CN103718458A - 弹性波装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种弹性波装置，利用在LiNbO3基板中传播的SH型板波，可有效地提高机电耦合系数k2，因此能扩大相对带宽。一种弹性波装置(1)，其利用了在LiNbO3基板中传播的SH型板波，具备LiNbO3基板(3)、被设置在LiNbO3基板(3)的至少一个面的IDT电极(4)、以及在设置有所述IDT电极(4)的区域的外侧按照支撑所述LiNbO3基板(3)的方式与该LiNbO3基板(3)接合的支撑体(2)，所述LiNbO3基板(3)的欧拉角(0°，θ，0°)中，θ处于92°～138°的范围内，在将由所述IDT电极(4)的电极指间距决定的波长设为λ时，LiNbO3基板(3)的厚度处于0.05λ～0.25λ的范围内。
Description
技术领域
本发明涉及被用作谐振器或带通滤波器的弹性波装置，更详细而言涉及利用在LiNbO3基板中传播的SH型板波(SH plate wave)的弹性波装置。
背景技术
以往提出各种利用了在LiNbO3中传播的板波的弹性波装置。例如下述的专利文献1公开了图16所示的弹性波谐振器。在图16所示的弹性波谐振器1001中，利用的是LiNbO3单晶体基板1002。该LiNbO3单晶体基板1002的中央为薄板部1002a。即、LiNbO3单晶体基板1002的中央部分薄至具有厚度h。在专利文献1所述的实施例中，该厚度h为0.03λ0。
再有，在薄板部1002a的上表面形成有IDT电极(叉指换能器电极)1003。在将IDT电极1003的电极指间距设为λ0时，电极指的宽度L为0.125λ0。
在专利文献1中记载了：在LiNbO3的面方位被设为以X轴为中心并以-10°～70°范围的角度从Y轴向Z轴方向旋转的方位的情况下，弹性振动的主成分成为SH波，压电效应增大。
在专利文献1的实施例中，上述IDT电极1003由Al-0.7％Cu合金形成。另一方面，LiNbO3单晶体基板1002由40°Y板构成，这意味着欧拉角(
θ，ψ)的θ＝130°。
另一方面，在下述的专利文献2中，在段落〔0051〕公开了利用位于旋转角36°±20°的范围内的LiNbO3、即欧拉角为(0°，106°～146°，0°)的LiNbO3的弹性波元件。在此，由LiNbO3构成的压电基板的弹性波传播面在机械上是自由的，由LiNbO3构成的压电基板的厚度要比弹性波的波长λ还小。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2002-152007号公报
专利文献2：JP特开2002-368576号公报
发明内容
-发明所要解决的技术问题-
然而，在专利文献1中记载了：在将LiNbO3的面方位设为上述特定的范围、即欧拉角为(0°，80°～160°，0°)的范围的情况下，SH型板波带来的压电效应增大。而且，在专利文献1所述的利用了SH型板波的构成中，并不一定能获得足够大的机电耦合系数k2，因此扩大相对带宽(bandwidth ratio)也存在限度。另外，在专利文献1中并未特别地提及IDT电极的膜厚。
再有，上述专利文献2虽然示出了利用上述欧拉角范围的LiNbO3的弹性波装置且弹性波传播区域在机械上是自由的构造，但并未具体地记载利用了SH型板波的构成。
本发明的目的在于提供一种弹性波装置，其利用在LiNbO3基板中传播的SH型板波，可有效地提高机电耦合系数k2，因此能扩大相对带宽宽度。
-用于解决技术问题的方案-
本发明涉及的弹性波装置利用在LiNbO3基板中传播的SH型板波。本发明涉及的弹性波装置具备：LiNbO3基板；被设置于LiNbO3基板的至少一个面的IDT电极；以及在设置有所述IDT电极的区域的外侧按照支撑所述LiNbO3基板的方式形成于该LiNbO3基板的支撑体。本发明中，在所述LiNbO3基板的欧拉角(0°，θ，0°)中，θ处于92°～138°的范围内，在将由所述IDT电极的电极指间距决定的波长设为λ时，LiNbO3基板的厚度处于0.05λ～0.25λ的范围内。
在本发明涉及的弹性波装置的某一特定方式中，所述IDT电极由以下述的表1所示的金属的任一种为主成分的金属构成，根据该金属的种类而设为下述表1所示的范围内的膜厚。
[表1]
| IDT电极膜厚 | |
| Pt | 超过0且为0.083λ以下 |
| Au | 超过0且为0.055λ以下 |
| Cu | 超过0且为0.11λ以下 |
| Ni | 超过0且为0.16λ以下 |
| Al | 超过0且为0.135λ以下 |
该情况下，能将SH型板波的相对带宽设为25％以上。
在本发明涉及的弹性波装置的其他特定方式中，所述IDT电极由以下述表2所示的任一种金属为主成分的金属构成，根据该金属而种类而将占空比设为下述表2所示的范围内。其中，在将IDT电极的电极指宽度设为W、将电极指间缝隙设为G时以W／(W+G)来表示占空比。
[表2]
| 占空比 | |
| Pt | 0.105～0.62 |
| Au | 0.105～0.585 |
| Cu | 0.11～0.645 |
| Ni | 0.11～0.655 |
| Al | 0.115～0.63 |
该情况下，能将相对带宽扩大至26％以上。
本发明涉及的弹性波装置的又一特定方式中，在所述LiNbO3基板的两面形成所述IDT电极，IDT电极由以下述表3所示的任一种金属为主成分的金属构成，根据该金属的种类而将IDT电极的膜厚设为下述表3所示的范围内。
[表3]
| 构成电极的金属 | 单侧的IDT电极的膜厚 |
| Pt | 超过0且为0.14λ以下 |
| Au | 超过0且为0.067λ以下 |
| Cu | 超过0且为0.145λ以下 |
| Ni | 0.002λ～0.20λ |
| Al | 超过0且为0.125λ以下 |
该情况下，能将相对带宽提高至27％以上。
在本发明涉及的弹性波装置的另一特定方式中，在LiNbO3基板的两面形成IDT电极，根据构成IDT电极的金属的种类而将该IDT电极的占空比设为下述表4所示的范围内。
[表4]
| 构成电极的金属 | 占空比 |
| Pt | 0.018～0.547 |
| Au | 0.018～0.523 |
| Ni | 0.018～0.597 |
| Cu | 0.018～0.567 |
| Al | 0.025～0.56 |
该情况下，能将相对带宽提高至28％以上。
在本发明涉及的弹性波装置的另一特定方式中，所述支撑体是具有面临形成有所述IDT电极的区域的贯通孔的支撑基板。这样，面临形成有IDT电极的区域的部分也可以是设置于支撑基板的贯通孔。
本发明涉及的弹性波装置的其他特定方式中，所述IDT电极由以具有2.699×103kg／m3与8.93×103kg／m3之间的值的密度的金属为主成分的金属构成。
-发明效果-
根据本发明涉及的弹性波装置，由于LiNbO3的欧拉角的θ处于上述特定的范围内且LiNbO3基板的厚度被设为上述特定的范围内，故可有效地提高SH型板波的机电耦合系数。由此，能够提供相对带宽较宽的谐振器或滤波器。
附图说明
图1(a)是本发明第1实施方式涉及的弹性波装置的正面剖视图，图1(b)是表示其电极构造的示意性俯视图。
图2是表示Z切割LiNbO3基板(Z-cut LiNbO3substrates)的厚度和X传播弹性波的声速之间的关系的图。
图3是表示Z切割LiNbO3基板的厚度和X传播弹性波的机电耦合系数之间的关系的图。
图4是表示各种厚度的LiNbO3基板的欧拉角的θ和SH型板波的基模(fundamental mode)的机电耦合系数k2之间的关系的图。
图5是表示欧拉角(0°，120°，0°)的LiNbO3基板的厚度和弹性波的机电耦合系数k2之间的关系的图。
图6是表示厚度0.1λ、欧拉角(0°，120°，0°)的LiNbO3基板中的、由各种金属构成的IDT电极的膜厚和相对带宽之间的关系的图。
图7是表示厚度0.1λ、欧拉角(0°，120°，0°)的LiNbO3基板中的、由各种金属由构成的IDT电极的膜厚和反射系数之间的关系的图。
图8是表示厚度0.1λ、欧拉角(0°，116°～118°，0°)的LiNbO3基板中的、由各种金属构成的IDT电极的占空比和相对带宽之间的关系的图。
图9是表示厚度0.1λ、欧拉角(0°，120°，0°)的LiNbO3基板中的、由各种金属构成的IDT电极的占空比和反射系数之间的关系的图。
图10是本发明其他实施方式涉及的弹性波装置的正面剖视图。
图11是表示在利用了由Al构成、膜厚为0.02λ的IDT电极的情况下的、欧拉角(0°，118°，0°)的LiNbO3基板的厚度和声速之间的关系的图。
图12是表示利用欧拉角(0°，118°，0°)的LiNbO3基板、且由Al构成的IDT电极的膜厚为0.04λ的情况下、及两面的由Al构成的IDT电极的膜厚各为0.02λ的情况下的LiNbO3基板的厚度和相对带宽之间的关系的图。
图13是表示欧拉角(0°，118°，0°)LiNbO3基板的厚度为0.15λ且由各种金属构成的IDT电极形成于LiNbO3基板两面的构造中的、单侧的IDT电极的厚度和相对带宽之间的关系的图。
图14是表示欧拉角(0°，118°，0°)LiNbO3基板的厚度为0.1λ且由各种金属构成的IDT电极形成于LiNbO3基板两面的构造中的、单侧的IDT电极的厚度和相对带宽之间的关系的图。
图15是表示欧拉角(0°，118°，0°)LiNbO3基板的厚度为0.1λ且由各种金属构成的IDT电极形成于LiNbO3基板两面的构造中的、占空比和相对带宽之间的关系的图。
图16是表示以往的弹性波谐振器的一例的示意性剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的具体的实施方式，由此使得本发明更清楚。
图1(a)及(b)是表示本发明第1实施方式涉及的弹性波装置的正面剖视图及电极构造的示意性俯视图。
本实施方式的弹性波装置1具有支撑体2。支撑体2由Si、绝缘性陶瓷或金属等适宜的刚性材料构成。支撑体2上层叠有LiNbO3基板3。LiNbO3基板3的厚度在0.05λ～0.25λ的范围内。支撑体2在具有贯通孔2a且面临贯通孔2a的区域中，在LiNbO3基板3的上表面形成IDT电极4。
在图1(a)中概略地表示构成IDT电极4的部分。更详细的是，形成具有图1(b)所示的IDT电极4和设置于IDT电极4两侧的反射器5、6的电极构造。所述贯通孔2a位于这些电极构造的下方。本实施方式中，由于具有上述电极构造，故可构成一端口型的弹性波谐振器。
本实施方式的特征在于：LiNbO3基板3的厚度如上述处于0.05λ～0.25λ的范围内，在其欧拉角(0°，θ，0°)中，θ处于92°～138°的范围内。其中，λ是由IDT电极4的电极指间距来决定的波长。
本实施方式中，由于具备上述构成，故可大幅地提高SH型板波的机电耦合系数k2。因此，可提供相对带宽较宽的谐振器或滤波器。参照图2～图9，对此更详细地进行说明。
图2是表示Z-X传播、即欧拉角为(0°，0°，0°)的LiNbO3基板的厚度和在该LiNbO3中传播的弹性波的声速之间的关系的图。其中，SH0表示SH型板波的基模，A0、A1及S0表示兰姆波的各模式。根据图2可以明确知道：SH型板波SH0的声速在LiNbO3的厚度为0～1.0λ的宽范围内中几乎没有变化。
图3表示欧拉角(0°，0°，0°)的LiNbO3基板的厚度和各弹性波的机电耦合系数k2之间的关系。根据图3可以明确知道：若LiNbO3基板的厚度变薄，则SH型板波SH0的机电耦合系数k2升高。特别地，在LiNbO3的厚度为0.2λ以下时可将机电耦合系数k2提高至0.08以上。再有，可知：在0.2λ以下的情况下，机电耦合系数k2随着变薄而急剧地升高。
如上述，可知：在将LiNbO3的厚度削薄的情况下，SH型板波的声速的变化少，能提高机电耦合系数k2。
图4表示将LiNbO3的厚度设为0.05λ、0.1λ、0.15λ、0.25λ或0.35λ并使LiNbO3基板的欧拉角(0°，θ，0°)的θ发生变化的情况下的SH型板波SH0的机电耦合系数k2的变化。根据图4可以明确：LiNbO3的厚度处于0.05λ～0.25λ的范围内时，如果欧拉角的θ在92°～138°的范围内，则SH型板波SH0的机电耦合系数k2高达0.30以上。优选的是，如果θ在105°～132°的范围内，则可将机电耦合系数k2进一步提高至0.33以上。因此，在LiNbO3中为了提高SH型板波的机电耦合系数k2而需要将LiNbO3的欧拉角的θ设为92°～138°的范围，优选为105°～132°的范围。
另一方面，图5是表示利用了欧拉角(0°，120°，0°)的LiNbO3基板的情况下的LiNbO3基板的厚度和机电耦合系数k2之间的关系的图。根据图5可以明确知道：关于SH型板波的机电耦合系数，在将欧拉角设为(0°，120°，0°)的情况下，如果LiNbO3的厚度为0.25λ以下，则能使SH型板波SH0的机电耦合系数k2为0.33以上。优选，如果LiNbO3的厚度为0.2λ以下，则可将机电耦合系数k2设为0.40以上，更优选的是，如果设为0.17λ以下，则能将机电耦合系数k2设为0.43以上。
根据图2～图5可以明确：在利用在LiNbO3基板中传播的SH型板波的情况下，如果将LiNbO3基板的欧拉角的θ设为92°～138°的范围且将LiNbO3基板的厚度设为0.25λ以下，则能大幅地提高SH型板波的机电耦合系数k2。另外，若LiNbO3基板的厚度变得过薄，则形成IDT电极4而成的弹性波装置的机械强度大幅地降低。再者，变得过薄，组装弹性波装置1变得困难起来。因此，LiNbO3基板的厚度需要为0.05λ以上。
接着，研讨了上述弹性波装置1中的IDT电极4的膜厚和相对带宽之间的关系。其中，相对带宽和机电耦合系数k2存在比例关系。
利用欧拉角为(0°，120°，0°)、厚度为0.1λ的LiNbO3基板，形成了由各种金属构成的IDT电极。该构造中，使IDT电极的膜厚各异而求取了相对带宽Δf／f。其中，Δf为反谐振频率fa和谐振频率f之差。即、Δf＝fa-f。
根据图6可以明确：在IDT电极由Al、Ni、Cu、Pt或Au的任一个构成的情况下，具有若IDT电极的膜厚逐渐地增厚、则相对带宽Δf／f降低的倾向。
再有，图7是表示上述构造中的IDT电极的膜厚和反射系数之间的关系的图。由图7可知：无论在利用哪一个金属的情况下，若IDT电极的膜厚增厚，则反射系数升高。
根据图6及图7的结果可知：如果在下述的表5所示的IDT电极的膜厚范围内，能扩大相对带宽且将反射系数提高至0.1以上。
在此，只要构成IDT电极的金属以表1所示出的金属为主成分即可。再有，也可以进一步层叠与表1所示出的金属不同的金属。
还有，即便在IDT电极由表1所示出的金属以外的金属、即由具有Al的密度2.699×103kg／m3和Pt的密度21.45×103kg／m3之间的值的密度的金属构成的情况下，也可获得与图6及图7所示出的特性同样的特性。特别地，更期望由具有Al的密度2.699×103kg／m3和Cu的密度8.93×103kg／m3之间的值的密度的金属构成的情况。
[表5]
优选，通过设为表5的左端的栏记载的IDT电极膜厚范围内，从而可将相对带宽设为25％以上。更优选，通过设为从左数第2栏的IDT电极膜厚范围内，从而可将相对带宽设为27％以上。更优选，如果设为表5的右端的栏的IDT电极膜厚范围内，则可将相对带宽提高至29％以上。
接着，在处于欧拉角(0°，116°～118°，0°)的范围内且厚度0.1λ的LiNbO3基板上将由各种金属构成的IDT电极形成为膜厚0.02λ～0.04λ。其中，使IDT电极的占空比发生各种变化。将该情况下的IDT电极的占空比和相对带宽之间的关系示于图8。再有，将IDT电极的占空比和反射系数之间的关系示于图9。
根据图8可以明确得知：在占空比为0.85以下的范围内存在以下倾向，即便在利用了任一金属的情况下，随着占空比自0.1升高，相对带宽变大，可一旦占空比超过0.4，相对带宽就逐渐地降低。同样地，关于反射系数也存在以下倾向：随着占空比自0.1增加而反射系数升高，一旦占空比超过0.7，反射系数就变得非常低。再有，在欧拉角为(0°，92°～138°，0°)的范围内，占空比和相对带宽Δf／f的关系处于相同的倾向。
根据图8及图9的结果可知：在利用了由各金属构成的电极的情况下，如果将IDT电极的占空比设为下述的表6所示的范围内，则能扩大相对带宽Δf／f且能获得足够的反射系数。
在此，只要构成IDT电极的金属以表1所示出的金属为主成分即可。再有，也可以层叠与表1所示出的金属不同的金属。
再有，即便在IDT电极由表1所示出的金属以外的金属、即具有Al的密度2.699×103kg／m3与Pt的密度21.45×103kg／m3之间的值的密度的金属构成的情况下，也可获得与图8及图9所示出的特性同样的特性。特别地，在由具有Al的密度2.699×103kg／m3与Cu的密度8.93×103kg／m3之间的值的金属构成的情况下是优选的。
[表6]
如果设为表6的左端的栏所示的IDT电极的占空比的范围内，则可将相对带宽Δf／f设为26％以上，是优选的。更优选的是，如果设为从表6的左起第2栏被示出的占空比的范围内，则可将相对带宽设为27％以上。更优选的是，如果设为表6的右端的栏的占空比的范围内，则能大幅地将相对带宽提高至30％以上。
图10是本发明第2实施方式涉及的弹性波装置的正面剖视图。在第2实施方式的弹性波装置21中，不仅在LiNbO3基板3的上表面形成IDT电极4，在下表面也形成IDT电极22。即，在LiNbO3基板3的两面形成电极。另外，两面的电极构造是相同的。因此，在下表面也形成未图示的一对反射器。
如弹性波装置21那样，在本发明中也可以在LiNbO3基板3的两面形成IDT电极4、22。
图11是表示在欧拉角(0°，118°，0°)的LiNbO3的基板两面形成了厚度为0.02λ的由Al构成的IDT电极4、22的情况下的LiNbO3的厚度、和SH型板波的声速之间的关系的图。
根据图11可以明确知道：在两面形成有IDT电极的构造中，即使LiNbO3的厚度发生了变化，SH型板波的声速也并不怎么变化。
图12的实线表示在欧拉角(0°，118°，0°)的LiNbO3基板两面分别形成了膜厚0.02λ的由Al构成的IDT电极的构造的LiNbO3的膜厚和相对带宽之间的关系。另外，为了进行比较，以虚线表示在LiNbO3基板的单面形成了厚度0.04λ的由Al构成的IDT电极的构造的LiNbO3基板的厚度和相对带宽之间的关系。
根据图12可以明确知道：在两面形成有由Al构成的IDT电极的构造中，在使IDT电极的膜厚的合计等于比较例的IDT电极的膜厚的情况下，能在较宽的范围内大幅地扩大相对带宽。如果将LiNbO3基板的厚度设为0.02λ～0.27λ的范围内，则能将相对带宽Δf／f设为27％以上。更优选，如果将LiNbO3基板的厚度设为0.02λ～0.15λ的范围内，则能将相对带宽Δf／f提高至30％以上。
另一方面，图13是表示在将LiNbO3的厚度设为0.15λ且在基板两面使构成IDT电极的金属各异的情况下的单侧的IDT电极的膜厚和相对带宽Δf／f之间的关系的图。根据图13可以明确知道：在两面形成了IDT电极的构造中，即便由各种金属来形成电极，也能在单侧的电极的膜厚超过0且为0.1λ以下的范围内获得较大的相对带宽。
在图13中，虽然将LiNbO3基板的厚度设为0.15λ，但图14表示将LiNbO3的厚度设为0.1λ的情况下的结果。根据图14可以明确知道：即便在将LiNbO3基板的厚度设为0.1λ的情况下，在单侧的电极的膜厚超过0且为0.1λ以下的范围内，无论利用了哪一种金属都能扩大相对带宽。
根据图14可以明确知道：在形成了由各种金属构成的IDT的情况下，如果将单侧的IDT电极的膜厚设为下述的表7所示的范围内，则能有效地扩大相对带宽。
[表7]
根据表7可以明确知道：如果设为表7的左侧的栏所示出的膜厚范围，则能将相对带宽设为27％以上。更优选，如果设为表7的右侧的栏的膜厚范围，则能将相对带宽大幅地提高至30％以上。由此，在两面形成有IDT电极的弹性波装置21中，优选将单侧的IDT电极的膜厚设为上述表7所示的范围。
接着，如图15所示，表示在弹性波装置21中将由各种金属构成的IDT电极设为0.02λ、0.03λ或0.04λ的膜厚的情况下的、IDT电极的占空比和相对带宽之间的关系。根据图15可以明确知道具有以下倾向：无论在利用了哪一种金属的情况下，随着占空比的增加，相对带宽Δf／f变大，若占空比变得超过0.2～0.25的范围继续增大，则占空比再次降低。根据图15可知：如果根据构成IDT电极的金属的种类而设为下述的表8所示的占空比的范围内，则能扩大相对带宽。
[表8]
根据表8可以明确知道：如果设为表8的左端的栏所示的占空比的范围内，则能将相对带宽提高至28％以上。更优选，如果设为表8的从左数起第2栏的占空比的范围内，则能将相对带宽提高至30％。更优选，如果设为表8的右端的栏的占空比的范围内，则能将相对带宽大幅地提高至32％以上。
另外，在第1、第2实施方式中，虽然利用了具有贯通孔2a的支撑体2，但作为支撑体2，也可以利用上表面具有面临形成IDT电极的区域的凹部的支撑基板。
即，可采用能使形成有IDT电极的LiNbO3基板部分在机械上自由的适宜的构造。
此外，对于弹性波装置的电极构造而言，并未限于图1(b)示出的一端口型弹性波谐振器，根据利用了弹性波的谐振器或滤波器，可利用适宜的电极构造。
-符号说明-
1…弹性波装置
2…支撑体
2a…贯通孔
3…LiNbO3基板
4…IDT电极
5、6…反射器
21…弹性波装置
22…IDT电极
Claims (7)
1.一种弹性波装置，其利用了在LiNbO3基板中传播的SH型板波，具备：
LiNbO3基板；
被设置于LiNbO3基板的至少一个面的叉指换能器电极；以及
在设有所述叉指换能器电极的区域的外侧，按照支撑所述LiNbO3基板的方式形成于该LiNbO3基板的支撑体，
所述LiNbO3基板的欧拉角(0°，θ，0°)中，θ处于92°～138°的范围内，在将由所述叉指换能器电极的电极指间距决定的波长设为λ时，LiNbO3基板的厚度处于0.05λ～0.25λ的范围内。
2.根据权利要求1所述的弹性波装置，其中，
所述叉指换能器电极由以下述表1所示的金属的任一种为主成分的金属构成，根据该金属的种类而设为下述表1所示的范围内的膜厚。
[表1]
3.根据权利要求1或2所述的弹性波装置，其中，
所述叉指换能器电极由以下述表2所示的任一种金属为主成分的金属构成，根据该金属的种类，占空比被设为下述的表2所示的范围内。
[表2]
4.根据权利要求1所述的弹性波装置，其中，
在所述LiNbO3基板的两面形成所述叉指换能器电极，叉指换能器电极由以下述表3所示的任一种金属为主成分的金属构成，根据该金属的种类，叉指换能器电极的膜厚被设为下述表3所示的范围内。
[表3]
5.根据权利要求1或4所述的弹性波装置，其中，
在LiNbO3基板的两面形成叉指换能器电极，根据构成该叉指换能器电极的金属的种类，该叉指换能器电极的占空比被设为下述的表4所示的范围内。
[表4]
6.根据权利要求1～5中任一项所述的弹性波装置，其中，
所述支撑体是具有面临形成有所述叉指换能器电极的区域的贯通孔的支撑基板。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的弹性波装置，其中，
所述叉指换能器电极由以具有2.699×103kg／m3与8.93×103kg／m3之间的值的密度的金属为主成分的金属构成。
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