CN1989692B - 弹性边界波装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供可以防止更高频率下的导体电阻增加且具有小延迟时间温度系数的弹性边界波装置。弹性边界波装置(10)包含IDT(13),IDT(13)包含在第一介质(11)和第二介质(12)之间安置的层压导体层,其中将在厚度方向上平分IDT(13)的平面看作是界面,在界面的第一介质(11)一侧存在的弹性边界波能量为E1且在界面的第二介质(12)一侧存在的弹性边界波能量为E2,并且其中如果IDT(13)只由在层压导体层中具有最高密度的导体层构成,则在界面的第一介质(11)一侧存在的弹性边界波能量为E1′且在界面的第二介质(12)一侧存在的弹性边界波能量为E2′时,弹性边界波的能量可以满足E1/E2<E1′/E2′的关系,使得在由所述层压导体层构成的IDT(13)中弹性边界波的声速等于在IDT(13)只由具有最高密度的导体层形成时弹性边界波的声速。
Description
技术领域
本发明涉及用于共振器、带通滤波器等的弹性边界波装置,更具体而言,涉及包含在第一介质和第二介质之间安置的IDT的弹性边界波装置。第一介质和第二介质由不同材料形成。
背景技术
弹性边界波装置具有其中在不同介质之间的界面安置叉指式电极(IDT)的结构。在弹性边界波装置中,弹性边界波通过不同介质的层状体传播。因此,弹性边界波装置可以省略复杂的封装结构并且比表面声波装置具有更简单和更低档(lower-profile)的结构。
在更高的频率工作的弹性边界波装置具有更短的IDT周期。这降低了IDT或反射器的电极指的宽度,从而增加导体电阻和电极指的损耗。
在弹性边界波装置中,当弹性边界波的声速小于通过在界面之上和之下安置的介质传播的横波的声速时,可以将弹性边界波限制在上层介质和下层介质之间。这可以减少传播损耗。
为了增强这种限制作用,使用高密度金属形成IDT是有效的。如在专利文献1中所述,许多弹性边界波装置具有由Al形成的IDT。相反,在专利文献2中描述的弹性边界波装置中,除Al以外,还描述了Au和Ag作为用于IDT的材料。
专利文献1:日本未审查专利申请公布号58-30217
专利文献2:DE 4132309A1
发明内容
在弹性边界波装置中,IDT产生弹性边界波的工作频率Fi由Fi=V/λi(方程式(a))表示,其中V表示弹性边界波的声速并且λi表示IDT的周期。从方程式(a)明显看出,当增加弹性边界波装置的工作频率Fi时,必须降低IDT的周期λi。这也降低了IDT或反射器的电极指的宽度,从而增加导体电阻和损耗。特别是,当电极指由高密度导体形成时,如果电极指的厚度小,则传播损耗可以接近于零。然而,电极指的厚度越小,导体电阻越大。
迄今为止,当弹性边界波装置的IDT由Au形成时,机电耦合系数K2不够大并且滞后的温度系数(TCD)不够小。
本发明的一个目的是解决背景技术的这些缺点并且提供如下的弹性边界波装置,所述弹性边界波装置即使在更高的工作频率也可以有效地限制弹性边界波,并且具有足够小的延迟时间温度系数TCD。
第一发明提供包含下列各项的弹性边界波装置:在弹性边界波的传播方向上具有正的延迟时间温度系数的第一介质;在弹性边界波的传播方向上具有负的延迟时间温度系数的第二介质;和包含在第一介质和第二介质之间安置的层压导体层的IDT,其中第一介质和第二介质的层压方向是IDT的厚度方向,将在厚度方向上平分IDT的平面看作是界面,在所述界面的第一介质一侧存在的弹性边界波能量表示为E1并且在所述界面的第二介质一侧存在的弹性边界波能量表示为E2,并且其中如果IDT只由在IDT的所述层压导体层中具有最高密度的导体层构成,则当在所述界面的第一介质一侧存在的弹性边界波能量表示为E1′并且当在所述界面的第二介质一侧存在的弹性边界波能量表示为E2′时,弹性边界波的能量可以满足E1/E2<E1′/E2′的关系,使得在由所述层压导体层构成的IDT中弹性边界波的声速等于在IDT只由具有最高密度的导体层形成时弹性边界波的声速。
根据第一发明的一个具体方面,IDT具有由如下的层构成的层状结构:第一导体层,由具有在7000至22000kg/m3的范围内的密度的金属形成;和第二导体层,由具有至少1740kg/m3并且小于11000kg/m3的密度的金属形成;第一导体层的密度ρ1和第二导体层的密度ρ2满足ρ1/ρ2>1.8的关系并且在第二介质一侧安置的IDT的导体层是第一导体层。
根据第一发明的另一个具体方面,IDT的第一导体层的厚度H和电极指周期λ满足0.034λ<H<0.5λ的关系。
根据第一发明的再一个具体方面,将粘合层安置在IDT与第一介质和/或第二介质接触的部分。
第二发明提供包含下列各项的弹性边界波装置:在弹性边界波的传播方向上具有正的延迟时间温度系数的第一介质;在弹性边界波的传播方向上具有负的延迟时间温度系数的第二介质;和在第一介质和第二介质之间安置的IDT,其中IDT具有由如下的层构成的层状结构:第一导体层,由具有在7000至22000kg/m3的范围内的密度的金属形成;和第二导体层,由具有至少1740kg/m3且小于11000kg/m3的密度的金属形成;第一导体层的密度ρ1和第二导体层的密度ρ2满足ρ1/ρ2>1.8的关系,在第二介质一侧安置的IDT的导体层是第一导体层,并且IDT的第一导体层的厚度H和电极指间距λ满足0.034λ<H<0.5λ的关系。
根据第二发明的另一个具体方面,将粘合层安置在IDT与第一介质和/或第二介质接触的部分。
根据第一发明或第二发明(以下全部称为本发明)的一个具体方面,第一介质由选自LiTaO3、LiNbO3、石英晶体、PZT、LBO、硅酸镓镧(langasite)和铌酸镓镧(langanite)的一种材料构成。
在根据本发明的弹性边界波装置的另一个具体方面中,第二介质由选自SiO2、LBO、硅酸镓镧和铌酸镓镧的至少一种材料构成。这种材料与用于第一介质的材料不同。
在根据本发明的另一个具体方面中,构成第一导体层的金属是选自Pt、Au、Cu、Ag、Ni、Fe、W、Ta、Cr和基于它们的合金的金属,并且构成第二导体层的金属是选自Mg、Al、Ti和基于它们的合金的金属。
在根据本发明的弹性边界波装置的另一个方面中,构成第一导体层的金属是Au,并且构成第二导体层的金属是选自Al、Mg、Ti、Cr、Ni、Cu、Ag和基于它们的合金的金属。
此外,在根据本发明的弹性边界波装置的另一个具体方面中,构成第一导体层的金属是Cu,并且构成第二导体层的金属是选自Al、Mg、Ti和基于它们的合金的金属。
此外,当构成第一导体层和第二导体层的每一种金属是上述单金属时,IDT的膜厚度优选等于或小于0.3λ。
在根据本发明的弹性边界波装置的另一个具体方面中,弹性边界波装置还包含在第一介质和第二介质之间安置的反射器。所述反射器由与IDT相同的电极材料形成。
本发明的优点
根据本申请的第一发明,在弹性边界波的传播方向上具有正的延迟时间温度系数TCD的第一介质和在弹性边界波的传播方向上具有负TCD的第二介质之间安置由多层导体层形成的IDT,并且满足E1/E2<E1′/E2′的关系。尽管在第二介质一侧上的弹性边界波的能量比在第一介质一侧上的弹性边界波的能量更高,但是因为第二介质的延迟时间温度系数TCD是负的,例如,将高密度导体层放置在第二介质一侧上可以充分降低TCD。
因此,当IDT具有包含第一导体层和第二导体层的层状结构时,通过将由高密度金属形成的第一金属层放置在第二介质一侧上,可以容易地提供具有足够小的TCD的弹性边界波装置。
在第一发明中,在IDT具有由如下的层构成的层状结构的时候:第一导体层,由具有在7000至22000kg/m3范围内的密度的金属形成;和第二导体层,由具有至少1740kg/m3且小于11000kg/m3的密度的金属形成,在第一导体层的密度ρ1和第二导体层的密度ρ2满足ρ1/ρ2>1.8的关系时且在第二介质一侧安置的IDT的导体层是第一导体层时,在第二介质一侧安置高密度导体层。这可以有效地降低TCD。
在第一发明中,当满足0.034λ<H<0.5λ的关系时,可以进一步降低TCD。
当在与第一介质和/或第二介质接触的部分安置粘合层时,IDT可以有效地提高IDT和第一介质和/或第二介质之间的粘附性。
在第二发明中,在具有正TCD的第一介质和具有负TCD的第二介质之间安置IDT,IDT具有包含第一导体层和第二导体层的层状结构,并且在第二介质一侧安置第一导体层。因此,可以充分地降低TCD。另外,因为满足0.034λ<H<0.51λ的关系,可以进一步降低TCD。
当在与第一介质和/或第二介质接触的部分安置粘合层时,IDT可以有效地提高IDT和第一介质和/或第二介质之间的粘附性。
当第一介质由选自LiTaO3、LiNbO3、石英晶体、PZT、LBO、硅酸镓镧和铌酸镓镧的一种材料构成时,在某些条件下TCD可以是正的。因此,使用具有负TCD的介质作为第二介质可以降低整个弹性边界波装置的TCD。
当第二介质由选自SiO2、LBO、硅酸镓镧和铌酸镓镧的至少一种材料构成,并且该材料与用作一种介质的材料不同时,在某些条件下TCD可以是负的。因此,使用具有正TCD的介质作为第一介质可以降低整个弹性边界波装置的TCD。根据本发明,通过增加在第二介质中出现的弹性边界波的振动能可以进一步降低TCD。
根据本发明,构成第一导体层和第二导体层的金属可以是任何金属。例如,当构成第一导体层的金属是选自Pt、Au、Cu、Ag、Ni、Fe、W、Ta、Cr和基于它们的合金的金属,并且构成第二导体层的金属是选自Mg、Al、Ti、Cr、Ni、Cu、Ag和基于它们的合金的金属时,使用这些广泛使用的金属可以容易地形成第一导体层和第二导体层。
此外,在构成第一导体层的金属是Au的情况下,当构成第二导体层的金属是选自Al、Mg、Ti、Cr、Ni、Cu、Ag和基于它们的合金的金属时,可以容易地实现优异的特性,如频率的温度系数TCD的绝对值与10ppm/℃一样小或更小。
此外,当构成第一导体层的金属是Cu时,优选使用选自Al、Mg、Ti和基于它们的合金的金属作为构成第二导体层的金属,因为这可以满足ρ1/ρ2>1.8的关系,从而降低TCD的绝对值。
当如上所述,第一导体层由Au或Cu构成时,IDT的膜厚度优选等于或小于0.3λ。这可以容易地将TCD的绝对值降低至10ppm/℃或更小。
在本发明中,当在第一介质和第二介质之间还安置由与IDT相同的电极材料形成的反射器时,根据本发明可以容易地制造每一个均包含该反射器的弹性边界波共振器或弹性边界波共振器滤波器。
附图简述
图1是根据本发明的一个实施方案的弹性边界波装置的示意性横截面俯视图。
图2是根据本发明的一个实施方案的弹性边界波装置的示意性横截面正视图。
图3是如下结构的示意性部分放大横截面正视图:根据本发明的一个实施方案的弹性边界波装置的电极结构和根据另一实施方案的弹性边界波装置的电极结构。
图4是说明在图1说明的弹性边界波装置中弹性边界波的声速Vm的变化的图,其中在第二介质一侧安置由Au形成的第一导体层16,第一导体层16的厚度保持恒定,并且改变在第一介质一侧安置的Al的压力。
图5是说明在图1说明的弹性边界波装置中弹性边界波的机电耦合系数K2的变化的图,其中在第二介质一侧安置由Au形成的第一导体层16,第一导体层16的厚度保持恒定,并且改变在第一介质一侧安置的Al的压力。
图6是说明在图1说明的弹性边界波装置中弹性边界波的延迟时间温度系数TCD的变化的图,其中在第二介质一侧安置由Au形成的第一导体层16,第一导体层16的厚度保持恒定,并且改变在第一介质一侧安置的Al的压力。
图7是说明在图1说明的弹性边界波装置中弹性边界波的声速Vm的变化的图,其中在第二介质一侧安置由Al形成的第一导体层16,第一导体层16的厚度保持恒定,并且改变在第一介质一侧安置的Au的压力。
图8是说明在图1说明的弹性边界波装置中弹性边界波的机电耦合系数K2的变化的图,其中在第二介质一侧安置由Al形成的第一导体层16,第一导体层16的厚度保持恒定,并且改变在第一介质一侧安置的Au的压力。
图9是说明在图1说明的弹性边界波装置中弹性边界波的延迟时间温度系数TCD的变化的图,其中在第二介质一侧安置由Al形成的第一导体层16,第一导体层16的厚度保持恒定,并且改变在第一介质一侧安置的Au的压力。
图10是在包含仅由Au形成的IDT的比较弹性边界波装置中,弹性边界波的位移分布的示意图。
图11是说明根据如下实施方案的弹性边界波装置中弹性边界波的位移分布的图:在第一介质LiNbO3一侧安置由Al形成的第一导体层并且在SiO2一侧安置由Au形成的第二导体层。
图12是说明当第一导体层由Al形成并且第二导体层由具有0.05λ的厚度的Au形成时TCD随Al的膜厚度变化的图。
图13是说明当第一导体层由Cu形成并且第二导体层由具有0.05λ的厚度的Cu形成时TCD随Cu的膜厚度变化的图。
图14是说明当第一导体层由Ag形成并且第二导体层由具有0.05λ的厚度的Ag形成时TCD随Ag的膜厚度变化的图。
图15是说明当第一导体层由Al形成并且第二导体层由具有0.1λ的厚度的Cu形成时TCD随归一化的Al的膜厚度变化的图。
图16是说明当第一导体层由Ti形成并且第二导体层由具有0.1λ的厚度的Cu形成时TCD随归一化的Ti的膜厚度变化的图。
附图标记
10弹性边界波装置
11第一介质
12第二介质
13IDT
13a,13b电极指
14,15反射器
16第一导体层
17第二导体层
实施本发明的最佳方式
下面详细描述本说明书中的介质和用作电极材料的材料的密度、晶体的欧拉角和晶轴。
密度
SiO2的密度是2210kg/m3,SiO2的横波的声特征阻抗是8.3×106kg·s/m2,Al的密度是2699kg/m3,Al的横波的声特征阻抗是8.4×106kg·s/m2,Cu的密度是8939kg/m3,Cu的横波的声特征阻抗是21.4×106kg·s/m2,Ag的密度是10500kg/m3,Ag的横波的声特征阻抗是18.6×106kg·s/m2,Au的密度是19300kg/m3和Au的横波的声特征阻抗是24.0×106kg·s/m2。
欧拉角
在本说明书中表示衬底切面和边界波的铁板方向的欧拉角(φ,θ,ψ)是在以下文件中描述的右旋欧拉角:″Danseihasosi gijyutu handobukku(声波装置技术手册)″(日本科学促进协会,声波装置技术第150届委员会,第一版,第一次印刷,1991年11月30日发行,549页)。更具体而言,在LN的X、Y和Z晶轴上,X轴绕Z轴反时针旋转φ转(turn)提供Xa轴。然后,Z轴绕Xa轴反时针旋转θ转提供Z′轴。将包含Xa轴且与Z′轴正交的平面看作是衬底的切面。然后,Xa轴绕Z′轴反时针旋转ψ转提供X′轴。将X′轴的方向看作是边界波的传播方向。
晶轴
在作为欧拉角的初始值给定的LiNbO3的晶轴X、Y和Z上,Z轴平行c轴,X轴是三根等价a轴中的任一根并且Y轴与包含X轴和Z轴的平面正交。
等价欧拉角
在本发明中LiNbO3的欧拉角(φ,θ,ψ)可以是在晶体学上等价的。例如,根据文件(Journal of Acoustical Society of Japan,36卷,第3期,1980,140-145页),LiNbO3是三角形3m点群的晶体。因此,方程式[4]对LiNbO3成立:
F(φ,θ,ψ)=F(60°-φ,-θ,ψ)
=F(60°+φ,-θ,180°-ψ)
=F(φ,180°+θ,180°-ψ)
=F(φ,θ,180°+ψ) [4]
其中F表示边界波特性如机电耦合系数KS 2、传播损耗、TCF、PFA或本征单向性。在PFA的本征单向性中,当传播方向反转时,例如不改变绝对量,但是信号反转。因此,它们的本征单向性实际上等价。虽然该文件描述了表面波,但是相同处理适用于边界波的晶体对称性。
例如,具有欧拉角(30°,θ,ψ)的边界波的传播特性等价于具有(90°,180°-θ,180°-ψ)的欧拉角的边界波的传播特性。此外,例如,具有(30°,90°,45°)的欧拉角的边界波的传播特性等价于具有表中描述的欧拉角的边界波的传播特性。
在本发明中用于计算的导体材料常数是多晶材料常数。即使在晶体如外延膜中,边界波特性中衬底的晶体取向依赖性也比膜的晶体取向依赖性占优势。因此,方程式[4]还可以在不导致实际问题的情况下提供边界波在晶体中的传播特性。
[表1]
φ(°) | θ(°) | ψ(°) |
30 | 90 | 225 |
30 | 270 | 135 |
30 | 270 | 315 |
90 | 90 | 135 |
90 | 90 | 315 |
90 | 270 | 45 |
90 | 270 | 225 |
150 | 90 | 45 |
150 | 90 | 225 |
150 | 270 | 135 |
150 | 270 | 315 |
210 | 90 | 135 |
210 | 90 | 315 |
210 | 270 | 45 |
210 | 270 | 225 |
270 | 90 | 45 |
270 | 90 | 225 |
270 | 270 | 135 |
270 | 270 | 315 |
330 | 90 | 135 |
330 | 90 | 315 |
330 | 270 | 45 |
330 | 270 | 225 |
下面通过参考附图描述本发明的具体实施方案澄清本发明。
图1和2是根据本发明的一个实施方案的弹性边界波装置的示意性横截面俯视图和示意性横截面正视图。
弹性边界波装置10包含由第一介质11和第二介质12构成的层压体。在该实施方案中第一介质11是充当压电物质的15°Y-截除(cut)X-传播(欧拉角(0°,105°,0°))LiNbO3板。
在该实施方案中第二介质12由充当绝缘物质的SiO2形成。
在第一介质11和第二介质12之间的界面安置IDT 13和反射器14和15。在IDT 13中,多根电极指13a和多根电极指13b相互插入。所述多根电极指13a电连接到一根汇流线上。所述多根电极指13b电连接到另一根汇流线上。
在该实施方案中IDT 13和反射器14和15具有层状结构,所述层状结构包含由Au形成且具有更高密度的第一导体层和由Al形成且具有更低密度的第二导体层。
图3是说明电极指13a和13b的横截面结构的示意性放大横截面图。在电极指13a和13b中,将第一导体层16和第二导体层17叠加。在由绝缘物质形成的第二介质12一侧安置由Au形成的第一导体层16。在充当压电物质的第一介质11一侧安置由Al形成的第二导体层17。
反射器14和15还具有与IDT 13相同的电极结构。因此,在反射器14和15中,还叠加第一导体层16和第二导体层17。
在该实施方案的弹性边界波装置10中,如上所述形成第一介质11和第二介质12,并且IDT 13和反射器14和15具有上述电极结构。将在厚度方向上平分IDT 13的平面看作是界面。在所述界面的第一介质11一侧存在的弹性边界波能量表示为E1。在所述界面的第二介质一侧存在的弹性边界波能量表示为E2。如果IDT 13只由单组分导体Au形成,所述单组分导体Au构成在IDT 13的层压导体层16和17之中具有最高密度的第一导体层,则在所述界面的第一介质一侧存在的弹性边界波能量表示为E1′且在所述界面的第二介质12一侧存在的弹性边界波能量表示为E2′时,弹性边界波能量可以满足E1/E2<E1′/E2′的关系,使得在由层压导体层16和17构成的IDT 13中弹性边界波的声速等于在IDT 13只由Au形成时弹性边界波的声速。这种关系使得弹性边界波装置10作为一个整体具有更小的TCD。下面将对其具体描述。
如图3中说明,在充当压电物质的第一介质11一侧安置由Al形成的第二导体层17。在为第二介质的SiO2一侧安置由Au形成的第一导体层16。确定弹性边界波的声速、机电耦合系数K2和延迟时间温度系数TCD与导体层厚度的关系。下面描述条件。层状结构:SiO2/IDT/LiNbO3
15°Y-截除X-传播LiNbO3板用作LiNbO3。
IDT:构成第一导体层16的Au的厚度是0.05λ或者可变的。由Al形成的第二导体层17的厚度是0.1λ或可变的。
第一介质11和第二介质12具有无穷大厚度。
这些是根据如下文件确定的:″A method for estimating optimal cuts andpropagation directions for excitation and propagation directions for excitationof piezoelectric surface waves″(J.J.Campbell和W.R.Jones,IEEE Trans.Sonics and Ultrason.,SU-15卷(1968)209-217页)。在此情况下,对于开放边界,在如下假设上确定声速:位移、电位、电通量和密度的正交分量和垂直应力在第一介质11和第二介质之间的边界、第一介质11和IDT 13之间的边界以及IDT 13和第二介质12之间的边界是连续的;第一介质11和第二介质12具有无穷大厚度;并且构成IDT和其它元件的导体的相对介电常数为1。对于短路边界,在电位在第二介质和IDT之间的边界和IDT和第一介质之间的边界处为零的假设上,确定声速。通过方程式(1)确定机电耦合系数K2。在方程式(1)中,Vf表示在开放边界的声速。
K2=2x|Vf-V|/Vf…(1)
基于在20℃、25℃和30℃的相速,通过方程式(2)确定延迟时间温度系数TCD。
TCD=(V[20℃]-V[30℃])/V[25℃]/10+αs…(2)
在方程式(2)中,αs表示第一介质11在边界波的传播方向上的线性膨胀系数。
图4至6说明了当将第一导体层16即Au的厚度设定为0.05λ时,声速、机电耦合系数K2和延迟时间温度系数TCD与构成第二导体层17的Al的厚度(λ)的关系。图7至9说明了当将构成第二导体层17的Al的厚度设定为0.1λ时,弹性边界波的声速、机电耦合系数K2和延迟时间温度系数TCD与构成第一导体层16的Au的厚度(λ)的关系。
在图4至6中,在Al的厚度=0的特性对应只由Au形成的电极的特性。如图6所示,通过将由Al形成的第二导体层17放置在由LiNbO3形成的第一介质11和由Au形成的第一导体层16之间,换句话说,通过将Al的厚度设定为大于零,可以控制延迟时间温度系数TCD。
如下将对其重新叙述。将在厚度方向上平分IDT 13的平面看作是界面。在所述界面的第一介质11一侧存在的弹性边界波能量表示为E1。在所述界面的第二介质12一侧存在的弹性边界波能量表示为E2。如果IDT13只由单组分导体Au形成,所述导体Au构成在IDT 13的层压导体层16和17之中具有最高密度的第一导体层,则在所述界面的第一介质一侧存在的弹性边界波能量表示为E1′且在所述界面的第二介质12一侧存在的弹性边界波能量表示为E2′时,弹性边界波能量可以满足E1/E2<E1′/E2′的关系,使得在由层压导体层16和17构成的IDT 13中弹性边界波的声速等于在IDT 13只由Au形成时弹性边界波的声速。这种关系使得延迟时间温度系数TCD降低。
更具体而言,优选0.034λ<H的关系,其中H表示由Al形成的第二导体层17的厚度,因为该关系提供在±20ppm/℃的范围内的TCD。更优选的是,0.064λ<H<0.2λ的关系导致±10ppm/℃的TCD。还更优选的是,0.083λ<H<0.144λ的关系导致±5ppm/℃。特别是,邻近0.118λ的H可以提供接近于零的TCD。
因为考虑到纵横比而存在临界值,所以通过光刻的Al的厚度的上限是约0.5λ。
此外,如图9所示,即使当改变由Au形成的第一导体层16的厚度时,TCD也没有明显变化。
图10是当Au的厚度=0.05λ并且Al的厚度=0时,弹性边界波的位移分布的示意图(U1=纵波分量,U2=SH波分量,U3=SV波分量;U1至U3是构成弹性边界波的分波分量)。图11是说明当Au的厚度=0.05λ并且Al的厚度=0.1λ时,在弹性边界波装置的弹性边界波的位移分布的图(U1=纵波分量,U2=SH波分量,U3=SV波分量;U1至U3是构成弹性边界波的分波分量)。在图10中,第一介质11的密度是4640kg/m3并且第二密度12的密度是2210kg/m3。在图10中,IDT不具有包含多个导体的层状结构并且由单组分导体形成。弹性边界波的能量与ρU2成正比,其中U表示振幅并且ρ表示IDT的密度。因此,E1′/E2′是约1.1。从图11确定的E1/E2是约0.5。因此,在该实施方案中,满足E1/E2<E1′/E2′的关系。
如图11所示,因为在第二介质12一侧安置由Au形成的高密度第一导体层16,所以振动能分布的中心出现在第二介质12一侧。因此,由于它的负TCD,SiO2可以强烈地抵消由压电物质形成的第一介质11的正TCD。因此,可以有效地降低整个弹性边界波装置的TCD。
本发明不但可以应用于起弹性边界波共振器作用的弹性边界波装置10,而且可以应用于具有各种结构的共振器或者滤波器。具体而言,本发明还可以广泛应用于使用弹性边界波的各种滤波器或者开关,如梯型滤波器、纵向耦合共振器滤波器、横向耦合共振器滤波器、横向滤波器、弹性边界波光学开关和弹性边界波滤光器。
电极材料不限于Au或Al并且可以是另一种导电材料,如Pt、Ag、Cu、Ni、Ti、Fe、W或Ta,或可以是基于这些导电材料的合金。
确实,当IDT具有包含第一导体层和第二导体层的层状结构时,第一导体层由高密度金属形成,所述高密度金属具有7000至22000kg/m3的密度,如Au,并且第二导体层由低密度金属形成,所述低密度金属具有至少1740kg/m3且小于11000kg/m3的密度,如Al。假如对构成第一导体层和第二导体层的金属的密度和对第一导体层与第二导体层的密度比ρ1/ρ2>1.8的要求得到满足,则构成包括第一导体层和第二导体层的层状结构的每一导体层的金属可以是任何金属。
构成第一导体层和第二导体层的金属的实例包括如下构成第一导体层的金属和构成第二导体层的金属的组合:所述构成第一导体层的金属选自Pt、Au、Cu、Ag、Ni、Fe、W、Ta、Cr和基于它们的合金;并且所述构成第二导体层的金属选自Mg、Al、Ti、Cr、Ni、Cu、Ag和基于它们的合金。
此外,当构成第一导体层的金属是Au时,满足上述条件的组合的实例包括与如下构成第二导体层的金属的组合,所述构成第二导体层的金属选自Al、Mg、Ti、Cr、Ni、Cu、Ag和基于它们的合金。此外,当构成第一导体层的金属是Cu时,所述组合的实例包括与选自Al、Mg、Ti和基于它们的合金的构成第二导体层的金属的组合。在构成第一导体层的金属是Au时的组合中或在构成第一导体层的金属是Cu时的组合中,IDT的膜厚度优选等于或小于0.3λ。这可以将TCD的绝对值降低至10ppm/℃或更小。
图12至14说明的是,当与得到图4至6所说明的结果的弹性边界波装置一样制造弹性边界波装置,只是第一导体层和第二导体层具有下面描述的结构时,TCD随IDT中第二导体层的膜厚度的变化情况。
具体而言,图12至14说明当第一导体层由具有0.05λ的膜厚度的Au形成并且第二导体层由Al形成时,TCD随归一化的Al的膜厚度的变化。
图13和14说明当上部的第二导体层由Cu或Ag形成时TCD随Cu膜或Ag膜的厚度的变化。在图13和14中,由Au形成的第一导体层的膜厚度还是0.05λ。
在图12至14中,垂直交替的长和短虚线表明了第二导体层的Al膜、Cu膜和Ag膜具有0.25λ的厚度的点。在该点,第一导体层和第二导体层的总膜厚度是0.3λ。
如图12至14所示,当IDT的膜厚度等于或小于0.3λ时,随着构成第二导体层的金属的密度从Al到Cu再到Ag增加,其中TCD的绝对值等于或小于10ppm/℃的第二导体层的区域或膜厚度范围减小。这种现象产生于第一导体层与第二导体层的密度比。Au/Ag的密度比是1.83。
通常,其中TCD的绝对值等于或小于10ppm/℃的区域可以是其中TCD是优异的区域。因此,可能不必要使用具有大于10ppm/℃的TCD的绝对值的弹性边界波装置。根据具体要求,可以使用具有上述范围以外的特性的弹性边界波装置。换句话说,等于或小于10ppm/℃的TCD的绝对值表示优选的数值范围。
图15和16是说明当第一导体层由具有0.1λ的膜厚度的Cu形成并且第二导体层由Al或Ti形成时,TCD随Al膜或Ti膜的膜厚度变化的图。
在图15和16中,垂直交替的长和短虚线表明了第二导体层的膜厚度是0.2λ的点。在该点,第一导体层和第二导体层的总膜厚度是0.3λ。
当第一导体层由Cu形成时第一导体层的厚度是0.1λ的原因是:Cu的密度是8.93并且是Au的密度,即19.3的一半。更具体而言,在弹性边界波中,能量集中的分布依赖于电极的重量。为了使第一导体层的能量集中与在图12至14中的能量集中相等,将在图15和16中的归一化的Cu膜厚度设定为0.1λ。
如图15和16中所示,当IDT的膜厚度等于或小于0.5λ或者等于或小于0.3λ并且第一导体层由Cu形成时,随着构成第二导体层的金属的密度增加,其中可以达到优异的TCD的区域同样减小。这种现象产生于第一导体层与第二导体层的密度比ρ1/ρ2。Cu/Ti的密度比是1.98,满足ρ1/ρ2>1.8。
另外,可以将Ti、Cr、NiCr、Ni、ZnO等的薄层叠加在第一导体层或第二导体层上以提高粘附性或电功率阻抗。在此情况下,可以将所述薄层安置在第一导体层或第二导体层和第一介质层或第二介质层之间,或者在第一导体层和第二导体层之间。特别是,当将所述薄层作为粘合层安置在IDT与第一介质和/或第二介质接触的部分时,可以有效地提高在IDT和第一介质和/或第二介质之间的粘附性。因为所述薄层只须具有粘附性或防止扩散,所以该薄层的膜厚度在1至30nm的范围内。
此外,在本发明中,除第一导体层和第二导体层以外,还可以叠加包括第三导体层的至少一层附加的导体层。在此情况下,用于第三导体层的材料可以与用于第一导体层或第二导体层的材料相同或不同。因此,例如电极的结构可以是Al/Au/Al。这种结构可以提供这样的弹性边界波装置,其中机电耦合系数K2由于Au的存在而适度地增加,延迟时间温度系数TCD在某种程度上降低,并且电极指具有小的导体电阻。
此外,在叠加第一介质11和第二介质12时,可以叠加至少一种附加的介质。当在第一介质11或第二介质12上叠加另一种介质时,可以将该第三介质安置在第一介质和第二介质之间。在此情况下,当将由更高密度的电极材料形成的第一导体层安置在由SiO2等形成并且具有负TCD的介质一侧时,可以降低整个装置的TCD。
此外,在本发明中,在形成第二介质之前,可以通过各种方法如反溅射、离子束研磨、活性离子刻蚀和湿法刻蚀调整TCD以控制频率。另外,当使用第二介质/第三介质/IDT/第一介质的层状结构时,可以通过离子束研磨或刻蚀调整第三介质的厚度,或者通过沉积法如溅射或气相沉积形成附加膜,以控制频率。
第一介质和第二介质可以由各种材料构成。这些材料包括Si、玻璃、SiO2、SiC、ZnO、Ta2O5、PZT、AlN、Al2O3、LiTaO3、LiNbO3和KN(铌酸钾)。特别是,当使用压电物质作为第一介质11时,除LiNb2O3以外,还可以使用各种压电物质如ZnO、Ta2O5、PZT和LiTaO3。
此外,当使用电介质材料作为第二介质12时,这种电介质材料的实例除SiO2以外还包括玻璃、SiC、AlN和Al2O3。如上所述,因为压电物质通常具有正TCD,优选使用具有负TCD的电介质材料作为第二介质12的材料以降低TCD。所述具有负TCD的电介质材料的实例除SiO2以外还包括石英晶体、四硼酸锂(LBO)、硅酸镓镧、铌酸镓镧和玻璃。
在本发明中,包含第一介质和第二介质的层压体或还包含第三介质的层压体可以具有外保护层,以增加强度或防止腐蚀性气体的侵入。所述保护层可以由各种材料形成,所述各种材料包括但是不限于聚酰亚胺,环氧树脂,无机绝缘材料如氧化钛、氮化铝或氧化铝,和金属如Au、Al或W。此外,在保护层的存在下或在没有保护层时,可以封装弹性边界波装置。
Claims (18)
1.一种弹性边界波装置,该装置包含:在弹性边界波的传播方向上具有正的延迟时间温度系数的第一介质;在弹性边界波的传播方向上具有负的延迟时间温度系数的第二介质;和包含在第一介质和第二介质之间安置的层压导体层的IDT,
其中第一介质和第二介质的层压方向是IDT的厚度方向,将在厚度方向上平分IDT的平面看作是界面,在所述界面的第一介质一侧存在的弹性边界波能量表示为E1并且在所述界面的第二介质一侧存在的弹性边界波能量表示为E2,并且
如果IDT只由在IDT的所述层压导体层中具有最高密度的单金属的导体层构成,则在所述界面的第一介质一侧存在的弹性边界波能量表示为E1′并且在所述界面的第二介质一侧存在的弹性边界波能量表示为E2′时,弹性边界波的能量可以满足E1/E2<E1′/E2′的关系,使得在由所述层压导体层构成的IDT中弹性边界波的声速等于在IDT只由所述具有最高密度的导体层形成时弹性边界波的声速。
2.根据权利要求1所述的弹性边界波装置,其中IDT具有由如下的层构成的层状结构:第一导体层,由具有在7000至22000kg/m3的范围内的密度的金属形成;和第二导体层,由具有至少1740kg/m3且小于11000kg/m3的密度的金属形成;
第一导体层的密度ρ1和第二导体层的密度ρ2满足ρ1/ρ2>1.8的关系,并且
在第二介质一侧安置的IDT的导体层是第一导体层。
3.根据权利要求2所述的弹性边界波装置,其中IDT的第一导体层的厚度H和电极指周期λ满足0.034λ<H<0.5λ的关系。
4.根据权利要求2或3所述的弹性边界波装置,该装置还包含在IDT与第一介质和/或第二介质接触的部分安置的粘合层。
5.一种弹性边界波装置,该装置包含:在弹性边界波的传播方向上具有正的延迟时间温度系数的第一介质;在弹性边界波的传播方向上具有负的延迟时间温度系数的第二介质;和在第一介质和第二介质之间安置的IDT,其中
所述IDT具有由如下的层构成的层状结构:第一导体层,由具有在7000至22000kg/m3的范围内的密度的金属形成;和第二导体层,由具有至少1740kg/m3且小于11000kg/m3的密度的金属形成;
第一导体层的密度ρ1和第二导体层的密度ρ2满足ρ1/ρ2>1.8的关系,
在第二介质一侧安置的IDT的导体层是第一导体层,并且
IDT的第一导体层的厚度H和电极指周期λ满足0.034λ<H<0.5λ的关系。
6.根据权利要求5所述的弹性边界波装置,该装置还包含在IDT与第一介质和/或第二介质接触的部分安置的粘合层。
7.根据权利要求1和5中任一项所述的弹性边界波装置,其中第一介质由选自如下材料的一种材料构成:LiTaO3、LiNbO3、石英晶体、PZT、LBO、硅酸镓镧和铌酸镓镧。
8.根据权利要求1和5中任一项所述的弹性边界波装置,其中第二介质由选自SiO2、LBO、硅酸镓镧和铌酸镓镧的至少一种材料构成,所述材料与用作第一介质的材料不同。
9.根据权利要求2和5中任一项所述的弹性边界波装置,其中构成第一导体层的金属是选自Pt、Au、Cu、Ag、Ni、Fe、W、Ta、Cr和基于它们的合金的金属,并且
构成第二导体层的金属是选自Mg、Al、Ti、Cr、Ni、Cu、Ag和基于它们的合金的金属。
10.根据权利要求2所述的弹性边界波装置,其中所述构成第一导体层的金属是Au,并且所述构成第二导体层的金属是选自Al、Mg、Ti、Cr、Ni、Cu、Ag和基于它们的合金的金属。
11.根据权利要求5所述的弹性边界波装置,其中所述构成第一导体层的金属是Au,并且所述构成第二导体层的金属是选自Al、Mg、Ti、Cr、Ni、Cu、Ag和基于它们的合金的金属。
12.根据权利要求2所述的弹性边界波装置,其中所述构成第一导体层的金属是Cu,并且所述构成第二导体层的金属是选自Al、Mg、Ti和基于它们的合金的金属。
13.根据权利要求5所述的弹性边界波装置,其中所述构成第一导体层的金属是Cu,并且所述构成第二导体层的金属是选自Al、Mg、Ti和基于它们的合金的金属。
14.根据权利要求10所述的弹性边界波装置,其中IDT的膜厚度等于或小于0.3λ,其中λ表示电极指周期。
15.根据权利要求11所述的弹性边界波装置,其中IDT的膜厚度等于或小于0.3λ。
16.根据权利要求12所述的弹性边界波装置,其中IDT的膜厚度等于或小于0.3λ,其中λ表示电极指周期。
17.根据权利要求13所述的弹性边界波装置,其中IDT的膜厚度等于或小于0.3λ。
18.根据权利要求1和5中任一项所述的弹性边界波装置,该装置还包含在第一介质和第二介质之间安置的反射器,所述反射器由与IDT相同的电极材料形成。
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