CN1135696C - 声表面波器件 - Google Patents

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Abstract

一种声表面波器件，包括石英旋转Y板和设置在该石英旋转Y板上的至少一个叉指形换能器。该石英旋转Y板具有由(0、θ、φ)所示欧拉角度，角度θ位于约125度＜θ＜130度的范围，角度φ约为90度，该叉指形换能器由钨制成。

Description

声表面波器件
本发明一般涉及用于如谐振器和带通滤波器或其它类似电子元件的声表面波器件，尤其涉及具有极稳定的温度特性的声表面波器件。
声表面波器件广泛用作带通滤波器或谐振器。要求此种声表面波器件包括具有大的机电耦合系数的压电衬底。某些应用还要求声表面波器件具有更高的电阻以克服可能的温度变化。
通常，已知可将ST切割的石英衬底、LST切割的石英衬底以及类似的衬底用作具有极稳定温度特性的这样一种压电衬底。
第61-45892号日本公开特许披露了一种声表面波器件，通过将Au制成的叉指形电极设置在旋转y切割石英衬底上，改进了温度特性，其方法是在衬底的x轴与声表面波传输方向之间限定约90度的角度。
尽管这些器件可以提供良好的温度特性，然而，常规的ST切割石英衬底和LST切割石英衬底还是遇到了机电耦合系数不足的问题。
第61-45892号日本公开特许所披露的现有技术的声表面波器件的另一问题是增加了成本，这是因为其叉指形换能器是由Au制成的。再者，与现有技术有关的另一问题是，由于Au的粘合强度较小，必须用诸如Cr和类似材料的内涂层将其粘合到衬底上，这样，制作过程就复杂了。
为此，发明人发现需要一种具有极稳定的温度特性和大的机电耦合系数，但适合于低成本生产的声表面波器件。
本发明的较佳实施例克服了上述问题，因为它提供了具有极稳定温度系数和较大机电耦合系数并适合于低成本生产的一种声表面波器件。根据本发明较佳实施例的声表面波器件，它包括石英旋转Y板以及设置在该石英旋转Y板上由钨制成的至少一个叉指形换能器。该石英旋转Y板具有由(0、θ、φ)表示的欧拉角度，其中，角度θ位于125度＜θ＜130度的范围或等效范围，角度φ为90度。
叉指形换能器较佳地具有0.0075＜h/λ＜0.027范围的标准化膜厚h/λ，其中，h为叉指形换能器的膜厚，λ为石英旋转Y板上激发的声表面波的波长。此外，角度θ和标准化膜厚h/λ较佳地满足以下等式：
θ＝122.15+376.93×(h/λ)+978.89×(h/λ)2±0.5
根据本发明另一方面的较佳实施例，声表面波器件包括石英旋转Y板以及设置在该石英旋转Y板上由钽制成的至少一个叉指形换能器。该石英旋转Y板具有由(0、θ、φ)表示的欧拉角度，其中，角度θ位于125度＜θ＜132度的范围或等效范围，角度φ为90度。
叉指形换能器较佳地具有0.006＜h/λ＜0.031范围的标准化膜厚h/λ，其中，h为叉指形换能器的膜厚，λ为石英旋转Y板上激发的声表面波的波长。此外，角度θ和标准化膜厚h/λ较佳地满足以下等式：
θ＝122.4917+2921.45×(h/λ)
由于将相对廉价的钨或钽用作叉指形换能器的材料，根据该较佳实施例，可以获得具有极稳定的温度系数且成本低的声表面波器件。此外，由于叉指形换能器的标准化膜厚设置在所需范围，故可以提供一种机电耦合系数增大且温度特性大大改善的声表面波器件。
为了说明本发明，图示几种较佳形式，然而本发明并不局限于图示的设置和手段。
图1A是根据本发明一个较佳实施例的声表面波器件的透视图。
图1B是图1A所示声表面波器件的横截面图。
图2是曲线图，它表示钨的标准化膜厚h/λ与欧拉角度为0、127度、90度的石英旋转Y板上产生的声表面波的相速之间的关系。
图3是曲线图，它表示在包括钨薄膜的结构中，标准化膜厚h/λ与机电耦合系数之间的关系，该钨薄膜设置在欧拉角度为0、127度、90度的石英旋转Y板上。
图4是曲线图，它表示在包括钨薄膜的结构中，谐振频率的温度系数与角度Θ之间的关系，该钨薄膜设置在欧拉角度为0、Θ、90度的石英旋转Y板上。
图5是曲线图，它表示钨的标准化膜厚h/λ与欧拉角度为0、127度、90度的石英旋转Y板上声表面波的相速之间的关系。
图6是曲线图，它表示在包括钨薄膜的结构中，标准化膜厚h/λ与机电耦合系数k2之间的关系，该钨薄膜设置在欧拉角度为0、127度、90度的石英旋转Y板上。
图7是曲线图，它表示在具有钨薄膜的结构中，谐振频率的温度系数与角度Θ之间的关系，该钨薄膜设置在欧拉角度为0、Θ、90度的石英旋转Y板上。
图1A是根据本发明一个较佳实施例的声表面波器件1的透视图，图1B是图1A所示声表面波器件的横截面图。
声表面波器件1是一种衬底边缘反射型的声表面波谐振器，它利用水平切变(SH)型表面波诸如乐夫波。注意，这里采用术语“SH型表面波”是想较广泛地包括其主要分量基本上垂直于声表面波传播方向位移，但仍然基本上与衬底表面平行的那些声表面波。作为例子，漏表面声波、BGS(Bleustein-Gulyaev-Shimizu)波、乐夫波以及任何等同的波都可以包括在内。
声表面波器件1包括石英旋转Y板2或具有由0、θ、φ表示的欧拉角度，其上设置叉指形换能器5。
叉指形换能器5包括分别具有多个电极指3a-3c和4a-4c的一对梳状电极3和4。电极指3a-3c和4a-4c沿第一方向P延伸，该电极指是相互交叉的。
在石英旋转Y板2的表面上激励的声表面波沿着基本上与第一方向P垂直的方向传播。即，角度φ约为90度。该角度φ由石英旋转Y板2的x轴与石英旋转Y板2上激发的声表面波方向之间的角度所限定。电极指4a和3c设置成与石英旋转Y板2的相对衬底边缘2b和2c齐平。电极指4a和3c较佳地具有约λ/8的宽度，其中，λ表示石英旋转Y板2上激发的声表面波的波长。电极指3a，3b，4b和4c较佳地具有约λ/4的宽度，相邻电极指之间的空间也约为λ/4。
在声表面波器件1中，受激声表面波由相对衬底边缘2b和2c反射，由此在石英旋转Y板2上产生驻波，并以预定频率谐振。
根据该较佳实施例的声表面波器件1的一个重要特征在于叉指形换能器5由钨组成，其欧拉角度由(0、θ、φ)表示的石英旋转Y板2的角度θ置于约125度＜θ＜130度的范围，由此在声表面波器件1中达到极稳定的温度特性。这将参照图2至图4描述。
图2是一个曲线图，它表示通过有限元方法，分析其欧拉角度约为(0、127度、90度)的石英旋转Y板2的声表面波的声速的实验结果，用作本较佳实施例的一个实例。
图2所示结果是一种分析结果，通过在石英旋转Y板上形成具有各种膜厚值的钨薄膜，然后用有限元方法进行分析，并考虑到石英的弹性常数、压电常数、介电常数、密度和线性膨胀系数，以及钨的弹性常数、密度、线性膨胀系数和膜厚获得该分析结果。通过用石英旋转Y板上激发的声表面波的波长划分钨的膜厚，使钨的膜厚归一化。
从图2可见，声表面波的相速随着钨的标准化膜厚h/λ的增加而下降。
图3是曲线图，它表示钨薄膜的标准化膜厚与根据图2所示相速获得的机电耦合系数k2(％)之间的关系。注意，图3中的机电耦合系数k2是采用以下等式(3)计算的数值：
       k2＝2x(V0-Vs)/V0                                     (1)
其中，V0是假设钨的介电常数为1时的声表面波的相速，Vs是假设钨的介电常数为0时的声表面波的声速。
从图3可见，在钨的标准化膜厚大于约0.0075和等于或小于约0.027范围的情况下，机电耦合系数k2变成0.3％或0.3％以上。因此，显然通过将钨制成的叉指形换能器的标准化膜厚h/λ设置在大于约0.0075，以及等于或小于约0.027的值，可以获得机电耦合系数k2增加的声表面波器件。
图4表示各种标准化膜厚h/λ下，谐振频率的温度系数(TCF)与具有欧拉角度(0、θ、φ)的石英旋转Y板2的角度θ之间的关系。TCF是在-20度到80度间测量的，而角度φ设置成90度。
图4中对各种情况示出了某些结果，其中，将钨的标准化膜厚h/λ设置在0.0010，0.0050，0.0075，0.100，0.0150，0.0200和0.0300的近似值。
从图4可见，当选择角度θ使之满足不等式125度＜θ＜130度或其等效值时，在约0.0075＜h/λ＜0.027的范围内，TCF可以约为0。因此，在采用具有欧拉角度(0、θ、φ)的石英旋转Y板的情况下，通过将角度θ设置在从大约125度至大约130度的范围内，可以达到具有极稳定温度特性的声表面波器件。
从图3和图4所示结果还可见，通过设计角度θ与h/λ的关系以满足下列等式(2)，可以提供具有优良TCF、机电耦合系数等于约0.3％或以上的声表面波器件。
θ＝122.15+376.93×(h/λ)+978.89×(h/λ)2±0.5…            (2)
根据发明人的进一步研究确定，只要角度φ在大约90度±10度的范围内，也可以提供同样具有极稳定的温度系数的声表面波器件。
除了叉指形换能器是由钽制成之外，根据本发明第二个较佳实施例的声表面波器件较佳地采用与根据第一个较佳实施例的声表面波器件相同的结构。因此，将不再重复说明第二个较佳实施例的声表面波器件的结构，但在此结合对图1(a)和1(b)所示声表面波器件的说明。
根据该第二个较佳实施例的声表面波器件1的一个重要特征是叉指形换能器5由钽制成，欧拉角度由(0、φ)表示的石英旋转Y板2的角度θ较佳地设置在大约125度＜θ＜132度的范围，由此在声表面波器件1内提供极稳定的温度特性。以下将参照图5至图7说明。
图5是曲线图，它表示采用有限元方法，对应用于本较佳实施例的、具有欧拉角度(0、127、90)的石英旋转Y板2的声表面波的声速进行分析的实验结果。
图5所示结果是一种分析结果，通过在石英旋转Y板上形成具有各种膜厚值的钽薄膜，然后用有限元方法进行分析，并考虑到石英的弹性常数、压电常数、介电常数、密度和线性膨胀系数，以及钽的弹性常数、密度、线性膨胀系数和膜厚获得该分析结果。通过用石英旋转Y板上激发的声表面波的波长来除钽的膜厚，使钽的膜厚归一化。
从图5可见，声表面波的相速随着钽的标准化膜厚h/λ的增加而下降。
图6是曲线图，它表示钽薄膜的标准化膜厚与根据图5所示声速获得的机电耦合系数k2(％)之间的关系。注意，图6中的机电耦合系数k2是采用以下等式(3)计算的数值：
       k2＝2x(V0-Vs)/V0                                      (3)
其中，V0是假设钽的介电常数为1时的声表面波的相速，Vs是假设钽的介电常数为0时的声表面波的声速。
从图6可见，在钽的标准化膜厚h/λ大于约0.006和等于或小于约0.031范围的情况下，机电耦合系数k2变成0.3％或0.3％以上。因此，显然通过将钽制成的叉指形换能器的标准化膜厚h/λ设置在大于约0.006，以及等于或小于约0.031的值，可以获得机电耦合系数k2增加的声表面波器件。
图7表示各种标准化膜厚h/λ下，谐振频率的温度系数(TCF)与具有欧拉角度(0、θ、φ)的石英旋转Y板2的角度θ之间的关系。TCF在-20℃和80℃之间测得，角度φ设置为90度。
图7中对各种情况示出了某些结果，其中，将钽的标准化膜厚h/λ设置在0.0100，0.0200和0.0300的近似值。
从图7可见，当选择角度θ使之满足不等式125度＜θ＜132度或其等效时，在约0.006＜h/λ＜0.031的范围内，TCF可以约为0。因此，在采用具有欧拉角度(0、θ、φ)的石英旋转Y板的情况下，通过将角度θ设置在从大约125度至大约132度的范围内，可以达到具有极稳定温度特性的声表面波器件。
从图6和图7所示结果还可见，通过设计角度θ与h/λ的关系以满足下列等式(4)，可以提供具有优良TCF、机电耦合系数等于约0.3％或以上的声表面波器件。
θ＝122.4971+2921.45×(h/λ)…                        (4)
根据发明人的进一步研究确定，只要角度φ在大约90度±10度的范围内，可以提供同样具有优良温度系数的声表面波器件。
尽管在第一和第二较佳实施例中详细说明了角度θ和φ的较佳范围，但显然与上述第一个和第二个较佳实施例所述范围等效的其它范围的角度θ和φ，以及类似的等效范围也属于本发明的范围。
再者，尽管在第一和第二较佳实施例中，某些例子是针对采用衬底边缘反射型的表面波谐振器表示的，但根据本发明的声表面波器件并不局限于此种衬底边缘反射型的声表面波器件，作为替换，它还可以应用于采用反射体类型的表面波谐振器。此外，叉指形换能器5基本上可以仅仅用钨或钽制成，或者用主要含有钨或钽的合金制成。叉指形换能器5可以是多层结构，包括至少一个钨或钽层，以及由其它材料诸如铝制成的层。
需要进一步指出，除了声表面波谐振器以外，本发明还可以应用于声表面波滤波器和声表面波延迟线。
尽管以上描述了本发明的各个较佳实施例，但根据该原理所述的各种模式均属于所附权利要求书的范围。因此，本发明的范围并不局限于此。

Claims (8)

1.一种声表面波器件，其特征在于包括：
具有由(0、θ、φ)所示欧拉角度的石英旋转Y板，角度θ位于125度＜θ＜130度的范围，角度φ为90度，以及
设置在该石英旋转Y板上的至少一个叉指形换能器，该叉指形换能器包括钨。
2.如权利要求1所述的声表面波器件，其特征在于，叉指形换能器具有0.0075＜h/λ＜0.027范围的标准化膜厚h/λ，其中，h为叉指形换能器的膜厚，λ为石英旋转Y板上激发的声表面波的波长。
3.如权利要求2所述的声表面波器件，其特征在于，角度θ和标准化膜厚h/λ满足以下等式：
θ＝122.15+376.93×(h/λ)+978.89×(h/λ)2±0.5。
4.如权利要求1所述的声表面波器件，其特征在于，所述器件是利用SH型表面波的衬底边缘反射型的声表面波器件。
5.一种声表面波器件，其特征在于包括：
具有由(0、θ、φ)所示欧拉角度的石英旋转Y板，角度θ位于125度＜θ＜132度的范围，角度φ为90度，以及
设置在该石英旋转Y板上的至少一个叉指形换能器，该叉指形换能器包括钽。
6.如权利要求5所述的声表面波器件，其特征在于，叉指形换能器具有0.006＜h/λ＜0.031范围的标准化膜厚h/λ，其中，h为叉指形换能器的膜厚，λ为石英旋转Y板上激发的声表面波的波长。
7.如权利要求6所述的声表面波器件，其特征在于，角度θ和标准化膜厚h/λ较佳地满足以下等式：
θ＝122.4917+2921.45×(h/λ)。
8.如权利要求5所述的声表面波器件，其特征在于，所述器件是利用SH型表面波的衬底边缘反射型的声表面波器件。
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