CN1943109A - 表面声波器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供表面声波器件。采用石英基板的表面声波器件具有比常规结构更小的器件尺寸，并且表现出高Q和优异的频率—温度特性。在压电基板(1)上安装有由多个叉指型电极指构成的叉指型电极(2)，并且在叉指型电极(2)的两侧上设置有栅状反射器(3a，3b)。压电基板(1)是如下的石英平板：其中，旋转Y切割石英基板的切割角θ被设置在从Z晶轴沿逆时针方向的－64.0°＜θ＜－49.3°的范围内，表面声波的传播方向被设置为相对于X晶轴成90°±5°，并且受激的声波为SH波。叉指型电极(2)和反射器(3a，3b)由Al或者主要包含Al的合金构成，在λ是表面声波的波长的情况下，按波长标准化的电极膜厚度H/λ被设置在0.04＜H/λ＜0.12的范围内。
Description
技术领域
本发明涉及使用石英基板的表面声波器件，其中减小了器件尺寸、增大了Q值、并且改善了频率-温度特性。
背景技术
近年来，表面声波(此后称为SAW)器件已广泛地用作移动通信终端、车载装备等的部件，非常需要其小型化、具有高Q值、并且具有优异的频率稳定性。
作为实现这些需要的SAW器件，存在着使用ST切割石英基板的SAW器件。ST切割石英基板是具有通过用X晶轴作为旋转轴沿逆时针方向将XZ面从Z晶轴旋转42.75°角而获得的面(XZ’面)的石英板的切割名称，并且该ST切割石英基板使用作为沿X晶轴方向传播的(P+SV)波(称为“瑞利波”)的SAW(此后称作ST切割石英SAW)。ST切割石英SAW器件广泛应用于用作振荡器的SAW谐振器、设置在移动通信终端的RF段与IC之间的IF使用的滤波器等。
ST切割石英SAW器件能够实现高Q值的小型器件的原因包括可以有效利用SAW的反射这一点。将说明图13所示的ST切割石英SAW谐振器作为一个示例。ST切割石英SAW谐振器具有如下结构：在ST切割石英基板101上设置有具有互插的多个电极指的叉指型电极(此后称为IDT)102，并且在IDT 102的两侧设置有用于反射SAW的栅状反射器103a和103b。由于ST切割石英SAW是沿着压电基板的表面传播的波，所以其被栅状反射器103a和103b有效反射，可以将SAW能量充分地限制在IDT 102中，从而可以获得具有高Q值的小型器件。
使用SAW器件的一个重要因素是频率-温度特性。在ST切割石英SAW中，众所周知，SAW的频率-温度特性的一次温度系数为零，通过二次曲线来表示其特性，并且，因为通过进行使变曲点温度(turnovertemperature)位于使用温度范围中心的调整而显著减小了频率波动量，所以SAW具有优异的频率稳定性。
然而，在ST切割石英SAW器件中，虽然一次温度系数是零，但二次温度系数相对较大，例如-0.034(ppm/℃2)。因此，当使用温度范围扩大时，频率波动量变得极大。
作为解决此问题的一种方法，在Meirion Lewis的“Surface SkimmingBulk Wave”，IEEE Ultrasonics Symp.Proc.，pp.744到752(1977)和日本特公昭62-016050号中公开了一种SAW器件。如图14所示，该SAW器件的特征在于旋转Y切割石英基板的切割角θ被设置在从Z晶轴沿逆时针方向旋转-50°角的位置附近，并且，SAW的传播方向被设置在与X晶轴垂直的方向(Z’轴方向)。此外，当用欧拉角表示切割角时，获得(0°，θ+90°，90°)＝(0°，40°，90°)。此SAW器件的特征在于通过IDT激励恰在压电基板表面下方传播的SH波，将振荡能量恰限制在电极下方。此SAW器件的频率-温度特性形成三次曲线，由于在使用温度范围内的频率波动量显著减小，所以获得优异的频率-温度特性。
然而，由于SH波是基本上潜没在基板内部地行进的波，所以通过栅状反射器获得的对SAW的反射效率比沿着压电基板表面传播的ST切割石英SAW的反射效率低。因此，存在难以实现具有高Q的小型SAW器件的问题。由于在先的公报包括关于用作不利用SAW反射的延迟线的公开，但是它没有提出利用SAW反射的任何手段，所以认为其难以将SAW器件投入实际应用。
为了解决上述问题，日本特公平01-034411号公开了所谓的多对IDT型SAW谐振器，其中，如图15所示，旋转Y切割石英基板的切割角θ被设置在-50°的附近，并且在其中SAW的传播方向被设置为与X晶轴垂直的方向(Z’轴方向)的压电基板111上形成有多对(例如800±200对)IDT 112，由此，无需利用栅状反射器而仅通过IDT 112本身的反射来限制SAW能量，从而实现高Q。
然而，与包括栅状反射器的SAW谐振器相比，多对IDT型SAW谐振器不能获得高效的能量限制效果。由于获得高Q值所需要的IDT对的数量大大增加到800±200对，所以存在器件尺寸变得比ST切割石英SAW谐振器大的问题，从而无法满足近年来对尺寸减小的需求。
在日本特公平01-034411号中公开的SAW谐振器中，当将由IDT激励的SAW的波长表示为λ时，可以通过将电极膜厚度设置为2％λ或更大、优选地为4％λ或更小来增大Q值。然而，当谐振频率是200MHz时，Q值达到接近4％λ的饱和，但此时获得的Q值变为仅大约20000，与ST切割石英SAW谐振器相比，仅能获得与ST切割石英SAW谐振器中的Q值大致相等的Q值。由于此原因，认为由于当膜厚度在2％λ以上到4％λ以下的范围内时SAW不能充分集中在压电基板表面上，所以不能有效地利用反射。
[专利文献1]日本特公昭62-016050号
[专利文献2]日本特公平01-034411号
[非专利文献1]Meirion Lewis，“Surface Skimming Bulk Wave，SSBW”，IEEE Ultrasonics Symp.Proc.，pp.744到752(1977)
发明内容
本发明要解决的问题
有待解决的问题如下：当使用ST切割石英基板作为压电基板时，频率-温度特性的二次温度系数为-0.034(ppm/℃2)大，使得频率波动量实际上变得相当大。日本特公平01-034411号中公开的SAW器件的结构包括如下问题：由于不得不将IDT的对数设置得相当大，所以器件尺寸增大。
解决上述问题的装置
为了解决上述问题，根据本发明的权利要求1所述的发明提供了一种SAW器件，该SAW器件包括压电基板和形成在所述压电基板上并且由Al或包括Al作为主要成分的合金制成的IDT，受激波是SH波，所述SAW器件的特征在于，所述压电基板是如下的石英平板：其中旋转Y切割石英基板的切割角θ被设置在从Z晶轴沿逆时针方向的-64.0°＜θ＜-49.3°的范围内、并且SAW的传播方向被设置为相对于X晶轴为90°±5°，并且，当将受激SAW的波长被表示为λ时，按IDT的波长标准化的电极膜厚度H/λ被设置为0.04＜H/λ＜0.12。
根据权利要求2所述的本发明提供所述SAW器件，其特征在于切割角θ与电极膜厚度H/λ之间的关系满足：-1.34082×10-4×θ3-2.34969×10-2×θ2-1.37506×θ-26.7895＜H/λ＜-1.02586×10-4×θ3-1.73238×10-2×θ2-0.977607×θ-18.3420。
根据权利要求3所述的本发明提供所述SAW器件，其特征在于，当将构成IDT的电极指的电极指宽度/(电极指宽度+电极指之间的间隔)定义为线金属化率mr时，切割角θ与电极膜厚度和线金属化率的乘积H/λ×mr之间的关系满足：-8.04489×10-5×θ3-1.40981×10-2×θ2-0.825038×θ-16.0737＜H/λ×mr＜-6.15517×10-5×θ3-1.03943×10-2×θ2-0.586564×θ-11.0052。
根据权利要求4所述的本发明提供一种SAW器件，该SAW器件包括压电基板和形成在所述压电基板上并且由Al或包括Al作为主要成分的合金制成的IDT，受激波是SH波，所述SAW器件的特征在于，所述压电基板是如下的石英平板：其中旋转Y切割石英基板的切割角θ被设置为满足从Z晶轴沿逆时针方向的-61.4°＜θ＜-51.1°的范围、并且SAW的传播方向被设置为相对于X晶轴为90°±5°，并且，当将受激SAW的波长表示为λ时，按IDT的波长标准化的电极膜厚度H/λ被设置为满足0.05＜H/λ＜0.10。
根据权利要求5所述的本发明提供所述SAW器件，其特征在于切割角θ与电极膜厚度H/λ之间的关系满足：-1.44605×10-4×θ3-2.50690×10-2×θ2-1.45086×θ-27.9464＜H/λ＜-9.87591×10-5×θ3-1.70304×10-2×θ2-0.981173×θ-18.7946。
根据权利要求6所述的本发明提供所述SAW器件，其特征在于，当将构成IDT的电极指的电极指宽度/(电极指宽度+电极指之间的间隔)定义为线金属化率mr时，切割角θ与电极膜厚度和线金属化率的乘积H/λ×mr之间的关系满足：-8.67632×10-5×θ3-1.50414×10-2×θ2-0.870514×θ-16.7678＜H/λ×mr＜-5.92554×10-5×θ3-1.02183×10-2×θ2-0.588704×θ-11.2768。
根据权利要求7到14所述的本发明提供所述SAW器件，其特征在于，SAW器件是以下器件中的任一种：一端口SAW谐振器、二端口SAW谐振器、横向耦合型多模滤波器、纵向耦合型多模滤波器、梯形SAW滤波器、其中设置有沿双方向或者沿一方向传播SAW的IDT的横向SAW滤波器、或者SAW传感器。
根据权利要求15所述的本发明提供所述SAW器件，其特征在于，SAW器件在IDT两侧上具有栅状反射器。
根据权利要求16所述的本发明提供使用根据权利要求1到15中的任一项所述的SAW器件的模块器件或者振荡电路。
发明效果
根据本发明的权利要求1或4所述的SAW器件具有如下结构：使用切割角θ在-64.0°＜θ＜-49.3°、优选为-61.4°＜θ＜-51.1°的范围内的旋转Y切割石英基板，使用受激为使得SAW的传播方向相对于X晶轴为(90°±5°)的SH波，用于IDT和栅状反射器的电极材料是Al或者主要包含Al的合金，按波长来标准化的电极膜厚度H/λ被设置为满足0.04＜H/λ＜0.12，优选为0.05＜H/λ＜0.10。由于本发明被构成为将原本潜没在基板内地行进的波集中在基板表面上以使得栅状反射器等可以有效利用SAW的反射，所以可以提供与ST切割石英SAW器件相比减小了尺寸、具有高的Q值、并且频率稳定性优异的SAW器件。
通过满足权利要求2或5所述的电极膜厚度H/λ和切割角θ的条件，可以将变曲点温度Tp(℃)设置在实际温度范围内。
通过满足权利要求3或6所述的电极膜厚度和线金属化率的乘积H/λ×mr与切割角θ的条件，可以将变曲点温度Tp(℃)设置在实际温度范围内。
通过使用权利要求7到14中的任一项所述的各种系统的SAW器件，可以提供减小了尺寸、具有高Q值、并且频率稳定性优异的SAW器件。
由于权利要求15中所述的SAW器件通过在IDT的两侧上设置栅状反射器而充分地将SAW的能量限制在IDT中，所以可以提供具有高Q值的小型SAW器件。
由于权利要求16所述的模块器件或者振荡电路使用根据本发明的SAW器件，所以可以提供小型且高性能的模块器件或者振荡电路。
附图说明
图1是用于说明根据本发明的SAW谐振器的图，其中图1(a)是IDT的平面图，图1(b)是IDT的剖面图。
图2示出根据本发明的SAW谐振器与常规产品之间的比较，其中图2(a)是示出关于Q值、品质因数和二次温度系数的比较的图，图2(b)是示出关于频率-温度特性的比较的图。
图3是示出根据本发明的SAW谐振器中的电极膜厚度H/λ与Q值之间的关系的图。
图4是示出根据本发明的SAW谐振器中的电极膜厚度H/λ与二次温度系数之间的关系的图。
图5(a)是示出根据本发明的SAW谐振器中的电极膜厚度H/λ与变曲点温度Tp之间的关系的图，5(b)是示出其中的切割角θ与变曲点温度Tp之间的关系的图。
图6是示出当根据本发明的SAW谐振器中的变曲点温度Tp(℃)满足Tp＝-50，0，+70，以及+125时获得的切割角θ与电极膜厚度H/λ之间的关系的图。
图7是示出根据本发明的SAW谐振器中的电极膜厚度和线金属化率的乘积H/λ×mr与变曲点温度Tp之间的关系的图。
图8是示出当根据本发明的SAW谐振器中的变曲点温度Tp(℃)满足Tp＝-50，0，+70，以及+125时，切割角θ与电极膜厚度和线金属化率的乘积H/λ×mr之间的关系的图。
图9是用于说明根据本发明的两端口SAW谐振器的图。
图10是用于说明根据本发明的DMS滤波器的图，其中图10(a)是示出横向耦合型DMS滤波器的图，图10(b)是示出纵向耦合型DMS滤波器的图。
图11是用于说明根据本发明的梯形SAW滤波器的图。
图12是用于说明根据本发明的横向SAW滤波器的图，其中图12(a)是示出设置有沿两个方向激励SAW的IDT的横向SAW滤波器的图，图12(b)是示出设置有沿一个方向激励SAW的IDT的横向SAW滤波器的图。
图13是用于说明常规的ST切割石英SAW谐振器的图。
图14(a)和14(b)是用于说明-50°旋转Y切割90°X传播石英基板的图。
图15是用于说明常规的多对IDT型SAW谐振器的图。
附图标记说明
1压电基板
2IDT
3a、3b栅状反射器
4a、4b输入/输出焊盘
5a、5b金属导线
6封装
31压电基板
32、33IDT
34a、34b栅状反射器
41压电基板
42SAW谐振器
51压电基板
52IDT
61压电基板
62一端口SAW谐振器
71压电基板
72输入IDT
73输出IDT
74屏蔽电极
75吸音材料
82、83单相单向换能器
具体实施方式
下面将基于附图所示的实施例来详细描述本发明。图1(a)是根据本发明的SAW谐振器的平面图，其中在压电基板1上设置有具有互插的正电极指和负电极指的IDT 2、以及位于IDT 2两侧的用于对SAW进行反射的栅状反射器3a和3b。IDT 2的输入焊盘4a/输出焊盘4b与封装6的输入/输出端子通过金属导线5a和5b彼此电连接，通过盖子将封装6的开口部分气密地密封。如图14所示，压电基板1是如下的石英平板：其中旋转Y切割石英基板的切割角θ被设置在从Z晶轴沿逆时针方向旋转-50°角的位置附近、并且SAW的传播方向被设置为与X晶轴大致垂直的方向(90°±5°)，并且，受激的SAW是SH波。用于IDT 2以及栅状反射器3a和3b的电极材料是Al或者包含Al作为主要成分的合金。图1(b)示出IDT 2的剖面，当在本实施例中将在IDT 2上激励的SAW的波长表示为λ时，将电极膜厚度表示为按波长标准化的值H/λ，并且当将构成IDT 2的电极指的电极指宽度L/(电极指宽度L+电极指之间的间隔S)定义为线金属化率mr时，满足mr＝0.60。
在本发明中，考虑到常规技术中的缺陷，通过将电极膜厚度H/λ设置得大于常规的电极膜厚度，从而将SAW集中在压电基板表面上，使得可以有效利用栅状反射器对SAW的反射，并且，即使减少IDT对数或栅状反射器的数量也能将SAW能量限制在IDT中，从而缩小器件尺寸。
通常，在对SAW谐振器的最优设计中，频率-温度特性优异、Q值高、并且容量比(capacitance ratio)γ小(即品质因数(Q/γ)大)是非常重要的。在此考察根据本发明的SAW谐振器的各种特性。图2描述了在如下情况下获得的谐振器的各种特性：在图1所示的SAW谐振器中，使用-51°旋转Y切割90°X传播石英基板(以欧拉角表示为(0°，39°，90°))作为压电基板1；将谐振频率设置为315MHz；将电极膜厚度H/λ设置为0.06；IDT 2的对数是100；并且栅状反射器3a和3b的数量各自是100。图2(a)中示出依据实际试制结果的Q值、品质因数、以及二次温度系数，图2(b)中示出基于此的频率-温度特性。为了进行比较，也示出了压电基板的尺寸与根据本发明的SAW谐振器的压电基板尺寸相同的ST切割石英SAW谐振器的各种特性，作为常规产品中的各种特性。
参照图2，当将根据本发明的SAW谐振器与常规的ST切割石英SAW谐振器彼此比较时，获得如下大的值：前者的Q值是后者的1.8倍或者更多，并且前者的品质因数是后者的大约两倍。关于频率-温度特性，在根据本发明的SAW谐振器中可以确认非常优异的效果：可以获得大约+25℃的变曲点温度Tp，并且由于温度的频率波动量减少到常规技术的大约0.6倍。
根据本发明的SAW谐振器能够减小压电基板的尺寸，同时保持比ST切割石英SAW谐振器的Q值好的Q值。这是因为根据本发明的在IDT或者栅状反射器处的SAW反射量相对于SAW谐振器的电极膜厚度H/λ的增加的增加量远远大于在ST切割石英SAW谐振器中的情况。即，根据本发明的SAW谐振器可以通过使得电极膜厚度H/λ很大，从而用比ST切割石英SAW谐振器中的IDT对数或者栅状反射器数量少的IDT对数或者栅状反射器数量来实现高Q值。
图3示出根据本发明的SAW谐振器中的电极膜厚度H/λ与Q值之间的关系，其中谐振器设计条件与上述条件相同。从图3可知，在0.04＜H/λ＜0.12的范围内可以获得超过ST切割石英SAW谐振器的Q值(＝15000)的值。此外，通过将范围设置在0.05＜H/λ＜0.10可以获得超过20000的高Q值。
将日本特公平01-034411号中示出的多对IDT型SAW谐振器的Q值与根据本发明的SAW谐振器的Q值进行比较，在所述专利申请中获得的Q值是当谐振频率是207.561(MHz)时的值，并且当谐振频率变化到在本实施例中应用的谐振频率315(MHz)时，Q值大约是15000，在此Q值近似等于ST切割石英SAW谐振器中的Q值。在对谐振器的尺寸进行的比较中，所述专利申请中描述的多对IDT型SAW谐振器需要800±200个IDT对，但本发明对于IDT和栅状反射器两者仅需要容纳200个IDT对的空间，从而本发明可以显著地减小尺寸。因此，通过将电极膜厚度设置在0.04＜H/λ＜0.12的范围内并且提供栅状反射器来有效地反射SAW，可以实现与日本特公平01-034411号中公开的多对IDT型SAW谐振器相比尺寸更小且Q值更高的SAW器件。
接下来，图4示出根据本发明的SAW谐振器中的电极膜厚度H/λ与二次温度系数之间的关系，其中谐振器的设计条件与上述条件相同。从图4可知，在可以获得高Q值的0.04＜H/λ＜0.12的范围内可以获得比ST切割石英SAW谐振器的二次温度系数-0.034(ppm/℃2)更好的值。
基于以上所述，通过将电极膜厚度H/λ设置在0.04＜H/λ＜0.12的范围内，可以提供与ST切割石英SAW器件和日本特公平01-034411号中公开的SAW器件相比尺寸更小且Q值更高、并且频率稳定性优异的SAW器件。
虽然上文仅描述了将切割角θ设置为-51°的情况，但在根据本发明的SAW谐振器中即使切割角θ发生变化，膜厚度依赖性也不会有很大变化，由此，通过将电极膜厚度设置在0.04＜H/λ＜0.12的范围内，即使切割角从-51°偏移了几度，也能获得优异的Q值和优异的二次温度系数。
根据本发明的SAW谐振器在非常广的温度范围内呈现三次温度特性，但在特定的窄温度范围内可以将温度特性视为二次特性，在该温度范围内的变曲点温度Tp依据电极膜厚度和切割角而变化。因此，无论频率-温度特性如何优异，当变曲点温度Tp波动到使用温度范围之外时，频率稳定性都会明显地劣化。为了实现在实际使用温度范围内(-50℃到+125℃)内的优异频率稳定性，不仅必须详细考察二次温度系数而且必须详细考察变曲点温度Tp。
图5(a)示出在根据本发明的SAW谐振器中当将切割角θ设置为-50.5°时获得的电极膜厚度H/λ与变曲点温度Tp之间的关系。从图5(a)显见，当电极膜厚度H/λ变大时，变曲点温度Tp变低，并且电极膜厚度H/λ与变曲点温度Tp之间的关系可以通过以下近似式来表示。
Tp(H/λ)＝-41825×(H/λ)2+2855.4×(H/λ)-26.42 …(1)
除了其截点外，该近似式(1)可以应用于-50°附近的切割角。
图5(b)示出在根据本发明的SAW谐振器中当将膜厚度H/λ设置为0.06时获得的切割角θ与变曲点温度Tp之间的关系。从图5(b)中显见，当切割角θ的绝对值减小时，变曲点温度Tp降低，并且切割角θ与变曲点温度Tp之间的关系可以由以下近似式来表示。
Tp(θ)＝-43.5372×θ-2197.14 …(2)
随后，从式(1)和式(2)中可知，当将电极膜厚度H/λ设置为满足0.04＜H/λ＜0.12时，为了将变曲点温度Tp设置在实际使用温度范围内(-50℃到+125℃)，将切割角θ设置在-59.9°≤θ≤-48.9°的范围内就足够了。
当考虑电极膜厚度H/λ和切割角θ两者时，变曲点温度Tp由利用式(1)和式(2)的以下近似式来表示。
Tp(H/λ，θ)＝Tp(H/λ)+Tp(θ)＝-41825×(H/λ)2+2855.4×(H/λ)-43.5372×θ-2223.56 …(3)
为了将变曲点温度Tp设置在使用温度范围内(-50℃到+125℃)，可以将电极膜厚度H/λ和切割角θ设置在由从近似式(3)得到的下式所表示的范围内。
0.9613≤-18.498×(H/λ)2+1.2629×(H/λ)-0.019255×θ≤1.0387 …(4)
因此，在本发明中，使用切割角θ在-59.9°≤θ≤-48.9°的范围内的旋转Y切割石英基板，使用受激为使得SAW的传播方向是近似垂直于X轴的方向的SH波，用于IDT和栅状反射器的电极材料是Al或者包含Al作为主要成分的合金，并且将电极膜厚度H/λ设置为满足0.04＜H/λ＜0.12。利用此结构，可以实现比ST切割石英SAW器件尺寸更小且Q值更高、并且频率稳定性优异的SAW器件。
在此将考察最优条件。如图3所示，优选地，将电极膜厚度H/λ设置在可以获得20000或者更高Q值的0.05＜H/λ＜0.10的范围内。此外，优选地，将切割角θ设置在-55.7°≤θ≤-50.2°的范围内，以将变曲点温度Tp设置在更实际的应用温度范围内(0℃到+70℃)。此外，优选地，将切割角θ和电极膜厚度H/λ设置在由从近似式(3)获得的下式限定的范围内。
0.9845≤-18.518×(H/λ)2+1.2643×(H/λ)-0.019277×θ≤1.0155 …(5)
在上述说明中，已经根据当将图5(a)中所示的切割角θ设置为-50.5°时获得的电极膜厚度H/λ与变曲点温度Tp之间的关系、以及当将图5(b)所示的电极膜厚度H/λ设置为0.06时获得的切割角θ与变曲点温度Tp之间的关系，推导了在变曲点温度Tp落入实际使用温度范围内的情况下电极膜厚度H/λ与切割角θ之间的关系式。通过按切割角θ的扩大范围执行的实验来找出更具体的条件，下面将对它们进行说明。
图6示出当SAW谐振器中的变曲点温度Tp(℃)满足Tp＝-50，0，+70和+125时获得的石英基板的切割角θ与电极膜厚度H/λ之间的关系，其中各个Tp特性的近似式如下：
Tp＝-50(℃)：H/λ-1.02586×10-4×θ3-1.73238×10-2×θ2-0.977607×θ-18.3420
Tp＝0(℃)：H/λ-9.87591×10-5×θ3-1.70304×10-2×θ2-0.981173×θ-18.7946
Tp＝+70(℃)：H/λ-1.44605×10-4×θ3-2.50690×10-2×θ2-1.45086×θ-27.9464
Tp＝+125(℃)：H/λ-1.34082×10-4×θ3-2.34969×10-2×θ2-1.37506×θ-26.7895
从图6可见，为了将变曲点温度Tp(℃)设置为满足作为实际范围的-50≤Tp≤+125，可以将切割角θ和电极膜厚度H/λ设置为满足由Tp＝-50℃和Tp＝+125℃的曲线包围的区域，即-1.34082×10-4×θ3-2.34969×10-2×θ2-1.37506×θ-26.7895＜H/λ＜-1.02586×10-4×θ3-1.73238×10-2×θ2-0.977607×θ-18.3420。此时必须将电极膜厚度H/λ的范围设置为满足使得特性可以优于常规ST切割石英器件的特性的0.04＜H/λ＜0.12、并且将切割角θ的范围设置为满足与图6所示的从点A到点B的范围对应的-64.0＜θ＜-49.3。
此外，在关于更优化条件的考察中，优选地，将变曲点温度Tp(℃)设置为满足与更实际的使用温度范围对应的0≤Tp≤+70。为了将Tp(℃)设置在上述范围内，可以将切割角θ和电极膜厚度H/λ设置为满足图6所示的曲线Tp＝0℃和Tp＝+70℃包围的区域，即-1.44605×10-4×θ3-2.50690×10-2×θ2-1.45086×θ-27.9464＜H/λ＜-9.87591×10-5×θ3-1.70304×10-2×θ2-0.981173×θ-18.7946。此外，优选地，将电极膜厚度H/λ设置为满足可以获得20000或者更高Q值的0.05＜H/λ＜0.10的范围。此外，为了将电极膜厚度设置在上述范围内并且将变曲点温度Tp(℃)设置到0≤Tp≤+70的范围内，必须将切割角θ设置为满足与从图6(a)所示的从点C到点D的范围对应的-61.4＜θ＜-51.1。
根据上述的详细考察，已经发现，通过使用切割角θ满足-64.0°＜θ＜-49.3°、优选为-61.4°＜θ＜-51.1°的旋转Y切割石英基板，使用受激为使得SAW的传播方向为近似垂直于X轴的方向的SH波，由Al或者主要包含Al的合金形成用于IDT或者栅状反射器的电极材料，并且将电极膜厚度H/λ设置为满足0.04＜H/λ＜0.12、优选为0.05＜H/λ＜0.10，可以获得Q值大于ST切割石英SAW器件的Q值的优异温度特性，并且可以将变曲点温度Tp设置在实际的使用温度范围内。
虽然上文已经说明了将IDT的线金属化率mr固定为0.60的示例，但下文将考察当线金属化率包括在变量中时获得的Tp特性的示例。
图7示出电极膜厚度和线金属化率的乘积H/λ×mr与变曲点温度Tp之间的关系。垂直轴表示变曲点温度Tp(℃)，而水平轴表示电极膜厚度和线金属化率的乘积H/λ×mr。此时，石英基板的切割角θ被设置为-51.5°。如图7所示，可知变曲点温度Tp随着电极膜厚度和线金属化率的乘积H/λ×mr的值的增加而降低。
接下来，图8示出当变曲点温度Tp(℃)是-50，0，+70和+125时获得的石英基板切割角θ与电极膜厚度和线金属化率的乘积H/λ×mr之间的关系。各个Tp特性的近似式如下：
Tp＝-50(℃)：H/λ×mr-6.15517×10-5×θ3-1.03943×10-2×θ2-0.586564×θ-11.0052
Tp＝0(℃)：H/λ×mr-5.92554×10-5×θ3-1.02183×10-2×θ2-0.588704×θ-11.2768
Tp＝+70(℃)：H/λ×mr-8.67632×10-5×θ3-1.50414×10-2×θ2-0.870514×θ-16.7678
Tp＝+125(℃)：H/λ×mr-8.04489×10-5×θ3-1.40981×10-2×θ2-0.825038×θ-16.0737
从图8可见，为了将变曲点温度Tp(℃)设置为满足作为实际范围的-50≤Tp≤+125，可以将切割角θ以及电极膜厚度和线金属化率的乘积H/λ×mr设置为满足由曲线Tp＝-50℃和Tp＝+125℃包围的区域，即-8.04489×10-5×θ3-1.40981×10-2×θ2-0.825038×θ-16.0737＜H/λ×mr＜-6.15517×10-5×θ3-1.03943×10-2×θ2-0.586564×θ-11.0052。此时，必须将电极膜厚度H/λ的范围设置为可以获得比常规ST切割石英器件中的特性好的特性的0.04＜H/λ＜0.12，并且将切割角θ的范围设置为-64.0＜θ＜-49.3。
为了将变曲点温度Tp(℃)设置为满足作为更实际的使用温度范围的0≤Tp≤+70，可以将切割角θ以及电极膜厚度和线金属化率的乘积H/λ×mr设置为满足由图8所示的曲线Tp＝0℃和Tp＝+70℃包围的区域，即-8.67632×10-5×θ3-1.50414×10-2×θ2-0.870514×θ-16.7678＜H/λ×mr＜-5.92554×10-5×θ3-1.02183×10-2×θ2-0.588704×θ-11.2768。此时，优选地将电极膜厚度H/λ设置为满足可以获得20000或者更高Q值的0.05＜H/λ＜0.10，并且，为了将电极膜厚度设置为上述范围并将变曲点温度Tp(℃)设置在0≤Tp≤+70的范围内，优选地将切割角θ设置为满足-61.4＜θ＜-51.1。
虽然迄今仅描述了如在图1中示出的一端口SAW谐振器，但本发明可以应用于并非一端口SAW谐振器的其他SAW器件。下面将说明各种SAW器件的结构。
图9示出如下的两端口SAW谐振器：其中，在压电基板31上沿着SAW的传播方向设置有IDT 32和33、并且在IDT 32和33的两侧上设置有栅状反射器34a和34b，在该两端口SAW谐振器中也可以像一端口SAW谐振器那样实现高Q值。
图10示出利用SAW谐振器声耦合的双模SAW(DMS)滤波器作为谐振器滤波器的一个系统，其中图10(a)示出其中在压电基板41上与传播方向平行地彼此相邻地设置有SAW谐振器42的横向耦合型DMS滤波器，图10(b)示出其中在压电基板51上沿着SAW的传播方向设置有包括IDT 52的SAW谐振器的两端口纵向耦合型DMS滤波器。所述横向耦合型DMS滤波器利用与传播方向垂直的声耦合，而两端口纵向耦合型DMS滤波器利用与传播方向水平的声耦合。这些DMS滤波器具有可以获得平坦的通带和优异的频带外抑制度的特性。两端口纵向耦合型DMS滤波器可以与SAW谐振器相连接以对通带附近的频带进行高度衰减。本发明可以应用于利用高阶模的多模SAW滤波器，或者应用于在与传播方向垂直的方向和水平的方向上都执行声耦合的多模SAW滤波器。
图11示出通过在压电基板61上按梯形形状(由串联、并联和串联构成)设置多个一端口SAW谐振器62而构成的梯型SAW滤波器，作为谐振器滤波器的另一系统。所述梯型SAW滤波器能够获得通带附近的衰减斜度比DMS滤波器中通带附近的衰减斜度更陡峭的滤波器特性。
图12示出横向SAW滤波器，其中图12(a)示出在压电基板71上沿着SAW的传播方向按预定间隔设置有输入IDT 72和输出IDT 73的一个横向SAW滤波器。IDT 72和73将SAW沿双向传播。可以提供屏蔽电极74以防止输入端子与输出端子之间的直达波的影响，或者可以在压电基板71的两端上施加吸音材料75以抑制来自基板的端面的不必要的反射波。因为可以彼此独立地设计横向SAW滤波器的振幅特性和相位特性并且其频带外抑制度高，所以横向SAW滤波器经常用作IF滤波器。
横向SAW滤波器具有如下问题：由于SAW沿着传播方向相等地向右和向左传播，所以滤波器的插入损耗变得很大。作为用于解决上述问题的方法，如图12(b)所示，存在设置有所谓的单相单向换能器(SPUDT)82和83的横向SAW滤波器，在SPUDT 82和83中，通过改变电极指排列或者电极指宽度来对SAW的激励和反射进行加权，从而单向进行对SAW的激励。由于单向进行对SAW的激励，所以可以获得低损耗滤波器特性。作为其他的结构，存在其中在IDT的激活电极之间设置有栅状反射器的所谓反射组(reflection bank)型横向SAW滤波器等。
在上述各种SAW器件中，很明显，通过使用如下的石英平板作为压电基板：其中旋转Y切割石英基板的切割角θ被设置为满足从Z晶轴沿逆时针方向在-64.0°＜θ＜-49.3°的范围、优选为-61.4°＜θ＜-51.1°的范围，并且将表面声波的传播方向设置为相对于X晶轴成90°±5°，并且将电极膜厚度H/λ设置为满足0.04＜H/λ＜0.12的范围、优选为满足0.05＜H/λ＜0.10的范围，可以获得与本发明中所获得的优点相似的优点。
在上述SAW器件中，很明显，即使在IDT或者栅状反射器上形成有保护膜(例如，由SiO2等制成的保护膜、由通过对Al进行阳极氧化而获得的保护膜等)、或者在Al电极的上部或下部上形成有用于改善耐电性的紧密粘合层或者其他金属薄膜，也可以获得与本发明中所获得的优点相似的优点。不言自明，根据本发明的SAW器件可以应用于传感器器件或者模块器件、振荡电路等。由于可以通过在电压控制SAW振荡器(VCSO)等中使用根据本发明的SAW器件来减小容量比γ，所以可以采用更宽的频率变化范围。
除了如图1所示的将SAW芯片和封装彼此引线接合的结构以外，根据本发明的SAW器件还可以具有其他结构，并且其可以具有其中SAW芯片的电极焊盘与封装的端子经由金属凸块连接的芯片倒装接合(FCB)结构、其中按芯片倒装方式将SAW芯片接合在布线基板上并且对SAW芯片的周围进行树脂密封的CSP(芯片尺寸封装)结构、其中通过在SAW芯片上形成金属层或者树脂层而不必使用封装或者布线基板的WLCSP(晶片级尺寸封装)结构等。可以采用其中在石英器件被夹在石英基板或者玻璃基板中间的状态下进行层叠和密封的AQP(全石英封装)结构。由于AQP结构是利用石英基板或者玻璃基板来简单地进行夹入的结构，所以不需要封装，可以执行薄化，并且可以通过采用低熔点玻璃密封或者直接接合来减少粘合剂导致的脱气(out gas)，从而可以实现诸如老化特性卓越的优点。
Claims (16)
1、一种表面声波器件，该表面声波器件包括压电基板和形成在所述压电基板上并且由Al或包含Al作为主要成分的合金形成的叉指型电极，受激波为SH波，其中，
所述压电基板是如下的石英平板：旋转Y切割石英基板的切割角θ被设置在从Z晶轴沿逆时针方向的-64.0°＜θ＜-49.3°的范围内，并且表面声波的传播方向被设置为相对于X晶轴成90°±5°，并且，
当将受激表面声波的波长表示为λ时，按所述叉指型电极的波长标准化的电极膜厚度H/λ被设置为满足0.04＜H/λ＜0.12。
2、根据权利要求1所述的表面声波器件，其中，切割角θ与电极膜厚度H/λ之间的关系满足-1.34082×10-4×θ3-2.34969×10-2×θ2-1.37506×θ-26.7895＜H/λ＜-1.02586×10-4×θ3-1.73238×10-2×θ2-0.977607×θ-18.3420。
3、根据权利要求1所述的表面声波器件，其中，当将构成所述叉指型电极的电极指的电极指宽度/(电极指宽度+电极指之间的间隔)定义为线金属化率mr时，切割角θ与电极膜厚度和线金属化率的乘积H/λ×mr之间的关系满足-8.04489×10-5×θ3-1.40981×10-2×θ2-0.825038×θ-16.0737＜H/λ×mr＜-6.15517×10-5×θ3-1.03943×10-2×θ2-0.586564×θ-11.0052。
4、一种表面声波器件，该表面声波器件包括压电基板和形成在所述压电基板上并由Al或包含Al作为主要成分的合金制成的叉指型电极，利用的受激波为SH波，其中，
所述压电基板是如下的石英平板：旋转Y切割石英基板的切割角θ被设置为满足从Z晶轴沿逆时针方向的-61.4°＜θ＜-51.1°的范围，并且表面声波的传播方向被设置为相对于X晶轴成90°±5°，并且，
当将受激表面声波的波长表示为λ时，按所述叉指型电极的波长标准化的电极膜厚度H/λ被设置为满足0.05＜H/λ＜0.10。
5、根据权利要求4所述的表面声波器件，其中，切割角θ与电极膜厚度H/λ之间的关系满足-1.44605×10-4×θ3-2.50690×10-2×θ2-1.45086×θ-27.9464＜H/λ＜-9.87591×10-5×θ3-1.70304×10-2×θ2-0.981173×θ-18.7946。
6、根据权利要求4所述的表面声波器件，其中，
当将构成所述叉指型电极的电极指的电极指宽度/(电极指宽度+电极指之间的间隔)定义为线金属化率mr时，切割角θ与电极膜厚度和线金属化率的乘积H/λ×mr之间的关系满足-8.67632×10-5×θ3-1.50414×10-2×θ2-0.870514×θ-16.7678＜H/λ×mr＜-5.92554×10-5×θ3-1.02183×10-2×θ2-0.588704×θ-11.2768。
7、根据权利要求1到6中的任一项所述的表面声波器件，其中，
所述表面声波器件是在所述压电基板上设置有至少一个叉指型电极的一端口表面声波谐振器。
8、根据权利要求1到6中的任一项所述的表面声波器件，其中，
所述表面声波器件是在所述压电基板上沿着表面声波的传播方向设置有至少两个叉指型电极的二端口表面声波谐振器。
9、根据权利要求1到6中的任一项所述的表面声波器件，其中，
所述表面声波器件是在所述压电基板上与表面声波的传播方向平行地彼此接近地设置有多个表面声波谐振器的横向耦合型多模滤波器。
10、根据权利要求1到6中的任一项所述的表面声波器件，其中，
所述表面声波器件是在所述压电基板上沿着表面声波的传播方向设置有包括多个叉指型电极的两端口表面声波谐振器的纵向耦合型多模滤波器。
11、根据权利要求1到6中的任一项所述的表面声波器件，其中，
所述表面声波器件是在所述压电基板上按梯形形状连接有多个表面声波谐振器的梯型表面声波滤波器。
12、根据权利要求1到6中的任一项所述的表面声波器件，其中，
所述表面声波器件是在所述压电基板上按预定间隔设置有双向地传播表面声波的多个叉指型电极的横向表面声波滤波器。
13、根据权利要求1到6中的任一项所述的表面声波器件，其中，
所述表面声波器件是在所述压电基板上设置有沿一个方向传播表面声波的至少一个叉指型电极的横向表面声波滤波器。
14、根据权利要求1到6中的任一项所述的表面声波器件，其中，
所述表面声波器件是表面声波传感器。
15、根据权利要求1到14中的任一项所述的表面声波器件，其中，
所述表面声波器件在叉指型电极的两侧上具有栅状反射器。
16、一种模块器件或者振荡电路，该模块器件或者振荡电路使用根据权利要求1到15中的任一项所述的表面声波器件。
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Owner name: SEIKO EPSON CORP. Free format text: FORMER OWNER: EPSON TOYOCOM CORP. Effective date: 20111018 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20111018 Address after: Tokyo, Japan, Japan Patentee after: Seiko Epson Corp. Address before: Tokyo, Japan, Japan Patentee before: Epson Toyocom Corp. |