DE69832041T2

DE69832041T2 - Akustische oberflächenwellenvorrichtung

Info

Publication number: DE69832041T2
Application number: DE69832041T
Authority: DE
Inventors: Kenji Inoue; Katsuo Sato
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1997-09-02
Filing date: 1998-06-22
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2018-06-23
Also published as: JP3188480B2; WO1999012257A1; CN1138342C; EP0955726A1; EP0955726A4; US6137207A; EP0955726B1; CN1237288A; DE69832041D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen, die eine interdigitale Elektrode auf einer Einzelkristallunterlage umfasst.
STAND DER TECHNIK
In den vergangenen Jahren haben mobile Kommunikations-Endgeräte, einschließlich von Mobiltelefonen, sehr schnell an Beliebtheit gewonnen. Es ist aus Gründen der Mitführbarkeit insbesondere eine Reduzierung der Größe und des Gewichts dieser Endgeräte erwünscht. Um eine Reduzierung der Größe und des Gewichts von Endgeräten zu erreichen, sollten auch die Größe und das Gewicht der damit benutzten elektronischen Teile wesentlich reduziert werden. Deswegen werden Vorrichtungen für akustische Oberflächenwellen, die Größen- und Gewichtsreduzierungen begünstigen, d.h. Filter für akustische Oberflächenwellen, oft für die Hoch- und Zwischenfrequenzteile des Endgeräts benutzt. Eine Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen weist auf der Oberfläche einer piezoelektrischen Unterlage eine interdigitale Elektrode zum Erzeugen, Empfangen, Reflektieren und Ausbreiten akustischer Oberflächenwellen auf.
Zu den Merkmalen, die für eine piezoelektrische Unterlage, die für Vorrichtungen für akustische Oberflächenwellen benutzt wird, wichtig sind, gehören die Oberflächenwellengeschwindigkeit von akustischen Oberflächenwellen (SAW-Geschwindigkeit), der. Temperaturkoeffizient einer Mittenfrequenz im Falle von Filtern und einer Resonanzfrequenz im Falle von Resonatoren (der Frequenz-Temperaturkoeffizient: TCF), und ein elektromechanischer Kopplungsfaktor (k²). In Tabelle 1 sind die Merkmale verschiedener piezoelektrischer Unterlagen aufgezeigt, die bisher für Vorrichtungen für akustische Oberflächenwellen bekannt sind.
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich wird, haben 64LN und 36LT eine SAW-Geschwindigkeit von 4.000 m/s oder mehr, und sind daher für die Konstruktion von Filtern für Hochfrequenzteile von Endgeräten geeignet. Der Grund dafür ist, dass praktisch verschiedene Systeme für Mobilkommunikationen, von Mobiltelefonen repräsentiert, in der ganzen Welt eingesetzt sind und alle bei Frequenzen in einer Größenordnung von 1 GHz benutzt werden. Demgemäß weisen Filter, die für Hochfrequenzteile von Endgeräten benutzt werden, eine Mittenfrequenz von ungefähr 1 GHz auf. Filter für akustische Oberflächenwellen weisen eine Mittenfrequenz auf, die im Wesentlichen proportional zu den SAW-Geschwindigkeiten der benutzten piezoelektrischen Unterlagen ist, und fast umgekehrt proportional zu den Breiten von Elektrodenfingern, die auf den Unterlagen gebildet sind. Um es solchen Filtern zu ermöglichen, bei hohen Frequenzen betrieben zu werden, soll vorzugsweise auf Unterlagen mit hohen SAW-Geschwindigkeiten, zum Beispiel 64LN und 36LT zurückgegriffen werden. Es sind daher breite Durchlassbereich-Breiten von 20 MHz oder mehr für Filter, die auf Hochfrequenzteilen benutzt werden, erforderlich. Um solche breiten Durchlassbereiche zu erreichen, ist es im Wesentlichen erforderlich, dass piezoelektrische Unterlagen einen großen elektromechanischen Kopplungsfaktor k² aufweisen. Aus diesen Gründen werden häufig 64LN und 36LT benutzt.
Andererseits wird ein Frequenzbereich von 70 bis 300 MHz als eine Zwischenfrequenz für mobile Endgeräte benutzt. Wird ein Filter mit einer Mittenfrequenz in diesem Frequenzbereich unter Verwendung einer Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen konstruiert, verursacht die Verwendung der oben genannten 64LN und 36LT als eine piezoelektrische Unterlage, dass die Breite der auf der Unterlage gebildeten Elektrodenfinger viel größer ist als bei dem oben genannten Filter, der für ein Hochfrequenzteil benutzt wird.
Dies wird nun mit Bezug auf grob berechnete Werte erklärt. Hier soll d die Breite eines Elektrodenfingers eines Wandlers für akustische Oberflächenwellen, der einen Filter für akustische Oberflächenwellen bildet, darstellen, f₀ die Mittenfrequenz des Filters für akustische Oberflächenwellen angeben und V die SAW-Geschwindigkeit der benutzten piezoelektrischen Unterlage definieren. Für diese Werte ergibt sich ungefähr die Gleichung (1) f0 = V/(4d) (1)
Wird ein Filter für akustische Oberflächenwellen mit einer Mittenfrequenz von 1 GHz mit der Annahme konstruiert, dass die SAW-Geschwindigkeit 4.000 m/s beträgt, dann errechnet sich die Breite seines Elektrodenfingers aus Gleichung (1) als d = 4.000 (m/s)/(4 × 1.000 (MHz)) = 1 (μm)
Wird andererseits ein Zwischenfrequenzfilter mit einer Mittenfrequenz von 100 MHz unter Benutzung der piezoelektrischen Unterlage, die eine SAW-Geschwindigkeit von 4.000 m/s aufweist, konstruiert, wird die dafür erforderliche Elektrodenfingerbreite angegeben durch d = 4.000 (m/s)/(4 × 100 (MHz)) = 10 (μm)
Somit ist die erforderliche Elektrodenfingerbreite 10mal so groß wie die für den Hochfrequenzteilfilter. Eine große Elektrodenfingerbreite impliziert, dass eine Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen selbst groß wird. Um einen Zwischenfrequenzfilter für akustische Oberflächenwellen klein zu halten, ist es daher notwendig, eine piezoelektrische Unterlage zu benutzen, die eine niedrige SAW-Geschwindigkeit V aufweist, wie man aus Gleichung (1) verstehen kann.
Zu den piezoelektrischen Unterlagen, die bekanntermaßen eine sehr niedrige SAW-Geschwindigkeit aufweisen, zählt BGO, auf das bereits in Tabelle 1 Bezug genommen wurde. Eine BGO-piezoelektrische Unterlage weist eine SAW-Geschwindigkeit von 1.681 m/s auf. Die BGO-piezoelektrische Unterlage ist jedoch für die Konstruktion eines Zwischenfrequenzfilters zum Auskoppeln von nur einem Kanalsignal ungeeignet, da deren Frequenz-Temperaturkoeffizient oder ihr TCF so groß wie –122 ppm/°C ist. Dies ist der Fall, da ein großer TCF-Wert impliziert, dass die Mittenfrequenz des Filters für akustische Oberflächenwellen enorm mit der Temperatur variiert. Daher ist ein großer TCF für einen Zwischenfrequenzfilter ungeeignet, da möglicherweise unerwünschte Signale von anderen, zu dem erwünschten Kanal benachbarten Kanälen ausgekoppelt werden.
Zu den piezoelektrischen Unterlagen, die bekanntermaßen eine relativ niedrige SAW-Geschwindigkeit aufweisen, gehört auch ST-Quarzkristall, auf welchen in Tabelle 1 Bezug genommen wird. Der ST-Quarzkristall ist für die Konstruktion eines Zwischenfrequenzfilters geeignet, da sein Frequenz-Temperaturkoeffizient oder sein TCF fast Null beträgt (mit einem erstrangigen Temperaturkoeffizienten a von Null). Aus diesem Grund werden die meisten Zwischenfrequenzfilter für akustische Oberflächenwellen, die bisher für Mobilkommunikations-Endgeräte benutzt wurden, aus piezoelektrischen Unterlagen aus ST-Quarzkristall konstruiert. Jedoch beträgt die SAW-Geschwindikeit von ST-Quarzkristall-Unterlagen 3.158 m/s oder befindet sich nicht auf einem ausreichend reduzierten Niveau und stellt somit eine gewisse Einschränkung für Größenreduzierungen dar. Außerdem beträgt der elektromechanische Kopplungsfaktor k² von ST-Quarzkristall 0,14% und ist somit relativ klein. Ein kleiner k² impliziert, dass nur ein Filter mit einem engen Durchlassbereich erreicht werden kann. Bisher werden für Mobilkommunikation, das heißt Mobiltelefone, hauptsächlich analoge Systeme mit einer sehr engen Kanalbreite von zum Beispiel 12,5 kHz gemäß dem japanischen NTT-Standard, 30 kHz gemäß dem US-AMPS-Standard und 25 kHz gemäß dem Europäischen TACS-Standard eingesetzt. Deswegen stellte die Tatsache, dass der oben genannte ST-Quarzkristall einen kleinen elektromechanischen Kopplungsfaktor aufweist, nicht das geringste Problem dar. In den vergangenen Jahren wurden jedoch im Hinblick auf eine effektive Verwendung der Frequenzresourcen, der Kompatibilität mit digitaler Datenkommunikation etc. digitale Mobilkommunikationssysteme entwickelt, einer praktischen Benutzung zugeführt und somit sehr schnell und weit verbreitet. Die Kanalbreite dieses digitalen Systems ist sehr breit, zum Beispiel jeweils 200 kHz und 1,7 MHz bei den europäischen Mobiltelefon-GSM- und Schnurlos-Telefon-DECT-Moden. Werden ST-Quarzkristallunterlagen für Filter für akustische Oberflächenwellen benutzt, so ist es schwierig, solche Breitband-Zwischenfrequenzfilter, die diese verwenden, zu konstruieren.
Eine andere Alternative stellt sich durch die Verwendung von Langasitmonokristall als piezoelektrische Unterlage dar.
Der Artikel „Numerical and Experimental Investigation SAW in Langasite", von I. B. Yakovia und andere (1995 iEEE Ultrasonics Symposium, S. 389–392) offenbart solch eine Alternative. Er stellt jedoch keine allgemeine Beziehung zwischen optimierten Schnittwinkeln und der normalisierten Stärke h/λ (%) der Elektroden des iDTs dar, um SAW-Vorrichtungen mit guter Selektivität und reduzierter Temperaturabhängigkeit effizient zu entwerfen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Wie oben erklärt besteht ein Problem mit einer herkömmlichen akustischen Oberflächenwellenvorrichtung darin, dass, wenn eine piezoelektrische Unterlage mit einem großen elektromechanischen Kopplungsfaktor, z.B. 64LN oder 36LT benutzt wird, es möglich ist, dessen Durchlassbereich breit zu machen, aber die Vorrichtungsgröße groß wird, da diese Unterlage eine hohe SAW-Geschwindigkeit aufweist. Ein anderes Problem besteht darin, dass, wenn die oben erwähnte BGO-Unterlage mit einer niedrigen SAW-Geschwindigkeit benutzt wird, um eine Reduzierung der Vorrichtungsgröße zu erreichen, aufgrund eines zu großen absoluten Wertes des Frequenz-Temperaturkoeffizienten, TCF, keine ausreichend gute Selektivität erreicht wird. In beiden Fällen sind Merkmale, die gut genug für jeglichen Zwischenfrequenzfilter für akustische Oberflächenwellen wären, unerreichbar.
Die ST-Quarzkristallunterlage, die einen kleinen Frequenz-Temperaturkoeffizienten oder TCF aufweist, stellt eine gewisse Einschränkung für Größenreduzierungen dar, aufgrund der Tatsache, dass ihre SAW-Geschwindigkeit nicht ausreichend reduziert ist, und erschwert das Erreichen von Breitband, aufgrund der Tatsache, dass ihr elektromechanischer Kopplungsfaktor k² relativ klein ist.
Die Erfindung stellt in ihren bevorzugten Ausführungsformen vorteilhaft eine Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen, die klein ist, jedoch einen breiten Durchlassbereich und hervorragende Selektivität oder Temperaturmerkmale aufweist, bereit.
Dies kann durch die Erfindung erreicht werden, die untenstehend als (1) definiert ist.
(1) Eine Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen, umfassend eine interdigitale Elektrode (2) auf einer Oberfläche einer Unterlage (3),
wobei die Unterlage aus Langasitmonokristall besteht, dargestellt durch eine chemische Formel, La₃Ga₅SiO₁₄ und zu einer Punktgruppe 32 gehörend,
wenn ein Schnittwinkel der Unterlage, aus dem Langasiteinzelkristall ausgeschnitten, und eine Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen auf der Unterlage gemäß Eulerschen Winkeln (ϕ, θ, Ψ), dargestellt werden, ϕ, θ und Ψ innerhalb von Zonen angetroffen werden, die jeweils durch ϕ = –5 bis 5°, θ = 136 bis 146°, und Ψ = 21 bis 30° dargestellt werden, und
wenn Ψ ≤ 25,5°, eine Beziehung zwischen einer normalisierten Stärke h/λ (%), wobei eine Stärke h der interdigitalen Elektrode mit einer Wellenlänge λ einer akustischen Oberflächenwelle normalisiert wird und Ψ (°) die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle anzeigt, gegeben wird durch –3,79(h/λ) + 23,86 ≤ –5,08(h/λ) + 26,96und wenn Ψ > 25,5° die Beziehung gegeben wird durch 4,39(h/λ) + 24,30 ≤ Ψ ≤ 3,54(h/λ) + 27,17.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Perspektivansicht einer typischen Ausführungsform der Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Schaubild, das einen Unterschied bei der Temperaturabhängigkeit von Mittenfrequenzänderungen zwischen interdigitalen Elektroden mit variierenden normalisierten Stärken veranschaulicht.
3 ist ein Schaubild, das einen Unterschied bei der Temperaturabhängigkeit von Mittenfrequenzänderungen zwischen variierenden Ausbreitungsrichtungen akustischer Oberflächenwellen veranschaulicht.
4 ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Ausbreitungsrichtung akustischer Oberflächenwellen und der Höchsttemperatur bei jeder normalisierten Stärke veranschaulicht.
5A ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der normalisierten Stärke und der Ausbreitungsrichtung veranschaulicht, wenn die Ausbreitungsrichtung Ψ ≤ 25,5 ist, wobei diese Beziehung dafür sorgt, dass sich die Höchsttemperatur in einer Spanne von 10 bis 40°C befindet, und
5B ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der normalisierten Dicke und der Ausbreitungsrichtung veranschaulicht, wenn die Ausbreitungsrichtung Ψ > 25,5 ist, wobei diese Beziehung dafür sorgt, dass sich die Höchsttemperatur in einer Spanne von 10 bis 40°C befindet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Durch Experimente und Nachforschungen haben Erfinder nun herausgefunden, dass ein bestimmter Langasitmonokristall eine spezielle Kombination von Schnittwinkel und Ausbreitungsrichtung von akustischen Oberflächenwellen aufweist, wobei die Temperaturabhängigkeit der Mittenfrequenz eines Filters, der den Langasitmonokristall umfasst, oder der Resonanzfrequenz eines Resonators, der den Langasitmonokristall umfasst, durch eine quadratische Kurve angenähert werden kann, und solche Eigenschaften, die sich in Begriffen wie der SAW-Geschwindigkeit von weniger als 3000 m/s und einem elektromechanischen Kopplungsfaktor von mehr als 0,3% ausdrücken, werden erhalten. Diese spezielle Kombination kann durch die obigen Winkelspannen von ϕ, θ und Ψ gemäß Eulerschen Winkeln (ϕ, θ und Ψ) dargestellt werden. Die Erfinder haben auch herausgefunden, dass bei dieser speziellen Kombination die Temperatur, die dem Scheitel der quadratischen Kurve entspricht, d.h. die Temperatur, bei der die Änderung der Mitten- oder Resonanz frequenz minimiert ist, mit der Ausbreitungsrichtung akustischer Oberflächenwellen (Ψ in Eulerschen Winkeln ausgedrückt) und der normalisierten Stärke (h/λ) der interdigitalen Elektrode korreliert. Hier ist h die Stärke der interdigitalen Elektrode und λ ist die Wellenlänge einer akustischen Oberflächenwelle bei der Mitten- oder Resonanzfrequenz. Basierend auf diesen Ergebnissen haben die Erfinder die dem obigen Scheitel entsprechende Temperatur in die Nähe von Zimmertemperatur gesetzt, z.B. in die Spanne von 10°C bis 40°C, indem Ψ und (h/λ) die obige spezifische Beziehung erfüllten, und hatten dadurch Erfolg bei dem Erreichen einer akustischen Oberflächenwellenvorrichtung, die klein ist, jedoch einen breiten Durchlassbereich aufweist und die eine hervorragende Temperaturstabilität bei einer Raumtemperatur, bei der sie benutzt wird, zeigt.
1 veranschaulicht eine typische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen. Diese Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen umfasst auf der Oberfläche einer Unterlage 2 ein Paar interdigitale Elektroden 3 und 3 zum Erzeugen, Empfangen, Reflektieren und Ausbreiten akustischer Oberflächenwellen. Für die Unterlage 2 wird ein Langasitmonokristall benutzt. Der Langasitmonokristall ist ein Kristalltyp, der zu einer Punktgruppe 32 gehört. In 1 sind x-, y-, und z-Achsen senkrecht zueinander. Die x- und y-Achsen liegen in der Oberflächenebene der Unterlage 2, und die x-Achse definiert die Ausbreitungsrichtung akustischer Oberflächenwellen. Die z-Achse, die senkrecht zur Unterlagenebene liegt, definiert einen Schnittwinkel (Schnittebene) der Unterlage, der aus dem Monokristall geschnitten wurde. Beziehungen zwischen diesen x-, y- und z-Achsen und den X-, Y- und Z-Achsen des Langasitmonokristalls können gemäß Eulerschen Winkeln (ϕ, θ, Ψ) dargestellt werden. Werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen der Schnittwinkel und die Ausbreitungsrichtung gemäß Eulerschen Winkeln ((ϕ, θ, Ψ) dargestellt, dann existieren ϕ, θ und Ψ in Zonen, die dargestellt werden durch
ϕ = –5 bis 5°
θ = 136 bis 146°
Ψ = 21 bis 30°
In dieser Zone nimmt die Frequenz-Temperaturabhängigkeit eine quadratische Kurvenform an. Wird diese Kurve durch die Methode der kleinsten Quadrate an eine lineare Linie angenähert, wird herausgefunden, dass es eine Kombination von ϕ, θ und Ψ gibt, wobei der Frequenz-Temperaturkoeffizient, TCF, der Unterlage sehr klein ist, oder innerhalb von ±1 ppm/°C liegt, und der Kopplungsfaktor k² der Unterlage ausreichend groß ist oder mindestens 0,3% beträgt.
Es ist zu bemerken, dass der Langasitmonokristall ein trigonales System ist, und somit existieren gegenseitig equivalente Kombinationen von Eulerschen Winkeln aufgrund von Kristallsymmetrie. In der Unterlage des trigonalen Systems sind ϕ = 120 bis 240°, und ϕ = 240 bis 360° (–120 bis 0°) equivalent zu ϕ = 0 bis 120°; θ = 360 bis 180° (0 bis –180°) ist equivalent zu θ = 0 bis 180°; und Ψ = 90 bis 270° ist equivalent zu Ψ = –90 bis 90°. In der Erfindung können ähnliche Auswirkungen auch mit Winkeln erzielt werden, die nicht im folgenden Beispiel gezeigt sind, jedoch kristallographisch zu denen equivalent sind, auf die darin Bezug genommen wird.
Untenstehend sind beispielhafte equivalente Kombinationen aufgezeigt. Equivalent zu (0°, 140°, 25°) sind (60°, 40°, 25°), (60°, 40°, –25°), (120°, 140°, –25°) und (120°, 140°, 25°). Da ϕ = 120° equivalent ist zu ϕ = 0°, ist auch (0°, 140°, –25°) equivalent zu (0°, 140°, 25°).
Es wird nun erklärt, warum Ψ, welches die Ausbreitungsrichtung von akustischen Oberflächenwellen definiert, und die normalisierte Stärke, h/λ, der interdigitalen Elektrode so bestimmt sind, dass sie die obige Beziehung erfüllen.
Ein Langasitmonokristall wurde im CZ-Verfahren gezogen, und eine Unterlage wurde aus diesem Monokristall ausgeschnitten. Ein Wandler für akustische Oberflächenwellen, der ein Paar von interdigitalen Elektroden umfasste, wurde auf der Oberfläche der Unterlage gebildet, um eine Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen herzustellen. Die interdigitalen Elektroden wurden auf beiden, der Ausgabe- und der Eingabeseite durch Evaporation von Al gebildet und wiesen eine Elektrodenfingerbreite d von 10 μm und einen Elektrodenfingerabstand (4d = λ) von 40 μm auf, wobei die Anzahl der Elektrodenfingerpaare 20 betrug. Die Elektrodenstärke (normalisierte Stärke) betrug 0,3% (0,12 μm), 0,5% (0,20 μm) oder 0,75% (0,30 μm). Der Schnittwinkel der Unterlage betrug (0°, 140°, Ψ) gemäß Eulerschen Winkeln. Dieser Schnittwinkel ist eine so genannte Einzigdrehung, wobei nur eine Kristalldrehung für das Schneiden benötigt wird, und ist somit bevorzugt. Daten über diese (0°, 140°, Ψ)-Unterlage sind untenstehend dargelegt, um die Nützlichkeit der Erfindung zu erklären.
2 stellt die Temperaturabhängigkeit der Mittenfrequenz der Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen (Filter für akustische Oberflächenwellen), die in dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, dar. Bei der in 2 gezeigten Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen betrug die Ausbreitungsrichtung Ψ = 22° gemäß Eulerschen Winkeln und die normalisierte Stärke h/λ betrug 0,5% oder 0,75%. Aus 2 versteht sich, dass die Temperaturabhängigkeit der Mittenfrequenz gut durch eine quadratische Kurve angenähert werden kann, und die Höchsttemperatur dieser quadratischen Kurve ändert sich in Abhängigkeit von der normalisierten Stärke h/λ. Ändert sich die Ausbreitungsrichtung Ψ der akustischen Oberflächenwelle, während auch die normalisierte Stärke h/λ festgelegt ist, ändert sich die Höchsttemperatur der quadratischen Kurve. Dies ist typischerweise in 3 gezeigt. 3 zeigt ein Beispiel, bei dem Ψ = 22° oder Ψ = 30° beträgt, wobei die normalisierte Stärke h/λ bei 0,75% festgelegt ist. Dadurch sind die Erfinder zu dem Schluss gekommen, dass die Temperaturstabilität einer Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen verbessert werden könnte, indem man die Ausbreitungsrichtung akustischer Oberflächenwellen in Abhängigkeit von der normalisierten Stärke der Elektrode auswählt und die Höchsttemperatur in die Nähe von Raumtemperatur setzt. Es muss hier bemerkt werden, dass die Änderungen der Mittenfrequenz in 2 und 3 aus (f – f0)/f0 errechnet wurden, wobei f₀ der Maximalwert der Mittenfrequenz (der Mittenfrequenz bei Höchsttemperatur) und f die Mittenfrequenz bei irgendeiner beliebigen Temperatur ist.
Wie in 2 und 3 gezeigt, wurde die Temperaturabhängigkeit der Mittenfrequenzänderung durch die quadratische Kurve angenähert, um die höchste (Umkehr-) Temperatur der quadratischen Kurve herauszufinden, wodurch die Beziehungen zwischen der Höchsttemperatur und der Ausbreitungsrichtung Ψ und normalisierten Stärke h/λ untersucht wurden. Die Ergebnisse sind in 4 aufgezeichnet. 4 zeigt die Beziehungen der Ausbreitungsrichtung Ψ im Vergleich zur Höchsttemperatur bei einer normalisierten Stärke von jeweils 0,3%, 0,5% und 0,75%. Aus 4 versteht sich, dass im Verlauf des Übergangs der Ausbreitungsrichtung von 25 Grad zu 26 Grad (oder bei 25,5 Grad) eine Senkung der Höchsttemperatur mit zunehmender Ψ in einer Zone mit einer kleinen Ψ auftritt, und eine Erhöhung der Höchsttemperatur mit zunehmender Ψ in einer Zone mit einer großen Ψ auftritt.
Hinsichtlich der Temperaturstablilität der Vorrichtung ist es wünschenswert, dass sich die obige Höchsttemperatur in der Nähe von Raumtemperatur (normalerweise ungefähr 25°C) befindet, das heißt in einer Spanne von 10 bis 40°C. Aus diesem Grund wurde die Beziehung der normalisierten Dicke h/λ im Vergleich zur Ausbreitungsrichtung, bei der eine Höchsttemperatur von jeweils 10°C und 40°C erhalten wurde, durch 4 herausgefunden. Bei einer Ausbreitungsrichtung Ψ, die kleiner oder gleich 25,5 Grad war, wurden die in 5A gezeigten Ergebnisse erhalten, und bei einer Ausbreitungsrichtung Ψ, die größer als 25,5 Grad war, wurden die in 5B gezeigten Ergebnisse erhalten. In anderen Worten wird die hierin definierte Beziehung von h/λ im Vergleich zu Ψ erhalten. Indem man die Ausbreitungsrichtung Ψ in den Zonenspannen, die zwischen den oberen und unteren geraden Linien in 5A und 5B eingeschlossen sind, festlegt, kann die Höchsttemperatur für die Frequenz-Temperaturmerkmale somit in der Nähe von Raumtemperatur festgelegt werden, wodurch eine Vorrichtung erreicht wird, die hervorragende Temperaturstabilität aufweist.
Es ist zu bemerken, dass die Wellenlänge λ einer akustischen Oberflächenwelle bei der Mitten- oder Resonanzfrequenz durch die Frequenz, auf die die Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen angewandt wird, und durch die Schallgeschwindigkeit der Unterlage bestimmt wird. In dem bevorzugten Frequenzbereich, auf den die Erfindung angewandt wird, befindet sich die Wellenlänge λ jedoch im Allgemeinen in einer Größenordnung von 8 bis 60 μm. Es ist außerdem zu bemerken, dass sich die Stärke h der interdigitalen Elektrode im Allgemeinen in einer Größenordnung von 0,1 bis 2 μm befindet, da eine zu dünne Elektrode zu erhöhtem elektrischen Widerstand führt und eine zu dicke Elektrode schwer herzustellen ist und wahrscheinlich abblättert. Demgemäß befindet sich die normalisierte Stärke h/λ der interdigitalen Elektrode im Allgemeinen in einer Größenordnung von 0,17 bis 25%. Es versteht sich jedoch, dass 2,40% und 3,38% Obergrenzen von h/λ sind, da die oberen und unteren geraden Linien sich jeweils bei h/λ = 2,40% in 5A und bei h/λ = 3,38% in 5B schneiden.
Der Langasitmonokristall, der in der Erfindung benutzt wurde, wird im Allgemeinen durch die chemische Formel La₃Ga₅SiO₁₄ dargestellt. Ein Langasitmonokristall ist zum Beispiel aus Proc. IEEE International Frequency Control Sympo. Band 1994, Seiten 48–57 (1994) bekannt. In der Erfindung wird der Langasitmonokristall auf eine Unterlage einer Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen angewandt. Wird, in diesem Fall, die Kristallschnittrichtung wie oben erwähnt gewählt, und wird die Ausbreitungsrichtung akustischer Oberflächenwellen in Abhängigkeit von der normalisierten Stärke der interdigitalen Elektrode gewählt, so kann eine Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen erhalten werden, welche solch erstklassige Merkmale wie oben erwähnt aufweist. In dieser Hinsicht kann die Erfindung von der herkömmlichen Benutzung von Langasitmonokristallen unterschieden werden.
Wird durch Röntgendiffraktion festgestellt, dass ein Langasitmonokristall hauptsächlich aus einer einzigen Langasitphase zusammengesetzt ist, so kann dieser Langasitmonokristall hier benutzt werden. In anderen Worten sind die hier benutzten Langasitmonokristalle nicht immer auf den beschränkt, der durch die oben genannte Formel dargestellt wird. Zum Beispiel kann mindestens ein Teil jeder Stelle für La, Ga und Si durch ein anderes Element ersetzt worden sein, oder die Anzahl an Sauerstoffatomen kann von der oben genannten stöchiometrischen Zusammensetzung abweichen. Daneben kann der Langasitmonokristall unvermeidbare Verunreinigungen wie Al, Zr, Fe, Ce, Nd, Pt, und Ca enthalten. Es wird keine besondere Einschränkung in Bezug auf die Herstellung des Langasitmonokristalls auferlegt; das heißt, sie können in gewöhnlichen Einzelkristall-Ziehverfahren, zum Beispiel dem CZ-Verfahren, hergestellt werden.
Die Unterlagengröße ist nicht insbesondere ausschlaggebend und kann im Allgemeinen in einer Größenordnung von 4 bis 10 mm in der Ausbreitungsrichtung akustischer Oberflächenwellen, und in einer Größenordnung von 2 bis 4 mm in der dazu senkrechten Richtung liegen, und die Unterlagenstärke kann in einer Größenordung von 0,2 bis 0,4 mm liegen. Es ist zu bemerken, dass die Schnittrichtung der Unterlage durch Röntgendiffraktion ermittelt werden kann. Jede der interdigitalen Elektroden 3, die auf der Unterlage 2 gebildet sind, ist eine periodisch gestreifte Elektrode. Die interdigitale Elektrode ist so gemustert, um die vorher erwähnte vorgewählte Ausbreitungsrichtung von akustischen Oberflächenwellen in Abhängigkeit von ihrer Dicke zu erhalten. Die interdigitale Elektrode kann durch Vakuumevaporation oder Kathodenzerstäubung unter Verwendung von Al oder Al-Legierungen gebildet werden. Die Fingerbreite der interdigitalen Elektrode kann in Abhängigkeit von der Frequenz, auf die die Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen angewandt wird, und der Schallgeschwindigkeit der Unterlage bestimmt werden, und kann im Allgemeinen in einer Größenordnung von 2 bis 15 μm bei dem Frequenzbereich, auf den die Erfindung vorzugsweise angewandt wird, betragen.
Die Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen der Erfindung eignet sich gut für Filter, die bei einem Frequenzbereich von im Allgemeinen 10 bis 500 MHz, und insbesondere 10 bis 300 MHz benutzt werden. Die Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen der Erfindung ist aufgrund ihrer niedrigen SAW-Geschwindigkeit dafür nützlich, ein Verzögerungsglied für akustische Oberflächenwellen auch klein zu gestalten.
ERGEBNIS
Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, bei denen der Schnittwinkel der Langasitmonokristall-Unterlage optimiert ist, ist es möglich, eine Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen zu erhalten, die eine Unterlage mit einem großen elektromechanischen Kopplungsfaktor k² und einer geringen SAW-Geschwindigkeit umfasst. Indem die Ausbreitungsrichtung von akustischen Oberflächenwellen auf der Unterlage in Abhängigkeit von der normalisierten Stärke der auf der Unterlagenoberfläche gebildeten Elektrode angemessen gewählt wird, ist es auch möglich, eine Vorrichtung zu erhalten, die eine überaus hervorragende Temperaturstabilität aufweist.

Claims

Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen, umfassend eine interdigitale Elektrode (2) auf einer Oberfläche einer Unterlage (3), wobei die Unterlage aus Langasitmonokristall besteht, dargestellt durch eine chemische Formel, La₃Ga₅SiO₁₄ und zu einer Punktgruppe 32 gehörend, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn ein Schnittwinkel der Unterlage, aus dem Langasiteinzelkristall ausgeschnitten, und eine Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen auf der Unterlage gemäßEulerschen Winkeln (ϕ, θ, ψ), dargestellt werden, ϕ, θ und ψ innerhalb von Zonen angetroffen werden, die jeweils durch ϕ = –5 bis 5°, θ = 136 bis 146°, und ψ = 21 bis 30° dargestellt werden, und wenn ψ ≤ 25,5°, eine Beziehung zwischen einer normalisierten Stärke h/λ (%), wobei eine Stärke h der interdigitalen Elektrode mit einer Wellenlänge λ einer akustischen Oberflächenwelle normalisiert wird und ψ (°) die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle anzeigt, gegeben wird durch –3,79(h/λ) + 23,86 ≤ –5,08(h/λ) + 26,96und wenn ψ > 25,5° die Beziehung gegeben wird durch 4,39(h/λ) + 24,30 ≤ ψ ≤ 3,54(h/λ) + 27,17.