CN1248410C - 利用压电衬底非对称最优化切割的表面声波器件 - Google Patents

利用压电衬底非对称最优化切割的表面声波器件 Download PDF

Info

Publication number
CN1248410C
CN1248410C CNB018147801A CN01814780A CN1248410C CN 1248410 C CN1248410 C CN 1248410C CN B018147801 A CNB018147801 A CN B018147801A CN 01814780 A CN01814780 A CN 01814780A CN 1248410 C CN1248410 C CN 1248410C
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode
angle
scope
piezoelectric substrates
acoustic wave
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
CNB018147801A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1476668A (zh
Inventor
N·F·瑙曼科
B·P·阿伯特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Soitec SA
Triquint Inc
Original Assignee
Soitec SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=22861606&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=CN1248410(C) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Soitec SA filed Critical Soitec SA
Publication of CN1476668A publication Critical patent/CN1476668A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN1248410C publication Critical patent/CN1248410C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/46—Filters
    • H03H9/64—Filters using surface acoustic waves
    • H03H9/6423—Means for obtaining a particular transfer characteristic
    • H03H9/6433—Coupled resonator filters
    • H03H9/6483—Ladder SAW filters
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02535—Details of surface acoustic wave devices
    • H03H9/02543—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles
    • H03H9/02559—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles of lithium niobate or lithium-tantalate substrates

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Abstract

一种表面声波器件，包含单晶LiTaO3的压电衬底和设置在压电衬底表面上形成谐振器的电极图形，电极图形具有在衬底表面上激励的表面声波的声波波长的大约1%至15%范围内的电极厚度。压电衬底具有由欧拉角(λ，μ，θ)限定的非对称取向，角λ在-4°至4°的范围内，角μ在大约-52°至大约-36°的范围内，角θ在大约(-1.365λ-4)°至(-1.365λ+4)°的范围内。与在谐振和反谐振频率的最佳化传播损耗同时结合的这种取向提供了在RF应用中改善的性能。

Description

利用压电衬底非对称 最优化切割的表面声波器件
相关申请的交叉参考
本申请要求与本申请共同拥有的、2000年8月31日共同未审的申请序列号No.60/229,523为优先权并引入作为参考。
技术领域
本发明总的来说涉及表面声波(SAW)器件，更具体地说，涉及用于无线通讯的RF滤波的、具有改进性特征的SAW器件。
背景技术
高频表面声波(SAW)器件广泛用于无线通讯产品，尤其是用于发送和接收的射频(RF)滤波器。这种滤波器经常利用形成在单晶压电衬底上的谐振SAW器件作为元件来产生希望的滤波功能。通常用于RF滤波器的一种单晶压电衬底是钽酸锂(LiTaO3)，它具有用于这种滤波器的一些所需的特性。任何晶体衬底的性能特征都随着所选择的波传播方向而变化，这可以用欧拉角(Euler angles)来定义：Ueda etal在美国专利No.6,037,847和美国专利No.5,874,869中描述了用于特定应用的尤其令人满意的切割。美国专利No.6,037,847指出使用具有欧拉角(λ，μ，θ)的LiTaO3，使得λ和θ固定(设定在零)，μ随着金属化的类型和所用的厚度而变。对于包含Al作为主成份并且形成的谐振器厚度是波长Λ的0.03-0.15倍(即3％Λ至15％Λ)的电极图形，最佳的旋转角μ大于-51°，这对应于旋转39°的YX切割，并且小于-44°，这对应于旋转46°的YX切割(Y切割的旋转角确定为μ’＝μ+90°)。存在其它的限制表明中心定在-48°(旋转42°的YX切割)的具有旋转角μ的欧拉角范围最好。对于具有Cu作为主成份的电极图形来说，该电极具有0.9％Λ至4.5％Λ的厚度，选择的旋转角μ大于-51°而小于-44°。对于包含Au作为主成份且具有0.4％Λ至2.1％Λ厚度范围的电极图形来说，选择旋转角μ大于-51°而小于-44°。结果，US6,037,847使用大于-51°而小于-44°范围内的旋转角μ。美国专利No.5,874,869披露了对于多模式SAW器件来说使用欧拉角λ和θ固定(标称零)且μ在-50°和-48°范围内的LiTaO3，所述多模式SAW器件具有具体的器件设计特性范围。
US6,037,847和US5,874,869专利没有明确指出欧拉角λ和θ值，压电衬底具有围绕其X轴、从其Y轴向其Z轴旋转的取向，旋转角在特定的范围内，并且表面声波的传播方向设定在X方向，上述对压电衬底的描述将引导本领域技术人员理解第一欧拉角λ和第三欧拉角θ等于零。
建立在上述LiTaO3取向上的SAW器件利用泄漏的表面声波(LSAW)。与SAW相比，泄漏波具有更高的传播速度，这对于高频SAW器件来说是有利的特征。尽管通常的泄漏波沿着具有非零衰减的晶体表面传播，所述衰减由体声波辐射到晶体体内而引起，但在一定的条件下，该衰减趋于零。具有可忽略的衰减的一类泄漏波是准体波。由于晶体的自由表面，对于沿着晶界面传播的且在该面内偏振的体波来说，可以满足机械边界条件，这样称作水平偏振波。在任何晶体中，其中体波之一满足机械边界条件的取向在由三个欧拉角定义的晶体学空间中形成线。对于LiTaO3来说，在N.F.Naumenko，Sov.Phys.-Crystallography 37，pp.220-223，1992的文章中预先讨论了这种取向。尤其是，发现这些取向之一已知为旋转36°的YX切割，欧拉角(0°，-54°，0°)。这是对称取向，其特征在于传播方向平行于X轴，且是位于LiTaO3的反射对称YZ平面中晶界面的法线。对于LiTaO3，由于相应有效的压电模数与其绝对最大值的接近，沿着X轴传播且在36°旋转的YX切割平面中偏振的快速剪切体波与沿着X轴的电场分量有强烈压电耦合。至于应用于SAW器件36°旋转的YX切割有自前景的特性，可以参考K.Nakamura et al.，Proc.1977IEEE UltrasonicsSymposium，pp.819-822。
电边界条件改变了体波的本性，使其成为准体，传播速度稍低于体波的传播速度。设置在36°旋转的YX切割面上的电极图形中的惯性负载的电边界条件的影响导致衰减或传播损耗的增加。然而，如Ueda et al在美国专利No.6,037,847中所描述的，当Al电极厚度从零增加倒0.08Λ时，接近零传播损耗的取向不会消失，而是从36°YX向42°YX连续移动。类似地，对于包含Cu或Au作为主成份的电极图形来说，发现了具有零LSAW衰减的取向，该取向为金属厚度的函数。如K.Hashimoto(K.Hashimoto et al.，Proc.1997 IEEE UltrasonicsSymposium，pp.245-254)所报导的，根据由于LSAW散射到慢剪切体波中用来评估传播损耗的方法的详细描述，选择在不喇格反射的阻带下边缘处的最小传播损耗作为优化切割角的准则，所述最小传播损耗对应于LSAW谐振器的谐振频率。然而，传播损耗是频率的函数。这样，希望在带宽中使其平均值最小。如将要看到的，本发明在谐振(fr)和反谐振(fa)频率同时使传播损耗最小。
为了说明传播损耗对滤波器性能的影响，现在参考图1，图1是梯形滤波器的例子，包括三个分流器(R4，R5，R6)和三个串连(R1，R2，R3)的谐振SAW结构，并且利用42°旋转的YX切割LiTaO3衬底。对于所考虑的器件，使用谐振SAW结构既作为复合器件结构中的串连元件又作为复合器件结构中的并联(旁路)元件，可以包含格状区。在梯形滤波器中，一般使分流器的反谐振频率大约等于串连元件的谐振频率。然后在分流元件的谐振频率由传播损耗确定滤波器的下通带边缘，在串连元件的反谐振频率由传播损耗确定上通带边缘。这样，在两个频率即谐振和反谐振频率处的传播损耗是重要的，并且希望它们同时最小。
图2示出了对于用Al作为电极材料的42°旋转的YX切割LiTaO3衬底，计算的谐振和反谐振频率的传播损耗，作为用LSAW波长标准化的电极厚度h/Λ的函数。使用由Taziev(R.M.Taziev etal.，Proc.1994 IEEE Ultrasonics Symposium，pp.415-419)报导的材料常数作出上述和其它的计算，尽管发现如果采用其它的材料常数组，其结果也没有显著变化，如Kovacs(G.Kovacs et al.Proc.1990 IEEEUltrasonics Symposium，pp435-438)报导的常数。
举例来说，使电极厚度为10％Λ。在近来的RF滤波器中，尤其对于GHz应用来说，由于高的工作频率和进而的短波长，这种电极厚度是相当常见的。当在谐振频率的传播损耗相当低、大约0.003dB/Λ时，在反谐振频率，大约为高10倍的0.03dB/Λ，结果，希望滤波器的频率响应是非对称的，高频通带边缘具有更大的降低，波形系数(shape factor)增加。图3示出了与当传播损耗在谐振或反谐振频率最小的情况相比，在谐振和反谐振的传播损耗对SAW滤波器性能的影响，说明了如果使传播损耗在平均频率fo＝(fr+fa)/2最小，则可以提供更低的插入损耗和更好的波形系数。由于通带的更宽的带宽和更陡的边缘，预期有更理想的波形系数。
鉴于上面所描述的，本发明的一个目的是当电极厚度在1％Λ-15％Λ的宽范围内变化时，在包含谐振器型元件、使用LiTaO3的选定取向的SAW滤波器中提供改进的性能，尤其是减小插入损耗和提高波形系数，所述LiTaO3在谐振和反谐振频率同时具有优化的传播损耗。
具体地说，对于用Al作为主成份的电极图形来说，强烈需要提供在8％Λ-15％Λ的厚度范围中具有相当低的传播损耗(希望低于0.01dB/Λ)的衬底切割。根据美国专利No.6,037,847的图13，如果电极厚度超过8％Λ，那么在36°-YX至46°-YX的间隔中没有LiTaO3取向可以提供低如Al厚为7.5％Λ时在42°YX切割中的传播损耗。例如，具有10％Al厚，发现最小传播损耗大约为0.01dB/Λ。此外，当使用Au作为电极材料的主成份时，电极厚度在1.5％Λ-2.5％Λ范围内，以及当电极厚度在3％Λ-6％Λ范围内时，使用Cu作为电极材料的主成份时需要具有最佳传播损耗的衬底。
对于不同的应用，多种RF滤波器中电参数的具体值需要具有不同的LSAW特性值、尤其是不同的电机械耦合系数的压电衬底。然而，对低插入损耗和高工作频率的需求将通常在RF滤波器中使用的衬底切割限制到LiNbO3的μ’旋转的YX切割和LiTaO3的μ’旋转的YX切割，根据需要的电极厚度选择旋转角μ’。另一方面，由于由欧拉角(λ，μ，θ)(λ和θ零)限定的、LiTaO3的非对称取向，可以提供各种具有相当低的传播损耗的衬底切割。通过例举的LiTaO3的36°-42°旋转的Y切割，(美国专利No.6,037,847)说明了，随电极厚度的增加，准体特性(quasi-bulk nature)的低衰减泄漏波在结晶空间中连续运动，而不是消失。
本发明的教导将显示出对于非对称取向来说这种性能也是典型的，其中快剪切表面刮削体波(SSBW)满足自由面上的机械边界条件。此外，具有最佳传播损耗的非对称取向在结晶空间中形成了连续线，该线经过对称点(0，μ，0)。因此，在晶体切割面偶然偏离对称取向的情况下，定位该线可以调整传播方向，以便保持低的传播损耗。
发明内容
鉴于前面的背景，因此，本发明的一个目的是提供一种用于高频(RF)SAW器件的具有最佳取向的压电衬底，可以消除现有技术衬底取向中已知的缺点。
本发明另一个目的是提供一种表面声波器件，包括：单晶钽酸锂的压电衬底；和设置在所述压电衬底表面上的电极图形，其中所述电极图形形成具有在1％Λ至15％Λ范围内的电极厚度的谐振器，其中Λ是泄漏表面声波的声波波长，所述泄漏表面声波主要包含在所述压电衬底的所述表面上激励的剪切波分量，以及，其中所述压电衬底具有由欧拉角(λ，μ，θ)限定的非对称取向，角λ在-4°至+4°的范围内，角μ在-52°至-36°的范围内且角θ在(-1.365×λ-4)°至(-1.365×λ+4)°的范围内，其中所述角λ和θ之一不等于零度。
本发明另一个目的是提供一种表面声波器件，包括：单晶钽酸锂的压电衬底；和设置在所述压电衬底表面上的电极图形，其中所述电极图形形成具有在1.0％Λ至15％Λ范围内的电极厚度的谐振器，其中Λ是在所述压电衬底的所述表面上激励的表面声波的声波波长，其中所述压电衬底具有由欧拉角(λ，μ，θ)限定的取向，角λ在-4°至+4°的范围内，角μ在大于-44°至小于或等于-36°的范围内，且角θ在-5°至+5°的范围内。
本发明另一个目的是提供一种单晶钽酸锂的泄漏表面声波压电衬底，其中所述压电衬底包括具有由欧拉角(λ，μ，θ)限定的取向的表面，角λ在-4°至+4°的范围内，角μ在大于-44°至小于或等于-36°的范围内，角θ在-5°至+5°的范围内。
本发明另一个目的是提供一种表面声波器件，包括单晶钽酸锂压电衬底；和设置在所述压电衬底表面上的电极图形，其中所述电极图形形成大量的谐振器，所述谐振器被按串行支路或并行支路排列，形成梯型或桥式滤波器，每个所述谐振器具有谐振频率和反谐振频率，和至少一个所述谐振器的在谐振频率和反谐振频率的传播损耗小于0.01dB/Λ，每个所述谐振器具有在9％Λ到15％Λ范围内的电极厚度，其中Λ是在所述压电衬底上激励的表面声波的声波波长，并且其中所述电极的主材料成份包括铝，其中所述压电衬底具有由欧拉角(λ，μ，θ)限定的取向，角λ等于0°，角θ等于0°，且角μ在-45°到-36°的范围内。
本发明的另一个目的是提供一种SAW器件，包含谐振器型元件，利用在谐振和反谐振频率同时具有最佳传播损耗的LiTaO3的取向，具有改进的性能，同时电极厚度在从1％Λ至15％Λ的宽范围内变化，其中Λ是声波波长。
本发明的再一个目的是提供一种用于RF应用的SAW器件中多种电参数，利用由欧拉角(λ，μ，θ)(λ和θ不是零)限定的、具有小于0.01dB/Λ传播损耗和大于0.07电机械耦合系数的非对称取向，同时图形的电极厚度大于1％Λ和小于15％Λ。
本发明的另一个目的是提供对传播方向的调整，具有晶体切割面从所需的对称取向(0，μ，0)的偶然偏离，以保持低的传播损耗。这是通过找到欧拉角λ和θ的这种关系而实现的，所述欧拉角λ和θ的关系描述了具有最佳传播损耗的取向(λ，μ，θ)，同时，角λ从-4°至4°变化，角μ固定。
本发明的再一个目的是提供一种SAW器件，包含具有电极图形的单晶LiTaO3的压电衬底，所述电极图形设置在所述压电衬底的表面上且形成谐振器，其中电极图形的厚度在从1％到15％Λ的范围内，使用Al作为电极材料的主成份，其中压电衬底具有由欧拉角(λ，μ，θ)限定的取向，角λ在-4°至+4°的范围内，角μ在-52°至-36°的范围内，角θ在(-1.365×λ-4)°至(-1.365×λ+4)°范围内，其中角λ或θ不等于零。
本发明的另一个目的是提供一种SAW器件，包含具有电极图形的单晶LiTaO3的压电衬底，所述电极图形设置在所述压电衬底的表面上且形成谐振器，其中所述电极图形的厚度在从1％到2.5％Λ的范围内，使用Au作为电极材料的主成份，其中压电衬底具有由欧拉角(λ，μ，θ)限定的取向，角λ在-4°至+4°的范围内，角μ在-52°至-36°的范围内，角θ在(-1.365×λ-4)°至(-1.365×λ+4)°范围内，其中角λ或θ不等于零。
本发明的再一个目的是提供一种SAW器件，包含具有电极图形的单晶LiTaO3的压电衬底，所述电极图形设置在压电衬底的表面上且形成谐振器，其中电极图形的厚度在从1％到6％Λ的范围内，使用Cu作为电极材料的主成份，其中压电衬底具有由欧拉角(λ，μ，θ)限定的取向，角λ在-4°至+4°的范围内，角μ在-52°至-36°的范围内，角θ在(-1.365×λ-4)°至(-1.365×λ+4)°范围内，其中角λ或θ不等于零。
本发明的另一个目的是提供一种SAW器件，包含具有电极图形的单晶LiTaO3的压电衬底，所述电极图形设置在压电衬底的表面上且形成谐振器，其中电极图形的厚度在从5％到15％Λ的范围内，使用Al作为电极材料的主成份，其中压电衬底具有由欧拉角(0，μ，0)限定的取向，角μ在-44°至-36°的范围内。
本发明的另一个目的是提供一种SAW器件，包含具有电极图形的单晶LiTaO3的压电衬底，所述电极图形设置在压电衬底的表面上且形成谐振器，其中电极图形的厚度在从1.5％到2.5％Λ的范围内，使用Au作为电极材料的主成份，其中压电衬底具有由欧拉角(0，μ，0)限定的取向，角μ在-44°至-36°的范围内。
本发明的另一个目的是提供一种SAW器件，包含具有电极图形的单晶LiTaO3的压电衬底，所述电极图形设置在压电衬底的表面上且形成谐振器，其中电极图形的厚度在从3％-6％Λ的范围内，使用Cu作为电极材料的主成份，其中压电衬底具有由欧拉角(0，μ，0)限定的取向，角μ在-44°至-36°的范围内。
附图说明
图1是作为滤波器例子的梯形滤波器的示意图，其中需要将传播损耗在谐振和反谐振频率同时最小化；
图2示出了对于LiTaO3的42°旋转的YX切割上的LSAW，在谐振和反谐振频率处的传播损耗作为Al电极厚度的函数曲线图，所述电极厚度以波长为标准；
图3说明了在谐振和反谐振频率，增加的传播损耗对梯形SAW滤波器性能的影响的示意曲线图；
图4说明了参考最初的晶轴X、Y、Z，利用欧拉角晶面取向和该面内的传播方向；
图5是针对在LiTaO3的μ’旋转的YX切割上具有Al电极的图形来说，在谐振频率，传播损耗作为切割角μ’和标准化电极厚度的函数的等高线图；
图6是针对在LiTaO3的μ’旋转的YX切割上具有Al电极的图形来说，在反谐振频率，传播损耗作为切割角μ’和标准化电极厚度的函数的等高线图；
图7是针对在LiTaO3的μ’旋转的YX切割上具有Al电极的图形来说，平均传播损耗作为切割角μ’和标准化电极厚度的函数的等高线图；
图8图示了对于LiTaO3的36°YX、42°YX和48°YX切割，具有Al电极的图形，在谐振和反谐振频率的传播损耗作为标准化电极厚度的函数图，其中对于42°YX切割来说，在h/Λ≈0.05，传播损耗最小，对于48°YX切割来说，在h/Λ≈0.1，传播损耗最小。
图9示出了对于具有Al电极图形的LiTaO3的36°YX、42°YX和48°YX切割，电机械耦合系数作为标准化的电极厚度的函数图；
图10是具有Al、Cu和Au作为电极材料的主成份，对于LiTaO3的μ’旋转的YX切割来说，最佳的标准化电极厚度和切割角μ’之间的关系曲线图；
图11示出了具有Al、Cu和Au作为电极材料的主成份，对于LiTaO3的μ’旋转的YX切割，对应于最佳厚度的电机械耦合系数与图10所示的旋转角相关性之间的关系曲线图；
图12示出了具有Al、Cu和Au作为电极材料的主成份，对于LiTaO3的μ’旋转的YX切割，对应于最佳厚度的电机械耦合系数与图10所示的旋转角相关性之间的关系曲线图；
图13是在LiTaO3的36°YX、42°YX和48°YX切割的衬底上根据图1构成的三个滤波器的SAW滤波器频率响应图；
图14是图13所示的图的放大部分，包含滤波器通带；
图15是对于设置在由欧拉角(λ，-42°，θ)限定的LiTaO3衬底上、厚10％Λ的Al电极图形来说，在谐振频率的传播损耗作为角λ和θ的函数的等高线图，其中示出了最佳非对称取向θ＝-1.365λ的线；
图16是对于设置在由欧拉角(λ，-42°，θ)限定的LiTaO3衬底上、厚10％Λ的Al电极图形来说，在反谐振频率的传播损耗作为角λ和θ的函数的等高线图，其中示出了最佳非对称取向θ＝-1.365λ的线；
图17是对于设置在由欧拉角(λ，-42°，θ)限定的LiTaO3衬底上、厚10％Λ的Al电极图形来说，电机械耦合系数作为角λ和θ的函数的等高线图，其中示出了最佳非对称取向θ-1.365λ的线；
图18是对于设置在由欧拉角(λ，-42°，θ)限定的LiTaO3衬底上、厚10％Λ的Al电极图形来说，功率通量角作为角λ和θ的函数的等高线图；
图19是欧拉角λ、μ、θ的图，说明了得到的欧拉角平面，以便得到想要的使SAW器件性能最佳化的表面；
图20示出了对于使用10％Λ厚的Al电极、4％Λ厚的Cu电极和1.8％Λ厚的Au电极的三个图形来说，由欧拉角(λ，-42°，-1.365×λ)限定的取向中平均传播损耗的曲线图；
图21示出了对于使用10％Λ厚的Al电极、4％Λ厚的Cu电极和1.8％Λ厚的Au电极的三个图形来说，由欧拉角(λ，-42°，-1.365×λ)限定的取向中电机械耦合系数的曲线图；
图22示出了对于使用10％Λ厚的Al电极、4％Λ厚的Cu电极和1.8％Λ厚的Au电极的三个图形来说，由欧拉角(λ，-42°，-1.365×λ)限定的取向中SAW的功率通量角的曲线图；
具体实施方式
在详细描述本发明的最佳实施例之前，将根据具体的欧拉角(λ，μ，θ)进一步描述取向过程，以便限定衬底切割和该切割内LSAW的传播方向。现在参考图4。在沿着LiTaO3衬底10的晶轴固定最初坐标轴X、Y、Z的情况下，根据欧拉角的惯例，首先，通过从正X轴向正Y轴旋转角λ得到辅助轴X’(正方向)。然后当从正X’轴观察时，通过从正Z轴绕辅助轴X’逆时针旋转角μ找到衬底切割12向外的法线Z’。最后，当从正Z’轴观察时，通过绕Z’从正X’轴逆时针旋转角θ找到表面波传播方向X”。
本领域技术人员应理解，这里描述的欧拉角可以具有正值或者负值，结果，由角λ、μ或θ描述的旋转也可以用正号或者负号描述，以表示在相反的方向上旋转，达到最佳的表面切割，得到这里描述的希望的传播损耗。
包含具有电极图形的压电衬底、用于产生和检测表面波或形成谐振器的任何SAW滤波器的性能都受衬底中传播损耗的影响。尽管不同的机制都影响传播损耗，但进一步的讨论关注由泄漏波本性引起的传播损耗，它是由体波辐射到衬底的体内引起的。对于具体的衬底切割和传播方向，该传播损耗依赖于滤波器结构的细节，例如金属化比和以波长为标准化的电极厚度h/Λ。假设电极图形包含Al、Cu或Au作为主成份，金属化比a/p＝0.5，标准化的电极厚度的宽范围为1％Λ-15％Λ，在上述情况下进行研究。如上所述，利用在谐振和反谐振频率传播损耗同时最小作为最佳取向。
对于LiTaO3的μ’旋转的YX切割[欧拉角(0°，μ’+90°，0°)]，将设定第一和第三欧拉角等于零，以Al为电极材料主成分，将传播损耗作为电极厚度和旋转角μ’的函数计算。如等高线图所示，图5和图6分别示出了在谐振频率fr的和反谐振频率fa的传播损耗。在每个图中清楚地看出了最小损耗线(虚线表示)，示出了作为标准化厚度h/Λ的函数且提供最小损耗的切割角μ’。在图5和图6中，尽管这些虚线彼此接近，但表示不同值。在大约(fr+fa)/2估计的平均传播损耗示于图7。对于用Al作为电极材料且具有谐振型元件的SAW器件来说，最小损耗线(虚线)确定了作为切割角的函数的最佳电极厚度。
举例来说，对于10％Λ的电极厚度来说，从图7确定的LiTaO3的一个最佳取向是48°旋转的YX切割[欧拉角(0°，-42°，0°)]，而对于5％Λ的Al电极厚度来说，42°旋转的YX切割[欧拉角(0°，-48°，0°)]大约是最佳的。图8示出了在36°YX、42°YX和48°YX切割的三个LiTaO3取向中，在谐振和反谐振频率的传播损耗作为电极厚度的函数。每个传播损耗对标准化电极厚度的关系曲线具有接近零损耗的最小值。对于42°YX切割，谐振频率传播损耗的最小值出现在大约7％Λ，反谐振频率传播损耗的最小值出现在大约4％Λ，这样，平均传播损耗在大约5％Λ最小。对于48°YX切割，在谐振频率和反谐振频率的传播损耗最小值分别出现在12％Λ和8％Λ，平均传播损耗在10％Λ最小。
图9示出了对于36°YX、42°YX和48°YX切割来说，模拟的电机械耦合系数k2作为电极厚度的函数图。所有的曲线都在大约10％Λ具有最大值。随着μ’从36°增加到48°，压电耦合普遍减小。然而，如果电极厚度相对于切割角μ’最佳化，以便提供最小的平均传播损耗，那么对于μ’＝48°和h/Λ＝10％来说，最大压电耦合k2＝0.082出现，如图10-12所示。图10示出了对于具有Al、Cu或Au作为电极材料的主成份的SAW器件来说，电极厚度和切割角之间的最佳关系，图11和12分别示出了利用根据图10最佳化的厚度，电机械耦合系数和传播损耗Lr＝La作为切割角的函数图。利用Al作为电极材料，最大耦合k2＝0.083出现在μ’≈46.5°和大约9Λ％厚度处，而传播损耗为0.0025dB/Λ。利用Au作为电极材料，最大耦合k2＝0.086出现在μ’≈47°，最佳厚度大约为1.6％Λ，对于Cu作为电极材料来说，最大耦合k2＝0.086出现在μ’≈47°，最佳厚度大约为3.6％Λ。
这样，根据图10-12，当第一和第三欧拉角(λ和θ)固定在(标称)零时，对于Al电极厚度为8％Λ到13％Λ的光栅来说，发现最佳旋转角μ’大于46°而小于54°。对于相同的情况来说，用Au作为电极材料的主成份，当电极厚度在1.5％Λ到2.5％Λ范围内变化时，发现最佳旋转角μ’大于46°而小于54°；用Cu作为电极材料的主成份，当电极厚度在3％Λ到6％Λ范围内变化时，发现最佳旋转角μ’大于46°而小于54°。本发明的最佳实施例具有标称的等于48°的μ’值或(0°，-42°，0°)的欧拉角。
图13说明了具有根据图1的结构且设置在LiTaO3的36°YX、42°YX和48°YX切割表面上的三个梯形滤波器模拟频率响应比较，具有图14所示的带宽的展宽图。具有10％Λ厚度的电极图形利用Al作为主成份。与36°YX和42°YX切割相比，由于通带中最佳化的平均传播损耗，48°YX切割提供了更低的插入损耗和更好的波形系数。
如上所述，如果衬底面偏移后对在该面内传播方向适当的旋转，从对称切割(0°，μ，0°)偏离的晶体取向也不一定会引起传播损耗的显著增加。因此，包含非对称切割的更普通的探索导致发现了具有想要的传播特性和功率通量角的更宽范围的取向，所述功率通量角非零但相当小，这样在器件设计过程中更便于管理。具有固定在从-52°至-36°范围内的欧拉角μ，探索跨越了角λ和θ从-5°至5°的范围。对于每个分析的μ，根据图10所示的关系设定电极厚度为最佳的电极厚度。
举例来说，下面将进一步讨论具有欧拉角(λ，-42°，θ)、(μ’＝48°)的取向。使用Al作为电极材料，具有10％Λ的最佳电极厚度。在谐振和反谐振频率的传播损耗的等高线图、电机械耦合系数和功率通量角(分别在图15、16、17和18中)示出了作为角λ和θ的函数的LSAW特性。图15和图16中的最小传播损耗线(也由虚线表示)基本一致，并且能够通过下列关系描述：θ＝-1.365×λ。在上述关系所描述的任何取向中，当λ大于-4°小于+4°时，在谐振和反谐振频率的传播损耗不超过0.003dB/Λ，k2大于8％。这些值接近于对称取向(0，-42°，0)即48％YX切割的值。当-4°＜λ＜4°时，功率通量角的绝对值随着λ的增加而增加，但不超过5°。
不像本领域一般教导的那样，这里通过举例的方式描述的本发明说明了落在面14内的、可接受的欧拉角λ、μ、θ值，例如通过参考附图19举例描述的，而不是像本领域例如在Ued’847和‘869专利中已经描述的那样，必须限制到线16的一组欧拉角。
如果根据图10对于每个μ设定的电极厚度是最佳的，以提供最小的平均传播损耗，那么进一步的分析表明，对于任何固定在-52°至-36°间隔内的μ来说，关系θ＝-1.365×λ充分描述了非对称线θ(λ)。此外，当Au或Cu作为电极材料的主成份时，在μ固定在从-52°至-36°间隔内的情况下，相同的关系可以应用到最佳取向(λ、μ、θ)的非对称线。这可以通过图20、21和22说明，这三个图分别示出了对于具有10％Λ厚的Al电极、具有4％Λ厚的Cu电极和1.8％Λ厚的Au电极的图形的LiTaO3的(λ、-42°、-1.365×λ)取向，平均传播损耗、电机械耦合系数和功率通量角与角λ的关系。在所有这三种情况中，LSAW特性随着λ非常缓慢地改变，因此，如果-4°＜λ＜4°，那么平均传播损耗不超过0.004dB/Λ，k2大于8％，同时功率通量角的绝对值小于5°。
这样，对于非零的第一和第三欧拉角的情况来说，设定第一欧拉角λ不是零并且其绝对值小于4°。λ的标称值应是λ＝+2°。第二欧拉角μ可以在相当宽的范围内选择，使得μ大于-52°而小于-36°。第二个发明的优选实施方式对第二欧拉角进行了限制，使μ大于-44°且小于-36°。第三欧拉角θ与第一欧拉角有固定的关系θ＝-1.365×λ。这样，在最佳实施例中θ的标称值为θ＝-2.73°。
应理解即使在前面的描述中提出了本发明的大量的特性和优点，同时描述了结构和本发明的功能的细节，但此公开只是说明性的，在本发明原理内，在细节上尤其在SAW器件类型的选择、模具上的器件取向以及部件的形状尺和设置都可以作出变化，变化的程度由附加的权利要求所描述的术语的广泛概括的含义来表示。例如术语Al作为电极材料的主成份应覆盖使用Al作为主成份的合金。

Claims (9)

1.一种表面声波器件，包括：
单晶钽酸锂的压电衬底；和
设置在所述压电衬底表面上的电极图形，其中所述电极图形形成具有在1％Λ至15％Λ范围内的电极厚度的谐振器，其中Λ是泄漏表面声波的声波波长，所述泄漏表面声波主要包含在所述压电衬底的所述表面上激励的剪切波分量，以及，其中
所述压电衬底具有由欧拉角(λ，μ，θ)限定的非对称取向，角λ在-4°至+4°的范围内，角μ在-52°至-36°的范围内且角θ在(-1.365×λ-4)°至(-1.365×λ+4)°的范围内，其中所述角λ和θ之一不等于零度。
2.如权利要求1中的表面声波器件，其中所述压电衬底的特征包括传播损耗小于0.01dB/Λ和电机械耦合系数大于0.07。
3.一种表面声波器件，包括：
单晶钽酸锂的压电衬底；和
设置在所述压电衬底表面上的电极图形，其中所述电极图形形成具有在1.0％Λ至15％Λ范围内的电极厚度的谐振器，其中Λ是在所述压电衬底的所述表面上激励的表面声波的声波波长，其中
所述压电衬底具有由欧拉角(λ，μ，θ)限定的取向，角λ在-4°至+4°的范围内，角μ在大于-44°至小于或等于-36°的范围内，且角θ在-5°至+5°的范围内。
4.如权利要求3中的表面声波器件，其中电极图形形成具有谐振频率和反谐振频率的谐振器，其中在谐振和反谐振频率的传播损耗小于0.01dB/Λ。
5.如权利要求3中的表面声波器件，其中所述电极的材料成份包含铝，并且其中所述电极厚度在5％Λ至15％Λ的范围内。
6.如权利要求3中的表面声波器件，其中所述电极的材料成份包含铜，并且其中所述电极厚度在1％Λ至6％Λ的范围内。
7.如权利要求3中的表面声波器件，其中所述电极的材料成份包含金，并且其中所述电极厚度在1.5％Λ至2.5％Λ的范围内。
8.一种单晶钽酸锂的泄漏表面声波压电衬底，其中所述压电衬底包括具有由欧拉角(λ，μ，θ)限定的取向的表面，角λ在-4°至+4°的范围内，角μ在大于-44°至小于或等于-36°的范围内，角θ在-5°至+5°的范围内。
9.一种表面声波器件，包括
单晶钽酸锂压电衬底；和
设置在所述压电衬底表面上的电极图形，其中
所述电极图形形成大量的谐振器，
所述谐振器被按串行支路或并行支路排列，形成梯型或桥式滤波器，每个所述谐振器具有谐振频率和反谐振频率，和至少一个所述谐振器的在谐振频率和反谐振频率的传播损耗小于0.01dB/Λ，每个所述谐振器具有在9％Λ到15％Λ范围内的电极厚度，其中Λ是在所述压电衬底上激励的表面声波的声波波长，并且其中所述电极的主材料成份包括铝，其中
所述压电衬底具有由欧拉角(λ，μ，θ)限定的取向，角λ等于0°，角θ等于0°，且角μ在-45°到-36°的范围内。
CNB018147801A 2000-08-31 2001-05-03 利用压电衬底非对称最优化切割的表面声波器件 Expired - Lifetime CN1248410C (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US22952300P 2000-08-31 2000-08-31
US60/229,523 2000-08-31

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1476668A CN1476668A (zh) 2004-02-18
CN1248410C true CN1248410C (zh) 2006-03-29

Family

ID=22861606

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB018147801A Expired - Lifetime CN1248410C (zh) 2000-08-31 2001-05-03 利用压电衬底非对称最优化切割的表面声波器件

Country Status (6)

Country Link
US (1) US6556104B2 (zh)
JP (1) JP2004507960A (zh)
CN (1) CN1248410C (zh)
AU (1) AU2001259447A1 (zh)
DE (1) DE10196571B4 (zh)
WO (1) WO2002019522A1 (zh)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3391309B2 (ja) 1999-09-02 2003-03-31 株式会社村田製作所 表面波装置及び通信機装置
JP3979279B2 (ja) * 2001-12-28 2007-09-19 株式会社村田製作所 弾性表面波装置
DE10216842B4 (de) * 2002-04-16 2012-10-25 Epcos Ag Substrat für SAW-Bauelemente mit hoher Bandbreite
US6833774B2 (en) * 2002-06-25 2004-12-21 Sawtek, Inc. Surface acoustic wave filter
JP3841053B2 (ja) * 2002-07-24 2006-11-01 株式会社村田製作所 弾性表面波装置及びその製造方法
JP2004165879A (ja) * 2002-11-12 2004-06-10 Alps Electric Co Ltd 弾性表面波素子
US20060131992A1 (en) * 2003-07-29 2006-06-22 Takeshi Nakao One-port surface acoustic wave resonator and surface acoustic wave filter
JP2007028538A (ja) 2005-07-21 2007-02-01 Tdk Corp 弾性表面波装置
DE102006019961B4 (de) * 2006-04-28 2008-01-10 Epcos Ag Elektroakustisches Bauelement
US7446453B1 (en) 2006-07-05 2008-11-04 Triquint, Inc. Surface acoustic wave devices using surface acoustic waves with strong piezoelectric coupling
US8035464B1 (en) 2009-03-05 2011-10-11 Triquint Semiconductor, Inc. Bonded wafer SAW filters and methods
US8378553B1 (en) 2010-07-01 2013-02-19 Triquint Semiconductor, Inc. Buried idt SAW filter having low propagation loss
CN105082375B (zh) * 2014-05-05 2017-01-18 中国科学院理化技术研究所 一种晶体切割方法
WO2016104659A1 (ja) * 2014-12-24 2016-06-30 シチズンホールディングス株式会社 弾性表面波デバイス
US10103624B2 (en) * 2016-06-29 2018-10-16 Win Semiconductors Corp. Thermal sensor circuit
JP7068835B2 (ja) * 2018-01-26 2022-05-17 太陽誘電株式会社 弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサ
CN108055017A (zh) * 2018-02-11 2018-05-18 海宁市瑞宏科技有限公司 一种用于超带宽声表面波滤波器设计的谐振器结构

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4001767A (en) * 1975-11-18 1977-01-04 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Low diffraction loss-low spurious response LiTaO3 substrate for surface acoustic wave devices
US5081389A (en) * 1990-11-30 1992-01-14 Ascom Zelcom Ag. Crystal cut angles for lithium tantalate crystal for novel surface acoustic wave devices
WO1996004713A1 (fr) * 1994-08-05 1996-02-15 Japan Energy Corporation Dispositif a ondes acoustiques de surface et procede de production
JP3358688B2 (ja) * 1995-04-10 2002-12-24 三洋電機株式会社 弾性表面波素子
JP3439294B2 (ja) * 1995-04-10 2003-08-25 三洋電機株式会社 弾性表面波フィルター
JP3281510B2 (ja) * 1995-05-17 2002-05-13 康敬 清水 弾性表面波素子
JPH09167936A (ja) * 1995-10-13 1997-06-24 Fujitsu Ltd 弾性表面波装置
EP0886375A4 (en) * 1996-03-08 2000-12-06 Sanyo Electric Co ACOUSTIC SURFACE ELEMENT AND PORTABLE TELEPHONE THEREFOR
JPH09331229A (ja) * 1996-03-08 1997-12-22 Yasutaka Shimizu 弾性表面波素子
JP3224202B2 (ja) 1996-11-28 2001-10-29 富士通株式会社 弾性表面波装置
JP3391309B2 (ja) * 1999-09-02 2003-03-31 株式会社村田製作所 表面波装置及び通信機装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2002019522A1 (en) 2002-03-07
US6556104B2 (en) 2003-04-29
AU2001259447A1 (en) 2002-03-13
US20020067227A1 (en) 2002-06-06
CN1476668A (zh) 2004-02-18
JP2004507960A (ja) 2004-03-11
DE10196571B4 (de) 2007-07-05
DE10196571T1 (de) 2003-07-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1248410C (zh) 利用压电衬底非对称最优化切割的表面声波器件
US6661313B2 (en) Surface acoustic wave devices using optimized cuts of lithium niobate (LiNbO3)
JPWO2004070946A1 (ja) 弾性境界波装置
EP0874455B1 (en) Surface acoustic wave device
KR20190109502A (ko) 탄성파 장치, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치
CN1505263A (zh) 表面声波器件及使用其的滤波器
JPWO2011102128A1 (ja) アンテナ共用器
CN1127205C (zh) 具有镧镓硅氧化物单晶基片的声表面波器件
KR20190109522A (ko) 탄성파 장치, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치
US6617752B2 (en) Surface acoustic wave device and manufacturing method therefor
CN1167193C (zh) 表面波器件
US7009325B2 (en) Surface acoustic wave device
CN1199352C (zh) 声表面波元件
CN1149735C (zh) 弹性表面波装置
JP2002232264A (ja) 弾性表面波フィルタ
KR20190108607A (ko) 탄성파 장치, 멀티플렉서, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치
WO2020137263A1 (ja) フィルタ装置
EP0955726B1 (en) Surface acoustic wave apparatus
US20220263493A1 (en) Acoustic wave device
CN116233709A (zh) 一种基于纵声表面波的高性能声学器件
CN114070257A (zh) 声波装置、滤波器及多路复用器
CN1293702C (zh) 适合用于千兆赫频带的弹性表面波元件
US20020057142A1 (en) Surface acoustic wave filter
CN1094678C (zh) 表面波谐振器
JP4134627B2 (ja) 窒化アルミニウム圧電薄膜を用いた高周波弾性波素子

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CX01 Expiry of patent term
CX01 Expiry of patent term

Granted publication date: 20060329