DE2461664A1 - PIEZOELECTRIC SUBSTRATE - Google Patents
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Description
V ATE NTA NWÄLTE ^ 4 b 1664 V AT E NTA NWÄLTE ^ 4b 1664
HENKEL, KERN, FEILER&HÄNZELHENKEL, KERN, FEILER & HÄNZEL
BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UNDBAVARIAN MORTGAGE AND
TELEX: Oj .9 802 HNKL D EDU AR D-SCH MID-STRASSE 2 WF.CHSEl.BANK MÜNCHEN Nr.318-85111TELEX: Oj. 9 802 HNKL D EDU AR D-SCH MID-STRASSE 2 WF.CHSEl.BANK MÜNCHEN Nr.318-85111
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Nihon Dempa Kogyo' Co., Ltd., . ■Nihon Dempa Kogyo 'Co., Ltd.,. ■
Tokio, Japan 2?. Dez. 1974 Tokyo, Japan 2 ?. Dec 1974
Piezoelektrisches SubstratPiezoelectric substrate
Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Substrat für eine elastische Oberflächenwellenvorrichtung, insbesondere ein piezoelektrisches Lithiumniobat-Substrat.The invention relates to a piezoelectric substrate for an elastic surface wave device, in particular a lithium niobate piezoelectric substrate.
Bei einer als Filter oder Verzögerungsleitung im VHF- oder UHF-Bereich verwendeten elastischen Oberflächenwellenvorrichtung bietet ein Einkristall-Lithiumniobat gute Eigenschaften als piezoelektrisches Substrat für die elastische Oberflächenwellenvorrichtung, weil dieser Kristall einen vergleichsweise großen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten bezüglich einer elastischen Oberflächenwelle besitzt. Vorzugsweise wird hierfür eine Plätte mit gedrehtem„Y-Sehnitt benutzt, da diese einen großen elektromechanischen Kopplungskoeffizieten für die Ausbreitung der Rayleigh1sehen elastischen Oberflächenwelle in Richtung der X-Achse besitzt. ■ Eine X-Ausbreitungsplatte mit um 131° gedrehtem Y-Schnitt aus Lithiumniobat (LiNbO.,) besitzt den größten elektromechanischen Kopplungskoeffizieten bzw. -faktor k (k2 = 0,055). Wenn sich jedoch bei einer Platte mit Y-Schnitt die Rayleigh'sehe Welle und die Schubwellenkomponente einerIn an elastic surface wave device used as a filter or delay line in the VHF or UHF range, a single crystal lithium niobate offers good properties as a piezoelectric substrate for the elastic surface wave device because this crystal has a comparatively large electromechanical coupling coefficient with respect to an elastic surface wave. A plate with a rotated “Y-section” is preferably used for this, since it has a large electromechanical coupling coefficient for the propagation of the Rayleigh 1 elastic surface wave in the direction of the X-axis. ■ An X-expansion plate with a Y-section made of lithium niobate (LiNbO.,) Rotated by 131 ° has the largest electromechanical coupling coefficient or factor k (k 2 = 0.055). However, if the Rayleigh wave and the shear wave component of a
Gesamtwelle mit sich einander annähernden Geschwindigkeiten cn .Total wave with approaching velocities cn.
ο ausbreiten, wirkt die Schubwelle als Störkomponente, welcheο spread, the shear wave acts as an interfering component, which
^ die Eigenschaften eines Filters oder einer Verzögerungsleitung stark beeinträchtigt. Beispielsweise hindert \ diese Störkomponente einen Filter daran, eine ausrei- ^3 chende garantierte Dämpfung im Sperrbereich" zu erreichen, J^ und sie verringert außerdem den Rauschabstand in einer Verzögerungsleitung. .^ the properties of a filter or a delay line are severely impaired. For example, \ prevents this noise component a filter from reaching a suffi- ^ 3-reaching guarantee attenuation in the stop band ", J ^ and it also reduces the signal to noise ratio in a delay line..
Aufgabe der Erfindung ist somit die·Schaffung eines piezo-The object of the invention is thus to create a piezo
elektrischen Lithiumniobat-Substrats für eine Elastizitäts-Oberflächeiiwelle, welches die Erzeugung' von Störwellenkomponenten weitgehend zu unterdrücken vermag.electric lithium niobate substrate for a surface elasticity wave, which the generation ' to suppress interference wave components to a large extent able.
Diese Aufgabe wird bei einer X-Ausbreitungs-Lithium- . niobatkristallplatte mit O-gedrehtem Y-Schnitt für eine elastische Oberflächenwelle erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Winkel 0, unter dem die Platte geschnitten ist,, im Bereich von 125,6° bis 130,1° liegt.This task is carried out in the case of an X-propagation lithium. niobat crystal plate with O-rotated Y-cut for an elastic surface wave solved according to the invention by that the angle 0 at which the plate is cut, is in the range of 125.6 ° to 130.1 °.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The following is a preferred embodiment of the Invention explained in more detail with reference to the accompanying drawing. Show it:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung des Winkels, unter welchem ein Substrat aus einem Einkristall-Lithiumniobat ausgeschnitten wird,Fig. 1 is a schematic perspective illustration to illustrate the angle at which a Substrate cut out of a single crystal lithium niobate will,
Fig. 2 eine graphische Darstellung der vom Schnittwinkel abhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schubwelle und der Rayleigh1sehen Welle auf dem gedrehten Y-Schnittsubstrat,FIG. 2 shows a graphic representation of the speed of propagation of the thrust wave and the Rayleigh 1 wave as a function of the cutting angle on the rotated Y-cut substrate, FIG.
Fig.-5A eine in stark vergrößertem Maßstab gehaltene Schnittansicht der iJblicherweise bei einer Oberflächenwellenvorrichtung angewandten, fingerartig ineinandergreifenden bzw. Kammelektroden,Fig. 5A is a sectional view on a greatly enlarged scale that is usually a surface acoustic wave device applied finger-like interlocking or comb electrodes,
Fig. 5B eine schematische Darstellung der Verteilung der durch die Kammelektroden erzeugten elektrischen Kraftlinien und5B shows a schematic representation of the distribution of the lines of force generated by the comb electrodes and
Fig. 4 eine Kennlinie der schnitt- oder drehwinkelabhängigen Eigenschaft der StörkomponentenunterdrUckung bei einer X-Ausbreitungs-Lithiumniobat- kristallplatte mit gedrehtem Y-Schnitt zur Erläuterung der Erfindung. 4 shows a characteristic curve of the property of the interfering component suppression, which is dependent on the cut or angle of rotation, in an X-propagation lithium niobate crystal plate with a rotated Y-cut to explain the invention.
5 09827/07225 09827/0722
Einkristall-Lithiumniobat gehört zu einem trigonalen System mit Dreifach-Rotationsachse, Bei einem solchen Kristall liegt die Z-Achse parallel zur Rotationsachse, während die.Y-Achse, senkrecht zur Z-Achse in einer Spiegelebene verläuft und die X-Achse senkrecht zu den Y- und Z-Achsen, d.h. zur Spiegelebene liegt·. In diesem Fall läßt sich die piezoelektrische Konstantenmatrix nach den IRE-Normen wie folgt ausdrucken:Single crystal lithium niobate belongs to a trigonal System with a triple axis of rotation, with such a crystal the Z axis is parallel to the axis of rotation, while the.Y-axis, perpendicular to the Z-axis in a And the X-axis is perpendicular to the Y- and Z-axes, i.e. to the mirror plane. In this In this case, the piezoelectric constant matrix can be printed out according to the IRE standards as follows:
2222nd
CDCD
Die genannte piezoelektrische Konstantenmatrix dient als Leitlinie zur Peststellung der -Richtung sowie der GrößeThe aforementioned piezoelectric constant matrix serves as Guideline for plaguing the direction as well as the size
einer erzeugten Spannung bzw. Belastung bei Anlegung von elektrischen Feldern E-, E^. und E17 längs der X-, Y- bzw. Z-Achsen. .a generated voltage or load when applying electrical fields E-, E ^. and E 17 along the X, Y and Z axes, respectively. .
Eine kristalline Lithiumniobatplatte 1, deren Hauptfläche 2 gemäß Fig. 1 senkrecht zu einer neuen y-Achse geschnitten ist, welche durch entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgende Drehung der Y-Achse über einen Winkel von Q Grad um die X-Achse herum festgelegt ist (wobei die Z-Achse ebenfalls entgegen dem Uhrzeigersinn über den Winkel von θ Grad um die X-Achse herum verdreht ist), wird als X-Ausbreitungs-Lithiumniobatkristallplatte mit Q-gedrehtem Y-Schnitt bezeichnet. Eine solche gedrehte Y-Schnittplatte besitzt die folgende piezoelektrische Konstantenmatrix:A crystalline Lithiumniobatplatte 1, whose main surface is cut 2 in FIG. 1 perpendicularly to a new y-axis which is defined by the counterclockwise direction taking place rotation of the Y-axis through an angle of Q degrees about the X-axis (the Z-axis is also rotated counterclockwise through the angle of θ degrees around the X-axis), is referred to as X-propagation lithium niobate crystal plate with Q-rotated Y-cut. Such a rotated Y-cut plate has the following piezoelectric constant matrix:
'21'21
3131
'22
532'22
5 32
2323
3333
S16 S 16
(2)(2)
509827/0722509827/0722
Die Geschwindigkeit, mit welcher sich eine Elastizitäts-Oberflächenwelle auf einem elastischen Y-Schnitt-Oberflächenwellensubstrat in X-Richtung ausbreitet, besitzt bekanntlich die in Fig. 2 veranschaulichte Abhängigkeit vom Schnittwinkel ö.The speed at which an elastic surface wave moves on a Y-cut elastic surface wave substrate propagates in the X direction, as is known, has the dependency illustrated in FIG from the cutting angle ö.
In Fig. 2 veranschaulichen die gestrichelte und die ausgezogene Kurve die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Rayleigh' sehen Welle für den Fall, daß die Hauptfläche des piezoelektrischen Substrats mit einer leitenden Schicht überzogen bzw. nicht damit überzogen ist. Im allgemeinen wird ein piezoelektrisches Substrat, bei dem diese Ausbreitungsgeschwindigkeiten weit voneinander abweichen, wegen des großen elektromechanischen Kopplungsfaktors bevorzugt. Fig. zeigt, daß das piezoelektrische Substrat, wenn es unter einem Winkel θ von etwa 131° geschnitten ist, den größtmöglichen Unterschied zwischen den Ausbreitungsgeschwindigkeiten und folglich einen maximalen elektromechanischen Kopplungsfaktor besitzt. Wenn sich der Schnittrinke! & jedoch dem Wert von 131° annähert, wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Rayleigh'sehen Welle gemäß Fig. 2 dicht an diejenige der Schubwelle herangebracht. Infolgedessen wird in diesem Fall auch die Schubwellenkomponente übertragen und als Störkomponente empfangen, wodurch die vorgenannten Schwierigkeiten aufgeworfen werden. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, breitet sich die Schubwelle mit einer vom Schnittwinkel θ unabhängigen Geschwindigkeit aus.In FIG. 2, the dashed and solid curves illustrate the propagation speeds of the Rayleigh wave in the event that the main surface of the piezoelectric substrate is coated with or not coated with a conductive layer. In general, a piezoelectric substrate in which these propagation velocities differ widely is preferred because of the large electromechanical coupling factor. Fig. 3 shows that the piezoelectric substrate, when cut at an angle θ of about 131 °, has the greatest possible difference between the propagation velocities and consequently a maximum electromechanical coupling factor. If the cut drink! & but approaches the value of 131 °, the propagation speed of the Rayleigh's wave according to FIG. 2 is brought close to that of the thrust wave. As a result, in this case, the shear wave component is also transmitted and received as an interfering component, thereby raising the aforementioned difficulties. As can be seen from FIG. 2, the thrust wave propagates at a speed that is independent of the intersection angle θ.
Die Sende- und Empfangselektroden einer elastischen Oberflä-chenwellenvorrichtung bestehen gemäß Fig. 3 A im allgemeinen aus fingerartig ineinandergreifenden bzw. Kammelektroden mit gleichmäßger Überlappungslänge, die auf der Hauptfläche j eines piezoelektrischen gedrehten Y-Schnitt-Substrats ' ausgebildet sind. Die zwischen jeweils einem Paar von positiven und negativen Elektrodenfingern der KammelektrodenThe transmitting and receiving electrodes of an elastic surface wave device consist according to FIG. 3A generally of interdigitated or comb electrodes with a uniform length of overlap which is formed on the main surface j of a piezoelectric rotated Y-cut substrate ' are trained. The one between each pair of positive and negative electrode fingers of the comb electrodes
509827/0722509827/0722
t It I
τ r ιτ r ι
verlaufenden elektrischen Kraftlinien sind dabei gemäß Fig. 5B in halbelliptischer Form verteilt. In den gesamten elektrischen Kraftlinien ist eine elektrische Feldkomponente Ev in x-Richtung, in welcher .die elastische Oberflächenwelle verläuft, mit einer elektrischen Feldkomponente EL· in y-Richtung senkrecht zur Hauptfläche des piezoelektrischen gedrehten Y-Schnitt-Substrats vermischt. In diesem Fall ist keine elektrische .Feldkomponente E2 in z-Richtung vorhanden. Wie aus Formel (2) ersichtlich ist,Electric lines of force extending are distributed in a semi-elliptical shape according to FIG. 5B. In the entire electric lines of force, an electric field component E v in the x-direction, in which the elastic surface wave runs, is mixed with an electric field component EL · in the y-direction perpendicular to the main surface of the piezoelectric rotated Y-cut substrate. In this case there is no electrical field component E 2 in the z direction. As can be seen from formula (2),
werden die Schubwellenkomponenten bzw. Störkomponenten der Schubwelle somit in Abhängigkeit von den piezoelektrischen Konstanten ©pit'* β-jc1 und e^g1 sowie von den elektrischen Feldkomponenten E~, EL· erzeugt.the shear wave components or interfering components of the shear wave are thus generated depending on the piezoelectric constants pit '* β-jc 1 and e ^ g 1 as well as on the electric field components E ~, EL ·.
Mittels erfindungsgemäß durchgeführter Versuche wurde unter Verwendung der Kammelektroden mit gleichmäßiger Überlappungslänge gemäß Fig. ^A die Beziehung zwischen dem Rotations- winkel Q der Y-Achse auf der X-Ausbreitungs-Lithiumniobatkristallplatte mit O-gedrehtem Y-Schnitt und einem Verhältnis zwischen den Störkomponenten und der Rayleigh'sehen Welle untersucht, wobei festgestellt wurde, daß die In Fig. h dargestellte Beziehung besteht. Diese Versuche haben weiterhin gezeigt, daß es dann, wenn die Entstehung von Störkomponenten um mehr als 60 db unterdrückt werden soll, ratsam Ist, den Schnittwinkel 0 auf einen Wert zwischen 127,2° und 128,5° einzustellen wenn die Entstehung von StÖPkomponenten um mehr als 40 db unterdrückt werden soll, empfiehlt sich eine Einstellung des Schnittwinkels 0'auf einen Wert von 125,6° bis 130,1°. Wenn die Kammelektroden auf einer unter einem Winkel 0 von 127,86° geschnittenen kristallinen Lithiumniobatplatte ausgebildet werden, hat es sich weiterhin als möglich erwiesen, ein piezoelektrisches Substrat für elastische Oberflächenwellen zu schaffen, welches die Entstehung von Störkomponenten um mehr als 65 db. zu unterdrücken vermag.By means of experiments carried out according to the invention and using the comb electrodes with a uniform overlap length according to FIG the Rayleigh's wave was examined to find that the relationship shown in Fig. h exists. These tests have also shown that if the generation of interfering components is to be suppressed by more than 60 db, it is advisable to set the intersection angle 0 to a value between 127.2 ° and 128.5 ° if the occurrence of interfering components is around If more than 40 db is to be suppressed, it is advisable to set the cutting angle 0 'to a value of 125.6 ° to 130.1 °. If the comb electrodes are formed on a crystalline lithium niobate plate cut at an angle 0 of 127.86 °, it has also proven possible to create a piezoelectric substrate for elastic surface waves, which reduces the generation of spurious components by more than 65 db. able to suppress.
109827/0722109827/0722
Flg. 2 zeigt, daß das piezoelektrische Lithiumniobat-Substrat, wenn es unter einem Winkel 9 von 125,6 - 130,1° geschnitten ist, praktisch den gleichen elektromechanischen Kopplungsfaktor wie Im Fall eines Schnittwinkels von 0 = 131° besitzen kann, so daß sich eine Elastizitäts-Oberflächenwelle zufriedenstellend in X-Richtung ausbreiten kann.Flg. 2 shows that the lithium niobate piezoelectric substrate, if it is cut at an angle 9 of 125.6 - 130.1 °, practically the same electromechanical Coupling factor as in the case of a cutting angle of 0 = 131 °, so that there is an elastic surface wave can spread satisfactorily in the X direction.
Das erfindungsgemäße piezoelektrische Substrat aus kristallinem Lithlumniobat vermag die Entstehung von Störkomponenten effektiv zu unterdrücken, auch wenn die auf der Hauptfläche des Substrats ausgebildeten, gewöhnlichen Kammelektroden mit gleichmäßger Überlappungslänge durch verschiedene Bewertungselektroden oder kodierte Elektroden ersetzt werden.The inventive piezoelectric substrate made of crystalline Lithlumniobat is able to produce To effectively suppress interfering components even if the ordinary comb electrodes formed on the main surface of the substrate with a uniform overlap length by various evaluation electrodes or coded electrodes are replaced.
S09827/0722S09827 / 0722
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Representative=s name: HENKEL, G., DR.PHIL. FEILER, L., DR.RER.NAT. HAENZ |
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Ipc: H03H 9/145 |
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