CN1134889C - 声表面波器件及其基片 - Google Patents

Abstract

一种电气机械耦合系数大和SAW速度低的声表面波器件的压电基片，和利用该基片的声表面波器件，使用属于点族32和晶体结构Ca₃Ga₂Ce₄O₁₄的单晶，基本成分可用化学式La_3-xSr_xTa_0.5-0.5xGa_5.5-0.5xO₁₄表示。Sr的成分比在0＜x≤0.15范围内。还提供一种声表面波器件，叉指式指形电极作在基片的一主要表面上。当从单晶上切下来的基片的切割角度和表面声波的传播方向用欧拉角度(φ，θ，ψ)表示时，选择这些角度，可得到适当的特性。

Description

声表面波器件及其基片

技术领域

本发明涉及一种其叉指式指状电极设置在一块压电材料制成的基片上的声表面波器件，和该声表面波器件的压电材料基片。

背景技术

近年来，包括移动电话在内的移动通讯终端设备迅速普及。考虑到轻便性问题，希望这种终端设备结构要紧凑，重量要轻。

为了使终端设备尺寸和重量减小，终端设备上所用的电子元件也必需结构紧凑和重量轻。由于这样，尺寸和重量都较小的声表面波器件(也即是，表面声波滤波器)常常用来作为该终端设备的高频和中频元件中的滤波器。

声表面波器件的结构是其叉指式指状电极作在一块压电材料基片的一个主要表面上，用于激励、接收，反射或传播表面声波。用于这种声表面波器件的压电材料基片的重要特性是：表面声波传播的速度(以后，有时称为SAW速度)；在滤波器情况下的对于中心频率或在共振器情况下的共振频率时的频率温度系数(TCF)；和电气机械耦合系数(K²)。

图1表示迄今为止一般用在声表面波器件中的压电材料基片的各种不同成份的表。图1所示的众所周知的压电材料基片，大致上可分为二组。第一组包括SAW速度较快，电气机械耦合系数较大的128LN，64LN和36LT；另一组包括SAW速度较慢，电气机械耦合系数较小的LT 112和ST石英。在这些基片中，SAW速度较高和电气机械耦合系数较大的压电材料基片128LN、64LN和36LT，用于该终端设备的高频元件中的表面声波滤波器中；而SAW速度较慢和电气机械耦合系数较小的压电材料基片LT 112和ST石英，则用于该终端设备的中频元件中的表面声波滤波器中。因为在表面声波滤波器中，其中心频率大致上与所用的压电材料基片的SAW速度成正比，而大致上与在该压电材料基片上形成的叉指式指形电极的电极指的宽度成反比。

因此，当将这种滤波器用于高频电路元件时，希望该基片具有较高的SAW速度。另外，由于用在该终端设备的高频电路元件中的滤波器，要求是通频带宽为20MHz或更高的宽带滤波器，因此，该压电材料基片的电气机械耦合系数也必需较大。

一方面，作为移动终端设备的中频，一般使用70～300MHz范围的频带。在中心频率在这个频带内的滤波器是由一个声表面波器件制成的情况下，如果使用SAW速度高的压电材料基片，则与用在高频电路中的滤波器的电极指宽度比较，必需与中心频率的减小量成比例地大大增加在该基片上形成的电极指的宽度。这会造成声表面波器件本身的尺寸变大。因此，一般，将SAW速度较低的LT 112或ST石英，用作中频电路元件的表面声波滤波器。特别是，由于ST石英的近似的频率温度系数为零，因此ST石英是理想的制造压电材料基片的材料。由于ST石英的电气机械耦合系数较小，因此只能将ST石英用来制造通频带较窄的滤波器。在过去，这种小的电气机械耦合系数并不是一个很严重的问题，因为中频滤波器的作用只是为信号通过提供一个狭窄的通道。

然而，近年来，为了有效地利用频率资源和适应数字式数据通讯的需要，已经开发出数字式移动通讯系统，并迅速得到普及和进入实用化阶段。这种数字式移动通讯系统的通频带非常宽，达到几百KHz～几MHz。当具有这种宽频带的中频滤波器是由一个声表面波器件制成时，很难用ST石英来实现。另外，当要减小移动终端设备的尺寸，提高其轻便性时，中频的表面声波滤波器的安装面积尺寸也必需减小。然而，以前认为适合于作中频的表面声波滤波器的ST石英和LT 112，由于其SAW速度超过3000m/s，因此在尺寸减小方面受到一些限制。

发明内容

本发明的目的是要提供一种电气机械耦合系数大，能有效地展宽通频带，和SAW速度低，能有效地减小声表面波器件尺寸的用于声表面波器件中的压电材料基片；和使用该压电材料基片的一种频带宽、结构紧凑的声表面波器件。

为了解决上述问题，本发明提出了使用一种压电材料基片，其特征在于该压电材料基片包括一个属于点族32，晶体结构为Ca₃Ga₂Ge₄O₁₄形式的单晶，其中，所述单晶的基本成分由La，Sr，Ta，Ga和O组成，并由下列化学式表示：La_3-xSr_xTa_0.5+0.5xGa_5.5-0.5xO₁₄。在这种情况下，Sr成分比最好为0＜x≤0.15，更理想是0.07＜x≤0.08。根据本发明的基本概念，通过使用具有上述成分的单晶作为声表面波器件的压电材料基片，可以得到电气机械耦合系数大，SAW速度低的压电材料基片。

本发明还提供了一种在上述的压电材料基片的一个主要表面上形成叉指式指形电极的声表面波器件。

根据本发明的一个优选的方面，当从该单晶切下来的所述基片的切割角度和表面声波的传播方向欧拉角度(φ，θ，ψ)表示时，这些角度在下述区域1内：区域1：φ＝-2.5°～2.5°，θ＝60°～120°，ψ＝-40°～40°。

根据本发明的另一个方面，这些角度在区域2内：φ＝-2.5°～2.5°，θ＝120°～160°，ψ＝10°～50°。根据本发明的又一个方面，这些角度分别在区域3，4，5，6，或7内，其中区域3：φ＝-2.5°～2.5°，θ＝120°～160°，ψ＝-50°～-10°；区域4：φ＝2.5°～7.5°，θ＝60°～120°，ψ＝-30°～30°；区域5：φ＝2.5°～7.5°，θ＝120°～160°，ψ＝0°～50°；区域6：φ＝2.5°～7.5°，θ＝120°～160°，ψ＝-40°～-10°；区域7：φ＝27.5°～32.5°，θ＝10°～160°，ψ＝-40°～30°。

当上述角度在区域1内时，压电材料基片的SAW速度小于或等于3000m/s，并且比ST石英的SAW速度小。另外，存在着一个角度(φ，θ，ψ)的组合；在这个组合下，该基片的电气机械耦合系数足够大，即大于或等于0.2％。在区域1中，这个角度组合最好为φ＝-2.5°～2.5°，θ＝80°～115°，ψ＝-20°～20°。在这个优选的区域内，该压电材料基片的最大SAW速度小于或等于3000m/s，而该基片的电气机械耦合系数足够大，即大于或等于0.3％。

当这些角度在区域2内时，该压电材料基片的SAW速度比ST石英的SAW速度低，即：小于或等于3000m/s，而电气机械耦合系数足够大，即大于或等于0.2％。在区域2中，上述角度的组合最好为φ＝-2.5°～2.5°，θ＝130°～150°，ψ＝15°～30°，在这个优选区域内，该基片最大的SAW速度小于或等于3000m/s，而该基片的电气机械耦合系数比ST石英的电气机械耦合系数大，即大于或等于0.3％。在区域3中也可得到同样的结果。由于与区域2相同的理由，区域3中的上述角度组合最好为φ＝-2.5°～2.5°，θ＝130°～150°，ψ＝-30°～-15°。在区域4～7中，可以得到与上述那些区域相同的结果。另外，区域7中的上述角度组合最好为：φ＝27.5°～32.5°，θ＝120°～140°，ψ＝5°～15°；或φ＝27.5°～32.5°，θ＝40°～60°，ψ＝5°～15°。在这些优选区域中，该基片的电气机械耦合系数都足够大，即大于或等于0.5％。如上所述，根据本发明，可使该压电材料基片的电气机械耦合系数增大，以便得到一个宽频带的声表面波器件。为了减小该声表面波器件的尺寸，可减慢该基片的SAW速度。

由于化学式为：La_3-xSr_xTa_0.5+0.5xGa_5.5-0.5xO₁₄的单晶为三角晶系，并由于晶体的对称关系，因此存在着相互等效的欧拉角度组合。这样，在本发明中，不但从上述实施例的欧拉角度中可得到相同的效果，而且从结晶学上与这些实施例的欧拉角度等效的欧拉角度中，也可得到相同的效果。作为欧拉角度等效组合的例子，例如在区域1中的角度(φ，θ，ψ)组合(0°，90°，20°)，与(0°，90°，-20°)的组合；或者(240°，90°，±20°)的组合和(120°，90°，±20°)的组合等效。区域1中包括的欧拉角度组合(0°，90°，20°)也可以与(240°，90°，±20°)的组合，和(360°，90°，±20°)的组合等效。另外，区域3中所包括的欧拉角度组合(30°，90°，0°)与(90°，90°，0°)的组合等效。因此，可以理解，本发明包括基于晶体的这种对称性质的等效范围。

化学式为：La_3-xS_rxTa_0.5+0.5xGa_5.5-0.5xO₁₄的单晶，可能有氧产生的缺陷，并且不可避免地包括有一些杂质，例如：A1，Zr，Fe，Ce，Nd，La，Pt，Ca等。

附图说明

图1为表示用于声表面波器件的通常的压电材料基片及其特性的表；

图2为表示根据本发明的声表面波器件的一个实施例的透视图；

图3为表示根据本发明的一个实施例的声表面波器件的压电材料基片特性的表；

图4为表示根据本发明的另一个实施例的声表面波器件的压电材料基片特性的表；

图5为表示根据本发明的又一个实施例的声表面波器件的压电材料基片特性的表；

图6为表示图3所示实施例的压电材料基片的SAW速度，与θ角和ψ角的关系的图；

图7为表示图3所示的实施例的压电材料基片的电气机械耦合系数，与角度θ和角度ψ的关系的图；

图8为表示图4所示实施例的压电材料基片的SAW速度，与θ角和ψ角关系的图；

图9为表示图4所示实施例的压电材料基片的电气机械耦合系数，与θ角和ψ角关系的图；

图10为表示图5所示的实施例的压电材料基片的SAW速度，与θ角和ψ角关系的图；

图11为表示图5所示的实施例的压电材料基片的电气机械耦合系数，与θ角和ψ角关系的图。

具体实施方式

下面，将结合附图来说明本发明的一个优选实施例。图2表示实现本发明的声表面波器件的一个例子。在这个例子中，二个叉指式指形电极2放置在一块压电材料基片1的一个主要表面上。关于该电极的形状，数目和排列方式，可以采用任何已知的相应的形状、数目和排列方式。根据本发明的压电材料基片1由化学式为：La_3-xSr_xTa_0.5+0.5xGa_5.5-0.5xO₁₄，并属于点族(point group)32的单晶制成。这种单晶可以具有由氧产生的缺陷，并不可避免地包括有杂质，例如，Al，Zr，Fe，Ce，Nd，La，Pt，Ca等。在图2中，轴x，轴y和轴z为分别相交成直角的正交轴。x轴和y轴在基片1内，并且x轴表示表面声波的传播方向。z轴与压电材料基片1垂直，并表示该单晶基片的切割角度，即切割表面。x，y，z轴与该单晶的晶体轴线X、Y、Z的关系可以用欧拉角度(φ，θ，ψ)来表示。

当根据本发明的声表面波器件的压电材料基片1的切割角度用欧拉角度表示时，角度(φ，θ，ψ)可在上述区域1，2，3，4，5，6，7或其等价区域中的任何一个区域内。

实施例

准备一块由化学式为：La_3-xSr_xTa_0.5+0.5xGa_5.5-0.5xO₁₄，并属于点族32的单晶制成的声表面波器件的压电材料基片(piezoelectric substrate)1。该单晶是使用高频加热通过CZ方法生长的，即旋转拉伸的方法(rotation pull-upmethod)。通过适当地选择原材料的化合比和单晶的生长条件，可以向上拉出包括不同的Sr成分比的各种不同的单晶。通过使用Shimadzu公司生产的ICPC-8000式的电感耦合的等离子体发射的光谱测定仪，利用发射光谱分析方法，可以确定Sr的成分比。在Sr代替了La的方法中，当Sr的成分比大于0.15时，由于某种因素影响，不能得到适当的单晶。当Sr的成分比大于或等于0.05时，由加入Sr产生的影响降低。在尺寸较大和结晶度较好的单晶中，从一块Sr的成分比为0.075的单晶上，切出一块基片，将所得到的基片用于声表面波器件。

然后，在从该单晶上切出的压电材料基片1的表面上，形成图2所示的供输入/输出用的叉指式指形电极2，这样就作成了一个实验用的声表面波器件。为了形成该叉指式的指形电极2，在该压电材料基片上沉积一层Al薄膜，然后再利用光刻方法将该Al薄膜加工成规定的形状。与表面声波波长λ相适应的电极指之间的间隔为60微米(μm)，电极对的数目为20对，孔的宽度为60λ(3600μm)，Al薄膜厚度为0.3μm。在图2中x轴相应于表面声波的传播方向。y轴相应于在该压电材料基片表面内，与表面声波传播方向垂直的方向。z轴相应于与该压电材料基片表面垂直的方向。

通过改变该压电材料基片的切割角度和表面声波的传播方向，可以得到许多声表面波器件。每一种声表面波器件的SAW速度和电气机械耦合系数表示在图3，图4和图5中。图6和图7表示根据图3的数据，以二维形式表示的SAW速度和电气机械耦合系数的图。图8和图9表示根据图4的数据，以二维形式表示的SAW速度和电气机械耦合系数的图。图10和图11表示根据图5的数据，以二维形式表示的SAW速度和电气机械耦合系数的图。SAW速度是由上述的叉指式指形电极结构中的滤波器特性的中心频率测量值，乘以表面声波的波长来确定的。电气机械耦合系数是通过利用在供输入和输出用的二个叉指式指形电极中的一个电极(例如，输入电极)的二个终端之间测量的导纳的实部(电导，conductance)和虚部(电纳，susceptance)的Smith等效电路方法确定的。这个方法在题为“表面波器件及其应用”一书(编者：日本电子材料工业会；出版者：日刊工业新闻社刊；1978年出版)中，具体是在“I.基础编”的4.1.2章“表面波的有效的电气机械耦合系数”中作了详细的说明。上述特性是该器件的环境温度保持在25℃的条件下测量的。

从图3，图6和图7中可以看出，在φ角为0°的情况下，当θ＝60°～120°，ψ＝-40°～40°时，电气机械耦合系数大于或等于0.2％；SAW速度小于或等于3000m/s。当θ＝80°～115°ψ＝-20°～20°时，电气机械耦合系数大于或等于0.3％。在φ＝0±2.5°的情况下，可以得到同样的结果。另外，在φ＝0°的情况下，当θ＝120°～160°，ψ＝10°～50°或ψ＝-50°～-10°时，电气机械耦合系数大于或等于0.2％；SAW速度小于或等于3000m/s。当θ＝130°～150°，ψ＝15°～30°时，电气机械耦合系数大于或等于0.4％。在φ＝0±2.5°的情况下，可以得到同样的结果。

从图4，图8和图9可看出，在φ＝5°的情况下，当θ＝60°～120°，ψ＝-30°～30时，电气机械耦合系数大于或等于0.2％；SAW速度小于或等于3000m/s。在φ＝5±2.5°的情况下，也可以得到同样的结果。另外，在φ＝5°的情况下，当θ＝120°～160°，ψ＝0°～50°或ψ＝-40°～-10°时，电气机械耦合系数大于或等于0.2％；SAW速度小于或等于3000m/s。在φ＝5±2.5°的情况下，也可得到同样的结果。

从图5，图10和图11可看出，在φ＝30°的情况下，当θ＝10°～160°，ψ＝-40°～30°时，电气机械耦合系数大于或等于0.2％；SAW速度小于或等于3000m/s。在φ＝30±2.5°的情况下，也可以得到同样的结果。当θ＝120°～140°，或θ＝40°～60°，ψ＝5°～15°时，电气机械耦合系数可大于或等于0.4％。在φ＝30±2.5°的情况下，也可得到同样的结果。

从以上所述可知，当从单晶上切出的切割角度和表面声波的传播方向在本发明的上述范围内时，声表面波器件具有足够大的电气机械耦合系数和足够小的SAW速度。因此，根据本发明，可以展宽声表面波器件的频带和减小其尺寸。

Claims (11)

1.一种声表面波器件的基片，该基片包括一个属于点族32、具有Ca₃Ga₂Ge₄O₁₄型晶体结构的单晶，其中，所述单晶的基本成分可用下列化学式表示：La_3-xSr_xTa_0.5+0.5xGa_5.5-0.5xO₁₄，且Sr的成分比在0＜x≤0.15范围内。

2.如权利要求1所述的声表面波器件的基片，其中，Sr的成分比在0.07＜x≤0.08范围内。

3.一种声表面波器件，包括一块压电材料基片，其中，所述压电材料基片包括一个属于点族32、具有Ca₃Ga₂Ge₄O₁₄型晶体结构的单晶，所述单晶的基本成分可用下列化学式表示：La_3-xSr_xTa_0.5+0.5xGa_5.5-0.5xO₁₄，且Sr的成分比在0＜x≤0.15范围内。

4.一种声表面波器件，包括一块压电材料基片，其中，所述压电材料基片包括一个属于点族32、具有Ca₃Ga₂Ge₄O₁₄型晶体结构的单晶，所述单晶的基本成分可用下列化学式表示：La_3-xSr_xTa_0.5+0.5xGa_5.5-0.5xO₁₄，且Sr的成分比在0.07＜x≤0.08范围内。

5.如权利要求3或4所述的声表面波器件，其中，当从该单晶切下来的所述基片的切割角度和表面声波的传播方向以欧拉角度(φ，θ，ψ)表示时，这些角度在下述区域1内：

区域1

    φ＝-2.5°～2.5°，

    θ＝60°～120°，

    ψ＝-40°～40°，

或在结晶学上与所述区域1等价的区域内。

6.如权利要求3或4所述的声表面波器件，其中，当从该单晶切下来的所述基片的切割角度和表面声波的传播方向以欧拉角度(φ，θ，ψ)表示时，这些角度在下述的区域2内：

区域2

    φ＝-2.5°～2.5°，

    θ＝120°～160°，

    ψ＝10°～50°，

或在结晶学上与所述区域2等价的区域内。

7.如权利要求3或4所述的声表面波器件，其中，当从该单晶切下来的所述基片的切割角度和表面声波的传播方向用欧拉角度(φ，θ，ψ)表示时，这些角度在下述区域3内：

区域3

    φ＝-2.5°～2.5°，

    θ＝120°～160°，

    ψ＝-50°～-10°，

或在结晶学上与所述区域3等价的区域内。

8.如权利要求3或4所述的声表面波器件，其中，当从该单晶上切下来的所述基片的切割角度和表面声波的传播方向用欧拉角度(φ，θ，ψ)表示时，这些角度在下述区域4内：

区域4

    φ＝2.5°～7.5°，

    θ＝60°～120°，

    ψ＝-30°～30°，

或在结晶学上与所述区域4等价的区域内。

9.如权利要求3或4所述的声表面波器件，其中，当从该单晶切下来的所述基片的切割角度和表面声波的传播方向以欧拉角度(φ，θ，ψ)表示时，这些角度在下述区域5内：

区域5

    φ＝2.5°～7.5°，

    θ＝120°～160°，

    ψ＝0°～50°，

或在结晶学上与所述区域5等价的区域内。

10.如权利要求3或4所述的声表面波器件，其中，当从该单晶上切下来的所述基片的切割角度和表面声波的传播方向用欧拉角度(φ，θ，ψ)表示时，这些角度在下述区域6内：

区域6

    φ＝2.5°～7.5°，

    θ＝120°～160°，

    ψ＝-40°～10°，

或在结晶学上与所述区域6等价的区域内。

11.如权利要求3或4所述的声表面波器件，其中，当从该单晶上切下来的所述基片的切割角度和表面声波的传播方向用欧拉角度(φ，θ，ψ)表示时，这些角度在下述区域7内：

区域7

    φ＝27.5°～32.5°，

    θ＝10°～160°，

    ψ＝-40°～30°，

或在结晶学上与所述区域7等价的区域内。

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