CN1007105B - 应力和温度补偿声表面波器件 - Google Patents

Abstract

本发明所揭示的是一个旋转Y轴切割、石英SAW器件，该器件具有为补偿应力和温度而选的传播方向γ和角度取向θ。在一个具体的实施例中γ为46.9°和θ为41.8°。

Description

本发明属声表面波（SAW）器件领域，涉及对这类器件的精度改进，并涉及一种晶体，这种晶体的角度取向及其传播方向对这类器件的应力和温度效应能提供特别有利的补偿。

诸如谐振器和延迟线此类SAW器件，在通信和其它领域中被用作测量加速度、应力或应变和压力等参数的传感器。SAW器件传感器通常是基于声表面波在一块薄而易弯曲的膜片中的传播，该膜片在受到加速度、应力或应变或压力作用时即产生形变。SAW器件传感器测量声表面波与性能方面有关参数的效应，并利用这种测量来获得重要的参数。在通信和其它领域中，声表面波器件被用来处理各种各样的信号。在1983年12月6日颁布的题为“应力补偿的石英谐振器”的共同占有的4，419，600号美国专利和1985年4月23日颁布的题为“声表面波传感器”的4，512，198号美国专利，以及序号为4，27，240（1982年9月29日提交）和序号为687，715和687，716（均在1984年12月31日提交）的共同待批专利申请中，对SAW器件传感器的各种用途作了详述。因此上述共同占有专利和共同待批专利申请，仿佛在此全面陈述似地被作为本说明书的参考资料而引入本文，而审查员的注意力往往集中在这些参考资料所说明的背景技术部分和先有技术或本文所引证的部分。此外，还应查看下列标号的美国专利文献：3，771，072;3，772，618;3，818，382;3，866，153;3，995，240;4，109，172;4，109，173;4，220，888;4，224，548;4，224.549和4，323，809。

SAW器件的一个想要且重要的特性是其频率的稳定度。然而，频 率稳定度可能受到周围因素的不利影响一这类周围因素主要是以沿声波传播表面上的各种偏置状态或应力分布的形式显现出来。例如，温度引起的应变和加速度引起的体积力，连带着安装支承力都能导至一个不希望有的频率偏移。因此有必要使SAW器件尽可能不受周围因素的影响，而本发明就是要效力于满足这种需要的至少某些方面。

人们已经认识到：SAW器件晶体取向及声表面波传播方向的选择能对周围因素影响频率稳定度方面具有显著效果。就某些周围因素而言，获得某种理想的晶体取向和传播方向也许是可能的，例如，通过使用模拟含有某些线性关系的波运动，但某些外部因素不属于此范畴。例如，人们认为：由温度引起的和应力引起对表面波传播的影响是不易根据运动的线性方程来解决的。尽管如此，温度和应力对频率稳定度的影响可能还是极其重要的。

人们认为在本领域中所广泛应用的一种结构涉及用所谓ST切割（ST-cut）的石英片。另一种采用称之谓SST切割（SST-cut）。当采用由无线电工程师学会（现为电气和电子工程师协会即IEEE）选用的标准（登载在1949年12月的IEEE会志PP.1378-90上，题为：“关于压电晶体的标准，1949：标准49    IRE14.S1”）时，ST切割以取向角θ＝42.75°和传播方向γ＝0°为特征，而SST切割以取向角θ＝-49.22°和传播方向γ为23°为特征。人们相信：通常使用ST切割的SAW器件对于沿器件平面的平面各向同性应力分布的此类应力，或对由衬底加载弯曲引起的双轴应力均不会提供足够补偿（至少在某些应用方面），同时由于一系列金属条状电极（an    array    of    metallic    electrode    stripes）引起的周期性热应力分布仅在一个很窄的范围内提供补偿。人们还相信：ST切割的SAW器件受动态热效应的影响是显著的。人们认为，对SST切割的SAW器件也涉及类似的、但不是等同的缺点。还可查阅提出某些其它切割法的4，499，395号美国 专利。

本发明的一个方面是基于这样一个发现，即对SAW器件采用过去人们不知道的不同的晶体取向和不同的传播方向可实现应力补偿和温度补偿方面出乎意料的重大改进。尤其是，本发明的一个重要方面是发现了一种本文称为STC切割（象征应力和温度补偿切割）的新的切割法，其特征在于采用不同于人们在对这类器件的先有技术中所用的取向角和传播方向。利用STC切割的SAW器件同ST切割的器件比较，提供了高SAW速度，较低的粘滞衰减，较低的动态热效应，对SAW传播平面上的平面各向同性应力及对归因于加载弯曲引起的双轴应力提供了较大的补偿，并在一个较大的带宽范围内对由一系列条状电极所引起的周期性热应力提供补偿。在一个典型的和非限制性的实施例中，STC切割在用上面谈及的IEEE标准符号时可以γ＝46.9°传播方向和θ＝41.8°的角度取向为其特征。本发明的其他重要情况论述于如下详细说明中。

现对附图简要说明如下：

图1概略地图示了一个以双端SAW谐振器形式的SAW器件。

图2示出了诸如石英一类的一个立方晶体，并在此采用了IEEE标准的相应符号以定义角度取向。

图3示出了通过图2立方体的一个剖面，并为定义传播方向而在此采用了IEEE的标准符号。

图4是表示在一个已旋转（θ＝41.8°）的Y轴切割衬底上，声表面波速度作为传播方向γ的一个函数曲线图。

图5是表示功率通量角作为传播方向γ的一个函数曲线图。

图6是表示由于石英衬底上的一片极微薄的导电膜所引起的表面波速度变化作为传播方向γ的一个函数曲线图。

图7是表示温度引起一个SAW谐振器的部分频率变化作为传播方 向γ的一个函数曲线图。

图8是表示在23℃下具有延迟的一阶温度系数为零的，声表面波的传播方向和晶体取向的轨迹图。

图9a概略地表示了一个其上具有一个SAW延迟线（或谐振器）的薄圆盘的截面;

图9b表示图9a圆盘受到一对与水平成ψ方位角的径向力作用时的一个平面图;

图9c表示对于STC切割成的石英衬底（θ＝41.8°，γ＝46.9°）的力对频率的影响。

图10a是一个双端声表面波谐振器的平面图;

图10b是显示间隔排列有电极的图10a谐振器的部分截面图;

图10c是表示图10a谐振器上未复电极和复以电极的相间区域内的间隔的应力分布图。

图11表示在一个旋转Y轴切割成的衬底（θ＝41.8°）上的一个声表面波谐振器，热应力所引起的频率偏移作为传播方向γ的一个函数关系。

图12表示在谐振频率上呈现热应力补偿的（晶体）取向和传播方向的轨迹。

图13表示STC切割衬底在角度取向和传播方向附近的温度和应力补偿轨迹特性。

图14a是一个表示用ST切割法的SAW器件的热应力引起的频率偏移作为波长对周期之比的一个函数曲线图;

图14b是一个表示用STC切割法的SAW器件的热应力引起的频率偏移作为波长对周期之比的一个函数曲线图。

图15a是表示一个按接近于ST切割法切割的SAW谐振器当其外部表面承受一个按指数上升的温度作用时的热瞬态响应图;和图15b是 对STC切割的SAW谐振器的同样的响应图。

图16是一个矩形衬底遭受沿一对平行侧面弯矩作用时的示意图。

图17是表示ST切割衬底上平行于和垂直于传播方向的每单位最大表面应变的时间延迟的相对变化，作为传播方向的一个函数曲线。

图18是对STC切割衬底的与图17相同的函数曲线。

参见图1，一个声表面波器件10包括一个诸如单晶（或基本上的单晶）石英一类材料的衬底12。在衬底12的一个扁平面上有一对叉指式表面波换能器16和18以及表面波栅状反射器20和22。这种SAW器件是一个产生驻波的双端式SAW谐振器。类似的结构可被用作本技术领域内已知的声表面波延迟线。当该器件是为测量诸如压力一类参数而要用作传感器的一部分时，则可将衬底12装在一个支架上-该支架使其能在压力作用下弯曲，从而最终引起驻波频率变化。该频率的变化便可用来测定所加压力的大小。另一方面，衬底12可以是一种整体结构，例如为一个圆柱体，则其承受压力时，具有类似的频率效应。图示的衬底12具有一个上部表面，该表面处在X″Z″轴构成的平面上并垂直于Y″轴。声表面波沿着X″轴传播。图2用图说明了坐标系的含义，其所示的典型的（基本）单晶石英立方体24具有结晶轴X、Y和Z。正如所述IEEE标准所定义的：X轴是二角轴，Z轴是三角轴。若垂直于Y轴的表面ABCD绕X轴旋转（假设）至垂直于Y′轴的位置ABEF时，则表面ABEF被称之谓旋转γ切割，并通过其“角度取向”即Y轴与Y′轴之间的θ角来确定的。就通常所用的ST切割情况来说θ＝42.75°，而在SST切割中θ＝-49.22°。在作为本发明一个重要方面的STC切割的一个非限制性实例中，θ＝41.8°，同时传播方向γ（下面结合图3论述）为49.6°。

图3表示一个STC衬底的平面图，该衬底具有垂直于图2的Y′轴的大的晶面。AB和EF边平行于结晶轴X（二角轴），AF和BE 边平行于Z′轴，Z′轴是由结晶轴Z（三角轴）围绕X轴旋转一个倾斜取向角θ而成，这里所论述的STC切割典型情况的θ是41.8°。根据本发明的一个非限定性实例所选的传播方向γ为46.9°。这个角度就是结晶轴X和X″轴之间的夹角。SAW器件上的声表面波将沿着轴X″的方向传播。在图1的示意性图示中，驻波就是沿着X″方向在换能器16和18之间传播的。在通常所用的ST切割法中，γ＝0°，即，声表面波沿着结晶轴X传播，而在SST切割法中γ＝23°。一旦传播方向X″被选定，则衬底12可用任何适于安装的简便形状切割而成。例如图3所示的矩形片12可被切割而形成图1的衬底12。当然，也可用矩形以外的其他形状，例如圆盘状，或者为声表面波所沿着传播的表面可以是某种更复杂结构（如圆柱体）的一部分。图2和3所示衬底是一种以Y轴旋转的切割，同时X轴与X′轴之间的角度φ为零（即，Y和Z轴绕X轴旋转，假设转到Y′和Z′位置，而轴X和X′重合）。

基于本发明的STC切割的SAW器件和采用传统ST切割的SAW器件之间的显著不同点已列入表1（根据模拟判断而不是对实际的SAW器件并列试验），并在本说明书的其余部分更详细地论述。

表1

STC和ST切割法的传播特性

取向：    φ＝0，θ＝41.80°    φ＝0    θ＝42.75°

传播方向：    γ＝46.89°    γ＝0°（ST

（STC切割）    切割）

速度    3288.66米/秒    3158米/秒

功率通量角    -6.5°    0°

（机电耦合系数） 4.75×10^-45.8×10^-4

粘滞衰减    6dB/cm（1千兆赫时）    6.7dB/cm（1千

兆赫时）

交岔温度    23℃    23℃

延迟温度系数： (△τ)/(τ·△τ) ＝0 0

动态热效率：    低于ST切割18%

对器件平面上的

平面的、各向同性应    补偿    不补偿

力分布的补偿

对由于一列条状金属电

极引起的周期性热应力    在一个较大的带宽范    在一个很窄的带

分布的补偿    围内    宽范围内

对由（薄）衬底的加载

弯曲引起的双轴应力的    补偿    不补偿

补偿

正如以上表1所示，基于新的STC切割法的器件的SAW速度高于传统的STA切割法的器件速度，这就意味着还可以较低的材料衰耗而实现较高的频率。功率通量角不再同传播方向一致，（除了必要一致时）。 机电耦合系数，作为对叉指式换能器和石英衬底之间的耦合程度的衡量，虽稍稍低了点，但仍足以适应能量的转移。在本发明的STC切割情况下，粘滞衰减明显地减小，并有附加的性能受益。重要的是，动态热效应明显地低于通常的ST切割。就应力补偿而论，STC切割法不仅对器件平面上（声表面波传播平面）的平面的各向同性的应力分布提供补偿，并对由于衬底的加载弯曲所引起的双轴应力提供补偿，而人们相信：通常的ST切割法是不会提供任何有效程度的这类补偿的。就对因一系列条状金属电极（叉指式换能器）而引起的周期性热应力分布的补偿而论，STC切割法比通常所用的ST切割法提供了一个明显地较大带宽范围内的补偿。

作为背景技术，人们认为：石英SAW谐振器的瞬态热响应，对中期的频率稳定度是一个重要的起作用因素。甚至当石英谐振器被加热（ovenized）以工作在接近其交岔温度（为达到最大频率稳定度），还是不能完全避免小的热瞬态，温度偏差和循环变化。由此引起的石英衬底的瞬时温度变化率产生人们所不希望有的频率偏差，而这频率偏差能限制高精度SAW器件的性能。SAW谐振器往往被制作在矩形或圆形衬底上。这些衬底为各种外套所包裹和真空密封，而显著地影响着器件的热传导性能。人们认为：SAW谐振器的瞬时频率偏差的两个主要原因是最大值表面波（即波峰）同平行于传播方向的温度梯度以及垂直于传播方向的温度梯度直接地相互作用所致。如果平行于传播方向的温度梯度是围绕SAW器件中心呈对称的话，那末垂直于衬底和垂直于表面波传播方向的温度梯度能变成热瞬态的主要来源。

除了上面论述的热瞬态外，叉指式换能器也能对热效应产生影响。一个SAW谐振器一般采用一个或两个叉指式换能器，用以产生和/或检测通过器件端部金属条或反射槽的组合而在谐振腔内形成的声表面波。一个叉指式换能器具有一组周期性相隔的条带-通常为铝带，其热膨 胀系数不同于石英的热膨胀系数。因此，这种合成结构的温度变化可在石英衬底上导致一种热应力分布。而这又能产生一个不希望有的声表面波的频率偏移。人们认为：在温度循环下，SAW器件表面的电极部分对器件的滞后性和非重复性，比不覆盖金属表面的影响更大。人们认为，这主要是因为在温度引起的变形或由外部加载所致变形情况下，衬底晶体（如石英）比多晶体的电极（一般为金属）更富有弹性而造成的。人们还认为：薄电极膜被沉积于诸如石英一类衬底上时，该膜片内固有的内应力就会导致衬底的位移变形，而这一变形又引起该谐振器的频率变化。再者，薄膜内应力和邻接衬底的位移状态会逐渐衰减，这点可能是谐振器特性长期偏移（即随时间而变）的一个起主要作用的因素。然而，现已发现：衬底的这种位移变形状态与由周期性相隔电极指的内应力或与由于电极和衬底间的热膨胀系数不同所引起的热应力有着类似的应力分布。因此，人们所关心的是寻找这样的晶体取向和表面波传播方向-它们可实现不受衬底上的周期性应力分布情况的影响，而这种情况是由指形换能器或反射条的电极型式造成的。一种实际上不受这种应力分布影响的晶体取向可通过减小电极应力衰减对器件频率稳定度的影响而显示了高精度SAW器件的时效性能的改善。

对频率稳定度，特别是中期的稳定度，令人关心的另一因素是加速应力。SAW器件可用于强烈冲击和振动环境下，这种环境可造成加速度引起的频率偏移。一个外部施加的加速度场可导致遍及SAW器件衬底分布的体积力以及来自安装支架的反作用力。因此，SAW器件的加速度灵敏度不仅可受该加速度方向和器件的结晶取向的影响，而且还可受安装支架的设计影响。一般说来，最理想是SAW器件对任何方向的加速度都具有最大的不敏感度。除了达到这个目标外，通常这样来选择结晶取向和传播方向是重要的，-该方向显著地降低了SAW器件对垂直于薄片衬底方向上的加速度的加速灵敏度，因为当承受一个垂直加速 场时，薄片对大的弯曲变形是最敏感的。

对频率稳定度研究中的另一因素是粘接和装配应力。通常，SAW器件采用薄片样结构作为声表面波的传播媒介。将一块晶体片衬底粘到一个外壳并将其安装在支架上的方法是各种各样的。每一种结构即可导致该SAW器件附近的一种不同的应力分布。然而，通过片的厚度的任何应力分布都可利用延伸（对称）变形和挠曲（非对称）变形来表示。因此，为补偿这两类应力分布的任何结晶体取向和声表面波传播方向都可导致器件性能对这类环境因素的灵敏度的极大降低。这里，详细描述的采用STC新切割法的SAW器件的一种典型结构可以呈薄圆盘形。该器件可有一个通过真空密封的全石英外罩，该外罩具有相同结晶取向的另一圆盘。粘接剂可以是热膨胀系数接近等于石英的热膨胀系数的玻璃化或非玻璃化的玻璃熔块。粘接层可为沿两圆盘外缘呈圆环状。这种扁平封装，在两圆盘的暴露面上均可有环状支撑物。只要所采用的结晶取向是适于补偿由两圆盘的弯曲变形所引起的双轴应力，这种安装可实际地减小一个SAW谐振器（或延迟线）对主要作用于垂直圆盘表面的加速度的灵敏度。

为用图解说明本发明的一个非限制性实例-一个STC切割的SAW器件的某些特性，计算结果是通过将这样一个器件模拟化获得的，并将此结果按如下讨论来加以说明。下面与计算结果有关的所论述的典型SAW器件是一个旋转Y轴切割的石英衬底（θ＝41.8°）。

图4表示以米/秒为单位的SAW速度作为（由该晶体的二角轴测得的以度为单位的）传播方向γ的一个函数图，图5表示以偏离传播方向γ的度为单位的功率通量角作为所述传播方向的一个函数图，图6表示由石英衬底上一块极微薄的导电膜所引起的速度变化（这是测定石英的表面波机电耦合的一种方法）也作为上述传播方向的一个函数图。正如图4所见，垂直于二角轴的传播方向上的速度是最高的。而高速是合 乎需要的，再者，高速还意味着较低的材料衰耗及图5表明与二角轴成90°的传播，具有功率通量角为0°的好性能，这一切说明高速是理想的，但图6提醒人们：邻近90°的传播方向是不实际的，因为对这类传播角度来说机电耦合就太低了。图4也启示我们：邻近45°的传播方向可能是合乎需要的，因为其对应速度相当高而曲线又不太陡，这意味着在该传播方向上也许并不严格要求高精度，也就是说，具有传播方向邻近45°的SAW器件比具有图4曲线陡度较大处传播方向（例如邻近60°）的器件，所受制造误差的影响会较小。图5建议：在设计一个SAW器件时，可提供邻近45°传播方向所指出的功率通量角，同时图6建议：只要适当地说明原因，则邻近45°的传播方向时的机电耦合是令人满意的。

图7图解说明了一个特别重要的特性，即在一个SAW器件中，温度引起的频率偏移作为传播方向的一个函数特性。根据在制作本发明过程中所发现并示于图7的模拟的计算结果，在传播方向为0°附近和稍过于45°方向上，温度引起的频率偏移为零（该曲线对90°点对称）。当在这两个传播方向之间选择时，更可取的是稍大于45°的方向，因为，原因之一是该方向给出一个较高的SAW速度。图7显示温度从基准温度23℃变化1℃而在STC切割的SAW谐振器频率上的模拟和计算的相对变化。

参见图8，该曲线表示在基准室温23℃下，关于延迟的零温度系数的取向和传播方向的轨迹。该曲线上的每一点对应旋转Y轴切割石英衬底的一个角度取向和SAW器件的一个传播方向，在此情况下，存在一个延迟的一阶零系数。通过箭头分别标示出作为本发明的STC切割和传统的ST切割的两条轨迹。

在一个STC切割的SAW器件的平面上，由于外部施加作用力而造成一个平面应力分布的模拟效应被示于图9a-9c中，并得出这样一个 结论：这类平面应力的各向同性分布不会引起频率变化。图9a是一个其顶部表面上带有一个SAW延迟线（或谐振器）的薄圆盘的横截面简图，图9b是该圆盘的一个俯视图。图示的SAW器件采用了本发明的STC切割法，而且图9a和9b中所示的坐标系与图2和3中所用坐标系相同。图9c表示由外力F所致的力对频率的影响，正如图9b所示，外力F包括一对与水平方向成方位角ψ作用在SAW器件盘上的径向力F。正如由图9c的模拟和计算结果可见，曲线所围面积趋于零，从而这种取向的平均力一频率系数为零。

一般来说，一个SAW谐振器采用一个或两个指型换能器，以便在由该器件两端的一组反射槽或金属条形成的谐振腔内产生和检测声表面波，正如图10a和10b所示。一个指型换能器具有一组周期性间隔的金属条（通常为铝条），有时称这些条为电极指-它们的热膨胀系数不同于石英的热膨胀系数。因此，在该SAW器件的组合结构中的温度变化可导致石英衬底上的一种热应力分布，而这种热应力分布通常又能引起该SAW器件的频率偏移。在一个ST切割的SAW器件情况下，与衬底上一组周期性间隔排列的电极有关的模拟偏置应力示于图10c中，图中纵轴是衡量沿SAW传播方向应力分量的尺度，水平轴是以微米为单位的沿SAW传播方向的长度。本例中，波长约为10微米。由图10c可见：石英的未覆金属部分，即，电极指之间的部分比石英的有电极部分，即在电极指下的石英部分的应力分量明显地要小些。象图10c这类图象正是人们在寻找这样一类取向和传播方向时所关心的，即在这类取向和传播方向下，可尽可能不受石英衬底内的周期性应力分布的环境影响-该分布是由叉指式换能器或金属反射条的型式引起的。可以预料：一个对这类周期性应力分布不敏感的SAW器件可呈现时效性能的改善，因为其电极应力释放对稳定性的影响会比本发明以前所知的各种切割法中的要小。

由一个具有选择角θ＝41.8°的衬底上的无限列铝电极条所引起的SAW器件频率偏移的模拟热应力作为由二角轴度量的传播方向γ的一个函数关系示于图11。表面波的传播方向被认为总是垂直于叉指式换能器中的金属条的长度方向，叉指式换能器是用于产生和检测这类表面波的。图11的曲线是对具有所示特性的SAW器件的谐振（同步）频率而言。可见，对图10所示条件来说，在γ＝46.9°STC切割时，热应力所引起的频率偏移为零。

事实上，这种模拟的SAW器件在许多种旋转角（倾斜取向）θ和传播方向γ的组合上，具有在基波谐振频率上热应力所引起的频率偏移为零的性能。图11中所示的一种特殊的模拟SAW器件即说明了这点，图中每条曲线都包括了其在基波谐振频率上热应力所引起的频率偏移为零的轨迹。

正如图13所示，新的、STC切割法为频率偏移为零而显示了模拟的温度和应力补偿，该图是与STC切割最有关的图8和图12部分的扩展刻度的组合。由图可见，对于零温度频率偏移和零热应力频率偏移的两条轨迹有一个交点，即角度取向θ＝41.803°和传播方向γ＝46.886°处。图13的模拟结果表明：对于STC切割而言，SAW器件基本上应不受由无限列金属条引起的周期性热应力的影响。

图14a和14b是比较模拟热应力在通常所用的ST切割和新的STC切割的SAW器件中所引起的频率偏移，作为波长对周期之比的一个函数所作的曲线图。对通常所用的ST切割来说，在基波谐振频率上，这个波长对周期之比约为2。许多（如果不是大多数的话）晶体谐振器的应用中，都要求在某一段带宽上，而不是仅仅要求在谐振频率上不受热应力影响了。由图14a和14b可明显看出，新的STC切割的SAW器件较之通常所用的ST切割情况显示了在一个较宽带宽范围内明显地减小了热应力所引起的频率偏移。注意，以纵轴的单位数来表示 时，通常用ST切割的图14a曲线占了大约27个单位的范围，而新的STC切割的图14b曲线只占了不到4个单位的范围-它给出一宽得多的带宽，因此提供了优于传统的ST切割的重要的可供使用的好处。

图15a和15b就热瞬态响应方面，对通常所用的ST切割和新的STC切割作了比较。该热瞬态响应曲线是对衬底厚度为1mm，并在器件的外表面承受一个由〔1-exp（-βt）〕给定的指数增长的温度情况而言。图15a和15b中的曲线1，2和3是对三种不同谐振频率而言。图15a和15b的模拟结果表明：新的STC切割比通常所用的ST切割在热瞬态的幅度上大约低18%，从而导致热瞬态响应方面的重大改善。在指数上升温度表达式中，变量t是时间，温度增高是指SAW传播所沿的SAW器件的外表面的温度增高。图15a和15b所给定的常数β是通过曲线拟合实际测量的方法而得到的。

图16表示一块承受沿其一对侧面的一个均匀弯矩的矩形板，图17和18是比较该弯矩在一个ST切割器件（图17）中和在STC切割器件中（图18）所引起的频率偏移。不过图17和18中的时间延迟（△τ/τEmax）的相对变化比由弯曲所引起的每单位的最大弯曲表面应变Emax变化的相对频率变化低。用小方块连接的曲线与平行于SAW传播方向的弯曲偏置应力有关，用小圆圈连接的曲线与垂直于该传播方向的弯曲偏置应力有关，图17中的第三条曲线是延迟的一阶温度系数的叠加。正如由图17和18所见，对ST切割来说，对由于弯曲加载引起的偏置应力几乎没有或没有补偿（这种切割的传播方向γ为零），而对STC切割（其传播方向γ＝46.9°）来说，就有补偿。相对于以上（△τ/τ）时间延迟的相对变化比采用所研究的SAW器件的一个谐振器的频率的相对变化（△τ/τ）要小，同时，时间延迟的相对变化是指沿传播方向γ，占据固定空间的两个观察点之间的渡越时间。参数Emax是在一块薄片弯曲过程中（见图16）所产生的最大弯曲应变，而且是一个无量 纲参数。它用以将时间延迟的相对变化归一化。

STC切割的SAW器件可用作高度稳定的SAW谐振器和其他SAW器件，特别是用于在交岔温度23℃左右的可控温度环境中的SAW器件。当一个STC切割的SAW器件与一个传播方向在相同衬底上的SAW温度计连用时，该器件可在一个大的温度范围内为地下孔（downhole）（钻井记录）频率计数提供一个稳定的高频基准源。对STC切割的衬底取向上的SAW温度计的传播方向是在离二角轴大约34.9°的角度上。这一取向呈现一个大的频率的一阶温度系数，在23℃时，该系数约为21ppm/℃。这种结构可用来在兆赫范围内和（Slobodnik等人由1984年12月18日授予专利的美国4，489，289号专利和在IEEE目录81CH1689-9，135-138页的“超声波专题论文集”（1981）中所提出的）一个大的温度范围内设定类似于微处理机所控制的稳定的频率源。由Slobodnik等人所提出的这方法是基于“交叉路径”结构和ST切割取向而不是这里所描述的新的STC切割。由于充分远离交岔温度，故基于STC切割的一个SAW器件可用作温度测量的一种稳定的器件。

总之，本发明的一个主要方面是具有传播方向γ＝46.9°的、角度取向θ约为41.8°、采用上面提到过的IEEE标准所测得的旋转Y轴切割的石英声表面波器件。本发明的其他实施例涉及角度γ和θ的近似值，并由此偏离1°、2°、3°和4°，以适应（例如）制造公差。本发明的另一方面涉及的一种旋转Y轴切割石英SAW器件具有由图12的轨迹组所选的一条轨迹所确定的传播方向γ和角度取向θ，而图12表示对应于热应力零频率偏移的γ和θ的轨迹，正如上面已讨论过。注意：传统的ST和SST切割并不是由图12上的轨迹所表示的。本发明的又一方面是涉及这样一种SAW器件，其γ和θ角是由选自图8中标有STC切割的曲线上的轨迹集的一条轨线所确定的，或至少其γ和θ 角近似对应于这条轨线。本发明的其他方面涉及选择γ和θ，以实现优于前面表1中由于STC切割器件所确定的ST切割器件的一个或多个优点。当然，应该清楚，在本发明范围内的许多改型是可能的，同时本发明并不限于上面详述的具体的实施例而是仅仅由所附权利要求的范围来确定。

Claims (21)

1、一种旋转Y轴切割的石英SAW(声表面波)器件，它包括一石英衬底及其上的至少一传感器，其特征在于它具有约46.9°或46.9°±1°；2°；3°；4°的传播方向γ，和约41.8°或41.8°±1°；2°；3°；4°的角度取向θ。

2、一种旋转Y轴切割的石英SAW器件，该器件包括一石英衬底及其上的至少一个传感器，其特征在于它具有选自图12轨迹组中的一条轨迹所规定的一个传播方向γ和一个角度取向，但不包括约为0，42.75;23，49.22;45，35.87;135，35.87和8-12，43的γ和θ的角度组合。

3、如权利要求2的一种器件，其特征在于所述γ和θ可以加或减1°;2°;3°;4°。

4、一种包括一石英衬底及其上至少一传感器的SAW器件，其特征在于它具有选自图8中标有STC切割的轨迹组中的一条轨迹所规定的传播方向γ和角度取向θ。

5、一种应力和温度补偿的SAW器件，该器件包括一个石英衬底及其上的至少一个传感器，其特征在于它具有如图13所示明的由实质上是零的热应力感生频移和在参考温度下实质上也是零的时延温度系数所限定的传播方向γ和角度取向θ。

6、如权利要求5的一种器件，其特征在于它具有一个-6.5±4°的功率流通角。

7、如权利要求5的一种器件，其特征在于它包括一个该SAW沿其一表面传播的衬底，并具有为补偿在所说表面中平面的各向同性应力分布而选择的一个传播方向γ和一个角度取向θ。

8、如权利要求7的一种器件，其特征在于它具有为补偿在一较ST切割器件的带宽大的带宽上因一系列不同物质的电极所引起的周期性的热应力分布而选择的一个传播方向γ和一个角度取向θ。

9、如权利要求8的一种器件，其特征在于它具有为补偿因所述衬底的加载弯曲所引起的双轴应力而选择的一传播方向γ和一角度取向θ。

10、如权利要求9的一种器件，其特征在于它具有一个实质上较ST切割器件的SAW速度高的SAW速度。

11、如权利要求9的一种器件，其特征在于它具有一个实质上较ST切割器件的粘滞衰减低的粘滞衰减。

12、如权利要求5的一种器件，其特征在于它具有一个实质上较ST切割器件的粘滞衰减低的粘滞衰减。

13、如权利要求5的一种器件，其特征在于它具有一个实质上较ST切割器件的SAW速度高的SAW速度。

14、如权利要求5的一种器件，其特征在于它具有为补偿在一较ST切割器件的带宽大的带宽上因一系列不同材料的电极条所引起的周期性的热应力分布而选择的一个传播方向γ和一个角度取向θ。

15、如权利要求5的一种器件，其特征在于它具有为补偿因该器件的加载弯曲所引起的双轴应力而选择的一传播方向γ和一角度取向θ。

16、如权利要求5的一个器件，其特征在于它包括一个该SAW沿着其传播的旋转Y切割石英衬底。

17、如权利要求16的一个器件，其特征在于该石英实质上是单晶。

18、一个有应力和温度补偿的SAW器件，包括一旋转Y切割的实质上具有一主平面的单晶石英衬底，在该衬底的所说平面上至少有一个包括一系列电极的换能器，该器件的特征在于其中的沿所说主平面的SAW传播方向γ和该主平面的角度取向θ是如图13所示明的由实质上是零的热应力感生频移和在参考温度下实质上也是零的时延温度系数所限定的。

19、一种SAW器件，包括一旋转Y切割的实质上具有一主平面的单晶石英衬底，在该衬底的所说主平面上至少有一个包括一系列电极的换能器，该器件的特征在于选择出供应力补偿和供温度补偿用的沿所说主平面的SAW传播方向γ和该主平面的角度取向θ，且其中的传播方向γ约46.9°或46.9°±1°;2°;3°;4°，角度取向θ约41.8°或41.8°±1°;2°;3°;4°。

20、一种包括一石英衬底及其上至少一传感器的旋转Y轴切割SAW器件，其特征在于该器件的一传播方向γ和一角度取向θ如图13所说明的实质上是在传播方向θ对角度取向θ的绘图中（ⅰ）该器件在参考温度下在其上具有实质上为零的频移的一条轨迹曲线，与（ⅱ）该器件在参考温度下在其上具有实质上为零的热应力频移的一条轨迹曲线的相交点。

21、如权利要求20的一种SAW器件，其特征在于该两曲线在所说绘图中约相交于γ＝47°和θ＝42°。

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