CN1130824C - 弹性表面波元件 - Google Patents

Abstract

弹性表面波元件1具有：由石英构成的基板2；由铝层构成的一对梳齿型电极3；电极连接端4；以及由与电极3为相同材料构成的一对栅格状反射器5。在构成电极3的铝层中，其结晶结构形成双晶结构，把铝的(-11-1)面及(1-11)面作为双晶的晶粒界，(-111)面及(002)面的晶粒、与(1-1-1)面及(00-2)面的晶粒处于双晶关系。此外，铝层的{111}面对构成基板2的石英的{010}面倾斜8°来取向。

Description

弹性表面波元件

技术领域

本发明涉及例如在振荡器、滤波器及谐振器等中使用的弹性表面波元件。

背景技术

在携带式电话机及无线电通信装置等的使用高频的电子装置中，在这样的电子装置中的滤波器、谐振器及振荡器等中，广泛地采用了弹性表面波元件。

这是在石英等压电体的基板上设置了梳齿型电极的元件。

迄今，作为该电极使用了取向随机的多晶铝。

但是，在使用了这样的电极的弹性表面波元件中，振荡频率随着使用而发生变动，不能长时间稳定地得到恒定的频率。

为了克服这样的缺点，公开了作为电极使用了虽然取向是随机的多晶，但是，是铝合金的电极(特公昭61-47010)。

但是，即使在这样的电极中，在长时间使用弹性表面波元件的情况下，振荡频率也发生时效变化，长时间稳定地使用弹性表面波元件是困难的。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供振荡频率难于发生时效变化的弹性表面波元件。

为了解决上述课题，在本发明采取的装置中：

(1)是具有：由压电体构成的基板；以及设置在该基板上的电极，通过与上述电极导通而进行振荡的弹性表面波元件，其特征在于，上述电极由晶粒界为双晶粒界的多晶铝层构成。

(2)上述压电体为石英的，上述(1)中所述的弹性表面波元件。

(3)上述基板为使石英的Y片绕X轴旋转10～60°而得到的旋转Y片，上述(1)或(2)中所述的弹性表面波元件。

(4)上述铝的{111}面对上述压电体的{010}面倾斜1～30°来取向的，上述(1)至(3)的任一项中所述的弹性表面波元件。

(5)把上述铝的(-11-1)面及(1-11)面作为上述双晶粒界的，上述(1)至(4)的任一种中所述的弹性表面波元件。

(6)上述铝的(-111)面及(002)面的晶粒、与上述铝的(1-1-1)面及(00-2)面的晶粒处于双晶关系的，上述(1)至(5)的任一项中所述的弹性表面波元件。

(7)上述铝层的厚度为0.05～20μm的，上述(1)至(6)的任一项中所述的弹性表面波元件。

(8)振荡频率为10～5000MHz的，上述(1)至(7)的任一项中所述的弹性表面波元件。

(9)在使用了1000个小时时的频率变化为50ppm以下的，上述(1)至(8)的任一项中所述的弹性表面波元件。

(10)具有增强振动的反射器的，上述(1)至(9)的任一项中的所述的弹性表面波元件。

(11)上述反射器由与上述电极为同一种类的材料构成的，上述(10)中所述的弹性表面波元件。

附图说明

图1为示出本发明弹性表面波元件的实施例的平面图；

图2为利用透过型电子显微镜(TEM)的剖面亮视野照片；

图3为示出在图4、图5及图6中示出的透过电子束衍射照片的衍射部位的图；

图4为透过电子束照片；

图5为透过电子束照片；

图6为透过电子束照片；

图7为表示本发明实施例中的弹性表面波元件的频率的时效变化的图；以及

图8为测定在本发明实施例弹性表面波元件中，频率的时效变化的电路图。

符号的说明

1.  弹性表面波元件

2   基板

3   电极

31  条

4   电极连接端

5   反射器

51  条

10  振荡电路

11  电源供给端子

12  电阻

13  电阻

14  弹性表面波元件

15  输出端子

16  晶体管

17  电容器

18  线圈

19  电容器

具体实施方式

以下，基于附图中示出的优选实施例，详细的说明本发明。

图1为示出本发明弹性表面波元件的实施例的平面图。

如图1中所示，弹性表面波元件1具有：基板2；电极3；电极连接端4；以及反射器5。

把弹性表面波元件1封入未图示的封装体中。此外，在该封装体内封入了氮气等惰性气体。由此，使弹性表面波元件1难于受到外界温度、湿度、冲击、氧等的影响。作为封装体可以举出例如，陶瓷封装体、圆柱形封装体等。

把基板2的平面形状作成大体为长方形。此外，基板2由压电体构成。因此，如果对基板2施加电压，则基板2进行振动。于是，由于基板2进行振动，故弹性表面波元件1进行振荡。

作为基板2的压电体，使用石英是较为理想的。即使环境温度发生变化，石英进行振动的频率也难于变化。因而，通过使用石英作为基板2的压电体，可得到即使环境温度发生变化振荡频率也难于变化的弹性表面波元件1。

在基板2为石英的情况下，不特别限定基板的种类，但是，是ST切割基板是较为理想的。其中，是使Y片绕X轴旋转10～60°而得到的旋转Y片的ST切割基板也是较为理想的，是使Y片绕X轴旋转20～40°而得到的旋转Y片的ST切割基板是更为理想的。如果使用这样的40°而得到的旋转Y片的ST切割基板是更为理想的。如果使用这样的基板，则可得到振荡特性，特别是温度特性方面良好的弹性表面波元件1。

从振荡性能的观点出发，基板2的厚度约为0.05～10mm是较为理想的，约为0.1～1mm是更为理想的。

在基板2上，设置了一对由铝层构成的电极3。该电极3对基板2施加电压。即，通过与电极3导通把电压施加到基板2上，由此，基板2进行振动，弹性表面波元件1进行振荡。

该电极3形成梳齿型的形状，两电极不接触，而且，将其定位为一方电极的梳齿与另一方电极的梳齿相啮合。

构成该电极3的梳齿的各条31的宽度A，分别为基板2进行振动的波长λ的1/4。此外，同一电极3的各条31的间隔P，为波长λ的3/4。此外，一方电极3的条31、与其邻接的另一方电极3的条31的间隔P’，为波长λ的1/4。

不特别限定每一对电极3的条31的数目，但是，约为10～500对是较为理想的，约为50～300对是更为理想的。如果条31的数目在该范围内，则弹性表面波元件1更有效地进行振动。

构成该电极3的铝的{111}面对构成基板2的压电体的{010}面倾斜1～30°来取向是较为理想的，倾斜5～15°来取向是更有理想的。具有倾斜在该范围内的取向的弹性表面波元件1易于制造，还易于得到具有良好振荡性能的元件。

该电极3的铝层为多晶，晶粒界为双晶粒界(相邻的晶粒相互之间处于双晶关系的晶粒界)。由此，即使长时间使用弹性表面波元件1，振荡频率也难于变化。可以认为，这是由于以下理由所引起的。

如果铝层为多晶，则产生粒界能量。所谓粒界能量，是由于产生了成为构成多晶的各结晶边界的粒界而产生的能量。此时，如现有的铝电极那样，由多晶来构成，而且，如果构成该多晶的各结晶的取向是随机的，则粒界能量变大。如果粒界能量变大，则在对电极施加了振动的情况下，结晶便一点一点地移动。因此，可以认为，如果对这样的电极长时间提供振动，即，如果长时间使用具有这样的电极的弹性表面波元件，则电极发生时效恶化，其振荡频率随着时间而变动(引起了迁移)。

另一方面，如本发明那样，如果构成铝层的结晶的晶粒为双晶粒界，即，如果相邻的晶粒相互之间处于双晶关系，则粒界能量变小。因此，即使对电极长时间施加振动，构成铝层的粒子也难于移动。所以，可以认为，如果利用晶粒界为双晶粒界的多晶铝层来构成电极3，则即使在长时间使用弹性表面波元件1的情况下，电极3也难于发生时效恶化，其振荡频率难于变动(难于引起迁移)。

在此，在本发明中，所谓“晶粒界为双晶粒界”并不是在构成电极3的铝层中的晶粒界全部是双晶粒界的意思，而是在对于构成电极3的铝层进行了电子束衍射的情况下可以确认双晶粒界的存在的意思。

从粒界稳定性的观点出发，在构成电极3的铝层中，把铝的(-11-1)面及(1-11)面作为双晶的晶粒界是较为理想的。

此外，从同样的观点出发，在构成电极3的铝层中，铝的(-111)面及(002)面的晶粒、与(1-1-1)面及(00-2)面的晶粒处于双晶关系是较为理想的。

通过把电极3的铝层作成上述那样的结晶结构，可得到振动特性(特别是振荡频率)的时效变化更难于产生的弹性表面波元件1。

不特别限定电极3的厚度，但是，约为0.05～20μm是较为理想的，约为0.1～1μm是更为理想的。如果电极3的厚度在该范围内，则可得到具有良好振荡性能的弹性表面波元件1。

在电极3的端部，设置了电极连接端(端子)4。把金属线连接到该电极连接端(未图示)，从外部通过该金属线对电极3供给电流。

在基板2上的电极3的两侧、与电极3离开的位置上，设置了栅格状的反射器5。该反射器5具有放大在基板2中产生的振动的功能。

反射器5的构成格子的各条51的宽度B，分别为基板2进行振动的波长λ的1/4。此外，反射器5的各条51的间隔Q，为波长λ的1/4。此外，把各条51的两端短路。

不特别限定每一个反射器5的条51的数目，但是，约为20～1500条是较为理想的，约为50～1000条是更为理想的。如果条51的数目在该范围内，则弹性表面波元件1更有效地进行振动。

反射器5由与电极3为同一种类的材料构成是较为理想的。由此，还可抑制反射器5的时效恶化所引起的振动特性的变化，即使长时间使用弹性表面波元件1，振荡频率也更难于变动。

在这样的弹性表面波元件1中，其振荡频率约为10～5000MHz是较为理想的，约为100～2500MHz是更为理想的。当弹性表面波元件1的振荡频率在该范围内时，弹性表面波元件1呈现出更好的振荡特性。

此外，弹性表面波元件1在使用了1000个小时时的振荡频率的变化为50ppm以下是较为理想的，为20ppm以下是更为理想的，为10ppm以下是进一步理想的。可稳定地、长时间使用这样的弹性表面波元件1。

以上，基于附图中示出的优选实施例详细地说明了本发明，但是，本发明不限定于此。

例如，在上述实施例中，作为基板2的压电体以石英为例进行了说明，但是，本发明不限定于此，作为基板2的压电体例如可使用铌酸锂(LiNbO₃)或钽酸锂(LiTaO₃)等。

例如，在上述实施例中，作为电极3使用了铝层，但是，如果是不影响结晶结构的程度，则在铝中可包含其它成分，此外，铝中也可包含不可避免的杂质。再有，作为电极3，可使用铝系合金属层。

作为铝系合金，例如可使用铝和铜的合金。还可以使用除了铜以外把钛(Ti)、硅(Si)、钽(Ta)，与铝混合了的合金。关于这些铝合金，以重量10％的范围进行混合是希望的，以重量2％的范围进行混合是较为理想的。特别是，关于铜(Cu)，以重量1％的范围进行混合是较为理想的，以重量0.1％～10％的范围进行混合是更为理想的。再有，在本发明中，以重量0.5％～1％的范围进行混合是较为理想的。再者，如上述中所示那样，在包含上述中所列举的混合材料的铝系合金中，具有晶粒界为双晶粒界的特性。与下述中所示的取向为随机的合金不同。

[实施例]

1.弹性表面波元件的构造用以下方法制造了弹性表面波元件

[1.1]首先，作为压电体的基板，准备了外形为20×30mm、厚度为0.4mm的石英基板。该石英基板为使石英的Y片绕X轴旋转33°而得到的旋转Y片的ST切割基板。

[1.2]其次，对该石英基板进行酸洗，把石英基板的表面净化。

[1.3]其次，利用真空蒸镀法，在该石英基板的表面形成厚度约为0.25μm的铝膜。蒸镀速度为0.002μm/s，蒸镀温度为130℃，蒸镀前的压力为0.5μTorr。

[1.4]其次，制作光刻法的抗蚀剂，以该抗蚀剂为掩模，对形成了上述铝膜的石英基板进行蚀刻，除去铝膜的不需要的部分。由此，在石英基板上的铝层上，形成了图1中所示那样的图形。即，在石英基板上，形成了：一对电极；设置在这样的电极端部的电极连接端；以及位于上述电极的两侧的、离开了电极的部位上的反射器。

[1.5]其次，在切断形成了该电极、电极连接端及反射器的石英基板(晶片)面作成2×3mm的元件之后，进行引线键合，把金属线与电极连接端连接起来，进而，进行陶瓷封装体的封装，得到弹性表面波元件。再者，一面把氮气封入封装体内，一面进行封装。

所得到的弹性表面波元件的电极的条的宽度A为2.5μm，同一电极的各条的间隔P为10μm，一方电极的条、与其邻接的另一方电极的条的间隔P’为2.5μm。此外，反射器的条的宽度Q为2.5μm，各条的间隔B为2.5μm。此外，电极的条的数目为130对，一个反射器的条的数目为130条。

此外，所得到的弹性表面波元件的振荡频率为300MHz。

2.弹性表面波元件的分析

[2.1]利用电子显微镜的弹性表面波元件剖面的观察

利用透过型电子显微镜(TEM)观察了与上述[1.1]～[1.4]同样进行而得到的封装之前的弹性表面波元件的部面。图2中示出所得到的电子显微镜照片。拍摄倍率为7.5万倍。

图2中，下部为石英，图2中，上部为铝层。

如图2的电子显微镜照片中所示，铝层的粒界取向于恒定的方向。由此，可以确认，铝层具有双晶粒界。此外，从该照片可知，相邻的a晶粒与b晶粒处于双晶关系。

再有，如图2中所示，因为铝层粒界的界面为双晶粒界，所以，该界面是非常平滑的。因而，与现有的、构成弹性表面波元件电极的晶粒以随机方式取向的多晶铝层相比，可以认为，本发明的弹性表面波元件电极的铝层的界面能量非常小。可以认为，即使长时间使用本发明的弹性表面波元件其振荡频率也难于发生变化的理由就在于此。

再者，作为透过型电子显微镜使用了Phi1ips公司制造的「CM-200 FEG」(加速电压为200KV)。此外，用FIB法制作了观察的试样。

再有，为了确认上述结果，对该试样进行了下述测定。

[2.2]利用电子束衍射的弹性表面波元件的分析

对上述[2.1]中进行了电子显微镜观察的试样，进行了利用视野受限的电子束衍射的分析。分别对于用图3中的框框包围起来的3个部位(石英部分、石英与铝膜的边界部分及铝膜部分)进行了电子束衍射。再者，图3为示出与图2中所示照片为相同试样的图。

图4、图5及图6中示出所得到的电子束衍射照片。图4为石英部分的电子束衍射照片(衍射照片①)，图5为石英与铝膜的边界部分的电子束衍射照片(衍射照片②)，图6为铝膜部分的电子束衍射照片(衍射照片③)。再者，在图5、图6中，铝层的衍射图为跨过双晶粒界的2个以上晶粒的衍射图。即，在图5、图6中，铝层的衍射图为包含图4中的晶粒a/b/a这3颗晶粒的衍射图。

如图4中所示，可以确认，电子束从石英的[-102]晶带轴方向入射。

如图5中所示，可以确认，铝的{111}面对石英的{010}面倾斜8°表取向。

如图6中所示，可以确认，把铝的(-11-1)面及(1-11)面作为双晶的晶粒界，铝的(-111)面及(002)面的晶粒(图2、图3的a晶粒)、与铝的(1-1-1)面及(00-2)面的晶粒(图2、图3中的b晶粒)处于双晶关系。

再者，使用与上述[2.1]同样的装置、使用直径为10μm视野受限的光阑，进行了电子束衍射。

3.弹性表面波元件频率时效变化的测定

首先，作为本实施例，关于利用上述「1.弹性表面波元件的制造」中所述的方法制造的弹性表面波元件，测定了其振荡频率的时效变化。

再有，作为比较例，关于利用铝-铜合金(Al-重量0.2％的铜)，具有取向随机的多晶电极的弹性表面波元件(以下，称为「比较例1」)和具有取向随机的多晶铝单体的电极的弹性表面波元件(以下，称为“比较例2”)，也与上述同样测定了振荡频率的时效变化。

再者，在本实施例、比较例1和比较例2中，对于2个弹性表面波元件分别进行了测定。

图7中，示出其结果。

如图7中所示，即使使任一个本实施例的弹性表面波元件工作1500个小时，也可将振荡频率的变化抑制到1ppm以下。

另一方面，如图7中所示，在使比较例1的弹性表面波元件工作了1200个小时的时刻，任一个的振荡频率都降低了15ppm以上。此外，在使比较例2的弹性表面波元件工作了100个小时的时刻，任一个的振荡频率都降低了60ppm以上。

由此，可以确认，即使本实施例的弹性表面波元件长时间工作，振荡频率也难于发生变化，即，本实施例的弹性表面波元件的时效变化小，可长时间稳定地使用。

再者，全部这些测定是在把弹性表面波元件的振面频率统一到300MHz、把对弹性表面波元件供给的功率统一到10mw情况下进行的。

此外，全部这些测定是使用图8中示出的振荡电路10进行的。

如图8中所示，振荡电路10具有：电源供给端子11、电阻12、电阻13、其振荡频率被测定的弹性表面波元件14、输出端子15、晶体管16、电容器17、线圈18和电容器19。再者，电源供给端子11与未图示的直流电源连接，输出端子15与未图示的频率测量仪器连接。

弹性表面波元件14利用由直流电源供给的电流进行振荡，输出高频(300MHz)。由晶体管16放大该被输出的高频。由晶体管16放大了的高频被输入到与输出端子15连接的频率测量仪器上。由此，可测定弹性表面波元件14的振荡频率。

如上所述，按照本发明，可得到时效变化小，即使在长时间使用的情况下其振荡频率也难于变动的弹性表面波元件。

因此，在使用了这样的弹性表面波元件的高频电路中，可靠性高。

因而，通过把这样的弹性表面波元件用于携带式电话机及无线电通信装置等的使用高频的装置中，可提高这些装置的可靠性、安全性和精度。

Claims (15)

1.一种弹性表面波元件，具有：由压电体构成的基板；以及设置在该基板上的电极，在该电极的边缘部分，设置电极端子，导线与该电极的连接端连接，通过该导线从外部将电流供给至该电极而进行振荡，其特征在于，

上述电极由晶粒界为双晶粒界的多晶铝层构成。

2.根据权利要求1中所述的弹性表面波元件，其特征在于，上述压电体为石英。

3.权利要求1或2中所述的弹性表面波元件，其特征在于，上述基板为使石英的Y片绕X轴旋转10-60°而得到的旋转Y片。

4.根据权利要求1所述的弹性表面波元件，其特征在于，上述铝的{111}面对上述压电体的{010}面倾斜1-30°来取向。

5.根据权利要求1所述的弹性表面波元件，其特征在于，把上述铝的(-11-1)面及(1-11)面作为上述双晶粒界。

6.根据权利要求1所述的弹性表面波元件，其特征在于，上述铝的(-111)面及(002)面的晶粒、与上述铝的(1-1-1)面及(00-2)面的晶粒处于双晶关系。

7.根据权利要求1所述的弹性表面波元件，其特征在于，铝层的厚度为0.05-20μm。

8.根据权利要求1所述的弹性表面波元件，其特征在于，振荡频率为10-5000MHz。

9.根据权利要求1所述的弹性表面波元件，其特征在于，在使用了1000个小时的时候的频率变化为50ppm以下。

10.根据权利要求1所述的弹性表面波元件，其特征在于，具有增强振动的反射器。

11.根据权利要求10中所述的弹性表面波元件，其特征在于，上述反射器由与上述电极同一种类的材料构成。

12.一种弹性表面波元件，具有：由压电体构成的基板；以及设置在该基板上的电极，在该电极的边缘部分，设置电极端子，导线与该电极的连接端连接，通过该导线从外部将电流供给至该电极而进行振荡，其特征在于，

上述电极由铝与其它金属构成的合金来构成，上述合金的晶粒界为双晶粒界。

13.根据权利要求12中所述的弹性表面波元件，其特征在于，上述电极由铝与铜的合金构成。

14.根据权利要求13中所述的弹性表面波元件，其特征在于，以铝合金的重量0.1％-10％的范围来混合上述铜。

15.根据权利要求14中所述的弹性表面波元件，其特征在于，以铝合金的重量0.5％-1％的范围来混合上述铜。

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