализованной огибающей С (t) будет приблизительно равна площади под соответствующим участком требуемой огибающей Л (t). Хотя описание изобретения сделано применительно к некоторой определенной огибающей Л (/) и функции пересечения нулей Z (t), сфера действия изобретения не ограничивается данной частной его реализацией.

Изобретение можно осуществить и в те), случаях, когда не выполняется условие равномерного полного иерекрытия щтырей или когда места расположения щтырей отклоняются от тех, что предписываются

функцией пересечения нулей. Такие отклонения желательны для точной настройки преобразователя, и они могут существовать в исходпом преобразователе или же вносить некоторые модификации конструкции

преобразователя с удалением штырей. В некоторых случаях необходимо, вместо того, чтобы удалять штыри, изменять фазу его подключения, т. е. подсоединить штырь к площадке, противоположной той, к которой он был подсоединен в исходном преобразователе, а не удалять штырь полностью. Регулирование импульсной характеристики посредством здаления штырей применимо также к гребенчатым преобразователям с расщепленными штырями. На фиг. 11 показана часть преобразователя с расщепленными штырями, состоящего из верхнего и нижнего токопроводящих сегментов 9 и 10. В преобразователе этого типа каждый штырь фактически разрезан на два, причем расстояние между этими двумя щтырями равно i/4 длины волны. Это дает эффект значительного снижения отражений между штырями. В данном случае регулирование импульсной характеристики может быть достигнуто посредством попарного удаления щтырей (защтриховано на фиг. 11), иногда желательно удалить ближайщие щтыри с обеих сторон удаляемой

пары.

Способ позволяет получить импульсную характеристику с заранее заданным распределением относительных амплитуд.

Формула изобретения

I. Способ изготовления гребенчатого преобразователя акустических поверхностных волн с перекрывающимися штыревыми 65 электродами, отличающийся тем, что,

с целью получения импульсной характеристики с заранее заданным распределением относительных ам-плитуд, удаляют в гребенчатом преобразователе один или более штыревых электродов до получения требуемой импульсной характеристики.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что выбирают длину удаляемых штыревых электродов из условия получения неравномерного перекрытия штыревых электродов вдоль длины преобразователя.

3.Способ по пп. 1 и 2, отличающийс я тем, что выбирают удаляемые штыревые электроды из условия переменного располол ения встречных штыревых электродов вдоль длины преобразователя.

4.Способ по п. 1, отличающийся тем, что в гребенчатом преобразователе с расщепленными штыревыми электродами осуществляют попарное удаление штыревых электродов.

5.Способ по п. 4, отличающийся тем, что удаляют ближайший встречный штыревой электрод с каждой стороны пары штыревых электродов.

6.Способ по п. 1, отличающийся тем, что один или более щтыревых электродов заменяют на противолежащий путем присоединения штыревого электрода к общей шине противолежащих штыревых электродов.

7.Способ по п. 1, отличающийся тем, что выбирают удаляемые штыревые

электроды в преобразователе с набором из полностью перекрывающихся щтыревых электродов из условия равенства площадей огибающей функции преобразователя заданной огибающей по всей длине преобразователя.

8.Способ по п. 7, отличающийся тем, что вычисляют интеграл по времени функции огибающей преобразователя, вычисляют алгебраическую разность между

ними и в соответствии с ее величиной определяют пару встречных штыревых электродов, после чего повторяют указанные операции до получения преобразователя с полным перекрытием вдоль его длины.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что удаляют щтыревые электроды в местах преобразователя, соответствующих превышению функции огибающей преобразователя над заданной функцией огибающей.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент Франции 2036374, кл. Н ОЗН 9/00, опублик, 1971.

(Риг. 1

)

i

,ffj

1,

fpui.e

IA(t)

io(t)

uфиг. 9