DE19641662B4

DE19641662B4 - Oberflächenakustikwellenvorrichtung mit einem optimierten Schnittwinkel eines piezoelektrischen Substrats

Info

Publication number: DE19641662B4
Application number: DE19641662A
Authority: DE
Inventors: Masanori Kawasaki Ueda; Osamu Kawasaki Kawachi; Gou Kawasaki Endoh; Osamu Kawasaki Ikata; Ken-ya Funabashi Hashimoto; Masatsune Sakura Yamaguchi
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 1995-10-13
Filing date: 1996-10-10
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2016-10-11
Also published as: DE19641662A1

Abstract

Oberflächenakustikwellenvorrichtung mit:
einem piezoelektrischen Substrat (11) einem LiTaO₃-Einkristall; und
einem Elektrodenmuste, das auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (11) vorgesehen ist und Al als Primärkomponente enthält;
bei der Elektrodenmuster (R₁,R₁', R₂, R₂', R₂''; R_in, R_out) eine Dicke in einem Bereich des etwa 0,03 – 0,15-fachen einer Wellenlänge einer akustischen Oberflächenwelle hat die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (11) angeregt wird; und
das piezoelektrische Substrat (11) eine von seiner Y-Achse um seine X-Achse hin zu seiner Z-Achse rotierte Orientierung hat, mit einem Rotationswinkel (θ) in einem Bereich größer als 40° aber kleiner als etwa 46°.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Oberflächenakustikwellen-(SAW)-Vorrichtungen werden in Hochfrequenzschaltungen von kompakten Funktelekommunikationsvorrichtungen, die jene zur tragbaren Verwendung enthalten, umfassend eingesetzt, um Filter und Resonatoren zu bilden. Solche SAW-Vorrichtungen sind im allgemeinen auf einem Einkristall oder polykristallinen piezoelektrischen Substrat gebildet. Unter anderem werden ein Einkristallsubstrat aus LiNbO₃, das als 64°-Y-X-Schnitt-LiNbO₃ bezeichnet wird (K. Yamanouchi und K. Shibayama, J. Appl. Phys., Bd. 43, Nr. 3, März 1972, S. 856), und ein Einkristallsubstrat aus LiTaO₃, das als 36°-Y-X-Schnitt-LiTaO₃ bezeichnet wird, umfassend verwendet. Ein 64°-Y-X-Schnitt-LiNbO₃-Substrat ist eine um 64° rotierte Y-Schnitt-Platte aus einem LiNbO₃-Einkristall, in dem die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle in der X-Richtung erfolgt. Andererseits ist ein 36°-Y-X-Schnitt-LiTaO₃-Substrat eine um 36° rotierte Y-Schnitt-Platte aus einem LiTaO₃-Einkristall, in dem die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle in der X-Richtung erfolgt.
Diese optimierten Schnittwinkel, die herkömmlicherweise bei den piezoelektrischen Substraten aus LiNbO₃ oder LiTaO₃ verwendet werden, sehen jedoch ein optimales Ergebnis nur vor, wenn der Effekt von zusätzlicher Masse, die durch die Elektroden auf dem Substrat verursacht wird, ignoriert wird. Während die Substrate, die mit den vorgenannten herkömmlichen Schnittwinkeln gebildet sind, ein optimiertes Ergebnis in den SAW-Vorrichtungen zur Verwendung in einem Niederfrequenzband, das niedriger als mehrere hundert MHz ist, vorsehen können, wo die Wellenlänge der angeregten Oberflächenwelle im Vergleich zu der Dicke der Elektroden ausreichend lang ist, kann somit das Substrat für GHz-Anwendungen, wie in jüngsten tragbaren Fernsprechsystemen gefordert, auf Grund der Dicke der Elektroden, die angesichts der reduzierten Wellenlänge der darin angeregten akustischen Oberflächenwellen nicht mehr ignoriert werden kann, unzweckmäßig sein. In solch einem Hochfrequenzband ist der Effekt der Masse der Elektrode auffällig.
In einer SAW-Vorrichtung zur Verwendung in solch einem Superhochfrequenzband ist es möglich, das Durchlaßband eines SAW-Filters zu expandieren oder ein Kapazitätsverhältnis r eines SAW-Resonators zu verringern, wenn die Dicke der Elektrode auf dem piezoelektrischen Substrat zunimmt. Dadurch werden die scheinbaren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten vergrößert. Jedoch wirft die SAW-Vorrichtung mit solch einer Konstruktion das Problem einer erhöhten Volumenwellenemission von den Elektroden auf, wodurch ein erhöhter Ausbreitungsverlust der akustischen Oberflächenwelle herbeigeführt wird. Die Volumenwellen, die von der Elektrode so emittiert werden, werden als SSBW(surface skimming bulk wave) bezeichnet, und die akustische Oberflächenwelle, die mit einer SSBW einhergeht, wird als LSAW (leaky surface acoustic wave) bezeichnet. Bezüglich des Ausbreitungsverlustes der LSAW in einem SAW-Filter, bei dem ein dicker Elektrodenfilm verwendet wird, der auf einem 36°-Y-X-Schnitt-LiTaO₃-Substrat oder auf einem 64°-Y-X-Schnitt-LiNbO₃-Substrat vorgesehen ist, sollten Plessky et al. (V.
S. Plessky und C. S. Hartmann, Proc. 1993 IEEE Ultrasonics Symp., S. 1239 – 1242) und Edmonson et al. (P. J. Edmonson und C. K. Campbell, Proc. 1994 IEEE Ultrasonics Symp., S. 75 – 79) konsultiert werden.
Ferner sei angemerkt, daß in den herkömmlichen SAW-Filtern, die zur Verwendung einer LSAW bestimmt sind und auf einem 36°-Y-X-Schnitt-LiTaO₃-Substrat oder auf einem 64°-Y-X-Schnitt-LiNbO₃-Substrat konstruiert sind, die Schallgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle dicht bei der Schallgeschwindigkeit der Volumenwelle liegt, wenn die Dicke der Elektrode klein ist. In solch einem Fall erscheint eine ungewollte Spitze in der Nähe des Durchlaßbandes des SAW-Filters auf Grund der Volumenwellenemission von der Elektrode. Siehe Ueda et al. (M. Ueda et al., Proc. 1994 IEEE Ultrasonics Symp., S. 143 – 146).
1 zeigt die ungewollten Spitzen A und B, von denen Ueda et al. (op. cit.) berichteten, welche ungewollten Spitzen A und B als Resultat der Volumenwellenemission, wie oben erwähnt, in der Nähe des Durchlaßbandes des SAW-Filters gebildet werden. Das Resultat von 1 wird bei einem SAW-Filter erhalten, das auf einem 36°-Y-X-Schnitt-LiTaO₃-Substrat gebildet ist und auf sich eine Interdigitalelektrode aus einer Al-Cu-Legierung mit einer Dicke von 0,49 μm trägt. Es sei erwähnt, daß die Dicke der Elektrode 3 % der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle entspricht, die in der SAW-Vorrichtung angeregt wird.
Unter Bezugnahme auf 1 sei angemerkt, daß die ungewollte Spitze B außerhalb des Durchlaßbandes angeordnet ist, das in der Nähe von 330 MHz gebildet ist, während die ungewollte Spitze A innerhalb des Durchlaßbandes gebildet ist und in ihm eine unerwünschte Welligkeit darstellt.
Da sich die Schallgeschwindigkeit einer SSBW nicht mit der Dicke der Elektrode ändert, im Gegensatz zu der Schallgeschwindigkeit einer LSAW, die die Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit von zusätzlicher Masse und daher von, der Dicke der Elektrode, die auf dem Substrat einer SAW-Vorrichtung vorgesehen ist, ändert, nimmt die Schallgeschwindigkeit der LSAW bezüglich der Schallgeschwindigkeit der SSBW ab, wenn die SAW-Vorrichtung in einem Hochfrequenzband, wie einem GHz-Band, betrieben wird, woraus eine Verschiebung des Durchlaßbandes des SAW-Filters bezüglich der ungewollten Spitze B resultiert. Dadurch würde für das SAW-Filter eine wünschenswerte flache Durchlaßbandcharakteristik erhalten.
Jedoch führt solch eine Vergrößerung der Elektrodendicke hinsichtlich der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle zu dem Problem eines erhöhten Verlustes der LSAW auf Grund der Emission der schon erläuterten SSBW. Ferner verursacht solch eine Vergrößerung der Elektrodendicke eine Verschlechterung des Formfaktors des SAW-Filters. Wie später erläutert wird, stellt der Formfaktor eines SAW-Filters die Steilheit sowie die Breite der Durchlaßbandcharakteristiken des Filters dar. Genauer gesagt, die Filtercharakteristik wird breit und undefiniert, wenn der Formfaktor des SAW-Filters schlecht ist.
Ferner ist es in einem SAW-Filter zur Verwendung in einem Superhochfrequenzband, das das GHz-Band umfaßt, erforderlich, eine gewisse Dicke für die Elektrode zu gewährleisten, um den widerstand der Interdigitalelektroden zu reduzieren. Solch eine Forderung nach vergrößerter Dicke der Elektrode ist unvereinbar mit der Forderung nach reduziertem Verlust und verbessertem Formfaktor der SAW-Vorrichtung.
Aus der JP 6-188673 A ist eine Oerflächeaakkustikwelleavorrichtuag mit einem LiTaO₃ Kristall bekannt, der in einem Winkel von 36° X-Y geschnitten ist. In dieser Druckschrift ist angegeb, daß der Schnitt- oder Rotationswinkel im Bereich von ± 3° oder 33° bis 39° liegen kann, daß der optionale Bereich jedoch ± 1°oder 35° bis 37° ist. Das Elektrodenmuster enthält Al als Primärkomponente und hat eine Dicke der 0,04 bis 0,1 fachen der Wellenlänge.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine SAW-Vorrichtung vorzusehen, bei der die obigen Probleme eliminiert sind.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst 1 bis 3.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Schnittwinkel des LiTaO₃-Substrats hinsichtlich der Masse der Elektrode, die auf der Oberfläche des Substrats vorgesehen ist, zum Minimieren des Verlustes optimiert. Dadurch erhält man verschiedene SAW-Vorrichtungen mit einem breiten Durchlaßband und einem verbesserten Formfaktor, die ein SAW-Filter, einen SAW-Resonator und eine SAW-Verzögerungsleitung umfassen.
Andere Ziele und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden eingehenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das die Durchlaßbandcharakteristiken eines typischen herkömmlichen SAW-Filters zeigt; 2 ist ein Diagramm, das den Schnittwinkel eines piezoelektrischen Kristalls erläutert;
3 ist ein Diagramm, das einen Ausbreitungsverlust einer SAW-Vorrichtung als Funktion des Schnittwinkels eines LiTaO₃-Substrats für einen Fall zeigt, bei dem eine gleichförmige Elektrode auf dem Substrat mit verschiedenen Dicken vorgesehen ist;
4 ist ein Diagramm, das einen Ausbreitungsverlust einer SAW-Vorrichtung als Funktion des Schnittwinkels des LiTaO₃-Substrats für einen Fall zeigt, bei dem eine Gitterelektrode auf dem Substrat mit verschiedenen Dicken vorgesehen ist;
5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Mittenfrequenz und der Temperatur für eine SAW-Vorrichtung zeigt, die auf einem LiTaO₃-Substrat mit verschiedenen Schnittwinkeln konstruiert ist;
6 ist ein Diagramm, das eine Temperaturabhängigkeit eines minimalen Einfügungsverlustes einer SAW-Vorrichtung zeigt, die auf einem LiTaO₃-Substrat mit verschiedenen Schnittwinkeln konstruiert ist;
7 ist ein Diagramm, das einen Ausbreitungsverlust einer SAW-Vorrichtung als Funktion des Schnittwinkels eines LiNbO₃-Substrats für einen Fall zeigt, bei dem eine gleichförmige Elektrode auf dem Substrat mit verschiedenen Dicken vorgesehen ist;
8A und 8B sind Diagramme, die die Konstruktion eines SAW-Filters gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung jeweilig in einer Draufsicht und in einem Schaltungsdiagramm zeigen;
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem minimalen Einfügungsverlust eines SAW-Filters und dem Schnittwinkel eines LiTaO₃-Substrats zeigt, das für das SAW-Filter verwendet wird;
10A und 10B sind Diagramme, die jeweilig die Definition eines Formfaktors und die Beziehung zwischen dem Formfaktor und dem Schnittwinkel des LiTaO₃-Substrats zeigen;
11 ist ein Diagramm, das die Durchlaßbandcharakteristiken des SAW-Filters von 8A und 8B erläutert;
12 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Schnittwinkel des LiTaO₃-Substrats und einem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten für die SAW-Vorrichtung von 8A und 8B zeigt;
13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Ausbreitungsverlust und der Elektrodendicke für verschiedene Schnittwinkel des LiTaO₃-Substrats in der SAW-Vorrichtung von 8A und 8B zeigt;
14 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Ausbreitungsverlust und der Elektrodendicke für verschiedene Schnittwinkel des LiNbO₃-Substrats in der SAW-Vorrichtung von 8A und 8B zeigt;
15A und 15B sind Diagramme, die eine Abwandlung des SAW-Filters der ersten Ausführungsform zeigen;
16 ist ein Ersatzschaltungsdiagramm eines SRW-Filters gemäß einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
17 ist ein Diagramm, das die Konstruktion eines SAW-Filters gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht zeigt;
18 ist ein Diagramm, das die Konstruktion eines SAW-Filters gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
19 ist ein Diagramm, das die Konstruktion eines Einzelport-SAW-Resonators gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht zeigt; und
20 ist ein Diagramm, das die Konstruktion eines Dualport-SAW-Resonators gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zuerst wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben, wobei 2. ein Diagramm ist, das den Schnittwinkel eines piezoelektrischen Substrats erläutert.
Unter Bezugnahme auf 2, die einen sogenannten θrotierten Y-X-Schnitt eines Einkristallsubstrats aus LiTaO₃ oder LiNbO₃ zeigt, sei erwähnt, daß das piezoelektrische Substrat aus einem Block des LiTaO₃- oder LiNbO₃-Einkristalls, der Kristallachsen X, Y und Z hat, in solch einem Zustand geschnitten ist, daß das Substrat von der Y-Achse mit einem Rotationswinkel θ um die X-Achse hin zu der Z-Achse rotiert ist. So wird der Rotationswinkel θ auch als Schnittwinkel des Substrats bezeichnet.
3 zeigt den Einfügungsverlust eines SAW-Resonators, der auf einem θ-rotierten Y-X-Schnitt-LiTaO₃-Substrat gebildet ist, für verschiedene Schnittwinkel θ des Substrats.
Wie zuvor erläutert, wird gewöhnlich ein 36°-Y-X-Schnitt-Substrat verwendet, wenn LiTaO₃ für das piezoelektrische Substrat eingesetzt wird, welcher besondere Schnittwinkel von 36° angesichts der Minimierung des Ausbreitungsverlustes bei der akustischen Oberflächenwelle mit relativ langer Wellenlänge verwendet worden ist. Siehe Nakamura K., et al., Shingaku Gihou US77-42, 1977, S. 31 – 36 (auf japanisch). In dem Fall einer SAW-Vorrichtung, die auf einem LiNbO₃-Substrat konstruiert ist, ist für das Substrat gewöhnlich ein Schnittwinkel von 64° verwendet worden.
Unter Bezugnahme auf 3 stellen die vollen Kreise das Berechnungsresultat des Ausbreitungsverlustes einer LSAW für eine SAW-Vorrichtung dar, in der eine hypothetische Elektrode mit der Dicke von Null gleichförmig über die Oberfläche eines 36°-Y-X-Schnitt-Substrats aus LiTaO₃ gebildet ist. Die Kurve, die durch die vollen Kreise dargestellt wird, gibt den minimalen Ausbreitungsverlust bei dem Winkel θ von 36° deutlich an. Bei der Berechnung von 3 wurden Kristallkonstanten verwendet, die von Kovacs genannt wurden (Kovacs, G., et al., Proc. 1990 IEEE Ultrasonics Symp., S. 435 – 438).
Bei der Operation der SAW-Vorrichtung in einem Superhochfrequenzband, wie einem GHz-Band, kann jedoch die Dicke der Elektrode im Vergleich zu der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle, die in der SAW-Vorrichtung angeregt wird, nicht ignoriert werden, wie schon erläutert wurde. So ist bei der Operation der SAW-Vorrichtung in solch einem Superhochfrequenzband der Effekt der hinzugefügten Masse der Elektrode auffällig. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben entdeckt, daß auf Grund des Effektes von solch einer hinzugefügten Masse der Elektrode die Kurve, die den Ausbreitungsverlust in 3 darstellt, von der Kurve, die durch die vollen Kreise dargestellt wird, in der durch einen Pfeil in 3 gekennzeichneten Richtung zu einer Kurve verschoben wird, die durch leere Kreise dargestellt wird. Im Zusammenhang mit solch einer Verschiebung des Übertragungsverlustes vergrößert sich der optimale Winkel θ, der den minimalen Übertragungsverlust vorsieht, von 36° auf 38° oder mehr. In 3 ist das Resultat, das durch die leeren Kreise dargestellt wird, für den Fall, bei dem die Elektrode auf dem piezoelektrischen Substrat mit einer Dicke von etwa 10 % der Wellenlänge der angeregten akustischen Oberflächenwelle vorgesehen ist.
4 zeigt den Ausbreitungsverlust für den Fall, bei dem eine Gitterelektrode aus Al auf einem LiTaO₃-Substrat vorgesehen ist, als Funktion des Schnittwinkels θ des Substrats. Die unterbrochene Linie in 4 stellt das Resultat dar, bei dem die Dicke der Al-Elektrode Null beträgt, während die durchgehende Linie das Resultat angibt, bei dem die Elektrode eine normierte Dicke von 10 % hinsichtlich der Wellenlänge der angeregten Oberflächenwelle hat. Offensichtlich wird der Schnittwinkel, der das Minimum des Ausbreitungsverlustes vorsieht, zu der Seite des höheren Schnittwinkels verschoben, wenn eine Gitterelektrode mit finiter Dicke auf dem Substrat vorgesehen wird.
So zeigen die Resultate von 3 und 4 deutlich, daß man eine SAW-Vorrichtung realisieren kann, die einen hohen Q-Faktor und daher eine niedrige Abschwächung von akustischen Oberflächenwellen in einem GHz-Band aufweist, indem der Schnittwinkel θ größer als der herkömmlicherweise verwendete Schnittwinkel von 36° festgelegt wird, wenn ein LiTaO₃-Einkristall für das piezoelektrische Substrat verwendet wird. Ferner verschiebt sich im Zusammenhang mit dem Effekt der hinzugefügten Masse der Elektrode bei solch einer Superhochfrequenz das in 1 gezeigte Durchlaßband des SAW-Filters in die Richtung der Seite der niedrigeren Frequenz hinsichtlich der ungewollten Spitzen A und B, woraus eine SAW-Vorrichtung resultiert, die in dem Durchlaßband im wesentlichen frei von Welligkeit ist. Wie schon erwähnt, werden die ungewollten Spitzen A und B durch die Volumenwellenemission verursacht und durch die hinzugefügte Masse der Elektrode nicht beeinflußt.
Ferner haben die Erfinder entdeckt, daß sich der Formfaktor des Durchlaßbandes auch mit dem Schnittwinkel θ ändert. Genauer gesagt, das SAW-Filter, das auf einem LiTaO₃-Substrat mit dem Schnittwinkel θ konstruiert ist, der größer als der herkömmlicherweise verwendete Schnittwinkel ist, sieht nicht nur eine verbesserte Durchlaßbandcharakteristik sondern auch einen verbesserten Formfaktor bei der Operation in GHz-nahen Bändern vor.
5 und 6 zeigen jeweilig die Temperaturabhängigkeit oder Mittenfrequenz und des minimalen Einfügungsverlustes für ein SAW-Filter, das auf einem LiTaO₃-Substrat konstruiert ist. Bei den Experimenten von 5 und 6 wurde ein SAW-Filter, das später unter Bezugnahme auf 8A und 8B beschrieben wird, verwendet, in dem die Elektrode auf verschiedenen LiTaO₃-Substraten mit verschiedenen Schnittwinkeln (36°Y, 40°Y, 42°Y, 44°Y) mit einer normierten Dicke von etwa 10 % der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle, die auf dem Substrat angeregt wird, gebildet war.
Wie aus 5 deutlich hervorgeht, weist das SAW-Filter ungeachtet des Schnittwinkels des Substrats im wesentlichen dieselbe Temperaturabhängigkeit der Mittenfrequenz auf. Die beobachtete Streuung der Mittenfrequenz wird auf die Veränderung der Schallgeschwindigkeit in dem Substrat und auf den Herstellungsprozeß der Vorrichtung zurückgeführt. Ferner zeigt 6, daß man wenigstens in dem normalen Temperaturbereich von –35 °C – 85 °C den minimalen Einfügungsverlust hinsichtlich der Vorrichtung, die auf einem 36°-Y-X-LiTaO₃-Substrat konstruiert ist, reduzieren kann, indem der Schnittwinkel auf 40°Y – 44°Y festgelegt wird. Im besonderen ist ersichtlich, daß die Größe der Veränderung des minimalen Einfügungsverlustes auch durch Festlegen des Schnittwinkels auf den Bereich zwischen 40°Y und 42°Y reduziert wird.
7 zeigt den Einfügungsverlust eines SAW-Resonators, der auf einem Y-X-Substrat aus LiNbO₃ konstruiert ist, für verschiedene Rotationswinkel θ.
Unter Bezugnahme auf 7 gibt die Kurve, die durch eine unterbrochene Linie dargestellt wird, einen berechneten Ausbreitungsverlust einer LSAW für den Fall an, bei dem eine gleichförmige Elektrode auf einem 64°-Y-X-Substrat aus LiNbO₃ mit einer Dicke der Elektrode von Null vorgesehen ist. Das Resultat von 7 gibt an, daß ein Minimum des Ausbreitungsverlustes erreicht wird, indem der Schnittwinkel θ auf 64° festgelegt wird. Es sei erwähnt, daß die Berechnung von 7 unter Verwendung der Kristallkonstanten erfolgte, die durch Warner et al., J. Acoustic. Soc. Amer., 42, 1967, S. 1223 – 1231, genannt wurden.
Im Fall der Operation in einer Zone mit kürzerer Wellenlänge, wie in dem GHz-Band, kann der Effekt der Dicke der Elektrode angesichts der erhöhten relativen Dicke der Elektrode hinsichtlich der Wellenlänge der angeregten Oberflächenwelle nicht mehr vernachlässigt werden. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat entdeckt, daß sich auf Grund solch eines Effektes der hinzugefügten Masse der Elektrode die charakteristische Kurve von 7 zu der Seite des höheren Schnittwinkels θ verschiebt, wie in 7 durch einen Pfeil gekennzeichnet. Im Zusammenhang damit verschiebt sich der Schnittwinkel θ, der den minimalen Ausbreitungsverlust vorsieht, auch auf die Seite des höheren Winkels, wie in 7 durch eine durchgehende Linie gezeigt. Es sei erwähnt, daß in 7 die durchgehende Linie den Fall darstellt, bei dem die Elektrode eine Dicke von etwa 3 % der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle hat, die auf dem Substrat angeregt wird.
Das Resultat von 7 zeigt deutlich, daß man eine SAW-Vorrichtung mit hoher Qualität erhalten kann, die eine reduzierte Abschwächung der akustischen Oberflächenwelle in einem GHz-Band aufweist, indem der Schnittwinkel θ eines LiNbO₃-Einkristalls festgelegt wird, um größer als 64° zu sein.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen eingehend beschrieben.
8A und 8B zeigen ein SAW-Filter des Abzweigtyps, SAW-Filterkette, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 8A das Layout des SAW-Filters in einer, Draufsicht zeigt, während 8B ein Ersatzschaltungsdiagramm der Vorrichtung von 8A zeigt.
Unter Bezugnahme auf 8A ist das SAW-Filter auf einem θ-rotierten Y-X-Schnitt-Substrat aus einem LiTaO-₃ Einkristall oder einem LiNbO₃-Einkristall gebildet und trägt eine erste Interdigitalelektrode R₁ auf sich, die eine Elektrode der Eingangsseite hat, die mit einem Eingangsanschluß IN verbunden ist, der auf dem Substrat vorgesehen ist, eine zweite Interdigitalelektrode R₁', die eine Elektrode der Eingangsseite hat, die mit einer Elektrode der Ausgangsseite der Interdigitalelektrode R₁ verbunden ist, und eine Elektrode der Ausgangsseite, die mit einer Elektrode der Ausgangsseite der Interdigitalelektrode R₁ verbunden ist, eine dritte Interdigitalelektrode R₂, die eine Elektrode der Eingangsseite hat, die mit der obigen Elektrode der Eingangsseite der Interdigitalelektrode R₁' verbunden ist, und eine geerdete Elektrode der Ausgangsseite, eine vierte Interdigitalelektrode R₂', die eine Elektrode der Eingangsseite hat, die mit der obigen Elektrode der Ausgangsseite der Interdigitalelektrode R, verbunden ist, und eine geerdete Elektrode der Ausgangsseite, und eine fünfte Interdigitalelektrode R₂'', die eine Elektrode der Eingangsseite hat, die mit der Elektrode der Ausgangsseite der Interdigitalelektrode R₁' verbunden ist, und eine geerdete Elektrode der Ausgangsseite.
Hinsichtlich jeder der Interdigitalelektroden R₁, R₁', R₂, R₂' und R₂'' sei erwähnt, daß die Interdigitalelektrode eine Elektrode i der Eingangsseite und eine Elektrode o der Ausgangsseite enthält, wie in 8A gezeigt. Die Elektrode i der Eingangsseite enthält eine erste Gruppe von Elektrodenfingern, die sich in einer ersten Richtung parallel zueinander erstrecken, um den Weg der akustischen Oberflächenwelle zu kreuzen, die sich auf der Oberfläche des Substrats in der Richtung der X-Achse ausbreitet. Ähnlich enthält die Elektrode o der Ausgangsseite eine zweite Gruppe von Elektrodenfingern, die sich in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung parallel zueinander erstrecken, wobei die erste Gruppe von Elektrodenfingern und die zweite Gruppe von Elektrodenfingern auf der Substratoberfläche in der Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle alternierend angeordnet sind. Ferner wird jede der Interdigitalelektroden R₁, R₁', R₂ und R₂' von einem Paar von Reflektoren R₁ begleitet, das in der Richtung der X-Achse auf beiden Seiten von ihr angeordnet ist. Jeder der Reflektoren R₁ hat eine Konstruktion, bei der eine Vielzahl von zueinander parallelen Elektrodenfingern an beiden Enden der Elektrodenfinger untereinander verbunden ist. Es sei erwähnt, daß bei der vorliegenden Ausführungsform die Interdigitalelektroden R₁, R₁', R₂ und R₂' aus einer Aluminiumlegierung gebildet sind, die Al und 1 Gew.-% Cu enthält, und eine Dicke von etwa 0,4 um haben, die etwa 10 % der Durchlaßbandwellenlänge des SAW-Filters entspricht.
8B zeigt das Ersatzschaltungsdiagramm des Filters von 8A.
Unter Bezugnahme auf 8B sind die Interdigitalelektroden R₁ und R₁' seriell verbunden, während die Interdigitalelektroden R₂, R₂' und R₂'' auf beiden Seiten der Interdigitalelektrode R₁' oder R₁ parallel miteinander verbunden sind.
9 zeigt den minimalen Einfügungsverlust, der für das SAW-Filter von 8A und 8B für verschiedene Schnittwinkel θ des LiTaO₃-Substrats 11 experimentell erhalten wurde. Der minimale Einfügungsverlust enthält Anteile sowohl von dem Ausbreitungsverlust der akustischen Oberflächenwelle als auch von dem Filteranpaßverlust, wenn auch der Filteranpaßverlust durch den Schnittwinkel θ nicht beeinflußt wird.
Unter Bezugnahme auf 9 nimmt der minimale Einfügungsverlust mit zunehmendem Schnittwinkel des Substrats ab und erreicht in der Nähe von 42° ein Minimum. Wenn der Schnittwinkel θ 42° überschreitet, beginnt der minimale Einfügungsverlust, sich wieder zu erhöhen. So sei erwähnt, daß man den minimalen Einfügungsverlust des SAW-Filters auf unter 1,6 dB herabdrücken kann, indem der Schnittwinkel des LiTaO₃ auf den Bereich zwischen 38° und 46° festgelegt wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben entdeckt, daß der Schnittwinkel θ eines LiTaO₃-Einkristalls auch den Formfaktor des SAW-Filters beeinflußt.
10A zeigt die Definition des Formfaktors.
Unter Bezugnahme auf 10A ist der Formfaktor hinsichtlich der Bandbreiten B₁ und B₂ als BW₁/BW₂ definiert, wobei die Bandbreite B₁ einer Bandbreite entspricht, die eine Abschwächung von 1,5 dB vorsieht, während die Bandbreite B₂ einer Bandbreite entspricht, die eine Abschwächung von 20 dB vorsieht. Mit zunehmendem Formfaktor werden die Filtercharakteristiken breit, was zu einer Verschlechterung der Selektivität führt und das Durchlaßband verengt. So ist es wünschenswert, daß ein SAW-Filter einen Formfaktor so nahe an 1 wie möglich hat.
10B zeigt den Formfaktor, der für das SAW-Filter von 8A und 8B experimentell erhalten wurde, als Funktion des Schnittwinkels θ des piezoelektrischen Substrats 11.
Wie aus 10B hervorgeht, nähert sich der Formfaktor mit zunehmendem Schnittwinkel θ 1 und erreicht bei dem Schnittwinkel θ von 42° ein Minimum von 1,47. Wenn andererseits der Schnittwinkel den obigen Winkel von 42° überschreitet, beginnt der Formfaktor, sich wieder zu erhöhen, was zu einer Verschlechterung der Filterselektivität führt. In dem SAW-Filter der vorliegenden Erfindung ist es deshalb wünschenswert, den minimalen Einfügungsverlust von 1,6 dB oder weniger und den Formfaktor von 1,55 oder weniger zu haben. Angesichts der Beziehung von 10B erhält man deshalb einen optimalen Schnittwinkel θ von 40 – 46°, besonders in dem Bereich von 40 – 44°. Indem der Schnittwinkel θ im besonderen auf 42° festgelegt wird, wird der minimale Einfügungsverlust minimiert und gleichzeitig der Formfaktor.
11 zeigt eine Durchlaßbandcharakteristik, die für das SAW-Filter von 8A und 8B experimentell erhalten wurde. Unter Bezugnahme auf 11 stellt die durchgehende Linie den Fall dar, bei dem 42°-Y-X-Schnitt-LiTaO₃ für das Substrat 11 verwendet wird, während die Striehpunktlinie den Fall darstellt, bei dem herkömmliches 36°-Y-X-Schnitt-LiTaO₃ für das Substrat 11 verwendet wird.
Unter Bezugnahme auf 11 sei erwähnt, daß beide SAW-Filter eine Mittenfrequenz bei 880 MHz haben und durch ein flaches Durchlaßband von etwa 40 MHz Breite charakterisiert sind, das durch einen scharfen Abschwächungsanstieg außerhalb des Durchlaßbandes definiert ist, wobei das SAW-Filter, bei dem die 42°-Y-X-Schnitt-Platte aus LiTaO₃ für das Substrat 11 verwendet wird, einen verbesserten Formfaktor einhergehend mit einem steileren Abschwächungsanstieg außerhalb des Durchlaßbandes im Vergleich zu dem herkömmlichen SAW-Filter vorsieht, bei dem die herkömmliche 36°-Y-X-Schnitt-Platte aus LiTaO₃ für das Substrat 11 verwendet wird. Ferner sind, wie in 11 gezeigt, die ungewollten Spitzen A und B, die durch die SSBW verursacht werden, jetzt außerhalb des Durchlaßbandes des SAW-Filters angeordnet, das auf dem 42°-Y-X-LiTaO₃-Substrat gebildet ist.
12 zeigt das Berechnungsresultat der elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k² eines θ-rotierten Y-X-Schnitt-LiTaO₃-Substrats, das auf sich eine Elektrode mit einer Dicke von etwa 7 % der akustischen Oberflächenwelle trägt, die auf ihm angeregt wird, für verschiedene Schnittwinkel θ. Die Berechnung erfolgte unter Verwendung der Kristallkonstanten, die durch Kovacs op. cit. genannt wurden.
Unter Bezugnahme auf 12 sei erwähnt, daß die elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k² eine Tendenz zur Verringerung bei zunehmendem Schnittwinkel θ aufweisen. Wie wohlbekannt ist, stellen die elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k² das Verhältnis der Energie dar, die in einem piezoelektrischen Kristall auf Grund des piezoelektrischen Effekts akkumuliert wurde. Wenn der Wert von k² zu klein ist, treten verschiedene Probleme auf, wie ein reduziertes Durchlaßband, das Auftreten von Welligkeit in dem Durchlaßband und dergleichen. Nach der Beziehung von 12 ist es deshalb wünschenswert, den Schnittwinkel θ festzulegen, um 46° nicht zu überschreiten.
13 zeigt das Berechnungsresultat des Ausbreitungsverlustes bei einem SAW-Filter von 8A und 8B für verschiedene Schnittwinkel θ und für verschiedene Dicken der Interdigitalelektroden. Auch bei der Berechnung von 13 wurden die Kristallkonstanten von Kovacs verwendet.
Wie aus 13 ersichtlich ist, nimmt der Verlust mit der Dicke der Elektrode exponentiell zu, wenn der Schnittwinkel θ unter 38° liegt. Wenn der Schnittwinkel θ 40° überschreitet, beginnt der Verlust andererseits, mit zunehmender Dicke der Elektrode abzunehmen, und in der charakteristischen Kurve erscheint ein Minimum. Solch ein Minimum erscheint besonders bei der Dicke der Elektrode, die größer als etwa 3 % der akustischen Oberflächenwellenlänge festgelegt ist. Mit anderen Worten, 13 zeigt, daß es wünschenswert ist, die Elektrode so zu bilden, daß die Dicke, die durch die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle normiert ist, gleich oder größer als 3 % ist. Wenn die Dicke der Elektrode übermäßig ist, treten Probleme auf, wie z. B.
Schwierigkeiten beim Mustern der Elektrode oder wesentliche Veränderung der Schallgeschwindigkeit bei winziger Veränderung der Elektrodendicke. So wird die Elektrode bevorzugt so gebildet, daß die Elektrodendicke 15 % der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle nicht überschreitet.
13 zeigt auch, daß der Ausbreitungsverlust bei beliebigen Schnittwinkeln steil ansteigt, wenn die Dicke der Elektrode aus der Al-Legierung 15 % der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle überschreitet. Dies gibt an, daß die Emission von Volumenwellen unter solchen Bedingungen vorherrschend wird. Angesichts dessen ist es somit wünschenswert, die Elektrodendicke festzulegen, um in den Bereich von 7 – 15 % der akustischen Oberflächenwellenlänge zu fallen, wenn der Schnittwinkel θ in dem Bereich zwischen 40° und 46° liegt, und im besonderen in den Bereich von 5 – 10 % der akustischen Oberflächenwellenlänge, wenn der Schnittwinkel θ in dem Bereich zwischen 40° – 44° liegt.
14 zeigt das Resultat der Berechnung des Ausbreitungsverlustes für ein SAW-Filter mit der Konstruktion von 8A und 8B, außer daß für das Substrat 11 anstelle des Y-X-LiTaO₃ ein Y-X-LiNbO₃-Einkristall verwendet wird, während die Dicke der Elektrode auf dem Substrat 11 verändert wird. Bei der Berechnung von 14 wurden die Kristallkonstanten verwendet, die durch Warner et al., op. cit., genannt wurden.
Unter Bezugnahme auf 14 sei erwähnt, daß der Ausbreitungsverlust zuerst auf ein Minimum verringert wird und dann mit einer Vergrößerung der Elektrodendicke beginnt, exponentiell zuzunehmen, wobei das Minimum des Ausbreitungsverlustes bei dem herkömmlichen optimalen Schnittwinkel von 64° oder weniger nur auftritt, wenn die Elektrodendicke kleiner als 3,5 % der Wellenlänge der angeregten Oberflächenwelle ist. Wenn die Dicke der Elektrode andererseits größer als etwa 4 % der Wellenlänge der angeregten akustischen Oberflächenwelle ist, erscheint das Minimum des Aus breitungsverlustes bei einem Schnittwinkel, der 66° überschreitet. Mit anderen Worten, unter der Betriebsbedingung der SAW-Vorrichtung, bei der die Dicke der Elektrode hinsichtlich der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle nicht ignoriert werden kann, ist es wünschenswert, den Schnittwinkel des LiNbO₃-Substrats festzulegen, um größer als etwa 66° zu sein.
Wenn andererseits die Dicke der Elektrode übermäßig ist, kann die Schallgeschwindigkeit in dem Substrat durch die Dicke der Elektrode beeinflußt werden. Ferner kann solch eine dicke Elektrode Schwierigkeiten beim Mustern der Elektrode verursachen. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, die Dicke der Elektrode festzulegen, um 12 % der Wellenlänge der angeregten akustischen Oberflächenwelle nicht zu überschreiten. In diesem Zusammenhang ist es vorzuziehen, den Schnittwinkel des LiNbO₃-Substrats festzulegen, um in einen Bereich zwischen 66° und 74° zu fallen.
Bei der obigen Beschreibung wurde angenommen, daß die Elektrode aus einer Aluminiumlegierung gebildet wird, die Al und 1 Gew.-% Cu (Al-1%Cu) enthält. Wenn für die Elektrode eine andere Zusammensetzung und daher eine verschiedene Masse verwendet wird, sollte die Dicke der Elektrode entsprechend verändert werden. Wenn zum Beispiel für die Elektrode auf einem LiTaO₃-Substrat Au verwendet wird, wird die Elektrodendicke vorzugsweise gewählt, um in den Bereich zwischen 0,4 und 2,1 % der Wellenlänge zu fallen. Wenn für die Elektrode auf einem LiTaO₃-Substrat ferner Cu verwendet wird, wird die Elektrodendicke vorzugsweise gewählt, um in den Bereich zwischen 0,9 und 4,5 % der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle zu fallen.
Wenn andererseits für das Substrat der SAW-Vorrichtung ein Y-X-LiNbO₃-Einkristall verwendet wird, ist es vorzuziehen, die Dicke einer Au-Elektrode festzulegen, um in den Bereich zwischen 0,5 und 1,7 % zu fallen. Wenn eine Cu-Elektrode auf dem LiNbO₃-Substrat gebildet wird, ist es vorzuziehen, die Dicke der Elektrode auf den Bereich zwischen 1,2 und 3,6 % der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle festzulegen.
15A zeigt eine Abwandlung des SAW-Filters von 8A, während 15B das Ersatzschaltungsdiagramm des SAW-Filters von 15A zeigt.
Unter Bezugnahme auf 15A ist das SAW-Filter auf einem Y-X-Einkristallsubstrat aus LiTaO₃ oder LiNbO₃ konstruiert, ähnlich wie bei der vorherigen Ausführungsform, wobei das Substrat auf sich eine erste Interdigitalelektrode R₁ trägt, die eine Elektrode der Eingangsseite hat, die mit einem Eingangsanschluß IN verbunden ist, der auf dem Substrat vorgesehen ist, eine zweite Interdigitalelektrode R₁', die eine Elektrode der Eingangsseite hat, die mit einer Elektrode der Ausgangsseite der Interdigitalelektrode R₁ verbunden ist, und eine Elektrode der Ausgangsseite, die mit einem Ausgangsanschluß verbunden ist, eine dritte Interdigitalelektrode R₂', die eine Elektrode der Eingangsseite hat, die mit der obigen Elektrode der Ausgangsseite der Interdigitalelektrode R₁ verbunden ist, und eine geerdete Elektrode der Ausgangsseite, und eine vierte Interdigitalelektrode R₂, die eine Elektrode der Eingangsseite hat, die mit der Elektrode der Ausgangsseite der Interdigitalelektrode R₁' verbunden ist, und eine geerdete Elektrode der Ausgangsseite.
Unter Bezugnahme auf 15B sind die Interdigitalelektroden R₁ und R₁' seriell verbunden, während die Interdigitalelektroden R₂ und R₂' auf beiden Seiten der Interdigitalelektrode R₁' parallel miteinander verbunden sind. Es sei erwähnt, daß jede der Interdigitalelektroden R₁, R₁', R₂ und R₂' einen Resonator bildet, und die Interdigitalelektrode R₁' hat eine Kapazität von etwa der Hälfte der Kapazität der Interdigitalelektrode R₁. Andererseits hat die Interdigitalelektrode R₂' eine Kapazität, die zweimal so groß wie die Kapazität der Interdigitalelektrode R₂ ist.
Auch in dem SAW-Filter von 15A und 15B ist es möglich, den Ausbreitungsverlust bei GHz-Band-Betrieb zu minimieren, bei dem der Effekt der hinzugefügten Masse der Elektrode auffällig wird; indem der Schnittwinkel des LiTaO₃-Substrats festgelegt wird, um größer als 38° aber kleiner als etwa 46°, vorzugsweise größer als etwa 40° aber kleiner als etwa 46° zu sein, am bestem auf etwa 42°. In dem Fall, wenn Y-X-LiNbO₃für das Substrat verwendet wird, ist es andererseits vorzuziehen, den Schnittwinkel festzulegen, um größer als 66° aber kleiner als 74° zu sein, am besten auf etwa 68°, wenn das SAW-Filter in der Frequenzzone verwendet wird, in der der Effekt der hinzugefügten Masse auffällig ist.
Es sei erwähnt, daß die vorliegende Erfindung keinesfalls auf das obige SAW-Filter des Abzweigtyps beschränkt ist, sondern auch auf SAW-Filter anderer Typen, verschiedene SAW-Resonatoren und SAW-Verzögerungsleitungen anwendbar ist. Zum Beispiel kann man das Elektrodenmuster des SAW-Filters von 8A und 8B abwandeln, um ein SAW-Filter des Gittertyps zu bilden, das in 16 gezeigt ist.
17 zeigt die Konstruktion eines SAW-Filters 30 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 17 ist das SAW-Filter 30 auf einem θ-rotierten Y-X-Schnitt-Substrat 11 aus LiTaO₃ oder LiNbO₃ gebildet, bei dem der Schnittwinkel θ auf den Bereich von 38 – 46° festgelegt ist, wenn das Substrat aus LiTaO₃ gebildet ist. Wenn das Substrat andererseits aus LiNbO₃ gebildet ist, ist der Schnittwinkel θ auf den Bereich zwischen 66° und 74° festgelegt. Das SAW-Filter 30 enthält ferner Interdigitalelektroden, die auf dem Substrat 11 mit einer Dicke von 3 – 15 % der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle gebildet sind, wenn das Substrat 11 aus LiTaO₃ gebildet ist, während die Dicke der Interdigitalelektroden auf etwa 4 – 12 % der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle festgelegt ist, wenn LiNbO₃ für das Substrat 11 verwendet wird. Auch bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine LSAW angeregt, und die so angeregte LSAW breitet sich in der X-Richtung aus.
Es sei erwähnt, daß das SAW-Filter 30 eine Konstruktion hat, bei der ein Paar von Reflektoren R₁ auf beiden Seiten der Elektroden reihe angeordnet, die aus den Elektroden R_in und R_out gebildet ist. Auch bei dem SAW-Filter 30 von 17 ist es möglich, den Verlust zu minimieren und den Formfaktor zu verbessern, indem der Schnittwinkel des Substrats und die Elektrodendicke optimiert werden, ähnlich wie im Fall der Vorrichtung von 8A und 8B.
18 zeigt die Konstruktion eines Einzelport-SAW-Resonators 40 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 18 ist der SAW-Resonator 40 auf dem θ-rotierten Y-X-Schnitt-Substrat 11 aus LiTaO₃ gebildet, das den Schnittwinkel θ von 38 – 46° hat, ähnlich wie zuvor. Alternativ kann man für das Substrat 11 einen Y-X-Schnitt-LiNbO₃-Einkristall mit dem Schnittwinkel θ von 66 – 74° verwenden. Das Substrat 11 trägt auf sich eine Interdigitalelektrode mit einer Dicke, die auf 3 – 15 % der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle festgelegt ist, die auf dem Substrat 11 angeregt wird, wenn für das Substrat 11 der Y-X-Schnitt-LiTaO₃-Einkristall verwendet wird. Wenn das Substrat andererseits aus dem Y-X-LiNbO₃-Einkristall gebildet ist, werden die Elektroden mit einer Dicke von 4 – 12 % der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle gebildet, die auf dem Substrat angeregt wird. Auch bei dem vorliegenden Beispiel wird eine LSAW angeregt, und die so angeregte LSAW breitet sich in der X-Richtung aus.
Es sei erwähnt, daß das SAW-Filter 40 in 18 eine Konstruktion hat, bei der ein Paar von Interdigitalelektroden der Eingangsseite, die mit der Interdigitalelektrode R_i _n von 17 identisch ist, und eine Interdigitalelektrode der Ausgangsseite, die mit der Interdigitalelektrode R_out von 17 identisch ist, miteinander benachbart angeordnet sind, so daß die Interdigitalelektroden R_in auf beiden Querseiten der Interdigitalelektrode R_out angeordnet sind, wobei beide Interdigitalelektroden R_in gemeinsam mit einem Eingangsanschluß 41 verbunden sind, während die Interdigitalelektrode R_out mit einem Ausgangsanschluß 42 verbunden ist. Ferner ist ein Paar von Reflektoren R₁ auf beiden Seiten der Elektrodenreihe angeordnet, die aus den Elektroden R_in und R_out gebildet ist . Auch bei dem SAW-Filter 40 von 18 ist es möglich, den Verlust zu minimieren und den Formfaktor zu verbessern, indem der Schnittwinkel des Substrats und die Elektrodendicke optimiert werden, ähnlich wie im Fall der Vorrichtung von 8A und 8B.
19 zeigt die Konstruktion eines Einzelport-SAW-Resonators 50 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 19 ist der SAW-Resonator 50 auf dem θ-rotierten Y-X-Schnitt-Substrat 11 aus LiTaO₃ konstruiert, das den Schnittwinkel θ von 38 – 46° hat, wobei das Substrat 11 auf sich eine Interdigitalelektrode R mit einer Dicke von etwa 3 – 15 % der Wellenlänge der LSAW trägt, die auf dem Substrat 11 angeregt wird. Alternativ kann das Substrat 11 aus einem Y-X-Schnitt-Einkristall aus LiNbO₃ gebildet sein, das den Schnittwinkel θ von 66 – 74° hat. In diesem Fall hat die Elektrode auf dem Substrat 11 eine Dicke von etwa 4 – 12 % der Wellenlänge der LSAW, die auf dem Substrat 11 angeregt wird. Auch bei der vorliegenden Ausführungsform breitet sich die LSAW in der X-Richtung aus.
Es sei erwähnt, daß der SAW-Resonator 50 eine einzelne Interdigitalelektrode R und ein Paar von Reflektoren R₁ ist auf beiden Seiten der Elektrode R in der x-Richtung angeordnet. Der Resonator 50 wird dabei angetrieben, indem eine Spannung quer über einen ersten Anschluß 51, der mit der ersten Gruppe von Elektrodenfingern der Interdigitalelektrode R verbunden ist, und über einen zweiten Anschluß 52, der mit der zweiten Gruppe von Elektrodenfingern derselben Interdigitalelektrode R verbunden ist, angewendet wird.
Bei solch einer Konstruktion ist es möglich, einen Resonator mit hoher Qualität vorzusehen, der einen minimalen Verlust hat, indem der Schnittwinkel θ des Substrats und die Dicke der Elektrode ähnlich wie bei der Ausführungsform von 8A und 8B optimiert werden.
20 zeigt die Konstruktion eines Dualport-SAW-Resonators 60 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 20 ist der SAW-Resonator 60 auf dem θ-rotierten Y-X-Schnitt-Substrat 11 aus LiTaO₃ konstruiert, das den Schnittwinkel θ von 38 – 46° hat, wobei das Substrat 11 auf sich eine Interdigitalelektrode mit einer Dicke von etwa 3 – 15 % der. Wellenlänge der LSAW trägt, die auf dem Substrat 11 angeregt wird. Alternativ kann das Substrat 11 aus einem Y-X-Schnitt-Einkristall aus LiNbO₃ gebildet sein, das den Schnittwinkel θ von 66 – 74° hat. In diesem Fall hat die Elektrode auf dem Substrat 11 eine Dicke von etwa 4 – 12 % der Wellenlänge der LSAW, die auf dem Substrat 11 angeregt wird. Auch bei der vorliegenden Ausführungsform breitet sich die LSAW in der X-Richtung aus.
Aus 20 geht hervor, daß die Interdigitalelektrode des SAW-Resonators 60 eine Eingangselektrode R₁ enthält, die mit einem Eingangsanschluß 61 verbunden ist, und eine Ausgangselektrode R₂, die mit einem Ausgangsanschluß 62 verbunden ist, welcher Eingangsanschluß 61 und welcher Ausgangsanschluß 62 in der Ausbreitungsrichtung X der akustischen Oberflächenwelle angeordnet sind. Ferner ist jede der Interdigitalelektroden R₁ und R₂ aus einer ersten Interdigitalelektrode und einer zweiten Interdigitalelektrode gebildet, wobei die erste Interdigitalelektrode der Elektrode R₁ mit dem Eingangsanschluß 61 verbunden ist, während die erste Interdigitalelektrode der Elektrode R₂ mit dem Eingangs anschluß 62 verbunden ist. Ferner sind die zweite Interdigitalelektrode der Elektrode R₁ und die zweite Interdigitalelektrode der Elektrode R₂ miteinander verbunden, um ein einzelnes Erdungsmuster zu bilden. Auf beiden Seiten der Interdigitalelektrode, die so aus der Elektrode R₁ und R₂ gebildet ist, ist ein Paar von Reflektoren R₁ wie üblich angeordnet.
Auch bei dem Dualport-SAW-Resonator 60 ist es möglich, den Q-Faktor zu maximieren und den Verlust zu minimieren, indem der Schnittwinkel des Substrats und die Dicke der Interdigitalelektrode optimiert werden, ähnlich wie bei dem SAW-Filter von 8A und 8B.
Somit ist die vorliegende Erfindung auf verschiedene SAW-Filter und Resonatoren anwendbar, wie auf jene mit der Abzweig- oder Leiterkonstruktion wie im Fall von 8B und 15B oder der Gitterkonstruktion wie im Fall von 16. Ferner ist die vorliegende Erfindung auf Multimodenfilter anwendbar.
Des weiteren ist die vorliegende Erfindung nicht auf das SAW-Filter und den SAW-Resonator beschränkt, die zuvor beschrieben wurden, sondern ist auch auf SAW-Verzögerungsleitungen sowie auf SAW-Wellenleiter anwendbar.

Claims

Oberflächenakustikwellenvorrichtung mit: einem piezoelektrischen Substrat (11) einem LiTaO₃-Einkristall; und einem Elektrodenmuste, das auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (11) vorgesehen ist und Al als Primärkomponente enthält; bei der Elektrodenmuster (R₁,R₁', R₂, R₂', R₂''; R_in, R_out) eine Dicke in einem Bereich des etwa 0,03 – 0,15-fachen einer Wellenlänge einer akustischen Oberflächenwelle hat die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (11) angeregt wird; und das piezoelektrische Substrat (11) eine von seiner Y-Achse um seine X-Achse hin zu seiner Z-Achse rotierte Orientierung hat, mit einem Rotationswinkel (θ) in einem Bereich größer als 40° aber kleiner als etwa 46°.
Vorrichtung mit: einem piezoelektrischen Substrat (11) aus einem LiTaO₃-Einkristall; und einem Elektrodenmuster (R₁, R₁', R₂, R₂', R₂'' ; R_in, R_out), das auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Substrats vorgesehen ist und Au als Primärkomponente enthält; bei der das Elektrodenmuster eine Dicke in einem Bereich des 0,004 – 0,021-fachen einer Wellenlänge einer akustischen Oberflächenwelle hat, die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats angeregt wird; das piezoelektrische Substrat eine von seiner Y-Achse um seine X-Achse hin zu seiner Z-Achse rotierte Orientierung hat, mit einem Rotationswinkel größer als 40° aber kleiner als etwa 46°.
Vorrichtung mit: einem piezoelektrischen Substrat (11) aus einem LiTaO₃-Einkristall; und einem Elektrodenmuster (R₁, R₁', R₂, R₂',R₂''; R_in, R_out), das auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Substrats vorgesehen ist und Cu als Primärkomponente enthält; bei der das Elektrodenmuster eine Dicke in einem Bereich des 0,009 – 0,045-fachen einer Wellenlänge einer akustischen Oberflächenwelle hat, die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats angeregt wird; das piezoelektrische Substrat eine von seiner Y-Achse um seine X-Achse hin zu seiner Z-Achse rotierte Orientierung hat, mit einem Rotationswinkel größer als 40° aber kleiner als etwa 46°.
Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 3 bei der das Elektrodenmuster eine Vielzahl von Resonatoren auf dem piezoelektrische Substrat (11) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Elektrodenmuster (R₁,R₁', R₂, R₂', R₂''; R_in, R_out) eine Dicke in dem Bereich des etwa 0,07 – 0,15-fachen der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle hat, die auf dem piezoelektrischen Substrat angeregt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Elektrodenmuster (R₁,R₁', R₂, R₂', R₂''; R_in, R_out) eine Dicke in dem Bereich des etwa 0,05 – 0,10-fachen der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle hat, die auf dem piezoelektrischen Substrat (11) angeregt wird, und bei der das piezoelektrische Substrat (11) eine Orientierung hat, bei der der Rotationswinkel (θ) auf den Bereich von etwa 41 – 44° festgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bei der das piezoelektrische Substrat (11) eine Orientierung hat, bei der Rotationswinkel (θ) auf etwa 42°
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Elektrodenmuster (R₁,R₁', R₂, R₂', R₂''; R_in, R_out) aus Al gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Elektrodenmuster (R₁,R₁', R₂, R₂', R₂''; R_in, R_out) aus einer kupferhaltigen Aluminiumlegierung gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das Elektrodenmuster (R₁,R₁', R₂, R₂', R₂''; R_in, R_out) eine Vielzahl von Resonatoren, die leiterartig verbunden sind, auf der Oberfläche des piezoelektrichen Substrats bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 – 3, bei der das Elektrodenmuster eine Interdigitalelektrode umfaßt welche eine erste Elektrodengruppe (i) und eine zweite Elektrodengruppe (o) enthält, welche erste Elektrodengruppe (i) eine erste Gruppe von Elektrodenfingern umfaßt, die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats vorgesehen sind und gemeinsam mit einem ersten Anschluß verbunden sind, welche zweite Elektrodengruppe (o) eine zweite Gruppe von Elektrodenfingern umfaßt, die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats vorgesehen sind und gemeinsam mit einem zweiten Anschluß verbunden sind, welche ersten und zweiten Gruppen von Elektrodenfingern so angeordnet sind, daß ein Elektrodenfinger der zweiten Gruppe zwischen einem Paar von Elektrodenfingern der ersten Gruppe liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Elektrodenmuster erste und zweite Interdigitalelektroden (R₁, R₁') enthält, welche erste Interdigitalelektrode (R₁) auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (11) gebildet ist, um den Weg der akustischen Oberflächenwelle zu kreuzen, und enthält: eine Vielzahl von Elektrodenfingern einer ersten Gruppe (i), die gemeinsam mit einem Eingangsanschluß (IN) verbunden sind, und eine Vielzahl von Elektrodenfingern einer zweiten Gruppe (o), die gemeinsam miteinander verbunden sind und so zwischen der ersten Gruppe von Elektrodenfingern liegen, daß ein Elektrodenfinger der ersten Gruppe (i) und ein Elektrodenfinger der zweiten Gruppe (o) längs des Weges der akustischen Oberflächenwelle alternierend wiederholt werden; welche zweite Interdigitalelektrode (R₁') auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats gebildet ist, um den Weg der akustischen Oberflächenwelle zu kreuzen, und enthält: eine Vielzahl von Elektrodenfingern einer dritten Gruppe (i), die gemeinsam mit der zweiten Gruppe von Elektrodenfingern (o) verbunden sind, und eine Vielzahl von Elektrodenfingern einer vierten Gruppe (o), die gemeinsam mit einem Ausgangsanschluß (OUT) verbunden sind und so zwischen der dritten Gruppe von Elektrodenfingern liegen, daß ein Elektrodenfinger der dritten Gruppe (i) und ein Elektrodenfinger der vierten Gruppe (o) längs des Weges der akustischen Oberflächenwelle alternierend wiederholt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Elektrodenmuster ferner eine dritte Interdigitalelektrode (R₂') und eine vierte Interdigitalelektrode (R₂) enthält, die beide auf dem piezoelektrischen Substrat vorgesehen sind, um den weg der akustischen Oberflächenwelle zu kreuzen; welche dritte Interdigitalelektrode (R₂') enthält: eine Vielzahl von Elektrodenfingern einer fünften Gruppe (i), die gemeinsam mit der zweiten Gruppe von Elektrodenfingern (o) verbunden sind, und eine Vielzahl von Elektrodenfingern einer sechsten Gruppe (o), die gemeinsam mit der Erde (GND) verbunden sind und so zwischen der fünften Gruppe von Elektrodenfingern liegen, daß ein Elektrodenfinger der fünften Gruppe (i) und ein Elektrodenfinger der sechsten Gruppe (o) längs des Weges der akustischen Oberflächenwelle alternierend wiederholt werden; welche vierte Interdigitalelektrode enthält: eine Vielzahl von Elektrodenfingern einer siebten Gruppe, die zusammen mit den Elektrodenfingern der vierten Gruppe gemeinsam mit dem Ausgangsanschluß verbunden sind, und eine Vielzahl von Elektrodenfingern einer achten Gruppe, die gemeinsam mit der Erde verbunden sind und so zwischen der siebten Gruppe von Elektrodenfingern liegen, daß ein Elektrodenfinger der siebten Gruppe (i) und ein Elektrodenfinger der achten Gruppe (o) längs des Weges der akustischen Oberflächenwelle alternierend wiederholt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Elektrodenmuster erste bis fünfte Interdigitalelektroden (R₁, R₁', R₂, R₂', R₂'') enthält, die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats längs eines Weges der akustischen Oberflächenwelle angeordnet sind, welche erste Interdigitalelektrode (R₁) eine Vielzahl von Elektrodenfingern einer ersten Gruppe (i) umfaßt, die gemeinsam mit einem Eingangsanschluß (IN) verbunden sind, und eine Vielzahl von Elektrodenfingern einer zweiten Gruppe (o), die zwischen der ersten Gruppe von Elektrodenfingern liegen, wobei jeder der Elektrodenfinger der ersten und zweiten Gruppen den Weg der akustischen Oberflächenwelle auf der Oberfläche des Substrats (11) kreuzt, welche zweite Interdigitalelektrode (R₁') eine Vielzahl von Elektrodenfingern einer dritten Gruppe (i) umfaßt, die gemeinsam mit den Elektrodenfingern der zweiten Gruppe verbunden sind, und eine Vielzahl von Elektrodenfingern einer vierten Gruppe (o), die gemeinsam mit einem Ausgangsanschluß (OUT) verbunden sind und zwischen der dritten Gruppe von Elektrodenfingern liegen, wobei jeder der Elektrodenfinger der dritten und vierten Gruppen den Weg der akustischen Oberflächenwelle auf der Oberfläche des Substrats (11) kreuzt, welche dritte Interdigitalelektrode (R₂) eine Vielzahl von Elektrodenfingern einer fünften Gruppe (i) umfaßt, die gemeinsam mit der ersten Gruppe von Elektrodenfingern verbunden sind, und eine Vielzahl von Elektrodenfingern einer sechsten Gruppe (o), die gemeinsam mit einer Erde (GND) verbunden sind und zwischen der fünften Gruppe von Elektrodenfingern liegen, wobei jeder der Elektrodenfinger der fünften und sechsten Gruppen den Weg der akustischen Oberflächenwelle auf der Oberfläche des Substrats (11) kreuzt, welche vierte Interdigitalelektrode (R₂') eine Vielzahl von Interdigitalelektrodenfingern einer siebten Gruppe (i) umfaßt, die gemeinsam mit der zweiten Gruppe von Elektrodenfingern verbunden sind, und eine Vielzahl von Elektrodenfingern einer achten Gruppe (o), die gemeinsam mit der Erde (GND) verbunden sind und zwischen der siebten Gruppe von Interdigitalelektrodenfingern liegen, wobei jeder der Elektrodenfinger der siebten und achten Gruppen den Weg der akustischen Oberflächenwelle auf der Oberfläche des Substrats (11) kreuzt, welche fünfte Interdigitalelektrode (R₂'') eine Vielzahl von Interdigitalelektrodenfingern einer neunten Gruppe (i) umfaßt, die gemeinsam mit der vierten Gruppe von Elektrodenfingern verbunden sind, und eine zehnte Gruppe von Elektrodenfingern (o), die gemeinsam mit der Erde verbunden sind und zwischen der neunten Gruppe von Elektrodenfingern liegen, wobei jeder der Elektrodenfinger der neunten und zehnten Gruppen den Weg der akustischen Oberflächenwelle auf dem Substrat kreuzt.