專利名稱：蘭姆波型彈性波元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種諧振器或頻率濾波器等中利用的振動元件，尤其涉及 利用水晶基板內(nèi)的蘭姆波型彈性波的具有極其穩(wěn)定的頻率溫度特性的彈 性波元件。
背景技術(shù)：
由于水晶是物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定的晶體，并且其特性不易隨 時間產(chǎn)生變化，因此很久以來就作為水晶振子而被廣泛應(yīng)用。水晶振子是 通過壓電現(xiàn)象使水晶晶體的機械諧振動轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電振動而取出的電 子部件，它當作電子線路工作的基準時鐘是不可缺少的。另外，水晶振子 作為激勵振蕩器或濾波器等之中的頻率標準而被廣泛應(yīng)用，它不僅在信息 通信設(shè)備中利用，而且?guī)缀踉谒械碾娮釉O(shè)備中都被利用。水晶振子如此 被廣泛應(yīng)用的原因是和其他電子部件相比其隨溫度變化的頻率變化非常 小。
當振子或諧振器被用在電子器件中時，振子的頻率溫度特性是特別重 要的特性，為改進該特性而進行了多方面的努力。目前具有最穩(wěn)定的頻率 溫度特性的振子基板是有利用體(bulk)波(厚度剪切波)的AT截面(cut)水 晶基板。AT截面水晶振子的一般的頻率溫度特性表現(xiàn)為3次函數(shù)的特性， 在通常使用溫度范圍(-20 +8(TC)下，頻率變化量大約為12ppm的小值。
另外，利用表面彈性波的水晶振子也廣泛普及，但一般具有頻率溫度 特性低劣的缺點。例如，在作為表面彈性波用的基板而被廣泛應(yīng)用的ST截 面水晶中，頻率溫度特性表現(xiàn)為2次函數(shù)的特性，其頻率變化量達到AT
4截面水晶的io倍左右的值。
另外，作為利用與現(xiàn)有的體波或表面彈性波不同的彈性波的振動元 件，本發(fā)明的諸發(fā)明者先提出了一種利用蘭姆波型彈性波的高頻諧振器(專 利文獻l，專利文獻2)。
但是，在這些文獻中所述的頻率溫度特性與現(xiàn)有的AT截面水晶振子 相比大約為1/8， -20°。到+80°。范圍的頻率變化量(肛/0為1.7ppm左右，如 果1個信道(channel)的頻帶達到lOOGHz以上，則頻率變化達到數(shù)十kHz, 這可能引起信道之間的干擾。
專利文獻l:日本國發(fā)明專利特開2003—258596號公報
專利文獻2:日本國發(fā)明專利特開2005—269284號公報
由于信息通信的高速大容量化的需求，通信設(shè)備的基準時鐘的頻率越 來越成為高頻波，其已達到數(shù)十GHz段 數(shù)百GHz段?；鶞蕰r鐘的頻率越 高，則隨溫度變化的頻率變化量的絕對值就越大，例如:在頻率為20GHz 時，2ppm的變化導(dǎo)致大小為40kHz的頻率變化，例如，如果抑制到30kHz 左右，則產(chǎn)生信道之間的干擾。因此，即使利用現(xiàn)有的蘭姆波型彈性波的 高頻諧振器也必須要求使由溫度引起的頻率變化量降到更低
發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明的目的在于提供一種利用目前頻率溫度特性最佳的蘭姆 波型彈性波的、高頻諧振器的頻率變化量更少的振子。更具體地說，在-20 "C到+8(TC的溫度范圍內(nèi)，利用在水晶基板內(nèi)的蘭姆波型彈性波而達到由 溫度引起的頻率變化量為lppm左右以下的振子。
本發(fā)明中的彈性波元件利用蘭姆波。蘭姆波是指在與其波長相比相同 程度或其以下厚度的基板中沿表面方向傳播的彈性波，別名是叫"板波" 。在基板的板厚為比蘭姆波波長的5倍左右以下時，已經(jīng)知道能夠高效地
b產(chǎn)生蘭姆波。利用蘭姆波的高頻諧振器由在壓電基板的單面上配置激勵蘭
姆波的簾狀電極(IDT， Inter Digital Transducer)和在簾狀電極兩側(cè)的反射器而構(gòu)成。由蘭姆波的相位速度V和蘭姆波的波長(等于電極的周期長A)，可算出該諧振器的工作頻率f為f=V/A。
本發(fā)明的諸發(fā)明者對蘭姆波的相位速度進行了理論分析，并且根據(jù)水晶晶體的材料常數(shù)的溫度依賴性而進行了對工作頻率f的溫度特性的理論
計算。對于AT截面水晶基板討論該溫度特性的計算值和測定值的對比時，兩者表現(xiàn)出良好一致，從而證實了該理論計算方法的恰當。另外，由于晶體的材料常數(shù)隨截面或蘭姆波的傳播方向而變化，因此在多種改變這些截面或方向而探索頻率溫度變化率Af/f值變小的條件時，發(fā)現(xiàn)了具有蘭姆波的Af/f值變?yōu)闃O其小值的范圍。
以該發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)的本發(fā)明的蘭姆波型彈性波元件，其特征在于，(1)
被構(gòu)成為:在水晶基板上配置至少一個產(chǎn)生蘭姆波型彈性波用的簾狀電極或該電極與反射器，并使該水晶基板的截面和蘭姆波型彈性波的傳播方向用歐拉角表達(X， p， e)時滿足下述式(式l 式3)的任一個。
(式1)
人=卯。，^=17。~21。或者p=159。 163。， 9=0°~10。(式2)
X=210°，『17。 21?；蛘遬=159°~163°， 6=0° 10°(式3)
X=330°， fl7。 21?；蛘遬=159°~163°， 9=0° 10。
即，其特征在于，在1=90°，『17°~21°或者|1=159°~163°范圍內(nèi)存在的截面上配置簾狀電極等以便在0=0° 10°的傳播方向上產(chǎn)生蘭姆波型彈性波，或者是在？1=210°，『17。 21?；蛘摺?59。 163。范圍內(nèi)存在的截面上配置簾狀電極等以便在0=0° 10°的傳播方向上產(chǎn)生蘭姆波型彈性波，或者是在人=330。，『17。 21°或者『159°~163。范圍內(nèi)存在的截面上配置簾狀電極等以便在0=0° 10°的傳播方向上產(chǎn)生蘭姆波型彈性波。
在上述(l)中記載的水晶基板的厚度H和所述簾狀電極的周期長A之 比H/A是在0.8到1.0的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的蘭姆波型彈性波元件的特征在于，(2)其被構(gòu)成為:在水晶基 板上配置至少一個產(chǎn)生蘭姆波型彈性波用的簾狀電極或該電極與反射器， 并使該水晶基板的截面和蘭姆波型彈性波的傳播方向用歐拉角表達(X， )i， e)時滿足下述式(式4~式6)的任一個。
(式4)
X=90。， ^=13。~16。或者p=164。~167。， 0=0。 10。 (式5)
人=210°，『13°~16°或者(i=164°~167°， 0=0°~10° (式6)
A^330。， ^1=13。~16?；蛘遤i=164。~167。， 0=0。 10。
艮卩，其特征在于，在人=90。， pl3。 16?；蛘?1=164。~167°范圍內(nèi)存在
的截面上配置簾狀電極等以便在e-o。 io。的傳播方向上產(chǎn)生蘭姆波型彈
性波，或者在人=210°， fl3。 16?；蛘摺?64。 167。范圍內(nèi)存在的截面上配 置簾狀電極等以便在0=0°~10°的傳播方向上產(chǎn)生蘭姆波型彈性波，或者是 在^330。，^1=13。~16°或者|1=163° 167°范圍內(nèi)存在的截面上配置簾狀電極
等以便在e^o。 io。的傳播方向上產(chǎn)生蘭姆波型彈性波。
在上述(2)中記載的水晶基板的厚度H和所述簾狀電極的周期長八之 比H/A是在0.9到1.1的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的蘭姆波型彈性波元件的特征在于，(3)其被構(gòu)成為:在水晶基 板上配置至少一個產(chǎn)生蘭姆波型彈性波用的簾狀電極或該電極與反射器， 并使該水晶基板的截面和蘭姆波型彈性波的傳播方向用歐拉角表達(X， p，
e)時滿足下述式(式7 式9)的任一個。
(式7)人=20。 25。，『120o~130。， 0=4OO 45O (式8)
M40o 145。， p=120o~130o， 0=4O。 45O (式9)
X=260。~265。，『120。 130。， 0=4O。~45。
在上述(3)中記載的水晶基板的厚度H和所述簾狀電極的周期長A之 比H/A是在0.9到1.1的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的蘭姆波型彈性波元件的特征在于，在水晶基板上配置至少一 個產(chǎn)生蘭姆波型彈性波用的簾狀電極或該電極與反射器，并使該水晶基板
的截面和蘭姆波型彈性波的傳播方向用歐拉角表達(x， p， e)時滿足下述式
(式10)，并且水晶基板的厚度H和所述簾狀電極的周期長A之比H/A為 0.9。
(式10)
X=90。，『18.997?；颉?80。-18.997。， 9=7.5Q
本發(fā)明的蘭姆波型彈性波元件的特征在于，在水晶基板上配置至少一 個產(chǎn)生蘭姆波型彈性波用的簾狀電極或該電極與反射器，并使該水晶基板
的截面和蘭姆波型彈性波的傳播方向用歐拉角表達(人，p， e)時滿足下述式
(式11)，并且水晶基板的厚度H和所述簾狀電極的周期長A之比H/A為 0.9。
(式11)
X=90。，『14.715?；颉?80。-14.715。， 0=0。
本發(fā)明包括具有上述任一記載的蘭姆波型彈性波元件的高頻諧振器。
本發(fā)明中的蘭姆波型彈性波元件的溫度依賴性是在-20°~+80°的溫度 范圍內(nèi)其頻率變化量大約為lppm以下的小值。這是目前表現(xiàn)出最穩(wěn)定的 頻率溫度特性的AT截面水晶基板頻率變化量的1/20左右的值。
這種頻率溫度特性良好的壓電元件基板，不僅在信息通信設(shè)備中，而 且還能當作各種信號發(fā)生器的基準時鐘而被應(yīng)用。



圖1是表示作為本發(fā)明實施例的蘭姆波型高頻諧振器結(jié)構(gòu)的模式圖。 圖2是表示蘭姆波分析模型的坐標系的圖。 圖3是對歐拉角表達的說明圖。
圖4是表示在AT截面水晶基板中的蘭姆波相位速度計算結(jié)果例子的圖。
圖5是表示本發(fā)明的蘭姆波型彈性波元件頻率溫度特性計算結(jié)果例子 的圖。
圖6是表示本發(fā)明的蘭姆波型彈性波元件頻率溫度特性計算結(jié)果的其 他例子的圖。
圖7是表示本發(fā)明的蘭姆波型彈性波元件頻率溫度特性計算結(jié)果的其 他例子的圖。
圖8是表示在AT截面水晶基板中體波頻率溫度特性計算結(jié)果例子的圖。
圖9是表示在AT截面水晶基板中蘭姆波頻率溫度特性計算結(jié)果與測 定結(jié)果對比例子的圖。
圖IO是表示在AT截面水晶基板中蘭姆波頻率溫度特性計算結(jié)果與測 定結(jié)果對比的其他例子的圖。
圖中:l一水晶基板，2—簾狀電極，3—反射器。
具體實施方式

以下參照附圖，對本發(fā)明的實施形式進行說明。圖1是表示本發(fā)明實施例的蘭姆波型高頻諧振器結(jié)構(gòu)的圖解，圖l(a)
是立體圖、圖1(b)是剖面圖。如圖l所示，在厚度為與所產(chǎn)生的蘭姆波的波 長相同程度或比其更薄的水晶基板1的表面上，配置激勵和接受蘭姆波用
的簾狀電極2與利用彈性搖動效應(yīng)的反射器3。作為電極材料大多數(shù)都用 鋁，作為反射器的材料除了鋁之外還可以采用金、鉻等。由在基板1中傳播 的蘭姆波的(相位速度V/波長)決定該諧振器的工作頻率f，但是，由于在 諧振狀態(tài)下波長與簾狀電極2的周期長A —致，因此f可由下式(式12)給 出
<formula>formula see original document page 10</formula>
頻率的溫度依賴性，取決于由上述式(式12)決定的相位速度的溫度依 賴性V(T)以及基板的膨脹系數(shù)(A的溫度變化)。頻率變化的溫度特性，通常 以2(TC作為標準溫度的時候較多。因此，如果計算出在某個溫度下的工作 頻率f(T)和2(TC的溫度下的工作頻率f(2(TC)，則由下式(式13)可以給出頻 率溫度變化率Af/f:<formula>formula see original document page 10</formula>
通過下述的理論分析，可以算出在平板中傳播的蘭姆波的相位速度。 圖2是表示分析模型的坐標軸的圖，其中基板厚度設(shè)為H，分析傳播方向 xl上的彈性波。利用運動方程式和壓電基本式，將傳播方向投影到xl軸上 而計算波動的通解。在所得的通解中代入邊界條件后，可以得到蘭姆波的 相位速度V。邊界條件是指在基板上面和基板下面應(yīng)力等于零的條件。
在溫度T下的相位速度值，是利用在溫度T(。C)下的水晶晶體各材料 常數(shù)(彈性常數(shù)、壓電常數(shù)、介電常數(shù)、密度)值，通過理論分析而得出。各材 料常數(shù)，在標準溫度(通常是2(TC)下的值和溫度系數(shù)為已被測定。
在論述晶體基板的截面和波的傳播特性時，由于一般用歐拉角來表 達，所以用圖3來說明其定義。在該圖中，X、Y、Z為晶體軸，xl、x2、x3為 坐標軸。圖3(a)相當于在晶體軸和坐標軸一致的情況下的歐拉角表達(人，p，e)的人，p e中的任一均為o的情況。x是以z軸作為旋轉(zhuǎn)軸使x—Y平面
向右轉(zhuǎn)方向(X軸到Y(jié)軸的方向)旋轉(zhuǎn)的角度，通過該旋轉(zhuǎn)確定坐標軸xl 的方位(相當于旋轉(zhuǎn)后的X軸的位置，參照圖3(b))。 p是以xl軸作為旋轉(zhuǎn) 軸使與xl軸垂直的平面向右轉(zhuǎn)方向(x2軸到x3軸的方向)旋轉(zhuǎn)的角度，通 過該旋轉(zhuǎn)確定坐標軸x3的方位(相當于旋轉(zhuǎn)后的Z軸的位置，參照圖3(c))。
晶體基板的截面是垂直于上述x3軸的面。e是定義波的傳播方向的角，
是以上述的x3軸作為旋轉(zhuǎn)軸使與x3軸垂直的平面向右轉(zhuǎn)方向(xl軸到x2 軸的方向)旋轉(zhuǎn)的角度，并且將由該旋轉(zhuǎn)所確定的xl軸的方向定義為波的 傳播方向(參照圖3(d))。所述材料常數(shù)由于在晶體基板內(nèi)的方向而不相同， 不過，利用歐拉角表達可計算出對應(yīng)新坐標系(xl， x2， x3)的材料常數(shù)。
首先，在圖4中表示AT截面水晶的xl軸方向的蘭姆波(用歐拉角表 達時，>0°，『125.25°， 0=0°)相位速度計算結(jié)果的例子。計算中，水晶板 的厚度H設(shè)為l(Vm。圖中的縱坐標軸為相位速度V，橫坐標軸為標準化的 基板厚度(kH/兀-27iH/A7^2H/A)。圖中可以看出，相位速度10000m/s以上 的結(jié)果存在的多，并且由上述式(式12)可知頻率容易超過lOOOMHz的蘭 姆波模式的存在。如此，由于蘭姆波的相位速度比表面彈性波的相位速度 大幅度地大，因此具有容易進行頻率達到GHz的高頻波振蕩的特長。
本發(fā)明的諸發(fā)明者，在水晶基板內(nèi)的蘭姆波中，為了探索頻率溫度變
化率Af/f的小的部分，多種改變x， p e的值并進行了理論計算。其結(jié)果，
在1=90。， |1=17° 21°或者『159°~163°， 6=0。~10°時，發(fā)現(xiàn)Af/f的值變?yōu)?極其小的情況。圖5是表示在人=90°， |1=19°， 0=7.5。時的Af/f與溫度之間 關(guān)系的圖。計算中設(shè)為11/八=0.9。在-20°~+80°的全范圍內(nèi)，可知Af/f的值大 致為1.4ppm以下的小值。
另夕卜，在人=90。， ^=13° 16。或者^1=164° 167。， 0=0°~10。時，發(fā)現(xiàn)Af/f 的值變?yōu)闃O其小。圖6是表示在人=90°， n=14.7°， 9=0°時的Af/f與溫度之 間關(guān)系的圖(計算中設(shè)為11/八=1.01)。在-20°—80。的全范圍內(nèi)，可知Af/f的
ii值大致為1.24ppm以下的小值。
此外，在歐拉角取為？i=20°~25。， ji=120。 130°， 9=40° 45°時，也發(fā) 現(xiàn)Af/f的值變?yōu)闃O其小。圖7是表示在？1=23°，『124.9°， 9=42.2°時的Af/f 與溫度之間關(guān)系的圖(計算中設(shè)為H/A^0.963)。理論計算結(jié)果與圖5、圖6的 結(jié)果大致相同，在-20° +80°的全范圍內(nèi)，可知Af/f的值大致為0.7ppm以 下的小值。
另外，在圖8中表示了對AT截面水晶基板內(nèi)的體波(厚度剪切波)進 行同樣計算而得出的結(jié)果的例子。計算結(jié)果中頻率變化達到12ppm左右， 這與現(xiàn)有的通過實驗所知的水晶振子的頻率溫度特性正好一致。從圖5 圖 7與圖8的相比可知，本發(fā)明的蘭姆波型彈性波元件的頻率溫度特性被顯 著地改善，與現(xiàn)有的AT截面水晶振子相比，頻率溫度變化大約為其1/10 的非常少的值。
另外，為討論這樣的理論計算和實驗測定值的對比，制作了在水晶基 板上配置的如圖l所示的簾狀電極和反射器的蘭姆波型諧振器，而且實驗 測定了頻率變化的溫度依賴性。在基板上，利用直徑為3mm，厚度為lOprn 的AT截面水晶基板，形成使波長達到20,的電極和反射器。在圖9中表 示了用歐拉角表達(^=0°， |1=125.25°， 0=0°)時的理論計算值和測定值的對 比。兩者很好地成為一致，證實了作為本發(fā)明根據(jù)的理論分析的精度高。
另夕卜，在圖10中表示在用歐拉角表達(AM)。，『125.25°， 0=90°)時(在 與圖9相同的截面上，與該截面夾直角方向的蘭姆波)的理論計算值和測定 值的對比。圖中的實線為上述歐拉角的理論計算值，其與測定值稍微不同。 出現(xiàn)該誤差的原因在于，計算中所應(yīng)用的各材料常數(shù)的測定誤差或?qū)嶒炈?用的水晶晶體的物性的參差不齊。因而，將以(>0°，『126.5°， 9=90°)為條
件的計算結(jié)果表示在圖中的虛線部分。該虛線與測定值很好地成為一致。 據(jù)此，對于有關(guān)用計算來推定的歐拉角的最佳的條件，由于包含著各材料 常數(shù)的測定誤差以及晶體物性的參差不齊為原因的不確定誤差，所以希望優(yōu)選對3個歐拉角分別設(shè)定士2。左右的許可范圍。
本說明書以2007年3月15日申請的特愿2007—065991為基礎(chǔ)。該內(nèi) 容全部包含在這里。
權(quán)利要求
1.一種蘭姆波型彈性波元件，其特征在于，在水晶基板上配置至少一個產(chǎn)生蘭姆波型彈性波用的簾狀電極或者該電極和反射器，并使該水晶基板的截面和蘭姆波型彈性波的傳播方向用歐拉角表達(λ，μ，θ)時滿足下述式1～式3的任一個，式1λ＝90°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°，θ＝0°～10°式2λ＝210°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°，θ＝0°～10°式3λ＝330°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°，θ＝0°～10°。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蘭姆波型彈性波元件，其中，所述水晶基板 的厚度H與所述簾狀電極的周期長A之比H/A在0.8到1.0的范圍內(nèi)。
3. —種蘭姆波型彈性波元件，其特征在于，在水晶基板上配置至少一個產(chǎn)生蘭姆波型彈性波用的簾狀電極或者 該電極和反射器，并使該水晶基板的截面和蘭姆波型彈性波的傳播方向用 歐拉角表達(人，|i， e)時滿足下述式4 式6的任一個，式4: X=90°，『13° 16°或者(i=164°~167°， 6=0。~10。 式5: X=210°， jl^13。 16?；蛘摺?64。 167。， 9=0°~10° 式6: X=330°， ^=13°~16°或者p=164° 167°， 0=0。~10° 。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的蘭姆波型彈性波元件，其中，所述水晶基板 的厚度H與所述簾狀電極的周期長A之比H/A在0.9~1.1的范圍內(nèi)。
5.—種蘭姆波型彈性波元件，其特征在于，在水晶基板上配置至少一個產(chǎn)生蘭姆波型彈性波用的簾狀電極或者 該電極和反射器，并使該水晶基板的截面和蘭姆波型彈性波的傳播方向用 歐拉角表達(X， p e)時滿足下述式7 式9的任一個，式7: X=20o~25。， —20o~130o， 0=40。 45°式8: X=140。~145。， |i=120。~130。， 0=4O。 45O式9:人=260。~265。， n=120。~130。， 0=40。 45。。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的蘭姆波型彈性波元件，其中，所述水晶基板 的厚度H與所述簾狀電極的周期長A之比H/A在0.9 1.1的范圍內(nèi)。
7. —種蘭姆波型彈性波元件，其特征在于，在水晶基板上配置至少一個產(chǎn)生蘭姆波型彈性波用的簾狀電極或者 該電極和反射器，并使該水晶基板的截面和蘭姆波型彈性波的傳播方向用歐拉角表達(入，|i， e)時滿足下述式10，并且所述水晶基板的厚度H與所 述簾狀電極的周期長A之比H/A為0.9，式10:入=卯。，jli:18.997?；騨=180。-18.997。， 0=7.5° 。
8.—種蘭姆波型彈性波元件，其特征在于，在水晶基板上配置至少一個產(chǎn)生蘭姆波型彈性波用的簾狀電極或該 電極h反射器，并使該水晶基板的截面和蘭姆波型彈性波的傳播方向用歐拉角表達(x， p， e)時滿足下述式ii，并且水晶基板的厚度H與所述簾狀電極的周期長A之比H/A為0.9，式lh入=90。, pl4.715?；騪=180。-14.715。， 0=0。。
9.一種高頻諧振器，具有權(quán)利要求1到8任一項中記載的蘭姆波型彈性波元件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高頻諧振器的頻率變化量極其少的振子，該諧振器利用了頻率溫度特性好的蘭姆波型彈性波。蘭姆波型彈性波元件，在水晶基板上配置至少一個產(chǎn)生蘭姆波型彈性波用的簾狀電極或者該電極和反射器，并使該水晶基板的截面和蘭姆波型彈性波的傳播方向用歐拉角表達(λ，μ，θ)時滿足下述式(式1～式3)的任一個。(式1)λ＝90°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°，θ＝0°～10°；(式2)λ＝210°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°，θ＝0°～10°；(式3)λ＝330°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°，θ＝0°～10°。
文檔編號H03H9/00GK101641863SQ20088000850
公開日2010年2月3日 申請日期2008年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月15日
發(fā)明者中川恭彥 申請人:國立大學(xué)法人山梨大學(xué)