CN1138342C - 声表面波装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种用于包括蜂窝电话在内的移动通信终端设备的、选择性即温度特性优良的小型宽通带声表面波装置。本发明的声表面波装置在一个基片表面上包括一根叉指型电极，该基片由化学式La₃Ga₅SiO₁₄代表的、且属于点群32的langasite单晶组成。当从langasite单晶切出基片的切削角和在基片上声表面波的传播方向按照欧拉角(φ、θ、ψ)表示时，发现φ、θ、和ψ在分别由φ＝0°、θ＝140°、及ψ＝21至30°代表的区域内。在归一化厚度h/λ(%)与指示声表面波传播方向的所述ψ(°)之间的关系由下式给出，其中叉指型电极的厚度h用声表面波的波长λ归一化，当ψ≤25.5°时-3.79(h/λ)+23.86≤ψ≤-5.08(h/λ)+26.96并且当ψ＞25.5°时，以上关系由下式给出4.39(h/λ)+24.30≤ψ≤3.54(h/λ)+27.17。

Description

声表面波装置

技术领域

本发明涉及一种在一个单晶基片上包括一根叉指型电极的声表面波装置。

背景技术

在最近几年，包括蜂窝电话在内的移动通信终端设备已经迅速普及。由于携带性特别希望减小这种终端设备的尺寸和重量。为了实现终端设备的尺寸和重量减小，所用的电子零件也应该在本质上减小尺寸和重量。为此，对尺寸和重量减小有利的声表面波装置，即声表面波滤波器，经常用于终端设备的高和中频零件。声表面波装置在压电基片的表面上带有一根用来激励、接收、反射、及传播声表面波的叉指型电极。

在对于用于声表面波装置的压电基片很重要的特性中，有声表面波的表面波速(SAW速度)、在滤波器情况下的中心频率和在谐振器情况下的谐振频率的温度系数(频率的温度系数：TCF)、及机电偶合因数(k²)。列在表1中的是至今已知用于声表面波装置的各种压电基片的特性。

表1

符号	成分	切削角	传播方向	SAW速度(米/秒)	k2(％)	TCF(ppm/℃)
							128LN	LiNbO3	128°-旋转Y	X	3992	5.5	-74
64LN	LiNbO3	64°-旋转Y	X	4742	11.3	-79
							LT112	LiTaO3	X	112°-旋转Y	3288	0.64	-18
36LT	LiTaO3	36°-旋转Y	X	4212	4.7	-45
							ST石英晶体	石英晶体	ST	X	3158	0.14	0(一阶系数)
BGO	Bi12GeO20	(100)	(011)	1681	1.2	-122

如从表1能看到的那样，64LN和36LT具有4,000米/秒或更高的SAW速度，并因此适于建造用于终端设备的高频零件的滤波器。原因是在全世界实际上把各种系统用于由蜂窝电话代表的移动通信，并且都在1GHz量级的频率下使用。因而，用于终端设备的高频零件的滤波器具有近似1GHz的中心频率。声表面波滤波器具有大体上与所用的压电基片的SAW速度成正比、而几乎与形成在基片上的电极指状物的宽度成反比的中心频率。因此，为了使这样的滤波器能在高频下操作，最好凭借具有高SAW速度的基片，例如，64LN、和36LT。而且，对于在高频零件上使用的滤波器，要求20MHz或更宽的宽通带宽度。然而，为了达到这样宽的通带，基本上要求压电基片具有大的机电偶合因数k²。为此，大量使用64LN、和36LT。

另一方面，70至300MHz的频带用作移动终端设备的中间频率。当通过使用声表面波装置建造具有在该频带中的中心频率的滤波器时，把上述64LN或36LT用作压电基片，会使形成在基片上的电极指状物的宽度远比用于高频零件的上述滤波器的大。

现在参照粗略计算值解释这种情形。这里让d代表形成声表面波滤波器的声表面波换能器的电极指状物的宽度，f₀指示声表面波滤波器的中心频率，及V指所用压电基片的SAW速度。对于这些值，那么公式(1)粗略地保持

            f₀＝V/(4d)               …(1)

如果假定SAW速度是4,000米/秒建造具有1GHz中心频率的声表面波滤波器，那么由公式(1)计算其电极指状物的宽度

       d＝4,000(米/秒)/(4×1,000(MHz))＝1(微米)

在另一方面，当使用具有4,000米/秒SAW速度的这种压电基片建造具有100MHz中间频率的中间频率滤波器时，对此所需要的电极指状物宽度由下式给出

        d＝4,000(米/秒)/(4×100(MHz))＝10(微米)

因而，需要的电极指状物宽度是用于高频零件滤波器的10倍之大。大的电极指状物宽度意味着声表面波装置本身变大。因此，为了使声表面波装置较小，必须使用具有低SAW速度V的压电基片，如由公式(1)能理解的那样。

在已知具有非常低SAW速度的压电基片中，有BGO，如在表1中已经提到的一种。BGO压电基片具有1,681米/秒的SAW速度。然而，BGO压电基片不适合于建造用来只提取一个通道信号的中频滤波器，因为其频率的温度系数或其TCF高达-122ppm/℃。这是因为大的TCF值意味着声表面波滤波器的中心频率随温度变化较大。因而，大的TCF对于中频滤波器是不合适的，因为可能从相邻希望通道的其他通道中提取不希望的信号。

在已知具有较低SAW速度的压电基片中，还有ST石英晶体，如在表1中提到的一种。ST石英晶体适合于建造中频滤波器，因为其频率的温度系数或其TCF几乎为零(一阶温度系数a为零)。为此，至今用于移动通信终端设备的大多数中频声表面波滤波器由ST石英晶体压电基片建造。然而，ST石英晶体基片的SAW速度是3,158米/秒，或者不在足够低的级上，并因此对尺寸减小带来一些限制。此外，ST石英晶体的机电偶合因数k²是0.14％，并因此较小。小的k²意味着只能实现具有窄通带的滤波器。至今主要适用于移动通信，就是说，蜂窝电话是具有非常窄通道宽度的模拟系统，例如，该通道宽度根据日本NTT标准为12.5kHz，根据美国AMPS标准为30kHz，及根据欧洲TACS标准为25kHz。因而，上述ST石英晶体具有小机电偶合因数k²的事实还没有发生任何问题。然而，在最近几年，数字移动通信系统已经开发，付诸使用，及由高效使用频率源、与数字数据通信的兼容性等观点看来如此迅速地普及。这种数字系统的通道宽度非常宽，例如，在欧洲蜂窝电话GSM和无绳电话DECT模式中分别为200kHz和1.7MHz。如果把ST石英晶体基片用于声表面波滤波器，那么难以建造使用它们的这种宽带中频滤波器。

如以上解释的那样，关于常规声表面波装置的一个问题是：当使用具有大机电偶合因数的压电基片，例如64LN或36LT时，有可能使其通带变宽，但装置尺寸变大，因为该基片具有高的SAW速度。另一个问题是：当使用具有低SAW速度的上述BGO以实现尺寸减小时，由于频率的温度系数TCF的绝对值太大，不能得到足够好的选择性。在任一种情况下，都不能达到对任何中频声表面波滤波器足够好的特性。

具有小的频率温度系数TCF的ST石英晶体基片，由于基SAW速度的不能足够减小的事实，对尺寸减小带来一些限制，并且由于其机电偶合因数K²较小的事实，难以实现宽频带。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供一种选择性或温度特性优良的小型宽通带声表面波装置。

这通过如下限定为(1)的本发明实现。

(1)一种在一个基片表面上包括一根叉指型电极的声表面波装置，其中：

所述基片由化学式La₃Ga₅SiO₁₄代表的、且属于点群32的langasite单晶组成，

当从langasite单晶切出的所述基片的切削角和在所述基片上声表面波的传播方向按照欧拉角(φ、θ、Ψ)表示时，发现φ、θ、和Ψ在分别由φ＝0°、θ＝140°、及Ψ＝21至30°代表的区域内，及

当Ψ≤25.5°时，在归一化厚度h/λ(％)与指示声表面波传播方向的所述Ψ(°)之间的关系由下式给出，其中所述叉指型电极的厚度h用声表面波的波长λ归一化

-3.79(h/λ)+23.86≤Ψ≤-5.08(h/λ)+26.96

并且当Ψ＞25.5°时，所述关系由下式给出

4.39(h/λ)+24.30≤Ψ≤3.54(h/λ)+27.17

根据其中优化langasite单晶基片切削角的本发明，能够实现一种包括一个具有大机电偶合因数k²和低SAW速度的基片的声表面波装置。通过根据形成在基片表面上的叉指型电极的归一化厚度适当地选择基片上声表面波的传播方向，还能够实现一种具有非常优良温度稳定性的装置。

附图说明

图1是根据本发明的声表面波装置的一个典型实施例的立体图。

图2是曲线图，表明在具有变化归一化厚度的叉指型电极之间的中心频率变化的温度依赖性的差别。

图3是曲线图，表明在变化的声表面波传播方向之间的中心频率变化的温度依赖性的差别。

图4是曲线图，表明在每个归一化厚度处声表面波传播方向与峰值温度之间的关系。

图5A是曲线图，表明当传播方向是Ψ≤25.5°时归一化厚度与传播方向之间的关系，该关系保证峰值温度在10至40℃的范围内；而图5B是曲线图，表明当传播方向是Ψ＞25.5°时归一化厚度与传播方向之间的关系，该关系保证峰值温度在10至40℃的范围内。

具体实施方式

通过实验和调查，本发明者现在已经发现：一定的langasite单晶具有特别组合的切削角和声表面波传播方向，其中包括langasite单晶的滤波器的中心频率的、或包括langasite单晶的谐振器的谐振频率的温度依赖性能用一条二次方曲线近似，并且得到象按照小于3,000米/秒的SAW速度和大于0.3％的机电偶合因数表示的这种性能。这种特别组合可以按照欧拉角(φ、θ、和Ψ)由φ、θ、和Ψ的以上角度范围表示。本发明者还发现：在这种特别组合中，对应于二次方曲线峰值的温度，即在中心或谐振频率变化最小处的温度，与声表面波传播方向(在欧拉角度表达式中的Ψ)、和叉指型电极的归一化厚度(h/λ)有关。这里h是叉指型电极的厚度，而λ是声表面波在中心或谐振频率处的波长。根据这些发现，本发明者已经通过使Ψ和h/λ满足以上特定关系，把对应于以上峰值的温度设置在室温附近，例如在10至40℃的范围内，由此成功地实现在其使用的环境温度下表现出优良温度稳定性的小型宽通带声表面波装置。

图1表明根据本发明的声表面波装置的一个典型实施例。这种声表面波装置包括在一个基片2的表面上的一组用来激励、接收、反射、及传播声表面波的电极3。对于基片2使用一种langasite单晶。langasite单晶是一种属于点群32的晶体类型。在图1中，x、y和z轴相互垂直。x和y轴位于基片2的表面平面内，并且x轴定义声表面波的传播方向。垂直于基片平面的z轴确定一个由单晶切出的基片的切削角(切出平面)。这些x、y和z轴与langasite单晶的x、Y和Z轴之间的关系可以按照欧拉角(φ、θ、Ψ)表示。当在根据本发明的声表面波装置中，切削角和传播方向按照欧拉角(φ、θ、Ψ)表示时，φ、θ和Ψ存在于由下式代表的区域中

φ＝-5至5°

θ＝136至146°

Ψ＝21至30°

在这个区域中，频率的温度依赖性呈现一条二次方曲线的形式。当这条曲线由最小二乘方法近似成直线时，发现有一种φ、θ、和Ψ的组合，其中基片的频率温度系数TCF非常小或位于±1ppm/℃内，并且基片的机电偶合因数H²足够大或至少为0.3％。

要注意，langasite单晶是一种三角晶系，并因此由于晶体对称性，存在欧拉角的相互等效组合。在三角晶系基片中，φ＝120至240°、和φ＝240至360°(-120至0°)等效于φ＝0至120°；θ＝360至180°(0至-180°)等效于θ＝0至180°；及Ψ＝90至270°等效于Ψ＝-90至90°。在本发明中，对于没有表示在如下例子中但在结晶学上等效于这里提及的那些的角度，也可得到类似的效果。

在下面陈述的是典型等效组合。等效于(0°，140°，25°)的是(60°，40°，25°)、(60°，40°，-25°)、(120°，140°，-25°)、和(120°，140°，25°)。由于φ＝120°等效于φ＝0°，所以(0°，140°，-25°)也等效于(0°，140°，25°)。

现在给出为什么确定定义声表面波传播方向的Ψ和叉指型电极的归一化厚度h/λ、从而使它们满足以上关系的理由。

langasite单晶通过CZ过程生长，并且由这种单晶切出基片。一个包括一组叉指型电极的的声表面波传感器形成在基片表面上，以构成一个声表面波装置。叉指型电极通过Al的真空蒸发形成在输出和输入侧，并且具有10微米的电极指状物宽度d和40微米的电极指状物间距(4d＝λ)，电极指状物对的数量是20。电极厚度(标准厚度)是0.3％(0.12微米)、0.5％(0.20微米)或0.75％(0.30微米)。基片的切削角按照欧拉角是(0°，140°，Ψ)。这个切削角是所谓的单次转动，其中对于切削只需要一次晶体转动，并因此是最好的。关于这个(0°，140°，Ψ)基片的数据在下面陈述，以便解释本发明的实用性。

图2表明由以上过程构成的声表面波装置(声表面波滤波器)的中心频率的温度依赖性。在图2中所示的声表面波装置中，传播方向按照欧拉角是Ψ＝20°，并且归一化厚度h/λ是0.5％或0.75％。由图2应该理解，中心频率的温度依赖性能用二次方曲线良好地近似，并且这条二次方曲线的峰值温度随归一化厚度h/λ而变。当声表面波的传播方向Ψ变化，而归一化厚度h/λ固定时，二次方曲线的峰值温度也移动。这典型地表示在图3中。图3表示一个其中Ψ＝22°或Ψ＝30°的例子，归一化厚度h/λ固定在0.75％。由这些曲线，本发明者已经得到一个主意：通过根据电极归一化厚度选择声表面波的传播方向、和把峰值温度设置在室温附近，能改进声表面波装置的温度稳定性。这里要注意，图2和3中中心频率的变化由下式计算

    (f-f₀)/f₀

其中f₀是中心频率的最大值(在峰值温度下的中心频率)，而f是在任意温度下的中心频率。

如图2和3中所示，中心频率变化的温度依赖性用二次方曲线近似以找到二次方曲线的峰值(翻转)温度，由此调查峰值温度、与传播方向Ψ和归一化厚度h/λ之间的关系。结果画在图4中。图4表示分别在0.3％、0.5％和0.75％的归一化厚度下传播方向Ψ相对于峰值温度的关系。由图4应该理解，在传播方向从25度至26度(或在25.5度处)的过渡过程中，在具有小Ψ的区域中峰值温度随Ψ增大而减小，而在具有大Ψ的区域中峰值温度随Ψ增大而增大。

从装置的温度稳定性出发，希望在室温(通常约25℃)附近，即在10至40℃的范围内，存在以上峰值温度。为此，由图4发现了其中分别得到10℃、和40℃峰值温度的归一化厚度h/λ相对传播方向的关系。在传播方向Ψ等于或小于25.5度处，得到图5A中所示的结果，而在传播方向Ψ大于25.5度处，得到图5B中所示的结果。换句话说，得到这里定义的h/λ相对Ψ的关系。因而通过把传播方向Ψ设置在图5A和5B中夹在上与下直线之间的区域范围中，能把用于频率温度特性的峰值温度设置在室温附近，由此实现温度稳定性优良的装置。

要注意，声表面波在中心或谐振频率处的波长λ由对其应用声表面波装置的频率、和基片的声速确定。然而，在对其应用本发明的最佳频带中，波长λ一般具有8至60微米的量级。还要注意，叉指型电极的厚度h一般具有0.1至2微米的量级，因为电极太薄会导致电阻增大，而电极太厚难以成形，并且可能剥离。因而，叉指型电极的归一化厚度h/λ一般具有0.17至25％的量级。然而，应该理解，2.40％、和3.38％是对于h/λ的上限，因为上和下直线分别在图5A中h/λ＝2.40％处、和在图5B中Mλ＝3.38％处相交。

在本发明中使用的langasite单晶一般由化学式La₃Ga₅SiO₁₄代表。例如由IEEE International Frequency Control Sympo.(电气与电子工程师协会国际频率控制论文集)Vol.1994，pp48-57(1994)(卷1994第48-57页(1994年))得知一种langasite单晶。在本发明中，langasite单晶应用于一个声表面波装置基片。如果在这种情况下，按上述那样选择晶体切削方向，并且根据叉指型电极的归一化厚度选择声表面波的传播方向，那么能实现具有上述那样高性能的声表面波装置。在这方面，本发明不同于langasite单晶的常规使用。

langasjite单晶，如果用x射线衍射发现它们主要单由langasite相组成，则这里可以使用。换句话说，这里使用的langasite单晶不总是限于由上述化学式代表的那种。例如，La、Ga、和Si的每个位置的至少一部分可以用其他元素代替，或者氧原子的数量可以偏离上述化学计量成分。此外，langasite单晶可以包含不可避免的杂质，如Al、Zr、Fe、Ce、Nd、Pt、和Ca。对于如何生产langasite单晶没有具体限制；就是说，它们可以通过普通的单晶生长过程生产，例如通过CZ过程。

基片尺寸不是特别关键，并且一般在表面波传播方向上可以具有4至10毫米的量级，在其垂直方向具有2至4毫米的量级，及基片厚度可以具有0.2至0.4毫米的量级。要注意，基片的切削方向可由x射线衍射确定。形成在基片2上的叉指型电极3的每一个是周期的条形电极。叉指型电极这样形成图案，以便根据其厚度达到上述预选择的声表面波传播方向。叉指型电极可以如通过真空蒸发或溅镀、使用Al或Al合金形成。叉指型电极的指状物宽度可以根据声表面波装置的应用频率、和基片的声速确定，并且一般在最好应用本发明的频带处可以具有2至15微米的量级。

本发明的声表面波装置良好地适用于一般在10至500MHz频带处使用的滤波器，并且特别适用于10至300MHz。本发明的声表面波装置由于其低的SAW速度，也可用来使声表面波延迟元件变小。

根据其中优化langasite单晶基片切削角的本发明，有可能实现一种包括一个具有大机电偶合因数k²和低SAW速度的基片的声表面波装置。通过根据形成在基片表面上的叉指型电极的归一化厚度适当地选择基片上声表面波的传播方向，还有可能实现一种具有非常优良温度稳定性的装置。

Claims (1)

1.一种在一个基片表面上包括一根叉指型电极的声表面波装置，其中：

所述基片是由化学式La₃Ga₅SiO₁₄代表的、且属于点群32的langasite单晶组成，

当从langasite单晶切出的所述基片的切削角和在所述基片上声表面波的传播方向按照欧拉角(φ、θ、Ψ)表示时，发现φ、θ、和Ψ在分别由φ＝0°、θ＝140°、及Ψ＝21至30°代表的区域内，及

当Ψ≤25.5°时，在归一化厚度h/λ(％)与指示声表面波传播方向的所述Ψ(°)之间的关系由下式给出，其中所述叉指型电极的厚度h用声表面波的波长λ归一化

-3.79(h/λ)+23.86≤Ψ≤-5.08(h/λ)+26.96

并且当Ψ＞25.5°时，所述关系由下式给出

4.39(h/λ)+24.30≤Ψ≤3.54(h/λ)+27.17

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