CN1130016C

CN1130016C - 表面声波装置

Info

Publication number: CN1130016C
Application number: CN99801591A
Authority: CN
Inventors: 井上宪司; 佐藤胜男; 守越広树; 川嵜克己; 内田清志
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1998-09-14
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2003-12-03
Anticipated expiration: 2019-09-13
Also published as: WO2000016478A1; CN1277755A; EP1047190A1; EP1047190A4; US6246149B1

Abstract

一种表面声波装置有一块压电材料基片，基片性质包括利于展宽通频带宽度的机电耦合系数，利于使表面声波装置结构紧凑的SAW速度。压电材料基片由属于点集32化学式为Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄的单晶体构成。如其切割角度和表面声波传播方向均在区域1-1内，由欧拉角度(Φ，θ，Ψ)表示的区域1-1，满足Φ＝25°～35°，θ＝20°～90°，Ψ＝-40°～40°，也可在区域1-2内，其满足Φ＝25°～35°，θ＝20°～90°，Ψ＝-25°～25°。

Description

表面声波装置

技术领域

本发明涉及一种将叉指式电极配置在一块压电材料基片上的表面声波装置。

背景技术

近年来，包括移动电话在内的移动通讯终端已经得到广泛使用。从轻便性的观点来看，这些终端所要求的最重要的特性之一，是结构紧凑和重量轻。

为了使终端结构紧凑和重量轻，该终端使用的每一个电子元件都必需结构紧凑和重量轻。一种能很好地满足上述要求的表面声波装置-所谓表面声波滤波器，已经广泛地在终端的中频或高频电路中，作为滤波器使用。

为了激发、接收、反射和传播表面声波，该表面声波装置具有一块压电材料制成的基片，和在该压电材料基片的一个主要表面上形成的一个叉指式电极。

用于该表面声波装置的压电材料基片的材料的重要性质之一，是表面声波的表面波速(SAW速度)。该材料的其他二个重要性质是：在该表面声波装置用作滤波器情况下的中心频率作用下的温度系数，或在该表面声波装置用作谐振器情况下的共振频率作用下的温度系数(TCF)；和该材料的机电耦合系数(K²)。

图1表示一般用在表面声波装置中的，先前技术的压电材料基片的每一种成分的表。一般，可将图1所示的先前技术的压电材料基片分成二组。一组是机电耦合系数高的128 LN，64 LN和36 LT；另一组是机电耦合系数小的LT 112和ST石英。SAW速度高和机电耦合系数大的压电材料基片128LN、64 LN和36 LT，可用作终端高频电路中的表面声波滤波器。SAW速度低和机电耦合系数小的压电材料基片LT 112和ST石英，可以用作终端中频电路中的表面声波滤波器。上述这些压电材料基片这样使用的理由是：表面声波滤波器的中心频率，与所用的压电材料基片的SAW速度成正比；而与在该压电材料基片上形成的叉指式电极的电极指的宽度成反比。

因此，SAW速度高的基片，适合于用作高频电路中的滤波器。在终端的高频电路中所用的滤波器，需要使用SAW速度高和机电耦合系数也大的压电材料基片；这是因为该终端要求通频带的宽大于20MHz的宽带滤波器。

一方面，移动式终端的中频电路使用的频带范围为70～300MHz。当将该表面声波装置用作中心频率在上述频带以内的滤波器时，需要与该中心频率的减小值成比例地增大该压电材料基片上形成的叉指式电极的电极指的宽度，通常，中频电路中的滤波器的中心频率，与高频电路中的滤波器的中心频率比较，是相当高的。这就引出了使该表面声波装置本身的尺寸变大的问题，因此，一般在该终端的中频电路中，使用SAW速度低的LT 112或ST石英，作为表面声波滤波器。特别是，由于ST石英在中心频率作用下的正常温度系数近似为零，因此，ST石英是制造压电材料基片的合适材料。但由于ST石英的机电耦合系数小，因此它只适用于通频带窄的滤波器。然而，到目前为止，上述ST石英的这些性质还几乎没有造成什么问题，因为中频电路中的滤波器，只有一个窄通道的信号通过。

近年来，为了有效地利用频率资源，和适应数字式数据通讯，已经开发出和实际上已经建立了一种数字式移动通讯系统，并正日益获得广泛的应用。该数字式移动通讯系统要求从数百KHz至几个MHz的极宽的通频带宽度。当将该表面声波装置用于要求这样宽的频带宽度的中频滤波器中时，不可能用ST石英制造一块合适的压电材料基片。另外，为了得到轻便性更好的、更小的移动式终端，该中频用的表面声波滤波器的安装面积必需更小。虽然，一般认为ST石英和LT 112，是用于制造中频电路的表面声波滤波器的压电材料基片的合适材料，但由于其SAW速度超过3000米/秒，因此，几乎不可能将该压电材料基片做得更小。

发明内容

本发明的目的，是要提供一种使用机电耦合系数大，可以展宽通频带宽度，而SAW速度低，可以使表面声波装置做得更小的压电材料基片的表面声波装置。

这个目的可用下述方法达到，本发明的压电材料基片采用属于点集(point group)32，化学式为Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄的单晶体。这种材料是在俄罗斯开发的，具有langasite式结构的，压电材料基片中的一种替代材料，在“日本晶体生长协会杂志，第25卷，第3期1998(目录号：14aA7)”中，被TomohikoKato等称为新替代的langasite式压电材料基片。本发明的发明者，对这种晶体作了研究，结果发现，在晶体切割角度和表面声波传播方向，均在一个预先确定的区域内的情况下，可以得到作为表面声波装置的压电材料基片所希望的性质。因此，最后，本发明采用了这种晶体。

根据本发明的第一个实施例，该压电材料基片的晶体切割角度，和表面声波的传播方向，均在由Φ＝25°～35°，θ＝20°～90°，Ψ＝-40°～40°的欧拉角度(Φ，θ，Ψ)表示的区域1-1内。在第二个实施例中，该晶体切割角度和表面声波传播方向，均在Φ＝25°～35°，θ＝20°～90°，Ψ＝-25°～25°的欧拉角度(Φ，θ，Ψ)表示的区域1-2内。在第三个实施例中，该晶体切割角度和表面声波的传播方向，均在Φ＝-5°～5°，θ＝10°～170°，Ψ＝0°～50°的欧拉角度(Φ，θ，Ψ)表示的区域2-1内。在第四个实施例中，该晶体切割角度和表面声波传播方向，均在Φ＝-5°～5°，θ＝25°～120°，Ψ＝0°～30°的欧拉角度(Φ，θ，Ψ)表示的区域2-2内。在第五个实施例中，该晶体切割角度和表面声波传播方向，均在Φ＝-5°～5°，θ＝130°～160°，Ψ＝15°～45°的欧拉角度(Φ，θ，Ψ)表示的区域2-3内。

在区域1-1内具有上述欧拉角度的晶体基片的SAW速度，在3000米/秒以下，比ST石英的SAW速度低；而其机电耦合系数却足够高，大于0.2％。具有区域1-2内的上述欧拉角度的晶体基片的SAW速度，也在3000米/秒以下；而其机电耦合系数却大于0.4％。具有区域2-1内的上述欧拉角度的晶体基片的性质，与在区域1-1内的性质相同，其SAW速度在3000米/秒以下，而其机电耦合系数大于0.2％。具有在区域2-2和区域2-3内的上述欧拉角度的晶体基片的性质，与在区域1-2内的性质相同，其SAW速度在3000米/秒以下，而其机电耦合系数大于0.4％。

单晶体Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄为三维晶体，并具有对称的晶体结构，因此，其欧拉角度的配置是等效的。例如，在区域1-1内的欧拉角度(Φ，θ，Ψ)的配置(30°，90°，0°)与(90°，90°，0°)的配置是等效的。在区域2-1内的欧拉角度(Φ，θ，Ψ)的配置(0°，90°，17°)与(0°，90°，-17°)，(60°，90°，±17°)或(120°，90°，±17°)的配置是等效的。另外，在区域2-1内的(0°，90°，17°)欧拉角度配置，与(240°，90°，±17°)或(360°，90°，±17°)的配置是等效的。因此，应当理解，根据对称的晶体结构性质作出的每一种等效的欧拉角度配置，都包括在本发明的范围内。

附图说明

图1为表示用于表面声波装置中的先前技术的压电材料基片及其性质的表；

图2为表示根据本发明的表面声波装置的一个实施例的立体图；

图3为表示用于根据本发明的表面声波装置中的压电材料基片的性质的表；

图4为表示用于根据本发明的表面声波装置中的压电材料基片的另一个实施例的性质的表；

图5为表示在图3所示的实施例中的压电材料基片上的SAW速度的图；

图6为表示在图3所示实施例中的压电材料基片上的机电耦合系数的图；

图7为表示在图4所示实施例中的压电材料基片上的SAW速度的图；

图8为表示在图4所示实施例中的压电材料基片上的机电耦合系数的图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明的优选实施例。图2表示用于表面声波装置的本发明的一个实施例。在压电材料基片1的一个主要表面上，放置着二个叉指式电极2。该叉指式电极2的形状、数目和布局方式是可以任意的。

本发明的压电材料基片1，由属于点集32的，化学式为Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄的单晶体构成。该单晶体材料可能包括有氧造成的缺陷，和不可避免的杂质，例如：Al，Zr，Fe，Ce，Nd，La，Pt和Ca。

该单晶体的结晶轴-即X轴，Y轴，Z轴-可利用在题为“声波装置技术手册”(编者：日本科学促进会，表面声波工艺第150委员会；Ohmshe公司出版，出版日期1991年11月30日)的出版物中的第333页上的有关压电材料极性测试说明中所述的测量方法来确定。即：该晶体属于点集32，并且在右手坐标系中，该晶体的极化轴与X轴是一致的。利用X-射线衍射仪，可以精确地确定所制备的单晶体与X轴垂直的表面方位，然后，通过将该晶体切成薄片，将该表面露出，结果，就制成了一个测量样件。将该样件单晶体片装在与示波器的负极端子连接的一块铜片上，并与该铜片平行。然后，将与示波器正极端子连接的一个测头的尖端，用力地压在该样件单晶体片表面上，使得由压电效应产生电位差。不需要形成电极，就可判断该样件单晶体片表面的极性。然而，为了得到高电位，最好是在该样件单晶体片的上端和下端形成电极来进行判断。该样件单晶体表面的极性，按下列步骤来判断。利用示波器观察电压波形，在第一个波形峰值为正电压的情况下，被该测头尖端压紧的晶体表面定义为正(+)平面；而该晶体的与上述表面相反的表面，定义为负(-)表面。相反，在第一个波形峰值为负电压的情况下，被该测头尖端压紧的晶体表面定义为负(-)表面；而与其相反的晶体表面定义为正(+)表面。在右手坐标系中，从该负(-)表面至正(+)表面，向着由上述定义确定的正(+)表面的垂直线的方向，定义为+X方向。理论上，可根据右手坐标系来确定+X轴，+Y轴和+Z轴的方向。

在图2中，x轴，y轴和z轴互相相交成直角。x轴和y轴在压电材料基片1的表面上。x轴是表面声波的传播方向。z轴与压电材料基片1的表面垂直，并且形成该单晶体压电材料基片的切割角或切割表面。x，y，z轴和该单晶体的结晶轴X，Y，Z之间的关系，可用欧拉角度(Φ，θ，Ψ)来表示。

在根据本发明的表面声波装置的压电材料基片1上，该基片用欧拉角度(Φ，θ，Ψ)表示的切割角，在上述1-1，1-2，2-1，2-2，2-3区域或它们的等效区域的任何一个区域内。

实施例

表面声波装置的压电材料基片1，由属于点集32的，化学式为Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄的单晶体制成。该单晶体是利用使用高频感应加热的CZ技术，即回转向上拉的工艺生长的。该单晶体的原材料，使用将纯度为99.99％的SrCO₃，Ta₂O₅，Ga₂O₃和SiO₂的氧化物粉末，以化学计算的比例混合制成的混合物。N₂与2％(按体积计)的氧混合起来，作为单晶体的生长气氛。晶体回转速度，向上拉的速度和向上拉的方位，分别设定为5转/分，1.5mm/h，和(0001)。结果，得到直径为52mm的单晶体。

将该晶体的一部分粉碎，然后，利用X-射线衍射仪，辨识该粉碎的粉末的全相组织。通过这种全相辨识证明，该晶体是单相的，没有包括不同的全相组织。没有诸如孔、裂纹和夹渣一类的宏观缺陷；并且通过极化过程的显微镜摄取的无畸变图像证明，该原材料已经生长成均匀的单晶体。将所得出的单晶体切成片，结果就制成了该表面声波装置的压电材料基片。

在这个工序以后，经上述工序在制成的压电材料基片1的表面上，形成图2所示的输入和输出二个叉指式电极2；结果就制成了一个供实验用的表面声波装置。为了形成该二个叉指式电极2，可利用蒸气沉积法，在该压电材料基片上，形成一层Al膜，再利用光蚀刻方法，将电极作成叉指形。与表面声波波长相适应的该电极指产生的波的周期λ为60微米，电极指对的数目为20对，电极指之间的间隔宽度为60λ(3600微米)，和Al膜的厚度为0.3微米。在图2中，x轴的方向是表面声波的传播方向。y轴方向与表面声波的传播方向垂直。z轴的方向，与该压电材料基片表面垂直。

制备了多个压电材料基片的切割角度，和表面声波传播方向变化的表面声波装置。在图3和图4中表示了每一个表面声波装置的SAW速度和机电耦合系数。在图5和图6中，分别用二维图形表示，根据图3的数据得出的SAW速度和机电耦合系数。在图7和图8中，分别用二维图形表示根据图4的数据得出的SAW速度和机电耦合系数。SAW速度是将作为上述叉指式电极结构的滤波器特性测出的中心频率值，乘以表面声波的波长来确定的。机电耦合系数是借助Smith等效电路方法，利用通过测量输入和输出二个叉指式电极中的一个所确定的导纳(例如，输入电极的二终端的导纳)的实部(导率)和虚部(电纳)来确定的。这个方法在题为“表面波装置及其应用”(编者：日本电子工业材料制造者协会；出版者：Nikkan Kogyo Shimbun公司，1978年)的刊物，特别是在其“基础篇”的4.1.2节“表面波的有效机电耦合系数”中，有详细地说明。上述性质是在包围该装置的环境温度为25℃的条件下测量的。

图3，图5和图6清楚地表示了下列结果。当Φ角为30°，θ角为30°～90°，Ψ角为-40°～40°时，机电耦合系数大于0.2％；而SAW速度在3000米/秒以下。在Φ角为30°±5°的情况下，可以得到同样的结果。甚至若θ角减小至20°，也可以得到同样的结果。在Ψ角为-25°～25°的情况下，机电耦合系数大于0.4％。

图4，图7和图8表示了下列结果。当Φ角为0°，θ角为20～160°，和Ψ角为0°～50°时，机电耦合系数大于0.2％；而SAW速度在3000米/秒以下。当θ为10°～170°时，可以得到同样的结果。当θ角为25°～120°，和Ψ角为0°～30°时，机电耦合系数进一步增加，可达到大于0.4％。当θ角为130°～160°，Ψ角为15°～45°时，也可得到同样的结果。

如上所述，本发明可提供一种频带宽的、结构紧凑的表面声波装置。

Claims

1.一种具有一块压电材料基片，和放置在该压电材料基片的多个主要表面中的一个主要表面上的一叉指式电极的表面声波装置，该装置包括：

所述压电材料基片由属于点集32，化学式为Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄的单晶体构成，所述单晶体具有预先确定的切割角度，和所述表面声波有预先确定的传播方向；

所述单晶体的所述预先确定的切割角度，和所述表面声波的所述预先确定的传播方向，均在区域1-1内，其中，由欧拉角度(Φ，θ，Ψ)表示的所述区域1-1，满足Φ＝25°～35°，θ＝20°～90°，Ψ＝-40°～40°。

2.一种具有一块压电材料基片，和放置在该压电材料基片的多个主要表面中的一个主要表面上的一叉指式电极的表面声波装置，该装置包括：

所述单晶体的所述预先确定的切割角度，和所述表面声波的预先确定的传播方向，均在区域1-2内，其中，由欧拉角度(Φ，θ，Ψ)表示的所述区域1-2，满足Φ＝25°～35°，θ＝20°～90°，Ψ＝-25°～25°。

3.一种具有一块压电材料基片，和放置在该压电材料基片的多个主要表面中的一个主要表面上的一叉指式电极的表面声波装置，该装置包括：

所述压电材料基片由属于点集32，化学式为Sr₃TGa₃Si₂O₁₄的单晶体构成，所述单晶体具有预先确定的切割角度，和所述表面声波有预先确定的传播方向；

所述单晶体的所述预先确定的切割角度，和所述表面声波的所述预先确定的传播方向，均在区域2-1内，其中，由欧拉角度(Φ，θ，Ψ)表示的所述区域2-1，满足Φ＝-5°～5°，θ＝10°～170°，Ψ＝0°～50°。

4.一种具有一块压电材料基片，和放置在该压电材料基片的多个主要表面中的一个主要表面上的一叉指式电极的表面声波装置，该装置包括：

所述单晶体的所述预先确定的切割角度，和所述表面声波的所述预先确定的传播方向，均在区域2-2内，其中，由欧拉角度(Φ，θ，Ψ)表示的所述区域2-2，满足Φ＝-5°～5°，θ＝25°～120°，Ψ＝0°～30°。

5.一种具有一块压电材料基片，和放置在该压电材料基片的多个主要表面中的一个主要表面上的一叉指式电极的表面声波装置，该装置包括：

所述单晶体的所述预先确定的切割角度，和所述表面声波的所述预先确定的传播方向，均在区域2-3内，其中，由欧拉角度(Φ，θ，Ψ)表示的所述区域2-3，满足Φ＝-5°～5°，θ＝130°～160°，Ψ＝15°～45°。