CN101641863A

CN101641863A - 兰姆波型弹性波元件

Info

Publication number: CN101641863A
Application number: CN200880008504A
Authority: CN
Inventors: 中川恭彦
Original assignee: University of Yamanashi NUC
Current assignee: University of Yamanashi NUC
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2010-02-03
Also published as: US20100102668A1; JPWO2008114715A1; WO2008114715A1; US8008838B2

Abstract

本发明提供一种高频谐振器的频率变化量极其少的振子，该谐振器利用了频率温度特性好的兰姆波型弹性波。兰姆波型弹性波元件，在水晶基板上配置至少一个产生兰姆波型弹性波用的帘状电极或者该电极和反射器，并使该水晶基板的截面和兰姆波型弹性波的传播方向用欧拉角表达(λ，μ，θ)时满足下述式(式1～式3)的任一个。(式1)λ＝90°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°，θ＝0°～10°；(式2)λ＝210°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°，θ＝0°～10°；(式3)λ＝330°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°，θ＝0°～10°。

Description

兰姆波型弹性波元件

技术领域

[0001]

本发明涉及一种谐振器或频率滤波器等中利用的振动元件，尤其涉及利用水晶基板内的兰姆波型弹性波的具有极其稳定的频率温度特性的弹性波元件。

背景技术

[0002]

由于水晶是物理性质和化学性质极其稳定的晶体，并且其特性不易随时间产生变化，因此很久以来就作为水晶振子而被广泛应用。水晶振子是通过压电现象使水晶晶体的机械谐振动转换为稳定的电振动而取出的电子部件，它当作电子线路工作的基准时钟是不可缺少的。另外，水晶振子作为激励振荡器或滤波器等之中的频率标准而被广泛应用，它不仅在信息通信设备中利用，而且几乎在所有的电子设备中都被利用。水晶振子如此被广泛应用的原因是和其他电子部件相比其随温度变化的频率变化非常小。

[0003]

当振子或谐振器被用在电子器件中时，振子的频率温度特性是特别重要的特性，为改进该特性而进行了多方面的努力。目前具有最稳定的频率温度特性的振子基板是有利用体(bulk)波(厚度剪切波)的AT截面(cut)水晶基板。AT截面水晶振子的一般的频率温度特性表现为3次函数的特性，在通常使用温度范围(-20～+80℃)下，频率变化量大约为12ppm的小值。

[0004]

另外，利用表面弹性波的水晶振子也广泛普及，但一般具有频率温度特性低劣的缺点。例如，在作为表面弹性波用的基板而被广泛应用的ST截面水晶中，频率温度特性表现为2次函数的特性，其频率变化量达到AT截面水晶的10倍左右的值。

[0005]

另外，作为利用与现有的体波或表面弹性波不同的弹性波的振动元件，本发明的诸发明者先提出了一种利用兰姆波型弹性波的高频谐振器(专利文献1，专利文献2)。

[0006]

但是，在这些文献中所述的频率温度特性与现有的AT截面水晶振子相比大约为1/8，-20℃到+80℃范围的频率变化量(Δf/f)为1.7ppm左右，如果1个信道(channel)的频带达到100GHz以上，则频率变化达到数十kHz，这可能引起信道之间的干扰。

专利文献1：日本国发明专利特开2003-258596号公报

专利文献2：日本国发明专利特开2005-269284号公报

[0007]

由于信息通信的高速大容量化的需求，通信设备的基准时钟的频率越来越成为高频波，其已达到数十GHz段～数百GHz段。基准时钟的频率越高，则随温度变化的频率变化量的绝对值就越大，例如：在频率为20GHz时，2ppm的变化导致大小为40kHz的频率变化，例如，如果抑制到30kHz左右，则产生信道之间的干扰。因此，即使利用现有的兰姆波型弹性波的高频谐振器也必须要求使由温度引起的频率变化量降到更低。

发明内容

[0008]

因此，本发明的目的在于提供一种利用目前频率温度特性最佳的兰姆波型弹性波的、高频谐振器的频率变化量更少的振子。更具体地说，在-20℃到+80℃的温度范围内，利用在水晶基板内的兰姆波型弹性波而达到由温度引起的频率变化量为1ppm左右以下的振子。

[0009]

本发明中的弹性波元件利用兰姆波。兰姆波是指在与其波长相比相同程度或其以下厚度的基板中沿表面方向传播的弹性波，别名是叫“板波”。在基板的板厚为比兰姆波波长的5倍左右以下时，已经知道能够高效地产生兰姆波。利用兰姆波的高频谐振器由在压电基板的单面上配置激励兰姆波的帘状电极(IDT，Inter Digital Transducer)和在帘状电极两侧的反射器而构成。由兰姆波的相位速度V和兰姆波的波长(等于电极的周期长Λ)，可算出该谐振器的工作频率f为f＝V/Λ。

[0010]

本发明的诸发明者对兰姆波的相位速度进行了理论分析，并且根据水晶晶体的材料常数的温度依赖性而进行了对工作频率f的温度特性的理论计算。对于AT截面水晶基板讨论该温度特性的计算值和测定值的对比时，两者表现出良好一致，从而证实了该理论计算方法的恰当。另外，由于晶体的材料常数随截面或兰姆波的传播方向而变化，因此在多种改变这些截面或方向而探索频率温度变化率Δf/f值变小的条件时，发现了具有兰姆波的Δf/f值变为极其小值的范围。

[0011]

以该发现为基础的本发明的兰姆波型弹性波元件，其特征在于，(1)被构成为：在水晶基板上配置至少一个产生兰姆波型弹性波用的帘状电极或该电极与反射器，并使该水晶基板的截面和兰姆波型弹性波的传播方向用欧拉角表达(λ，μ，θ)时满足下述式(式1～式3)的任一个。

(式1)

λ＝90°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°，θ＝0°～10°

(式2)

λ＝210°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°，θ＝0°～10°

(式3)

λ＝330°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°，θ＝0°～10°

[0012]

即，其特征在于，在λ＝90°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°范围内存在的截面上配置帘状电极等以便在θ＝0°～10°的传播方向上产生兰姆波型弹性波，或者是在λ＝210°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°范围内存在的截面上配置帘状电极等以便在θ＝0°～10°的传播方向上产生兰姆波型弹性波，或者是在λ＝330°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°范围内存在的截面上配置帘状电极等以便在θ＝0°～10°的传播方向上产生兰姆波型弹性波。

[0013]

在上述(1)中记载的水晶基板的厚度H和所述帘状电极的周期长Λ之比H/Λ是在0.8到1.0的范围内。

[0014]

本发明的兰姆波型弹性波元件的特征在于，(2)其被构成为：在水晶基板上配置至少一个产生兰姆波型弹性波用的帘状电极或该电极与反射器，并使该水晶基板的截面和兰姆波型弹性波的传播方向用欧拉角表达(λ，μ，θ)时满足下述式(式4～式6)的任一个。

(式4)

λ＝90°，μ＝13°～16°或者μ＝164°～167°，θ＝0°～10°

(式5)

λ＝210°，μ＝13°～16°或者μ＝164°～167°，θ＝0°～10°

(式6)

λ＝330°，μ＝13°～16°或者μ＝164°～167°，θ＝0°～10°

[0015]

即，其特征在于，在λ＝90°，μ＝13°～16°或者μ＝164°～167°范围内存在的截面上配置帘状电极等以便在θ＝0°～10°的传播方向上产生兰姆波型弹性波，或者在λ＝210°，μ＝13°～16°或者μ＝164°～167°范围内存在的截面上配置帘状电极等以便在θ＝0°～10°的传播方向上产生兰姆波型弹性波，或者是在λ＝330°，μ＝13°～16°或者μ＝163°～167°范围内存在的截面上配置帘状电极等以便在θ＝0°～10°的传播方向上产生兰姆波型弹性波。

[0016]

在上述(2)中记载的水晶基板的厚度H和所述帘状电极的周期长Λ之比H/Λ是在0.9到1.1的范围内。

[0017]

本发明的兰姆波型弹性波元件的特征在于，(3)其被构成为：在水晶基板上配置至少一个产生兰姆波型弹性波用的帘状电极或该电极与反射器，并使该水晶基板的截面和兰姆波型弹性波的传播方向用欧拉角表达(λ，μ，θ)时满足下述式(式7～式9)的任一个。

(式7)

λ＝20°～25°，μ＝120°～130°，θ＝40°～45°

(式8)

λ＝140°～145°，μ＝120°～130°，θ＝40°～45°

(式9)

λ＝260°～265°，μ＝120°～130°，θ＝40°～45°

[0018]

在上述(3)中记载的水晶基板的厚度H和所述帘状电极的周期长Λ之比H/Λ是在0.9到1.1的范围内。

[0019]

本发明的兰姆波型弹性波元件的特征在于，在水晶基板上配置至少一个产生兰姆波型弹性波用的帘状电极或该电极与反射器，并使该水晶基板的截面和兰姆波型弹性波的传播方向用欧拉角表达(λ，μ，θ)时满足下述式(式10)，并且水晶基板的厚度H和所述帘状电极的周期长Λ之比H/Λ为0.9。

(式10)

λ＝90°，μ＝18.997°或μ＝180°-18.997°，θ＝7.5°

[0020]

本发明的兰姆波型弹性波元件的特征在于，在水晶基板上配置至少一个产生兰姆波型弹性波用的帘状电极或该电极与反射器，并使该水晶基板的截面和兰姆波型弹性波的传播方向用欧拉角表达(λ，μ，θ)时满足下述式(式11)，并且水晶基板的厚度H和所述帘状电极的周期长Λ之比H/Λ为0.9。

(式11)

λ＝90°，μ＝14.715°或μ＝180°-14.715°，θ＝0°

[0021]

本发明包括具有上述任一记载的兰姆波型弹性波元件的高频谐振器。

[0022]

本发明中的兰姆波型弹性波元件的温度依赖性是在-20°～+80°的温度范围内其频率变化量大约为1ppm以下的小值。这是目前表现出最稳定的频率温度特性的AT截面水晶基板频率变化量的1/20左右的值。

[0023]

这种频率温度特性良好的压电元件基板，不仅在信息通信设备中，而且还能当作各种信号发生器的基准时钟而被应用。

附图说明

[0024]

图1是表示作为本发明实施例的兰姆波型高频谐振器结构的模式图。

图2是表示兰姆波分析模型的坐标系的图。

图3是对欧拉角表达的说明图。

图4是表示在AT截面水晶基板中的兰姆波相位速度计算结果例子的图。

图5是表示本发明的兰姆波型弹性波元件频率温度特性计算结果例子的图。

图6是表示本发明的兰姆波型弹性波元件频率温度特性计算结果的其他例子的图。

图7是表示本发明的兰姆波型弹性波元件频率温度特性计算结果的其他例子的图。

图8是表示在AT截面水晶基板中体波频率温度特性计算结果例子的图。

图9是表示在AT截面水晶基板中兰姆波频率温度特性计算结果与测定结果对比例子的图。

图10是表示在AT截面水晶基板中兰姆波频率温度特性计算结果与测定结果对比的其他例子的图。

[0025]

图中：1-水晶基板，2-帘状电极，3-反射器。

具体实施方式

[0026]

以下参照附图，对本发明的实施形式进行说明。

图1是表示本发明实施例的兰姆波型高频谐振器结构的图解，图1(a)是立体图、图1(b)是剖面图。如图1所示，在厚度为与所产生的兰姆波的波长相同程度或比其更薄的水晶基板1的表面上，配置激励和接受兰姆波用的帘状电极2与利用弹性摇动效应的反射器3。作为电极材料大多数都用铝，作为反射器的材料除了铝之外还可以采用金、铬等。由在基板1中传播的兰姆波的(相位速度V/波长)决定该谐振器的工作频率f，但是，由于在谐振状态下波长与帘状电极2的周期长Λ一致，因此f可由下式(式12)给出：

(式12)f＝V/Λ

[0027]

频率的温度依赖性，取决于由上述式(式12)决定的相位速度的温度依赖性V(T)以及基板的膨胀系数(Λ的温度变化)。频率变化的温度特性，通常以20℃作为标准温度的时候较多。因此，如果计算出在某个温度下的工作频率f(T)和20℃的温度下的工作频率f(20℃)，则由下式(式13)可以给出频率温度变化率Δf/f：

(式13)Δf/f＝{f(T)-f(20℃)}/f(20℃)

[0028]

通过下述的理论分析，可以算出在平板中传播的兰姆波的相位速度。图2是表示分析模型的坐标轴的图，其中基板厚度设为H，分析传播方向x1上的弹性波。利用运动方程式和压电基本式，将传播方向投影到x1轴上而计算波动的通解。在所得的通解中代入边界条件后，可以得到兰姆波的相位速度V。边界条件是指在基板上面和基板下面应力等于零的条件。

[0029]

在温度T下的相位速度值，是利用在温度T(℃)下的水晶晶体各材料常数(弹性常数、压电常数、介电常数、密度)值，通过理论分析而得出。各材料常数，在标准温度(通常是20℃)下的值和温度系数为已被测定。

[0030]

在论述晶体基板的截面和波的传播特性时，由于一般用欧拉角来表达，所以用图3来说明其定义。在该图中，X、Y、Z为晶体轴，x1、x2、x3为坐标轴。图3(a)相当于在晶体轴和坐标轴一致的情况下的欧拉角表达(λ，μ，θ)的λ，μ，θ中的任一均为0的情况。λ是以Z轴作为旋转轴使X Y平面向右转方向(X轴到Y轴的方向)旋转的角度，通过该旋转确定坐标轴x1的方位(相当于旋转后的X轴的位置，参照图3(b))。μ是以x1轴作为旋转轴使与x1轴垂直的平面向右转方向(x2轴到x3轴的方向)旋转的角度，通过该旋转确定坐标轴x3的方位(相当于旋转后的Z轴的位置，参照图3(c))。

[0031]

晶体基板的截面是垂直于上述x3轴的面。θ是定义波的传播方向的角，是以上述的x3轴作为旋转轴使与x3轴垂直的平面向右转方向(x1轴到x2轴的方向)旋转的角度，并且将由该旋转所确定的x1轴的方向定义为波的传播方向(参照图3(d))。所述材料常数由于在晶体基板内的方向而不相同，不过，利用欧拉角表达可计算出对应新坐标系(x1，x2，x3)的材料常数。

[0032]

首先，在图4中表示AT截面水晶的x1轴方向的兰姆波(用欧拉角表达时，λ＝0°，μ＝125.25°，θ＝0°)相位速度计算结果的例子。计算中，水晶板的厚度H设为10μm。图中的纵坐标轴为相位速度V，横坐标轴为标准化的基板厚度(kH/π＝2πH/Λπ＝2H/Λ)。图中可以看出，相位速度10000m/s以上的结果存在的多，并且由上述式(式12)可知频率容易超过1000MHz的兰姆波模式的存在。如此，由于兰姆波的相位速度比表面弹性波的相位速度大幅度地大，因此具有容易进行频率达到GHz的高频波振荡的特长。

[0033]

本发明的诸发明者，在水晶基板内的兰姆波中，为了探索频率温度变化率Δf/f的小的部分，多种改变λ，μ，θ的值并进行了理论计算。其结果，在λ＝90°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°，θ＝0°～10°时，发现Δf/f的值变为极其小的情况。图5是表示在λ＝90°，μ＝19°，θ＝7.5°时的Δf/f与温度之间关系的图。计算中设为H/Λ＝0.9。在-20°～+80°的全范围内，可知Δf/f的值大致为1.4ppm以下的小值。

[0034]

另外，在λ＝90°，μ＝13°～16°或者μ＝164°～167°，θ＝0°～10°时，发现Δf/f的值变为极其小。图6是表示在λ＝90°，μ＝14.7°，θ＝0°时的Δf/f与温度之间关系的图(计算中设为H/Λ＝1.01)。在-20°～+80°的全范围内，可知Δf/f的值大致为1.24ppm以下的小值。

[0035]

此外，在欧拉角取为λ＝20°～25°，μ＝120°～130°，θ＝40°～45°时，也发现Δf/f的值变为极其小。图7是表示在λ＝23°，μ＝124.9°，θ＝42.2°时的Δf/f与温度之间关系的图(计算中设为H/Λ＝0.963)。理论计算结果与图5、图6的结果大致相同，在-20°～+80°的全范围内，可知Δf/f的值大致为0.7ppm以下的小值。

[0036]

另外，在图8中表示了对AT截面水晶基板内的体波(厚度剪切波)进行同样计算而得出的结果的例子。计算结果中频率变化达到12ppm左右，这与现有的通过实验所知的水晶振子的频率温度特性正好一致。从图5～图7与图8的相比可知，本发明的兰姆波型弹性波元件的频率温度特性被显著地改善，与现有的AT截面水晶振子相比，频率温度变化大约为其1/10的非常少的值。

[0037]

另外，为讨论这样的理论计算和实验测定值的对比，制作了在水晶基板上配置的如图1所示的帘状电极和反射器的兰姆波型谐振器，而且实验测定了频率变化的温度依赖性。在基板上，利用直径为3mm，厚度为10μm的AT截面水晶基板，形成使波长达到20μm的电极和反射器。在图9中表示了用欧拉角表达(λ＝0°，μ＝125.25°，θ＝0°)时的理论计算值和测定值的对比。两者很好地成为一致，证实了作为本发明根据的理论分析的精度高。

[0038]

另外，在图10中表示在用欧拉角表达(λ＝0°，μ＝125.25°，θ＝90°)时(在与图9相同的截面上，与该截面夹直角方向的兰姆波)的理论计算值和测定值的对比。图中的实线为上述欧拉角的理论计算值，其与测定值稍微不同。出现该误差的原因在于，计算中所应用的各材料常数的测定误差或实验所用的水晶晶体的物性的参差不齐。因而，将以(λ＝0°，μ＝126.5°，θ＝90°)为条件的计算结果表示在图中的虚线部分。该虚线与测定值很好地成为一致。据此，对于有关用计算来推定的欧拉角的最佳的条件，由于包含着各材料常数的测定误差以及晶体物性的参差不齐为原因的不确定误差，所以希望优选对3个欧拉角分别设定±2°左右的许可范围。

[0039]

本说明书以2007年3月15日申请的特愿2007-065991为基础。该内容全部包含在这里。

Claims

1.一种兰姆波型弹性波元件，其特征在于，

在水晶基板上配置至少一个产生兰姆波型弹性波用的帘状电极或者该电极和反射器，并使该水晶基板的截面和兰姆波型弹性波的传播方向用欧拉角表达(λ，μ，θ)时满足下述式1～式3的任一个，

式1：λ＝90°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°，θ＝0°～10°

式2：λ＝210°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°，θ＝0°～10°

式3：λ＝330°，μ＝17°～21°或者μ＝159°～163°，θ＝0°～10°。

2.根据权利要求1所述的兰姆波型弹性波元件，其中，所述水晶基板的厚度H与所述帘状电极的周期长Λ之比H/Λ在0.8到1.0的范围内。

3.一种兰姆波型弹性波元件，其特征在于，

在水晶基板上配置至少一个产生兰姆波型弹性波用的帘状电极或者该电极和反射器，并使该水晶基板的截面和兰姆波型弹性波的传播方向用欧拉角表达(λ，μ，θ)时满足下述式4～式6的任一个，

式4：λ＝90°，μ＝13°～16°或者μ＝164°～167°，θ＝0°～10°

式5：λ＝210°，μ＝13°～16°或者μ＝164°～167°，θ＝0°～10°

式6：λ＝330°，μ＝13°～16°或者μ＝164°～167°，θ＝0°～10°。

4.根据权利要求3所述的兰姆波型弹性波元件，其中，所述水晶基板的厚度H与所述帘状电极的周期长Λ之比H/Λ在0.9～1.1的范围内。

5.一种兰姆波型弹性波元件，其特征在于，

在水晶基板上配置至少一个产生兰姆波型弹性波用的帘状电极或者该电极和反射器，并使该水晶基板的截面和兰姆波型弹性波的传播方向用欧拉角表达(λ，μ，θ)时满足下述式7～式9的任一个，

式7：λ＝20°～25°，μ＝120°～130°，θ＝40°～45°

式8：λ＝140°～145°，μ＝120°～130°，θ＝40°～45°

式9：λ＝260°～265°，μ＝120°～130°，θ＝40°～45°。

6.根据权利要求5所述的兰姆波型弹性波元件，其中，所述水晶基板的厚度H与所述帘状电极的周期长Λ之比H/Λ在0.9～1.1的范围内。

7.一种兰姆波型弹性波元件，其特征在于，

在水晶基板上配置至少一个产生兰姆波型弹性波用的帘状电极或者该电极和反射器，并使该水晶基板的截面和兰姆波型弹性波的传播方向用欧拉角表达(λ，μ，θ)时满足下述式10，并且所述水晶基板的厚度H与所述帘状电极的周期长Λ之比H/Λ为0.9，

式10：λ＝90°，μ＝18.997°或μ＝180°-18.997°，θ＝7.5°。

8.一种兰姆波型弹性波元件，其特征在于，

在水晶基板上配置至少一个产生兰姆波型弹性波用的帘状电极或该电极h反射器，并使该水晶基板的截面和兰姆波型弹性波的传播方向用欧拉角表达(λ，μ，θ)时满足下述式11，并且水晶基板的厚度H与所述帘状电极的周期长Λ之比H/Λ为0.9，

式11：λ＝90°，μ＝14.715°或μ＝180°-14.715°，θ＝0°。

9.一种高频谐振器，具有权利要求1到8任一项中记载的兰姆波型弹性波元件。