CN105393455A - 弹性波元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供弹性波元件，其通过使用加入有不同于以往的欧拉旋转角的旋转Y切型石英基板，可获得具有最适于高频振荡的规定相位速度且3次曲线良好的温度特性。本发明的弹性波元件11包括：石英基板12，从具有由X轴、Y轴及Z轴构成的三维晶体取向的石英体中以使Y轴及Z轴绕X轴旋转的方式切出，以由右手系欧拉角(φ，θ，Ψ)规定的旋转角切割而成；以及形成在该石英基板12的表面的、激励板波的至少1个激励电极13；所述石英基板12是在旋转角为φ＝0±10°、θ＝110°～140°、Ψ＝30～50°的范围内进行切割，并且选择在25℃下进行泰勒展开时的1次温度系数α×10^-6处于-1.0＜α＜+1.0的范围内、2次温度系数β×10^-8处于-1.0＜β＜+1.0的范围内的板波作为振动模式。

Description

弹性波元件

技术领域

本发明涉及一种用于电脑或通信设备等中的高频振荡源的弹性波元件。

背景技术

目前，作为搭载在各种电子设备中的振荡源，主要是AT切型石英振子被较多地使用，在高频率下使用的情况下，是利用PLL倍增至规定频率来使用。此外，在需要在高频率下噪声等较少的信号的情况下，有时也将利用弹性表面波的谐振器用作直接振荡源。

通过AT切割而形成的石英振子由于获得稳定的频率特性，因此被用作许多电子设备的振荡源，但在用作进行高速动作的电脑或通信设备等的高频振荡源的情况下，需要减薄厚度或者提升平坦度等高精度的加工技术。

另一方面，弹性表面波利用的是压电基板的表层面所产生的纵波或横波，其频率具有与速度成正比、与波长成反比的特性。使用该弹性表面波的装置通过在以规定切割角形成的压电基板的表面形成呈梳状配置多个电极指而成的激励电极并调整该激励电极的膜厚或者各电极指的间距，来获得规定的振荡频率。

专利文献1中所揭示的压电装置使用的是旋转Y切型石英基板中所产生的弹性表面波中的兰姆波模式，为在石英基板的表面具有梳状激励电极、在背面具有频率调整用薄膜的结构。该压电振子的温度特性具有与传统ST切型谐振器相同的2次温度特性。

在专利文献2、3中揭示有一种用以振荡兰姆波的振子。相较于AT切型这样的厚度切变型振子而言，该兰姆波型振子在获得3次温度特性方面谋求频率特性的改善。然而，由于石英基板的切割角是由2轴的旋转角度规定，因此在制作的容易性或者温度特性的偏差等方面存在问题。

此外，在专利文献4中揭示有一种使用由欧拉角表示规定的旋转Y切型石英基板而构成的高频振子。

再者，上述专利文献2至4中所揭示的振子为在压电基板的表面配置有梳状激励电极的结构，在压电基板的背面未设置有用以调整频率的薄膜等。

在专利文献5中有关于激励电极的金属化率与所述激励电极的膜厚的关系的记载。

再者，上述专利文献5中所揭示的振子为在压电基板的表面配置有激励电极的结构，在压电基板的背面未设置有用以调整频率的薄膜等。

在专利文献6中有通过从梳状激励电极的背面侧对电极膜进行修整来调整频率的主旨的记载。

此外，在专利文献7中揭示有一种通过在电极面上设置薄膜并对该薄膜进行修整来调整频率的方法。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开昭57-68925号公报

专利文献2：日本专利特开2003-258596号公报

专利文献3：日本专利第4465464号公报

专利文献4：日本专利第4306668号公报

专利文献5：日本专利特开2011-171888号公报

专利文献6：WO2010/082571

专利文献7：日本专利特开昭59-210708号公报

发明内容

发明要解决的问题

在上述通过AT切割而形成的石英振子中，虽然振荡频率的精度较高，但在倍增至规定频率时，存在产生相位噪声或者因信号的时间上的偏移或波动等而引起的抖动等问题。另一方面，在弹性波元件中，由于可直接振荡高频率，因此相位噪声或抖动特性良好，但存在振荡频率的精度比AT切型振子差的问题。

此外，专利文献1至4中所记载的以往的利用板波的弹性波元件是仅规定欧拉旋转角θ而切割而成。

由所述弹性波元件产生的振动波(板波)为横波与纵波耦合而成的振动模式，根据所述横波与纵波的耦合程度，存在多种振动模式。这种板波的振动模式不同于传统的瑞利波，除了必要的主振动以外，有时还存在相位速度不同且机电耦合系数K²较大的振动模式(不必要振动)。在制成该主振动与不必要振动的反射系数的符号相等这样的谐振器时，存在不必要振动的等效串联电阻低于主振动模式的等效串联电阻的情况。由此，在利用振荡电路进行振荡时，会引起异常振荡。

在专利文献6、7中有通过修整来调整频率的记载，但并未展示出具体的手段，此外，未从温度特性的观点出发进行研究。

尤其是在高频特性优异的弹性波元件中，将传播板波的振动部较薄地形成为板波的波长程度。对于如此较薄地形成的振动部，通过增厚电极膜，或者在振动部的背面侧进而形成电极膜，可调整频率，但存在弹性波元件的温度特性较大程度地变化的情况。因此，频率调整的范围受到限制，无法实现高精度的调整。

因此，本发明的目的在于提供一种弹性波元件，其通过使用加入有不同于以往的欧拉旋转角的旋转Y切型石英基板，可获得具有最适于高频振荡的规定相位速度且3次曲线良好的温度特性。

此外，本发明的目的在于提供一种弹性波元件，其可直接振荡高频率，并且振荡频率的精度被提高至AT切型振子水平，在构成振子时，可防止因不必要振动而引起的异常振荡。

进而，本发明的目的在于提供一种弹性波元件，其通过构成形成激励电极的振动部减薄，并提高保持该振动部的保持部的强度的结构，可谋求改善在所述振动部上传播的板波的频率特性及温度特性，并且调整较为容易。

解决问题的技术手段

本发明的第1弹性波元件包括：石英基板，其从具有由X轴、Y轴及Z轴构成的三维晶体取向的石英体中以使Y轴及Z轴绕X轴旋转的方式切出，以由右手系欧拉角(φ，θ，Ψ)规定的旋转角切割而成；以及形成在该石英基板的表面的、激励板波的至少1个激励电极；其特征在于，所述石英基板是在旋转角为φ＝0±10°、θ＝110°～140°、Ψ＝30～50°的范围内进行切割，并且选择在25℃下进行泰勒展开时的1次温度系数α×10^-6处于-1.0＜α＜+1.0的范围内、2次温度系数β×10^-8处于-1.0＜β＜+1.0的范围内的板波作为石英基板的振动模式。

本发明的第2弹性波元件包括：石英基板，其从具有由X轴、Y轴及Z轴构成的三维晶体取向的石英体中以使Y轴及Z轴绕X轴旋转的方式切出，以由右手系欧拉角(φ，θ，Ψ)规定的旋转角切割而成；以及形成在该石英基板的表面的、激励板波的至少1个激励电极；其特征在于，所述石英基板是在旋转角为φ＝0±10°、θ＝35°～40°、Ψ＝0±10°的范围内进行切割，并且选择在25℃下进行泰勒展开时的1次温度系数α×10^-6处于-1.0＜α＜+1.0的范围内、2次温度系数β×10^-8处于-1.0＜β＜+1.0的范围内的板波作为石英基板的振动模式。

发明的效果

根据本发明的第1弹性波元件，石英基板是以由与不同于以往的旋转角θ及Ψ的组合构成的右手系欧拉角(φ＝0°、θ＝124°～130°、Ψ＝37.5°～38.5°)切割而成。在这种以欧拉角切割而成的石英基板中，通过将在25℃下进行泰勒展开时的1次温度系数α×10^-6处于-1.0＜α＜+1.0的范围内、2次温度系数β×10^-8处于-1.0＜β＜+1.0的范围内的板波设为振动模式，而将振荡频率的精度提高至与AT切割大致相同的程度，并且能以基波的形式获得高频率的振荡。由此，可提供具备相位噪声或抖动特性良好的频率特性的弹性波元件。

此外，通过使用以所述欧拉角切割而成的石英基板，并且在表面和背面分别以规定厚度形成激励电极和用以调整频率的背面电极，并调整所述激励电极或背面电极的膜厚，可将所选择的振动模式的频率特性或温度特性设定为最佳状态。

根据本发明的第2弹性波元件，即便是在以右手系欧拉角的各旋转角为欧拉角(φ＝0°、θ＝37.6°～38.3°、Ψ＝0°)进行切割，并且将在25℃下进行泰勒展开时的1次温度系数α×10^-6处于-1.0＜α＜+1.0的范围内、2次温度系数β×10^-8处于-1.0＜β＜+1.0的范围内的板波选择为振动模式的情况下，也存在该振动模式以外的不必要振动。即便是在如此存在振动模式以外的多种不必要振动的情况下，也可通过将激励电极的金属化率η设定在0.6＜η＜0.9的范围内来仅减少因不必要振动而引起的谐振现象。因此，通过满足由所述欧拉角以及1次、2次温度系数构成的条件，能以基波得到与AT切割大致相同程度的频率精度、且稳定的高频率的振荡。由此，可提供具备相位噪声或抖动特性良好的频率特性的弹性波元件。

此外，通过将以所述欧拉角切割而成的石英基板上所形成的激励电极的金属化率η设定在0.6＜η＜0.9的范围内，并且在表面和背面分别以规定厚度形成激励电极和用以调整频率的背面电极，并调整所述激励电极或背面电极的膜厚，可将所选择的振动模式的频率特性或温度特性设定为最佳状态。

附图说明

图1为表示本发明的第1实施方式的弹性波元件的外观的立体图。

图2为上述弹性波元件的右手系欧拉角的座标图。

图3为表示由上述弹性波元件产生的板波的各模式的相位速度的分散的曲线图。

图4为表示规定了旋转角θ、Ψ的情况下的石英基板的1次温度系数α的曲线图。

图5为表示规定了旋转角θ、Ψ的情况下的石英基板的2次温度系数β的曲线图。

图6为表示1次温度系数α为0的情况下的石英基板的板厚与背面电极的膜厚的关系的曲线图。

图7为表示石英基板的板厚与1次温度系数的关系的曲线图。

图8为表示石英基板的板厚与2次温度系数的关系的曲线图。

图9为表示由上述弹性波元件产生的板波的各模式的相位速度的分散的曲线图。

图10为表示金属化率与机电耦合系数的关系的曲线图。

图11为表示石英基板的板厚与机电耦合系数的关系的曲线图。

图12为表示激励电极的膜厚与机电耦合系数的关系的曲线图。

图13为表示背面电极的膜厚与机电耦合系数的关系的曲线图。

图14为表示各振动模式的振荡频率与阻抗的关系的曲线图。

图15为表示背面电极的膜厚与品质因数的关系的曲线图。

图16为表示本发明的第2实施方式的弹性波元件的外观的立体图。

图17为上述弹性波元件的A-A剖视图。

图18为上述弹性波元件的B-B剖视图。

图19为上述弹性波元件的仰视图。

图20为表示上述弹性波元件的X面下的加工过程的图。

图21为表示上述弹性波元件的Z'面下的加工过程的图。

图22为表示1次温度系数及2次温度系数与切割角的关系的曲线图。

图23为表示1次温度系数及2次温度系数与板厚的关系的曲线图。

图24为表示1次温度系数及2次温度系数与电极膜厚的关系的曲线图。

图25为表示1次温度系数及2次温度系数与背面电极膜厚的关系的曲线图。

图26为表示背面电极的各种图案例的俯视图。

具体实施方式

以下，根据附图，对本发明的弹性波元件的实施方式进行说明。如图1所示，本实施方式的弹性波元件11是包括如下构件而构成：石英基板12，其为薄板状；激励电极13，其形成于该石英基板12的表面12a；以及背面电极14，其形成于石英基板12的背面12b。

石英基板12是从具有由X轴、Y轴及Z轴构成的三维晶体取向的石英体中以使Y轴及Z轴绕X轴旋转的方式切出，在将旋转后的X轴设为X'轴、将旋转后的Y轴设为Y'轴时，将以Y'轴为法线方向的面设为Y'面、将以X轴为法线方向的面设为X面、将以Z'轴为法线方向的面设为Z'面。

所述石英基板12以右手系欧拉角(φ＝0°、θ＝125°、Ψ＝38°)被切割形成为规定板厚。所述激励电极13是将叉指换能器(IDT，interdigitaltransducer)电极15、16配对而构成。所述IDT电极15、16包括：基电极部15a、16a，其等沿石英基板12的长度方向延伸；以及多个电极指15b、16b，其等延伸自该基电极部15a、16a的一侧面。如此，以延伸自一侧的基电极部15a的电极指15b与延伸自另一侧的基电极部16a的电极指16b以非接触状态相交叉的方式配置激励电极13。所述电极指15b与电极指16b之间的距离(间距)是根据所激励的板波的波长λ来设定。此外，相对于所述波长λ，所述间距为λ/2左右。该激励电极13通过对各IDT电极15、16施加不同极性的电压而在相邻电极指之间产生交变电场，从而在石英基板12内激发出板波。

在所述石英基板12中，通过旋转Y切割而将板厚H较薄地形成至与所激励的板波的波长λ大致相同的程度。所述板厚H是根据激励电极13及背面电极14的膜厚的关系，以具有良好的温度特性的方式加以调整。

如图1所示，所述激励电极13为形成于石英基板12的表面12a的大致中央部的以金(Au)或铝(Al)为主成分的金属膜，是以成为规定膜厚的方式成膜而形成。此外，也可在隔着该激励电极13的两侧设置反射器(未图示)。通过设置反射器，可将由所述激励电极13激发出的板波封闭在两侧的反射器之间而获得较大的谐振。

背面电极14形成于与所述激励电极13相反一侧即石英基板12的背面12b。该背面电极14是在石英基板12的背面12b以成为规定膜厚的方式形成Au等金属材料膜或介电材料膜而形成。除了Au以外，所述金属材料还可使用Al、Ta、Cu等，介电材料可使用SiO₂、ZnO、Ta₂O₅等。由这种材料形成的背面电极14通过膜厚来进行振荡频率的微调，并通过所述板厚H与所述激励电极13的膜厚的关系来保持3次温度特性。

图2表示右手系欧拉角的座标系(φ，θ，Ψ)。此处，φ表示绕Z轴的旋转角，θ表示绕X'轴(将X轴绕Z轴旋转φ而成)的旋转角，Ψ表示绕Z”轴(将Z轴绕X'轴旋转θ而成)的旋转角。此外，以欧拉角(φ＝0°、θ＝0°、Ψ＝0°)表示的石英基板为具有垂直于石英的Z轴(光轴)的主面的旋转Z切型基板。下面，使用该座标系，对弹性波元件11的各种解析进行说明。在图3中，针对在以欧拉角(φ＝0°、θ＝125°、Ψ＝38°)表示的石英基板12内传播的板波，表示标准化之后的激励电极的膜厚Hs/λ＝0、标准化之后的背面电极的膜厚Hb/λ＝0下的分散曲线。

图3所示的分散曲线为称为纵波与横波耦合而成的板波或兰姆波的振动模式。这些振动模式不同于表面波，对板厚也会表现出频率分散性，从相位速度较慢到相位速度较快，存在温度特性各不相同的极多的振动模式。在本实施方式中，将后文叙述的满足振动模式的温度特性的条件、且相位速度在3500～4500m/s内的板波用于谐振器。

图4是通过计算求在以θ为变量的右手系欧拉角(φ＝0°、θ、Ψ)所得石英基板12内传播的振动模式的1次温度系数α的结果。图5是通过计算求在以θ为变量的右手系欧拉角(φ＝0°、θ、Ψ)所得石英基板12内传播的振动模式的2次温度系数β的结果。图4及图5中，均设为标准化板厚H/λ＝1.18并忽略激励电极和背面电极的膜厚而进行计算。

根据图4及图5，在θ＝125°、Ψ＝38°附近，1次温度系数α×10^-6处于-1.0＜α＜+1.0的范围内，2次温度系数β×10^-8处于-1.0＜β＜+1.0的范围内。

图3的实线所示的振动模式曲线是根据上述条件来选择的，此时的振动模式的相位速度的范围为3500～4500m/s。再者，由于图4及图5基于解析值，因此实际上也有误差等的影响，1次温度系数α及2次温度系数β并非一定为0。因此，将所述1次温度系数α及2次温度系数β所决定的特性曲线相交叉的点作为中心值，并且将该中心值最接近0的部位作为最佳条件。

接着，以下表示将标准化之后的板厚设为H/λ、将标准化之后的激励电极膜厚设为Hs/λ、将标准化之后的背面电极膜厚设为Hb/λ的情况下的最佳组合例。图6是通过计算求石英基板的欧拉角为(φ＝0°、θ＝125.25°、Ψ＝38°)，激励电极13及背面电极14的材质为Au，并且设为Hs/λ＝0.015的情况下的1次温度系数α为0的H/λ与Hb/λ的组合的结果。根据该结果，可确认1次温度系数α会根据背面电极14的膜厚而发生变化。因此，通过适时调整旋转角θ、Ψ或板厚等，可获得最佳振动特性。

表1是针对将右手系欧拉角设为(φ＝0°、θ＝125.25°、Ψ＝37.5°)而制作弹性波元件的情况下的每种模式的相位速度而比较解析值与实验值的表格。再者，作为比较对象的振动模式是选择机电耦合系数K²相对较大、在测定时可充分确认导纳的波形的振动模式来进行。此处，模式3是在本发明中实际使用的模式。在解析值和实验值中，虽然每种模式下存在偏差，但误差在100m/s以内。

[表1]

	解析值[m/s]	实验值[m/s]
			模式1	3052	3049
模式2	3603	3621
			模式3	3891	3927
模式4	4376	4413
			模式5	4960	5008
模式6	6304	6361
			模式7	6873	6919
模式8	7140	7189
			模式9	7156	7251
模式10	7784	7852

图7及图8表示对针对1次温度系数α及2次温度系数β的计算值与实验值进行比较的结果。关于Ψ，是以在每一板厚下1次温度系数α×10^-6处于-1.0＜α＜+1.0的范围内的方式进行调整。此外，在激励电极及背面电极使用Au，Hs/λ＝0.0015、Hb/λ＝0.0045～0.0070的条件设定下，以1次温度系数α×10^-6处于-1.0＜α＜+1.0的范围内的方式酌情进行调整。

观察图7及图8，误差的范围较窄，从而认为计算结果较为妥当。此外，在H/λ＝1.18的附近，1次温度系数α×10^-6处于-1.0＜α＜+1.0的范围内，2次温度系数β×10^-8处于-1.0＜β＜+1.0的范围内，从而可确认获得良好的温度特性。此外，在变更了激励电极13及背面电极14的材质或膜厚的情况下，必须相应地改变板厚或旋转角θ、Ψ。再者，在激励电极及背面电极使用Al代替Au情况下，也获得同样的效果。

根据上述结果，通过以θ、Ψ、H/λ各条件处于θ＝124°～130°、Ψ＝37.5°～38.5°、H/λ＝1.10～1.25的范围内的方式进行设计，可产生如下温度特性的良好的板波：振动模式的相位速度为3500～4500m/s，1次温度系数α×10^-6的范围为-1.0＜α＜+1.0，2次温度系数β×10^-8的范围为-1.0＜β＜+1.0。再者，关于实际制造弹性波元件11时的石英基板12的切割角，因制造偏差等，并非一定与上述条件一致。考虑到这种制造偏差等，对于石英基板12，若旋转角为φ＝0±10°、θ＝110°～140°、Ψ＝30～50°且H/λ＝0.8～1.4，则可获得本发明的效果。

接着，根据上述图1所示的石英基板12，对第2实施方式进行说明。该实施方式的石英基板12以右手系欧拉角(φ＝0°、θ＝37.6°～38.3°、Ψ＝0°)被切割成规定板厚。

在图9中，针对在以欧拉角(φ＝0°、θ＝37.6°～38.3°、Ψ＝0°)表示的石英基板12内传播的板波，表示Hs/λ＝0、Hb/λ＝0下的分散曲线。

图9所示的分散曲线为称为纵波与横波耦合而成的板波或兰姆波的振动模式。这些振动模式不同于表面波，对板厚也会表现出频率分散性。如该分散曲线所示，板波存在极多的模式，而在本实施方式中，将相位速度为4500～6000m/s的板波选择为振动模式(主振动)。另一方面，存在于所述主振动板波的下方的板波是有影响主振动之虞的不必要振动(副振动)。

在这种存在大量振动模式的弹性波元件中，音速慢于主振动、反射系数与主振动一致、且实效性机电耦合系数Keff²大于主振动这样的所述副振动成为问题。对于该副振动，通过将Keff²抑制得较低，可增大等效串联电阻，从而防止进行振荡时的异常振荡。在本发明中，作为降低所述K²的手段，是将激发板波的激励电极13的金属化率η设定为最佳值。此处，所谓金属化率η，如图1所示，是由激励电极13的电极指15b的宽度Lt和从一侧的电极指15b的内侧到相对的另一侧的电极指16b的外侧面的宽度Li定义的值，表现为下式。再者，波长λ由设置在同一基电极部15a上的电极指15b间的宽度定义。

η＝Lt/Li

所述K²被广泛用作压电的性能的基准，但在像本发明这样产生板波的弹性波元件中，由于将石英基板的板厚减薄至波长λ程度而加以使用，因此K²较大程度地受激励电极13或背面电极14的膜厚左右。因此，使用根据谐振频率fr和反谐振频率fa而利用下式算出的实效性机电耦合系数Keff²对本发明的弹性波元件的压电性进行评价。

[数1]

${\mathrm{keff}}^2=(\frac{\mathrm{\π}}{2}\·\frac{fr}{fa})/\tan (\frac{\mathrm{\π}}{2}\·\frac{fr}{fa})$

接着，在将以右手系欧拉角(φ＝0°、θ＝37.6°～38.3°、Ψ＝0°)切割而成的石英基板作为对象，激励电极13及背面电极14使用Au的情况下，将分别改变金属化率η、H/λ、Hs/λ、Hb/λ时的主振动和副振动的Keff²示于图10至图13。

图10表示设为H/λ＝1.20、Hs/λ＝0.005、Hb/λ＝0.013，并且改变金属化率η的情况下的主振动和副振动的Keff²。η通常设定在0.5附近，但通过从该0.5移动至规定范围内，可抑制因副振动而引起的振荡。因此，在本实施方式中，验证了如下范围：在规定范围内改变η，在该范围内，可有效降低副振动的Keff²而不会较大程度地损害主振动的特性。

图10中，针对由右手系欧拉角(φ，θ，Ψ)规定的石英基板12的各旋转角被设定为φ＝0°、θ＝37.6°～38.3°、Ψ＝0°的范围，并且以在25℃下进行泰勒展开时的1次温度系数α×10^-6处于-0.5＜α＜+0.5的范围内、2次温度系数β×10^-8处于-1.0＜β＜+1.0的范围内时的相位速度的板波为主振动的弹性波元件，一边调整激励电极13的金属化率η，一边解析主振动及副振动的Keff²。再者，所述条件的振动模式下的相位速度为4500～6000m/s左右。

根据该结果，确认到：若将金属化率η设定在0.6＜η＜0.9的范围内，则相对于主振动，可有效降低副振动的Keff²。由此，增大了副振动的等效串联电阻，从而不会影响上述所选择的相位速度所产生的主振动。

接着，表示将其他设计条件作为变量而进行解析的结果。图11表示设为金属化率η＝0.5，并且改变H/λ的情况下的主振动和副振动的实效性机电耦合系数Keff²。根据该图11，结果为随着H/λ增大，主振动的所述Keff²较大程度地降低。在该条件中，H/λ较理想为设为1.25以下。

图12表示设为金属化率η＝0.5、H/λ＝1.20、Hb/λ＝0.013，并且改变Hs/λ的情况下的主振动和副振动的实效性机电耦合系数Keff²。此外，图13表示设为金属化率η＝0.5、H/λ＝1.20、Hs/λ＝0.005，并且改变Hb/λ的情况下的主振动和副振动的实效性机电耦合系数Keff²。根据图12及图13，确认到：通过改变Hs/λ及Hb/λ，虽然Keff²的值本身发生变化，但无法较大程度地改变Hs/λ与Hb/λ的相对关系。再者，在本实施方式中，激励电极13及背面电极14使用的是Au，但即便在使用Al情况下，主振动与副振动的关系也大致相同。

根据上述图11至图13的结果，如下效果得到认可：关于H/λ，随着H/λ增大，主振动的Keff²较大程度地降低，从而降低副振动。然而，由于本发明的弹性波元件的目的还在于获得规定的相位速度和稳定的高频特性，因此如上所述，H/λ较理想为设为1.25以下，以此为基准，在0.6＜η＜0.9的范围内设定金属化率η即可。再者，关于Hs/λ及Hb/λ，虽然未获得对于副振动的直接效果，但在高频振荡的实现以及频率温度特性的微调等方面成为了有效的参数。

接着，根据图14及图15，对背面电极14的膜厚与不必要振动的关系进行说明。图14表示以波长λ＝11.78μm、板厚H＝14.4μm构成的情况下的阻抗Z波形的例子。导致异常振荡的振动模式激励为所观测的波形中的最低频率和次低频率2者(M1、M2)，此时的主振动M6的频率为433MHz。如图15所示，通过实验结果证明了：以品质因数(FigureofMerit)M为基准，导致异常振荡的2种模式(M1、M2)的相位特性受背面电极14的膜厚Hb/λ影响。

所谓的品质因数M，是石英振子的Q值除以容量比γ而得的值，表示从电气端子观察机械性振子时的振动的强度。通常而言，若品质因数M在2以上，则电抗成分会变为电感性，因此可由科尔皮兹振荡电路产生振荡，相反，若小于2，则电抗成分不会变为正即电感性，因此无法使用科尔皮兹振荡电路产生振荡。根据图15所示的实验结果，在背面电极14的材料使用Au的情况下，若范围为0.001＜Hb/λ＜0.005，则品质因数M小于2，因此模式M1、M2所产生的不必要振动得到抑制，从而可防止与振荡电路进行组合的情况下的异常振荡。

在制造本发明的弹性波元件11、21的工序中，设定主振动的品质因数M在2以上、且不必要振动的品质因数M不到2的条件，并且在该条件下决定石英基板的板厚以及背面电极的厚度，由此，因不必要振动而引起的振荡得到有效抑制，从而可获得更稳定的振荡特性。

接着，根据图16至图25，对第3实施方式的弹性波元件21进行说明。

如图16所示，该实施方式的弹性波元件21由如下构件构成：石英基板22，其背面侧具有凹部36，凹部36的一部分开口；以及激励电极23，其形成于该石英基板22的表面侧。此外，也能以如下方式构成：通过在所述石英基板22的背面侧沿所述凹部36形成背面电极24，可进行频率等的微调。

所述石英基板22是以如图2所示的右手系欧拉角(φ，θ，Ψ)切割未形成有凹部36的状态的块体，其后通过蚀刻来形成所述凹部36。在本实施方式中，使用以右手系欧拉角(φ＝0°、θ＝37.6°～38.3°、Ψ＝0°)切割成规定板厚的石英基板22。

通过蚀刻加工，以所述欧拉角切割而成的石英基板22像图17至图19所示那样，成为板厚H减薄至与波长λ大致相同的程度的与Y'面平行的平板状的振动部31与保持该振动部31的外周部的保持部32一体化而成的形态。所述振动部31的板厚H具有与由相邻电极指25b、26b的宽度规定的板波的波长λ相同程度的厚度。所述保持部32由从所述振动部31朝下方形成为规定厚度的侧壁部33、34构成。根据激励电极23及背面电极24的膜厚的关系，所述板厚H调整为具有良好的温度特性。

如图17及图19所示，侧壁部33与Z'面相对，被设定为比所述振动部31的板厚H宽的宽度W11。此外，如图18及图19所示，侧壁部34与X面相对，被设定为比所述侧壁部33的宽度W11宽的宽度W21。再者，被设定为所述宽度W21的侧壁部34的相反侧为开口部35。

上述石英基板22为通过蚀刻将振动部31加工得较薄时所形成的形状，并且规定各侧壁部的宽度以获得对蚀刻的耐性。通常知道，在通过湿式蚀刻对通过旋转Y切割而形成的石英基板22加工如图16所示的凹部36时，由于石英的各向异性所引起的蚀刻速率的差异，因此像图20及图21所示那样，在相对的Z'面和X面上形成相对较大的倾斜面。在普通石英振子的情况下，Z'面的倾斜面大于X面的倾斜面，因此该Z'面大多会成为问题，但在像本发明这样传播板波的弹性波元件21的情况下，不仅是Z'面上所形成的倾斜面，即便是X面上所形成的小倾斜面，也会较大程度地影响振动特性。

如图19及图21所示，因上述加工上的理由，不在X面上设置侧壁部34而是制成开口部35，由此使得在供形成激励电极或反射器(未图示)的部分不会形成倾斜面。由此，可在所述振动部31的通过蚀刻而较薄地加以平坦化的部分形成激励电极23等，从而可增大Q值而不会妨碍板波的传播特性。

接着，将形成上述结构的石英基板的工序示于图20及图21。首先，准备在右手系欧拉角(φ＝0°、θ＝37.6°～38.3°、Ψ＝0°)的范围内从具有由X轴、Y轴及Z轴构成的三维晶体取向的石英体切割而成的石英基板。在该石英基板的背面以露出形成凹部36的部分的方式形成蚀刻掩膜后，从Y'面方向侵蚀出湿式蚀刻用溶液，由此，沿Y'方向较深地进行蚀刻。继而，在振动部31的厚度达到规定板厚H时结束蚀刻处理。

图20表示从X面观察到的蚀刻过程，图21表示从Z'面观察到的蚀刻过程，各个旋转面下的蚀刻大致同时进行。在通过湿式蚀刻侵蚀石英晶体22时，在其结构上，相对于X面，在朝Y'面侵蚀的同时，也会侵蚀Z'面侧(图20(b)～(d))，相对于Z'面，在朝Y'面侵蚀的同时，也会侵蚀X面侧(图21(b)～(d))。因此，如图20(d)所示，存在从X面观察时的侧壁部的宽度最小W12的部位，就强度而言，该最小宽度W12较理想为设为振动部31的板厚H以上。另一方面，如图21(d)所示，存在从Z'面观察时的侧壁部的宽度最小W22的部位，在该最小宽度W22出于强度的观点而在振动部31的板厚H以下这样的情况下，如图21(e)所示，即便切割成为该最小宽度的侧壁部而制成开口部，另一侧壁部也会被加工得较厚，因此可充分地保持强度。

接着，验证使用上述石英基板22而构成的弹性波元件21的温度特性等。通常知道，在产生板波的结构的弹性波元件中，根据标准化板厚H/λ的不同，制造工序中的频率会较大程度地变动。尤其是在利用一块石英晶圆制造多个弹性波元件的情况下，若石英晶圆的板厚不均匀，则在各个所取出的弹性波元件中会产生频率的偏差，进而存在温度特性的偏差也会变大的问题。

在本发明的弹性波元件21中，由于在激励电极23的背面侧设置有背面电极24，因此，通过对激励电极23的膜厚以及背面电极24的膜厚进行修整调整，可抑制由1次温度系数α、2次温度系数β等规定的温度特性的偏差，从而获得达到规定相位速度的最佳振动模式。

在本实施方式中，使用所述的欧拉角(φ＝0°、θ＝37.85°、Ψ＝0°)的石英基板22，并且在表面及背面分别形成由金(Au)薄膜构成的激励电极23及背面电极24。图22为表示1次温度系数α及2次温度系数β与切割角θ的关系的曲线图，图23为表示1次温度系数α及2次温度系数β与H/λ的关系的曲线图。此外，图24为表示1次温度系数α及2次温度系数β与Hs/λ的关系的曲线图，图25为表示1次温度系数α及2次温度系数β与Hb/λ的关系的曲线图。

如图22至图25所示，通过以θ、H/λ、Hs/λ、Hb/λ各条件处于

θ＝37.6°～38.3°、

1.07＜H/λ＜1.25、

0.00＜Hs/λ＜0.03、

0.00＜Hb＜0.05的范围内的方式设计弹性波元件，

可产生振动模式的相位速度为4500～6000m/s、

1次温度系数α×10^-6处于-1.0＜α＜+1.0的范围内、

2次温度系数β×10^-8处于-1.0＜β＜+1.0的范围内的良好的板波。此外，在板厚发生偏差的情况下或者频率调整后，也可有效抑制1次温度系数α的偏差。

再者，关于实际制造弹性波元件21时的石英基板22的切割角，因制造偏差等，并非一定与上述条件一致。考虑到这种制造偏差等，石英基板22若范围为旋转角φ＝0±10°、θ＝35°～40°、Ψ＝0±10°且H/λ＝1.00～1.35，则可获得本发明的效果。

在上述第1实施方式的弹性波元件11中，如图26(a)所示，背面电极14是以在垂直方向上包括整个一对IDT电极15、16的方式形成于石英基板12的整个背面，但通过像图26(b)、(c)所示那样在垂直方向上不包括各IDT电极15、16的基电极部15a、16a而是在覆盖电极指15b、16b的区域(位置及范围)内形成背面电极14，一方面可具有如前所述的特性，另一方面可抑制石英基板12中所产生的并联电容增加。

在所述石英基板12的整个背面形成有背面电极的情况下，因一对IDT电极15、16间的布线图案复杂，在与背面电极14之间会产生静电电容，导致相位特性劣化，从而引起并联电容增加。因此，通过限定在覆盖产生板波的各电极指15b、16b的所述区域内来形成背面电极14，可减少石英基板12中的不必要的静电电容，由此，可避免相位特性劣化。再者，在将图26(b)、(c)的构成应用于第2实施方式的弹性波元件21的情况下，也获得同样的效果。

图26(b)中，背面电极由1个电极构成，图26(c)中，为分割为多个电极的结构，在像图26(c)所示那样分割为多个电极的情况下，优选为将分割后的各电极间的间隙设为板波的波长的1/8左右。

符号说明

11弹性波元件

12石英基板

13激励电极

14背面电极

15、16IDT电极

15a、16a基电极部

15b、16b电极指

21弹性波元件

22石英基板

23激励电极

24背面电极

25、26IDT电极

25a、26a基电极部

25b、26b电极指

31振动部

32保持部

33、34侧壁部

35开口部

36凹部。

Claims (16)

1.一种弹性波元件，其包括：石英基板，其从具有由X轴、Y轴及Z轴构成的三维晶体取向的石英体中以使Y轴及Z轴绕X轴旋转的方式切出，以由右手系欧拉角(φ，θ，Ψ)规定的旋转角切割而成；以及形成在该石英基板的表面的、激励板波的至少1个激励电极，所述弹性波元件的特征在于，

所述石英基板是在旋转角为φ＝0±10°、θ＝110°～140°、Ψ＝30～50°的范围内进行切割的，并且选择在25℃下进行泰勒展开时的1次温度系数α×10^-6处于-1.0＜α＜+1.0的范围内、2次温度系数β×10^-8处于-1.0＜β＜+1.0的范围内的板波作为石英基板的振动模式。

2.根据权利要求1所述的弹性波元件，其特征在于，

在所述石英基板的背面侧形成有调整频率的背面电极。

3.根据权利要求1所述的弹性波元件，其特征在于，

所述振动模式的相位速度被设定在3500～4500m/s的范围内。

4.根据权利要求1所述的弹性波元件，其特征在于，

在将所述石英基板的板厚设为H、将板波的波长设为λ的情况下，

标准化之后的板厚H/λ的范围为0.8＜H/λ＜1.4。

5.一种弹性波元件，其包括：石英基板，其从具有由X轴、Y轴及Z轴构成的三维晶体取向的石英体中以使Y轴及Z轴绕X轴旋转的方式切出，以由右手系欧拉角(φ，θ，Ψ)规定的旋转角切割而成；以及形成在该石英基板的表面的、激励板波的至少1个激励电极，所述弹性波元件的特征在于，

所述石英基板是在旋转角为φ＝0±10°、θ＝35°～40°、Ψ＝0±10°的范围内进行切割的，并且选择在25℃下进行泰勒展开时的1次温度系数α×10^-6处于-1.0＜α＜+1.0的范围内、2次温度系数β×10^-8处于-1.0＜β＜+1.0的范围内的板波作为石英基板的振动模式。

6.根据权利要求5所述的弹性波元件，其特征在于，

在所述石英基板的背面侧形成有调整频率的背面电极，并且将该背面电极的膜厚设定在0.001＜Hb/λ＜0.005的范围内，由此来减少因所述振动模式以外的不必要振动而引起的异常振荡。

7.根据权利要求5所述的弹性波元件，其特征在于，

所述振动模式的相位速度被设定在4500～6000m/s的范围内。

8.一种弹性波元件，其由石英基板形成，所述石英基板是从具有由X轴、Y轴及Z轴构成的三维晶体取向的石英体中以使Y轴及Z轴绕X轴旋转的方式切出的，所述弹性波元件的特征在于，

所述弹性波元件由振动部和保持部一体形成，并得到至少具有纵波成分的振动模式，

所述振动部为薄板状，在将旋转后的X轴设为X'轴、将旋转后的Y轴设为Y'轴时，以所述Y'轴为法线方向，并形成有激励板波的至少1个激励电极，

所述保持部以所述X轴及Z'轴为法线方向，相较于所述振动部更厚，对振动部的周围进行保持。

9.根据权利要求8所述的弹性波元件，其特征在于，

所述保持部在朝向X轴或Z'轴的至少一个方向上有开口，并且该弹性波元件获得至少具有纵波成分的振动模式。

10.根据权利要求8所述的弹性波元件，其特征在于，

所述石英基板是在右手系欧拉角(φ，θ，Ψ)中的各旋转角为φ＝0±10°、θ＝35°～40°、Ψ＝0±10°的范围内进行切割的，并且选择在25℃下进行泰勒展开时的1次温度系数α×10^-6处于-0.5＜α＜+0.5的范围内、2次温度系数β×10^-8处于-1.0＜β＜+1.0的范围内且相位速度为4500m/s～6000m/s的板波作为振动模式。

11.根据权利要求8所述的弹性波元件，其特征在于，

在所述石英基板的背面侧形成有调整频率的背面电极，并通过调整该背面电极的厚度，来调整所述振动模式下的温度特性。

12.根据权利要求8所述的弹性波元件，其特征在于，

在将所述石英基板的板厚设为H、将板波的波长设为λ的情况下，

标准化之后的板厚H/λ的范围为1.00＜H/λ＜1.35。

13.根据权利要求8所述的弹性波元件，其特征在于，

所述振动部及保持部是通过沿Y'轴方向凹设所述石英基板而形成的。

14.根据权利要求1、5以及8中任一项所述的弹性波元件，其特征在于，

所述激励电极由具有多个电极指的叉指换能器电极形成，并通过将由一电极指的宽度相对于各电极指间距离之比规定的金属化率η设定在0.6＜η＜0.9的范围内，来减少因所述振动模式以外的不必要振动而引起的异常振荡。

15.根据权利要求1、5以及8中任一项所述的弹性波元件，其特征在于，

所述激励电极由具有多个电极指的叉指换能器电极形成，并且在对应于设置有所述多个电极指的区域的所述石英基板的背面侧形成有调整频率的背面电极。

16.根据权利要求1、5以及8中任一项所述的弹性波元件，其特征在于，

通过将以所述振动模式为主振动的品质因数设定为2以上，并将所述主振动以外的振动模式的品质因数设定为不到2，来减少因所述主振动以外的不必要振动而引起的异常振荡。