Способ изготовления гребенчатого преобразователя акустических поверхностных волн с перекрывающимися штыревыми электродами

(1 ц 665,82 ф ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Йоюз Советских Социалистических Республик(088,8) по делам изобретений и открытийюллетень Ме 20 45) Дата опубликования описания 30.0) Автор изобретения Иностранец интон Сильвестер Хартма(71) Заявител Иностранная фирма Тексас Инструментс ИнкорпорейтедИЗГОТОВЛЕНИЯ ГРЕБЕНЧАТОГОЯ АКУСТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТНЫХКРЫВАЮЩИМИСЯ ШТЫРЕВЫМИЭЛ ЕКТРОДАМИ(54) СПОСОПРЕОБРАЗОВАТ ВОЛН С ПЕ В преостью передов выбитроды избающей фной огибателя. Кровременителя, вычмежду ниной опредэлектродо Изобретение относится к области радиоэлектроники и может использоваться приизготовлении устройств на акустическихповерхностных волнах.Из известных способов изготовления гребенчатых преобразователей акустическихповерхностных волн наиболее близким кпредложенному является способ изготовления гребенчатого преобразователя с перекрывающимися штыревыми электродами, 10при котором варьируют длину чередующихся штыревых электродов 11.Получение импульсной характеристики сзаранее заданным распределением относительных амплитуд таким способом ограничено,Цель изобретения - получение импульсной характеристики с заранее заданнымраспределением относительных амплитуд.Это достигается тем, что удаляют в гребенчатом преобразователе один или болеештыревых электродов до получения требуемой импульсной характеристики,Кроме того, выбирают длину удаляемыхштыревых электродов из условия получения неравномерного перекрытия штыревыхэлектродов вдоль длины преобразователя. Удаляемые штыревые электроды мо т выбираться из условия переменного ра ложения встречных штыревых электрод в вдоль длины преобразователя.В гребенчатом преобразователе с расщепленными электродами осуществляют попарное удаление штыревых электродов.Удаляют ближайший встречный штыревой электрод с каждой стороны пары штыревых электродов,Один или более штыревых электродов заменяют на противолежащий путем присоединения штыревого электрода к общей шине противолежащих штыревых электробразователе с набором из полнокрывающихся штыревых электрорают удаляемые штыревые элекусловия равенства площадей огиункции преобразователя заданющей по всей длине преобразоваме того, вычисляют интеграл по функции огибающей преобразоваисляют алгебраическую разность ми и в соответствии с ее величиеляют пару встречных штыревых в, после чего повторяют указанные 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 решетки с удалением штыревых электродов; на фиг. б - интегральная функция огибающей; на фиг, иллюстрируется процесс обработки первого участка решетки с удалением штыревых электродов; на фиг, 8 изображена огибающая для первого участка решетки с удалением штыревых электродов; на фиг, 9 иллюстрируется процесс обработки центрального участка решетки с удалением штыревых 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.1 иния задержки на поверхностных волнах может быть сформирована на подложке 1 из пьезоматериала, например ниобата лития или кварца, Сформированная пы подложке решетка выходного гребенчатого преобразователя состоит из верхней и нижней токопроводящих площадок 2 и 3 и чередующихся между собой штыревых электродов (штырей) 4 и 5. Обычно решетку гребенчатого преобразователя формируют из тонкой пленки токопроводящего материала, например золота или алюминия, Верхняя и нижняя части решетки преобразователя связаны с внешним источником б 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 б 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 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 подложки деформации, которые распрост. раняются в стороны от гребенчатого преобразователя в виде акустических поверхностных волн, Если выходной сигнал источника 6 импульсный, то деформации, связанные с акустической поверхностнои волной, распространяющейся от преобразователя, будут иметь форму, показанную на фиг. 2. 3 та форма колебаний совпадает с импульсной характеристикой преобразователя. 1 асть импульсной характерисгики, соответствующая любой данной паре чередующихся штырсй, представляет собой один полупериод синусоидального колебания,1 очки пересечения нулевого уровня у импульсной характеристики соответствуют серединам чередующихся штырей, а амплитуда каждого полупериода синусоиды пропорциональна (1/2 Т)У, где Т - время задержки между точками пересечения нулевого уровня. Эта временная задержка прямо пропорциональна расстоянию между соседними штырями в тои паре, с которой связано возникновение данной полуволны синусоиды,1 ребуемую импульсную характеристику можно характеризовать двумя функциями - А (1) и Л (1), как это показано на фиг, 3, а и б. А Я - огибающая, которую проводят так, чтобы она охватывала наибольшие амплитуды требуемой импульсной характеристики, Л (1) - функция пересечения нулей, соответствующая требуемой импульсной характеристике, Хотя на фиг, 3, а функция пересечения нулей изображена имеющей неизменную величину периода, но в общем случае Л (1) может на некоторых участках вести себя по-иному. Возможна, например, функция пересечения нулеи Л (1) с линеиной 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 (1) для требуемой импульсной характеристики, Типичная форма огибающей для этого преобразователя с равномерным перекрытием между штырями показана в виде функции В (1) 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 этот1 А(1) = АсК 5шаг линейно возрастает по длине преобразователя, В результате амплитуда импульсной характепистикп, относящейся к той части преобразователя, где расстояния между штырями велики, будет меньше, чем амплитуда импульсной характеристики, относящаяся к той части преобразователя, где расстояния между штырями малы. На фиг. 4 приведена также огибающая требуемой импульсной характеристики.На фиг. 5 показана огибающая С (1) импульсной характеристики преобразователя с удалением штырей, аппроксимирующей требуемую импульсную хаоактеристику. Эта огибающая С (1) соответствует гребенчатому преобразователю, пол ченному из исходного преобразователя, обладающего огибающей В (1), 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 зубцы удалены. Таким образом, на огибающей С (1) имеются интервалы, на которых се значение равно нулю. Огибающая С (й аппроксимирует требуемую огибающую А (1) 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 (1) для этого интервала хорошо приближается к площади под кривой А (1) 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 (1) Как показано на фиг. 6, функпия 1 А (О соответствует функции А (1) из фиг. 4. Разрабатываемый преобразователь с удалением штырей первоначально рассматривается как не имеющий чередующихся штырей вообще. Из исходного преобразователя, т. е. преобразователя, представленного огибающей В (1), в разрабатываемый преобразователь добавляются подходящие лары штырей таким образом, чтобы образовалась огибающая С (1), аппроксимирующая огибающую А (1) в указанном выше смысле, Каждая из пар соседних штырей исходного преобразователя дает в его импульсной характеристике одну полуволну синусоиды, амплитуда которой пропорциональна (1/2 Т) /. Таким образом, каждая пара соседних штырей в исходном преобразователе добавляет к площади под кри 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 б 0 б 5 6вой Ввеличину, равюю произведению этой амплитуды нп длительность полчпериода синусоиды. Эта длтттРлт,ость пява гремепи, требующемуся для расппостранения поверхностной волны на расстояцие между соседними штырями, В дальнйптем вносимые каждой парой соседних штыпей в исходном преобразователе части общей площади В (Е) будем относить к слчаю взаимодействий при полном перекрытии между штырями.Далее производят сравнение ф нкции А (1) у разрабатываемого и у исходного преобпазователя для момента времени 1= =О. В первый момент, когда значение 1 А (1) равно половине площади, соответствующей взаимодействию при полном пепекрытии 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 преобразоватслю с удалением штырей имеет результатом некоторое конечное увеличение огибающей С И, а также интеграла от огибающй 1 С (й. На фиг. 7 показаны типичные функции 1 А (1) и 1 С (1) для небольших значений времени. В то время, как функции 1 А (1) для малых значений времени монотонно возрастает, функция 1 С (1) остается равной нулю вплоть до момента, когда она достигает точки, при которой в преобразователь с удалением зубцов вводится нарастание значения функции 1 С (1), продолжающееся в течение всего интервала времени, соответствующего расстоянию между соседними штырями, которые были добавлены в преобразователь с удалением штырей. Начиная с этой точки в функции времени, производится анализ алгебраическои разности между значениями функции 1 А (1) и функции 1 С (1) для исходного и проектируемого преобразователей соответственно, пока не будет обнаружен новый момент времени, при котором эта разность снова равна половине площади, 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 приводящая к появлению второго участка линейного нарастания функции 1 С (1) па фиг. 7. Для моментов времени, промежуточных по отношению к моментам, при которых добавляются пары зубцов, график функции 1 С (1) имеет нулевой наклон.На фиг. 8 показана результирующая огибающая С (1) импульсной характеристики преобразователя с удалением штырей для малых значений времени. Вследствие малой скорости нарастания функции 1 А (1) на этом участке зам тное увеличение функции С (1) за счет вклада отдельных пар60 65 7штырей в преобразователе с удалением штырей имеет место за относительно большие интервалы времени. Проектирование преобразователя завершается, когда проводится сравнение разностей между УА (1) и 1 С (1) для всех значений времени, соответствующих полной длине преобразователя.Представительные значения функций УА (1) и УС (1), соответствующие центральной части преобразователя, приведены на фиг. 9. На участке, где скорость нарастания функции 1 Амаксимальна, плотность размещения пар штырей, добавляемых к преобразователю с удалением штырей, больше, чем для случая меньших интервалов времени, представленного на фиг. 7, Функция С (1), 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 помощи одиночных штырей. Кроме того, хотя процедура проектирования описывалась выше как процесс добавления в преобразователь с удалением штырей соответствующих 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 огибающей А (1) и функцией пересечения нулей Е (1). Проектирование начинается с обычного гребенчатого преобразователя, который обладает функцией пересечения нулей, идентичной требуемой функции пересечения нулей У (1) нового преобразователя. Путем сравнения огибающей А (1) и реализованной огибающей С (1) исходного преобразовате 5 10 15 20 25 Зо 35 40 45 50 55 8ля соответствующие пары штырей из исходного преобразователя вводятся в преобразователь с удалением штырей. В результате происходит аппроксимация, при которой площадь под общей реализованной огибающей С (1) преобразователя с удалением штырей равна площади под общей требуемой огибающей А (1). Кроме того, внутри любого достаточно длинного участка преобразователя площадь под реализованной огибающей С (1) будет нрнблизительно равна площади под соответствующим участком требуемой огибаюгцей А .Хотя описание изобрстеггия сделано применительно к некоторой определенной огибающей Аи функции пересечения нулей Е (1), сфера действия изобретсггггя нс ограничивается данной частной его реали. зацией.Изобретение можно осуществить и в тех случаях, когда не выполняется условие равномерного полного перекрытия штырей или когда места расположения штырей отклоняются от тех, что предписываются фугггсцггей псрессчсния нулей. Такие отклонения желательны для точной настройки преобразователя, и опи могут существовать в исходном преобразователе или ке 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 удаления 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 штырями равно г/, длины волны, Это дает эффект значительного снижения отражений между штырями. В данном случае регулирование импульсной характеристики может быть достигнуто посредством попарного удаления штырей (заштриховано на фиг. 11), иногда желательно удалить ближайшие штыри с обеих сторон удаляемой пары,Способ позволяет получить импульсную характеристику с заранее заданным распределением относительных амплитуд,Формула изобретения 1. Способ изготовления гребенчатого преобразователя акустических поверхностных волн с перекрывающимися штыревыми электродами, отличающийся тем, что,665829 10 Риг. 1 иг М уды,цуууу с целью получения импульсной характеристики с заранее заданным распределением относительных амплитуд, 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, отл ич а ющ- и тем, что выбирают удаляемые штыревые электроды из условия переменного расположения 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 штыревых электродов заменяют на противолежащий путем присоединения штыревого электрода к об. щей шине противолежащих штыревыхэлектродов,7, Способ по п. 1, отличающийсятем, что выбирают удаляемые штыревыеэлектроды в преобразователе с набором изполностью перекрывающихся штыревыхэлектродов из условия равенства площадейогибающей функции преобразователя заданной огибающей по всей длине преобра 10 зов ателя,8. Способ по п. 7, отличающийсятем, что вычисляют интеграл по временифункции огибающей преобразователя, вычисляют алгебраическую разность между15 ними и в соответствии с ее величиной определяют пару встречных штыревых электродов, после чего повторяют указанные операции до получения преобразователя сполным перекрытием вдоль его длины.20 9. Способ по п. 1, отличающийсятем, что удаляют штыревые электроды вместах преобразователя, соответствующихпревышению функции огибающей преобразователя над заданной функцией огибаю 25 щей,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент Франции 2036374, кл. Н 03 Н9/00 опублик, 1971.665829Рог. 7оиг, г" л 7 Сыг, 11 актор Т, Рыбалова Техред Н. Строганова Корректоры; А. Степановаи Л, Брахнииа Заказ 1031/16 Изд.364 Тираж 1059 Подписи ИПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5афня, пр. Сапунова, 2