CN106716826A - 具有改善的温度补偿的微声构件 - Google Patents
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Abstract
针对通过声波工作的构件，本发明提出，在构件上设置补偿层，用于补偿频率的负温度系数，该补偿层包含基于至少两个具有负热膨胀系数的元素的化合物的材料。
Description
例如SAW构件(SAW＝表面声波)或BAW构件(BAW＝体声波)的通过声波工作的构件的特性通常表现出与温度的相关性。举例而言，基于钽酸锂(LT；xy色度42°红色)的SAW构件的中间频率(TCF)的温度系数通常为例如-40ppm/K。在此，不同的衬底表现出不同的温度系数。
这些材料的热膨胀度也会导致密度ρ的降低，并且通过关系式
v＝√(c/ρ)
对波速v产生直接影响，由此补偿因热膨胀所延长的波程。然而，温度还会改变刚性c，在多数材料中刚性会随温度升高而降低，在压电材料中也同样如此，这主要对频率产生显著影响。此外，衬底的压电张量和介电常数也与温度相关，由此与温度系数有关。再者，电极材料的刚性变化也对TCF产生影响。
问题在于，在通过声波工作的构件中的制造公差较小，这样才能例如提高滤波器关于温度相关波动的带宽。在紧邻的频带中，这会使选择性更加困难或在制造过程中导致构件的某一成分过高而不再符合所需的规格。在不采取任何补偿TCF措施的情况下，不会再符合其他规格。
在美国专利7589452 B2中提出一种通过声波工作的构件，其结合了多种措施来减缓温度变化过程(TK补偿)，特别是降低谐振频率。该构件在衬底上面上包括导电的构件结构并且在其底面上包括补偿层，该补偿层如此以机械固定的方式与衬底连接，即产生机械应力或者在温度变化过程中建立机械应力。
作为另一种措施，在该构件结构上方布置SiO2层，该SiO2层就其热弹性特性具有正温度系数，这种正温度系数补偿了诸如LT或LN(铌酸锂)等多数衬底材料的负温度系数。
这种解决方案的缺陷在于，仅在使用较重电极的情况下，才能获得所需的电极反射率。这尤其不适用于SAW构件或者不足以用于某些应用。利用SiO2进行温度补偿的缺陷还在于，其温度补偿特性有限，并且因采用SiO2，则必定承受电动机械耦合和带宽损耗、衰减加剧以及出现不理想的干扰模式。这就限制了高效实现TK补偿。
此外，还曾提出具有正温度系数的其他层，例如GeO2及掺氟或掺硼的SiO2，用于补偿温度相关的特性。
本发明的目的在于，提供新的可行方案或材料来补偿温度系数，由此不仅改善补偿，还减少与之相关的缺陷。
本发明用以达成上述目的的解决方案为具有根据权利要求1所述特征的构件。本发明的有利实施方式参阅从属权利要求。
本发明是基于认识到具有负热膨胀系数的材料当中可能存在诸多其热机械特性具有正温度系数的材料。这些材料能够用于补偿诸如压电材料中通常会出现的热机械特性的负温度系数。
本发明提出，在通过声波工作的构件上施加补偿层，其包含基于至少两个元素的化合物的介电材料，其具有负热膨胀系数。
根据一种实施方式，所述化合物是无机过渡金属化合物或稀土化合物。但其他类物质的化合物也适用。
这种构件包含至少一个压电材料层，具有至少一对电极，用于在该压电材料中激发声波。所述补偿层如此被布置于这种构件中，使得声波能量中的至少一部分处于所述补偿层中。该补偿层需要相对较接近主要产生声波的压电层。
例如选自介电无机过渡金属及稀土化合物类别的具有负热膨胀系数的材料在其杨氏模量中表现出极高的正温度系数，即刚性随温度升高而增强，其优于目前所知的最佳材料，例如迄今出于该目的所采用的SiO2。伴随这种高度刚性变化或与之相关的杨氏模量的正温度系数，能够实现更加有效的补偿层。
此外，还有可能完全补偿频率的温度系数，为此还采用比目前所知材料更薄的补偿层。在此，通过较薄的补偿层，同时减少了目前所知补偿层存在的问题。特别是减小负面作用，诸如压电耦合减弱和采用补偿层所承受的声衰减。
所发现的化合物类别的其他优势在于，通常利用由半导体技术所知的常规沉淀工艺以可控方式施加化合物。与此同时，它们在工艺技术方面也非常适用于施加在通过声波工作的构件上。
在本发明的实施方式中，将所述补偿层直接施加于所述压电材料层上。可以将电极和补偿层布置于压电层的同侧上。然而，还能够将所述补偿层布置于所述压电层之下并且将所述电极布置于所述压电层之上。此外，还能够将所述电极设置于压电层与补偿层之间。另一种原则上可行的变型方案在于，将所述电极施加于所述补偿层上，再将该补偿层沉淀于所述压电层上。
在本发明的优选实施方式中，所述补偿层包含基于三氟化钪ScF3的玻璃作为具有负热膨胀系数的稀土化合物。这种材料硬度足够大、在机械方面稳定并且能够良好沉淀。
采用化学式Sc(1-X)YXF3的掺钇三氟化钪，能够获得特别高的杨氏模量的正温度系数，其中，设定由系数x≤0.25表达的钇成分，关系式为0<x≤0.25。
这种化合物的钇含量受限于三氟化钇在三氟化钪中的溶解度并且理论上在能够制成相应材料的情况下可能更高。
钇成分约为20％的掺钇三氟化钪表现出特别积极且有利的性质，其中，x＝0.2。这种材料在纯净形式下显示约为1500ppm/K的杨氏模量的温度系数。该温度系数比在目前构件中用作补偿层的未掺杂SiO2的温度系数高出五倍以上。与目前仅提议但尚未施用的掺氟SiO2相比，所述的掺氟三氟化钪的温度系数高出两倍以上。针对由此制成的补偿层而言，这表示仅使用目前所知的补偿材料的如此厚的层厚的一半就能实现相同的补偿效果。
根据优选实施方式，所述补偿层具有大于700ppm/K的热弹性特性的温度系数。这些值通过多种所提及的具有负热膨胀系数的材料来实现。
采用所述化合物，还能获得具有大于1000ppm/K的热弹性特性的温度系数的补偿层。
在此，所提及的材料能够以纯净的固体形式、以掺杂形式、作为与其他氧化物、卤化物或其他结晶化合物的混合化合物存在，或者能够以固体形式嵌入结晶基体中或优选平嵌于玻璃中。包含非纯净形式的具有负膨胀系数的材料的补偿层实现的补偿效果可能低于仅由所述材料组成的补偿层。然而，层状混合物或层状掺杂物也可能甚至提高预期的效果。具有其他物质或嵌入基体的混合物在改性材料不直接适用于成层沉淀或者如此生成的层在机械和结构上不适于留在构件上的情况下可能具有优势。
在此，术语“成层”是指具有足够硬度及适当物理一致性的适用于构件的层。
在一种实施方式中，所述构件被构造成SAW构件，即通过表面声波工作的构件。其包括位于所述压电层上的至少一个叉指换能器。在所述压电层之上以及所述叉指换能器上方沉淀补偿层，其包含三氟化钪ScF3，要么掺杂(例如，掺杂有YF3)成具有其他氧化物或卤化物的混合晶体，要么嵌入结晶基体或玻璃中。所述补偿层在选取补偿层中的补偿材料及其成分方面如此构造，使得在5-15％的相对层厚下完全补偿中间频率的温度系数，即针对SAW构件决定的温度相关值。在此，相对层厚是指能够在该材料中传播的声波的波长并且指示层厚占波长的百分比。
此外，问题还在于，要求过度补偿TK，这样就会设定更厚的补偿层的层厚。在此，相对层厚是指层厚与在所述构件的中间频率下能够在材料中传播的声波的波长之比。这种根据本发明的补偿层的层厚小于常规的补偿层。尽管如此，也能够实现完全补偿中间频率的温度系数。
所述构件还能够被构造成BAW构件，其中，在两种可行的实施方式可能有构造成SMR(固态安装的谐振器)或者基于布置在薄膜上方的谐振器。此外，所述构件还能够被构造成GBAW构件(通过体导波工作的构件)。
所述构件可以包括电极材料，其包含已知金属和合金、半导体以及导电性硼化物、氮化物、碳化物和混合化合物中的一个或多个。
根据本发明的构件能够设置或配置用于各种不同的应用。例如，能够将根据本发明的构件用作谐振器、DMS滤波器或者阶梯型滤波器。
在另一种实施方式中，所述补偿层包含由氧化网络形成体组成的材料。这些特定的网络形成体表现出负热膨胀系数，其通常还伴随异常压力行为(“压力软化”)。这类化合物还表现出异常热机械行为，这也伴随刚性c和杨氏模量的正温度系数。
特别是，对于其特别强的异常热机械行为及其刚性c和杨氏模量的正温度系数，已知同构钨酸盐ZrW2O8和HfW2O8。对于ZrW2O8，已证实其弹性常数的异常热机械行为。
具有负热膨胀系数的氧化网络形成体的其他示例有ZrMo2O8、HfMo2O8、ScW3O12、AlW3O12、Zr(WO4)(PO4)2。
此外，由其他物质类别也已知具有负热膨胀系数的材料，诸如某些沸石或B2O3。
具有如上所述可比特性的非氧化网络形成体或玻璃形成体有氟基化合物ScF3-BaF2-YF3、ScF3-BaF2-ZnF2、ScF3-BaF2-InF3、ScF3-MgF2、YbF3-ScF3、LuF3-ScF3、Zn(CN)2和BeF2以及某些氰化物，例如Zn(CN)2。所有这些化合物都具有热膨胀度的负温度系数，因此原则上也适用于通过声波工作的构件上的补偿层。与之相比，诸如SiO2、GeO2、B2O3等常见玻璃形成体表现出PTE行为(正热膨胀)，尽管并不大。
下面根据实施例和附图详细阐述本发明。这些附图仅示意性示出并且仅为更好地理解本发明。因此，这些附图尤其未按真实比例示出，其各个部分可放大或缩小。相应地，这些附图并未采取相对尺寸或绝对尺寸。
图1和图2分别示出呈不同布置的具有补偿层的SAW构件的示意性剖视图，
图3示出具有补偿层的BAW构件，
图4示出具有补偿层的GBAW构件，
图5示出另一种BAW构件，
图6示出SAW构件，
图7a和图7b分别示出具有结构性补偿层的SAW构件，
图8a至图8c示出包括一个或多个附加介电层DS的SAW或GBAW构件，
图9示出具有不同钇含量x的体系Sc(1-X)YXF3中杨氏模量关于温度的曲线。
图1示出设有补偿层KS的SAW构件的最简单的实施方式。在包括至少一个薄压电层的衬底上布置第一电极层EL1，其被构造成呈梳状错置的n型电极的形式。衬底SU特别是由钽酸锂组成，具有适于SAW产生和传播的层。例如，LT42具有约为-40ppm的弹性特性在x方向上的温度系数。为了补偿这一温度系数，在电极层EL1上方布置适当厚度的补偿层KS，根据所需的厚度补偿度来标定厚度。
图2示出类似的构件，而其中补偿层KS施加于衬底的与设有电极层的表面相反的表面上。倘若将压电层的厚度选成适当的薄度，则采用该布置也能够实现对频率的温度系数的良好补偿。
图3示出通过体声波工作的构件(BAW构件)，其中将补偿层KS直接施加于压电衬底SU上。在该衬底SU的裸露表面上布置第一电极层EL1并且在补偿层的裸露表面上布置第二电极层EL2。补偿层KS及衬底SU的厚度共同确定BAW构件的波长，这样在给定波长的情况下能够具有较厚的补偿层KS与较薄的衬底SU，以便在BAW构件中设定相同的谐振频率。
图4示出另一种类型的通过声波工作的构件，即通过导声波工作的构件，所谓的GBAW构件。在该GBAW构件中，在压电衬底SU上，又在特定结构的第一电极层EL1中布置电极。在此之上，布置所需层厚的补偿层KS。
构件的隔绝面形成施加于补偿层KS上方的覆盖层ML，其声波波速v(ML)高于补偿层的声波波速v(KS)：
v(ML)>v(KS)。
速度又可以根据：
v＝√(c/ρ)
通过所用材料的密度ρ或刚性c来相应设定。由此确保声波的传导主要发生在衬底和补偿层内。另外，覆盖层的厚度如此标定，使得覆盖层背离压电层或补偿层的表面上不会实际发生声波运动或振动。
图5示出具有第一电极层EL1、压电层SU和第二电极层EL2的BAW构件，其中从外部将补偿层KS施加于这两个电极层EL1、EL2中的一个上。
当然也有可能将补偿层KS布置于第一电极层EL1与第二电极层EL2之间的任何位置。作为其他可行方案，也能够使用不同厚度的多个补偿层KS。可以将具有一个或多个这种补偿层的BAW构件构造成直接安装于衬底上或者薄膜配置中的SMR(固态安装的谐振器)。
图6示出另一种GBAW构件，其中补偿层被布置于压电衬底与第一电极层EL1之间。如图6所示，在电极层EL1之上还可以布置覆盖层ML。
图7a和图7b示出能够进一步改善设有补偿层KS的SAW构件的声学特性的可行方案。因电极与补偿层材料之间的低声阻抗差而减小的电极反射率由通过构造补偿层KS所产生的附加反射复原。为此，在补偿层KS的表面中引入与电极指平行的凹部(图7a)或凸部(图7b)，它们构成声波的反射点，并且它们被布置成与电极指相同的格栅并因此加强其在电极指上的反射率。
结合本发明，在压电晶体/压电层与电极之间或者在补偿层之上还可能有附加的介电层DS。图8a至图8c示出这类示例性的实施方式。在图8a中，介电层DS被布置于第一电极层EL1与补偿层KS之间。在图8b中，介电层DS被布置于覆盖层ML上方。图8c示出同时包括如图8a和图8b中已单独示出的两个介电层DS1和DS2的实施方式。
图9示出在体系Sc(1-X)YXF3中针对0至25％之间的钇成分对应的各参数x的杨氏模量随温度变化的曲线。如图所示，对于20％的钇含量(x＝0.2)，杨氏模量在从300K到500K的温度区间内增长最快，从而该材料具有最高的杨氏模量的正温度系数并且最适用于通过声波工作的构件中的补偿层。在此，纯三氟化钪虽表现出负热膨胀系数，但杨氏模量的温度系数却逼近零。
如图可见或通过基础实验可知，对于钇成分介于20％至25％之间的混合钪-钇-三氟化物，中间频率的温度系数约为1500ppm/K。与之相对，掺氟的SiO2表现出小于700ppm/K的系数，而未掺杂的SiO2具有小于300ppm/K的温度系数。与当今常见的由未掺杂的SiO2制成的补偿层相比，将补偿提高五倍。
特别是混合钪-钇-三氟化物的材料特性，例如刚性，移动至可与目前所用的SiO2层相比较的范围内。在厚度比SiO2略高的情况下，可以预期构件的其他特性也不会受到新补偿层的负面影响。由于增强补偿仅需层厚较薄的补偿层，因此能够预料显著改善声学特性。
本发明不限于在实施例中详述的实施方式，它们仅给出具有补偿层的通过声波工作的构件的示例性实施方式。原则上，也可考虑具有一个以上补偿层的构件，或者还具有其他用于减小中间频率的温度系数的装置的构件，特别是应力层。
Claims (11)
1.一种通过声波工作的构件，
具有压电材料层(SU)，
具有至少一对电极(EL、EL1、EL2)，用于在所述压电材料中激发声波，
具有补偿层(KS)，其如此被布置于所述构件中，使得声波能量中的至少一部分处于所述补偿层中，
其中，所述补偿层包含基于至少两个元素的化合物的介电材料，其具有负热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的构件，
其中，所述补偿层(KS)直接被涂覆于所述压电材料层上，其中，所述电极(EL、EL1、EL2)被布置于所述压电层(SU)上、所述补偿层(KS)上或者这两层之间。
3.根据权利要求1或2所述的构件，
其中，所述补偿层(KS)包含三氟化钪ScF3作为稀土化合物。
4.根据权利要求3所述的构件，
其中，所述补偿层(KS)包括分子式Sc(1-X)YXF3的掺钇ScF3作为稀土化合物，其中，由系数x表达的钇成分通过关系式0<x≤0.25来定义。
5.根据权利要求4所述的构件，
其中，所述补偿层(KS)包括分子式Sc(1-X)YXF3的掺钇ScF3作为稀土化合物，其中，x＝0.2。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的构件，
其中，包含ScF3的所述补偿层(KS)是玻璃。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的构件，
其中，所述补偿层(KS)包含网络形成体。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的构件，
其中，所述补偿层(KS)具有高于700ppm/K的正热弹性温度系数。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的构件，
-构造为SAW构件，
-具有位于所述压电层(SU)之上或上方的至少一个叉指换能器，
-具有沉淀于所述压电层及所述叉指换能器上的补偿层(KS)，其包含掺杂成具有其他氧化物或卤化物的混合晶体或者嵌入结晶基体或玻璃中的纯净形式的ScF3，
-其中，采用相对于所述构件中间频率下的波长占5-20％的层厚，完全补偿中间频率的温度系数。
10.根据权利要求9所述的构件，
其还被构造成不具有叉指换能器而是具有两个电极层(EL1、
EL2)的BAW构件。
11.根据权利要求1、2或8所述的构件，
其中，所述补偿层(KS)作为具有负热膨胀系数的材料包含以下化合物之一：ZrW2O8、ZrMo2O8、HfW2O8HfMo2O8、ScW3O12、AlW3O12、Zr(WO4)(PO4)2、ScF3-BaF2-YF3、ScF3-BaF2-ZnF2、ScF3-BaF2-InF3、ScF3-MgF2、YbF3-ScF3、LuF3-ScF3、Zn(CN)2、BeF2、B2O3及沸石。
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