CN1358349A - 弹性表面波装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种弹性表面波装置,能够实现宽带化并且小型化,并且,利用固有单相单方向性变换器特性,能够实现低损失化。弹性表面波装置包括压电基板(1)和设在该压电基板1的一个主面上的一对交叉指状电极(2)。使用由属于点群32,具有Ca3Ca2Ge4O14型结晶构造,其主要成分由La、Ta、Ga以及O组成,用化学式La3Ta0.5Ga5.5O14所表示的单晶来作为压电基板(1)的材料。当用欧拉角把基板(1)的切出角和传送方向表示为(φ,θ,ψ)时,φ、θ和ψ可以存在于φ=－5°～5°,θ=135°～155°以及ψ=15°～40°的第一区域中,或者,φ=10°～20°,θ=140°～157°以及ψ=30°～60°的第二区域中。
Description
技术领域
本发明涉及具有固有单相单方向性变换器(Natural Single-Phase UnidirectionalTransducer)特性的弹性表面波装置。
背景技术
近年来，以手机为主的移动通信终端机迅速普及。这样的终端机由于携带的便利性而特别希望小型轻量。为了实现终端机的小型轻量化，要求其中使用的电子部件是小型轻量的。因此，在终端机的高频部和中频部中大多使用对小型轻量化有利的弹性表面波装置，即，弹性表面波滤波器。弹性表面波装置在压电基板上形成用于激振、接收、反射或者传输弹性表面波的交叉指状电极。
作为弹性表面波装置，选择性地取出所希望的频率的信号的横向型表面波滤波器在现有技术中已经实用化了。作为由这样的滤波器所要求的特性，可列举出：通带宽，并且小型、低损失，以及温度特性良好等。为了实现具有这样的特性的滤波器，选择适当的压电基板和适当的电极构造是重要的。
作为弹性表面波装置用的基板所要求的特性，为了实现小型化，减小弹性表面波的表面波速度(以下称为SAW速度)是重要的；为了展宽通带，增大电气机械耦合系数的平方k2(以下，把k2叫做电气机械耦合系数)，减小构成滤波器时的中心频率或者构成谐振器时的谐振频率的频率温度系数是重要的。
在现有技术中，作为弹性表面波装置使用的基板，大多使用水晶、铌酸锂、钽酸锂、四硼酸锂(lithium teeraborate)等。但是，在这样的现有基板中，难于同时实现小的SAW速度、大的电气机械耦合系数k2以及小的频率温度系数。
因此，作为实现低损失的滤波器的措施，提出了利用单方向性变换器。通常的横向型弹性表面波滤波器是双方向性的，因此，在理论上最低产生6dB的插入损失。与此相对，单方向性变换器通过调整激振波和反射波的相位，而具有抵消了后进方向的波而仅产生前进波的电极构造，理论上，能够实现几dB以下的插入损失。
在单方向性变换器中，大致分为多相型单方向性变换器和单相型单方向性变换器。而且，在单相型单方向性变换器中，通过非对称地装入反射器，来实现方向性，例如日本特开昭61-136313号公报所示的那样，具有利用基板的各向异性的固有单相单方向性变换器。
在通过非对称地装入反射器而实现方向性的单相型单方向性变换器中，电极构造变得复杂，特别是，当适用于高频区域中时，电极尺寸变小，存在制造困难的问题。
与此相对，固有单相单方向性变换器利用使用的压电基板的各向异性，因此，能够使用通常的交叉指状电极，有利于向高频区域的使用。
但是，在现有公知的具有单方向性特性的基板中，存在SAW速度变大，电气机械耦合系数k2变小，频率温度系数变大等问题。
发明概述
本发明的目的是提供一种弹性表面波装置，能够实现宽频带以及小型化，并且，利用固有单相单方向性变换器特性而能够实现低损失化。
本发明的弹性表面波装置包括：基板，由属于点群32，具有Ca3Ca2Ge4O14型结晶构造，其主要成分由La、Ta、Ga以及O组成，用化学式La3Ta0.5Ga5.5O14所表示的单晶构成；电极，形成在该基板上，具有与基板的各向异性相结合而使固有单相单方向性变换器特性出现的构造。
在本发明的弹性表面波装置中，通过使用上述基板和电极，能够实现具有对展宽频带有效的大的电气机械耦合系数和对小型化有效的小的SAW速度，并且具有固有单相单方向性变换器特性的弹性表面波装置。
在本发明的弹性表面波装置中，当用欧拉角把从基板的单晶的切出角和弹性表面波传送方向表示为(φ，θ，ψ)时，φ、θ和ψ可以存在于φ＝-5°～5°，θ＝135°～155°以及ψ＝15°～40°的区域中。
而且，在本发明的弹性表面波装置中，当用欧拉角把从基板的单晶的切出角和弹性表面波传送方向表示为(φ，θ，ψ)时，φ、θ和ψ可以存在于φ＝10°～20°，θ＝140°～157°以及ψ＝30°～60°的区域中。
本发明的其他目的、特征以及优点能够在以下的说明中充分了解。
附图的简要说明
图1是表示本发明的一个实施例所涉及的弹性表面波装置的构成的一例的透视图；
图2是表示在本发明的一个实施例所涉及的弹性表面波装置中所使用的基板的特性的特性图；
图3是表示在本发明的一个实施例所涉及的弹性表面波装置中所使用的基板的特性的特性图；
图4是表示本发明的第一实施例中的滤波器的频率特性的特性图；
图5是表示本发明的第二实施例中的测定元件的构成的示意图；
图6是表示本发明的第二实施例中的测定元件的传输特性的测定结果的特性图；
图7是表示本发明的第二实施例中的测定元件的传输特性的测定结果的特性图；
图8是表示本发明的第三实施例中的测定元件的传输特性的测定结果的特性图；
图9是表示本发明的第三实施例中的测定元件的传输特性的测定结果的特性图。
用于实施发明的最佳形态
下面参照附图来对本发明的实施例进行详细说明。
图1是表示本发明的一个实施例所涉及的弹性表面波装置的构成的一例的透视图。该弹性表面波装置包括：压电基板1、设在该压电基板1的一个主要表面上的一对交叉指状电极2。
在压电基板1的材料中使用：属于点群32，具有Ca3Ca2Ge4O14型结晶构造，其主要成分由La、Ta、Ga以及O组成，用化学式La3Ta0.5Ga5.5O14所表示的单晶。
图1所示的x轴、y轴以及z轴相互正交。x轴和y轴处于基板1的面内方向，x轴规定弹性表面波的传送方向。并且，z轴垂直于基板1的表面，规定单晶基板的切出角(切出面)。x轴、y轴以及z轴与单晶的结晶X轴、Y轴以及Z轴的关系即从基板的单晶的切出角和弹性表面波传送方向可以用欧拉角(φ，θ，ψ)表示。
在本实施例所涉及的弹性表面波装置中，当用欧拉角把切出角和传送方向表示为(φ，θ，ψ)时，φ、θ和ψ存在与以下第一区域或者第二区域中。
第一区域是φ＝-5°～5°，θ＝135°～155°以及ψ＝15°～40°的区域。
第二区域是φ＝10°～20°，θ＝140°～157°以及ψ＝30°～60°的区域。
如从日本特开平10-284982号公报和日本特开平10-284983号公报所看到的那样，在上述第一区域和第二区域中，存在基板1的SAW速度为3000m/s以下，小于ST水晶，基板1的电气机械耦合系数k2为0.2％以上，足够大的φ、θ、ψ组合。而且，如从以下详细说明的那样，上述第一区域或者第二区域中的φ、θ、ψ的组合所产生的基板1具有固有单相单方向性变换器(以下称为NSPUDT)特性。
而且，由于La3Ta0.5Ga5.5O14的单晶是三方晶，从结晶的对称性考虑，在结晶学上存在相互等价的欧拉角的组合。例如，在第一区域中包含的(0°，140°，25°)与(0°，140°，-25°)、(60°，40°，±25°)和(120°，140°，±25°)等价。而且，(0°，140°，-25°)与(240°，140°，-25°)等价。同样，在第二区域中包含的(15°，150°，35°)与(45°，30°，35°)、(75°，30°，-35°)以及(105°，150°，-35°)等价。而且，(15°，150°，35°)与(135°，150°，35°)和(255°，150°，35°)等价。
本发明中的(φ，θ，ψ)的区域包含在结晶学上与上述第一区域或者第二区域等价的区域。
而且，La3Ta0.5Ga5.5O14的单晶可以具有氧缺陷。而且，该单晶可以包含不可避免的杂质，例如，Al、Zr、Fe、Ce、Nd、La、Pt、Ca等。
下面对NSPUDT特性出现的基板的切割的探索进行说明。在该探索中使用了把以下两个理论相结合的解析方法，一个理论是：把电极的扰动效果作为一次效果，由具有帘状电极的变换器(Inter-digital Transducer：以下称为IDT。)的动作解析所反映的模式耦合理论，另一个理论是：能够用以闭合形式的公式表示模式耦合参数的弹性表面波粒子速度和电位、条状电极的材料、电极构造依存性的扰动论。在理论计算中所使用的材料常数是使用公知的共振法通过实验导出的。在模式耦合理论中，在支配模式耦合方程式的4个参数即自耦合系数κ11、模式间耦合系数κ12、变换系数ζ和每单位长度的静电电容C中，模式间耦合系数κ12与电极反射具有直接关系。而且，模式间耦合系数κ12是成为作为积极利用基板的各向异性和条状电极的反射的单相型单方向性变换器的NSPUDT的动作的核心参数。在通常的双方向性的IDT中，模式间耦合系数κ12是实数，但是，在NSPUDT和利用构造的非对称性的单方向性的IDT中，为复数。
根据一次的扰动论，由电极周期λ标准化的模式间耦合系数κ12由下式表示：
κ12λ＝|κ12|λ2jφ0
＝KE+KM·(h/λ)·e2jφM
其中，h是电极膜厚，右边的第一项的KE表示电极的电气扰动，第二项表示弹性的扰动。而且，模式间耦合系数κ12和条状电极的每一个波长的反射系数具有下面关系：
r+＝-jκ12 *λ
r-＝-jκ12λ
其中，*是复数共轭记号，r+和r-分别是当从+x方向和-x方向看时的反射系数，在NSPUDT的情况下，r+≠r-。得到最佳的NSPUDT特性的相位条件由下式提供：
arg(κ12λ)＝±90°，(φ0＝±45°)
其中，符号为：当正方向为图1中的+x方向时取+号，为-x方向时取-号。当电极的膜厚足够厚，而能够忽略电气扰动项时，模式间耦合系数κ12的相位角2φ0由弹性的扰动项的相位角2φM决定，当φM＝±45°时，得到最佳的NSPUDT特性。而且，即使φM从±45°偏离±15°，也能得到NSPUDT特性。
通过以上的方法，在图2中表示了计算由与第一区域重复的欧拉角表示所产生的区域(0°，140°，ψ＝20°～80°)中的KM、φM的结果。同样，在图3中表示了计算由与第二区域重复的欧拉角表示所产生的区域(13°，θ＝140°～160°，39°)中的KM、φM的结果。而且，电极材料为铝。
从图2可以看出，当ψ为20°～40°的范围中，φM为50°～60°程度，虽然不是理想的NSPUDT特性，但却呈现足够的NSPUDT特性。而且，在第一区域中包含的其他切割中，能够得到同样的结果。例如，在(0°，135°，23°)的切割中，φM为56°，在(0°，145°，23°)的切割中，φM为61°，都呈现足够的NSPUDT特性。
而且，从图3可以看出，在φ＝140°～157°的范围中，φM为50°～66°程度，同样呈现足够的NSPUDT特性。而且，在第二区域中包含的其他切割中，能够得到同样的结果。例如，在(10°，150°，39°)的切割中，φM为57°，在(16°，150°，39°)的切割中，φM为60°，都呈现足够的NSPUDT特性。
下面对本实施例所涉及的弹性表面波装置的实施例进行说明。
[第一实施例]
在第一实施例中，准备在第一区域中包含的用欧拉角表示的(0°，140°，23°)的切割的基板1，制作弹性表面波滤波器。在该滤波器中，交叉指状电极2的对数为100对，开口长度(交叉部分的长度)为80λ(λ为弹性表面波的波长)，作为电极的膜厚h和弹性表面波的波长λ之比的标准化的膜厚h/λ为0.02。
图4是在计算中求出的表示上述滤波器的频率特性即标准化频率与变换损失的关系。在图4中，实线表示正方向的特性，虚线表示反方向的特性。如从图4所看到的那样，在中心频率附近，在正方向和反方向上，变换损失发生较大的差，表示NSPUDT特性中的单方向性。
而且，为了测定在本实施例的切割中的SAW速度、电气机械耦合系数k2和频率温度系数，制作交叉指状电极2的对数为20对，开口长度为60λ，标准化膜厚h/λ为0.005的滤波器，来进行测定。测定的结果是：SAW速度为2574m/s，电气机械耦合系数k2为0.52％，频率温度系数为11ppm/℃。因此，根据本实施例的切割，得到了SAW速度较小，电气机械耦合系数较大，温度特性良好的弹性表面波装置。
而且，当实际把La3Ta0.5Ga5.5O14用于弹性表面波滤波器时，虽然不能成为两个变换器的正方向相互相向的滤波器，但是，可以把一方的变换器的方向倒转，或者采用如下构造，即如日本特开平8-97672号公报所公开的那样，使用λ/8的双电极来抵消反射，从而消除方向性。
[第二实施例]
在第二实施例中，使用在第一区域中包含的用欧拉角表示的(0°，140°，23°)的切割的基板1，制作图5所示的包含弹性表面波滤波器的测定器件，测定该器件的传输特性。图5所示的测定器件包括：设在基板1上作为交叉指状电极的发送电极2A和配置在该发送电极2A的弹性表面波的传输方向的两侧的两个接收电极2B。
在图5所示的测定器件中，电极周期(λ)为30μm，发送电极2A的对数为100.5对，开口长度(交叉部分的长度)为30λ，接收电极2B的对数为20.5对。在本实施列中，准备了标准化膜厚h/λ为0.01的测定器件和标准化膜厚h/λ为0.02的测定器件。
图6表示测定标准化膜厚h/λ为0.01的测定器件的传输特性即频率与插入损失的关系的结果。而且，图7表示测定标准化膜厚h/λ为0.02的测定器件的传输特性即频率与插入损失的关系的结果。在图6和图7中，实线表示正方向的特性，虚线表示反方向的特性。在图6和图7中，在中心频率附近，在正方向和反方向上，插入损失发生较大的差，由此，呈现NSPUDT特性中的单方向性。而且，图6和图7中的正方向与反方向的插入损失的差小于图4中的正方向与反方向的变换损失的差。这是因为：图4所示的特性表示弹性表面波滤波器本身的损失，与此相对，图6和图7所示的特性包含接收电极2B的变换损失等发送接收中的损失。尽管如此，在图6和图7中，也呈现出充分的单方向性。
[第三实施例]
在第三实施例中，使用在第一区域中包含的用欧拉角表示的(0°，140°，25°)的切割的基板1，制作图5所示的包含弹性表面波滤波器的测定器件，测定该器件的传输特性。测定器件的其他条件与第二实施例相同。
图8表示测定标准化膜厚h/λ为0.01的测定器件的传输特性即频率与插入损失的关系的结果。而且，图9表示测定标准化膜厚h/λ为0.02的测定器件的传输特性即频率与插入损失的关系的结果。在图8和图9中，实线表示正方向的特性，虚线表示反方向的特性。在图8和图9中，在中心频率附近，在正方向和反方向上，插入损失发生较大的差，由此，呈现NSPUDT特性所引起的单方向性。
如上述那样，根据本实施例所涉及的弹性表面波装置，由于基板1的电气机械耦合系数较大，则能够实现通带的宽带化，由于基板1的SAW速度较小，能够实现弹性表面波装置的小型化，而且，由于具有NSPUDT特性，能够实现低损失化。
而且，本发明并不仅限于上述实施例，能够进行各种变更。例如，作为电极的构造，并不仅限于图1所示的构造，可以是各种构造。
如上述那样，根据本发明的弹性表面波装置，由于基板的电气机械耦合系数较大，则能够实现通带的宽带化，由于基板的SAW速度较小，能够实现弹性表面波装置的小型化，而且，由于具有固有单相单方向性变换器(NSPUDT)特性，能够实现低损失化。
根据以上说明，能够实施本发明的各种形态和实施例。这样，在以下的权利要求所限定的范围内，即使由上述最佳实施例以外的形态，也能实施本发明。
Claims (3)
1.一种弹性表面波装置，其特征在于，包括：
基板，由属于点群32，具有Ca3Ca2Ge4O14型结晶构造，其主要成分由La、Ta、Ga以及O组成，用化学式La3Ta0.5Ga5.5O14所表示的单晶构成；
电极，形成在该基板上，具有与基板的各向异性相结合而使固有单相单方向性变换器特性出现的构造。
2.根据权利要求1所述的弹性表面波装置，其特征在于，当用欧拉角把从基板的单晶的切出角和弹性表面波传送方向表示为(φ，θ，ψ)时，φ、θ和ψ可以存在于φ＝-5°～5°，θ＝135°～155°以及ψ＝15°～40°的区域中。
3.根据权利要求1所述的弹性表面波装置，其特征在于，当用欧拉角把从基板的单晶的切出角和弹性表面波传送方向表示为(φ，θ，ψ)时，φ、θ和ψ可以存在于φ＝10°～20°，θ＝140°～157°以及ψ＝30°～60°的区域中。
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