DE10006241A1 - Substratplättchen aus Langasit/Langatat mit einem Kristallschnitt mit hohem Kopplungsfaktor und niedriger Ausbreitungsgeschwindigkeit für Oberflächenwellen - Google Patents
Substratplättchen aus Langasit/Langatat mit einem Kristallschnitt mit hohem Kopplungsfaktor und niedriger Ausbreitungsgeschwindigkeit für OberflächenwellenInfo
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Abstract
Substratplättchen aus Langasit bzw. Langatat mit einem Kristallschnitt (x 1 , x 2 , x 3 ) für Langasit in einem Bereich um die Euler-Winkelkombination (10 , 140 , 166 ) oder den dazu äquivalenten Euler-Winkelkombinationen bzw. mit speziellen Winkelkombinationen des Langatats.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Substratplättchen für ins
besondere auch frequenzstabile Oberflächenwellen-
(OFW)Bauelemente, wobei das Substratplättchen aus einem Lan
gasit-/Langatat-Einkristall besteht und die für das Bauele
ment vorgesehene Oberfläche des Substratplättchens ein sol
cher Kristallschnitt ist, mit dem dieses OFW-Bauelement, be
zogen auf diese Oberfläche, einen hohen elektromechanischen
Kopplungsfaktor und niedrige Ausbreitungsgeschwindigkeit für
Oberflächenwellen hat, sowie insbesondere auch von Tempera
tur-Änderungen unabhängige Frequenzstabilität des OFW-
Bauelements gewährleistet.
Auch Langasit und Langatat werden als Kristallmaterial wie
Quarz, Lithiumniobat/-tantalat und dgl. für Oberflächenwellen-
Bauelemente als Substratplättchen verwendet. Solche Oberflä
chenwellen-Bauelemente dienen als (Hochfrequenz-)Filter, Ver
zögerungsleitungen, Identifizierungsmarken und Sensoren für
vielerlei Anwendungen. Auf der mindestens einen ebenen Fläche
des Substratplättchens sind für ein solches Bauelement Elek
trodenstrukturen jeweils vorgegebener Art und Ausführung auf
gebracht. Mittels Wandler-Elektrodenstrukturen können bei
eingeprägtem elektrischem Signal in der ebenen Fläche des
Kristalls akustische Wellen erzeugt werden, die je nach vor
liegenden Randbedingungen jeweilige Wellenform haben, insbe
sondere Rayleigh-Wellen, Scherwellen oder dgl. sind. Eine
solche Welle läuft an der Oberfläche mit einer materialspezi
fischen und vom Kristallschnitt abhängigen Geschwindigkeit,
die auch von der jeweiligen Temperatur des Kristalls abhängig
sein kann. Bilden diese Elektrodenstrukturen ein elektroaku
stisches Resonanzsystem, so ist auch die Frequenzstabilität
eines solchen Oberflächenwellen-Bauelements temperaturabhän
gig. Für einen jeweiligen Kristallschnitt kann das Kri
stallmaterial die Eigenschaft haben, daß die an sich durch
die gewählte Struktur des Wandlersystems bestimmte Haupt-
Wellenausbreitungsrichtung tatsächlich um einen Beam-
Steering-Winkel geschwenkt ist.
Aus dem Stand der Technik, z. B. Jpn. J. Appl. Phys. Volume 37
(1998) pp. 2909-2913 und der DE-C-195 32 602, sind bereits für
bestimmte Anwendungen als geeignet angesehene bzw. ausgewähl
te Kristallschnitte für OFW-Substratplättchen bekannt. Insbe
sondere die zweitgenannte Druckschrift gibt die Temperaturei
genschaft einzelner Kristallschnitte des Langasits an. Es
sind dies solche Kristallschnitte, die, nämlich für Tempera
tursensoren, besonders hohe Temperaturabhängigkeit der elek
trischen Bauelement-Werte aufweisen. Spezielle Kristall
schnitte für Filter und dgl. sind in der WO 97/25776 mit Eu
ler-Winkeln λ = -15° bis +10°, µ = 120° bis 165° und θ = 20°
bis 45° beschrieben. Zum Langatat sei auf IEEE, Frequ. Con
trol. Symp. (1998) pp. 742-765 verwiesen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unabhängig von be
reits bekannten, für jeweilige Anwendungen günstigen Kri
stallschnitten für Langasit und Langatat, solche Kristall
schnitte für Substratplättchen für Oberflächenwellen-
Bauelemente zu finden, die möglichst großen Kopplungsfaktor,
kleine Ausbreitungsgeschwindigkeit der (ausgewählten) Ober
flächenwelle und auch möglichst nahe gegen Null gehenden Beam-
Steering-Winkel haben. Dies soll möglichst für alle diese
drei Eigenschaften beim jeweiligen gesuchten/gefundenen Kri
stallschnitt der Fall sein. Insbesondere sollen Oberflächen
wellen-Bauelemente mit diesen Kristallschnitten auch tempera
turstabile/-invariante Eigenschaft und als Resonanzbauelemen
te hohe Frequenzstabilität haben. Bei hohem Kopplungsfaktor
läßt sich (bei konstanter Einfügungsdämpfung) große Filter
bandbreite erreichen. Insbesondere soll (dafür) bei einem er
findungsgemäßen Kristallschnitt die Ausbreitungsgeschwindig
keit einer Volumenwelle in diesem Material mit erfindungsge
mäßem Kristallschnitt um ein wesentliches Maß verschieden
(größer) sein als die niedrige Fortpflanzungsgeschwindigkeit
für die jeweilige vorgesehene Oberflächenwelle im Kristall
schnitt bzw. des Oberflächenwellen-Bauelements.
Diese Aufgabe wird mit Kristallschnitten mit Euler-
Winkelkombinationen gemäß den Angaben der Patentansprüche ge
löst und weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen
stand von Unteransprüchen.
Das bekannte Langasit und Langatat, in etwa mit der Zusammen
setzung La3Ga5SiO14 bzw. La3Ga5,5Ta0,5O14 bilden beide einen
trigonalen Kristall bzw. haben eine Kristall-Elementarzelle
mit trigonaler Symmetrie mit schiefwinkligem x,y,z-
Koordinatensystem mit den Winkeln, 120°, 90°, 90° dieser Ach
sen zueinander. Diesem Kristall-Koordinatensystem wird in der
Praxis als Basis für die Erfassung und Angabe der einzelnen
Materialgrößen und deren weitere Verwendung ein rechtwinkli
ges Koordinatensystem, hier mit X, Y und Z bezeichnet, zuge
ordnet. Dabei sind die Z-Achse als mit der z-Achse und die X-
Achse als mit der x-Achse zusammenfallend bzw. jeweils zuein
ander parallel ausgerichtet definiert. Hierzu sei auch auf
Standards on Piezoelectric Crystals (1949) und Nye, Physical
Properties of Crystals, Oxford Science Publications,
CLARENDON Press Oxford (1985), Appendix B, insbesondere Sei
ten 276 bis 281 hingewiesen.
Für den Fachmann steht jedoch zur Wahl, mit welcher Orientie
rung er ein Substratplättchen mit einer bestimmten Oberfläche
zur Lösung der oben genannten Aufgabe aus einem Langasit-
Einkristall herausschneidet und welche Richtung auf dieser
bestimmten Oberfläche er für die Anregung einer Oberflächen
welle vorsieht. Zur Kennzeichnung dieses Kristallschnittes
und dieser Richtung wird der Oberfläche des Substratplätt
chens ein eigenes rechtwinkliges Achsensystem, hier mit x1,
x2 und x3 bezeichnet, zugeordnet. Der eindeutige Bezug des
rechtwinkligen Kristall-Koordinatensystems X, Y, Z und dieses
Achsensystems x1, x2, x3 des Kristallschnittes zueinander ist
in bekannter Weise durch die jeweilige Angabe der Euler-
Winkel λ, µ und θ definiert und quantitativ eindeutig fest
legbar.
Für ein Substratplättchen eines Oberflächenwellen-Bauelements
bzw. für die mit den Strukturen versehene Oberfläche ist es
Praxis, die x1-Richtung als von der Wandlerstruktur bestimmte
Haupt-Wellenausbreitungsrichtung (bei Beam-Steering-Winkel =
0) zusammenfallen zu lassen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung seien auch die Figuren
hinzugezogen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines piezoelek
trischen Oberflächenwellen-Bauelements bzw. seines Substrat
plättchens.
Fig. 2 zeigt das bereits rechtwinklige Koordinatensystem
X, Y, Z des Kristalls und die Lage der Euler-Winkel.
Mit 10 ist in Fig. 1 das Langasit- bzw. Langatat-
Kriställplättchen des Oberflächenwellen-Bauelements 1 be
zeichnet. Auf der ausgewählten Oberfläche 11 ist eine Ober
flächenwellenstruktur 12 dargestellt, die (vereinfacht) als
eine Wandlerstruktur 112 und eine Reflektorstruktur 212 wie
dergegeben ist. Mittels der Wandlerstruktur 112 kann bei ent
sprechend an dieser anliegendem elektrischen Signal in der
Oberfläche 11 eine akustische Welle 13 erzeugt werden, die
(wiederum beim Beam-Steering-Winkel = 0) in der mit der Achse
x1 angegebenen Haupt-Wellenausbreitungsrichtung fortschrei
tet. Dazu orthogonal sind die weiteren Achsen x2 und x3 ori
entiert. Dieses Achsensystem x1, x2, x3 kennzeichnet den Kri
stallschnitt der Oberfläche 11.
In Fig. 2 sind die Achsen X, Y und Z des Kristalls in per
spektivischer Ansicht dargestellt. In dieses Kristallkoordi
natensystem sind die Achsen x1 bis x3 des Kristallschnittes
der Fläche 11 der Fig. 1 zusätzlich eingetragen. Diese Ori
entierung der Kristallschnittachsen zu den Kristallachsen X,
Y, Z ist durch die Euler-Winkel λ, µ und θ eindeutig be
schrieben. Aus dem Kristallkoordinatensystem X, Y, Z erhält
man durch die drei definitionsgemäß aufeinanderfolgenden Win
keldrehungen λ, µ und θ die Orientierung des Achsensystems
x1, x2, x3. Dazu wird zunächst die Ebene der Achsen X und Y
um die Achse Z herum um den Winkel λ gedreht. Dies ergibt als
Zwischenstadium das Achsensystem x1', x2', x3'. Dann wird die
Ebene mit der Z-Achse und der x2'-Achse um die Achse x1' um
den Winkel µ gedreht. Daraus ergibt sich die Achsenanordnung
x1' = x1", x2", x3". Mit dem dritten Euler-Winkel θ wird
nunmehr die Ebene mit den Achsen x1" und x2" um die Achse
x3" gedreht und dies ergibt das Achsensystem x1, x2, x3 des
Kristallschnittes, d. h. der Oberfläche 11.
Erfindungsgemäße Kristallschnitte mit dem hohen Kopplungsfak
tor und niedriger, wenig temperaturabhängiger Ausbreitungsge
schwindigkeit der akustischen Oberflächen-Welle 13 und damit
mit hoher Frequenzstabilität eines Hochfrequenz-Bauelements
sind gekennzeichnet durch Euler-Winkel für Langasit im jewei
ligen Bereich von λ = 10° bis 14°, µ = 130° bis 150° und θ =
größer 160° bis 175°. Kristallschnitte mit in diese Bereiche
fallenden Euler-Winkeln und allen dazu kristallographisch
äquivalenten Euler-Winkelkombinationen haben sehr geringen
linearen Temperaturkoeffizienten der zusätzlich auch noch
niedrigen Ausbreitungsgeschwindigkeit v von etwa 2680 m/s der
akustischen Welle 13 und des dazu relativ hohen elektroaku
stischen Kopplungsfaktors von etwa 0,45 bis 0,5%. Niedrige
Geschwindigkeit der Welle ermöglicht es, ein Oberflächenwel
len-Bauelement mit vorgegebener Eigenschaft schon mit einem
vergleichsweise kleinen/kurzen Substratplättchen zu realisie
ren und ein solches Bauelement hat durch den höheren Kopp
lungsfaktor eine höhere erzielbare Frequenzbandbreite bei
vergleichsweise niedriger Einfügungsdämpfung.
Hinzu kommt noch, daß der Beam-Steering-Winkel besonders
klein ist für ein Bauelement mit in diese erfindungsgemäßen
Winkelbereiche fallenden Euler-Winkeln des Kristallschnittes.
Eine hinsichtlich der Aufgabenstellung bzw. der mit der Er
findung erzielten Vorteile besonders günstige Wahl einer Eu
ler-Winkelkombination für Langasit ist die mit (λ, µ, θ) = (10,
140, 166) mit einer Toleranzbreite von ±5° für die Winkel µ
und θ. Der Winkel λ ist zumindest möglichst innerhalb der
Herstellungsgenauigkeit des Kristallschnittes einzuhalten.
Kristallographisch und damit in ihren oben genannten Eigen
schaften für die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden
Aufgabe gleichwertig sind dazu die äquivalenten Euler-
Winkelkombinationen. Dies gilt wieder mit der oben angegebe
nen Winkeltoleranz für die äquivalenten Winkelkombinationen.
Die oben genannte Winkel-Kombination (10, 140, 166) sei
(l0, m0, t0), worin l, m und t für λ, µ und θ stehen.
Äquivalente zu l0, m0, t0 sind:
(l0, m0, t0 + 180) = (10, 140, 346)
(l0, m0 + 180, 180 - t0) = (10, 320, 14)
(l0, m0 + 180, 360 - t0) = (10, 320, 194)
(l0 + 120, m0, t0) = (130, 140, 166)
(l0 + 120, m0, t0 + 180) = (130, 140, 346)
(l0 + 120, m0 + 180, 180 - t0) = (130, 320, 14)
(l0 + 120, m0 + 180, 360 - t0) = (130, 320, 194)
(l0, m0 + 180, 180 - t0) = (10, 320, 14)
(l0, m0 + 180, 360 - t0) = (10, 320, 194)
(l0 + 120, m0, t0) = (130, 140, 166)
(l0 + 120, m0, t0 + 180) = (130, 140, 346)
(l0 + 120, m0 + 180, 180 - t0) = (130, 320, 14)
(l0 + 120, m0 + 180, 360 - t0) = (130, 320, 194)
und entsprechend weitere Kombinationen, von denen nachfolgend
nur noch die sich ergebenden Winkelkombinationen angegeben
werden.
(250, 140, 166) | (110, 140, 14) |
(250, 140, 346) | (110, 140, 194) |
(250, 320, 14) | (110, 320, 166) |
(250, 320, 194) | (110, 320, 346) |
(230, 140, 14) | (350, 140, 14) |
(230, 140, 194) | (350, 140, 194) |
(230, 320, 166) | (350, 320, 166) |
(230, 320, 346) | (350, 320, 346) |
(50, 220, 14) | (70, 220, 166) |
(50, 220, 194) | (70, 220, 346) |
(50, 40, 166) | (70, 40, 14) |
(50, 40, 346) | (70, 40, 194) |
(170, 220, 14) | (190, 220, 166) |
(170, 220, 194) | (190, 220, 346) |
(170, 40, 166) | (190, 40, 14) |
(170, 40, 346) | (190, 40, 194) |
(290, 220, 14) | (310, 220, 166) |
(290, 220, 194) | (310, 220, 346) |
(290, 40, 166) | (310, 40, 14) |
(290, 40, 346) | (310, 40, 194) |
Das hinsichtlich des Erfindungsgedankens prinzipiell gleich
artige Langatat als einkristallines Material für Substrat
plättchen für Oberflächenwellenelemente hat für die Lösung
derselben oben genannten Aufgabe andere Euler-
Winkelkombinationen, die nachfolgend angegeben sind. Erfin
dungsgemäße Kristallschnitte des Langatats mit hohem Kopp
lungsfaktor und besonders geringer Ausbreitungsgeschwindig
keit sowie wenigstens nahezu beim Wert Null liegendem Beam-
Steering-Winkel sind (λ0, µ0, θ0) mit den speziellen Winkel
werten in ° wie folgt:
(0, 80-110, 0) mit Toleranzbereich ±5° für λ und θ,
(0, 20-80, 32,5 ±5)
(0-20, 130-150, 155-180)
(30, 60, 0) mit jeweils ±5° Winkeltoleranz
(10 ±5, 35 ±10, 26 ±5)
(20 ±5, 30-70, 17 ±5)
und zu diesen vorangehenden Euler-Winkel-Kombinationen die jeweils dazu kristallographischen (Winkel-)Äquivalente, die wie zum Langasit angegeben, aufzufinden bzw. definiert sind.
(0, 80-110, 0) mit Toleranzbereich ±5° für λ und θ,
(0, 20-80, 32,5 ±5)
(0-20, 130-150, 155-180)
(30, 60, 0) mit jeweils ±5° Winkeltoleranz
(10 ±5, 35 ±10, 26 ±5)
(20 ±5, 30-70, 17 ±5)
und zu diesen vorangehenden Euler-Winkel-Kombinationen die jeweils dazu kristallographischen (Winkel-)Äquivalente, die wie zum Langasit angegeben, aufzufinden bzw. definiert sind.
Speziell die Winkel-Kombination (0, 90, 0) (mit zugehörigem
Toleranzbereich) zeichnet sich durch eine besonders niedrige
Ausbreitungsgeschwindigkeit für Oberflächenwellen mit wenig
über 2200 m/s und einen Kopplungsfaktor von 0,54% aus. Solche
Eigenschaft kann insbesondere dafür benutzt werden zu verhin
dern, daß im Substratplättchen zusätzlich auftretende Volu
menwellen keinen Einfluß auf die Eigenschaft des Oberflächen
wellen-Bauelements, z. B. als Resonator, haben. Die oben an
zweiter und dritter Stelle genannten Euler-
Winkelkombinationen zeichnen sich besonders dadurch aus, daß
die frequenzmäßig nächstliegende Volumenwelle weit entfernt
von der Frequenz einer Oberflächenwelle liegt und somit gera
de diese Schnitte besonders geeignet sind für Oberflächenwel
len-Filter mit besonders großer nutzbarer Bandbreite. Beson
ders hohen Kopplungsfaktor von sogar 0,7%, und zwar dies bei
verschwindendem Beam-Steering-Winkel hat insbesondere ein
Kristallschnitt mit den Euler-Winkeln (10, 140, 167,5) mit
einer Wellenausbreitungsgeschwindigkeit von ca. 2540 m/s. Der
Beam-Steering-Winkel ist (für Langatat) nicht zu vernachläs
sigen, denn z. B. bei der Winkel-Kombination (40, 40, 0) be
trägt dieser mehr als 9°.
Vorteilhaft sind die nur einfach rotierten Schnitte (mit dem
Euler-Winkel λ = 0°), weil Substratplättchen dieser Schnitte
leichter herzustellen sind als sogenannte doppelrotierte
Schnitte. Jedoch haben einige der doppelt rotierten Schnitte
besonders günstige Eigenschaften für Substratplättchen für
Oberflächenwellen-Bauelemente. Die spezielle Kombination
(30, 60, 0) zeichnet sich aus durch einen vernachlässigbaren
geringen Einfluß der nächstliegenden Volumenwelle. Deren Aus
breitungsgeschwindigkeit ist mehr als 200 m/s verschieden von
derjenigen einer Oberflächenwelle bei gleich großem Kopp
lungsfaktor mit etwa 0,52°. Eine Euler-Winkelkombination in
nerhalb der Kombination (10,25-45,26), speziell mit µ = 30°
hat bei einem hohen Kopplungsfaktor 0,53% eine Ausbreitungs
geschwindigkeit der Oberflächenwelle von nur ca. 2320 m/s.
Auch bei dieser Kombination gewährleistet der große Abstand
der Frequenz der nächsten Volumenwelle hohe nutzbare Band
breite als Oberflächenwellen-Bauelement (etwa im Vergleich zu
der Kombination (0, 90, 0)). Eine Winkel-Kombination des Berei
ches (20, 30-70, 17) speziell die Kombination (20, 60, 16) hat
eine ganz besonders niedrige Ausbreitungsgeschwindigkeit von
nur 2300 m/s.
Claims (6)
1. Substratplättchen (10) mit einem Kristallschnitt (λ, µ,
θ) mit hohem Kopplungsfaktor und niedriger Oberflächenwellen-
Ausbreitungsgeschwindigkeit, zu verwenden für ein elektroni
sches Oberflächenwellen-Bauelement mit einer orientierten
(x1, x2, x3) Substrat-Oberfläche (11) für die Oberflächenwel
lenstruktur (12) mit in der Richtung x1 vorgesehener Oberflä
chenwellen-Ausbreitung,
gekennzeichnet dadurch,
daß für Langasit diese Oberfläche (11) durch Euler-
Winkel λ im Bereich von 10° bis 14°, µ im Bereich von 130°
bis 150° und θ im Bereich von größer 160° bis kleiner 175°
definiert ist.
2. Substratplättchen nach Anspruch 1,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Oberfläche (11) durch die Euler-Winkel
(λ, µ, θ) = (10°, 140°, 166°) mit einer jeweiligen Toleranzbreite
der Winkel µ und θ von ±5° definiert ist.
3. Substratplättchen nach Anspruch 1,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Oberfläche (11) durch eine solche Euler-
Winkelkombination (λ, µ, θ) definiert ist, die eine äquivalente
Euler-Winkelkombination zu einer Euler-Winkelkombination der
Bereiche des Anspruchs 1 ist.
4. Substratplättchen nach Anspruch 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Oberfläche (11) durch eine Euler-
Winkelkombination definiert ist, die eine solche Euler-
Winkelkombination ist, die ein Äquivalent der Euler-
Winkelkombination (10°,140°,166°) mit einer Toleranzbreite
von ±5° für die Winkel µ und θ ist.
5. Substratplättchen (10) mit einem Kristallschnitt (λ, µ,
θ) mit hohem Kopplungsfaktor und niedriger Oberflächenwellen-
Ausbreitungsgeschwindigkeit, zu verwenden für ein elektroni
sches Oberflächenwellen-Bauelement mit einer orientierten
(x1, x2, x3) Substrat-Oberfläche (11) für die Oberflächenwel
lenstruktur (12) mit in der Richtung x1 vorgesehener Oberflä
chenwellen-Ausbreitung,
gekennzeichnet dadurch,
daß für Langatat diese Oberfläche (11) definiert ist
durch eine der Euler-Winkelkombinationen (λ0, µ0, θ0) mit den
folgenden speziellen Winkeln bzw. Winkelbereichen:
(0 ±5, 80-110, 0 ±5)
(0, 20-80, 32,5 ±5)
(0-20, 130-150, 155-180)
(30 ±5, 60 ±5, 0 ±5)
(10 ±5, 25-45, 26 ±5)
(20 ±5, 30-70, 17 ±5).
(0 ±5, 80-110, 0 ±5)
(0, 20-80, 32,5 ±5)
(0-20, 130-150, 155-180)
(30 ±5, 60 ±5, 0 ±5)
(10 ±5, 25-45, 26 ±5)
(20 ±5, 30-70, 17 ±5).
6. Substratplättchen nach Anspruch 5,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Oberfläche (11) durch eine Euler-
Winkelkombination definiert ist, die eine äquivalente Euler-
Winkelkombination eines Kristallschnittes nach Anspruch 5
ist.
Priority Applications (1)
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DE10006241A DE10006241A1 (de) | 1999-02-23 | 2000-02-11 | Substratplättchen aus Langasit/Langatat mit einem Kristallschnitt mit hohem Kopplungsfaktor und niedriger Ausbreitungsgeschwindigkeit für Oberflächenwellen |
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