DE3031758A1

DE3031758A1 - Piezoelektrischer einkristall und oberflaechenschallwellenelemente mit derartigen einkristallen

Info

Publication number: DE3031758A1
Application number: DE19803031758
Authority: DE
Inventors: Sakichi Ashida; Yukio Ito; Sigeru Jyomura; Kazuyuki Nagatsuma; Hiroshi Takeuchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-08-22
Filing date: 1980-08-22
Publication date: 1981-02-26
Also published as: US4333842A; JPS5630779A; DE3031758C2

Description

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Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Einkristall zur Verwendung bei Ultraschallschwingern oder dergleichen, insbesondere Oberflächenschallwellenelementen, sowie Oberflächenschallwellenelemente mit derartigen Einkristallen.

Derzeit sind die verschiedensten Arten von piezoelektrischen Einkristallen bekannt. Darunter bestehen typische Einkristalle aus Quarz, LiMbO-, LiTaO₃, Ba₂TiSi₂Og usw. Diese Einkristalle werden entsprechend ihren Eigenschaften für die jeweiligen Zwecke verwendet, wobei ihre Eigenschaften sowohl Vorteile als auch Nachteile haben.

Quarzkristalle werden in großem Umfang für piezoelektrische Schwinger oder dergleichen verwendet. Obwohl das Temperaturverhalten eines Quarzkristalls gut ist, ist seine piezoelektrische Aktivität vergleichsweise niedrig, und der elektromechanische Kopplungsfaktor der dicken Schwingung, der eine für die Piezoelektrizität repräsentative Konstante ist, beträgt ungefähr 10 %. Hinsichtlich der Oberflächenwelleneigenschaften ist der Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit im wesentlichen 0 ppm/°C und ist gut, jedoch hat der elektromechanische Kopplungsfaktor k einen so

kleinen Wert von etwa 0,1 % und ist.gering. Andererseits zeigt ein LiNbOo-Kristall eine hohe piezoelektrische Aktivität , hat aber den Nachteil einer schlechten Temperaturcharakteristik. D.h. , obwohl der elektromechanische Kopplungsfaktor der Dicken-Scherschwingung einer X-geschnittenen Platte einen so hohen Wert von 60 bis 70 % aufweist, hat der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz einen hohen Wert von 70 bis 90 ppm/°C. H-insichtlich der Oberflächenwelleneigenschaften beträgt der elektromechanische Kopplungsfaktor ungefähr 5 % und ist ausgezeichnet,

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während der Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit in nachteiliger Weise einen hohen Wert von 70 bis 90 ppm/°C hat.

Einkristalle aus LiTaO₃ und Ba₉TiSi₂O₃ haben Eigenschaften zwischen denen der oben erläuterten beiden Kristalle. Der elektromechanisch^ Kopplungsfaktor der Dicken-Scherschwingung eines LiTaOg-Einkristalls einer X-geschnittenen Platte beträgt ungefähr 47 %, und der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz macht ungefähr 11 ppm/°C aus. Der elektromechanische Kopplungsfaktor und der Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit der akustischen Oberflächenwelle SAW betragen ungefähr 0,7 % bzw. etwa 22 ppm/°C. Andererseits beträgt der elektromechanisch^ Kopplungsfaktor der Dicken-Scharschwingung eines Volumens in einem Ba_oTiSi_o0_o-Einkristall einer (110)-geschnittenen Platte ungefähr 28 %, und der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz beträgt etwa 3 3 ppm/°C. Der elektromechanische Kopplungsfaktor und der Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit betragen ungefähr 1,5 % bzw. etwa 50 ppm/°C.

Als Materialien für Oberflächenschallwellenelemente oder SAW-Elemente werden neben piezoelektrischen Einkristallen der oben angegebenen Art auch Keramiken, piezoelektrische Dünnfilme oder dergleichen verwendet. Derartige Oberflächenschallwellenelemente unter Verwendung von Keramiken oder Dünnfilmen zeigen jedoch die Schwierigkeit, daß Dispersionen und zeitliche Änderungen bei ihren Eigenschaften groß sind.

In den Fällen, wo der Temperaturkoeffizient der Oberflächenschallwellen-Verzögerungszeit groß ist, werden Schwankungen der Eigenschaften eines Oberflächenschallwellenelementes unter Verwendung von piezoelektrischen Einkristallen, die

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Temperaturänderungen zuzuschreiben sind, in sehr nachteiliger Weise groß. In den Fällen, wo der elektromechanisch^ Kopplungsfaktor klein ist, hat ein Breitband-Oberflächenschallwellenelement unter Verwendung eines piezoelektrischen Einkristalls den Nachteil, daS der Einfügungsverlust und die Einfügungsdämpfung zunimmt.

Außerdem sind LiNbO-- und LiTaO„-Kristalle ferroelektrische Materialien, was den Nachteil mit sich bringt, daß eine Polung zu ihrer Verwendung in Oberflächenschallwellenelementen durchgeführt werden muß.

Andererseits besitzt ein Ba„TiSi„0_o-Einkristall, der auch die Mineralbezeichnung Fresnoit hat, in der oben angegebenen Weise die relativ gute Eigenschaft, daß der elektromechanisch^ Kopplungsfaktor von Oberflächenschallwellen etwas hoch und der Temperaturkoeffizient der Verzögerung etwas klein ist. Außerdem hat ein Ba_oTiSi_o0_o-Einkristall die Vorteile, daß er keine Vorpolung erfordert, da er nicht aus ferroelektrischem Material besteht, und daß er auch unter hohen Temperaturbedingungen verwendet werden kann, da sein Schmelzpunkt ungefähr 1 400⁰C beträgt. Da ein Ba₂TiSi 0_g-Einkristall eine Dielektrizitätskonstante von höchstens 15 hat, besitzt er eine kleine elektrische Kapazität und kann bis hinauf zu hohen Frequenzen verwendet werden, wenn er bei Oberflächenschallwellenelementen zum Einsatz gelangt.

Im allgemeinen sind die gewünschten Charakteristika für einen piezoelektrischen Einkristall zur Verwendung in einem Oberflächenschallwellenelement mindestens 0,6 % beim elektro-

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mechanischen Kopplungsfaktor k und höchstens 50 ppm/°C beim Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit. Letzterer ist günstiger, wenn er kleiner ist.

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Zum Stande der Technik gehören hierbei die JP-OS 48-98397, die JP-OS 51-103792 und die JP-OS 53-68189.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Einkristall anzugeben, dessen elektromechanischer Kopplungsfaktor für Oberflächenschallwellen groß und dessen Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit kleiner ist als bei den herkömmlichen Anordnungen, sowie ein Oberflächenschallwelleneleraent zu schaffen, dessen Eigenschaften darin bestehen, daß sein elektromechanischer Kopplungsfaktor hoch und sein Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit kleiner ist als beim Stand eder Technik.

Zur Lösung dieser Aufgabe hat der piezoelektrische Einkristall gemäß der Erfindung eine Zusammensetzung, die sich durch die allgemeine Formel (Ba„_ Sr )TiSi„O„ beschreiben läßt, wobei der Wert χ in einem Bereich von 0,25 S x < 1,2 liegt. In dem Falle wo der Wert χ kleiner als 0,25 ist, wird der Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit nicht sehr klein. In dem Falle, wo der Wert χ größer als 1,2 ist, wird es schwierig, einen Einkristall mit. einer einzigen Phase herzustellen. Beide Fälle sind daher ungünstig.

In dem Falle, wo der Wert χ im Bereich von 0,5 ^ χ ^ 1,0 liegt, wird der Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit ausreichend klein und die Herstellung des Einkristalles ist leicht, so daß ein bevorzugteres Ergebnis erhalten wird. Der piezoelektrische Einkristall gemäß der Erfindung ist eine Festlösung oder ein Mischkristall, der aus den beiden Komponenten Ba₂TiSi₂O₈ und Sr₂TiSi₂O₉ besteht.

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Der erfindungsgemäße piezoelektrische Einkristall mit dem oben angegebenen Aufbau hat einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor für Oberflächenschallwellen und einen bemerkenswert kleinen Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit und zeigt gute Eigenschaften, insbesondere als Material zur Verwendung bei Oberflächenschallwellenelementen. Fig. zeigt den Zusammenhang zwischen dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit für Oberflächenwellen und dem Wert χ hinsichtlich einer Z-geschnittenen Platte des Einkristalls mit der Zusammensetzung, welche der allgemeinen Formel (Ba„_ Sr )TiSi„O_R genügt, wobei Einzelheiten nachstehend näher erläutert sind. Die Ausbreitungsrichtung der Oberflächenschallwellen liegt in diesem Falle bei ungefähr 45° gegenüber der X-Achse in der Z-geschnittenen Ebene. Wie sich aus Fig. 1 ergibt, sinkt der Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit der Oberflächenwellen erheblich bei einer Zunahme des Sr-Gehaltes χ ab. Er geht auf einen Wert von ungefähr 35 ppm/°C oder weniger für einen x-Wert von 0,5 oder darüber, und er geht auf einen Wert von ungefähr 3 0 ppm/°C für einen x-Wert von 0,6 oder darüber. Gemäß dem Ergebnis einer Messung der Oberflächenschallwellen, die sich in einer Richtung von 45° gegenüber der X-Achse in der Z-geschnittenen Ebene des Einkristalles ausbreiten, ist der elektromechanisch^ Kopplungsfaktor hoch und hat einen Wert von 1,5 bis 1,9%. Außerdem beträgt die Dielektrizitätskonstante des piezoelektrischen Einkristalls ungefähr 15. Während vorstehend die Oberflächenschallwelleneigenschaften des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Einkristalls angegeben worden sind, sind die Eigenschaften der Dicken-Scherschwingung ebenfalls ausgezeichnet, wie sich aus den nachstehend beschriebenen Beispielen ergibt.

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Ein Oberflächenschallwellenelement gemäß der Erfindung, das die Eigenschaften hat, daß der elektromechanische Kopplungsfaktor groß und der Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit klein ist, verwendet als Substrat einen piezoelektrischen Einkristall der oben beschriebenen Art, d.h. einen Einkristall mit einer Zusammensetzung, die durch die allgemeine Formel (Ba_0-Sr )TiSi„O_ gegeben ist und bei der der Wert χ im Bereich von 0,25 < χ < 1,2 oder vorzugsweise im Bereich von 0,5 < χ C 1,0 liegt; dabei werden i) Oberflächenschallwellen, die sich in einer Schnittebene senkrecht zur Z-Achse des Einkristalles ausbreiten, ii) Oberflächenschallwellen, die sich in einer die X-Achse des Einkristalles enthaltenden Schnittebene und in einer Richtung parallel zur X-Achse ausbreiten, oder iii) Oberflächenschallwellen verwendet, die sich in einer die X-Achse des Einkristalles enthaltenden Schnittebene und in einer senkrecht zur X-Achse verlaufenden Richtung ausbreiten, wobei die Schnittebene so gewählt ist, daß ein Winkel μ zwischen einer senkrecht zu dieser Schnittebene verlaufenden Richtung und der Z-Achse des Einkristalles in einem Bereich von |μί<£ 30° liegt. Außerdem zeigt ein Oberflächenschallwellenelement SAW, das iv) bei den Oberflächenschallwellen ii) insbesondere Oberflächenschallwellen verwendet, die sich in einer solchen Schnittebene ausbreiten, daß ein Winkel μ, der zwischen einer Richtung senkrecht zur Schnittebene des Einkristalles und der Z-Achse des Einkristalles definiert ist, in einem Bereich von I μί <ζ 7 0° liegt, einen großen elektromechanischen Kopplungsfaktor. Ferner hat das Element unter Verwendung der Oberflächenschallwellen i) den Vorteil, daß die Eigenschaften der Oberflächenschallwellen sich kaum aufgrund von Änderungen der Ausbreitungsrichtung der Oberflächenschallwellen ändern. Ein derartiges Element, das Oberflächenschallwellen iii) verwendet, zeigt einen besonders

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großen elektromechanischen Kopplungsfaktor wenn |uj < 20° ist.

Die Fig. 5,6 und 7 zeigen schematische Darstellungen zur Erläuterung der Schnittebenen des Einkristalles und der Ausbreitungsrichtungen der Oberflächenschallwellen. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet das Substrat, die Buchstaben X, Y und. Z bezeichnen die jeweiligen Krxstallachsenkoordinaten, das Symbol K bezeichnet die Ausbreitungsrichtung der Oberflächen-Schallwellen, der Buchstabe μ bezeichnet den Euler'sehen Winkel, der zwischen der Richtung senkrecht zur Schnittebene und der Z-Achse definiert ist, während der Buchstabe θ den Euler'sehen Winkel bezeichnet, der zwischen der Ausbreitungsrichtung der Oberflächenschallwellen und der X-Achse definiert ist. Dabei entsprechen die Fig. 5 dem Falliii), die Fig. 6 dem Fall i) und die Fig. 7 dem Fall ii).

Fig. k zeigt eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen dem Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit der Oberflächenschallwellen, dem elektromechanischen! Kopplungsfaktor, der Oberflächenschallwellengeschwindigkeit und den Euler'sehen Winkeln. Der Teil(a) in Fig. U entspricht dem Fall gemäß Fig. 5, der Teil (b) dem Fall gemäß Fig. B und der Teil (c) dem Fall gemäß Fig. 7. In Fig. H bezeichnen die Bezugszeichen 11, 21 und 31 die Fälle einer Zusammensetzung, wo χ den Wert 0 hat, die Bezugszeichen 12, 22 und 32 Fälle einer Zusammensetzung, wo χ den Wert 0,3 hat, die Bezugszeichen 13, 23 und 33 die Fälle einer Zusammensetzung, wobei χ den Wert 0,5 hat, die Bezugszeichen IU, 2k und 3H die Fälle einer Zusammensetzung, bei der χ den Wert 0,6 hat, die Bezugszeichen 15, 25 und 35 Fälle einer Zu-

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sammensetzung, wo χ den Wert 0,8 hat, und die Bezugszeichen 16, 26 und 36 die Fälle einer Zusammensetzung, wo χ den Wert 1,0 hat. Die Fig. 4 wird weiter unten anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Wie sich aus Fig. 4 entnehmen läßt, ist ein Oberflächenschallwellenelement gemäß der Erfindung, das in der oben beschriebenen Weise aufgebaut ist, so ausgebildet, daß der Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit der Oberflächenschallwellen beträchtlich bei einer Zunahme des Sr-Gehaltes in dem das Element bildenden Einkristall abnimmt. In dem Falle, wo Sr in dem Kristall enthalten ist, zeigt der elektromechanische Kopplungsfaktor eine Tendenz, etwas anzusteigen. Außerdem hat die Dielektrizitätskonstante des beim erfindungsgemäßen Oberflächenschallwellenelement verwendeten Einkristalles ungefähr den Wert. 15 und hat einen ebenso niedrigen Wert wie ein Ba₉TiSi₉O₈-Einkristall. Somit wird gemäß der Erfindung ein ausgezeichnetes Oberflächenschallwellenelement angegeben, das bei hohen Frequenzen breitbandig ist und eine hohe Stabilität gegenüber Temperaturänderungen zeigt und das bislang nicht realisierbar war.

Aus Fig. H ergibt sich ferner, daß die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Oberflächenschallwellenelemente, welche die Schnittebenen und die Ausbreitungsrichtungen der Qberflächenschallwellen haben, ausgezeichnet sind. D.h., die Elemente, welche die Schnittebenen und die Ausbreitungsrichtungen der Oberflächenschallwellen haben, wie es im Falle i) mit dem Teil (b) , dem Falle ii) mit dem Teil(c) und dem Falle iii) mit dem Bereich von μ <C 30° im Teil (a) an-

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gegeben ist, zeigen kleine Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit und große elektromechanische Kopplungsfaktoren. Im Falle iv) mit dem Bereich von μ <C 7 0° im Teil (c) sind die elektromechanischen Kopplungsfaktoren nocht größer. Die Oberflächenschallwelleneigenschaften im Falle i) sind fast konstant unabhängig von den Winkeln θ, welche die Ausbreitungsrichtungen der Oberflächenschallwellen angeben. Im Falle iii) werden die elektromechanischen Kopplungsfaktoren besonders groß, wenn μ Κ. 20° gegeben ist.

Maßnahmen, damit Oberflächenschallwellen sich in einer vorgegebenen Richtung einer speziellen Schnittebene auf einem Substrat ausbreiten, sind an sich bekannt, und es können beliebige Mittel zu diesem Zweck eingesetzt werden. Beispielsweise können, wie in Fig. 8 dargestellt, zwei Sätze von Doppelkamm-Elektroden 8 2 und 8 3 aus Aluminium oder dergleichen auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Einkristall-Substrats 81 durch herkömmliches Photoätzen ausgebildet werden, wobei eine Wechselspannung von einer Wechselspannungsquelle 8¹I an eine Elektrode 82 angelegt wird, um die Oberflächenschallwellen zu erregen, während eine Last 85 an die andere Doppelkamm-Elektrode 83 angeschlossen ist, um die Wellen zu empfangen. Dann breiten sich die Oberflächenschallwellen in Richtung des Pfeiles 86 aus, d.h. in einer Richtung orthogonal zu den Schenkeln der Doppelkamm-Elektroden 82 und 83. Obwohl ein Fall, wo die Anzahl von Paaren bei jeder Elektrode den Wert 2 hat', in Fig. 8 dargestellt ist, versteht es sich von selbst, daß die Anzahl von Paaren keinesfalls auf den Wert 2 beschränkt ist. Die Oberflächenschallwellen, die bei den erfindungsgemäßen Oberflächenschallwellenelementen verwendet werden, werden Rayleigh-Wellen.

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Wie oben dargelegt, zeigt der erfindungsgemäße piezoelektrische Einkristall die Eigenschaften, daß der elektromechanische Kopplungsfaktor groß und der Temperaturkoeffizient klein sind. Unter Verwendung eines derartigen Einkristalles lassen sich somit gute Schwinger herstellen. Außerdem ist er sehr ausgezeichnet im Hinblick auf die Stabilität gegenüber Temperaturänderungen als Substratmaterial, das bei Oberflächenschallwellenelementen für breite Bänder bei hohen Frequenzen verwendet wird. Außerdem handelt es sich beim piezoelektrischen Einkristall gemäß der Erfindung nicht um ein ferroelektrisches Material und erfordert somit keine Polung. Außerdem ist das erfindungsgemäße Oberflächenschallwellenelement, das als Substrat einen ausgezeichneten piezoelektrischen Einkristall der oben beschriebenen Art verwendet und das so aufgebaut ist, daß die Oberflächensehallwellen sich in der vorgegebenen Richtung auf der vorgegebenen Schnittebene ausbreiten, ein breites Band bei hohen Frequenzen und besitzt eine ganz ausgezeichnete Stabilität gegenüber Temperaturänderungen .

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung

des Zusammenhanges zwischen dem Sr-Gehalt und dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit für oberflächensehallwellen in einem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Einkristall;

Fig» 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung

des Zusammenhanges zwischen dem Sr-Gehalt und der Gitterkonstanten des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Einkristalls;

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Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung von temperaturabhängigen Änderungen der Verzögerungszeit bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des piezoelektrischen Einkristalls;

Fig. k eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit eines Oberflächenschallwellenelementes, dem elektromechanischen Kopplungsfaktor und der Oberflächenschallwellengeschwindigkeit sowie den Euler'sehen Winkeln des Elementes, wobei der Sr-Gehalt in einem piezoelektrischen Einkristall als Parameter verwendet wird;

Fig. 5, 6 und 7 perspektivische Darstellungen zur Erläuterung der Schnittebenen des piezoelektrischen Einkristalles und der Ausbreitungsrichtungen der Oberflächenschallwellen; und in

Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus eines Oberflächenschallwellenelementes gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführung sform.

Beispiel 1:

Als Ausgangsmaterialien werden Bariumkarbonat BaCO₃, Strontiumkarbonat SrCO₃, Titanoxid TiO₂ und Siliziumoxid SiO₂ verwendet, die Reinheiten von mindestens 99,9 % aufweisen. Diese Materialien wurden in pulverförmigem Zustand gewogen, um eine Zusammensetzung der allgemeinen Formel

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(Ba₂__xSr_x)TiSi₂0g mit χ = 0,3.herzustellen, und wurden mit einem Achatmörser 5 Stunden lang gemischt. Nachdem die Mischung kompakt gemacht worden war, wurde sie bei einer Temperatur von 1 100⁰C für eine Dauer von 10 Stunden geglüht. Die entstandene Keramik wurde als Matrix für das Kristallwachstum verwendet.Die Keramik wurde in einen Platin-Schmelztiegel gegeben und mit einem Hochfrequenzofen geschmolzen, um einen Kristall mit der sog. Czochralski-Technik zu ziehen. Die Ziehgeschwindigkeit und die Drehgeschwindigkeit betrugen dabei ungefähr 1 mm/h bzw. 60 U/min. Als Ergebnis erhielt man einen farblosen und transparenten Einkristall in Form eines kreisförmigen Zylinders mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Länge von 30 mm. Es wurde eine Röntgenstrahlen-Beugungsuntersuchung durchgeführt, wobei sich aus einem Deby-Scherrer-Diagramm ergab, daß der Kristall im wesentlichen ein Einkristall ist, der die gleiche Kristallstruktur aufweist wie Ba₂TiSi₂O₃. Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen dem Sr-Gehalt χ und den Gitterkonstanten a und £, wie sie durch Röntgenstrahlenbeugung in den Beispielen 1 bis k erhalten wurde. Aus der Schwankung der Gitterkonstanten gemäß Fig. 2, wo die Gitterkonstanten £ und a im wesentlichen linear mit einer Zunahme des Sr-Gehaltes χ abnehmen, stellte sich heraus, daß die erfindungsgemäße Zusammensetzung des Systems eine Festlösung oder einen Mischkristall bildet. Darüber hinaus wurde durch eine Röntgenstrahlen-Fluoreszenzanalyse bestätigt, daß die Zusammensetzung des gezogenen Kristalls im wesentlichen die gewünschte war.

Eine (001)-geschnittene Platte, nämlich eine Z-geschnittene Platte, deren Größe 6 mm χ 8mm χ 2mm betrug, wurde aus dem so erhaltenen Einkristall herausgeschnitten und dann ihre Oberflächenschallwelleneigenschaften gemessen. Nachdem eine

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Oberfläche der Probe zu einem Spiegel poliert worden war, wurden Doppelkamm-Elektroden aus Al durch Photoätzen darauf ausgebildet. Die entstandene Platte wurde für die Messungen verwendet.

Im Ergebnis hatte der Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit der Oberflächenschallwellen einen Wert von M-O ppm/°C unter den Voraussetzungen einer Ausbreitungsfläche (001) und einer Ausbreitungsrichtung(llθ]; dies entspricht einem Fall der Oberflächenschallwellen, die sich unter einem Euler'sehen Winkel θ von 45° auf der Z-geschnittenen Ebene ausbreiten, wobei das gleiche nachstehend gilt. Dieser Wert ist klein verglichen mit 51 ppm/°C eines Ba^TiSi-Og-Kristalls. Der Kopplungsfaktor besaß einen Wert von 1,6 %.

Beispiel 2:

Unter Verwendung des gleichen Verfahrens wie beim Beispiel 1 wurde ein Einkristall aus einer Schmelze mit einer Ausgangszusammensetzung gezogen, bei der χ = 0,5 in der allgemeinen

Formal (Ba₀ Sr )TiSi„O„ galt. Der erhaltene Kristall war /. —χ χ ι. ο

farblos und transparent und seine Abmessungen betrugen 18 mm im Durchmesser und 25 mm in der Länge. Aus den Ergebnissen der Rontgenstrahl-Beugung und der Röntgenstrahl-Fluoreszenzanalyse ergab sich, daß der gezogene Kristall ein Festlösungs-Einkristall mit im wesentlichen der gewünschten Zusammensetzung war.

Die Oberflächenschallwelleneigenschaften dieses Kristalls wurden untersucht. Dann wurden unter den Voraussetzungen einer Ausbreitungsoberfläche (001) und einer Ausbreitungsrichtung [llOj der Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit

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etwas kleiner und hatte einen Wert von 35 ppm/°C, während der Kopplungsfaktor einen Wert von 1,9 % besaß.

Auch unter den Voraussetzungen einer Ausbreitungsflache (100) und einer Ausbreitungsrichtung £j}10 \ , was einem Fall mit u von 90° in Fig. 7 entspricht, besaß der Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit einen Wert von 31 ppm/°C und war damit kleiner als 38 ppm/°C eines Ba^iSi-Og-Kristalls.

Beispiel 3:

Unter Verwendung des gleichen Verfahrens wie in Beispiel 1 wurde ein Einkristall aus einer Schmelze aus einer Ausgangszusammensetzung gezogen, bei der χ = 0,6 in der allgemeinen Formel (Ba₀ Sr )TiSi„O„ galt. Der erhaltene Kristall war

c. X X /L ö

farblos und transparent, und seine Größe betrug 15 mm im Durchmesser und 35 mm in der Länge.

Die Oberflächenschallwelleneigenschaften dieses Kristalls unter den Voraussetzungen einer Ausbreitungsfläche (001) und 110 j betrugen 28 ppm/°C beim

Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit und 1,7 % beim Kopplungsfaktor. Die -temperaturabhängige Schwankung der Verzögerungszeit ist in diesem Falle in Fig. 3 dargestellt. In dieser Fig. bezeichnen T die Verzögerungszeit, ÄTdie zeitliche Änderung der Verzögerungszeit und T die Temperatur.

Eine (110)-geschnittene Platte, deren Größe 5mmx5mmxO,3 mm betrug, wurde aus dem gezogenen Kristall herausgeschnitten, ein piezoelektrischer Schwinger hergestellt und der Kopplungsfaktor einer Dicken-Scherschwingung und der Temperaturkoeffizient einer Resonanzfrequenz gemessen. Im Ergebnis hatte der

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Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz einen kleinen Wert von 20 ppm/°C, während der Kopplungsfaktor einen Wert von 25 % besaß. Somit erwiesen sich auch die Temperatureigen schaften des Volumenwellenschwxngers als gut.

Beispiel t:

Unter Verwendung des gleichen Verfahrens wie beim Beispiel 1 wurde ein Einkristall aus einer Schmelze aus einer Ausgangszusammensetzung gezogen, bei der χ = 0,8 in der allgemeinen Formel (Ba₀ Sr )TiSi_o0_Q galt. Der erhaltene Kristall war

/—X X ^o

farblos und transparent, und seine Größe betrug 20 mm im Durchmesser und 25 mm in der Länge. Aus den Ergebnissen der Röntgenstrahl-Beugung und der Röntgenstrahl-Fluoreszenzanalyse ergab sich, daß der Kristall in einer einzigen Phase war und eine Festlösung oder ein Mischkristall der im wesentlichen angestrebten Zusammensetzung war.

Hinsichtlich der Oberflächenschallwelleneigenschaften besaßen der Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit einen Wert von 23 ppm/°C und der Kopplungsfaktor einen Wert von 1,6 % unter den Voraussetzungen einer Ausbreitungsfläche (001) und einer Ausbreitungsrichtung

Nachdem die Beispiele 1 bis 4 beschrieben worden sind, zeigt Fig. 1 graphisch den Zusammenhang zwischen dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit der Oberflächenschallwellen und dem Sr-Gehalt χ für den Fall der Ausbreitungsfläche (001) und der Ausbreitungsrichtung £ll0j . Wie sich aus Fig. 1 ergibt, nimmt der Verzögerungszeit-Temperaturkoeffizient der Oberflächenschallwellen im Einkristall mit einer Zusammensetzung gemäß der allgemeinen Formel

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(Ba₂__xSr_x)TiSi₂0g erheblich bei einer Zunahme des Sr-Gehaltes χ ab und geht auf einen Wert von 30 ppm/⁰C oder weniger bei einem Wert von χ von 0,6 oder darüber. Es hat sich gezeigt, daß der Kopplungsfaktor einen Wert von etwas höher als 1,5 % aufweist, unabhängig von der Zusammensetzung im Falle der Ausbreitungsoberfläche und der Ausbreitungsrichtung wie oben beschrieben.

Beispiel 5:

Als Ausgangsmaterialien zum Ziel eines Einkristalls zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Oberflächenschallwellenelement wurden Bariumkarbonat BaCO₃, Strontiumkarbonat SrCO₃, Titanoxid TiO„ und Siliziumoxid SiO„ verwendet, die Reinheiten von mindestens 9 9,9 % besaßen. Diese Materialien wurden in pulverförmigem Zustand gewogen, um Zusammensetzungen herzustellen, bei denen χ die Werte von 0,3, 0,5, 0,6, 0,8 1,0 und 1,2 in der allgemeinen Formel (Ba_o_ Sr )TiSi„O_Q annahm. Diese Materialien wurden mit einem Achatmörser für · eine Dauer von 5 Stunden gemischt. Nachdem diese Mischung zu kompakten Körpern geformt worden waren, wurden sie für eine Dauer von 10 Stunden bei· einer Temperatur von 1 100⁰C geglüht. Die erhaltenen kompakten Körper wurden als Matrix für das Kristallwachstum verwendet. Jedes kompakte Teil wurde in einen Platin-Schmelztiegel gegeben und mit einem Hochfrequenzofen geschmolzen, um einen Kristall mit dem Czochralski-Verfahren zu ziehen. Die Ziehgeschwindigkeit und die Drehgeschwindigkeit betrugen dabei ungefähr 1 mm/h bzw. 60 U/min. Als Ergebnis wurden farblose und transparente Einkristalle erhalten, welche die entsprechenden Gewichtszusammensetzungen sowie die Form von Kreiszylindern mit Durchmessern von 10 bis 20 mm und Längen von 20 bis 35 mm besaßen. Es wurden Röntgenstrahlungs-Beugungsuntersuchungen

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durchgeführt, wobei sich aus Deby^-Scherrer-Diagrammen ergab, daß die Kristalle im wesentlichen in einer einzigen Phase waren und die gleichen Kristallstrukturen besaßen wie

Wenn die Zusammensetzung der gezogenen Einkristalle einer Röntgenstrahlen-Fluoreszenzanalyse unterzogen wurden, stellte sich heraus, daß sie im wesentlichen von der gewünschten Art waren.

Aus den Einkristall-Materialien der sechs Arten von so erhaltenen Zusammensetzungen wurden jeweils Kristallplatten herausgeschnitten mit Orientierungen Ci), wobei die Winkel μ im Teil (a) in Fig. 4 oder μ in Fig. 5 4 5° und 15° betrugen (ii), die Winkel θ im Teil (b) der Fig. 4 oder θ in Fig.6 die Werte 90°, 45° und 0° hatten, und (iii) , wobei die Winkel μ im Teil (c) der Fig. H oder μ in Fig. 7 45° und 90° betrugen. Die Dicken der Kristallplatten lagen bei 0,5 bis 2,0 mm. Die eine Oberfläche jeder Platte wurde bis zu einer Spiegelfläche poliert, Al darauf durch Vakuumver-

dampfung mit einer Dicke von ungefähr 8000 A aufgebracht und zwei, üblicherweise Doppelkamm-Elektroden 82 und 8 3 mit einem Abstand von 3 mm durch ein photolithographisches Verfahren ausgebildet, wie es in Fig. 8 angedeutet ist. Die Anzahl von Paaren betrug bei jeder Elektrode 15, wobei nur zwei Paare in Fig. 8 dargestellt sind, die Öffnungsbreite 87 betrug 3 mm, die Elektrodenbreite, also die Breite jedes Schenkels betrug 10 μπι und der Schenkelabstand 88 betrug 20 μπι. Das Bezugszeichen 81 bezeichnet dabei die Kristallplatte in Fig. 8. Nachdem die Einkristall-Platten der entsprechenden Zusammensetzungen in Gehäusen mit einer Silberpaste befestigt waren, wurden Gold-Drähte angebondet und durch Ultraschallwellen an-

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-abgeschlossen. Somit wurde eine große Anzahl von Oberfläehenschallelementen hergestellt. Jedes Element wurde als Frequenzfilteranordnung in der Weise verwendet, daß eine Elektrode 82 als Eingangselektrode, d.h. als Senderelektrode für Rayleigh-Wellen verwendet wurde, während die andere Elektrode 83 als Ausgangselektrode, d.h. als Empfängerelektrode für Rayleigh-Wellen verwendet wurde.

Die Oberflächenschallwellengeschwindigkeit kann aus einer Phasenkennlinie innerhalb eines Durchlaßbandes der Signale berechnet werden. Der elektromechanische Kopplungsfaktor kann aus einer Oberflächenschallwellen-Reflexionscharakteristik oder Impedanzcharakteristik in jeder Elektrode berechnung werden. Außerdem kann der Temperaturkoeffizient der Verzögerungszeit aus den temperaturabhängigen Änderungen der Mittenfrequenz des Filters berechnet werden. All dies sind bekannte Berechnungsverfahren.

Die Mittenfrequenzen der hergestellten Filterelemente betrugen 65 bis 70 MHz. Die Oberflächenschallwellengeschwindigkeiten, die elektromechanischen Kopplungsfaktoren und die Verzögerungszeit-Temperaturkoeffizienten der jeweiligen Elemente wurden mit den oben angegebenen Verfahren ermittelt. Die Ergebnisse sind in Fig. 4 angegeben. Die Bezugszeichen 12, 13, 14, 15 und 16 bezeichnen Oberflächenschallwellengeschwindigkeiten der Elemente unter Verwendung von Einkristallplatten, bei denen die Werte χ von 0,3, 0,5, 0,6, 0,8 bzw. 1,0 gelten. Die Bezugszeichen 22, 23, 24, 25 und 26 bezeichnen den elektromachenischen Kopplungsfaktor der Elemente unter Verwendung von Einkristall-Platten, bei denen χ die Werte 0,3, 0,5, 0,6, 0,8 bzw. 1,0 aufweist. Die Bezugszeichen 32, 33, 34, 35 und 36 bezeichnen die Verzögerungszeit-Tempe-

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raturkoeffizienten der Elemente unter Verwendung der Einkristallplatten , bei denen χ die Werte von 0,3, 0,5, 0,6, 0,8 bzw. 1,0 aufweist.

Aus Gründen der Bezugnahme sind die Eigenschaften von Ba₂TiSi₂Og ebenfalls in Fig. U eingetragen. Dabei sind die gestrichelten Linien 11, 21 und 31 Kurven, welche die Eigenschaften von Ba₂TiSi₂Og angeben und basieren auf Daten, die sich aus "H. Yamauchi, Journal of Applied Physics, Band f9, Seite 6162, 1978" ergeben.

Im Falle, wo χ = 1,2 gilt, lagen die Daten dicht an den Kurven 16, 26 und 36, obwohl dies nicht in Fig« H angegeben ist.

Sämtliche Filterelemente mit Ausnahme von denen, die dem Fall von μ = H5° im Teil Ca) von Fig. U entsprechen, zeigten zufriedenstellende praktikable Filterfunktionen mit Einfügungsverlusten oder Dämpfungsverlusten von ungefähr 15 dB, 3 dB Bandbreiten bei ungefähr k,4 MHz und Dämpfungen außerhalb des Bandes von ungefähr 40 dB.

Wie sich aus Fig. H entnehmen läßt, hatten die Verzögerungszeit-Temperaturkoeffizienten der hergestellten Filterelemente so gute Werte, die 20 bis 50 ppm/°C betrugen, während die elektromechanischen Kopplungsfaktoren ausreichend groß waren und Werte von 1,5 bis 2,0 % besaßen.

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Claims

PATENlANWAll E SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK MARIAHILFPLATZ 2 i. 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8OOO MÖNCHEN 9-5 ALSO PROFESSIONAL REPRESENTATIVES OEFOHE THE EUROPEAN PATENT OFFICE Hitachi, Ltd. DEA-25258 22. August 198Ο Piezoelektrischer Einkristall und Oberflächenschallwelleneleraente mit derartigen Einkristallen Patentansprüche

1. Piezoelektrischer Einkristall, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung, die durch die allgemeine Formel (Ba_o_ Sr ) TiSi₉Op gegeben ist und bei der der Wert χ im Bereich von 0,25 < χ <, 1,2 liegt.

2. Piezoelektrischer Einkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert χ im Bereich von 0,5 < χ < 1,0 liegt.

3. Oberflächenschallwellenelement, gekennzeichnet durch die Verwendung von Oberflächenwellen, die sich auf einer Schnittebene senkrecht zu einer Z-Achse eines piezoelektrischen Einkristalls ausbreiten, der eine Zusammensetzung gemäß der allgemeinen Formel

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BAD ORIGINAL

(Ba„_ Sr )TiSi₂Og mit einem Wert von χ im Bereich von 0,25 4 x < 1>2 aufweist, Oberflächenwellen, die sich in einer Richtung parallel zur X-Achse des Einkristalls auf einer die X-Achse enthaltenden Schnittebene ausbreiten, oder Oberflächenwellen, die sich in einer Richtung senkrecht zur X-Achse des Einkristalles auf einer die X-Achse enthaltenden Schnittebene ausbreiten, wobei diese Schnittebene so gewählt ist, daß ein Winkel μ, der zwischen einer Richtung senkrecht zur Schnittebene und der Z-Achse des Einkristalles definiert ist, im Bereich von JuJ *C 30° liegt.

4. Element nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von Oberflächenwellen, die sich in einer Richtung parallel zur X-Achse des Einkristalles in einer die X-Achse enthaltenden Schnittebene ausbreiten, wobei diese Schnittebene so gewählt ist, daß ein Winkel μ zwischen einer Richtung senkrecht zur Schnittebene des Einkristalles und der Z-Achse des Einkristalles definiert ist, der im Bereich von J μJ <C 7 0° liegt.

5. Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenwellen sich in einer Schnittebene senkrecht zur Z-Achse des piezoelektrischen Einkristalles ausbreiten.

6. Element nach einem der Ansprüche 3 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, daß der Wert von χ im Bereich von 0,5 < χ < 1,0 liegt.

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