CN1173040A - 晶片及表面弹性波元件 - Google Patents

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弗拉迪米尔·N·佩德里茨
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Abstract

一种温度稳定性好,且可小型化的表面弹性波元件,是采用将镧·镓硅酸盐晶体以一定的切割角(α、β)切割所得的晶片的表面弹性波元件,通过在晶片上外加一定的电压信号,在晶片的表面激励起表面弹性波,并使其沿晶片传播,将其晶轴分别作为X、Y、Z轴时,晶片的表面法线在Y－Z面内从Y轴逆时针旋转的角度为20°≤α≤40°,弹性波的传播方向在晶电表面内从X轴逆时针旋转的角度为35°≤β≤70°。

Description

晶片及表面弹性波元件
本发明涉及在通信装置，移动电话等电子通信领域(无线电子工程及音响电子工程等领域)中，用于带通滤波器、振荡器、延迟线、叠加器件等筛选特定频率的用途等的晶片及表面弹性波(SAW)元件。
以往，众所周知，在电子通信领域中，为了筛选特定的频率，使用SR-切割水晶的结晶元件的设备和使用铌酸锂晶体的结晶元件，钽酸锂晶体的结晶元件的设备。在使用ST-切割水晶的结晶元件的情况下，在X轴方向或与X轴成-20°角或+36°角方向激励起表面弹性波。使用ST-切割水晶的结晶元件的设备具有1ppm/℃的较高的温度稳定性。
但是，该结晶元件存在以下缺点：电气机械结合系数低，因此不能作为中间频带的设备；表面弹性波的速度比较高，因此设备的尺寸比较大，从而结晶材料的消费量比较多。
由于这些原因，钽酸锂晶体的晶体元件和铌酸锂晶体的晶体元件广泛应用于各种对温度特性要求不太高、但又要求宽的带通带宽的无线电子设备。
但是，使用铌酸锂晶体的结晶元件，钽酸锂晶体的结晶元件的设备有以下缺点：温度稳定性差，为40ppm/℃以上，因此，不能用于窄带及中等带宽的设备；表面弹性波的速度比较高，因此，设备的尺寸比较大，结晶材料的消费量也比较多。
本发明的目的是提供一种新型的晶片，它用于在通信装置、移动电话等电子通信领域(无线电子工程及音响电子工程等领域)中，带通滤波器、振荡器、延迟线、叠加器件等筛选特定频率的用途。
另外，本发明的目的是提供一种温度稳定性高、且可实现小型化的表面弹性波元件。
为达到上述目的，本发明的第一种结构是将镧·镓硅酸盐晶体(La3 Ga5SiO14晶体)以一定的切割角α切割所得的晶片，将镧·镓硅酸盐晶体的晶轴分别作为X(电气轴)、Y轴(机械轴)、Z轴(光学轴)时，上述晶片如下切割：该晶片的表面的法线(n)在Y-Z面内从Y轴逆时针旋转直至与Y轴的切割角为20°≤α≤40°，或该晶片的表面的法线(n)在Y-Z面内从Y轴顺时针旋转，直至与Y轴的角度为-1.5°≤α≤15°。
本发明的第二种结构是，将镧·镓硅酸盐晶体以一定的切割角(α、β)切割，而使用切割所得的晶片的表面弹性波元件，通过向上述晶片施加一定的电压信号，在晶片上激励起表面弹性波，并使其沿晶片传播，将镧·镓硅酸盐晶体的晶轴分别作为X轴(电气轴)、Y轴(机械轴)、Z轴(光学轴)时，上述晶片的表面法线(n)在Y-Z面内，从Y轴逆时针旋转，直至与Y轴的角度为20°≤α≤40°，另外，上述表面弹性波的传播方向(s)在上述晶片的表面内从X轴逆时针旋转，直至与X轴的角度为35°≤β≤70°。
根据本发明的第三种结构是，将镧·镓硅酸盐晶体以一定的切割角(α、β)切割，而使用切割所得的晶片的表面弹性波元件，通过向上述晶片施加一定的电压信号，在晶片激励起表面弹性波，并使其沿晶片传播，将镧·镓硅酸盐晶体的晶轴分别作为X轴(电气轴)、Y轴(机械轴)、Z轴(光学轴)时，上述晶片的表面法线(n)在Y-Z面内，从Y轴顺时针旋转与Y轴所成角度为-1.5°≤α≤15°，另外，上述表面弹性波的传播方向(S)在上述晶片表面内，从X轴逆时针旋转与X轴所成的角度为70°≤β≤120°。
根据本发明的第四种结构，在第三种结构中的表面弹性波元件中，在上述晶片上用于激励表面弹性波的激励电极对和用于将在晶片上传播的表面弹性波转换为电信号并取出的取出电极对是沿上述表面弹性波的传播方向(S)并排设置的。
根据本发明的第五种结构是，在第四种结构的表面弹性波元件中，在上述晶片上再形成为反射沿上述晶片传播的表面弹性波的反射体。
附图的简要说明：
图1是表示本发明的晶片结构的示意图；
图2是表示本发明的表面弹性波滤波器的另一实施例的斜视图；
图3是表示本发明的表面弹性波滤波器的又一实施例的斜视图；
图4是表示图3的表面弹性波滤波器的平面图；
图5是图4的A-A线的剖面图；
图6是图4的B-B线的剖面图；
图7是本发明的表面弹性波元件的一个实施例的结构图(平面图)；
图8是以图7的表面弹性波元件的中心频率的实验为基础的温度特性的一个例子的示意图。
以下结合附图描述本发明的实施例。
图1是本发明的晶片的实施例的示意图。参照图1，上述晶片1是将镧·镓硅酸盐晶体以一定的切割角α切割而得的，将镧·镓硅酸盐晶体的晶轴分别作为X轴(电气轴)、Y轴(机械轴)、Z轴(光学轴)时，上述晶片1的表面的法线(n)在Y-Z平面内从Y轴逆时针旋转的角度为20°≤α≤40°，或者，晶片的表面的法线(n)在Y-Z面内，从Y轴顺时针旋转的角度为-1.5°≤α≤15°而切割晶片。
在镧·镓硅酸盐晶体按上述的切割角α切割而得的晶片1上，如后所述，将其用于表面弹性波元件时，通过将上述晶片1进一步按一定的切割角β切割(具体来讲，表面弹性波的传播方向(S)为在上述晶片1的表面内，从X轴逆时针转动角为35°≤β≤70°，或者，表面弹性波的传播方向(S)为在上述晶片1的表面内，从X轴逆时针转动的角度为70°≤β≤120°)，可提供温度稳定性高，且小型化的表面弹性波元件。
在图1中，符号P是向晶片1的表面的Y-Z面的投影线，S-X-P平面在晶片1的表面内，在S-X-P面内，X轴与投影线P所成的夹角为90°。另外，在图1中，Y-n-Z-P平面在Y-Z平面内，在图1的例中，表示了晶片1的表面的法线(n)在Y-Z面内从Y轴顺时针旋转而成为切割角α时的情况。
图2表示了本发明的表面弹性波元件的实施例的斜视图。在图2的实施例中，表面弹性波元件是将镧·镓硅酸盐晶体按一定的切割角(α、β)切割得到晶片(压电板)1，并将该晶片1作为表面弹性波滤波器(压电元件)，通过在上述晶片1上施加一定的电压信号，在晶片1上激励起表面弹性波，并使其沿晶片1传播。
即，在图2的实施例中，所述表面弹性波元件在由镧·镓硅酸盐晶体构成的晶片1的主面，将表面弹性波的传播面的法线方向，即表面弹性波的相位速度方向(以下称为表面弹性波的传播方向)作为(S)时，沿该表面弹性波的传播方向(S)隔有一定的间隔ΔX1，设置用于激励表面弹性波的一组激励电极对2a、2b，在一组激发电极对2a、2b上例如从电源50施加高频电压，而在晶片1表面激励表面弹性波，并使其沿晶片1传播。
另外，图3、图4表示了本发明的表面弹性波元件的另一实施例，图3是斜视图，图4是平面图。在图3、图4的实施例中，表面弹性波元件是将镧·镓硅酸盐晶体以一定的切割角(α、β)切割而得的晶片(压电板)1，并将该晶片1作为表面弹性波滤波器(压电元件)。通过对上述晶片1上施加一定的电压信号，在晶片1上激励起表面弹性波，并使其沿晶片1传播，再将沿晶片1传播的表面弹性波转换为电信号而取出。
即，图3、图4的表面弹性波元件在由镧·镓硅酸盐晶体构成的晶片1的主面，将表面弹性波的传播面的法线方向，即表面弹性波的相位速度方向(以下称为表面弹性波的传播方向)作为(S)时，沿该表面弹性波的传播方向(S)隔有一定的间隔ΔX1，设置用于激励表面弹性波的一组激励电极对2a、2b，另外，在晶片1的主面，沿该表面弹性波的传播方向(S)，隔有一定的间隔ΔX2，设置用于将沿晶片1传播的表面弹性波变换成电信号而取出的一组取出电极对3a、3b。另外，激发电极对2a、2b与取出电极对3a、3b是沿表面弹性波的传播方向(S)并列设置的。据此还得知，方向(S)可以定义为激励电极对2a、2b的主轴方向，或者，可以定义为激励电极对2a、2b的中心与取出电极对3a、3b的中心的连接线上的方向。
另外，在图3、图4的表面弹性波元件中，也可以在上述晶片1上再形成一对用于反射沿晶片传播的表面弹性波的反射体4、5。在形成一对反射体4、5的情况下，此表面弹性波元件的功能是作为使激励的表面弹性波在该反射体4、5之间振荡(共振)的振荡器。
本发明的目的是提供一种温度稳定性高的且小型化的表面弹性波元件，为实现该目的，本申请的发明者在图2、图3及图4的实施例中，作为第一种结构提出：将镧·镓硅酸盐晶体的晶轴分别作为X轴(电气轴)、Y轴(机械轴)、Z轴(光学轴)时，上述晶片1的表面的法线(n)在Y-Z面内从Y轴逆时针旋转与Y轴所成的角度为20°≤α≤40°，另外，上述表面弹性波的传播方向(S)在晶片1的表面内从X轴逆时针旋转与X轴所成的角度为35°≤β≤70°，可以看出将上述晶片1可如上述方式切割。
本申请的发明者在图2、图3及图4的实施例中，作为第二种结构提出：将镧·镓硅酸盐晶体的晶轴分别作为X轴(电气轴)、Y轴(机械轴)、Z轴(光学轴)时，上述晶片1的表面法线(n)在Y-Z面内从Y轴顺时针旋转与Y轴所成的角度为-15°≤α≤15°，另外，上述表面弹性波的传播方向(S)在晶片1的表面内从X轴逆时针旋转与X轴所成角度为70°≤β≤120°，可以看出将上述晶片1可如上述方式切割。
由于使用了这样的切割角(α、β)的晶片1可以得到温度稳定性高且小型化的表面弹性波元件。
以下说明图2或图3、图4的表面弹性波元件的具体的结构、尺寸。在上述第一、第二结构中的任何一个，晶片1的大小(尺寸)可以小型化为长度L为4.4mm左右、宽度W为1.9mm左右、厚度D为0.4mm。
图5为图4的A-A线的剖面图，参照图5，一组激励电极对2a、2b，一组取出电极对3a、3b，是由厚度E为1200左右的导电性材料制成的，并从表面埋入晶片1的深度为500左右。即，从晶片的表面仅突出700左右。于是，一组激发电极对2a、2b之间的间隔ΔX1、一组取出电极对3a、3b之间的间隔ΔX2设定为例如1.5μm左右。另外，一组激发电极对2a、2b的中心与一组取出电极对3a、3b的中心之间的间隔L1设定为例如3mm左右。
图6是图4的B-B线的剖面图，参照图6，一侧的反射体4是在晶片1上以0.3μm的间距周期地形成深500、宽1.5μm的沟4a。另外，另一侧的反射体5(图中未示出)也与上述一侧的反射体4一样，以3.0μm的间距周期地在晶片1上形成深500、宽1.5μm的沟。于是，一侧的反射体4与另一侧的反射体5对于在晶片1上传播的表面弹性波来说，发挥一对反射系统(Two Grooves Reflectors)的功能。此时，反射体4、5之间的间隔L2设定为例如5mm左右。
图2或图3、图4所示的表面弹性波滤波器上在激发电极对2a、2b之间从电源50施加作为输入信号的高频电压(例如，400～600MHz左右的频率、0.1V左右的电压幅度)，则由激发电极对2a、2b，在镧·镓硅酸盐晶体的晶片1上激励起表面弹性波。这样激励起的表面弹性波以2.5～2.9Km/s的传播速沿晶片1传播。此时的表面弹性波的传播速度(即，设备的特性频率的温度依赖性小，在温度范围-24～+44℃内，表面弹性波的频率的变化为1×10-6MHz/℃左右。在图3、图4的实施例中，可以将沿晶片1传播的表面弹性波从取出电极对3a、3b上作为电信号取出。即，表面弹性波到达取出电极对3a、3b时，在取出电极对3a、3b之间引起电压，可将该引起电压作为输出信号取出。此时，在取出电极3a、3b之间取出的输出信号频率为400～600MHz左右，电压幅度为0.07V左右。
这样，使用以第一或第二种结构的切割角(α、β)切割的晶片1的表面弹性波元件中，可以得到沿晶片1传播的表面弹性波的传播速度与原来的2.5～2.9km/s的传播速度相比较小的速度，因而元件(设备)的尺寸也可比现有的小。
另外，以第一或第二种结构的切割角(α、β)切割出的晶片1的表面弹性波元件中，表面弹性波的传播速度(即，设备的特性频率)的温度依赖性小，在温度范围-24～+44℃中，表面弹性波的频率变化为1×10-6Hz/℃，与现有技术相比，温度稳定性提高了。
在本发明的表面弹性波元件中，激发电极对2a、2b，取出电极对3a、3b的形状和大小等可以任意设定。另外，就一对反射体4、5而言，其形状和大小也可以任意设定，再者，一对反射体4、5除在晶片1上形成沟外，也可通过蒸镀形成。
作为本发明的一个实施例，本申请的发明者制成如图7所示的表面弹性波元件(振荡器)，并对其特性进行研究。在此，在晶片1中，将La3 Ga5 SiO14晶体以上述的第一种结构或第二种结构的切割角(α、β)切割而得。另外，以该切割角(α、β)切割，在经研磨的表面上通过光刻法蒸镀，形成两组电极对(2a，2b)、(3a，3b)，即，IDT(Inter Digital Transduser)系统，另外形成两组反射体4、5，即沟道一反射体系统。
而且，作为晶片1的大小(尺寸)，可以设定为长L为4.4mm，宽度W为1.9mm，厚度D为0.4mm的小型尺寸。另外，一组激发电极对2a、2b之间的间隔ΔX1、一组取出电极对3a、3b之间的间隔ΔX2设定为1.5μm。于是，从电源50向激发电极对2a、2b之间外加作为输入信号的高频电压(例如，400～600MHz左右的频率，0.1V左右的电压幅度)，通过激励电极对2a、2b，在镧·镓硅酸盐晶体的晶片1上激励起表面弹性波。
在图8中，表示了基于这种构成的表面弹性波元件的中心频率数的实验的温度特性的一例。
即，在上述表面弹性波元件中，激发的表面弹性波以2.5～2.9km/s的传播速度沿晶片传播，此时的表面弹性波的传播速度(即，设备的特征频率)的温度依赖性小，在温度范围-24～+44℃之间，振荡频率数的变化为1×10-5MHz/℃。该特性与现有类型的表面弹性波元件的相同特性相比要好得多。
再者，本申请的发明者准备了两个(SP1、SP2)以第一种结构的切割角(α、β)切割的晶片的表面弹性波元件的试验材料，另外，准备了两个(SP3、SP4)以第二种结构的切割角(α、β)切割的晶片的表面弹性波元件的试验材料。于是，对于每个试验材料SP1、SP2、SP3、SP4，研究了几个温度点的振荡频率(中心频率)(MHz)下表(表1)表示了实验结果。
[表1]
                         振荡频率数(中心频率数)(MHz)
从表1中可以看出，每个试验材料SP1、SP2、SP3、SP4与现有类型的表面弹性波元件相比都有很好的温度稳定性。另外，由于表面弹性波的传播速度小，所以设备的尺寸也可小型化。
另外，本申请的发明者也准备了以上述第一、第二种结构以外的切割角(α、β)切割的晶片(即，以20°≤α≤40°，35°≤β≤70°的角度范围、-1.5°≤α≤15°，70°≤β≤120°的角度范围的每个范围以外的角度切割的晶片)的表面弹性波元件的试验材料，同样，研究其在各温度点的振荡频率(中心频率)(MHz)。其结果表明，在使用上述第一、第二种结构以外的切割角(α、β)切割的晶片的试验材料中，温度稳定性显著下降(最高为30ppm/℃)。
以此看出，与现有类型的表面弹性波元件相比显著地提高了温度稳定性，另外，为了进一步降低表面弹性波的传播速度、使设备的尺寸小型化，最好将镧·镓硅酸盐晶体的晶片按上述第一或第二种结构的切割角(α、β)切割。
如以上说明，根据本发明的第一种结构，是将镧·镓硅酸盐晶体以一定的切割角α切割而得的晶片，将镧·镓硅酸盐晶体的晶轴分别作为X轴(电气轴)、Y轴(机械轴)、Z轴(光学轴)时，上述晶片的表面法线(n)在Y-Z面内从Y轴逆时针旋转与Y轴所成的角度为20°≤α≤40°，或者，该晶片的表面法线(n)在Y-Z面内从Y轴顺时针旋转与Y轴所成的角度为-1.5°≤α≤15°。这样切割后，使用此晶片制造表面弹性波元件时，温度稳定性高，且可提供小型化的表面弹性波元件。
根据本发明的第一～第五种结构；是将镧·镓硅酸盐晶体按一定的切割角(α、β)切割而得的晶片的表面弹性波元件，通过向上述晶片施加一定的电压信号而在晶片上激励起表面弹性波并使其沿晶片传播，将镧·镓硅酸盐晶体的晶轴分别作为X轴(电气轴)、Y轴(机械轴)、Z轴(光学轴)时，上述晶片的表面法线(n)在Y-Z面内从Y轴逆时针旋转与Y轴所成的角度为20°≤α≤40°，另外，上述表面弹性波的传播方向(S)在晶片的表面内从X轴逆时针旋转与X轴所成的角度为35°≤β≤70°而切割晶片，或者晶片的表面法线(n)在Y-Z面内从Y轴顺时针旋转与Y轴所成的角度为-1.5°≤α≤15°，另外，上述表面弹性波的传播方向(S)在晶片的表面内从X轴逆时针旋转与X轴所成的角度为70°≤β≤120°而切割晶片，所以可得到温度稳定性高且小型化的表面弹性波元件。

Claims (5)

1.一种晶片，其特征在于，所述晶片是将镧·镓硅酸盐晶体以一定的切割角α切割而得的晶片，将镧·镓硅酸盐晶体的晶轴分别作为X轴(电气轴)、Y轴(机械轴)、Z轴(光学轴)时，上述晶片是以其表面法线(n)在Y-Z面内从Y轴的逆时针旋转角度为20°≤α≤40°，或者所述晶片的表面的法线(n)在Y-Z面内从Y轴顺时针旋转的角度为-1.5°≤α≤15°的方式切割而得。
2.一种表面弹性波元件，其特征在于，所述弹性波元件是采用将镧·镓硅酸盐晶体以一定的切割角(α、β)切割所得的晶片的表面弹性波元件，通过向所述晶片施加一定的电压信号，在晶片上激励起表面弹性波并使其沿晶片传播，将镧·镓硅酸盐晶体的晶轴分别作为X轴(电气轴)、Y轴(机械轴)、Z轴(光学轴)时，所述晶片是以其表面法线(n)在Y-Z面内从Y轴逆时针旋转角度为20°≤α≤40°，或者，所述表面弹性波的传播方向(S)在所述晶片的表面内从X轴逆时针旋转的角度为35°≤β≤70°的方式切割。
3.一种表面弹性波元件，其特征在于，所述表面弹性波元件是采用将镧·镓硅酸盐晶体以一定的切割角(α、β)切割所得的晶片的表面弹性波元件，通过向所述晶片施加一定的电压信号，在晶片上激励起表面弹性波并使其沿晶片传播，将镧·镓硅酸盐晶体的晶轴分别作为X轴(电气轴)、Y轴(机械轴)、Z轴(光学轴)时，所述晶片是以其表面法线(n)在Y-Z面内从Y轴逆时针旋转角度为-1.5°≤α≤15°，或者，所述表面弹性波的传播方向(S)在所述晶片的表面内从X轴逆时针旋转的角度为70°≤β≤150°的方式切割。
4.如权利要求2或3所述的表面弹性波元件，其特征在于，在所述晶片上，用于激励表面弹性波的激励电极对和用于将沿晶片传播的表面弹性波转换为电信号而取出的取出电极对是沿所述表面弹性波的传播方向(S)并列设置的。
5.如权利要求4所述的表面弹性波元件，其特征在于，在所述晶片上还形成有用于反射沿晶片传播的表面弹性波的反射体。
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