專利名稱：表面聲波裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在一個(gè)單晶基片上包括一根叉指型電極的表面聲波裝置。
在最近幾年，包括蜂窩電話在內(nèi)的移動(dòng)通信終端設(shè)備已經(jīng)迅速普及。由于攜帶性特別希望減小這種終端設(shè)備的尺寸和重量。為了實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的尺寸和重量減小，所用的電子零件也應(yīng)該在本質(zhì)上減小尺寸和重量。為此，對(duì)尺寸和重量減小有利的表面聲波裝置，即表面聲波濾波器，經(jīng)常用于終端設(shè)備的高和中頻零件。表面聲波裝置在壓電基片的表面上帶有一根用來(lái)激勵(lì)、接收、反射、及傳播表面聲波的叉指型電極。
在對(duì)于用于表面聲波裝置的壓電基片很重要的特性中，有表面聲波的表面波速(SAW速度)、在濾波器情況下的中心頻率和在諧振器情況下的諧振頻率的溫度系數(shù)(頻率的溫度系數(shù)TCF)、及機(jī)電偶合因數(shù)(k2)。列在表1中的是至今已知用于表面聲波裝置的各種壓電基片的特性。
表1
如從表1能看到的那樣，64LN和36LT具有4,000米/秒或更高的SAW速度，并因此適于建造用于終端設(shè)備的高頻零件的濾波器。原因是在全世界實(shí)際上把各種系統(tǒng)用于由蜂窩電話代表的移動(dòng)通信，并且都在1GHz量級(jí)的頻率下使用。因而，用于終端設(shè)備的高頻零件的濾波器具有近似1GHz的中心頻率。表面聲波濾波器具有大體上與所用的壓電基片的SAW速度成正比、而幾乎與形成在基片上的電極指狀物的寬度成反比的中心頻率。因此，為了使這樣的濾波器能在高頻下操作，最好憑借具有高SAW速度的基片，例如，64LN、和36LT。而且，對(duì)于在高頻零件上使用的濾波器，要求20MHz或更寬的寬通帶寬度。然而，為了達(dá)到這樣寬的通帶，基本上要求壓電基片具有大的機(jī)電偶合因數(shù)k2。為此，大量使用64LN、和36LT。
另一方面，70至300MHz的頻帶用作移動(dòng)終端設(shè)備的中間頻率。當(dāng)通過(guò)使用表面聲波裝置建造具有在該頻帶中的中心頻率的濾波器時(shí)，把上述64LN或36LT用作壓電基片，會(huì)使形成在基片上的電極指狀物的寬度遠(yuǎn)比用于高頻零件的上述濾波器的大。
現(xiàn)在參照粗略計(jì)算值解釋這種情形。這里讓d代表形成表面聲波濾波器的表面聲波換能器的電極指狀物的寬度，f0指示表面聲波濾波器的中心頻率，及V指所用壓電基片的SAW速度。對(duì)于這些值，那么公式(1)粗略地保持f0=V/(4d) …(1)如果假定SAW速度是4,000米/秒建造具有1GHz中心頻率的表面聲波濾波器，那么由公式(1)計(jì)算其電極指狀物的寬度d=4,000(米/秒)/(4×1,000(MHz))=1(微米)在另一方面，當(dāng)使用具有4,000米/秒SAW速度的這種壓電基片建造具有100MHz中間頻率的中間頻率濾波器時(shí)，對(duì)此所需要的電極指狀物寬度由下式給出d=4,000(米/秒)/(4×100(MHz))=10(微米)因而，需要的電極指狀物寬度是用于高頻零件濾波器的10倍之大。大的電極指狀物寬度意味著表面聲波裝置本身變大。因此，為了使表面聲波裝置較小，必須使用具有低SAW速度V的壓電基片，如由公式(1)能理解的那樣。
在已知具有非常低SAW速度的壓電基片中，有BGO，如在表1中已經(jīng)提到的一種。BGO壓電基片具有1,681米/秒的SAW速度。然而，BGO壓電基片不適合于建造用來(lái)只提取一個(gè)通道信號(hào)的中頻濾波器，因?yàn)槠漕l率的溫度系數(shù)或其TCF高達(dá)-122ppm/℃。這是因?yàn)榇蟮腡CF值意味著表面聲波濾波器的中心頻率隨溫度變化較大。因而，大的TCF對(duì)于中頻濾波器是不合適的，因?yàn)榭赡軓南噜徬Ｍǖ赖钠渌ǖ乐刑崛〔幌Ｍ男盘?hào)。
在已知具有較低SAW速度的壓電基片中，還有ST石英晶體，如在表1中提到的一種。ST石英晶體適合于建造中頻濾波器，因?yàn)槠漕l率的溫度系數(shù)或其TCF幾乎為零(一階溫度系數(shù)a為零)。為此，至今用于移動(dòng)通信終端設(shè)備的大多數(shù)中頻表面聲波濾波器由ST石英晶體壓電基片建造。然而，ST石英晶體基片的SAW速度是3,158米/秒，或者不在足夠低的級(jí)上，并因此對(duì)尺寸減小帶來(lái)一些限制。此外，ST石英晶體的機(jī)電偶合因數(shù)k2是0.14％，并因此較小。小的k2意味著只能實(shí)現(xiàn)具有窄通帶的濾波器。至今主要適用于移動(dòng)通信，就是說(shuō)，蜂窩電話是具有非常窄通道寬度的模擬系統(tǒng)，例如，該通道寬度根據(jù)日本NTT標(biāo)準(zhǔn)為12.5kHz，根據(jù)美國(guó)AMPS標(biāo)準(zhǔn)為30kHz，及根據(jù)歐洲TACS標(biāo)準(zhǔn)為25kHz。因而，上述ST石英晶體具有小機(jī)電偶合因數(shù)k2的事實(shí)還沒(méi)有發(fā)生任何問(wèn)題。然而，在最近幾年，數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)，付諸使用，及由高效使用頻率源、與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信的兼容性等觀點(diǎn)看來(lái)如此迅速地普及。這種數(shù)字系統(tǒng)的通道寬度非常寬，例如，在歐洲蜂窩電話GSM和無(wú)繩電話DECT模式中分別為200kHz和1.7MHz。如果把ST石英晶體基片用于表面聲波濾波器，那么難以建造使用它們的這種寬帶中頻濾波器。
如以上解釋的那樣，關(guān)于常規(guī)表面聲波裝置的一個(gè)問(wèn)題是當(dāng)使用具有大機(jī)電偶合因數(shù)的壓電基片，例如64LN或36LT時(shí)，有可能使其通帶變寬，但裝置尺寸變大，因?yàn)樵摶哂懈叩腟AW速度。另一個(gè)問(wèn)題是當(dāng)使用具有低SAW速度的上述BGO以實(shí)現(xiàn)尺寸減小時(shí)，由于頻率的溫度系數(shù)TCF的絕對(duì)值太大，不能得到足夠好的選擇性。在任一種情況下，都不能達(dá)到對(duì)任何中頻表面聲波濾波器足夠好的特性。
具有小的頻率溫度系數(shù)TCF的ST石英晶體基片，由于基SAW速度的不能足夠減小的事實(shí)，對(duì)尺寸減小帶來(lái)一些限制，并且由于其機(jī)電偶合因數(shù)k2較小的事實(shí)，難以實(shí)現(xiàn)寬頻帶。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于，提供一種選擇性或溫度特性優(yōu)良的小型寬通帶表面聲波裝置。
這通過(guò)如下限定為(1)的本發(fā)明實(shí)現(xiàn)。
(1)一種在一個(gè)基片表面上包括一根叉指型電極的表面聲波裝置，其中所述基片由化學(xué)式La3Ga5SiO14代表的、且屬于點(diǎn)群32的langasite單晶組成，當(dāng)從langasite單晶切出的所述基片的切削角和在所述基片上表面聲波的傳播方向按照歐拉角(φ、θ、ψ)表示時(shí)，發(fā)現(xiàn)φ、θ、和ψ在分別由φ=-5至5°、θ=136至146°、及ψ=21至30°代表的區(qū)域內(nèi)，及當(dāng)ψ≤25.5°時(shí)，在歸一化厚度h/λ(％)與指示表面聲波傳播方向的所述ψ(°)之間的關(guān)系由下式給出，其中所述叉指型電極的厚度h用表面聲波的波長(zhǎng)λ歸一化-3.79(h/λ)+23.86≤ψ≤-5.08(h/λ)+26.96并且當(dāng)ψ＞25.5°時(shí)，所述關(guān)系由下式給出4.39(h/λ)+24.30≤ψ≤3.54(h/λ)+27.17

圖1是根據(jù)本發(fā)明的表面聲波裝置的一個(gè)典型實(shí)施例的立體圖。
圖2是曲線圖，表明在具有變化歸一化厚度的叉指型電極之間的中心頻率變化的溫度依賴性的差別。
圖3是曲線圖，表明在變化的表面聲波傳播方向之間的中心頻率變化的溫度依賴性的差別。
圖4是曲線圖，表明在每個(gè)歸一化厚度處表面聲波傳播方向與峰值溫度之間的關(guān)系。
圖5A是曲線圖，表明當(dāng)傳播方向是ψ≤25.5°時(shí)歸一化厚度與傳播方向之間的關(guān)系，該關(guān)系保證峰值溫度在10至40℃的范圍內(nèi)；而圖5B是曲線圖，表明當(dāng)傳播方向是ψ＞25.5°時(shí)歸一化厚度與傳播方向之間的關(guān)系，該關(guān)系保證峰值溫度在10至40℃的范圍內(nèi)。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)和調(diào)查，本發(fā)明者現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一定的langasite單晶具有特別組合的切削角和表面聲波傳播方向，其中包括langasite單晶的濾波器的中心頻率的、或包括langasite單晶的諧振器的諧振頻率的溫度依賴性能用一條二次方曲線近似，并且得到象按照小于3,000米/秒的SAW速度和大于0.3％的機(jī)電偶合因數(shù)表示的這種性能。這種特別組合可以按照歐拉角(φ、θ、和ψ)由φ、θ、和ψ的以上角度范圍表示。本發(fā)明者還發(fā)現(xiàn)在這種特別組合中，對(duì)應(yīng)于二次方曲線峰值的溫度，即在中心或諧振頻率變化最小處的溫度，與表面聲波傳播方向(在歐拉角度表達(dá)式中的ψ)、和叉指型電極的歸一化厚度(h/λ)有關(guān)。這里h是叉指型電極的厚度，而λ是表面聲波在中心或諧振頻率處的波長(zhǎng)。根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明者已經(jīng)通過(guò)使ψ和h/λ滿足以上特定關(guān)系，把對(duì)應(yīng)于以上峰值的溫度設(shè)置在室溫附近，例如在10至40℃的范圍內(nèi)，由此成功地實(shí)現(xiàn)在其使用的環(huán)境溫度下表現(xiàn)出優(yōu)良溫度穩(wěn)定性的小型寬通帶表面聲波裝置。
圖1表明根據(jù)本發(fā)明的表面聲波裝置的一個(gè)典型實(shí)施例。這種表面聲波裝置包括在一個(gè)基片2的表面上的一組用來(lái)激勵(lì)、接收、反射、及傳播表面聲波的電極3和3。對(duì)于基片2使用一種langasite單晶。langasite單晶是一種屬于點(diǎn)群32的晶體類型。在圖1中，x、y、和z軸相互垂直。x、和y軸位于基片2的表面平面內(nèi)，并且x軸定義表面聲波的傳播方向。垂直于基片平面的z軸確定一個(gè)由單晶切出的基片的切削角(切出平面)。這些x、y、和z軸與langasite單晶的X、Y、和Z軸之間的關(guān)系可以按照歐拉角(φ、θ、ψ)表示。當(dāng)在根據(jù)本發(fā)明的表面聲波裝置中，切削角和傳播方向按照歐拉角(φ、θ、ψ)表示時(shí)，φ、θ、和ψ存在于由下式代表的區(qū)域中φ=-5至5°θ=136至146°ψ=21至30°在這個(gè)區(qū)域中，頻率的溫度依賴性呈現(xiàn)一條二次方曲線的形式。當(dāng)這條曲線由最小二乘方法近似成直線時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一種φ、θ、和ψ的組合，其中基片的頻率溫度系數(shù)TCF非常小或位于±1ppm/℃內(nèi)，并且基片的機(jī)電偶合因數(shù)k2足夠大或至少為0.3％。
要注意，langasite單晶是一種三角晶系，并因此由于晶體對(duì)稱性，存在歐拉角的相互等效組合。在三角晶系基片中，φ=120至240°、和φ=240至360°(-120至0°)等效于φ=0至120°；θ=360至180°(0至-180°)等效于θ=0至180°；及ψ=90至270°等效于ψ=-90至90°。在本發(fā)明中，對(duì)于沒(méi)有表示在如下例子中但在結(jié)晶學(xué)上等效于這里提及的那些的角度，也可得到類似的效果。
在下面陳述的是典型等效組合。等效于(0°,140°,25°)的是(60°,40°,25°)、(60°,40°,-25°)、(120°,140°,-25°)、和(120°,140°,25°)。由于φ=120°等效于φ=0°，所以(0°,140°,-25°)也等效于(0°,140°,25°)。
現(xiàn)在給出為什么確定定義表面聲波傳播方向的ψ和叉指型電極的歸一化厚度h/λ、從而使它們滿足以上關(guān)系的理由。
langasite單晶通過(guò)CZ過(guò)程生長(zhǎng)，并且由這種單晶切出基片。一個(gè)包括一組叉指型電極的的表面聲波傳感器形成在基片表面上，以構(gòu)成一個(gè)表面聲波裝置。叉指型電極通過(guò)Al的真空蒸發(fā)形成在輸出和輸入側(cè)，并且具有10微米的電極指狀物寬度d和40微米的電極指狀物間距(4d=λ)，電極指狀物對(duì)的數(shù)量是20。電極厚度(標(biāo)準(zhǔn)厚度)是0.3％(0.12微米)、0.5％(0.20微米)或0.75％(0.30微米)。基片的切削角按照歐拉角是(0°,140°,ψ)。這個(gè)切削角是所謂的單次轉(zhuǎn)動(dòng)，其中對(duì)于切削只需要一次晶體轉(zhuǎn)動(dòng)，并因此是最好的。關(guān)于這個(gè)(0°,140°,ψ)基片的數(shù)據(jù)在下面陳述，以便解釋本發(fā)明的實(shí)用性。
圖2表明由以上過(guò)程構(gòu)成的表面聲波裝置(表面聲波濾波器)的中心頻率的溫度依賴性。在圖2中所示的表面聲波裝置中，傳播方向按照歐拉角是ψ=20°，并且歸一化厚度h/λ是0.5％或0.75％。由圖2應(yīng)該理解，中心頻率的溫度依賴性能用二次方曲線良好地近似，并且這條二次方曲線的峰值溫度隨歸一化厚度h/λ而變。當(dāng)表面聲波的傳播方向ψ變化，而歸一化厚度h/λ固定時(shí)，二次方曲線的峰值溫度也移動(dòng)。這典型地表示在圖3中。圖3表示一個(gè)其中ψ=22°或ψ=30°的例子，歸一化厚度h/λ固定在0.75％。由這些曲線，本發(fā)明者已經(jīng)得到一個(gè)主意通過(guò)根據(jù)電極歸一化厚度選擇表面聲波的傳播方向、和把峰值溫度設(shè)置在室溫附近，能改進(jìn)表面聲波裝置的溫度穩(wěn)定性。這里要注意，圖2和3中中心頻率的變化由下式計(jì)算(f-f0)/f0其中f0是中心頻率的最大值(在峰值溫度下的中心頻率)，而f是在任意溫度下的中心頻率。
如圖2和3中所示，中心頻率變化的溫度依賴性用二次方曲線近似以找到二次方曲線的峰值(翻轉(zhuǎn))溫度，由此調(diào)查峰值溫度、與傳播方向ψ和歸一化厚度h/λ之間的關(guān)系。結(jié)果畫(huà)在圖4中。圖4表示分別在0.3％、0.5％和0.75％的歸一化厚度下傳播方向ψ相對(duì)于峰值溫度的關(guān)系。由圖4應(yīng)該理解，在傳播方向從25度至26度(或在25.5度處)的過(guò)渡過(guò)程中，在具有小ψ的區(qū)域中峰值溫度隨ψ增大而減小，而在具有大ψ的區(qū)域中峰值溫度隨ψ增大而增大。
從裝置的溫度穩(wěn)定性出發(fā)，希望在室溫(通常約25℃)附近，即在10至40℃的范圍內(nèi)，存在以上峰值溫度。為此，由圖4發(fā)現(xiàn)了其中分別得到10℃、和40°C峰值溫度的歸一化厚度h/λ相對(duì)傳播方向的關(guān)系。在傳播方向ψ等于或小于25.5度處，得到圖5A中所示的結(jié)果，而在傳播方向ψ大于25.5度處，得到圖5B中所示的結(jié)果。換句話說(shuō)，得到這里定義的h/λ相對(duì)ψ的關(guān)系。因而通過(guò)把傳播方向ψ設(shè)置在圖5A和5B中夾在上與下直線之間的區(qū)域范圍中，能把用于頻率溫度特性的峰值溫度設(shè)置在室溫附近，由此實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定性優(yōu)良的裝置。
要注意，表面聲波在中心或諧振頻率處的波長(zhǎng)λ由對(duì)其應(yīng)用表面聲波裝置的頻率、和基片的聲速確定。然而，在對(duì)其應(yīng)用本發(fā)明的最佳頻帶中，波長(zhǎng)λ一般具有8至60微米的量級(jí)。還要注意，叉指型電極的厚度h一般具有0.1至2微米的量級(jí)，因?yàn)殡姌O太薄會(huì)導(dǎo)致電阻增大，而電極太厚難以成形，并且可能剝離。因而，叉指型電極的歸一化厚度h/λ一般具有0.17至25％的量級(jí)。然而，應(yīng)該理解，2.40％、和3.38％是對(duì)于h/λ的上限，因?yàn)樯虾拖轮本€分別在圖5A中h/λ=2.40％處、和在圖5B中h/λ=3.38％處相交。
在本發(fā)明中使用的langasite單晶一般由化學(xué)式La3Ga5SiO14代表。例如由IEEE International Frequency Control Sympo.(電氣與電子工程師協(xié)會(huì)國(guó)際頻率控制論文集)Vol.1994,pp48-57(1994)(卷1994第48-57頁(yè)(1994年))得知一種langasite單晶。在本發(fā)明中，langasite單晶應(yīng)用于一個(gè)表面聲波裝置基片。如果在這種情況下，按上述那樣選擇晶體切削方向，并且根據(jù)叉指型電極的歸一化厚度選擇表面聲波的傳播方向，那么能實(shí)現(xiàn)具有上述那樣高性能的表面聲波裝置。在這方面，本發(fā)明不同于langasite單晶的常規(guī)使用。
langasite單晶，如果用x射線衍射發(fā)現(xiàn)它們主要單由langasite相組成，則這里可以使用。換句話說(shuō)，這里使用的langasite單晶不總是限于由上述化學(xué)式代表的那種。例如，La、Ga、和Si的每個(gè)位置的至少一部分可以用其他元素代替，或者氧原子的數(shù)量可以偏離上述化學(xué)計(jì)量成分。此外，langasite單晶可以包含不可避免的雜質(zhì)，如Al、Zr、Fe、Ce、Nd、Pt、和Ca。對(duì)于如何生產(chǎn)langasite單晶沒(méi)有具體限制；就是說(shuō)，它們可以通過(guò)普通的單晶生長(zhǎng)過(guò)程生產(chǎn)，例如通過(guò)CZ過(guò)程。
基片尺寸不是特別關(guān)鍵，并且一般在表面波傳播方向上可以具有4至10毫米的量級(jí)，在其垂直方向具有2至4毫米的量級(jí)，及基片厚度可以具有0.2至0.4毫米的量級(jí)。要注意，基片的切削方向可由x射線衍射確定。形成在基片2上的叉指型電極3的每一個(gè)是周期的條形電極。叉指型電極這樣形成圖案，以便根據(jù)其厚度達(dá)到上述預(yù)選擇的表面聲波傳播方向。叉指型電極可以如通過(guò)真空蒸發(fā)或?yàn)R鍍、使用Al或Al合金形成。叉指型電極的指狀物寬度可以根據(jù)表面聲波裝置的應(yīng)用頻率、和基片的聲速確定，并且一般在最好應(yīng)用本發(fā)明的頻帶處可以具有2至15微米的量級(jí)。
本發(fā)明的表面聲波裝置良好地適用于一般在10至500MHz頻帶處使用的濾波器，并且特別適用于10至300MHz。本發(fā)明的表面聲波裝置由于其低的SAW速度，也可用來(lái)使表面聲波延遲元件變小。
根據(jù)其中優(yōu)化langasite單晶基片切削角的本發(fā)明，有可能實(shí)現(xiàn)一種包括一個(gè)具有大機(jī)電偶合因數(shù)k2和低SAW速度的基片的表面聲波裝置。通過(guò)根據(jù)形成在基片表面上的叉指型電極的歸一化厚度適當(dāng)?shù)剡x擇基片上表面聲波的傳播方向，還有可能實(shí)現(xiàn)一種具有非常優(yōu)良溫度穩(wěn)定性的裝置。
權(quán)利要求
1．一種在一個(gè)基片表面上包括一根叉指型電極的表面聲波裝置，其中所述基片是由化學(xué)式La3Ga5SiO14代表的、且屬于點(diǎn)群32的langasite單晶組成，當(dāng)從langasite單晶切出的所述基片的切削角和在所述基片上表面聲波的傳播方向按照歐拉角(φ、θ、ψ)表示時(shí)，發(fā)現(xiàn)φ、θ、和ψ在分別由φ=-5至5°、θ=136至146°、及ψ=21至30°代表的區(qū)域內(nèi)，及當(dāng)ψ≤25.5°時(shí)，在歸一化厚度h/λ(％)與指示表面聲波傳播方向的所述ψ(°)之間的關(guān)系由下式給出，其中所述叉指型電極的厚度h用表面聲波的波長(zhǎng)λ歸一化-3.79(h/λ)+23.86≤ψ≤-5.08(h/λ)+26.96并且當(dāng)ψ＞25.5°時(shí)，所述關(guān)系由下式給出4.39(h/λ)+24.30≤ψ≤3.54(h/λ)+27.1全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種選擇性即溫度特性優(yōu)良的小型寬通帶表面聲波裝置。本發(fā)明的表面聲波裝置在一個(gè)基片表面上包括一根叉指型電極,該基片由化學(xué)式La
文檔編號(hào)H03H9/02GK1237288SQ98801265
公開(kāi)日1999年12月1日 申請(qǐng)日期1998年6月22日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月2日
發(fā)明者井上憲司, 佐藤勝男 申請(qǐng)人:Tdk株式會(huì)社