DE3117747A1

DE3117747A1 - Piezoelektrisches element

Info

Publication number: DE3117747A1
Application number: DE19813117747
Authority: DE
Inventors: Matthias R. Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Risch
Original assignee: KOLLSMAN SYSTEM TECHNIK GmbH
Current assignee: KOLLSMAN SYSTEM TECHNIK GmbH
Priority date: 1981-05-05
Filing date: 1981-05-05
Publication date: 1982-11-25

Description

Piezoelektrisches Element
Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Element, enthaltend ein piezoelektrisches Substratmaterial sowie wenigstens- eine auf das Substratmaterial aufgebrachte Elektrode aus einem elektrisch leitenden Material mit einer Schallgeschwindigkeit, die etwa der Schallgeschwindigkeit des Substratmater leu <ntspricht.
Piezoelektrische Elemente finden vor allem als Schwingquarze zur Erzeugung hochkonstanter Schwingungen sowie als Oberflächenwellenfilter im Ultraschallbereich Verwendung.
Die Elektrode wird üblicherweise unmittelbar auf das piezoelektrische Substratmaterial aufgebracht.
Damit nun das piezoelektrische Substratmaterial Schwingungen von hoher Genauigkeit und Konstanz ausführen kann, darf die Elektrode keine merklichen Kräfte auf das Substratmaterial ausüben.
Unerwünschte Spannungen und elastische Verformungen zwischen Elektrode und Substratmaterial können sich insbesondere durch eine unterschiedliche thermische Ausdehnung beider Materialien ergeben. Erschwerend kommt hinzu, daß derartige piezoelektrische Elemente vielfach in einem weiten Temperaturbereich arbeiten müssen (beispielsweise zwischen -550C und +105°C) und daß außerdem für das meist in Form des Aufdampfens erfolgende Aufbringen der Elektrode ein Temperaturbereich von 0 bis ca. 8000C zu berücksichtigen ist.
Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist es bei Schwingquarzen, die innerhalb eines größeren Temperaturbereiches arbeiten sollen, bereits bekannt, die Elektrode aus einem Material herzustellen, das einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das piezoelektrische Substratmaterial besitzt. So hat man bei Verwendung von Quarz als Substratmaterial - je nach dem, ob die Ausdehnungsrichtung parallel oder senkrecht zur optischen Achse vorgesehen ist -Kupfer oder Chrom als Elektrodenmaterial gewählt.
-Dadurch lassetich zwar elastische und/oder plastische Verformungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung von Elektrode und Substratmaterial weitgehend vermeiden. Nachteilig ist jedoch bei diesen bekannten Ausführungen die verhältnismäßig schlechte akustische Kopplung zwischen Substratmaterial und Elektrode, was eine mäßige Leistungsübertragung zur Folge hat und infolge von Leistungsverlusten zur Verschlechterung der Flankensteilheit (Q-Wert) von Filtern führt.
Bei Oberflächenwellenfiltern ist es daher zur Verbesserung der Leistungsankopplung bekannt, die Elektroden aus Materialien herzustellen, die eine gute akustische Kopplung ergeben, die also etwa die gleiche Schallgeschwindigkeit wie das piezoelektrische Substratmaterial besitzen. Bei Verwendung von Quarz als Substratmaterial werden die Elektroden derartiger Oberflächenwellenfilter vorzugsweise aus Aluminium hergestellt. Hierbei ergeben sich jedoch wegen der mangelnden thermischen Anpassung die oben geschilderten Schwierigkeiten, insbesondere wenn der Arbeitspunkt innerhalb eines größeren Temperaturbereiches schwanken kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Mängel der bekannten Ausführungen ein piezoelektrisches Element zu entwickeln, das sich sowohl durch eine gute thermische Anpassung der Elektrode an das Substratmaterial als auch durch eine ausgezeichnete akustische Kopplung zwischen Substratmaterial und Elektrode auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Elektrode und dem Substratmaterial eine Zwischenschicht vorgesehen ist, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient etwa dem des Substratmateriales entspricht und deren Schichtstärke kleiner als die Wellenlänge (k) der Resonanzschwingung des Substratmateriales ist.
Da die Elektrode aus einem Material besteht, dessen Schallgeschwindigkeit etwa der des piezoelektrischen Substratmateriales entspricht, ergibt sich eine gute akustische Kopplung zwischen Substratmaterial und Elektrode und damit eine ausgezeichnete Leistungsübertragung.
Das Problem der mangelnden thermischen Anpassung der Elektrode an das Substratmaterial wird erfindungsgemäß durch die Verwendung der genannten Zwischenschicht gelöst. Indem diese Zwischenschicht aus einem Material besteht, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient in dem gesamten zu berücksichtigenden Temperaturbereich etwa dem des Substratmateriales entspricht, können sich zwischen dem Substratmaterial und der Zwischenschicht keine thermisch bedingten, elastischen und/oder plastischen Verformungen ergeben. Diese temperaturbedingten Verformungen stellen sich vielmehr zwischen der Elektrode und der Zwischenschicht ein und beeinflussen infolgedessen nicht die Schwingungen des piezoelektrischen Substratmateriales. Dadurch ergibt sich eine außerordentlich hohe Genauigkeit und Konstanz der Schwingungen des piezoelektrischen Elementes innerhalb eines weiten Temperaturbereiches.
Gleichzeitig besitzt das erfindungsgemäe piezoelektrische Element jedoch auch eine ausgezeichnete akustische Kopplung zwischen dem Substratmaterial und der Elektrode. Hierfür ist außer der Anpassung des Elektrodenmateriales an das Substratmaterial hinsichtlich der Schallgeschwindigkeit wesentlich, daß die Schichtstärke der Zwischenschicht kleiner als die Wellenlänge (A) der Resonanzschwingung des Substratmateriales ist. Dadurch kann die Schwingung weitgehend ungedämpft durch die Zwischenschicht hindurchlaufen.
Zweckmäßig ist die Schichtstärke der Zwischenschicht kleiner als X A Sowohl aus fertigungstechnischen Gründen als auch mechanischim Hinblick auf die angestrebte thermische Entkoppelung von Elektrode und Substratmaterial wird die Schichtstärke der Zwischenschicht größer als 2 nm, vorzugsweise größer als 10 m, gewählt.
Optimale Werte der Schicht stärke der Zwischenschicht liegen im Bereich zwischen 0,1 und 6 ßm.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Zwischenschicht soll im Arbeitsbereich, vorzugsweise im Temperaturbereich zwischen -550C und +1050C, um nicht mehr als etwa 10% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substratmateriales abweichen.
In dem größeren Temperaturbereich zwischen 0 und ca. 8000C, der insbesondere für das Aufdampfen der Elektrode in Betracht kommt, soll der thermische Ausdehnungskoeffizient der Zwischenschicht um nicht mehr als etwa 15% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substratmateriales abweichen.
Der Erfindung liegen eingehende Untersuchungen zugrunde, welche Materialien für die Elektrode und die Zwischenschicht (bei den verschiedenen, in Betracht zu ziehenden piezoelektrischen Substratmaterialien) geeignet sind. Hierbei müssen insbesondere der thermische Ausdehnungskoeffizient und die Schallgeschwindigkeit - jeweils in ihrer Abhängigkeit von der Temperatur im gesamten, sehr großen Temperaturbereich - berücksichtigt werden. Dabei ergaben sich folgende Resultate:.
Wird das piezoelektrische Substratmaterial durch sL-Quarz oder Turmalin (jeweils mit parallel zur optischen Achse angeordneter Zwischenschicht und Elektrode) gebildet, so besteht die Zwischenschicht zweckmäßig aus einem der folgenden Materialien: Bor (B), Cer (Ce), Chrom (Cr), Dysprosium (Dy), Niob (Nb), Neodym (Nd), Platin (Pt), Rhenium (Re), Rhodium (Rh), Ruthen (Ru), Terbium (Tb), Titan (Ti).
Wird das Substratmaterial durch d5-Quarz mit senkrecht zur optischen Achse angeordneter Zwischenschicht und Elektrode gebildet, so besteht die Zwischenschicht zweckmäßig aus einem der folgenden Materialien: Gold (Au), Wismut (Bi), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Uran (U).
Findet ein Substratmaterial aus Turmalin mit senkrecht zur optischen Achse angeordncter Zwischenschicht und Elektrode Verwendung, so besteht die Zwischenschicht zweckmäßig aus einem der folgenden Materialien: Lanthan (La), Molybdän (Mo), Praseodym (Pr), Wolfram (W).
Wird Zinkblende (ZnS) als Substratmaterial benutzt, so kann die Zwischenschicht aus einem der folgenden Materialien bestehen: Chrom (Cr), Gadolinium (Gd), Hafnium (Hf), Iridium (Ir), Niob (Nb), Neodym (Nd), Osmium (Os), Rhenium (Re), Tantal (Ta), Terbium (Tb).
Besteht das Substratmaterial aus Quarzit, so liegt die erforderliche thermische Anpassung vor, wenn die Zwischenschicht aus einem der folgenden Materialien besteht: Beryllium (Be), Wismut (Bi), Kobalt (Co), Nickel (Ni).
Bei Verwendung von Bariumtitanat (BaTiO3) als Substratmaterial sind als Zwischenschicht geeignet: Palladium (Pd), Antimon (Sb), Thorium (Th).
Wird schließlich Kaliummonophosphat (KH2P04) als Substratmaterial verwendet, so ist die erforderliche thermische Anpassung bei folgenden Materialien der Zwischenschicht gegeben: Aluminium (Al), Calcium (Ca), Cadmium (Cd), Indium (In), Magnesium (Mg), Blei (Pb), Zinn (Sn), Thallium (Tl), Yttrium (Y), Ytterbium (Yb).
Was die Anpassung der Elektrode an das Substratmaterial hinsichtlich der Schallgeschwindigkeit anbelangt, so kann - wenn das Substratmaterial durch Quarz gebildet wird - die Elektrode aus einem der folgenden Materialien bestehen: Aluminium (Al), Kobalt (Co), Eisen (Fe), Iridium (Ir), Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Nickel (Ni), Osmium (Os), Rhenium (Re), Rhodium (Rh).
Das erfindungsgemäße piezoelektrische Element kann entweder als einfacher Schwingungserzeuger oder als Oberflächenwellenfilter ausgebildet sein. Im letzteren Falle weist es eine Vielzahl von Elektroden auf, die 4 bzw. /1, im Abstand von 43-bzw. 2 bzw. unter Zwischenfügung der erläuterten Zwischenschicht auf die Oberfläche des piezoelektrischen Substratmateriales aufgebracht sind.
Bei einem Oberflächenwellenfilter werden die Zwischenschicht und die Elektrode zweckmäßig wenigstens teilweise in einer Oberflächenvertiefung des piezoelektrischen- Substratmateriales untergebracht.
Bei einem als einfacher Schwingungserzeuger (Schwingquarz) ausgebildeten piezoelektrischen Element werden demgegenüber die Zwischenschicht und die Elektrode zweckmäßig auf eine plane Oberfläche des piezoelektrischen Substratmateriales aufgebracht.
Die Fig.1 bis 10 der Zeichnung zeigen schematisch einige Varianten des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Elementes.
Dabei ist jeweils mit 1 das piezoelektrische Substratmaterial, mit 2 die Zwischenschicht und mit 3 die Elektrode bezeichnet.
Bei den Varianten der Fig.1 und 2 sind die Zwischenschicht 2 und die Elektrode 3 auf eine plane Fläche des Substratmateriales 1 aufgebracht. Bei den übrigen Varianten (Fig.3 bis 10), die insbesondere für Ober- flächenwellenfilter in Betracht kommen, sind die Zwischenschicht 2 und die Elektrode 3 ganz oder teilweise in einer Oberflächenvertiefung des Substratmateriales 1 vorgesehen.
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Claims

Patentansprüche: 1.Piezoelektrisches Element, enthaltend eih piezoelektrisches Substratmaterial sowie wenigstens eine auf das Substratmaterial aufgebrachte Elektrode aus einem elektrisch leitenden Material mit einer Schallgeschwindigkeit, die etwa der Schallgeschwindigkeit des Substratmateriales entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Elektrode (3) und dem Substratmaterial (1) eine Zwischenschicht (2) vorgesehen ist, deren thermischer AusdehnungSkoeffizientetwa dem des SubstratmaterialesÜntspricht und deren Schichtstärke kleiner als die Wellenlänge ( &) der Resonanzschwingung des Substratmateriales , , ist.
2. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei dem das Substratmaterial durch bt-Quarz oder Turmalin mit jeweils parallel zur optiSchen Achse angeordneter Zwischenschicht und Elektrode gebildet wird, dadurch gekennzeXchnet, daß die Zwischenschicht (2) aus einem der folgenden Materialien besteht: Bor (B), Cer (Ce), Chrom (Cr), Dysprosium (Dy), Niob (Nb), Neod+E (Nd), Platin (Pt), Rhenium (Re), Rhodium (Rh), Ruthen (Ru), Terbium (Tb), Titan (Ti).
3. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei dem das Substratmaterial durch &-Quarz mit senkrecht zur optischen Achse angeordneter Zwischenschicht und Elektrode gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (2)aus einem der folgenden Materialien besteht: Gold (Au), Wismut (Bi), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Uran (U).
4. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei dem das Substratmaterial aus Turmalin!mit senkrecht zur optischen Achse angeordneter Zwischenschicht und Elektrode Verwendung findet, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (2) aus einem der folgenden Materialien besteht: Lanthan (La); Molybdän (Mo), Praseodym (Pr), Wolfram (W).
5. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei dem Zinkblende (ZnS) als Substratmaterial benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus einem der folgenden Materialien besteht: Chrom (Cr), Gadolinium (Gd), Hafnium (Hf), Iridium (Ir), Niob (Nb), Neodym (Nd), Osmium (Os), Rhenium (Re), Tantal (Ta), Terbium (Tb).
6. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei dem das Substratmaterial aus Quarzit besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus einem der folgenden Materialien besteht: Beryllium (Be), Wismut (Bi), Kobalt (Co), Nickel (Ni).
7. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei dem das Substratmaterial aus Bariumtitanat (BaTi03) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus einem der folgenden Materialien besteht: Palladium (Pd), Antimon (Sb), Thorium (Th).
8. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei dem Kaliummonophosphat (SH2P04) als Substratmaterial verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus einem der folgenden Materialien besteht: Aluminium (Al), Calcium (Ca), Cadmium (Cd), Indium (In), Magnesium (Mg), Blei (Pb), Zinn (Sn), Thallium (Tl), yttrium (Y), Ytterbium (Yb).
9. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, bei dem das Substratmaterial durch Quarz gebildet wird! dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (3) aus einem der folgenden Materialien besteht: Aluminium (Al), Kobalt (Co), Eisen (Fe), Iridium (Ir), Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Nickel (Ni), Osmium (Os), Rhenium (Re), Rhodium (Rh).
10. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtstärke der Zwischenschicht (2) kleiner als k \ ist.
11. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtstärke der Zwischenschicht (2) größer als 2 nm, vorzugsweise größer als 10 nm, ist.
12. Piezoelektrisches Element nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtstärke der Zwischenschicht (2) im Bereich zwischen 0,1 und 6 ßm liegt.
13. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der Zwischenschicht (2) im Arbeitsbereich, vorzugsweise im Temperaturbereich zwischen -550C'und +105"C, um nicht mehr als etwa 10% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substratmateriales abweicht.
14. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der Zwischenschicht (2) im Temperaturbereich zwischen 0 und 8000C um nicht mehr als etwa 15% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substratmateriales abweicht.
15. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als Oberflächenwellenfilter ausgebildet ist, der eine Vielzahl von Elektroden aufweist, die im Abstand von 4tLbZW. -?t bzw. k unter Zwischenfügung einer Zwischenschicht auf die Oberfläche des piezoelektrischen Substratmateriales aufgebracht sind.
16. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, insbesondere zur Verwendung als Schwingquarz zur Erzeugung hochkonstanter Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (2) und die Elektrode (3) auf eine plane Oberfläche des piezoelektrischen Substratmateriales (1) aufgebracht sind.
17. Piezoelektrisches Element nach.Anspruch 1, insbesondere in Form eines Oberflächenwellenfilters nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (2) und die Elektrode (3) wenigstens teilweise in einer Oberflächenvertiefung des piezoelektrischen Substratmateriales (1) vorgesehen sind.