CN1221523A - 弹性表面波元件 - Google Patents

Abstract

在钽酸锂或铌酸锂制的基板(1)上形成以铝为主要成分的帘状电极(2)、(3)的弹性表面波元件中,帘状电极(2)及(3)的膜厚相对于连接在共同端子上的多个电极指的指周期的比率以传播损耗为目标函数进行最优化处理,设定在0.03至0.10的范围内。这样,能够比以往降低传播损耗。

Description

弹性表面波元件

技术领域

本发明涉及采用能够激发纵波分量比横波分量强的弹性表面波或纵波分量比横波分量强的假弹性表面波或纵波分量比横波分量强的表面滑动体积波的基板的弹性表面波元件。

背景技术

近年来，在车载电话等通信调备中，广泛采用弹性表面波元件作为谐振器滤波器及信号处理用延迟线等电路元件。弹性表面波元件，如图5所示，在有压电性的基板(1)表面形成帘状电极(2)及(3)以及格子状反射器(未图示)，进行电信号与弹性表面波的相互变换。

这里，弹性表面波如字面意思所示是沿弹性体表面传播的表面波，其能量不向基板内部辐射。作为这样的弹性表面波迄今为止已发现有几种激发模态，例如已知的瑞利(Rayleigh)波，妹泽(Sezawa)波、洛夫(Love)波及压电表面滑动波等。

在瑞利波及妹泽波中，在与传播方向相同方向具有位移的纵波与在基板深度方向具有位移的横波两个分量都较强。而在洛夫波及压电表面滑动波中，具有与基板表面平行而且与传播方向垂直的立移的横波分量转强。另外，通常在压电基板中，存在“慢横波”“快横波”“纵波”这三种体积波(bulk波)，而弹性表面波以比“慢横波”更慢的相速度传播。

另外，还知道有一面沿弹性体深度方向辐射能量一面沿表面传播的弹性波，又叫做假弹性表面波或泄漏弹性表面波。最初发现的假弹性表面波是具有与基板表面平行而且与传播方向垂直的位移的横波分量较强，其相速度处于“慢横波”与“快横波”之间。

特别是近年来，相继发现了纵波分量较强的假弹性表面波(参照日本国公开专利公报平6-112763号及第15届关于超声波电子学基础及应用的学术讨论会讲演预稿集，平成6年，185～186页)。以这些纵波为主要分量的假弹性表面波的相速度处于“快横波”与“纵波”之间。

另外，有的情况是利用帘状电极激发沿基板表面附近传播的体积波，而用同一基板上别的帘状电极进行检测。这样的体积波叫做表面滑动体积波。表面滑动体积波对应于通常的体积波可以认为存在三种类型。但是，现在在这里主要是指具有与基板表面平行而且与传播方向垂直的位移的横波分量较强的表面滑动体积波。

在弹性体的特性中，有音速、传播损耗、电气-机械耦合系数等，这些特性直接与应用弹性表面波元件的电路的设计参数有关。

帘状电极或格子状反射器的电极指的周期T由于具有与弹性波波长相等的数值，因此当频率一定时，音速越低，波长也越小，电极的制作变得困难。因而，希望音速高些。

另外，弹性表面波谐振器的谐振锐度及弹性表面波滤波器的插入损耗直接与弹性表面波传播损耗有关，因此，希望传播损耗小些。

另外，电气-机械耦合系数是表示输入的电信号能量变换为弹性表面波能量时的转换率。若帘状电极的电极指的个数增加得足够多，则即使电气-机械耦合系数小，也能够激发任意能量的弹性波，但由于这时帘状电极所具有的电容量变大，很难与外电路阻抗匹配，为了阻抗匹配，必须要有另外的匹配电路。另外，已知帘状电极的电极指的个数大致与弹性表面波元件的工作频率范围成反比，因此若增加电极指的个数，则能够实现的特性被限制在狭窄的频带内。因而，希望电气-机械耦合系数大些。

以往，关于纵波及具有深度方向位移的横波两个分量都较强的弹性波(例如瑞利波及妹泽波)及具有与表面平行而且与传播方向垂直的位移的横波分量较强的弹性波(例如压电表面滑动波、洛夫波、横波型假弹性表面波及横波型表面滑动体积波)，已经知道改善上述各特性的基板条件(例如晶轴与弹性表面波传播方向的关系)及电极条件(例如电极指周期及膜厚)(1994年电子情报通信学会春季大会预稿集“A-437”、“A-438”、Japanese Journal of Applied Physics,vol.29(1990)Supplement 29-1,pp.119-121、Japanese Journal of Applied Physics,vol.30(1991)Supplernent30-1,pp.143-145等)。

但是，关于纵波分量比横波分量强的弹性表面波(纵波型弹性表面波)、纵波分量比横波分量强的假弹性表面波(纵波型假弹性表面波)以及纵波分量比横波分量强的表面滑动体积波(纵波型表面滑动体积波)，用于改善上述各特性的电极条件尚不清楚。

特别是纵波型假弹性表面波具有超过6000m/s的音速及超过2％的电气-机械耦合系数，从这几点来说对于作为弹性表面波元件的实用化是有利的，但在采用以往的纵波型假弹性表面波的弹性表面波元件中，其传播损耗达每1个波长0.5dB，是非常大的数值，这成了实用化的障碍。

本发明的目的在于对采用能够激发纵波型弹性表面波、纵波型假弹性表面波或纵波型表面滑动体积波的基板的弹性表面波元件，阐明能够降低传播损耗的电极条件，提供比以往的元件性能高的弹性表面波元件。

发明内容

本发明涉及的弹性表面波元件是在能够激发纵波分量比横波分量强的弹性表面波、纵波分量比横波分量强的假弹性表面波或纵波分量比横波分量强的表面滑动体积波的基板表面形成由导电性薄膜构成的帘状电极构成的。这里，帘状电极膜厚相对于连接于共同端子的多个电极指的指周期的比率以传播损耗作为目标函数进行最优化处理。

例如，纵波型假弹性表面波将其能量的大部分集中在从表面起有几个波长左右的深度的范围内。因而，若在该基板上形成薄膜，则弹性波的特性要受到薄膜的影响。特别是由于构成帘状电极的导电性薄膜与基板相比，音速低，因此能抑制向基板深度方向的能量辐射，降低传播损耗。

抑制该能量辐射的效果随着导电性薄膜的厚度增加而增加，对于一定值以上的厚度，向基板内的辐射就没有了，因而纵波型假弹性表面波成了纵波型弹性表面波。但是，一旦导电性薄膜的膜厚与电极指周期的关系超过一定值，将在导电性薄膜内部激发新的弹性表面波，产生高阶模态，在导电性薄膜内部积聚能量，传播损耗反而变大。

因而，导电性薄膜厚度在与电极指周期的关系上存在以传播损耗作为目标函数的最佳值。

所以，在上述本发明的弹性表面波元件中，通过对膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率进行最佳化处理，将传播损耗抑制于最小值。

具体的构成是，基板是由钽酸锂制成，帘状电极是由以铝为主要成分的导电材料或与铝有相同比重的导电材料形成。在这样的构成中，通过将膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率设定在0.03～0.10的范围内，就能够使传播损耗比以往大大降低。将该比率设定在0.05至0.09的范围内，更理想的是设定为0.08或实际上相当于0.08的值，就能够将传播损耗抑制到最小值。

更加具体地说，纵波分量比横波分量强的弹性表面波、纵波分量比横波分量强的假弹性表面波或纵波分量比横波分量强的表面滑动体积波的传播方向以欧拉角表示，设定在40度至90度。40度至90度、0度至60度及与之等效的范围内。这样，能够得到更高的音速及更大的电气-机械耦合系数。

具体的构成是，基板由铌酸锂制成，帘状电极是以铝为主要成分的导电材料或与铝有相同比重的导电材料形成的。在这样的构成中，通过将膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率设定在0.03～0.10的范围内，就能够使传播损耗比以往大大降低。将该比率设定在0.07至0.09的范围内，最理想是设定为0.08或实际上相当于0.08的值，就能够将传播损耗抑制于最小值。

更加具体地说，纵波分量比横波分量强的弹性表面波、纵波分量比横波分量强的假弹性表面波或纵波分量比横波分量强的表面滑动体积波的传播方向以欧拉角表示，设定在40度至90度、40度至90度、0度至70度及与之等效的范围内。这样，能够得到更高的音速及更大的电气-机械耦合系数。

另外，所谓欧拉角表示，是利用三个角度的组合(φ、θ、ψ)来规定切割面及弹性表面波传播方向的众所周知的表示方法。即如图6所示，将晶轴设为X、Y、Z时，以Z轴为中心，将X轴向Y轴一侧旋转φ角，以此作为A1轴。接着以A1轴为中心、将Z轴反时针旋转θ角，以此作为A2轴。以该A2轴作为法线，在含有A1轴的面方位切割，作为基板。然后，在以该面方位切割的基板上，将以A2轴为中心使A1轴反时针旋转ψ角的轴作为A3轴，将该A3轴作为弹性表面波传播方向。这时，将切割面及弹性表面波传播方向表示为欧位角(φ、θ、ψ)。

在上述本发明涉及的弹性表面波元件中，通过在能够激发纵波型弹性表面波、纵波型假弹性表面波或纵波型表面滑动体积波的基板表面形成具有适当电极指周期及膜厚的帘状电极，能够使纵波型弹性表面波、纵波型假弹性表面波或纵波型表面滑动体积波的传播损耗为最小。

附图概述

图1为表示在钽酸锂制基板上形成铝帘状电极的弹性表面波元件中、膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率与插入损耗的关系的曲线图。

图2为表示图1的弹性表面波元件中膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率与音速的关系的曲线图。

图3为表示在铌酸锂制基板上形成铝帘状电极的弹性表面波元件中，膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率与插入损耗的关系的曲线图。

图4为表示同上的弹性表面波元件中膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率与音速的关系的曲线图。

图5为表示弹性表面波滤波器的帘状电极的平面图。

图6为欧拉角表示的说明图。

本发明的最佳实施形态

第1实施例

本实施例的弹性表面波元件是采用钽酸锂作为能够激发纵波型假弹性表面波的基板材料，在该基板上形成由铝构成的帘状电极。

将该弹性表面波元件作为对象，为了阐明使其传播损耗为最小的电极条件，如图5所示在钽酸锂制基板(1)上形成由铝薄膜构成的输入用帘状电极(2)及输出用帘状电极(3)的弹性表面波滤波器，制作了一些膜厚及电极指周期T不一样的样品，利用网络分析器测量它们的插入损耗及音速。

另外，基板(1)厚度为0.35，各帘状电极(2)及(3)的电极指对数为100，电极指重叠宽度为600μm。

另外，纵波型假弹性表面波的传播方向以欧拉角表示设定为40度至90度、40度至90度、0度至60度，比较理想的是设定为80度至90度、80度至90度、20度至40度，再理想一点的是设定为88度至90度、88度至90度、30度至32度，最理想的是设定为90度。90度、31度。关于这些角度范围的优先级已经有报告发表(参照例如第15届关于超声波电子学基础及应用的学术讨论会讲演预稿集、平成6年、185页～186页)。

图1以横轴表示膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率，以纵轴表示插入损耗，将上述几个样品的测量结果绘成曲线。

由该曲线图可知，随着膜厚相对于电极指周期的比率从0增大，插入损耗从20dB渐渐下降，以该比率为0.03的一点为界，其下降趋势急剧增加。而且，该比率一超过0.05，插入损耗就低于15dB，进一步在该比率约为0.08处达到最小值10dB。另外，在该比率大于0.08到约0.10为止的范围内插入损耗略有增大，但其值被抑制在12dB以下。

但是，一旦该比率达到0.11，则插入损耗值急剧增大至超过35dB的值。然后，随着该比率变得大于0.11并逐渐变大，插入损耗慢慢减少，但其值仍为超过25dB的较大数值。

因此，膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率设定在0.03至0.10范围内，理想的是设定在0.05至0.09范围内，更为理想的是设定为0.08或实际上相当于0.08的值。这样，传播损耗将比以往的低，能够减少到实用范围。

另外，如图1所示，插入损耗的变化曲线在中间发生急剧变化，分成2条曲线A及B，这是因为由于膜厚相对于电极指周期的比率超过约0.11，在电极内部激发了不同的弹性表面波，产生高阶模态。该高阶模态的产生，从图2的结果也可以看出来。

图2是横轴表示膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率，纵轴表示音速的上述几个样品的测量结果曲线。如图所示，膜厚相对于电极指周期的比率约0.11处音速变化变得不连续，明显分成2条变化曲线A′及B′。根据该结果可以说，在该比率为约0.11处发生高阶模态。

如上所述，在本发明的弹性表面波元件中，利用在具有特定基板条件的钽酸锂基板上形成具有特定电极条件的铝帘状电极，能够激发纵波型假弹性表面波，并能够得到高音速及大的电气-机械耦合系数，同时能比以往大幅度降低传播损耗。

第2实施例

本实施例的弹性表面波元件是采用铌酸锂作为能够激发纵波型假弹性表面波的基板材料，在该基板上形成由铝构成的帘状电极。

将该弹性表面波元件作为对象，为了阐明使其传播损耗为最小的电极条件，与第1实施例相同，在铌酸锂制基板(1)上形成由铝薄膜构成的输入用帘状电极(2)及输出用帘状电极(3)的弹性表面波滤波器，制作了几个膜厚及电极指周期T不一样的样品，利用网络分析器测量它们的插入损耗及音速。

另外，基板(1)厚度为0.35mm，各帘状电极(2)及(3)的电极指对数为100，电极指重叠宽度为600μm。

另外，纵波型假弹性表面波的传播方向以欧拉角表示，设定为40度至90度、40度至90度、0度至70度，比较理想的是设定为80度到90度、80度至90度、20度至50度，再理想的是设定为88度至90度、88度至90度、35度至40度，最理想的是设定为90度、90度、37度。关于这些角度范围的优先级已经有报告发表(参照例如第1 5届关于超声波电子学基础及应用学术讨论会讲演预稿集、平成6年、185页～186页)。

图3是以横轴表示膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率，以纵轴表示插入损耗，表达上述几个样品的测量结果的曲线。

由该曲线可知，随着膜厚相对于电极指周期的比率从0增大，插入损耗渐渐从23dB下降，以该比率为0.03的一点为界，其下降趋势急剧增加。而且，该比率一超过0.07，插入损耗就低于15dB。进一步在该比率约为0.08处达到最小值11.5dB。另外，在该比率从0.08到约0.10为止的范围内插入损耗略有增大，但其值被抑制在12dB以下。

但是，该比率一达到约0.11，插入损耗值就急剧增大至超过27dB的值，然后。随着该比率大于0.11并逐渐变大，则插入损耗慢慢减少，但其值仍然是超过21dB的较大数值。

因此，膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率设定在0.03至0.10范围内，理想的是设定在0.07至0.09范围内，更为理想的是设定为0.08或实际上相当于0.08的值。这样，传播损耗将比以往低，能够减少到实用范围。

另外，如图3所示，插入损耗的变化曲线在中间发生急剧变化，分成2条曲线A及B，这是因为与第1实施例相同，由于膜厚相对于电极指周期的比率超过约0.11将产生高阶模态。该高价模态的产生、从图4的结果也可以看出。

图4是以横轴表示膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率，以纵轴表示音速的上述几个样品的测量结果的曲线。如图所示，在膜厚相对于电极指周期的比率为0.11处音速变化变得不连续，明显分成2条变化曲线A′及B′。根据该结果可以说，在该比率为0.11处发生高阶模态。

如上所述，在本发明的弹性表面波元件中，利用在具有特定基板条件的铌酸锂基板上形成具有特定电极条件的铝帘状电极，能够激发纵波型假弹性表面波，并能够得到高音速及大的电气-机械耦合系数，同时能比以往大幅度降低传播损耗。

另外，作为能够激发纵波型假弹性表面波的基板，除钽酸锂基板及铌酸锂基板外，还可以采用四硼酸锂基板，关于在该基板上要形成的帘状电极，与上面所述相同，对膜厚相对于电极指周期的比率进行最优化处理，能够谋求降低传播损耗。

在四硼酸锂制的基板上形成由铝构成薄膜的弹性表面波元件中，将纵波型假弹性表面波的传播方向以欧拉角表示，设定为0度至50度、15度至75度、40度至90度的范围，比较理想的是设定为0度至10度、40度至50度、80度至90度的范围，再理想一点是设定为0度至2度、44度至46度、88度至90度的范围，最理想的是设定为0度、45度、90度。这样，能够得到高音速，同时能够得到大的电气-机械耦合系数。

上述实施形态的说明，目的是为说明本发明，但不应该理解为限定权利要求所述的发明或缩小范围。另外，本发明各部分的结构不限于上述实施形态，当然在权利要求书所述技术范围内可以有各种变化。

工业应用性

本发明涉及的弹性表面波元件适于作为移动电话等通信设备的高频滤波器及信号处理用延迟线等电路元件使用。

Claims (10)

1．一种弹性表面波元件，在能够激发纵波分量比横波分量强的弹性表面波、纵波分量比横波分量强的假弹性表面波或纵波分量比横波分量强的表面滑动体积波的基板的表面形成由导电性薄膜构成的帘状电极而成，其特征在于，帘状电极的膜厚相对于连接于共同端子的多个电极指的指周期的比率以传播损耗作为目标函数进行最优化处理。

2．如权利要求1所述的弹性表面波元件，其特征在于，薄膜由以铝为主要成分的导电材料或与铝有相同比重的导电材料形成，膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率设定在0.03至0.10的范围内。

3．如权利要求1所述的弹性表面波元件，其特征在于，基板由钽酸锂制成，薄膜由以铝为主要成分的导电材料或与铝有相同比重的导电材料形成，膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率设定在0.03至0.10的范围内。

4．如权利要求3所述的弹性表面波元件，其特征在于，膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率设定在0.05至0.09的范围内。

5．如权利要求4所述的弹性表面波元件，其特征在于，膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率设定为0.08或实质上相当于0.08的值。

6．如权利要求3所述的弹性表面波元件，其特征在于，纵波分量比横波分量强的弹性表面波、纵波分量比横波分量强的假弹性表面波或纵波分量比横波分量强的表面滑动体积波的传播方向以欧拉角表示，设定在40度至90度、40度至90度、0度至60度及与之等效的范围内。

7．如权利要求1所述的弹性表面波元件，其特征在于，基板由铌酸锂制成，薄膜由以铝为主要成分的导电材料或与铝有相同比重的导电材料形成，膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率设定在0.03至0.10的范围内。

8．如权利要求7所述的弹性表面波元件，其特征在于，膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率设定在0.07至0.09的范围内。

9．如权利要求8所述的弹性表面波元件，其特征在于，膜厚相对于帘状电极的电极指周期的比率设定为0.08或实质上相当于0.08的值。

10．如权利要求7所述的弹性表面波元件，其特征在于，纵波分量比横波分量强的弹性表面波、纵波分量比横波分量强的假弹性表面波或纵波分量比横波分量强的表面滑动体积波的传播方向以欧拉角表示，设定于40度至90度、40度至90度、0度至70度及与之等效的范围内。

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