CN100525098C - 声表面波装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种声表面波装置及电子设备，在具有单型IDT电极，并且使用阻带的上限模式作为振荡频率的声表面波装置中，频率温度特性优良，而且易于实现高频化。作为解决手段，本发明的声表面波装置在石英基板表面上至少具有用于激励Rayleigh型声表面波的单型IDT电极，该声表面波装置在声表面波的阻带的上限模式下进行激励，当将石英基板的切出角度和声表面波传播方向用欧拉角表示为(Φ，θ，Ψ)时，设定为Φ＝0°，110°≤θ≤140°，38°≤|Ψ|≤44°，而且，当设IDT电极的厚度为H、IDT电极的电极指的宽度为d、IDT电极的电极指间的间距为P、声表面波的波长为λ、η＝d/P时，H/λ≥0.1796η³-0.4303η²+0.2071η+0.0682。

Description

声表面波装置及电子设备

技术领域

本发明涉及使用了Rayleigh(瑞利)型声表面波的阻带的上限模式的声表面波装置。

背景技术

以SAW谐振子或者SAW滤波器为代表的声表面波装置由于具有高频、小型、高产性等优秀特点而在通信领域被广泛利用。特别是使用了以ST切为代表的石英基板的声表面波装置，利用了石英所具有的较高的温度稳定性而实现了高精度化。近些年来，伴随着便携式通信设备等的普及发展，要求能够应对高频化、小型化的趋势，而且相对于温度而稳定的高精度的声表面波装置。

公知有在通过设置于石英等的压电基板上的IDT电极进行激励的Rayleigh型声表面波中，通过计算可以得到被称为阻带(stop band)的2个频率解的情况，该2个频率解的较低频率(下限模式)或者较高频率(上限模式)中的任一方被用于激励。如果将在声表面波的1个波长中设置了2根电极指的单型IDT电极安装在ST切石英基板上，则可知能够在阻带的下限模式下激励声表面波。另外，如非专利文献1所示，如果比较下限模式和上限模式，则上限模式的频率温度特性(相对于温度的频率变动特性)的2次温度系数的绝对值较小，增加了IDT电极厚度时的2次温度系数的绝对值的变化(“增加量”或者是“减少量”)也较小。由此，虽然可知上限模式下的频率温度特性良好且适于高频化，但在ST切石英基板的单型IDT电极中无法激励上限模式的声表面波。

因此，作为在阻带的上限模式下进行激励的手段，提出了专利文献1所示的具有反射反转型IDT电极的声表面波装置。

图11表示具有反射反转型IDT电极的声表面波装置的结构，图11(a)是平面示意图，图11(b)是沿该图(a)的C-C线的剖面示意图。

该反射反转型IDT电极51构成为，在压电基板50上以互相啮合的方式配置了具有电极指的电极52、53。根据该结构，声表面波的每1波长λ具有3根电极指61、62、63，按照反相的方式来驱动电极指61、62和电极指63。

另外，关于声表面波装置的频率温度特性，公知有为了提高使用ST切石英基板的情况下的频率温度特性，而使用了例如非专利文献2所示的面内旋转ST切石英基板的情况。根据该非专利文献2，当欧拉角为(0°，123°，43.4°)时，阻带的下限模式的2次温度系数为-1.4×10^-8(1/℃²)，当温度范围为-40℃～90℃时，频率变动量约为59ppm。

【专利文献1】：日本特开2002-100959号公报(图13)

【非专利文献1】：信学技報、社团法人電子情報通信学会、US99-20(1999—06)，p.37—42(图4)

【非专利文献2】：“Temperature Stability of Surface Acoustic WaveResonators on In-Plane Rotated 33°Y-Cut Quartz”JJAP，Vol.42(2003)pp.3136-3138

但是，反射反转型IDT电极在1个波长中具有3根电极指，为了应对声表面波装置的高频化，与通常所用的在声表面波的1个波长中设置2根电极指的单型IDT电极相比，需要进一步使IDT电极的宽度变细。因此，这对制造过程增加了负担，使用该反射反转型IDT电极的声表面波装置的高频化变得困难。

另外，关于声表面波装置的频率温度特性的高精度化，在使用面内旋转ST切石英基板，温度范围为-40℃～90℃时，作为频率变动量，大约59ppm是极限。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种声表面波装置，该声表面波装置使用单型IDT电极，利用阻带的上限模式作为声表面波装置的振荡频率，其频率温度特性优良，易于进行高频化。

为了解决上述课题，本发明的声表面波装置在石英基板表面上至少具有用于激励Rayleigh型声表面波的、在声表面波的1个波长中设置了2根电极指的单型IDT电极，该声表面波装置在上述声表面波的阻带的上限模式下进行激励，其特征在于，当将上述石英基板的切出角度和声表面波传播方向用欧拉角表示为(φ，θ，ψ)时，设定为φ＝0°，110°≤θ≤140°，38°≤|ψ|≤44°，而且，当设上述IDT电极的厚度为H、上述IDT电极的电极指的宽度为d、上述IDT电极的电极指间的间距为P、上述声表面波的波长为λ、η＝d/P时，H/λ≥0.1796η³-0.4303η²+0.2071η+0.0682。

根据该石英基板的切出角度，可以将声表面波的传播方向朝离开石英基板的结晶的对称位置的位置上移动，可以利用阻带的上限模式作为声表面波装置的振荡频率。而且，通过按照上述那样设定H/λ，可以在单型IDT电极上进行上限模式强于下限模式的激励。进而，根据该结构，相比使用面内旋转ST切石英基板的情况，相对于温度的频率变动较小，另外可以使用单型IDT电极，因此可以提供易于进行高频化的声表面波装置。

另外，本发明的声表面波装置优选在上述IDT电极的两侧还具有反射器，当设上述IDT电极的电极指的间距为P、上述反射器的电极指的间距为Pr时，P/Pr>1。

这样，在上限模式中，IDT电极的辐射电导的峰值频率可与反射器的反射系数的峰值频率相接近，在下限模式中，IDT电极的辐射电导的峰值频率可与反射器的反射系数的峰值频率相分离。即，可以加强上限模式的激励，并将下限模式的激励抑制得较小。

由此，可以更强地激励声表面波的阻带两端模式中的上限模式。

再有，本发明的电子设备的特征在于具有上述的声表面波装置。

这种结构的电子设备具有可以进行高频化，而且频率温度特性优良的声表面波装置，可以提供特性良好的电子设备。

附图说明

图1是用于说明欧拉角的图。

图2是表示第1实施方式的SAW谐振子的结构的图，(a)是SAW谐振子的平面示意图，(b)是沿该图(a)的A-A线的剖面示意图。

图3是表示第1实施方式的SAW谐振子的频率变动量和基板切出角度θ和ψ的曲线图。

图4是表示阻带的上限模式和下限模式各自的开放条件和短路条件的频率差的曲线图。

图5是表示下限模式的频率差和上限模式的频率差逆转的条件的曲线图，(a)是表示3种欧拉角中的频率差逆转的条件的曲线图，(b)是表示满足3种欧拉角中的频率差逆转的条件的界线的曲线图。

图6是表示第2实施方式的SAW谐振子的结构的图，(a)是SAW谐振子的平面示意图，(b)是沿该图(a)的B-B线的剖面示意图。

图7是表示阻带的上限模式中的辐射电导和反射器的反射系数的频率特性的曲线图。

图8是表示阻带的下限模式中的辐射电导和反射器的反射系数的频率特性的曲线图。

图9是表示作为第3实施方式的被封装的SAW谐振子的局部剖面图。

图10是表示作为第4实施方式的电子设备的结构的结构图。

图11是表示以往的反射反转型IDT电极的图，(a)是平面示意图，(b)是沿该图(a)的C-C线的剖面示意图。

具体实施方式

下面按照附图说明本发明的实施方式。首先，为了确定石英基板的切出角(切角)和声表面波的传播方向，对欧拉角(φ，θ，ψ)表示进行说明。

图1是用于说明欧拉角的图。

石英的结晶轴通过X轴(电轴)、Y轴(机械轴)和Z轴(光轴)来定义，欧拉角(0°，0°，0°)是垂直于Z轴的石英板。在本发明中，以Z轴为旋转轴来使X轴和Y轴旋转的角度φ被固定为φ＝0。

当以X轴为旋转轴来使Y轴和Z轴沿逆时针方向旋转角度θ时，将新产生的坐标轴分别设为Y’轴和Z’轴。以该Z’轴为法线在包含X轴和Y’轴的面方位上进行了切割的部分作为石英基板1。然后，在沿该面方位进行了切割的石英基板1上，以Z’轴为旋转轴来使X轴和Y’轴旋转角度ψ时，将新产生的坐标轴分别设为X’轴和Y”轴。设该X’轴为声表面波装置2的声表面波传播方向。而且将该石英基板1的角度ψ称作面内旋转角。

这样，可以将石英基板的切出角度和声表面波的传播方向用欧拉角(φ，θ，ψ)表示来进行确定。

<第1实施方式>

下面，取SAW谐振子为例作为声表面波装置来说明本发明的实施方式。

图2是作为具有单型IDT电极的声表面波装置的SAW谐振子的示意图，图2(a)是SAW谐振子的平面示意图，图2(b)是沿该图(a)的A-A线的剖面示意图。

SAW谐振子10在石英基板11的表面上具有IDT电极20。IDT电极20由设置了多个电极指21的电极12和设置了多个电极指22的电极13构成，并且配置成各个电极指21、22互相啮合。电极指21、22形成为厚度H、电极宽度d，电极指21和电极指22的间隔(间距)P形成为以等间隔连续。另外，在声表面波的1个波长λ中分别设置1根电极指21、22。一般将这种结构的IDT电极20称为单型IDT电极。

而且，IDT电极20由A1形成，并且按照电极12、13互相反相的方式被驱动。

另外，石英基板11从石英中被切出，使得在欧拉角表示中为(0°，0°≤θ≤180°，0°<|ψ|<90°)的范围，箭头E的方向与图1说明的声表面波的传播方向即X’轴一致。

以往公知的ST切石英基板用欧拉角表示例如可以为(0°，123°，0°)，使用该基板在单型IDT电极上构成SAW谐振子时，由阻带的下限模式激励声表面波。

阻带的上限模式、下限模式是否被激励是由各自模式的频率下的短路条件和开放条件的频率差所决定的，如果有频率差，则可知该模式被激励。

表1是表示在使用了单型IDT电极的ST切石英基板和本发明的切角的石英基板中，上限模式下的短路条件和开放条件的频率差的表。

在该表1中，示出了将声表面波的波长设为λ＝10μm，将电极指的宽度d除以电极指的间距P后的基准化电极宽度η(d/P)以及将电极指的厚度H除以波长λ后的基准化电极厚度H/λ的条件进行了改变后的情况。另外，设上限模式下的短路条件的频率为fus，上限模式下的开放条件的频率为fuo，以绝对值来表示该差值。

【表1】

在表1中，条件A使用ST切石英基板，是η＝0.5，H/λ＝0.03的情况，上限模式下的短路条件的频率和开放条件的频率之差为0。另外，条件B使用ST切石英基板，是η＝0.7，H/λ＝0.10的情况，上限模式下的短路条件的频率和开放条件的频率之差为0。

这样，在使用ST切石英基板的情况下，可知即使IDT电极的电极指的尺寸发生变化，在阻带的上限模式下也无法激励声表面波。

接着，取本发明所使用的作为切角的欧拉角(0°，123°，41°)的石英基板为例进行说明。

在条件C下，使用本发明的切角的石英基板，是η＝0.5，H/λ＝0.03的情况，上限模式下的短路条件的频率和开放条件的频率之差为0.0015MHz。

另外，同样在条件D下，使用本发明的切角的石英基板，是η＝0.7，H/λ＝0.10的情况，上限模式下的短路条件的频率和开放条件的频率之差为0.1667MHz。

这样，在使用上述石英基板的情况下，可知可以在阻带的上限模式下激励声表面波。通过对石英的结晶的对称性错开切角，使其变为非对称，可以激励上限模式的声表面波。

下面，使用阻带的上限模式，对应用了本实施方式的切角的石英基板的情况下的相对于温度的频率变动进行说明。

图3是表示相对于本实施方式的SAW谐振子的温度的频率变动量的曲线图。而且，频率变动量＝频率偏差的最大值-频率偏差的最小值，频率偏差＝(各温度下的频率-25℃下的频率)/25℃下的频率。

作为条件，设温度范围为-40℃～90℃，单型IDT电极的基准化电极宽度d/P＝0.7，基准化电极厚度为H/λ＝0.10。而且，将石英基板的切角固定为φ＝0°，θ＝0°～180°之间使面内旋转角发生ψ＝0°～90°的变化时，用黑色圆圈表示频率变动量为最佳值(最小值)的频率变动量。另外，用三角表示此时的面内旋转角ψ。例如当φ＝0°、θ＝40°时，使其在ψ＝0°～90°之间发生变化的情况下的频率变动量的最小值大约为80ppm，此时的面内旋转角ψ大约为12°。

而且，由于ψ具有石英结晶的对称性，所以使用正或负哪一侧的角度结果都是相同的，都可以实施。另外，不局限于基于欧拉角的标记，也可以使用结晶学上等价的切角的石英基板。

这样，在切出角度(切角)和声表面波传播方向为(0°，0°≤θ≤180°，0°<|ψ|<90°)的石英基板上，可以将声表面波的传播方向移动到离开石英基板的结晶的对称位置的位置上，可以使用单型IDT电极在声表面波的阻带的上限模式下进行激励。

另外，可知频率温度特性为θ在0°≤θ≤180°范围内比起使用ST切石英基板的情况，频率变动量较小，在95°≤θ≤155°的范围内比起使用面内旋转ST切石英基板的情况，频率变动量较小。

此处，发明者着眼于相比使用面内旋转ST切石英基板的情况可以减小相对于温度的频率变动量的切角即欧拉角(0°，110°≤θ≤140°，38°≤|ψ|≤44°)的范围，尝试强化阻带的上限模式的激励，提高作为SAW谐振子的特性。在该石英基板的切角中，作为温度范围-40℃～90℃的频率变动量，可以期待大约10～20ppm。

图4是表示阻带的上限模式和下限模式各自的开放条件和短路条件的频率差的曲线图。纵轴取开放条件和短路条件的频率差，横轴用基准化电极厚度H/λ表示。而且，将上限模式的开放条件和短路条件的频率差设为ΔFu，下限模式的开放条件和短路条件的频率差设为ΔF1。在该图4中，以如下的情况为一例进行说明，即：石英基板的切出角度和声表面波传播方向为欧拉角(0°，123°，43°)、IDT电极的宽度d除以IDT电极的电极指的间距P得到的基准化电极宽度η＝d/P＝0.5。

如图4所示，如果增大基准化电极厚度H/λ，则下限模式的开放条件和短路条件的频率差ΔFl会变小，与此相对，上限模式的开放条件和短路条件的频率差ΔFu会变大。在上述条件中，在基准化电极厚度H/λ超过0.0787的范围内，频率差的大小逆转。即，在基准化电极厚度H/λ超过0.0787的范围内，上限模式显现出强于下限模式的激励。

而且，不仅增大基准化电极厚度H/λ，增大基准化电极宽度η，下限模式的开放条件和短路条件的频率差ΔFl也会变小，与此相对，上限模式的开放条件和短路条件的频率差ΔFu也会变大，可以确认从某个值开始频率差的大小出现逆转。

图5表示该下限模式的开放条件和短路条件的频率差ΔFl的大小和上限模式的开放条件和短路条件的频率差ΔFu的大小逆转的界限条件。

图5(a)是表示对于石英基板的切出角度和声表面波传播方向用欧拉角表示为(0°，110°，39°)、(0°，123°，43°)、(0°，140°，44°)的3种石英基板，下限模式的开放条件和短路条件的频率差ΔFl的大小与上限模式的开放条件和短路条件的频率差ΔFu的大小逆转的界限点的曲线图。另外，图5(b)是表示在上述3种石英基板中，上限模式一方一定会变强的界线的曲线图。

而且，各个曲线图纵轴取基准化电极厚度H/λ，横轴取基准化电极宽度η来进行表示。

在图5(a)中，当基准化电极厚度H/λ大于各自的条件下连接界限点的界线时，上限模式的开放条件和短路条件的频率差ΔFu大于下限模式的开放条件和短路条件的频率差ΔFl。即，如果基准化电极厚度H/λ大于该界线，则上限模式一方会显现出较强的激励。

而且，在上述3种石英基板中，如果计算出上限模式一方一定会变强的界线，则可用下述那样的近似式来表示。

H/λ≥0.1796η³-0.4303η²+0.2071η+0.0682

图5(b)将上述近似式表示在曲线图内，在该图中，无论在何种切角下，只要满足上述近似式，基准化电极厚度H/λ就大于上限模式的开放条件和短路条件的频率差ΔFu与下限模式的开放条件和短路条件的频率差ΔFl相逆转的界线。即，在满足上述近似式的基准化电极厚度H/λ和基准化电极宽度η中，上限模式一方显现出较强的激励，可以在单型IDT电极上进行上限模式强于下限模式的激励。

如上所述，通过将石英基板的切出角度和声表面波传播方向用欧拉角表示为(0°，110°≤θ≤140°，38°≤|ψ|≤44°)，将基准化电极厚度H/λ设为H/λ≥0.1796η³-0.4303η²+0.2071η+0.0682，从而可以在单型IDT电极上进行上限模式强于下限模式的激励。进而，根据该结构，相比使用面内旋转ST切石英基板的情况，相对于温度的频率变动较小，而且可以使用单型IDT电极，所以能够提供易于进行高频化的声表面波装置。

<第2实施方式>

下面，作为第2实施方式来说明在第1实施方式所说明的单型IDT电极的两侧具备反射器的SAW谐振子的实施方式。一般情况下，在SAW谐振子中，用反射器来反射从IDT电极向外部传播的声表面波，将声表面波能量封闭于IDT电极部中，从而得到损失较少的谐振特性。

图6是具备单型IDT电极的作为声表面波装置的SAW谐振子的示意图。图6(a)是SAW谐振子的平面示意图，图6(b)是沿该图(a)的B-B线的剖面示意图。而且，对于与图2所说明的SAW谐振子的结构相同的结构赋予相同符号进行说明。

SAW谐振子10在石英基板11的表面上具有IDT电极20和设置在其两侧的反射器14、15。IDT电极20由设置了多个电极指21的电极12和设置了多个电极指22的电极13构成，并且配置成各个电极指21、22互相啮合。电极指21、22形成为厚度H、电极宽度d，电极指21和电极指22的间隔(间距)P以等间隔连续地形成。另外，在声表面波的1个波长λ中各设置1根电极指21、22。而且，IDT电极20用A1形成，按照电极12、13互相反相的方式被驱动。

进而，如第1实施方式所说明的那样，基准化电极厚度H/λ和基准化电极宽度η的关系被设定为H/λ≥0.1796η³-0.4303η²+0.2071η+0.0682。

另外，反射器14、15分别具有由Al形成的多个电极指14a、15a，电极指间的间隔(间距)Pr以等间隔连续地形成。

石英基板11按照以欧拉角表示在(0°，110°≤θ≤140°，38°≤|ψ|≤44°)的范围内的状态从石英中切出，箭头E的方向与图1说明的声表面波的传播方向即X’轴一致。

在这种结构的SAW谐振子10中，一般在IDT电极20的间距P和反射器14、15的间距Pr相同时，IDT电极20的辐射电导的峰值频率与反射器14、15的反射系数(绝对值)最大点上的频率不一致。这意味着IDT电极20所放射的声表面波没有被反射器14、15高效地反射。

图7是表示阻带的上限模式中的辐射电导和反射器的反射系数的频率特性的曲线图，图7(a)表示IDT电极的间距P和反射器的间距Pr相同的情况(P/Pr＝1)，图7(b)表示IDT电极的间距P大于反射器的间距Pr的情况(P/Pr>1)。

图8是表示阻带的下限模式中的辐射电导和反射器的反射系数的频率特性的曲线图，图8(a)表示IDT电极的间距P和反射器的间距Pr相同的情况(P/Pr＝1)，图8(b)表示IDT电极的间距P大于反射器的间距Pr的情况(P/Pr>1)。

如图7(a)所示，当阻带的上限模式中的辐射电导的峰值频率为P/Pr＝1时，将显现在高于反射器的反射系数(绝对值)最大点的频率侧。而且，如图7(b)所示，当P/Pr>1时，IDT电极的辐射电导的峰值频率变低，IDT电极的辐射电导的峰值和反射器的反射系数最大点变得接近，被IDT电极激励的声表面波增强。

另一方面，如图8(a)所示，当阻带的下限模式中的辐射电导的峰值频率为P/Pr＝1时，将显现在低于反射器的反射系数(绝对值)最大点的频率侧。而且，如图8(b)所示，当P/Pr>1时，IDT电极的辐射电导的峰值频率变低，IDT电极的辐射电导的峰值频率和反射器的反射系数最大点变得分离，下限模式中的声表面波的激励不会增强。

一般情况下，除了IDT电极之外还设置反射器，从而进行减少IDT电极对数的设计，所以下限模式中的反射几乎消失，可以将下限模式激励抑制得较小。

如上所述，通过规定第1实施方式中所说明的石英基板的切角和基准化电极厚度H/λ，可以进行上限模式强于下限模式的激励，除此之外，通过设计成IDT电极的间距P大于反射器的间距Pr(P/Pr>1)，可以进一步仅对阻带的上限模式加强激励。

<第3实施方式>

图9是将作为在第1实施方式或者第2实施方式中说明的声表面波装置的SAW谐振子进行了封装后的实施方式的局部剖面图。

在由陶瓷等形成的收纳器36中，SAW谐振子31被固定地收纳。在SAW谐振子31上形成有单型IDT电极32，另外形成有与该单型IDT电极32连接的连接衬垫33。.

SAW谐振子31的连接衬垫33通过形成于收纳器36上的连接端子35和Au等的线34而被电连接。然后，通过盖体37将收纳器36的内部保持减压氛围气或者惰性气体氛围气来进行密封，构成为被封装的SAW谐振子30。

在这种本实施方式中，使用单型IDT电极，可以得到使用了阻带的上限模式的被封装后的SAW谐振子30。而且，该被封装后的SAW谐振子30的频率温度特性优良，可进行高频化，能够用于各种电子设备中。

<第4实施方式>

图10是表示本发明的电子设备的结构的结构图。

在以便携式电话或者导航系统等为代表的电子设备40上，具备经过了高频化的SAW谐振子来作为本发明的声表面波装置41。

SAW谐振子的频率温度特性优良，并且进行了高频化，所以能够得到特性优良的电子设备40。

以上，作为声表面波装置使用了SAW谐振子的例子进行了说明，但由于在谐振子型声表面波滤波器中，使用阻带端的谐振来构成SAW滤波器，所以可以用同样的手法构成SAW滤波器。而且，这样构成的SAW滤波器使用了阻带的上限模式，可以得到频率温度特性优良，易于进行高频化的SAW滤波器。

Claims (3)

1.一种声表面波装置，该声表面波装置在石英基板表面上至少具有用于激励Rayleigh型声表面波的、在声表面波的1个波长中设置了2根电极指的单型IDT电极，该声表面波装置在上述声表面波的阻带的上限模式下进行激励，其特征在于，

当将上述石英基板的切出角度和声表面波传播方向用欧拉角表示为(φ，θ，ψ)时，设定为φ＝0°，110°≤θ≤140°，38°≤|ψ|≤44°，而且，当设上述IDT电极的厚度为H、上述IDT电极的电极指的宽度为d、上述IDT电极的电极指间的间距为P、上述声表面波的波长为λ、η＝d/P时，H/λ≥0.1796η³-0.4303η²+0.2071η+0.0682。

2.根据权利要求1所述的声表面波装置，其特征在于，

该声表面波装置在上述IDT电极的两侧还具有反射器，当设上述IDT电极的电极指的间距为P、上述反射器的电极指的间距为Pr时，P/Pr>1。

3.一种电子设备，其特征在于，该电子设备具有权利要求1或2所述的声表面波装置。

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