DE2361131A1

DE2361131A1 - Resonator

Info

Publication number: DE2361131A1
Application number: DE2361131A
Authority: DE
Inventors: Hidemasa Tamura; Yuzuru Yanagisawa
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1972-12-09
Filing date: 1973-12-07
Publication date: 1974-06-12
Also published as: JPS4979797A; JPS5342518B2; CA995350A; US3891873A; GB1440336A; JPS5063890A

Description

It 2677

SONY CORPORATION Tokyo / Japan

Resonator

Die Erfindung betrifft einen Resonator, der aus einem piezo* elektrischen kristallinen Material besteht, das Lithium oder dergleichen enthält, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung, sowie weiterhin das Problem der Herstellung wirksamer und leistungsfähiger Elektroden für eine aus einem solchen piezoelektrischen Material gefertigte Platte und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Es sind Resonatoren bekannt, die aus Quarz bestehen, da Quarz einen geringen Temperatur-Frequenz-Koeffizienten hat. Der elektromechanische Kopplungsfaktor von Quarz ist jedoch klein und beträgt z.B. 0,002. Quarz ist daher für einen Resonator mit einer großen Frequenzabweichung, z.B. für einen FM-Modulator, nicht geeignet.

Ein Problem tritt auch dadurch auf, daß, da das Resonanzfrequenzband von Quarz schmal ist, Quarz für die Verwendung in einem Breitbandfilter nicht geeignet ist=

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Aus der US-PS 3 525 885 ist eine X-Schnitt-Platte aus iiithiuratantalat (LiTaO ) bekannt. Ein piezoelektrisches kristallines Material, das Lithium wie Lithiumtantalat oder Lithiumniobat (LiNbO) enthält, ist hinsichtlich seines elektromechanischen Kopplungsfaktors, der z.B. 0,6 beträgt, und seines im wesentlichen¹ Null betragenden Temperatur-Frequenz-Koeffizienten sehr gut. Aus diesem Grund wird ein solches Material vorzugsweise als Material für einen Resonator eines FM-Modulators für ein Breitbandfilter oder dergleichen verwendet.

Ein aus einem solchen Material hergestellter Resonator erfordert jedoch einstückige Elektroden,wie in der zuvor genannten US-Patentschrift beschrieben ist. Als Material für die einstückigen Elektroden wurde Aluminium, Gold oder dergleichen vorgeschlagen, jedoch ist Aluminium hinsichtlich der Adhesionskraft schwach, oxidiert leicht und ändert mit der Zeit seine Eigenschaften, während ein Edelmetall wie Gold hinsichtlich der Adhäsionskraft zu Problemen führt, wenn es für einstückige Elektroden verwendet wird.

Im allgemeinen ist der Wärmeausdehnungskoeffizient eines geeigneten piezoelektrischen kristallinen Materials, das Lithium enthält, sehr gering im Vergleich zu demjenigen von Metall. Wenn daher an dem piezoelektrischen kristallinen Material durch Aufdampfung Elektroden gebildet werden, sind infolge der Wärmeausdehnung einer dabei verwendeten Metallmaske die gebildeten Elektroden an ihren Kanten ungenau und/oder weichen in ihrer Lage ab, so daß sie die Eigenschaften eines Resonators verschlechtern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Resonator zu schaffen, dessen Resonanzfrequenz sich mit der Zeit weniger als bei bekannten Resonatoren ändert, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Resonator, der aus einem piezoelektrischen Material wie Lithiumtantalat, Lithiumniobat oder einem anderen piezoelektrischen Mate-, rial besteht, das Lithium enthält, und der Elektroden, hat, die aus mehreren Schichten bestehen, die durch Aufdampfen oder Zerstäuben von Metallen gebildet werden, wobei die innere Schicht aus Chrom und die äußere Schicht aus Gold besteht.

Durch die Erfindung wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines Resonators mit Elektroden in einem gewünschten Muster geschaffen. Es können dadurch Resonatoren mit gleichmäßigen Resonanzeigenschaften hergestellt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis beispielsweise erläutert. Es zeigt: . .

Figur 1 einen Querschnitt des Elektrodenaufbaus eines Beispiels des Resonators gemäß der Erfindung,

Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels des Resonators gemäß der Erfindung,

Figur 3 . einen Querschnitt längs der Linie III-III in Fig. 2,

Figur 4 einen Querschnitt einer bei der Erfindung verwendeten Aufdämpfungsvorrichtung,

Figur 5 eine graphische Darstellung, aus der die Resonanzeigenschaften des Resonators gemäß der Erfindung hervorgehen.

Figur 6 und 7 Teilquerschnitte, aus denen die Zustände der durch Aufdampfung gebildeten Elektroden hervorgehen.

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Figur 8 eine perspektivische Darstellung einer bei der Erfindung verwendeten Metallmaske,

Figur 9 einen Querschnitt,aus dem der Zustand der durch Aufdampfung gebildeten Elektroden hervorgeht,

Figur 10 eine graphische Darstellung, aus der ein Beispiel der Resonanzeigenschaften des Resonators gemäß der Erfindung hervorgeht,

Figur 11 einen Teilquerschnitt, aus dem der Zustand einer durch Aufdampfung gebildeten Elektrode .hervorgeht, und

Figur 12 eine perspektivische Darstellung einer bei der Erfindung verwendeten Halteplatte.

Figur 1 zeigt einen Teil eines Resonators und einer Elektrodenanordnung gemäß der Erfindung. Bei dieser Ausführunqsform enthält eine piezoelektrische Platte 1 Lithiumtantalat, Lithiumniobat oder dergleichen, und eine Elektrode 2 ist auf dieser piezoelektrischen Platte 1 gebildet. Die Elektrode 2 besteht aus einer Unterschicht 3, die aus Metall mit einer unvollständigen 3d-Außenhaut wie Chrom, Titan oder dergleichen oder einem sogenannten Übergangsmetall, einer Kupferschicht A₁ einer Chromschicht 5 und einer Goldschicht 6 besteht. Die jeweiligen Schichten 3 bis 6 werden durch Aufdampfen oder Zerstäuben von Chrom, Kupfer, Chrom und Kupfer in einer Dicke von z.B. 500 Angstrom, 8000 Angström, 500 Angström, und 4000 Angström auf der piezoelektrischen Platte 1 gebildet, die möglichst auf eine Temperatur von 200 bis 300⁰C, vorzugsweise von 250 bis 300°C erhitzt wird. Hierbei verbindet sich vom mechanischen Standpunkt die Unterschicht 3 gut mit der piezoelektrischen Platte 1, da das übergangsmetall in der Unterschicht 3 in die piezo-

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elektrische Platte 1 diffundiert/ während das Titan in der piezoelektrischen Platte 1 in die Unterschicht 3 diffundiert.

Als Elektrode für den Resonator ist theoretisch nur die Unterschicht 3 ausreichend, jedoch ist die Kupferschicht 4 nötig, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zu erhalten. Ein Edelmetall wie Gold oder dergleichen kann an-

stelle der Schicht 4 verwendet werden, jedoch kann ein Edelmetall die Schwingung der piezoelektrischen Platte 1 infolge seines hohen spezifischen Gewichts dämpfen. Daher wird Kupfer, das ein geringeres spezifisches Gewicht und eine bessere elektrische Leitfähigkeit als Gold hat, vorzugsweise als Schicht 4 verwendet.

Die Schicht 5 wird zur Verhinderung der Oxidation verwendet. Daher könnte eine Goldschicht 6 direkt auf der Kupferschicht 4 gebildet werden, jedoch schmelzen Gold und. Kupfer bei Temperaturen von 300 bis 400°C leicht und verschlechtern die Wetterfestigkeit. Daher verwendet man besser eine Chromschicht 5, die in-ihrer-Affinität, zu Gold und Kupfer günstiger ist, zwischen der Kupferschicht 4 und der. Goldschicht 6. Die Chromschicht 5 kann aus einem Übergangs-' metall von Titan wie im Falle der Unterschicht 3 gebildet werden, und die Goldschicht 6 kann durch eine andere Schicht eines Edelmetalls wie Silber ersetzt werden.

Bei einer Ermittlung -.der Änderung der Eigenschaften des so gebildeten Resonators durch einen Hochtemperaturbeschleunigungstest von 85 C ergab sich eine Änderung der Schwingungsfrequenz von etwa + 3 ppm (Teile je Million) des Anfangswertes nach 500 Stunden.

Wenn ein Resonator, der aus einer piezoelektrischen Platte 1 besteht, die Lithium enthält und eine Elektrode aus Aluminium hat, unter der gleichen Bedingung geprüft wird, überschreitet die Änderung der Schwingungsfrequenz 100 ppm nach etwa

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100 Stunden. Da hierbei die Adhäsionseigenschaft der Aluminiumelektrode an der piezoelektrischen Platte 1'niedrig ist, ist es nahezu unmöglich, eine externe Leitung heraus-

2 zuführen. Wenn z.B. eine Aluminiumelektrode von 1,2 mm auf dem Resonator gebildet und mit einem Ende eines Messingdrahtes mit einem Millimeter Durchmesser durch ein Klebemittel verbunden wird und an dem Messingdraht gezogen wird, wird die Aluminiumelektrode von der piezoelektrischen Platte 1 bei einer Kraft von 115 bis 345 g abgezogen. Wenn ein ähnlicher Versuch für einen Resonator mit einer Chromelektrode durchgeführt wird, bricht die piezoelektrische Platte bei einer Kraft von 12OO g,jedoch wird die Adhäsion zwischen der piezoelektrischen Platte und der Chromelektrode überhaupt nicht beschädigt.

Vorzugsweise beträgt die Dicke der Chromschicht wenigstens 50 Angström vom Standpunkt der mechanischen Festigkeit aus, jedoch maximal 1 Mikron. Wenn die Dicke größer als 1 Mikron ist, hat dies einen schlechten Einfluß auf die Schwinaung des Resonators und der Gütefaktor des Resonators wird verschlechtert.

Die Dicke der Kupferschicht 4, der Chromschicht 5 und der Goldschicht 6 muß mindestens 1OO Angström betragen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine Ausführungsform des Resonators gemäß der Erfindung in Form eines Dickenscherungsschwingers. Bei dieser Ausführungsform sind an den beiden Oberflächen HA und HB einer piezoelektrischen Platte 11 Elektroden 12 und 13 einander gegenüberliegend gebildet. Die Elektroden 12 und 13 haben Leitungsteile 14 bzw. 15 und sind durch diese Leitungsteile 14 und 15 elektrisch mit externen elektrischen Kreisen verbunden. Die'Elektroden 12 und 13 bestehen, obwohl dies nicht gezeigt ist, aus mehreren Metallschichten, die durchCr-Cu-Cr-Au-Aufdampfung gebildet werden, wie Fig. 1 zeigt. In Fig. 2 sind mit X, Y und Z die Achsen des piezo-

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elektrischen Einkristalls bezeichnet, das die piezoelektrische Platte 11 bildet.

Beispielsweise ist die tatsächliche Größe eines Resonators für eine Resonanzfrequenz von 10 MHz derart, daß die piezoelektrische Platte eine Dicke von 200 Mikron und eine Fläche von 4x4 mm hat und ihre Elektroden eine Fläche von 1,5 χ 1,5 mm haben. . · -"...

"Anhand der Fig. 4. wird nun eine Vorrichtung zur Herstellung der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Elektroden 12 und 13 beschrieben. Die piezoelektrische Platte 11 wird an einer Grundplatte 16 angeordnet. Eine Metallmaske 17 mit Fenstern entsprechend den EleTctrodennmstern wird gegenüber der piezoelektrischen Platte 11 angeordnet und die Elektroden 12 und 13 werden auf der piezoelektrischen Platte 11 durch die Metallmaske 17 durch Aufdampfung gebildet. Die so gebildete piezoelektrische Platte 11 wird zur Herstellung des in Fig. 2 gezeigten Resonators in Stücke geschnitten. Die Metallmaske 17 besteht aus einer dünnen Platte aus Kupfer, rostfreiem Stahl oder dergleichen.

Wenn die Resonanzeigenschaften von Resonatoren von 25 MHz, deren mehrere Metallschichten durch Aufdampfung gebildet wurden, gemessen werden, hat eine Anzahl der Resonatoren die durch die Kurve I in Fig. 5 gezeigten Resonanzeigenschaften, in der die Ordinate den absoluten Scheinleitwert und die Abszisse die Frequenz darstellt. ■

Wie Fig. 5 zeigt, tritt eine unerwünschte Subresonanz a zwischen einer Resonanzfrequenz f und einer Antiresonanz-

.frequenz f auf,so daß der praktische Arbeitsbereich auf Ir, begrenzt wird.

Aus verschiedenen Versuchen ergab sich, daß die Subresonanz a- dadurch verursacht wird, daß eine umgekehrte Symmetrie

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aufgrund einer unsymmetrie der Elektroden 12 und 13 infolge der Lageverschiebung bzw. der ungenauen Kontur der Elektroden bzw. eine andere Schwingung der piezoelektrischen Platte

11 als ihre Längsschwingung in Richtung ihrer Dicke hervorgerufen wird.

Einer der Gründe dafür besteht darin, daß die Metallmaske 17 infolge ihrer Wärmeausdehnung, wie Fig. 6 zeigt, während des Erhitzungsvorgangs für die Aufdampfung verzogen wird und dadurch der Ümfangsteil 12A der Elektrode 12 ungenau wird.

Ein weiterer Grund besteht darin, daß der Abstand zwischen dem'Umfang 17A eines Fensters der Maske 17 und seinem Mittelpunkt 0 durch die Wärmeausdehnung der Metallmaske 17 geändert und dadurch eine Verschiebung zwischen den Elektroden 12 und 13 hervorgerufen wird, wenn die Elektrode

12 an der Oberfläche HA der piezoelektrischen Platte 11 -und danach die Elektrode 13 an der anderen Oberfläche HB der piezoelektrischen Platte 11 durch Umdrehen der Platte 11 gebildet wird, wie Fig. 7 zeigt.

Um solche Nachteile zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung eine Maske 21, in der eine Anzahl von Fenstern 20 mit gleicher Form und gleichem Muster wie diejenigen der aufzubringenden Elektroden ausgebildet sind, wie in Fig. 8 gezeigt ist, aus einer dünnen Platte (von etwa 50 Mikron Dicke) aus Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Invar gebildet wird. Invar ist eine Nickelstahlart, die aus weniger als 0,2 % C, 0,5 % Mn, 36 % Ni und Fe als Restanteil besteht. Invar hat einen Ausdehnungskoeffizienten von 1 χ 10 /Grad, der dem von LiTaO-. oder LiNbO- nahekommt, das ebenfalls ein piezoelektrisches Material ist. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von LiTaO... beträgt etwa 16,1 χ 10 /Grad in seinen X- und Y-Achsenrichtungen und 1,2 χ 10 /Grad in seiner Z-Achsenrichtung, während der Wärmeausdehnungskoeffizient von LiNbO., 15,4 χ

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10 /Grad in seinen X- und Y-Achsenrichtungen und 7,5 χ 10 / Grad in seiner Z-Achsenrichtung beträgt.

Ein Superinvär, das durch den Zusatz einer geringen Menge Mn zu dem obigen Invar erzeugt wird und das einen Ausdehnungskoeffizienten von 1 χ 10 /Grad hat, kann verwendet werden, und außerdem kann auch ein unmagnetisches Invar bestehend aus 90 bis 95 % Cr, 5 % Fe und weniger als 1 % Mn verwendet werden.

Die so gebildete Maske 21 wird auf der einen Oberfläche 11Ά der piezoelektrischen Platte 11 aus LiTaO- oder LiNbO gebildet, wie Fig. 9 zeigt, und dann werden Cr, Cu, Cr und Au durch die Fenster 20 der Maske 21 auf die Platte. 11 in dieser Reihenfolge durch Aufdampfung zur Bildung der Elektrode 12 aufgebracht. Danach wird die piezoelektrische Platte 11 umgedreht und der gleiche Elektrodenaufdampfvorgang wird an der anderen Oberfläche HB der piezoelektrischen Platte 11 durch die gleiche Metallmaske 21 zur-Bildung der anderen Elektrode 13 durchgeführt.

Der so erhaltene Resonator hat die in Fig. 10 durch die Kurve II gezeigten Resonanzeigenschaften, die keine unnötige Subresonanz und einen großen effektiven Bereich L„ hat. Außerdem wird die Streuung der Resonanzkapazität des für die,Anwehdung in einer Schaltungsanordnung notwendigen Resonators auf 1/10 im Vergleich zum Stand der Technik verringert und die Streuung seiner Frequenz wird ebenfalls verringert, was für eine Massenproduktion günstig ist. Der.Grund hierfür besteht darin, daß die Metallmaske 21 aus dünnem Invar besteht, das sich durch Wärmeausdehnung weniger verzieht, so daß die Elektroden 12 und 13 mit genauer Symmetrie gebildet werden können.

Anhand der Fig.. 11 und 12 wird nun ein weiteres Auf dampf ungsverfahren gemäß der Erfindung beschrieben. Bei diesem Bei-

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spiel wird eine dünne Metallmaske 31 aus üblichem Metall wie Eisen, Nickel, rostfreiem Stahl oder dergleichen hergestellt. Die so gebildete Metallmaske 31 wird auf der piezoelektrischen Platte 11 angeordnet und dann wird eine relativ dicke Halteplatte 33 aus dem oben erwähnten Invar auf der Metallmaske 31 angeordnet. Die Halteplatte 33 hat hierbei ein Fenster 34, das in Übereinstimmung mit einem Fenster 30 der Metallmaske 31 angeordnet ist und das etwas größere Abmessungen als das Fenster 30 hat, wie Fig. 12 zeigt. Danach wird die gleiche Aufdampfung auf die piezoelektrische Platte 11 an ihren beiden Oberflächen HA und HB zur Bildung der Elektroden 12 und 13 angewandt.

Bei diesem Verfahren wird, selbst wenn die Metallmaske 31 einer Wärmeausdehnung unterworfen ist und sich bei der Aufdampfung verzieht, eine solche Verformung durch die Invar-Halteplatte 33 unterdrückt. Die Elektroden 12 und 13 haben daher einen hohen Grad an Symmetrie. Daher kann wie im Falle der Fig. 9 ein Resonator mit keiner Subresonanz und Resonanzeigenschaften, wie sie die Kurve II in Fig. 10 zeigt, erhalten werden.

Es ist auch möglich, daß die Metallmaske 31 aus einer dünnen .Invarplatte und die Halteplatte 33 aus einer dicken Invarplatte hergestellt und die beiden in der gleichen Weise kombiniert werden.

Bei den obigen Beispielen werden die Elektroden durch Aufdampfung gebildet, es ist jedoch möglich, daß Chrom aufgedampft wird und danach Kupfer, Chrom und Gold in dieser Reihenfolge durch Elektroplattierung aufgebracht werden.

Außerdem ist es möglich, daß die Unterschicht durch Aufdampfung aus einer Chromschicht und durch Elektroplattierung aus einer Chromschicht gebildet wird.

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Claims

Ansprüche

ΐΛ Resonator, bestehend aus einer Platte aus piezoelektri-■ schein Material und an deren gegenüberliegenden Oberflächen gebildeten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material Lithium enthält, und daß die Elektroden aus mehreren Metallschichten bestehen, wobei die innere Schicht aus Chrom, die äußere Schicht aus einem Edelmetall und wenigstens eine Zwischenschicht aus Kupfer besteht.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material Lithiumtantalat ist.

3. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material Lithiumniobat ist.

4. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht einer jeden Elektrode aus Gold besteht.

5. Resonator, gekennzeichnet durch eine piezoelektrische Platte, die Lithium enthält, und eine an der piezoelektrischen Platte gebildete Elektrode, die eine direkt an der piezoelektrischen Platte gebildete Übergangsmetallschicht aufweist. .

6. Resonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode außerdem eine an der Übergangsmetallschicht gebildete Kupferschicht aufweist.

7. Resonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine übergangsmetallschicht und eine Edelmetallschicht auf der Kupferschicht aufweist.

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. Resonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmetallschicht eine Chromschicht ist.

9. Resonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die piezoelektrische Platte aus einem aus Lithiumniobat und Lithiumtantalat ausgewählten Material besteht.

1Θ. Verfahren zur Herstellung eines Resonators, dadurch gekennzeichnet, daß eine piezoelektrische Platte, die
Lithium enthält, auf 200 bis 300⁰C erhitzt wird, und
daß selektiv eine übergangsmetallschicht auf der piezoelektrischen Platte durch Aufdampfen gebildet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmetallschicht durch eine aus Invar bestehende Metallmaske mit Fenstern gebildet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmetallschicht durch eine Metallmaske mit
Fenstern gebildet wird, und daß die Metallmaske durch eine Platte aus Invar mit Fenstern gehalten wird.

13. Verfahren zur Bildung von Elektroden an gegenüberliegenden Oberflächen einer piezoelektrischen Platte, die Lithium enthält, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Fenster

in einer Maske Chrom aufgedampft wird, die aus einer
dünnen Platte aus einem Material mit einem niedrigen
Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, und daß danach
aufeinanderfolgend Schichten aus Kupfer, Chrom und Gold aufgebracht werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte aus Lithiumtantalat gebildet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Platte aus Lithiumniobat gebildet
wird.

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16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Platte aus Invar die dünne Platte fest gegen die piezoelektrische Platte klemmt, und daß die Invarplatte ein mit dem Fenster der Maske fluchtendes Fenster hat, das etwas größer· als das Fenster der Maske ist.

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