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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine akustische Oberflächenwelleneinrichtung mit ausgezeichneten Frequenz-Temperatureigenschaften.
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STAND DER TECHNIK
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Akustische Oberflächenwelleneinrichtungen (SAW) werden umfassend als Bandpassfilter in Kommunikationsgeräten wie einem Mobiltelefon und Dergleichen genutzt. Mit der Steigerung der Leistungsfähigkeit von Mobiltelefonen und Dergleichen gibt es zunehmend ein Bedürfnis, die Leistungsfähigkeit der akustische Oberflächenwelleneinrichtungen nutzenden Filter zu steigern.
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Bei akustischen Oberflächenwelleneinrichtungen gibt es allerdings ein Problem der Durchlassbereichverschiebungen aufgrund von Temperaturänderungen. Insbesondere haben das häufig genutzte Lithiumniobat und Lithiumtantalat hohe elektromechanische Kopplungskoeffizienten und bieten deshalb einen Vorteil beim Erreichen von Breitbandfiltereigenschaften. Allerdings haben Lithiumniobat und Lithiumtantalat keine besonders gute Temperaturstabilität.
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Bei Lithiumtantalat liegt zum Beispiel der Frequenzänderungs-Temperaturkoeffizient bei –35 ppm/°C und die Frequenz variiert stark im Temperaturbereich von –30°C bis +85°C. Deshalb ist es notwendig, den Frequenzänderungs-Temperaturkoeffizienten zu verringern.
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Die
JP 2001-053579 A beschreibt eine Einrichtung, die hergestellt wird, indem ein SAW Ausbreitungssubstrat und ein Trägersubstrat mittels einer organischen Dünnfilmschicht miteinander verbunden werden. Das Ausbreitungssubstrat ist zum Beispiel ein 30 μm dickes Lithiumtantalatsubstrat und ist mittels eines 15 μm dicken organischen Haftmittels mit einem 300 μm dicken Glassubstrat verbunden.
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Die
JP 2006-42008 A beschreibt eine SAW Einrichtung, die hergestellt wird, indem ein (125 μm dickes) Lithiumtantalatsubstrat und ein (125 μm dickes) Quarzglassubstrat mittels eines Haftmittels miteinander laminiert werden.
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Die
JP H06-326553 A , die
JP 3774782 B2 und die
US 7105980 B2 beschreiben ebenfalls SAW Einrichtungen, die hergestellt werden, indem ein SAW Ausbreitungssubstrat und ein Trägersubstrat miteinander verbunden werden.
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Gemäß
JP 2005-229455 A sind ferner oxidierte Schichten einer Dicke von 0,1 bis 40 μm auf beiden Hauptseiten eines Silizumträgersubstrates gebildet, und dann wird ein piezoelektrisches Substrat mit dem Trägersubstrat verbunden, um eine SAW Einrichtung herzustellen. Die oxidierte Siliziumschicht ist unentbehrlich, um die Verspannung des so erhaltenen piezoelektrischen Verbundsubstrates
1 zu reduzieren.
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In dem Dokument
US 2007/0120623 A1 wird eine akustische Oberflächenwelleneinrichtung mit einem piezoelektrischen Substrat, einem damit verbundenen Trägersubstrat, wobei sich der thermische Expansionskoeffizient der Substratmaterialien unterscheidet. Ferner ist eine Kammelektrode vorhanden, die auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet ist, wobei die Kammelektrode 40% bis 70% der Länge des piezoelektrischen Substrats in der Richtung aufweist, in die sich die akustische Oberflächenwelle ausbreitet.
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In dem Dokument
US 2007/0200459 A1 wird eine piezoelektrische Vorrichtung, die durch ihren Aufbau Eigenschaftsänderungen und Beschädigungen der Vorrichtung aufgrund eines unterschiedlichen thermischen Expansionskoeffizienten verhindern kann. Die Vorrichtung weist dazu ein piezoelektrisches Substrat auf, das mit einem Trägersubstrat über eine Haftschicht verbunden ist. Die thermischen Expansionskoeffizienten des piezoelektrischen Substrats und des Trägersubstrats stimmen miteinander überein.
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Die Druckschriften
US 5,998,907 A und
JP 2001-053579 A zeigen ebenfalls den relevanten Stand der Technik.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Keines der vorher genannten Dokumente löst allerdings das Problem der Verschiebung des Durchlassbereichs aufgrund von Temperaturänderungen. Falls überhaupt, entfernt man sich dort von der Lösung.
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In den Absätzen (0025) und (0037)
JP 2001-053579 A gibt es eine Beschreibung des Frequenz-Temperaturkoeffizienten der durch Verbinden des Lithiumtantalatsubstrates mit dem Trägersubstrat hergestellten SAW Einrichtung. Die Temperatureigenschaften der Einrichtung wurden, verglichen mit denen von SAW Einrichtungen, die nur auf einem Lithiumtantalatsubstrat hergestellt wurden, kaum verbessert. Zum Beispiel wird im Fall eines 2-GHz SAW Filters eine Verschiebung des Durchlassbereichs um ±4 MHz in einem Temperaturbereich von minus 30°C bis plus 85°C beobachtet. Dies entspricht ±7% der benötigten Bandbreite. Deshalb ist es nachgewiesen, dass das Bilden der Haftschicht zwischen dem Ausbreitungssubstrat aus Lithiumtantalat und dem Trägersubstrat aus Glas die Frequenz-Temperatureigenschaften kaum verbessert. Tabelle 1
| | Ausbreitungssubstrat/Haftschicht/Glassubstrat | Ausbreitungssubstrat (Grundfläche aufgeraut)/Haftschicht/Glassubstrat |
| Lithiumtantalat 36°Y Substrat Temperaturkoeffizient der Frequenz (ppm/°C) | –28 | –30 |
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Obwohl Absatz (0037) der
JP 2006-42008 A die Beschreibung beinhaltet, dass ”es auch möglich wird, die Frequenz-Temperatureigenschaften der akustischen Oberflächenwelleneinrichtung zu verbessern”, werden keine Angaben hinsichtlich der Verbesserung gemacht.
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In Absatz (0062) der
JP H06-326553 A wird ebenfalls deutlich beschrieben, dass die praktische Nutzung eines Verfahrens zum Verbinden eines akustischen Oberflächenwellenausbreitungssubstrates mit einem Trägersubstrat unmöglich ist.
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Nach oben genanntem zu urteilen ist es allgemeines Wissen, dass die praktische Nutzung von akustischen Oberflächenwellensubstraten, die zum Beispiel eine Struktur aufweisen, in der ein Ausbreitungssubstrat aus Lithiumtantalat mit einem Trägersubstrat verbunden ist, unmöglich ist und dass es insbesondere unmöglich ist, den Frequenz-Temperaturkoeffizienten zu verringern.
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Gemäß
JP 2005-229455 A ist es ferner notwendig, das Si-Substrat fließendem Sauerstoffgas unter hoher Temperatur von zum Beispiel 1000°C für einige zehn Stunden auszusetzen, um einen oberflächenoxidierten Film zu bilden. Gemäß diesem Verfahren werden allerdings zusätzlich zu der Oberflächenoxidation des Siliziumsubstrates Si-Atome selbst in die so gebildete SiO
2-Schicht hinein gelöst. Dies resultiert in einer Si-Defektschicht entlang der Grenzfläche zwischen der Si- und der SiO
2-Schicht zur Reduzierung der Haftkraft entlang der Grenzfläche. Außerdem ist die Dicke der Haftschicht zwischen dem Si-Trägersubstrat und dem piezoelektrischen Substrat gleich 3 μm in allen Beispielen. Zusätzlich hierzu ist beschrieben, dass die Haftkraft, falls die Dicke der Haftschicht weniger als 1,5 μm betragen hätte, nicht ausreichend wäre, um in die Ablösung bei 250°C zu resultieren (0028).
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Frequenz-Temperaturkoeffizienten einer akustischen Oberflächenwelleneinrichtung mit einem piezoelektrischen einkristallinen Ausbreitungssubstrat zu verringern.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine akustische Oberflächenwelleneinrichtung zur Verfügung, mit:
einem Trägersubstrat;
einem Ausbreitungssubstrat mit einem piezoelektrischen Einkristall;
einer das Trägersubstrat und das Ausbreitungssubstrat verbindenden organischen Haftschicht mit einer Dicke von 0,1 bis 1,0 μm; und
einem auf dem Ausbreitungssubstrat gebildeten akustischen Oberflächenwellenfilter oder Resonator, wobei die organische Haftschicht ein Acrylharz oder ein Epoxyharz aufweist.
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Im Gegensatz zum allgemeinen fachmännischen Wissen haben die Erfinder hier die Untersuchung der Struktur fortgeführt, bei der ein Ausbreitungssubstrat aus piezoelektrischem Einkristall, zum Beispiel eines Lithiumtantalat-Einkristalls, mit einem Trägersubstrat verbunden ist. Dann haben sie den Versuch unternommen, einige organische Haftschichten dünner zu machen, die übersehen worden sind. Die Wichtigkeit eines solchen Versuches wurde zum Beispiel in Absatz (0062) der
JP H06-326553 A geleugnet.
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Allerdings wurde im Gegensatz zu den Erwartungen herausgefunden, dass das Ausbreitungssubstrat fest mit dem Trägersubstrat verbunden ist und dass der Frequenz-Temperaturkoeffizient wesentlich niedriger ist. Das heißt, dass die durch den Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Ausbreitungs- und Trägersubstraten bedingten Temperatureigenschaften wesentlich verbessert wurden, wenn die Dicke der organischen Haftschicht von 0,1 bis 1,0 μm reichte. Im Gegensatz dazu wurde eine aus den Unterschieden im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Ausbreitungs- und Trägersubstraten resultierende Spannung im Fall, dass die Dicke der Haftschicht über 1 μm war, durch das organische Haftmittel absorbiert, und deshalb konnte der Effekt des Verbesserns der Temperatureigenschaften eher nicht gesichert werden. Ferner scheint es, dass die Frequenz-Temperatureigenschaften durch den Einfluss von Fehlstellen sich wiederum verschlechtern, wenn die Dicke der Haftschicht unter 0,1 μm ist, weshalb bestätigt wurde, dass die Temperatureigenschaften, sogar wenn die Haftschicht so gut als möglich dünner gemacht ist, nicht notwendigerweise verbessert werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1(a), 1(b), 1(c) und 1(d) sind in der Reihenfolge des Herstellungsverfahrens für eine akustische Oberflächenwelleneinrichtung wiedergegebene schematische Querschnittsansichten eines laminierten Körpers.
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2(a) ist eine schematische Querschnittsansicht einer akustischen Oberflächenwelleneinrichtung 6, und 2(b) ist eine schematische Draufsicht auf die akustische Oberflächenwelleneinrichtung 6.
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3(a) ist eine Draufsicht auf eine akustische Oberflächenwelleneinrichtung 6 mit einem Resonator, und 3(b) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' aus 3(a).
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4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke der Haftschicht, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten und den Frequenz-Temperatureigenschaften darstellt.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
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Die akustische Oberflächenwelleneinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein akustisches Oberflächenwellenfilter oder einen Resonator. Das akustische Oberflächenwellenfilter ist ein Bandpassfilter, wie später beschrieben. Der Resonator ist ein akustisches Wellenoszillatorelement und umfasst Elemente mit einem und mit zwei Anschlüssen bzw. Ports.
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Bei dieser Erfindung sind Materialien für ein Trägersubstrat vorzugsweise aus der Gruppe aus Silizium, Saphir, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Borsilikatglas und Quarzglas ausgewählt. Die Verwendung dieser Materialien ermöglicht es, den Unterschied in thermischer Expansion bei einem Ausbreitungssubstrat zu reduzieren und die Frequenz-Temperatureigenschaften weiter zu verbessern.
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Vorzugsweise ist ein Oxidfilm nicht auf der Oberfläche des Substrates gebildet. So ist es möglich, die Haftkraft der Träger- und Ausbreitungssubstrate zu verbessern und die Ablösung oder Risse der Träger- und Ausbreitungssubstrate sogar bei hoher Temperatur zu verhindern. Unter diesem Gesichtspunkt sollte das Trägersubstrat vorzugsweise aus Silizium ohne einen Siliziumoxidfilm auf der Oberfläche bestehen. Das Vorhandensein und das Fehlen des Oberflächenoxidfilms kann am Querschnitt mittels eines TEM (Transmissionselektronenmikroskops) beobachtet werden.
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Weiterhin sind gemäß der Erfindung Materialien für das Ausbreitungssubstrat vorzugsweise aus der Gruppe aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Festlösungs-Einkristallen mit hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten ausgewählt.
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Materialien für die organische Haftschicht zum Verbinden des Trägersubstrates und des Ausbreitungssubstrats sind vorzugsweise Acrylharz oder Epoxidharz, aber nicht darauf eingeschränkt.
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Gemäß der Erfindung ist eine Dicke ”t” der organischen Haftschicht auf 0,1 bis 1,0 μm eingestellt; Im Hinblick auf die weitere Verbesserung der Frequenz-Temperatureigenschaften der akustischen Oberflächenwelleneinrichtung ist die Dicke der organischen Haftschicht vorzugsweise 0,1 bis 0,5 μm.
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Ein piezoelektrisches einkristallines Material zum Herstellen des Ausbreitungssubstrates ist vorzugsweise aus der Gruppe aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Festlösungs-Einkristall ausgewählt. Ferner ist eine Richtung einer akustischen Oberflächenwellenausbreitung in Richtung der X-Achse eingestellt und der Ausschnittswinkel ist so bestimmt, dass eine gedrehte Y-Schnitt-Platte gebildet ist.
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1(a) bis 1(d) sind in der Reihenfolge des Herstellungsverfahrens für eine akustische Oberflächenwelleneinrichtung wiedergegebene schematische Querschnittsansichten eines laminierten Körpers.
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Ein Trägersubstrat 1 ist wie in 1(a) gezeigt vorbereitet. Ein organisches Haftmittel 2 ist wie in 1(b) gezeigt auf eine Oberfläche des Trägersubstrates 1 gebracht und ein Substrat 3 eines piezoelektrischen Einkristalls ist wie in 1(c) gezeigt mit der Haftschicht 2 verbunden. Dann wird das Substrat 3 wie in 1(d) dargestellt in eine dünne Platte, d. h. in ein Ausbreitungssubstrat 3A mit einer Dicke T2, verarbeitet.
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Danach werden Eingangselektroden 4 und Ausgangselektroden 5, wie in 2(a) und 2(b) gezeigt, auf dem Ausbreitungssubstrat 3A gebildet, um eine transversale akustische Oberflächenwelleneinrichtung 6 zu erhalten. Akustische Oberflächenwellen breiten sich von den Eingangselektroden 4 zu den Ausgangselektroden 5 aus, wie durch den Pfeil 7 gezeigt ist. Der Abschnitt, an dem die Ausbreitung stattfindet, dient als akustisches Oberflächenwellenfilter.
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Als akustische Oberflächenwellenfilter für Mobiltelefone werden hauptsächlich akustische Oberflächeneinrichtungen des Resonanztyps verwendet. 3(a) und 3(b) zeigen ein Beispiel solcher Einrichtungen. 3(a) ist eine Draufsicht auf die Elektrodenstruktur der akustischen Oberflächenwelleneinrichtung, und 3(b) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' aus 3(a).
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Elektroden 16, 17 und 18 sind auf einem Ausbreitungssubstrat 10 gebildet, um eine akustische Oberflächenwelleneinrichtung mit Resonanz zu erhalten. In diesem Beispiel ist das Ausbreitungssubstrat 10 mit einem Trägersubstrat 12 durch eine organische Haftschicht 14 verbunden. Das Trägersubstrat 12, die Haftschicht 14 und das Ausbreitungssubstrat 10 sind gemäß der vorher beschriebenen vorliegenden Erfindung gebildet.
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Das Verfahren zur Bildung der organischen Haftschicht ist nicht eingeschränkt; die Verwendung von Druck- und Schleuderbeschichtung kann dafür als Beispiel dienen.
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Materialien für die Eingangselektroden und für die Ausgangselektroden sind vorzugsweise Aluminium, eine Aluminiumverbindung, Kupfer oder Gold, aber nicht darauf eingeschränkt.
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Die Dicke T1 des Trägersubstrates 1 beträgt unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Temperatureigenschaften vorzugsweise nicht weniger als 100 μm, besser aber nicht weniger als 200 μm. Unter dem Gesichtspunkt der Verkleinerung von Produkten betragt die Dicke ferner vorzugsweise nicht mehr als 500 μm.
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Unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Frequenz-Temperatureigenschaften beträgt die Dicke T2 des Ausbreitungssubstrates 3A vorzugsweise 10 bis 50 μm, besser aber 30 bis 50 μm.
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BEISPIELE
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(Beispiel 1)
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Die akustische Oberflächenwelleneinrichtung 6 aus 2 wurde unter Verwendung des in 1 gezeigten Herstellungsverfahrens gefertigt.
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Es sollte beachtet werden, dass als Substrat 3 ein 36° Y-Schnitt- und X-Ausbreitungs-Tantalat-Substrat verwendet wurde, das in einem so eingestellten Winkel herausgeschnitten wurde, dass die gedrehte Y-Schnitt-Platte gebildet wird, und in dem die Richtung der SAW-Ausbreitung an der Richtung der X-Achse eingestellt wurde. Der lineare Ausdehnungskoeffizient in der SAW-Ausbreitungsrichtung X war 16 ppm/°C. Als Trägersubstrat 1 wurde ein einkristallines Siliziumsubstrat verwendet. Der lineare Ausdehnungskoeffizient in der SAW-Ausbreitungsrichtung X des Trägersubstrates 1 betrug 3 ppm/°C. Das Trägersubstrat 1 wurde mit einer Dicke T1 von 350 μm gebildet, das piezoelektrische einkristalline Substrat 3 wurde mit einer Dicke von 350 μm gebildet und beide Substrate wurden mit dem organischen (Acryl-)Haftmittel bei 180°C miteinander verbunden. Dann wurde die Dicke des piezoelektrischen einkristallinen Substrates 3 auf 30 μm durch Läppen und Polieren reduziert. Auf dem resultierenden Ausbreitungssubstrat 3A wurden die Eingangselektroden 4 und die Ausgangselektroden 5 aus metallischem Aluminium gebildet.
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Die Dicke ”t” der organischen Haftschicht
2 wurde innerhalb des Bereichs von 0,05 bis 15 μm variabel verändert. Dann wurden der thermische Ausdehnungskoeffizient jeder akustischen Oberflächenwelleneinrichtung und der Frequenz-Temperaturkoeffizient am Resonanzpunkt gemessen; die Ergebnisse der Messung sind in Tabelle 2 und
4 dargestellt. Tabelle 2
| Dicke der organischen Haftschicht ”t” (μm) | 0,05 | 0,1 | 1 | 2 | 5 | 10 | 15 |
| Thermischer Ausdehnungskoeffizient (ppm/°C) | 16 | 8 | 9 | 16 | 16 | 16 | 16 |
| Temperatureigenschaften (ppm/°C) | 30 | 15 | 17 | 30 | 30 | 30 | 30 |
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Aus diesen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass durch Einstellen der Dicke der organischen Haftschicht auf 0,1 bis 1,0 μm der Frequenz-Temperaturkoeffizient wesentlich und entscheidend verbessert wird.
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(Beispiel 2)
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Als nächstes wurde die akustische Oberflächenwelleneinrichtung aus 3 gemäß demselben Ablauf wie in Beispiel 1 gefertigt. Die so erlangte Einrichtung wurde demselben Versuch wie Beispiel 1 unterzogen, um zu belegen, dass der Frequenz-Temperaturkoeffizient wesentlich und entscheidend durch das Einstellen der Dicke der organischen Haftschicht auf 0,1 bis 1,0 μm verbessert wird.
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Eine akustische Oberflächenwelleneinrichtung hat ein Trägersubstrat 1, ein Ausbreitungssubstrat 3A aus einem piezoelektrischen Einkristall, eine organische Haftschicht 2 mit einer Dicke von 0,1 bis 1,0 μm, welche das Trägersubstrat 1 und das Ausbreitungssubstrat 3A verbindet, und ein auf dem Ausbreitungssubstrat gebildetes akustisches Oberflächenwellenfilter oder einen Resonator. Der Frequenz-Temperaturkoeffizient der akustischen Oberflächenwelleneinrichtung kann dadurch reduziert werden.
