DE2631671A1

DE2631671A1 - Vorrichtung fuer elastische oberflaechenwellen

Info

Publication number: DE2631671A1
Application number: DE19762631671
Authority: DE
Inventors: Masao Mashita; Toshihiro Onodera; Shouzo Takeno
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1975-07-14
Filing date: 1976-07-14
Publication date: 1977-02-03
Also published as: US4065734A

Description

PATENTANWÄLTE

HENKEL, KERN, FEILER &HÄNZEL

BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UNE

TELEX: 05 29- 802 BNKE D EDUARD-SCHMID-STRASSE 2 WECHSELBANKMUNCHENNr₁SlS-SSIlI

6 3197 66 3091' - 92 DRESDNER BANK MÜNCHEN 3 914 97!

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Tokyo Shibaura Electric Co., Ltd,
Kawasaki-shi, Japan

UNSER ZEICHEN: MÜNCHEN, DEN ί A J..J,' -JfJ

BETRIFFT:

Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen

Die Erfindung: betrifft eine Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen, insbesondere eine solche, bei der eine spezielle dielektrische Substanz zwischen einem piezoelektrischen Substrat und einer Elektrode angeordnet ist.

Bei einer Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen ist auf einem piezoelektrischen Substrat eine Elektrode angeordnet; in den letzten Jahren erschienen nun zahlreiche Vorschläge und Berichte bezüglich einer solchen Vorrichtung· Seit der Entwicklung dar Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen ist verschiedentlich über die Anwendung einer derartigen Vorrichtung bei einer Biffusionsverzögerungsleitung einer Radaranlage, bei einem Bildzwischenfrequenz- bzw» PIF-PiIter für einen Farbfernsehempfänger use» berichtet worden.

Eine beispielsweise in der US-PS J5 76Ο 299 beschriebene Vorrichtung dieser Art weist einen Film aus einer dielektrischen

- 2

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Substanz (SIO) auf einem piezoelektrischen Substrat aus Lithiumniobat (LINbO-) und eine auf dem Substrat angeordnete sog. Kammelektrode auf.

Bei dieser Vorrichtung: für elastische Oberflächenwellen, bei welcher die Dielektrizitätskonstante des piezoelektrischen Substrats hoch Ist, beispielsweise höher als mehrere hundert Einheiten,und auch die Arbeitsfrequenz hoch liegt, z.B. bei einem Mehrfachen von 10 MHz, haben Versuche ergeben, daß in der Nähe einer bestimmten Dicke des dielektrischen Films die elektromechanische Ankopplung schnell abfällt, wodurch die Ausbreitung der elastischen Oberflächenwelle unterbrochen wird, so daß die Feststellung oder Abnahme der elastischen Oberflächenwellenslgnale unmöglich wird.

Wenn etwa bei Anwendung einer Frequenz von z.B. βθ MHz ein Film bzw· eine Schicht aus SIO oder SlO₀ mit einer Dicke von -Pe (mit λ= die Wellenlänge der sich bei Betriebs frequenz durch ein Medium ausbreitenden elastischen Oberflächenwelle), d.h. 2 iim, bis r£r, d.h. 1 /im, und mit einer Dielektrizitätskonstante β = 4 auf ein piezoelektrisches LINbO-^-Substrat aufgedampft ist, und ein Wandler in Form von fingerartig verschachtelten, sog. Kammelektroden als Eingangs- und Äusgangselektrode zur Vervollständigung der Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen vorgesehen 1st, kann die elastische Oberflächenwelle an der Ausgangselektrode nicht abgegriffen werden. Für die Verwendung in einem Farbfernsehempfänger muß eine solche Vorrichtung ausgezeichnete Temperatur(beständigkeits)eigenschaften besitzen, weil die Temperatur eines solchen Empfängers im Sommer und im Winter großen Schwankungen unterworfen Ist» Die Temperatureigenschaft des piezoelektrischen LINbO^-Substrats Ist ,Jedoch sehr schlecht,, d.h., sie liegt z.B., bei. 8θ; ppm., Bei Verwendung einer solchen Vorrichtung In einem Farbfernsehempfänger verschiebt sich daher die Mittenfrequenz: des Bildzwischenfrequenzfliters infolge· der Schwankung; der Umgebungstemperatur* .

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Vorrichtung •für elastische Oberflächenwellen, die ausgezeichnete Temperatur-(beständigkeits)eigenschaften sowie ausgezeichnete Feuchtigkeitsbeständigkeit besitzt und bei welcher die Eingang-Ausgangsimpedanz erhöht ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen, bestehend aus einem piezoelektrischen Substrat mit einer Dielektrizitätskonstante βρ, einem auf dem piezoelektrischen Substrat ausgebildeten dielektrischen Film mit einer Dicke h und einer Dielektrizitätskonstante £.. sowie einem auf dem dielektrischen Film ausgebildeten Eingang-Ausgangswandler, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten g-L des piezoelektrischen Substrats und des dielektrischen Films sowie eine der Dicke des dielektrischen Films proportionale Funktion -χ~ ο h so gewählt sind, daß sie einer Bedingung genügen, die in einem durch Koordinationspunkte P(~ = A, ~*.h = 0,1), Q(^l = A, ²^. h = 0,00016),

H-A = -Απ, Ir-h = 0,0004) und Sfe^· = τ~, ~^· h = 0,0006)

to 5UU ^ to pUU /ν

■ - c. c.

umgrenzten, kegelstumpfförmigen Bereich einer graphischen Darstellung festgelegt ist, in welcher das VerhältnisJL auf der

Ordinate und die Funktion 4? · h auf der Abszisse aufgetragen sind, wober"die Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle bei Fehlen des dielektrischen Films bedeutet. Hierbei ergibt sich durch Anregung der elastischen Oberflächenwelle eine praktisch vorteilhafte Vorrichtung, bei der nicht nur die Eingang-Ausgangsimpedanz erhöht ist, sondern die auch ausgezeichnete Temperatur- und Feuchtigkeitsbeständigkeit besitzt.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1A und 1B eine perspektivische Darstellung bzw, eine Seitenansicht zur schematischen Veranschaulichung einer Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Äquivalentschaltbild eines bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendeten Wandlers.,

Fig. 3A eine schematische Darstellung der Verteilung eines dem Wandler aufgeprägten elektrischen Felds,

Fig. 5B ein Ä'quivalentschaltbild der Vorrichtung gemäß Fig« J5A,

Fig. H- eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke des dielektrischen Films und dem Abnahmegrad der elektrostatischen Kapazität bei der ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke des dielektrischen Films und der Schwankung des Koppelfaktors bei der ersten Ausführungsform,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke des dielektrischen Films und dem Zunahmegrad des Strahlungswider stands bei der ersten Ausfilhrungsform,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke des dielektrischen Films und dem Verhältnis

— der Dielektrizitätskonstanten bei der ersten Aus-

führungsform, wobei 6₁ und E₂ die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Substanz bzw„ des piezoelektrischen Substrats bedeuten^

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Besiehimg zwischen der Dicke des dielektrischen Films und dem Zunahmegrad der

Strahlungsbeständigkeit sowie dem Abnahmegrad der elektrostatischen Kapazität bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Figo 9 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke des dielektrischen Films und dem Koppelfaktor bei der zweiten Ausführungsform,

Fig. 10 und 11 Spannung-Strom-Kennlinien während der Intervalle M bzw· N bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 12 eine graphische Darstellung, in welcher die Spannung-Strom-Kennlinien von Fig. 10 und 11 in Zeit-Strom-Kennlinien umgesetzt sind,

Fig. 13 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke des dielektrischen Films und dem Koppelfaktor, dem Zunahmegrad oder -geschwindigkeit des Strahlungswiderstands bzw. dem Abnahmegrad der elektrostatischen Kapazität bei der dritten Ausführungsform und

Fig. 14· eine graphische Darstellung der Spannung-Strom-Kennlinie der dritten Ausführungsform.

Die in den Fig. 1A und 1B dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 10 für elastische Oberflächenwellen besteht aus einem piezoelektrischen Substrat 11 mit hoher Dielektrizitätskonstante, einem dielektrischen Film bzw. einer dielektrischen Schicht mit einer niedrigeren Dielektrizitätskonstante als derjenigen des Substrats sowie einer Dicke h auf der Oberfläche des Substrats 11 und einem Wandler in Form einer auf dem dielektrischen Film ausgebildeten Eingangselektrode I5 und einer damit fingerartig verschachtelten Ausgangselektrode 14.

09885/Ü3

Wenn der elektroraechanische Koppelfaktor zwischen dem piezoelektrischen Substrat 11 und dem Wandler 1j5, 14 der Vorrichtung 10 mit K ausgedrückt wird, läßt sich die durch die Einfügung des dielektrischen Films 12 zwischen das piezoelektrische Substrat und den Wandler hervorgerufene Einfügungsdämpfung L₁ durch folgende Gleichung ausdrücken:

(1)

Wenn daher der Koppelfaktor K zu klein ist, nimmt die Einfügungsdämpfung Lj zu, mit dem Ergebnis, daß der Umwandlungswirkungsgrad des Wandlers zwischen elektrischer und mechanischer Energie abnimmt. Im Extremfall wird es dabei unmöglich, die durch den Wandler umgewandelten Signale abzugreifen.

Fig. 2 veranschaulicht ein Äquivalentschaltbild des Wandlers, d.h.· der fingerartig verschachtelten bzw, Kamm-Eingangselektrode 1j5 gemäß Fig. 1· Wenn die elektrostatische Kapazität der Kamm-Eingangselektrode 13 mit C_ bezeichnet wird, läßt sich der Strahlungswiderstand Ra durch folgende Gleichung ausdrucken:

RaOC—1—* (2)

Fig. J3A veranschaulicht eine elektrische Feldverteilung der Vorrichtung 10 bei Vorhandensein des dielektrischen Films 12, und Fig, 3B ist ein Äquivalentschaltbild der Vorrichtung gemäß Fig, JA. In Fig. JA bedeuten E₁ das über den dielektrischen Film 12 angelegte elektrische Feld, E₂ das über den dielektrischen Film 12, daspißzolektrische Substrat 11 und den dielektrischen Film 12 anliegende elektrische Feld sowie E, das elektrische Feld über den dielektrischen Film 12 und das piezoelektrische Substrat 11.

£09885/0332

Wenn die elektrostatischai Kapazitäten der Elektroden 1j5, 14 mit C^, Cp und C, bezeichnet werden, läßt sich die elektrostatische Kapazität C-, gemäß Fig. 2, wenn diese elektrischen Felder anliegen, durch folgende Gleichung ausdrücken:

worin C., C₂ und C, die durch die elektrischen Felder E₁, E₂ bzw. E-, erzeugten elektrostatischen Kapazitäten der Elektrode bedeuten.

Wenn die dielektrischen Konstanten der Beziehung £_o >£, genügen,

Cp ^d '

wird C₁ im allgemeinen etwa gleich -r^ gewählt, so daß C_T< C₂ gilt. Die resultierende elektrostatische Kapazität C™ ist also bei Vorhandensein des dielektrischen Films kleiner als dann, wenn kein dielektrischer Film vorgesehen ist.

Die elektrostatische Kapazität C₁-, der Strahlungswiderstand R und der elektromechanische Koppelfaktor K sind Funktionen der Dielektrizitätskonstante £-₂ des piezoelektrischen Substrats 11, der Dielektrizitätskonstante C₁ des dielektrischen Films 12 und der Dicke h des dielektrischen Films 12.

Wie im folgenden anhand der nachstehend zu beschreibenden Aus» führungsforraen erläutert werden wird, wurden erfindungsgemäß verschiedene Bedingungen ermittelt, unter denen betriebsfähige Vorrichtungen für elastische Oberflächenwellen erhalten werden«,

Ausführungsform 1

Zur Erzielung einer betriebsfähigen Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Beziehung zwischen der Dielektrizitätskonstante Cg des piezoelektrischen Substrats, der Dielektrizitätskonstante £.. des

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dielektrischen Films und der Dicke h des dielektrischen Films auf einen vorbestimmten Bereich festgelegt.

Bei der Konstruktion gemäß Fig· 1 sind Lithiumniobat (LiNb(X) und Keramik als piezoelektrisches Substrat 11 gewählt; während SiO, SiO₂, ZrO₂ und TiO₂ als dielektrischer Film 12 verwendet werden, wobei verschiedene Kombinationen der Werkstoffe für das piezoelektrische Substrat 11 und den dielektrischen Film 12 angewandt werden· Weiterhin ist ein Wandler in Form von fingerartig verschachtelten bzw. Kamm-Eingangs- und -Ausgangselektroden 15 bzw. 1²I- vorgesehen» Der dielektrische Film 12 ist auf dem piezoelektrischen Substrat 11 beispielsweise durch Aufdampfen ausgebildet· Der Wandler wird dadurch ausgebildet, daß Aluminium beispielsweise auf die Gesamtfläche des dielektrischen Films 12 aufgedampft und die aufgedampfte Schicht einer Photoätzung unterworfen wird, um ein vorbestimmtes Kammelektrodenmuster (13 und 14 gemäß Fig· 1) zu bilden. Die Beziehung zwischen der Dicke h des dielektrischen Films verschiedener, auf die eben beschrie-

p bene Weise hergestellter Vorrichtungen und dem Koppelfaktor K , dem Strahlungswiderstand Ra sowie der elektrostatischen Kapazität Cm, ausgedrückt durch Gleichungen (1), (2) und (J), wurde untersucht, wobei sich die Kennlinien gemäß 'Fig. 4, "5 und 6 ergaben· Bei einer angewandten Frequenz von 60 MHz wurden die einzelnen Kennlinien unter Verwendung des Verhältnisses der Di-

elektrizitätskonstanten ■—■ als Parameter festgelegt. Die ge-

nannten Figuren zeigen die Kennlinien für den Fall, daß das Ver-

^i 1 1
hältnis — gleich -rr bzw_e ^ππ beträgt. Fig_e 4 veranschaulicht

die Kennlinien für die Abnahmerate der elektrostatischen Kapa-

⁰T
zität Tr=· für den Fall, daß die Dicke des dielektrischen Films

ß · h beträgt, wobei C^ die elektrostatische Kapazität bei Verwendung eines dielektrischen Films und C_Q die gleiche Kapazität bei NichtVerwendung des dielektrischen Films angeben» Wie aus diesen Kurven hervorgeht, nimmt die elektrostatische Kapazität

mit zunehmender Filmdicke ^ »h ab_e Außerdem nimmt die elektrostatische Kapazität mit sich vergrößerndem Parameter -sX ab₀

2 Pig, 5- veranschaulicht eine Änderung des Koppelfaktors bei zu«- nehmender Pilmdicke ^-_oh_o Die ausgezogene Linie gilt dabei für die Verwendung eines piezoelektrischen Substrats aus Keramikmaterial _f während die gestrichelte Linie für ein piezoelektrisches Substrat aus LiNbO-, gilto Zum Vergleich ist auch der

2 2

Koppelfaktor K eines aus Quarz bestehenden piezoelektrischen Elements angegeben. Wie aus Fig» 5 hervorgeht/ ist der Koppelfaktor K im Fall des Keramikmaterials kleiner als im Fall des LiNbO-,Φ Der Koppelfaktor für Quarz ist weiterhin kleiner als der vom Keramikmaterialβ Der Koppelfaktor nimmt mit zunehmender Film«

dicke ab, wobei der Koppelfaktor K bei zunehmendem Parameter

* stark abfällt«

Fig· 6 veranschaulicht Kennlinien des Zunahmegrads des Strahlungswiderstands τ~- bei zunehmender Filmdicke -^h* wobei

R den Strahlungswiderstand bei NichtVorhandensein eines dia

elektrischen Films auf dem Substrat und R_aQ den Strahlungswiderstand bei Vorhandensein des dielektrischen Films angibt. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, nimmt der Strahlungswiderstand mit der Filmdicke zu, während er sich bei kleinem Parameter

ε-ι ^ει ι

-^- stark vergrößert. Infolgedessen wird bei ^- - rr^, wenn der aufgedampfte Film eine Dicke von 1 bis 2 um besitzt, der Koppel-

2 '

faktor K außerordentlich klein, so daß es unmöglich wird, eine Oberflächenwelle abzunehmen bzw. zu empfangen.

Anhand des vorstehend beschriebenen Ergebnisses wurde eine graphische Darstellung gemäß Fig. 7 angefertigt, bei welcher der Anregungsbereich der Oberflächenwelle durch die Beziehung zwi-

6i sehen dem Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten — und der

^fc2

Dicke des dielektrischen Films ²Ah bestimmt wird. In Fig. 7

Aj

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sind auf der Abszisse die Filmdicke ^h und auf der Ordinate das Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten ~ aufgetragen.

^2 Erfindungsgemäß hat es sich herausgestellt, daß der durch die Punkte V₉ Q,_s R und S umrissene^ kegel stumpf förmige Bereich einen Effektivbereich darstellt,, in welchem eine Anregung der Oberflächenwelle möglich Ist«, Gemäß Figo 7 ist in einem Bereich 72 an der rechten Seite einer gekrümmten Zone 71 (Abschnitt der waagerechten Linien) der Koppelfaktor K äußerst klein_s so daß in diesem Bereich die Übertragung und der Empfang der Oberflächenwelle unmöglich sind,, was' bedeutete daß die Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen in diesem Bereich nicht betriebsfähig istο In dem an der linken Seite der gekrümmten Zone 71 befindlichen Bereich 73 ist dagegen eine zufriedenstellende Anregung der Oberflächenwellenvorrichtung möglich,, so daß auch der Empfang bzw, die Abnahme der Oberflächenwelle möglich ist.

Dies gilt beispielsweise für eine Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen, bei welcher eine Elektrode auf einem piezoelektrischen Substrat aus LiNbO-, mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von J>Q bis 40 über einem dielektrischen Film aus Siliziummonoxid (SiO) mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 3*5 bis 4,6 angebracht ist, wenn die Dicke des dielektrischen Films 1 und 2 yum bzw· Mikron beträgt. Die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten und der Dicke des dielektrischen Films ist in Fig. 7 durch den Punkt a bezeichnet· Da dieser Punkt a im rechten Bereich 72 liegt, ist es unmöglich, die elastische Oberflächenwelle abzunehmen. Die angewandte Frequenz beträgt hierbei 60 MHz.

Bei Ausbildung eines dielektrischen Films aus Siliziumdioxid (SiO₀) mit einer Dielektrizitätskonstante von 3*5 bis 4,6 und

O-i

einer Dicke von 1000 A ( K) auf einem piezoelektrischen Substrat aus Keramikmaterial, z.B. /PbTiO^ + PbZrO., + Pb(Cd-W)O, + Mn0o7* mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 700 bis 800 ergibt sich das Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten,

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wie durch den Punkt b in Fig. 7 angedeutet. Dieser Punkt liegt im.rechten Bereich 72, so daß sich die Oberflächenwelle nicht ausbreitet, auch wenn ein Signal mit einer Frequenz von 60 MHz an die Vorrichtung angelegt wird.

Bei einer Oberflächenwellenvorrichtung, bei welcher die Kammelektrode auf einem Keramiksubstrat mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 700 bis 800 über einen aus Titandioxid (TiO₂) bestehenden dielektrischen Film mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 4o bis 50 ausgebildet wird, wobei die Dicke des dielektrischen Films entsprechend 300 A 700 X (7^50*,), 1000 A (ττ^ολ), 1500 X (^ λ), 3000 R (TfJo λ) bzw. 4000 A ("Tq-o ^) gewählt wird, lassen sich die Verhältnisse der Dielektrizitätskonstanten durch die Punkte c, d, e, f, g bzw* i wiedergeben. Die Verhältnisse der Eingangs-Ausgangsimpedanzen dieser Vorrichtung sowie einer nicht mit dem dielektrischen Film versehenen Vorrichtung (bei welcher die Elektroden unmittelbar auf dem Keramiksubstrat ausgebildet sind) betragen 1,1 für einen Film mit 300 R Dicke, 1,2 für einen 700 R dicken Film, 1,8 für einen 1000 R dicken Film, 5,8 für einen 15ΟΟ R dicken Film und 39 für einen Film mit 3OOO A Dicke. Die elektrostatische Kapazität für eine Filmdicke von 1000 A verringert

sich auf -s—57 derjenigen einer Vorrichtung, die nicht mit dem ι ,0 2

dielektrischen Film versehen ist, während der Koppelfaktor K auf ~£ abfällt.

Bei einer anderen Oberflächenwellenvorrichtung, bei der ein dielektrischer Film aus SiOp mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 3,5 bis 4,6 auf einem Keramiksubstrat ausgebildet wird, das eine relative Dielektrizitätskonstante von 700 bis besitzt, wobei die Filmdicke von 50 A auf 100 A und 300 A variiert wird, werden die durch die Punkte k, 1 und m bezeichneten Verhältnisse der Dielektrizitätskonstanten erhalten.

bei
Ebenso wie/den vorstehend beschriebenen Vorrichtungen kann bei

5706

dieser Vorrichtung eine zufriedenstellende Ausbreitung der Oberflächenwelle auftreten, während die Eingang-Ausgangsimpedanz verringert wird. Bei einem dielektrischen Film mit einer Dicke von 50 Ä (h) erhöht sich die Eingang-Ausgangsimpedanz um einen Faktor "von 1,1 im Vergleich zu derjenigen bei einer nicht mit dem dielektrischen Film versehenen Vorrichtung bzw, um 3,0 bei einer Filmdicke von 100 A ( %) und 14,0 bei einer Filmdicke von 300 A

Für eine weitere Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen, bei welcher eine Eingang-Ausgangselektrode auf einem dielektrischen SiOp-FiIm mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 3,6 bis 4,6 und auf einem piezoelektrischen LiNbO^-Substrat mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 30*0 bis 40,0 ausgebildet wird, wobei die Dicke des dielektrischen Films gleich 500 R (twöö*¹) ^bzw· ²⁰⁰⁰ ^ ^2ϋϋ^λ) beträgt, läßt sich die Beziehung zwischen den Verhältnissen der relativen Dielektrizitätskonstanten und der Dicke des dielektrischen Films durch die Punkte η bzw. ο bezeichnen. Wie in den vorher beschriebenen Fällen werden hierbei bei einer Filmdicke von 500 A die elektro-

1 1

statische Kapazität auf -yjr und der Koppelfaktor auf ■£ verringert, während sich die Eingang-Ausgangsimpedanz um den Faktor 1,1 erhöht. Bei einer Filmdicke von 2000 A vergrößert sich die Eingang-Ausgangsimpedanz um den Faktor 20.

Obgleich bei der beschriebenen Ausführungsform LiNbO., sowie piezoelektrische Keramikmaterialien für die Herstellung des Substrats verwendet wurden, lassen sich andere Stoffe, z.B. Quarz mit einer Dielektrizitätskonstante von 4 und LiTaO, mit einer Dielektrizitätskonstante von 30 bis 40, ebenfalls verwenden. Ebenso kann der dielektrische Film aus Ta₂Oj= mit einer Dielektrizitätskonstante von 20, ZrO₂ (ε=4θ), Al₂O₂ (€= 10 - 12), BeO (6= 2 - 6), Cr₂O₅ (£= 9,2), Ni₃O₃ (6= 8,8), ZnO (£ =8 - 18), Y₂O (e ='14) oder PbO₂ (£'= 26) bestehen.

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Durch entsprechende Kombination dieser dielektrischen Materialien und der piezoelektrischen Materialien kann somit die Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen so ausgebildet werden, daß ihre Eigenschaften in einem kegelstumpfförmigen Bereich P, Q, R, S gemäß Fig. 7 liegen·

Fig. 7 ist im folgenden qualitativ beschrieben. Es sei angenommen, daß eine Kombination von piezoelektrischen und dielektrisehen Materialien mit einem Verhältnis ~ von etwa 1,0 gewählt

^&2 wird. Zur Vergrößerung des Strahlungswiderstands Ra ist es dabei nötig, die Dicke des dielektrischen Films gemäß Fig. β zu vergrößern. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, wird jedoch bei einer zu großen Filmdicke der Koppelfaktor K der Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen verringert, und wenn die Filmdicke einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt (nämlich einen Wert im Bereich rechts der gekrümmten Zone 7Ό> wird die Vorrichtung nicht mehr betriebsfähig.

Bei Auswahl einer Materialkombination, bei der das Verhältnis ~ verkleinert wird, ist es einfach, den Strahlungswiderstand gemäß

Otts

Fig. β zu vergrößern, doch sofern die Filmdicke ^«h nicht gemäß Fig.'5 außerordentlich stark verkleinert wird, fällt der Koppelfaktor K schnell ab, so daß diese Vorrichtung unwirksam wird. Obgleich aus diesem Grund die Verwendung dünner dielektrischer Filme vorteilhaft ist, läßt sich das Aufdampfen dieser dünnen Filme nur schwierig steuern. Beispielsweise ist bei einer Dicke von 5000 S (Dicke des piezoelektrischen Substrats) ±500 R (Dicke des dielektrischen Films) diese Steuerung einfach, während sie im Fall von 50 K ±50 j? äußerst schwierig ist.

^e1 Der Bereich, in welchem das Verhältnis ~ etwa 1 beträgt und

die Filmdicke klein ist, ist ein nutzlos-er Bereich, in welchem der Strahlungswiderstand Ra nicht nennenswert schwankt und es unmöglich ist, die Impedanz gemäß Fig. 6 zu erhöhen.

609885/

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß der kegelstumpfförmige Bereich, der durch die Punkte

^. 0.00016). h(|. ^.

^•h = 0,0004) und S(|l = ^, ψ* = °'^ΟΟβ) ™^rissen ^d, derjenige Bereich istiJnwaL ehern diese Vorrichtung die Ausbreitung der Oberflächenwelle zuläßt. Vorzugsweise wird das Verhältnis der

Dielektrizitätskonstanten ·*— der dielektrischen Substanz zum

^fc2
piezoelektrischen Substrat und der Dicke h des dielektrischen Films innerhalb eines Bereichs PQRS gewählt, d.h. innerhalb eines Parallelepipeds, das durch Verbindung der Punkte - Ψ f'^h ■ °'¹ >' ^{Ql (}| - Ψ f-^h = °'^oo6>' ^Rft = 3ÄB»

^h = 0,0004) und S(eA = —r, %&h = Ο,Οβ umrissen wird. Eine

praktisch brauchbare Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen kann erhalten werden, wenn der durch das vorgenannte Parallelepiped PQRS aufgestellten Bedingung genügt wird. Vorteilhafterweise werden die Dicken des piezoelektrischen Substrats und des dielektrischen Films sowie die Frequenz in einem Bereich gewählt, der durch die Punkte T(|i = r~,

umrissen wird.

In der vorstehenden Beschreibung ist die Beziehung zwischen dem

^ε1 Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten -^- und der Filmdicke

klargestellt worden, bei welcher die Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen betriebsfähig wird. Es wurde dabei belegt, daß die Eingang-Ausgangsimpedanz der Vorrichtung durch Verkleinerung des Verhältnisses -^- vergrößert werden kann, nämlich durch

Verwendung eines dielektrischen Films mit einer kleineren Di-

elektrizitätskonstante als derjenigen des piezoelektrischen -Substrats, Dabei muß jedoch die Dicke des dielektrischen Films entsprechend vergrößert werden.

Wenn beispielsweise Keramik mit einer Dielektrizitätskonstante von 800,0 aus Gründen der niedrigen Kosten und im Hinblick auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Material zur Herstellung des piezoelektrischen Substrats verwendet und der dielektrische Film aus SiO₂ (£ = 4) gebildet wird, ist die Vorrichtung unwirksam, sofern nicht die, Filmdicke auf unter 100 8

eine

verringert wird. Dies bedeutet, daß/Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen erst bei einer Filmdicke von unter 100 Ä betriebsfähig wird. Infolgedessen eignet sich die Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform nicht für die Massenfertigung, da es schwierig ist, dielektrische Filme mit geringer und gleichmäßiger Dicke herzustellen. Die nachstehend beschriebene Ausführungsform 2 offenbart dagegen eine verbesserte Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen, bei welcher die Dicke des dielektrischen Films sowie die Eingang-Ausgangsimpedanz vergrößert werden können und die eine verbesserte Temperaturbeständigkeit besitzt.

Erfindungsgemäß hat es sich herausgestellt, daß die Temperatur-(beständigkeits)eigenschaft und der elektrische Signal-Oberflächenwellen-Umwandlungswirkungsgrad dadurch verbessert werden können, daß Keramikmaterialien als piezoelektrisches Substrat für die Oberflächenwellenvorrichtung verwendet werden. Da jedoch die dielektrische Konstante von Keramikmaterialien im Vergleich zu LiNbO, sehr groß ist (etwa das 1,75-fache) und die Eingang-Ausgangsimpedanz· zu niedrig ist, ist es bei Verwendung einer Oberflächenwellenvoirichtung mit einem aus Keramik bestehenden piezoelektrischen Substrat in einem Farbfernsehschaltkreis unmöglich, die Impedanzen von Eingangs- und Ausgangskreis anzupassen. Versuche haben jedoch gezeigt, daß die Impedanz dadurch erhöht werden kann, daß auf dem piezoelektrischen Keramik-

60988S/Q832

- ιβ -

substrat ein dielektrischer Film mit einer vorbestimmten Dicke vorgesehen wird.

Ausführungsform 2

Bei dieser Ausführungsform wurde ein dielektrischer TiOp-FiIm mit einer Dicke von 0,00016 bis 0,047 % zwischen das piezoelektrische Keramiksubstrat und die Kammelektroden der Oberflächenwellenvorrichtung eingefügt.

Genauer gesagt, wurde gemäß Fig. 1 ein dielektrischer TiOp-FiIm

12 mit der eben angegebenen Dicke durch Aufdampfen auf einem piezoelektrischen Substrat 11 mit einer Dicke von 0,7 mm ausgebildet, und eine Kammelektrode in Form einer Eingangselektrode

13 und einer damit fingerartig verschachtelten, gegenüberliegenden Ausgangselektrode 14 wurde als Wandler ausgebildet· Der TiOg-FiIm 12 kann sich dabei zwischen den gegenüberliegenden Abschnitten der Eingangs- und Ausgangselektroden 13 bzw· 14 oder Abschnitten derselben befinden. Die Dicke des Films 12 braucht nicht gleichmäßig zu sein, sondern kann abgestuft sein·

Fig. 4 veranschaulicht für eine Variation des TiOp-Films den

Crp

Grad der Abnahme der elektrostatischen Kapazität τ?=· und den

⁰O

R_a Grad der Zunahme des Strahlungswiderstands «—- der Oberflächenwellenvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform, wobei C_Q die elektrostatische Kapazität der Elektroden bei Nichtvorhandensein des Ti0_o-Films, R„ den Strahlungswiderstand bei Vorhanden-

d. a

sein des TiOp-Films und Rao den Strahlungswiderstand bei Nichtvorhandensein des TiOg-Films angeben.

Die graphische Darstellung von Fig. 8 veranschaulicht den Verkleinerungsgrad der elektrostatischen Kapazität sowie den Erhöhungsgrad des Strahlungswider Stands in Abhängigkeit von der Filmdicke ^rj^h· Wie aus Fig, 8 hervorgeht, verringert sich die elektrostatische Kapazität bei einem TiO₂-FiIm mit einer Dicke

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von 1000 A (tj^jq-O auf etwa 5²^ des Werts bei Nicht Vorhanden sein des TiO₂-FiImS, Andererseits erhöht sich dabei der Strahlungswider stand um einen Paktor vonetwa 3.

Ebenso zeigt Pig, 9 die Kennlinie des elektromechanischen Koppelfaktors K bei Änderung der Dicke des TiO₉-PiImS, Zum Ver-

gleich ist dabei auch der Koppelfaktor K einer an sich bekannten Vonichtung für elastische Oberflächenwellen mit einer Kammelektrode, die auf einem piezoelektrischen Substrat aus einer ST-Schnitt-Quarzplatte ausgebildet ist, durch eine strichpunktierte Linie angegeben, während der Koppelfaktor einer Vorrichtung mit einem piezoelektrischen LiNbO-,-Substrat durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Der Schnittpunkt zwischen der Kurve für den Koppelfaktor der Quarzplatte und der entsprechenden Kurve für das Keramiksubstrat gemäß Ausführungsform 2 ist durch den Punkt A bezeichnet. Dieser Punkt gibt eine mit einem TiOp-FiIm einer Dicke von ^.versehene Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen an. Von diesen Punkt an beginnt die elektromagnetische Ankopplung der Vorrichtung anzusteigen, während die durch die Oberflächenwelle hervorgerufene Verschlechterung des Prequenzgangs einsetzt. Aus diesem Grund ist es zur Gewährleistung einer praktisch brauchbaren Oberflächenwellenvorrichtung erforderlich, die Dicke des Ti0_o-Films auf etwa rpr (O,O47 ^) zu begrenzen. Wenn die Dicke des TiOg-Films diesen Grenzwert Übersteigt, verschlechtert sich der Frequenzgang der Vorrichtung aus den eben beschriebenen Gründen erheblich, so daß die Vorrichtung unbrauchbar wird.

Wenn auf beschriebene Weise ein Wandler auf einem keramischen piezoelektrischen Substrat unter Zwischenfügung eines TiOp-Films ausgebildet wird, können Eingangs- und Ausgangsimpedanz dadurch verringert werden, daß die Dicke des dielektrischen TiOp-Films auf einen Bereich von 0,00016λbis Ο,θ47λ eingestellt wird. Wie insbesondere aus Fig. 8 hervorgeht, werden Eingangs- und

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Ausgangsimpedanz im Vergleich zur bisher verwendeten Vorrichtung um etwa das Dreifache (am Punkt D in Fig. 8) vergrößert, wenn die Dicke des Ti0_o-Films 1000 R (tJ—) beträgt, während bei einer

RO O ^vU

Dicke von A (Ο,Οβλ/) eine etwa achtfache Vergrößerung (Punkt F in Fig. 8} erreicht wird. Obgleich in Fig. 8 nicht näher dargestellt, steigen Eingangs- und Ausgangsimpedanz in Form einer steilen Kurve stark an, weil sich der Zunahmegrad des Strahlungswiderstands stark vergrößert. Beispielsweise besitzt eine bisher verwendete Oberflachenwellenvorrichtung unter Verwendung eines piezoelektrischen Keramiksubstrats eine Eingangsimpedanz von etwa 25 Ohm und eine Ausgangsimpedanz von etwa 150 Ohm. Für die Verwendung dieser Oberflachenwellenvorrichtung bei einem Farbfernsehempfänger muß jedoch die Eingangsimpedanz etwa 200 Ohm und die Ausgangsimpedanz etwa 20 Kiloohm betragen, um an Eingangs- und Ausgangsschaltkreise angepaßt zu sein. Infolgedessen kann die bisher verwendete Oberflachenwellenvorrichtung unter Verwendung eines piezoelektrischen Keramiksubstrats nicht bei einem Farbfernsehempfänger verwendet werden, während die Oberflachenwellenvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform dagegen zufriedenstellend angewandt werden kann.

Es hat sich herausgestellt, daß Eingangs- und Ausgangsimpedanz nicht ansteigen, wenn die Dicke des TiOp-Films weniger als 0,00016 λ beträgt. Wie zudem vorher erwähnt, verschlechtert sich der Frequenzgang dann, wenn die Filmdicke O,o47Ä*übersteigt, in einem Ausmaß, daß die Vorrichtung praktisch nicht mehr brauchbar ist. Wenn daher im Hinblick auf die oben genannten Gründe die Dicke des TiOp-Films der Oberflachenwellenvorrichtung auf einen Bereich von 0,00016 λ bis Ο,θ47λ» festgelegt wird, ist eine Ausbreitung der elastischen Oberflächenwelle möglich. Außerdem werden dabei die Temperaturbeständigkeit verbessert und Eingangsund Ausgangsimpedanz erhöht.

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Ausführungsform 3

Es hat sich herausgestellt, daß die Feuchtigkeitsbeständigkeit der im Zusammenhang mit Ausführungsform 2 beschriebenen Oberflächenwellenvorrichtung unter Verwendung eines dielektrischen TiOg-Films sowie der Vorrichtung gemäß US-PS 3 706 299 unter Verwendung eines SiOg-Dielektrikums mangelhaft 1st.

Beispielsweise besitzt eine Von&chtung für elastische Oberflächenwellen aus einem piezoelektrischen Keramiksübstrat mit einer Dielektrizitätskonstante von 800, einem dielektrischen Film mit einer dielektrischen Konstante von ^O und einer Dicke von 2000 S (jSSo ^' welcher die Gesamtoberfläche des Substrats überliegt, und eineiri Kammelektroden-Wandler mit 90 Elektrodenpaaren jeweils einer öffnungs- bzw. Aperturlänge von 1 mm, einer Elektrodenbreite von 8 Mikron und einem Elektrodenabstand von 8 Mikron, der bei einer Frequenz von 60 MHz arbeitet, eine Strahlungsimpedanz von 250 Ohm. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 70% nimmt jedoch der Strahlungswiderstand auf 170 0hm ab. Die Fig. 10 und 11 veranschaulichen die Spannung-Strom-Kennlinie dieser Vorrichtung unter Heranziehung der Temperatur als Parameter. Anhand dieser Figuren läßt sich die Strom-Zeit-Kennlinie gemäß Fig. 12 ableiten. Dabei entspricht Fig. 10 dem Punkt M von Fig. 12, während Fig. 11 dem Punkt K gemäß Fig. 12 entspricht. Wenn den gegenüberliegenden Elektroden eine konstante Spannung von 20 V aufgeprägt wird, fließt anfänglich kein Strom,während der Stromfluß im Zeitablauf allmählich ansteigt. Außerdem ist aus Fig. 10 ersichtlich, daß die Stromanstiegsrate mit zunehmender Temperatur ansteigt. Fig. 10 veranschaulicht den maximalen Stromfluß der Vorrichtung bei Raumtemperatur (RT),50⁰C und 100⁰C. Der Stromfluß verringert sich mit-der Zeit, und bei 100°C hört der Stromfluß nach 5 Minuten auf. Aus Fig. 11 ist ersichtlich, daß der Stromfluß bei Raumtemperatur und bei 50⁰C 10 Minuten nach Spannungsanlegung aufhört und bei einer Temperatur von 100⁰C nach 5 Minuten beendet ist. Fig. 10 veranschaulicht somit das Meßergebnis

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zu einem Zeitpunkt M gemäß Fig. 12, während Fig. 11 das Meßergebnis zu einem Zeitpunkt N in Fig. 12 veranschaulicht. Wenn die untersuchte Vorrichtung in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit und hoher Temperatur belassen wurde, erlangte sie ihre ursprünglichen Eigenschaften wieder zurück.

Obgleich die Theorie für diese Erscheinung noch nicht voll geklärt ist, kann angenommen werden, daß dies auf folgende Ursache zurückzuführen istι Der TiO₂-FiIm besitzt nämlich eine große Neigung zur Adsorption von Feuchtigkeit, und die adsorbierte Feuchtigkeit wird unter dem angelegten elektrischen Feld ionisiert, wodurch die elektrische Leitfähigkeit erhöht wird. Bei Erwärmung auf z.B. 100⁰C wird dageben die adsorbierte Feuchtigkeit verdampft, so daß die Leitfähigkeit abfällt oder verlorengeht. Nach der Erwärmung und Trocknung bei einer Temperatur von über 100⁰C wurde die Vorrichtung in einer Atmosphäre trockenen Stickstoffs eingeschlossen. Hierauf wurde ein Impedanzwert entsprechend dem ursprünglichen Impedanzwert ermittelt, wodurch belegt wird, daß die mit einem TiOp-FiIm versehene Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen luftdicht gekapselt werden sollte.

Diese Ausfuhrungsform kennzeichnet sich dadurch, daß ein im wesentlichen aus ZrO₂ bestehender Film mit einer Dicke von -y^ als dielektrischer Film auf der Oberflächenwellenvorrichtung benutzt wird, die ein piezoelektrisches Substrat, einen darauf aufgebrachten dielektrischen Film und auf letzterem ausgebildete Kammelektroden aufweist und eine hohe Eingang-Ausgangsimpedanz besitzt. Die Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform besteht also aus einem piezoelektrischen Keramiksubstrat, einem im wesentlichen aus ZrOpbestehenden dielektrischen Film mit einer Dicke von 14OO S (ZL₅-X) sowie finger- bzw. kammartig verschachtelten Eingangs- und Ausgangselektroden, die auf dem dielektrischen Film ausgebildet sind.

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Fig, 13 veranschaulicht die Kennlinien des Abnahmegrads der

Cm

elektrostatischen Kapazität w=· (mit CL₁ = elektrostatische Kapa-

zität bei Verwendung des ZrOg-Films und C_Q = Kapazität bei NichtVerwendung des Zr0_o«-Films), des elektromechanischen Koppel-

faktors K und des Zunahmegrads des Strahlungswiderstands C

g~£ (mit Ra = Strahlungswiderstand bei Verwendung des ZrOg-Films

und Rao = Strahlungswiderstand bei NichtVerwendung des ZrOp-Films) der beschriebenen Vorrichtung, Wie aus Fig, 13 hervorgeht, nimmt bei zunehmender Dicke ä"«h des ZrO₀-FiImS der Strahlungswiderstand Ra zu, während der elektromechanische Koppelfaktor K schnell abfällt. Bei abfallendem Koppelfaktor verkleinert sich das Oberflächenwellensignal, so daß die Vorrichtung unwirksam wird. Wenn beispielsweise eine Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Keramikmaterial, das eine Schallgeschwindigkeit von 2400 m/s besitzt, mit einer Frequenz von 60 MHz betrieben wird, entspricht die Wellen-länge 40 /im. Wenn auf das piezoelektri-

/ 1 ' P

sehe Keramikmaterial ein ZrOp-FiIm mit einer Dicke von 4000 A aufgedampft ist, nimmt der Strahlungswiderstand um einen Faktor von 5 (250 0hm) gegenüber demjenigen einer Vorrichtung ohne

ρ den ZrO₂-FiIm zu. Allerdings fällt der Kopplungsfaktor K auf etwa 0,01 ab, wodurch das resultierende Signal verkleinert wird. Infolgedessen ist dieser Wert von K = 0,001 ein Grenzwert für eine praktisch brauchbare Oberflächenwellenvorrichtung, Allgemein gesagt, sollte dann, wenn die Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle mit λ bezeichnet wird, die Filmdicke mit weniger als -t^q- Mikron gewählt werden, um ein praktisch nutzbares Oberflächenwellensignal zu erzeugen.

Die Punkte u, v, w und χ in Fig, 7 verdeutliche* Dicken des

0 ' ^i' 0 7 O 1

ZrO₂-FiImS von 500 A dp^ö" ^' ^⁰⁰ ^ ("%ÖUU ^* ¹⁰⁰° ^A ^TO ^ bzw, 4000 A (~r λ), unter der Voraussetzung, daß das Verhält-

Ί UU £.λ λ

nis der Dielektrizitätskonstanten ~- gleich wr und die Betriebs-

fc₂ äM

frequenz gleich 60 MHz ist.

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Ein ZrO₂-FiIm wird beispielsweise durch Vakuumaufdampfung auf ein piezoelektrisches Keramiksubstrat aufgebracht. Anschließend wird auf die Gesamtfläche des ZrOg-Films ein Aluminiumfilm aufgetragen· Anschließend.wird ein Wandler, d.h. Kammelektroden mit 90 Paaren sowie mit öffnungen bzw. Aperturen mit einer Länge von 1 mm und einer Elektrodenbreite von 8 Mikron sowie einem Elektrodenspalt bzw. -abstand von 8 Mikron nach Photoätztechnik ausgebildet, um die Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen gemäß Fig. 1 fertigzustellen. Diese Vorrichtung zeigte bei einer Betriebsfrequenz von 60 MHz eine ausgezeichnete Oberflächenwellencharakteristik gemäß Fig. 13.

Bei einer Dicke des ZrO₂-FiImS von 14OO S (20Ö0 ^ wurde beispielsweise ein Strahlungswiderstand von 200 Ohm erzielt, während sich bei einer Dicke von 3^00 A ( ^) ^e-i-ⁿ Strahlungswiderstand von 250 0hm ergab, der somit (erheblich) hoher ist als der Strahlungswiderstand von 50 0hm bei der bisher verwendeten, nicht mit dem ZrO₂-FiIm versehenen Vorrichtung dieser Art. Bei einer Prüfung dieser Vorrichtung bezüglich der Spannung-Strom-Charakteristik bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 70% wurde die Kurve bzw. Kennlinie gemäß Fig. 14 erhalten. Dabei zeigte es sich, daß der Strom bei Raumtemperatur (RT), 100°C und 200⁰C nicht variiert, d.h. stabil bleibt. Dies bedeutet, daß die Oberflächenwellenvorrichtung mit einem ZrOp-FiIm eine ausgezeichnete Feuchtigkeitsbeständigkeit besitzt, so daß es nicht nötig ist, diese Vorrichtung vollständig einzukapseln, wie dies bei der einen TiOp- oder SiOp-Dielektrikumfilm verwendenden Vorrichtung der Fall ist.

Die einen dielektrischen ZrO₃-FiIm verwendende Oberflächenwellenvorrichtung gemäß der Ausführungsform J5 besitzt die folgenden Vorteile:

1. ZrO₂ läßt sich beim Vakuumaufdampfen leichter verdampfen als TiO₂, SiO und SiO₂. Infolgedessen entwickelt die Verdampfungsquelle für ZrO₂ eine kleinere Gasmenge, so daß sich die Aufdampfbedingungen leichter steuern lassen.

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2, Bei der Ausbildung eines Aluminium-Wandlers auf einem TiOp-. Film diffundiert das Aluminium in den TiO₂-FiIm, mit dem Ergebnis, daß der Widerstand zwischen den einander gegenüberliegenden Elektroden nicht unbegrenzt (infirmity) ist, sondern etwa 10 Megaohm beträgt. Aus diesem Grund wird die Vorrichtung in einem Luftofen behandelt, um die Oberfläche des TiOp-Films zu oxidieren und dadurch den Widerstand zwischen den Elektroden auf einen unbegrenzten Wert zu erhöhen. Bei Verwendung eines ZrOp-Films ist es dagegen möglich, lediglich durch Ätztechnik einen unbegrenzten Zwischenelektrodenwiderstand zu erreichen. Infolgedessen kann auf den Oberflächenoxidationsschritt verzichtet werden, wodurch die Fertigungskosten gesenkt werden»

3, Wenn das chemische Gefüge von TiOg, SiO und SiOg sauerstoffarm wird, zeigen diese Stoffe die Eigenschaft von Halbleitern, so daß sie ohne weiteres elektrischen Strom zu leiten vermögen. ZrOp kann dagegen als stabiler dielektrischer Film benutzt werden.

4, Bei Verwendung eines ZrOp-Films ist es nicht - wie bei Verwendung eines TiOp-Films - erforderlich, die Vorrichtung vollständig einzudichten bzw. zu kapseln, wodurch wiederum die Fertigungskosten gesenkt werden·

5. Eine Oberflächenwellenvorrichtung unter Verwendung eines ZrOo-Films besitzt einen niedrigeren Oberflächenwellen-Ausbreitungsverlust als Vorrichtungen unter Verwendung von TiOp-, SiO- und SiOp-Filmen, so daß sie auch bessere Oberflächenwelleneigenschaften zeigt.

6. Bei dieser Vorrichtung kann die Bindungsfestigkeit der Dünnfilmzuleitungen an den Kammelektroden verbessert werden« Beispielsweise ist die-Bindungsfestigkeit einer Aluminiumzuleitung (Durchmesser 25 ja), die durch Ultraschallwellenschweißen

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rait einem auf einem dielektrischen Keramiksubstrat ausgebildeten Aluminiumfilm verbunden worden ist, sehr gering, nämlich in der Größenordnung von 2 g, während die Bindungsfestigkeit auf 4 g erhöht wird, wenn ein dielektrischer Film (der genannten Art) auf ein piezoelektrisches Keramiksubstrat aufgedampft und auf dem dielektrischen Film ein Aluminiumfilm ausgebildet wird.

Ein Film aus einem Metalloxid wird im allgemeinen durch Aufsprühen oder Aufdampfen ausgebildet·

In jedem Fall ist es Jedoch äußerst schwierig, einen stöchiometrischen Film zu bilden, und in den meisten Fällen werden sauerstoffarme Filme erhalten. Beispielsweise wird ein ZrO₂-FiIm auf ein piezoelektrisches Keramikmaterial aufgebracht, das J50 cm von einem Sinterkörper aus ZrOp angeordnet ist, der seinerseits mittels eines Energiestrahlers unter einem Sauerstoffpartialdruck

-4
von 1 χ 10 Torr erhitzt wird. Wenn hierbei das piezoelektrische Keramikmaterial auf etwa 200⁰C erhitzt wird, bildet sich auf der Keramikoberfläche ein Film mit einem dem ZrOp angenäherten chemischen Gefüge. Eine genaue Analyse dieses Films zeigt jedoch, daß er neben einem Hauptanteil an ZrOp auch ZrO. „, ZrO. q ··· ZrO enthält. Selbst wenn ein solcher Film aus ZrO₂ mit Sauerstoffmangelstellen eine kleine Menge (z_eB, 5 bis 10$) eines Oxids eines anderen Metalls enthält, das stabil ist und einen großen Bandabstand (energy gap) besitzt, ζ.Β_β ein Metalloxid mit einer Vielzahl von'Sauerstoffatomen pro Metallelement, wie SiO₂ und Ta₂O-, kann ein stabiler Film erzeugt werden. Bei Verwendung eines gesinterten Gemisches aus ZrO₂ und 5$ Ta₂O,- als Verdampfungsquelle anstatt des Sinterkörpers aus ZrO₂ läßt sich beispielsweise ein stabilerer Film herstellen.

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Claims

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Patentansprüche

Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen, bestehend aus einem piezoelektrischen Substrat mit einer Dielektrizitätskonstante £p, einem auf dem piezoelektrischen Substrat ausgebildeten dielektrischen Film mit einer Dicke h und einer Dielektrizitätskonstante £, sowie einem auf dem dielektrischen Film ausgebildeten Eingang-Ausgangswandler, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten ~ des piezoelektrischen Substrats (11) und des dielektriscnen Films (12) sowie eine der Dicke des dielektrisehen Films proportionale Funktion ~ · h so gewählt sind, daß sie einer Bedingung genügen, die in einem durch Koordi-

= i §j£»h = 01) Q(^- = i

nationspunkte P(~ = i, §j£»h = 0,1), Q(^- = i, Bjf.h = 0,00016),

ι = 0,0004) und S(gl = ^, §^h = 0,0006) umgrenzten, kegelstumpfförmigen Bereich einer graphischen Darstellung festgelegt ist, in welcher das Verhältnis -^- auf

Oft··*

der Ordinate und die Funktion 4r*h auf der Abszisse aufgetragen sind, wobei λ die Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle bei Fehlen des dielektrischen Films bedeutet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten 5— des piezoelektri-

^&2 sehen Substrats und des dielektrischen Films sowie die der Dicke des dielektrischen Films proportionale Funktion -jr»h so gewählt sind, daß sie einer Bedingung genügen, die in einem durch Koordinatenpunkte P(s-- = \» ^T**^{1 s} °,1),

Q(^ = ψ ^h = 0,006), R(|l = -^, ^.h = 0,0004) und

S(g-- = "zkn* ^T^{#n =} Ο*OOO6) umrissenen, parallelogrammförmigen Bereich einer graphischen Darstellung festgelegt ist, in wel-

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eher das Verhältnis —■ auf der Ordinate und die Funktion auf der Abszisse aufgetragen sind, wobei λ die Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle bei Fehlen des dielektrischen Films bedeutet.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten ^- des piezoelektrischen Substrats und des dielektrischen Films sowie die der Dicke des dielektrischen Films proportionale Funktion 4^«h so gewählt sind, daß sie einer Bedingung genügen, die in einem durch Koordinatenpunkte T(~- = 4ττ,

C-g ι U

ζ = TO' f-^h = TCo'' ^v# = 51' X'^h =

2iT_#Vi Tm) um2?issenen, parallelogrammförmigen

Bereich einer graphischen Darstellung festgelegt ist, in welcher das Verhältnis ~- auf der Ordinate und die Funktion

auf der Abszisse aufgetragen sind, wobei /V die Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle bei Fehlen des dielektrischen Films bedeutet.

^. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler aus fingerartig verschachtelten bzw. sog. Kammelektroden mit Eingangs- und Ausgangselektroden (I3, 14) aus einer elektrisch leitenden Substanz besteht und "daß jede Elektrode eine Vielzahl von Leitern sowie öffnungen oder Aperturen einer vorbestimmten Form und eine vorbestimmte Leiterbreite besitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Substrat (11) aus Lithiumniobat, Keramikmaterial, Quarz oder Lithiumtantalat hergestellt ist und daß der dielektrische Film (12) aus SiO, SiO₂, ZrO₂, TiO₂, Ta₃O₅,

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Al₀O , BeO, Cr_o0_, Ni₀O.,, ZnO, YoO,, CdO oder PbO₀ hergestellt ■ ist, wobei verschiedene Kombinationen dieser Stoffe zur Pestlegung einer gewünschten Beziehung innerhalb des genannten kegelstumpfförmigen Bereichs verwendbar sind_o

6..Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Substrat (11) aus Keramik hergestellt ist, daß der dielektrische Film (12) aus Titandioxid besteht und daß die Dicke des dielektrischen Films im Bereich von 0,00016 - 0,047 X-, mit λ= Wellenlänge der elastischen Oberfläche, gewählt ist.

7· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß das piezoelektrische Substrat (1i) aus Keramik hergestellt ist, daß der dielektrische Film "(12) aus Zirkondioxid besteht, und daß der dielektrische Film (12) eine Dicke (h) von O,0004 bis Tq-q λ besitzt, mit Λ= Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle.

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