CN1159100A - 利用压电衬底最佳切割角漏表面声波的表面声波器件 - Google Patents
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Abstract
表面声波(SAW)器件，包括单晶LiTaO3压电衬底和设于压电衬底上的电极图形。电极图形含Al主要成分，电极厚度范是所述压电衬底上激励的表面波波长的0.03-0.15倍。压电衬底由其Y轴朝其Z轴绕其X轴定向旋转，旋转角范围是38°-46°。
Description
本发明总的涉及表面声波(以下称SAW)器件，特别涉及在包括GHz频带的超高频带有特别改善了通带特性的表面声波器件。
SAW器件广泛用于包括那些便携式的小型无线电通信设备的高频电路中，构成滤波器和谐振器。这种SAW器件通常形成在单晶或多晶压电衬底上。其中，广泛使用的是设计成64°Y-X切割LiNbO3(铌酸锂)的单晶LiNbO3衬底(K.Yamanouchi.andK.Shiboyama.J.Appl.Phys.Vol.43.No.3.Macch 1972.PP8567和设计成36°Y-X切割LiTaO3(钽酸锂)的LiTaO3单晶衬底。64°Y-X切割LiNbO3是64°旋转的Y-切割单晶LiNbO3板，其中表面声波的传播方向设定为X方向。另一方面，36°Y-X切割LiTaO3衬底36°旋转的Y-切割单晶LiTaO3板，其中SAW的传播方向设定为X方向。
但是，通用于LiNbO3或LiTaO3压电衬底中的这些最佳化切割角，只有当电极在衬底上引起的质量作用忽略不计时，才具有最佳效果。因此，用上述方法构成的衬底，用在SAW激励的波长与电极厚度比是足够长的，小于几百MHz的低频带中使用的SAW器件中时，常规切割角可能具有最佳结果，在最近的移动电话系统中所要求的GHz频带中应用这种衬底不合适，因为电极厚度不能再忽略不计，因而会减小SAW激励的波长。这种高频带中、电极质量的作用是显著的。
压电衬底上的电极厚度增大时，SAW器件用在这种超高频带中，会扩大SAW滤波器的通带，或减小SAW谐振器的电容量比r。这样作显然增大了机电耦合系数。但是，这种结构的SAW器件产生了从电极发射的体波增加的问题，使SAW的传播损失增大。这种由电极发射的体波称为SSBW(掠过表面的体声波)，伴随SSBW的SAW称为LSAW(漏表面声波)。使用设置在36°Y-X切割LiTaO3衬底上或64°Y-X切割LiNbO3衬底上的厚电极膜的SAW滤波器中的LSAW的传播损失参见由Plessky等人做的研究(U.S.Plessky and c.s.Hartamann.Proc.19932EEEUltrasonics Symp.pp.1239-1242)和Edmonson等人的研究(P.J.Edmonson.and.c.k.Campbel l.proc.1994.IEEE.Ultransonics Symp.pp 75-79)。
用LSAW设计的并构成在36°Y-X切割LiTaO3衬底或在64°Y-X切割LiNbO3衬底上的常规SAW滤波器中，还应注意，当电极厚度小时，SAW的音频接近体波的音速。这种情况下，由于从电极发射体波，在SAW滤波器的通带附近出现虚假峰值。见Ueda等人的报道(M.Ueda et al.Proc.1994IEEEUltrasonicc Symp.PP143-146)。
图1展示了由Ueda等人(op.cit)报道的虚假峰值A和B。从图上看到，如上面注意到的，由于发射体波的结果，在SAW滤波器的通带附近出现了虚假峰A和B。图1所示结果是从在36°Y-X切割LiTaO3衬底上形成的，其上载有厚度为0.49μm的Al-Cu含金制成的叉指状电极的SAW滤波器得到的。注意，电极厚度相当于SAW器件中激励的SAW的波长的3％。
参见图1，会发现，虚假峰B位于330MHz附近形成的通带外边。而峰A形成在通带内并在其中形成不希望有的波纹。
SSBW的音速不随电极厚度变化，相反，LSAW的音速随SAW器件衬底上设置的电极厚度和附加质量变化，SAW器件在诸如GHz频带的高频频带中工作时，LSAW的音速相对于SSBW的音速下降，引起SAW滤波器的通带相对于虚假峰B漂移。由此，获得SAW滤波器的所要求的平坦通带特性。
但是，这种相应于SAW波长的电极厚度增大。由于引起所述的SSBW发射、导致LSAW损耗增大的问题。而且，这种电极厚度增大，引起SAW滤波器的形状因素变坏。如已说明过的，SAW滤波器的形状因素表示滤波器的陡峭度以及通带宽度特性。更具体地说，SAW滤波器的形状因素差，滤波器特性变宽的无限定。
而且，包括GHz频带的超高频频带中用的SAW滤波器中，必须确保一定的电极厚度，以减小叉指状电极的电阻值。这种增大电极厚度的要求与减小SAW器件的损耗和改善SAW器件形状因素的要求相反。
本发明的总的目的是，提供一种克服了所述缺陷的新的有用的SAW器件。
本发明的更具体的目的是，提供一种在按最佳角切割的压电衬底上构成的SAW器件，其中所述最佳角是相对于衬底上形成的电极厚度而言的。
本发明的另一目的是，提供一种其通带避免了体波发射引起的虚假峰的SAW器件。
本发明的又一目的是，提供SAW器件，它包括：
单晶LiTaO3压电衬底；
设置于所述压电衬底上和含主要成分Al的电极图形；
所述电极图形的厚度范围是所述压电衬底表面上激励的SAW的波长的0.03-0.15倍；
所述压电衬底从其Y轴朝其Z轴绕其X-轴定向旋转，旋转角范围是大于38°，但小于46°。
本发明的另一目的是，提供SAW滤波器，它包括：
单晶LiTaO3压电衬底；
设置在所述压电衬底表面上并含主要成分Al的电极图形，所述电极图形包括叉指式电极；
所述电极图形的厚度范围是所述压电衬底上激励的SAW的波长的0.03-0.15倍；
所述压电衬底从其Y轴朝其z轴绕其X轴定向旋转，其旋转角度范围是大于38℃但小于46°。
本发明的另一目的是，提供SAW谐振器，它包括：
单晶LiTaO3压电衬底；
设置在所述压电衬底表面上并含主要成分Al的电极图形，所述电极图形包括叉指式电极；
所述电极图形的厚度范围是所述压电衬底表面上激励的SAW的波长的0.03-0.15倍；所述压电衬底从其Y轴朝其Z轴绕其X轴定向旋转其旋转角度范围是大于38°，但小于46°。
所述叉指式电极包括第1电极组和第2电极组，所述第1电极组包括设置在所述压电衬底的所述表面上，并共同连接到第1端的第1组指状电极，所述第2电极组包括设置在所述压电衬底的所述表面上并共同连接到第2端的第2组指状电极，所述第1和第2组指状电极排列成第2组指状电极位于一对第1组指状电极之间。
本发明的另一目的，提供SAW延迟线，它包括：
单晶LiTaO3压电衬底；和
设置在所述压电衬底表面上并含主要成分Al的电极图形，所述电极图形形成叉指式电极；
所述电极图形的厚度范围是所述压电衬底的所述表面上激励的SAW的波长的0.03-0.15倍。
所述压电衬底从其Y轴朝其Z轴绕其X轴定向旋转，其旋转角度范围是大于38°，但小于46°。
本发明的另一目的是提供SAW器件，它包括：
LiTaO3单晶压电衬底；
设置在所述压电衬底表面上并含主要成分Au的电极图形；
所述电极图形的厚度范围是所述压电衬底的所述表面上激励的SAW的波长的0.004至0.21倍；
所述压电衬底由其Y轴朝其Z轴绕其X轴定向旋转、其旋转角度范围是大于38°，但小于46°。
本发明的另一目的是，提供一种表面波器件，它包括：
LiTaO3单晶压电衬底；
设置在所述压电衬底表面上并含主要成分Cu的电极图形。
所述电极图形的厚度范围是所述压电衬底的所述表面上激励的SAW的波长的0.009-0.045倍；
所述压电衬底由其Y轴朝其Z轴绕其X其定向旋转，其旋转角度范围是大于38°，但小于46°。
按本发明，LiTaO3衬底的切割角相对于衬底表面上设置的电极的质量最佳化，使损耗减至最小。由此，获得了有宽通带，形状因素改善了的。包括SAW滤波器，SAW谐振器和SAW延迟线的各种SAW器件。
本发明的另一目的是，提供SAW器件，它包括：
LiNbO3单晶压电衬底；
设置在所述压电衬底表面上并含主要成分Al的电极图形；
所述电极图形的厚度范围是所述衬底上激励的SAW的波长的0.04-0.12倍；
所述压电衬底由其Y转朝其Z轴绕其X轴定向旋转，其旋转角度范围是大于66°，但小于74°。
本发明的另一目的是，提供SAW器件，它包括：
LiNbO3单晶压电衬底；
设置在所述压电衬底上并含主要成分的Au的电极图形；
所述电极图形的厚度范围是所述压电衬底的所述表面上激励的SAW的波长的0.005-0.017倍；
所述压电衬底由其Y轴朝其Z轴绕其X轴定向旋转，旋转角度范围是大于66°，但小于74°。
本发明的另一目的是，提供SAW器件，它包括：
LiNbO3单晶压电衬底；
设置在所述压电衬底表面上并含主要成分Cu的电极图形；
所述电极图形的厚度范围是所述压电衬底的所述表面上激励的SAW的波长的0.012-0.036倍；
所述压电衬底由其Y轴朝其Z轴绕其X轴定向旋转，其旋转角度范围是大于66°，但小于74°。
按照本发明，LiNbO3衬底的切割角相对于衬底表面上设置的电极质量最佳化，使损耗减至最小。因此，获得有宽通带和形状因素改善了的。包括SAW滤波器，SAW谐振器和SAW延迟线的各种SAW器件。
通过下面结合附图对本发明的详细说明。本发明的其它目的和特征将会变得显而易见。
图1是典型的常规SAW滤波器的通带特性图；
图2是压电衬底切割角的说明图；
图3是在衬底上设置各种厚度的均匀电极时，与LiTaO3衬底的切割角成函数关系的SAW器件的传播损耗图；
图4是在衬底上设置各种厚度的栅电极时与LiTaO3衬底的切割角成函数关系的SAW器件的传播损耗图；
图5是在有各种切割角的LiTaO3衬底上构成的SAW器件的中心频率与温度的关系曲线图；
图6是在有各种切割角的LiTaO3衬底上构成的SAW器件的温度与最小介入损耗之间的关系曲线图；
图7是在衬底上设置有各种厚度的均匀电极时，与LiNbO3衬底的切割角有函数关系的SAW器件的传播损耗图；
图8A和8B分别是按本发明第1实施例的SAW滤波器结构的平面图和电路图；
图9是SAW滤波器的最小介入损耗与用于SAW滤波器的LiTaO3衬底的切割角之间的关系曲线图；
图10A和10B分别是形状因素确定图和形状图素与LiTaO3衬底的切割角之间的关系曲线图；
图11是图8A和8B所示SAW滤波器的通带特性说明图；
图12是图8A和8B所示SAW器件用的LiTaO3衬底的切割角与机电耦合系数的关系曲线图；
图13是图8A和8B所示SAW器件中传播损耗与LiTaO3衬底的各种切割角用的电极厚度之间的关系曲线图；
图14是图8A和8B所示SAW器件中传播损耗与LiNaO3衬底的各种切割角用的电极厚度之间的关系曲线图；
图15A和15B是第1实施例的SAW滤波器的改型；
图16是按本发明第1实施例的又一改型的SAW滤波器的等效电路图；
图17是按本发明第2实施例的SAW滤波器结构的平面示意图；
图18是按本发明第3实施例的SAW滤波器结构的平面示意图；
图19是按本发明第4实施例的SAW滤波器结构的示意图；
图20是按本发明第5实施例的单通道SAW谐振器的结构平面图；
图21是按本发明第6实施例的双通道SAW谐振器的结构平面图。
首先，结合图2和3说明本发明的原理。其中，图2是压电衬底切割角说明图。
图2表示所谓LiTaO3或LiNbO3单晶衬底的旋转θ的Y-X切割角，应注意，压电衬底先从有x、y、z晶轴的LiTaO3和LiNbO3单晶锭上切割下来的，这些衬底处于由Y轴朝z轴绕x轴旋转θ角的状态中。因此，旋转角也称作衬底的切割角。
图3是在旋转-θ的Y-X切割LiTaO3衬底上形成的SAW谐振器的介入损耗与衬底的各种切割角θ之间的关系图。
如已说明过的，LiTaO3用作压电衬底时，通用36°Y-X切割衬底，特别用36°切割角是为了将较长波长的SAW器件的传播损耗减至最小。参见Nakamura K.et al.Shingaku Gihou US 77-42，1977 pp 31-36(在日本)的报道。在LiNbO3衬底上构成SAW器件时，衬底通用64°切割角。
参见图3，实心圆表示用于SAW器件的LSAW的传播损耗的计算结果，其中，在Y-X切割LiNbO3衬底的整个表面上形成均匀的假设厚度为0的电极。实心圆表示的曲线清楚地表明在36°切割角的传播损耗。图3的计算中利用Kovaes报道的晶格常数(Kovacs.G.et al. Proc.1990.IEEE Uitransonics SymP.pp 435-438)。
在诸如GHz频带的超高频频带中的SAW器件的工作中，与SAW器件中激励的SAW的波长相比，电极厚度不能忽略不计，正如已说明过的。因此，在这种超高频频带中的SAW器件的工作中，电极增加的质量的作用是明显的。本发明人发现，由于电极所加质量的作用，使图3中表示传播损耗的曲线按图3中箭头所指方向漂移，由实心圆表示的曲线移向空心圆表示的曲线。随着传播损耗的这种漂移，具有最小传播损耗的最佳切割角θ由36°增到38°以上。图3中，空心圆表示的结果是设置在压电衬底上的电极厚度为10％的激励SAW的波长的情形。
图4展示出在LiTaO3衬底上设置Al栅电极的情况下，传播损耗与衬底的切割角θ的函数关系。图4中，虚线表示电极厚度为0的结果，实线表示的是电极厚度为激励的SAW的波长的10％的正常情况。显然，在衬底上设置有限厚度的栅电极时，提供最小传播损耗的切割角朝更大切割角一边漂移。
因此，图3和4的结果清楚表明，用单晶LiTaO3作压电衬底时，设定切割角θ大于常规使用的36°切割角，能实现GHz频带中的有高Q因素和低SAW衰减的SAW器件。而且，随着电极的附加质量作用，在该超高频中，如图1所示，SAW滤波器的通带的较低频率边的方向相对于虚假峰A和B漂移，使SAW器件中在通带中基本上没有波纹。正如已注意到的，虚假峰A和B是固体波发射引起的，电极的附加质量对它无影响。
而且，本发明人还发现，通带的形状因素也随切割角θ变化。更具体地说，在切角θ大子常用的切割角的LiTaO3衬底上构成的SAW滤波器，不仅带通特性得到改善。而且，还改善了GHz频带附近工作的形状因素。
图5和6分别表示LiTaO3衬底上构成的SAW滤波器的中心频率和最小介入损耗与温度的关系图。图5和图6的实验中，在后面结合图8A和8B说明SAW滤器时会用到，其中电极形成在有各种切割角(36°y、40°y、42°y、44°y)的各个LiTaO3衬底上，电极厚度是衬底上激励的SAW的波长的10％的正常值。
如图5所清楚表示的，SAW滤波器显示出基本相同的温度-中心频率关系，与衬底切割角无关。所看到的中心频率分散应归因于衬底中音速度化和器件制造工艺的变化。
而且，图6表明，规定切割角为40°Y-44°Y至少能在正常温度范围-35°C至-85°C中，能使最小介入损耗如在36°Y-XLiTaO3衬底上构成的器件的最小介质损耗减小。特别是，能看到将切割角范围设定为40°Y-42°Y也能减小最小介入损耗的变化量。
图7表示对于不同的旋转角θ的LiNbO3的Y-X衬底上设置的SAW谐振器的介入损耗。
参见图7，虚线表示的曲线是在64°Y-XLiNb3衬底上构成的均匀电极，其厚度为0时LSAW的传播损耗计算值。图7的结果表明，设定切割角为64°，能实现的传播损耗最小值。应注意，图7所示计算，是用的Warner et al.T.Acoustic，Soc.Amer.42.1967.pp 1223-1231所报道的晶格常数做出的。
在诸如GHz频带的较短波长范围中工作的情况下，由于电极厚度相对于激励的SAW的波长而增大，因此，电极厚度的作用不再能忽略不计。本发明人发现，由于电极附加质量的这种作用。图7的特性曲线如其中箭头所指漂向切割角θ更大的一边。结果，提供最小传播损耗的切割角θ也向切割角更大的一边漂移，如图7中连续线所示。图7中，应注意，连续线表示的是电极厚度为衬底上激励的SAW的波长的3％的情况。
图7所示结果清楚地表明，设定单晶LiNbO3衬底的切割角大于64°，能获得高QSAW器件，它显示出在GHz频带内SAW衰减下降。
以下将结合优选实施例说明本发明。
图8A和8B示出按本发明第1实施例的梯形SAW滤波器，8A是SAW滤波器平面布图；图8B是8A所示器件的等效电路图。
参见图8A，SAW滤波器构成在旋转θ的Y-X切割的LiTaO3单晶或LiNbO3单晶衬底上，衬底上载有第1，第2，第3，第4和第5叉指式电极R1，R1’，R2，R2’和R2″。所述第1叉指式电极R1有连接到设置在衬底上的输入端IN的输入边电极；第2叉指式电极R1′有连接到第1叉指式电极R1的输出边电极的输入边电极，和连接到第2叉指式电极R1′的输出边电极的输出边电极；第3叉指式电极R2有连接到第2叉指式电极R1′的输入边电极的输入边电极，和接地电极；第4叉指式电极R2′有连接到所述第1叉指式电极R1的所述输出边电极的输入电极，和接地电极；第5叉指式电极R2″有连接到第2叉指式电极R1′的输出边电极的输入电极、和接地电极。
要注意到，如图8A所示，在每个叉指式电极R1，R1′，R2，R2′和R2″中，叉指式电极均包括输入边电极i和输出边电极O。输入边电极i包括按第1方向彼此平行延伸的多个指状电极构成的第1组电极，与按X轴方向在衬底表面上传播的SAW传播路径垂直。同样，输出边电极O包括按第2，即相反方向相互平行延伸的多个指状电极构成的第2组电极，其中第1组指状电极与第2组指状电极按SAW传播方向交替地设置于衬底表面上。而且，每个叉指式电极R1，R1′，R2，R2′和R2″均带有一对按X轴方向位于其两边的反射器R1。每个反射器R1的结构是有多个在指状电极两端相互连接的相互平行的指状电极。本实施例中，应注意，叉指式电极R1，R1′，R2，R2′和R2″均用含Al和1wt％的Cu的铝合金构成，其厚度为0.4μm，它相当于SAW滤波器的通带波长的约10％。
图8B是8A所示滤波器的等效电路图。
参见图8B，叉指式电极R1和R1′串联连接，而叉指式电极R2，R2′和R2″在叉指式电极R1或R1的两边相互并联连接。
图9示出对图8A和8B所示SAW滤波器用各种LiTaO3衬底11的切割角θ进行实验得到的最小介入损耗。最小介入损耗包括SAW传输损耗和滤波器匹配损耗两者的作用。但切割角θ不影响滤波器匹配损耗。
参见图9。最小介入损耗随衬底切割角的增大而减小，并在42°附近达到最小。切割角超过42°时，最小介入损耗又开始增大。因此，应注意LiTaO3的切割角规定在38°和46°之间，可使SAW滤波器中的最小介入损耗抑制在1.6dB。
本发明人发现，LiTaO3单晶衬底的切割角θ也影响SAW滤波器的形状因素。
图10A表示形状因素的限定。
参见图10A，限定形状因素，用带宽B1和B2表示为BW1/BW2，其中带宽B1相当于提供1.5dB衰减的带宽，而带宽B2相当于提供20dB衰减的带宽。随着形状因素的增大，滤波器特性变宽，使选择性下降，通带变窄。因此，要求SAW滤波器的形状因素尽可能接近1。
图10B示出对图8A和8B所示SAW滤波器进行实验获得的形状因素与压电衬底的切割角θ的函数关系。
从图10B中会发现，形状因素随切割角θ的增大而接近1，在切割角为42°时达到1.47的最小值。另一方面，切割角超过42°时，形状因素再次增大，使滤波器的选择性变坏。因而，本发明的滤波器中，要求最小介入损耗在1.6dB以下，形状因素在1.55以下。因而，考虑到图10B所示关系，最佳切割角θ范围是40 °至46°，40°-44°最好。设定切割角为42°，实际上，最小介入损耗和形状因素同时减至最小。
图11展示出对图8A和8B所示SAW滤波器进行实验获得的通带特性。参见图11，连续线表示42°Y-X切割LiTaO3用作衬底11的情形，虚线表示常规的36°Y-X切割LiTaO3用作衬底11的情形。
参见图10，会发现，两个滤波器的中心频率在880MHz。其特征是有约40MHz的平坦通带宽度，确定了在通带外的锐角衰减斜率，其中，与用常规36°Y-X切割角的LibO3切割板作衬底11的常规SAW滤波器相比，用42°Y-X切割角的LiTaO3切割板作衬底的SAW滤波器，由于在通带外有更徒峭的衰减斜率，因而其形状因素得到改善。而且，如图11所示，由SSBW引起的虚假峰A和B现在处于42°Y-X切割LiTaO3衬底上形成的SAW滤波器的通带外。
图12是旋转θY-X切割LiTaO3衬底的机电耦合系数K2的计算值与衬底的各种切割角θ的关系曲线，该LiTaO3衬底上的电极厚度是衬底上激励的SAW的波长的7％。用Kovaces op.cit报道的晶格常数作此计算。
参见图12，将会发现，随切割角θ增大机电耦合系数K2趋于下降。如众所周知的，机电耦合系数是电压电效应而在压电晶体中伴生的能量比。
K2值太小时，会出现各种问题，如通带减小，通带中出现波纹等。因而，由图12所示关系，要求切割角不超过46°。
图13是图8A和8B所示SAW滤波器上传播损耗的计算值与各种切割角θ和叉指式电极的各种厚度的关系图。也用图9计算中用的Kovacs报道的晶格常数进行计算。
如图13所示，θ角设定为38°以下时，损耗随电极厚度成指数增大。另一方面，切割角超过40°时，损耗随电极厚度增大而开始下降，并在特性曲线中出现最小值。特别是，设定电极厚度大于SAW波长的3％时会出现该最小值。换言之，图13表明，要求电极的厚度用SAW的波长进行标准化，要求等于或大于3％波长。电极厚度超过该值时会出现这些问题，如电极构图困难，电极厚度的微小变化都引起音频显著变化。因此，最好使电极厚度不超过SAW波长的15％。
图13还显示，当Al合金电极厚度超过SAW波长的15％时，任何切割角都会使传播损耗急剧增大。这表明，在这种条件下体波发射变得突出。因此，考虑到上述问题，要求切割角在40°-46°范围时电极厚度范围是SAW波长的7-15％。最好是，切割角θ范围在40°-44°时，电极厚度范围是SAW波长的5-10％。
图14是将图8A和8B所示滤波器用的Y-X LiTaO3衬底改用Y-X LiNbO3单晶衬底11的SAW滤波器的传播损耗计算结果与衬底11上的电极厚度关系图。图14所示计算中用Warner et al.op cit报道的晶格常数。
参见图14，发现，随电极厚度增大传播损耗首先减至最小，然后开始指数增大，其中，电极厚度小于SAW波长3.5％时，在常规最佳切割角64°以下时出现传播损耗最小值。另一方面，电极厚度大于激励的SAW波长的4％时，在切割角超过66°处出现传播损耗最小值。换言之，电极厚度相对于激励的SAW波长不能忽略的SAW器件工作条件下，要求设定LiNbO3衬底的切割角大于66°。
另一方面，若电极厚度过大，电极厚度影响衬底中的音速。而且，这种厚电极构图困难。为此，要求规定电极厚度不超过激励的SAW波长的12％。同时，最好设定LiNbO3衬底切割角在66°和74°之间的范围内。
如上所述，假定，用含Al和1wt％Cu的(Al.1wt％CU)铝合金构成电极。因此，当其它成分用作电极时，电极的质量不同，因而电极厚度相应变化。例如，用Au作LiTiO3衬底上的电极时，最好使电极厚度选择在0.4-2.1％波长范围内，而且，用Cu作LiTaO3衬底上的电极时，电极厚度范围最好是0.9-4.5％SAW波长。
用Y-X LiNbO3单晶作SAW器件衬底时，另一方面，最好设定Au电极厚度范围是0.5-1.7％SAW波长。LiNbO3衬底上形成Cu电极时，电极厚度范围最好设定为1.2-3.6％SAW波长。
图15A是图8A所示SAW滤波器的改型，图15B是图15A所示SAW滤波器的等效电路图。
参见图15A，上述实施例一样，SAW滤波器构成在LiTaO3或LiNbO3 Y-X单晶衬底上，其中，衬底上载有第1，第2，第3，和第4叉指式电极R1，R1′，R2′和R2。其中，所述第1叉指式电极R1有连接到设置于衬底上的输入端IN的输入边电极；第2叉指式电极R1′有连接到第1叉指式电极R1的输出边电极的输入边电极和连到输出端的输出边电极；第3叉指式电极R2′有连接到第1叉指式电极R1的输出边电极的输入边电极和接地电极；第4叉指式电极R2有连接到所述第2叉指式电极R1′的输出边电极的输入边电极，和接地的输出电极。
参见图15B，叉指式电极R1和R1′串联，叉指式电极R2和R2′在叉指式电极R1′的两端相互并联连接。应注意，每个叉指式电极R1，R1′，R2、和R2′均形成谐振器。叉指式电极R1′的电容量是叉指式电极R1的电容量的一半。另一方面，叉指式电极R2′的电容量是R2的两倍。
图15A和15B所示SAW滤波器中，由于电极附加质量作用变得明显，因此，也能使GHz频带中工作的传播损耗减至最小，其措施是，设定LiTaO3衬底的切割角大于38°，但小于约46°。更好是大于约40°，但小于约46°；最好是约42°。另一方面，用Y-XLiNbO3作衬底时，SAW滤波器用在附加质量作用显著的频率范围时，设定切割角大于66°，但小于74°。更好是约68°。
应注意，本发明不限于上述的梯形SAW滤波器，也能用于其它类型的SAW滤波器，各种SAW谐振器，各种SAW延迟线。例如，也可改变图8A和8B所示SAW滤波器的电极图形，构成图16所示网络型SAW滤波器。
图17是按照本发有第2实施例的IIDT(叉指式-叉指式变换器)结构的SAW滤波器20的结构图。
参见图17，IIDT滤波器20构成在切割角为38°-46°的LiTaO3 Y-X切割衬底11上，衬底上有厚度范围是SAW波长的3％-15％的叉指式电极。另外，IIDT滤波器20也可构成在切割角为68°-72°的LiNbO3 Y-X切割衬底上。这种情况下在衬底上构成厚度为激励SAW波长4-12％的叉指式电极。滤波器20中，也激励LSAW，这样，激励的LSAW在X-轴方向中传播。
图17所示结构中还发现，叉指式电极包括多个输入边叉指式电极R入和多个输出边叉指式电极R出，它们沿SAW的传播路径交替地设置。输入边叉指式电极R入共同连接到输入端21，其中每一个包括，相互平行延伸的第1组指状电极，和与SAW传播路径交叉的位于第1组指状电极之间的第2组叉指式电极。通用的叉指式电极中，第1组指状电极与第2组指状电极在SAW的传播方向交替重复。同样，输出边叉指式电极R出共同连接到输出端22，每一个包括，第1组相互平行延伸的指状电极，和与SAW传播路径交叉的位于第1组指状电极之间的第2组指状电极。由此，输入边叉指式电极R入的第1组指状电极按与输出边叉指式电极R出的第1组指状电极相反的方向延伸。因此，有这种结构的SAW器件还有至少一半SAW的路径形成面积被每个叉指式电极的电极覆盖。而且，像通用的SAW器件中那样，有一对位于叉指式电极R入和R出构成的电极行两端并按X方向延伸的反射器R1。
这种结构的SAW滤波器中，使旋转θ的Y-X切割的LiTaO3衬底的切割角θ和衬底上设置的电极厚度最佳化，可使损耗减至最小，改善形状因素扩大通带宽度。
图18是按本发明第3实施例的SAW滤波器30的结构图。
参见图18，SAW滤波器30构成在旋转θ的Y-X切割的LiTaO3或LiNbO3衬底上，其中切割角设定成用LiTaO3为衬底时是38°-46°，用LiNbO3为衬底时是66°-74°。SAW滤波器30还包括构成在衬底11上的叉指式电极，衬底11用LiTaO3构成时，电极厚度范围是SAW波长的3-15％。用LiNbO3作衬底时，电极厚度范围设定为4-12％SAW波长。本实施例中，也激励LSAW，这样LSAW也在X方向传播。
要注意，SAW滤波器30的结构是，其中的输入边叉指式电极与图17所示叉指式电极R入相同，输出边叉指式电极与图17所示叉指式电极R出相同，并相互邻近地设置。而且，与图17所示器件相同，在电极R入和R出构成的电极行的两边设置-对反射器R1。图18所示的SAW滤波器30中，与图8A和8B所示器件一样，用最佳化衬底切割角和电极厚度的方法，使损耗减至最小，并改善形状因素。
图19是按本发明第4实施例的单通SAW谐振器40的结构图。
参见图19，SAW谐振器40构成在切割角θ为38°-46°的LiTaO3的旋转θ的Y-X切割衬底11上，与上述例相同。或者，也能用切割角θ为66°-74°的Y-X切割LiNbO3单晶体衬底11。衬底上载有叉指式电极，当用Y-X切割LiTaO3单晶作衬底11时，电极厚度设定为衬底11上激励的SAW的波长的3-15％。衬底用Y-XLiNbO3单晶时，电极厚度范围设定为衬底上激励的SAW的波长的4-12％。本例中，也激励LSAW，因此，LSAW也按X方向传播。
图19中，会发现SAW滤波器40的结构中，有一对与图17所示叉指式电极R入相同的输入边叉指式电极，和与图17所示叉指式电极R出相同的输出边叉指式电极，叉指式电极R入位于叉指式电极R出两边，而彼此邻近，其中，两个叉指式电极R入共同连接到输入端41，叉指式电极R出连接到输出端42。而且，与图17所示器件的情形相同，在电极R入和R出构成的电极行两边设置一对反射器R1。图19中的SAW滤波器40中，与图8A和8B所示器件的情形相同，用最佳化衬底切割角和电极厚度的方法，可使损耗减至最小并改善形状因素。
图20是按本发明第5实施例的单通SAW谐振器50的结构图。
参见图20，SAW谐振器50构成在切割角θ为38°-46°的旋转θ的Y-X切割的LiTaO3衬底11上，其中，衬底11上载有叉指式电极R，其厚度是衬底11上激励的LSAW波长的3％-15％。而且，也能用切割角θ为66°-74°的LiNbO3单晶Y-X切割板作衬底11。这种情况下，衬底11上的电极厚度是衬底11上激励的LSAW波长的4-12％。本例中，LSAW也按X方向传播。
应注意，SAW谐振器50装有结构与图11的叉指式电极R入或R出相同的单叉指式电极R，和位于电极R两边的X方向的一对反射器R1。在第1端51和第2端52上加电压来驱动谐振器50，所述第1端51与叉指式电极R的第1组指状电极连接，所述第2端52与同一叉指电极R的第2组指状电极连接。
这种结构中，与图8A和8B所示实施例相同，对衬底切割角θ和电极厚度最佳化，能获得低损耗高Q值的谐振器。
图21是按本发明第6实施例的双通SAW谐振器60的结构图。
参见图21，SAW谐振器60构成在切割角θ为38°-46°的旋转θ的Y-X切割LiTaO3衬底11上，衬底11上装有叉指式电极，其厚度为衬底11上激励的LSAW波长的3-15％。或者，衬底11也可用切割角θ为66°-74°的Y-X切割LiNbO3单晶。这时，衬底11上的电极厚度为衬底11上激励的LSAW波长的4-12％。本发明中，LSAW也按X方向传播。
图21中会表示，SAW谐振器60的叉指电极包括连接到输入端61的输入电极R1，和连接到输出端62的输出电极R2，其中，输入端61和输出端62位于SAW上的X传播方向。而且，每个叉指式电极R1和R2由第1叉指电极和第2叉指电极构成，其中，电极R1的第1叉指电极连接到输入端61，电极R2的第1叉指电极连到输出端62。而且，电极R1的第2叉指电极和电极R2的第2叉指电极相互连接，构成单接地图形。电极R1和R2构成的叉指电极两边，像通用的那样，设置一对反射器R1。
双通SAW谐振器中，与图8A和8B所示SAW滤波器一样，用最佳化衬底切割角和叉指电极厚度的方法，使谐振器具有最大Q因子和最小损耗。
因此，本发明用于各种SAW滤波器和谐振器，如图8A和8B所示的梯形结构，SAW滤波器。图16所示网络结构SAW滤波器，或图17所示IIDT结构。而且，本发明也能用于多模滤波器。
而且，本发明不限于所述的SAW滤波器和SAW谐振器，而且也能用于SAW延迟线和SAW波导等。
本发明不限于所述实施例。还有各种改型，但这些均不脱离本发明的范围。
Claims (34)
1一种表面声波(SAW)器件，包括
单晶LiTaO3压电衬底；
设置于所述压电衬底表面上的并含主要成分铝的电极图形；
其特征是：
所述电极图形(R1，R1″，R2，R2′，R2″；R入、R出)的厚度范围是所述压电衬底的所述表面上激励的表面声波(SAW)波长的0.03-0.15倍；
所述压电衬底从其Y轴向其z轴绕其X轴定向旋转，旋转角θ大于38°，但小于46°。
2一种按权利要求1的SAW器件，其特征是，所述压电衬底(11)是定向的，其中，所述旋转角θ设定为40°-46°。
3一种按权利要求1的SAW器件，其特征是，所述电极图形(R1，R1′，R2，R2′，R2″；R入，R出)的厚度范围是所述压电衬底上激励的SAW波长的0.07-0.15倍。
4一种按权利要求1的SAW器件，其特征是，所述电极图形(R1，R1′，R2，R2′，R2″；R入，R出)的厚度范围是所述压电衬底(11)上激励的所述SAW波长的0.05-0.10倍，所述压电衬底(11)是定向的，其中所述旋转角(θ)设定在40-44°。
5一种按权利要求1的SAW器件，其特征是，所述压电衬底(11)是定向的，其中所述旋转角(θ)设定为42°。
6一种按权利要求1的SAW器件，其特征是，所述电极图形(R1，R1′，R2，R2′，R2″；R入，R出)用A1构成。
7一种按权利要求1的SAW器件，其特征是，所述电极图形(R1，R1′，R2，R2′和R2″；R入，R出)用含铜铝合金构成。
8一种按权利要求1至7的SAW器件，其特征是，所述电极图形(R1，R1′，R2，R2′，R2″；R入，R出)在所述压电衬底表面上构成多个谐振器。
9一种表面声波(SAW)滤波器，包括：
单晶LiTaO3压电衬底(11)；
设置在所述压电衬底表面上并含主要成分A1的电极图形(R1，R1′，R2，R2′，R2″；R入，R出)，所述电极图形包括叉指式电极；
其特征是：
所述电极图形(R1，R1′，R2，R2′，R2″；R入，R出)的厚度范围是所述压电衬底的所述表面上激励的SAW波长的0.03-0.15倍；
所述压电衬底(11)由其Y轴朝其Z轴绕其X轴定向旋转，旋转角(θ大于38°，但小于46°。
10一种按权利要求9的SAW滤波器，其特征是，所述电极图形包括在所述压电衬底(11)的所述表面上沿所述SAW路径设置的第1叉指式电极(R入)和第2叉指式电极(R出)，所述第1和第2叉指式电极分别连接到输入端(21)和输出端(22)，其中，每个所述第1和第2叉指式电极(R入、R出)中，形成电极图形的导体覆盖压电衬底(11)表面上形成SAW路径面积的至少一半。
11一种按权利要求10的SAW滤波器，其特征是，
所述第1叉指式电极(R入)包括：
多个第1组指状电极，它们与所述压电衬底底表面上的所述SAW路径交叉，并共同连接到所述输入端；
多个第2组指状电极，它们相互连接，交替地位于第1组指状电极之间，因此，第1组与第2组指状电极按所述SAW的所述路径方向交替重复；
所述第2叉指式电极(R出)包括：
多个第3组指状电极，它们与所述压电衬底表面上的SAW路径交叉并共同连接到所述输出端；和
多个第4组指状电极，它们相互连接，交叉地位于第3组指状电极之间，因而，第3组和第4组指状电极按所述SAW的路径方向交替重复。
12一种按权利要求10的SAW滤波器，其特征是，设置多个第1和第2叉指式电极(R入，R出)，使所述第1和第2叉指式电极按所述SAW的所述路径方向交替重复。
13一种按权利要求9的SAW滤波器，其特征是，所述电极图形包括在所述压电衬底表面上形成的第1和第2叉指电极(R1，R′)；
构成在所述压电衬底(11)表面上，并与所述SAW路径交叉的所述第1叉指电极(R1)包括：多个第1组指状电极(i)，它们共同连接到输入端(IN)；多个第2组指状电极(O)，它们相互共连，并交替地位于所述第1组指状电极之间，沿所述SAW的所述路径第1组指状电极(i)与第2组指状电极(O)交替重复。
所述压电衬底表面上形成的并与所述SAW路径交叉的所述第2叉指式电极(R1′)包括：多个第3组指状电极(i)，它们共同连接到第2组指叉电极(O)；和多个第4组指状电极(O)，它们共同连接到输出端(out)并设置在所述第3组指状电极之间，因而，第3组指状电极(i)和第4组指状电极(O)沿所述SAW的所述路径交替重复。
14一种按权利要求13的SAW滤波器，其特征是，所述电极图形还包括设置于所述压电衬底上并与所述SAW的所述路径交叉的第3叉指式电极(R2′)和第4叉指式电极(R2)；
所述第3叉指式电极(R2′)包括：共同连到所述第2组指状电极(O)的多个第5组指状电极(i)；和共同连到地(GND)的第6组叉指式电极(O)，并交替地置于第5组指状电极之间，因而，第5组指状电极(i)与第6组指状电极(O)沿所述SAW的所述路径交替重复；
所述第4叉指式电极包括：共同连接到所述输出端与第4组指状电极连在一起的多个第7组指状电极；和共同接地并交替置于所述第7组指状电极之间的多个第8组指状电极；因而，所述第7指状电极(i)和第8指状电极(O)沿所述SAW的所述路径交替重复。
15一种按权利要求11的SAW滤波器，其特征是所述电极图形还包括第3叉指式电极(R入)；所述第3叉指式电极包括共同连到所述输入端(41)的多个第5组指状电极，和交替地置于所述第5组电极之间的第6组指状电极，其中，所述第3叉指式电极处于邻近所述第2叉指式电极(R出)处。
16一种按权利要求9的SAW滤波器，其特征是，所述电极图形包括在所述压电衬底的所述表面上沿所述SAW的路径设置的第1至和5叉指式电极(R1，R1′，R2，R2′，R2″)；
所述第1叉指式电极(R1)包括共同连到输入端(IN)的多个第1组指状电极(i)，和交替地置于所述第1组指状电极之间的多个第2组指状电极，第1和第2组指状电极均与所述衬底(11)的表面上的所述SAW的路径交叉。
所述第2叉指式电极(R1′)包括与所述第2组指状电极共连的多个第3组指状电极(i)，和共连到输出端(out)的交替置于所述第3组指状电极之间的多个第4组指状电极(O)，所述第3和第4组指状电极的每一个与所述衬底(11)的所述表面上的所述SAW的路径交叉，
所述第3叉指式电极(R2)包括共同连到所述第1组指状电极的多个第5组指状电极，共同接地(GND)的并交替地置于所述第5组指状电极之间的第6组指状电极(O)，第5和第6组指状电极的每个电极均与所述衬底(11)表面上的所述SAW的路径交叉，
所述第4叉指式电极(R2′)包括共连到所述第2组指状电极的多个第7组叉指式电极(i)，和共同接地(GND)并交替地置于所述第7组叉指式电极之间的第8组指状电极(O)，第7和第8组指状电极中的每个电极与衬底(11)表面上的所述SAW的路径交叉，
所述第5叉指式电极(R2″)包括共同连到所述第4组指状电极的多个第9组叉指式电极(i)，和共同接地并交替地置于所述第9组指状电极之间的第10组指状电极(O)，所述第9组和第10组指状电极中的每个电极与所述衬底上所述SAW的路径交叉。
17一种表面声波(SAW)谐振器，包括：
单晶LiTaO3压电衬底(11)；
设置于所述压电衬底表面上并含主要成分Al的电极图形，所述电极图形包括叉指式电极，
其特征是：
所述电极图形的厚度范围是所述压电衬底表面上激励的SAW波长的0.03-0.15倍；
所述压电衬底由其Y轴朝其Z轴绕其X轴定向旋转，旋转角大于38°，但小于46°，
所述叉指式电极包括第1电极组(R1)和第2电极组(R2)，所述第1电极组(R1)包括设置在所述压电衬底表面上的第1组指状电极，它共同连接到第1端；所述第2电极组(R2)包括设置在所述压电衬底表面上并共同连接到第2端的第2组指状电极；所述第1和第2组指状电极设置成第2组指状电极位于一对第1组指状电极之间。
18一种表面声波(SAW)延迟线，包括：
单晶LiTaO3压电衬底；
设置于所述压电衬底表面上并含主要成分Al的电极图形(R入，R出)，所述电极图形构成叉指式电极；
其特征是：
所述电极图形的厚度范围是所述压电衬底表面上激励的SAW波长的0.03-0.15倍；
所述压电衬底由其Y轴朝其Z轴绕其X轴定向旋转，旋转角大于38°，但小于46°。
19一种表面声波(SAW)器件，包括
单晶LiNbO3压电衬底(11)；
设置于所述压电衬底表面上并含主要成分Al的电极图形((R1，R1′，R2，R2′，R2″；R入，R出)；
其特征是：
所述电极图形的厚度范围是所述衬底上激励的SAW波长的0.04-0.12倍；
所述压电衬底(11)由其Y轴朝其Z轴绕其X轴定向旋转，旋转角(θ)大于66°，但小于约74°。
20一种按权利要求19的SAW器件，其特征是，所述压电衬底(11)是定向的，其中所述旋转角(θ)设定在约68°-72°范围内。
21一种按权利要求19的SAW器件，其特征是，所述电极图形(R1，R1′，R2，R2′，R2″；R入，R出)的厚度范围是所述压电衬底上激励的所述SAW的波长的约0.05-0.10倍。
22一种按权利要求19的SAW器件，其特征是，所述电极图形(R1，R1′，R2，R2′，R2″；R入，R出)用Al构成。
23一种按权利要求19的SAW器件，其特征是，所述电极图形(R1，R1′，R2，R2′，R2″；R入，R出)用含铜的铝合金构成。
24一种按权利要求19的SAW器件，其特征是，所述电极图形(R1，R1′，R2，R2′，R2″；R入，R出)在所述压电衬底表面上形成包括多个谐振器的梯形滤波器。
25一种按权利要求19的SAW器件，其特征是，所述电极图形(R，R1，R2)在所述压电衬底(11)的表面上形成谐振器。
26一种按权利要求19的SAW器件，其特征是，所述电极图形(R1，R1′，R2，R2′)在所述压电衬底的所述表面上形成包括多个谐振器的网络型滤波器。
27一种按权利要求19的SAW器件，其特征是，在所述压电衬底表面上形成叉指式-叉指式换能滤波器。
28一种按权利要求19的SAW器件，其特征是，所述电极图形(R1，R1′，R2，R2′，R2″；R入，R出)在所述压电衬底表面上形成延迟线。
29一种按权利要求19的SAW器件，其特征是，所述电极图形(R1，R1′，R2，R2′，R2″；R入，R出)在所述压电衬底表面上形成多模滤波器。
30一种按权利要求19的SAW器件，其特征是，所述电极图形包括在所述压电衬底(11)的表面上沿所述SAW的路径设置的第1至第5叉指式电极(R1，R1′，R2，R2′，R2″)。
所述第1叉指式电极(R1)包括共同连接到输入端(IN)的多个第1组指状电极(i)，和交替地设置于所述第1组指状电极之间的多个第2组指状电极(O)，所述第1和第2组指状电极中的每个电极与所述压电衬底(11)表面上的所述SAW的路径交叉；
所述第2叉指式电极(R1′)包括共同连接到第2组指状电极的多个第3组指状电极(i)，和共同连接到输出端(out)的并交替置于所述第3组指状电极间的第4组指状电极(O)，所述第3和第4组电极中的每个电极均与所述衬底(11)表面上的所述SAW的路径交叉。
所述第3叉指式电极(R2)包括共同连接到所述第1组指状电极的多个第5组指状电极(i)，和共同接地并交替地置于所述第5组指状电极之间的第6组指状电极，所述第5和第6组指状电极中的每个电极均与所述衬底(11)表面上的所述SAW的路径交叉，
所述第4叉指式电极(R2’)包括共同连接到所述第2组指状电极的多个第7组叉指式电极(i)和共同接地并交替地置于所述第7组叉指电极之间的多个第8组指状电极(O)，第7和第8组指状电极的每个电极与所述衬底(11)表面上的所述SAW的路径交叉，
所述第5叉指式电极(R2″)包括共同连接到所述第4组指状电极的多个第9组指状电极(i)，和共同接地并交替地置于所述第9组指状电极之间的第10组指状电极(O)，第9和第10组指状电极中的每个电极与所述衬底(11)上的所述SAW的路径交叉。
31一种表面声波(SAW)器件，包括：
单晶LiTaO3压电衬底(11)；
设置在所述压电衬底表面上并含主要成分Au的电极图形(R1，R1′，R2，R2′，R2″；R入，R出)；
其特征是：
所述电极图形的厚度范围是所述压电衬底表面上所激励的所述SAW波长的0.004-0.021倍；
所述压电衬底由其Y轴朝其Z轴绕其X轴定向旋转，转动角大于38°，但小于46°。
32一种表面声波(SAW)器件，包括：
单晶LiTaO3压电衬底(11)；
设置于所述压电衬底表面上并含主要成分Cu的电极图形(R1，R1′，R2，R2′，R2″；R入，R出)；
其特征是：
所述电极图形厚度范围是所述压电衬底表面上所激励的SAW波长的0.009-0.045倍；
所述压电衬底由其Y轴朝其Z轴绕其X轴定向旋转，旋转角大于38°，但小于约46°。
33一种表面声波器件包括：
单晶LiNbO3压电衬底(11)；
设置在压电衬底表面上的并含主要成分Au的电极图形(R1，R1′，R2，R2′，R2″；R入，R出)；
其特征是：
所述电极图形的厚度范围是所述压电衬底表面上激励的表面声波波长的0.005-0.017倍；
所述压电衬底由其Y轴朝其Z轴绕其X轴定向旋转，旋角大于66°但小于约74°。
34一种表面声波(SAW)器件，包括：
单晶LiNbO3压电衬底(11)；
设置在所述压电衬底表面上并含主要成分Cu的电极图形(R1，R1′，R2，R2′，R2″，R入和R出)；
其特征是：
所述电极图形的厚度范围是所述压电衬底表面上所激励的表面声波波长的0.012-0.036倍；
所述压电衬底由其Y轴朝其Z轴绕其X轴定向旋转，旋转角大于66°，但小于约74°。
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