DE69716238T2 - Akustische oberflächenwellenanordnung - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine akustische Oberflächenwellenanordnung mit einer Interdigital-Elektrode auf einem Einkristallsubstrat.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• In den letzten Jahren sind Endgeräte für die mobile Kommunikation einschließlich Mobiltelefone schnell beliebt geworden. Aus Gründen der Tragbarkeit ist es insbesondere wünschenswert, dass diese Endgeräte hinsichtlich Größe und Gewicht verringert werden. Um eine Verringerung dieser Endgeräte hinsichtlich Größe und Gewicht zu erreichen, sollten im wesentlichen auch die darin verwendeten elektronischen Bauteile hinsichtlich Größe und Gewicht verringert werden. Aus diesem Grund werden für Hochfrequenz- und Zwischenfrequenz-Bauteile der Endgeräte häufig akustische Oberflächenwellenanordnunge, das heißt akustische Oberflächenwellen- Filter, verwendet, die zur Verringerung der Größe und des Gewichts geeignet sind. Ein akustisches Oberflächenwellenanordnung weist zur Erzeugung, zum Empfang, zur Reflexion und zur Ausbreitung von akustischen Oberflächenwellen eine Interdigital-Elektrode auf einem piezoelektrischen Substrat auf.
• Unter den Eigenschaften, die für ein in einem akustischen Oberflächenwellenanordnung Verwendeten piezoelektrischen Substrat wichtig sind, befinden sich die Oberflächenwellen-Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen (SAW- Geschwindigkeit), der Temperaturkoeffizient einer Bandmittenfrequenz im Fall von Filtern bzw. eine Resonanzfrequenz im Fall von Resonatoren (der Temperaturkoeffizient der Frequenz: TCF) sowie ein elektromechanischer Kopplungsfaktor (k²). In Tabelle 1 sind die Eigenschaften verschiedener bisher bekannter piezoelektrischer Substrate für akustische Oberflächenwellenanordnunge dargestellt. Im Folgenden wird auf diese piezoelektrischen Substrate mit Hilfe der in Tabelle 1 verwendeten Symbole Bezug genommen. Diesbezüglich muss angemerkt werden, dass TCV (der Temperaturkoeffizient der SAW-Geschwindigkeit) eine Größe darstellt, die die Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen (SAW- Geschwindigkeit) wiedergibt, das heißt, sie hat einen Wert, der dem zuvor genannten TCF entspricht, der die Temperaturabhängigkeit der Bandmitten- oder Resonanzfrequenz beschreibt. Ein großer TCV-Wert bedeutet, dass die Bandmittenfrequenz eines akustischen Oberflächenwellen-Filters deutlich mit der Temperatur variiert. Tabelle 1
• Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, weisen 64LN und 36LT eine SAW-Geschwindigkeit von 4000 m/s oder höher auf und sind demzufolge zur Konstruktion von Filtern für Hochfrequenz-Bauteile von Endgeräten geeignet. Der Grund hierfür liegt darin, dass in der Praxis auf der ganzen Welt verschiedene Systeme für mobile Kommunikationen in Form von Mobiltelefonen eingesetzt werden, wobei alle bei Frequenzen in der Größenordnung von 1 GHz verwendet werden. Dementsprechend weisen die für die Hochfrequenzbauteile der Endgeräte verwendeten Filter eine Bandmittenfrequenz von ungefähr 1 GHz auf. Akustische Oberflächenwellen-Filter weisen eine Bandmittenfrequenz auf, die im Wesentlichen proportional zu den SAW-Geschwindigkeiten der verwendeten piezoelektrischen Substrate, jedoch nahezu umgekehrt proportional zu der Breite der auf den Substraten ausgebildeten Elektroden-Fingern ist. Um einen Einsatz derartiger Filter bei hohen Frequenzen zu ermöglichen, ist es demzufolge bevorzugt, auf Substrate mit hohen SAW-Geschwindigkeiten, wie beispielsweise 64LN oder 32LT, zurückzugreifen. Auch werden für Filter, die für Hochfrequenz- Bauteile verwendet werden, große Durchlassbereichs-Breiten von 20 MHz oder mehr benötigt. Und derart breite Durchlassbereiche zu erreichen, ist es jedoch insbesondere notwendig, dass die piezoelektrischen Substrate einen großen elektromechanischen Kopplungsfaktor k² aufweisen. Aus diesen Grinden werden häufig 64LN und 32LT verwendet.
• Andererseits wird als Zwischenfrequenz für mobile Endgeräte ein Frequenzband von 70 bis 300 MHz verwendet. Wird ein Filter, der dieses Frequenzband als Bandmittenfrequenz verwendet, mit Hilfe einer akustischen Oberflächenwellenanordnung hergestellt, so bewirkt die Verwendung der vorgenannten 64LN oder 36LT als piezoelektrisches Substrat, dass die Breite eines auf dem Substrat ausgebildeten Elektrodenfingers sehr viel größer ist als die eines zuvor genannten Filters, das für ein Hochfrequenz-Bauteil verwendet wird.
• Dies wird nun unter Bezugnahme auf überschlagsweise berechnete spezifische Werte erklärt. Hierbei stellt d die Breite eines Elektrodenfingers eines akustischen Oberflächenwellen-Transducers, der eine akustische Oberflächenwellenanordnung bildet, f&sub0; die Bandmittenfrequenz des akustischen Oberflächenwellen-Filters und V die SAW-Geschwindigkeit des verwendeten piezoelektrischen Substrats dar. Für diese Werte gilt näherungsweise Gleichung (1)
• (1) f&sub0; = V/(4d)
• Wird ein akustisches Oberflächenwellen-Filter mit einer Bandmittenfrequenz von 1 GHz unter der Annahme konstruiert, das die SAW-Geschwindigkeit 4000 m/s beträgt, dann berechnet sich die Breite seiner Elektrodenfinger aus Gleichung (1) zu
• d = 4000 (m/s)/(4·1000 (MHz)) = 1 um.
• Andererseits ergibt sich bei Konstruktion eines Zwischenfrequenz-Filters mit einer Bandmittenfrequenz von 100 MHz unter Verwendung dieses piezoelektrischen Substrats mit einer SAW-Geschwindigkeit von 4000 m/s die erforderliche Breite der Elektrodenfinger zu
• d = 4000 (m/s)/(4·100 (MHz)) = 10 um.
• Demnach ist die erforderliche Breite der Elektrodenfingers zehnmal so groß wie für das Filter für Hochfrequenz-Bauteile. Eine große Breite der Elektrodenfinger bringt mit sich, dass die akustische Oberflächenwellenanordnung selbst groß wird. Wie aus der zuvor genannten Gleichung (1) gefolgert werden kann, ist es demnach zur Verringerung der Größe eines akustischen Oberflächenwellen-Filters für Zwischenfrequenzen notwendig, ein piezoelektrisches Substrat mit einer niedrigen SAW- Geschwindigkeit zu verwenden.
• Unter den bekannten piezoelektrischen Substraten mit sehr niedriger SAW- Geschwindigkeit ist das bereits in Tabelle 1 erwähnte BGO. Ein piezoelektrisches Substrat aus BGO weist eine SAW-Geschwindigkeit von 1681 m/s auf. Jedoch ist ein piezoelektrisches Substrat aus BGO zur Konstruktion eines Zwischenfrequenz-Filters zur Auswahl des Signals eines einzigen Kanals ungeeignet, da sein Temperaturkoeffizient der SAW-Geschwindigkeit oder seine TCV einen Wert von -122 ppm/ºC erreicht. Der Grund hierfür liegt darin, dass, wie bereits angemerkt, der TCV ein Wert ist, der die Temperaturabhängigkeit der SAW-Geschwindigkeit angibt, und dass ein hoher TCV eine große Variation der Bandmittenfrequenz des akustischen Oberflächenwellen-Filters mit der Temperatur bedingt, wie ebenfalls aus vorstehender Gleichung (1) hervorgeht. Demzufolge ist ein hoher TCV für ein Zwischenfrequenz-Filter ungeeignet, weil möglicherweise unerwünschte Signale aus anderen, dem erwünschten Kanal benachbarten Kanälen aufgenommen werden können.
• Unter den bekannten piezoelektrischen Substraten mit relativ niedriger SAW- Geschwindigkeit ist der bereits in Tabelle 1 erwähnte ST-Quarz-Kristall. Der ST- Quarz-Kristall ist zur Herstellung eines Zwischenfrequenz-Filters geeignet, da sein Temperaturkoeffizient der SAW-Geschwindigkeit oder seine TCV nahezu Null ist (mit einem primären Temperaturkoeffizienten a von Null). Deshalb werden die meisten akustischen Oberflächenwellen-Filter für Zwischenfrequenzen, die bis jetzt für Endgeräte für mobile Kommunikation verwendet werden, mit piezoelektrischen Substraten aus ST-Quarz-Kristall hergestellt.
• Jedoch beträgt die SAW-Geschwindigkeit des ST-Quarz-Kristall-Substrats 3158 m/s, oder ist auf einem nicht ausreichend niedrigen Niveau, und stellt somit eine gewisse Einschränkung für die Verringerung der Größe dar.
• Darüberhinaus beträgt der elektromechanische Kopplungsfaktor k² eines ST-Quarz- Kristalls 0,14% und ist demnach relativ klein. Ein kleiner k² bedeutet, dass nur ein Filter mit einem schmalen Durchlassbereich erreichbar ist. Bis jetzt werden für mobile Kommunikationen, das heißt für Mobiltelefone, analoge Systeme mit einer sehr schmalen Kanalbandbreite von beispielsweise 12,5 kHz nach dem japanischen NTT- Standard, 30 kHz nach dem US AMPS-Standard und 25 kHz nach dem europäischen TACS-Standard verwendet. Demzufolge stellt die Tatsache, dass der zuvor genannte ST-Quarz-Kristall einen kleinen elektromechanischen Kopplungsfaktor k² aufweist, kein Problem dar. In den letzten Jahren wurden jedoch angesichts einer effektiven Ausnutzung von Frequenz-Ressourcen, der Kompatibilität mit digitaler Datenkommunikation usw., digitale mobile Kommunikationssysteme entwickelt, praktisch eingesetzt und haben sich somit schnell verbreitet. Die Kanalbreite dieses digitalen Systems ist sehr groß, beispielsweise 200 kHz und 1,7 MHz in dem europäischen Mobilfunksystem GSM oder den schnurlosen Telefonsystemen DECT. Werden Substrate aus ST-Quarz-Kristall für akustische Oberflächenwellen-Filter verwendet, ist es dann schwierig, diese bei der Herstellung derartiger Breitband- Zwischenfrequenz-Filter zu verwenden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
• Wie oben erklärt, gibt es bei einer konventionellen akustischen Oberflächenwellenanordnung das Problem, dass es bei Verwendung eines piezoelektrischen Substrats wie des zuvor genannten 64LN, 32LT oder Ähnlichem zwar möglich ist, den Durchlassbereich breit zu machen, jedoch die Dimension des Elements aufgrund der hohen SAW-Geschwindigkeit des Substrats groß wird. Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei einer Verwendung des vorgenannten Substrats aus BGO mit niedriger SAW-Geschwindigkeit zur Verringerung der Größe der Anordnung aufgrund eines zu großen Temperaturkoeffizienten der SAW-Geschwindigkeit oder TCV keine ausreichend gute Selektivität erreicht werden kann. Auf jeden Fall können keine ausreichend guten Eigenschaften eines akustischen Oberflächenwellen-Filter für eine beliebige Zwischenfrequenz erreicht werden.
• Das ST-Quarz-Kristall-Substrat mit einem kleinen Temperaturkoeffizienten der SAW- Geschwindigkeit (TCV) weist aufgrund der Tatsache, dass seine SAW- Geschwindigkeit nicht ausreichend niedrig ist, gewisse Einschränkungen hinsichtlich der Größenverringerung auf und erschwert es, eine große Bandbreite zu erreichen, da sein elektromechanischer Kopplungsfaktor k² relativ klein ist.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine akustische Oberflächenwellenanordnung zu schaffen, welche von einer geringen Größe ist und eine ausreichend gute Selektivität sowie einen breiten Durchlassbereich aufweist.
• Diese Aufgabe wird durch die Erfindung nach den Ansprüchen 1 bis 4 gelöst.
• Im folgenden bezeichnet der Ausdruck "Fläche" oder "Wertebereich" einen Schnitt mit einem bestimmten Bereich von Euler-Winkeln Θ und Ψ aus einer Gruppe, die durch den Bereich des Euler-Winkels Φ definiert ist.
• (1) Akustische Oberflächenwellenanordnung mit einer Interdigital-Elektrode auf einer Oberfläche eines Substrats, wobei:
• das Substrat ein zur Punktgruppe 32 gehörender Langasit-Einkristall ist und, wenn ein Schnittwinkel des aus dem Langasit-Einkristall ausgeschnittenen Substrats und eine Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen auf dem Substrat durch Euler-Winkel (Φ, Θ, Ψ) dargestellt werden, Φ, Θ und Ψ innerhalb der folgenden Fläche Φ10-2 liegen:
• Fläche Φ10-2 Φ = 5º bis 15º (ausgenommen 15º)
• Θ = 0º bis 25º
• Ψ = 70º bis 90º
• (2) Akustische Oberflächenwellenanordnung mit einer Interdigital-Elektrode auf einer Oberfläche eines Substrats, wobei:
• das Substrat ein zur Punktgruppe 32 gehörender Langasit-Einkristall ist und, wenn ein Schnittwinkel des aus dem Langasit-Einkristall ausgeschnittenen Substrats und eine Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen auf dem Substrat durch Euler-Winkel (Φ, Θ, Ψ) dargestellt werden, Φ, Θ und Ψ innerhalb der folgenden Fläche Φ20-1 liegen:
• Fläche Φ20-1 Φ = 15º bis 25º (ausgenommen 25º)
• Θ = 135º bis 180º
• Ψ = 35º bis 65º
• (3) Akustische Oberflächenwellenanordnung mit einer Interdigital-Elektrode auf einer Oberfläche eines Substrats, wobei:
• das Substrat ein zur Punktgruppe 32 gehörender Langasit-Einkristall ist und, wenn ein Schnittwinkel des aus dem Langasit-Einkristall ausgeschnittenen Substrats und eine Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen auf dem Substrat durch Euler-Winkel (Φ, Θ, Ψ) dargestellt werden, Φ, Θ und Ψ innerhalb der folgenden Fläche Φ20-2 liegen:
• Fläche Φ20-2 Φ = 15º bis 25º (ausgenommen 25º)
• Θ = 0º bis 25º
• Ψ = 60º bis 80º
• (4) Akustische Oberflächenwellenanordnung mit einer Interdigital-Elektrode auf einer Oberfläche eines Substrats, wobei:
• das Substrat ein zur Punktgruppe 32 gehörender Langasit-Einkristall ist und, wenn ein Schnittwinkel des aus dem Langasit-Einkristall ausgeschnittenen Substrats und eine Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen auf dem Substrat durch Euler-Winkel (Φ, Θ, Ψ) dargestellt werden, Φ, Θ und Ψ innerhalb der folgenden Fläche Φ30 liegen:
• Fläche Φ30 Φ = 25º bis 35º (ausgenommen 35º)
• Θ = 150º bis 180º
• Ψ = 55º bis 70º
• Hierbei muss angemerkt werden, dass beispielsweise "Numerical and Experimental Investigation SAW in Langasite", 1995 IEEE Ultrasonics Symposium, Proceedings, Seiten 389-392, IEEE, NY, USA, 1995 (Veröffentlichung 1) einen Bericht, über die numerisch berechnete SAW-Geschwindigkeit, k²/2, TCD (den Temperaturkoeffizient der SAW-Verzögerungszeit) usw. für Langasit-Einkristall-Substrate
• (0º, 30º, 90º)
• (0º, 53º, 90º)
• (0º, 61º, 0º)
• (0º, 147º, 22º)
• (0º, 147º, 18º)
• (0º, 32º, 40º)
• (0º, 156º, 0º)
• (0º, Θ, 90º)
• (0º, 25º, Ψ)
• gibt, falls die Schnittwinkel der aus dem Langasit-Einkristall ausgeschnittenen Substrate und die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen auf dem Substrat durch Euler-Winkel (Φ, Θ, Ψ) dargestellt werden. In diesem Bericht werden in Fig. 2c TCD-Profile von (0º, Θ, Ψ)-Substraten in der ΦΨ-Ebene dargestellt. Mit derartigen TCD-Profilen ist es möglich, TCV-Profile zu finden. Andererseits liegt die erfindungsgemäße Φ0-Fläche innerhalb des in Fig. 2c dieses Berichtes dargestellten Bereichs. Jedoch stimmt ein Bereich, in dem der aus Fig. 2c dieses Berichts ermittelte TCV minimal wird, nicht mit der durch die vorliegende Erfindung definierten Φ0- Fläche überein.
• Weiterhin liefert "Effects of Electric Field and Mechanical Pressure on Surface Acoustic Wave Propagation in La&sub3;Ga&sub5;SiO&sub1;&sub4; Piezoelectric Single Crystals", 1995 IEEE Ultrasonics Symposium, Vol. 1409 (Veröffentlichung 2) einen Bericht über numerisch berechneten k² oder Ähnliches für die durch Euler-Winkel (Φ, Θ, Ψ) dargestellte Substrate:
• (90º, 90º, Ψ)
• (0º, 90º, Ψ)
• (0º, 0º, Ψ)
• (0º, Θ, 0º)
• (90º, Θ, 0º)
• (Φ, 90º, 0º)
• Ein Artikel "A Study on SAW Propagation Characteristics on a Langasite Crystal Plate" in "The 17th Symposium Preprint on the Fundamentals and Applications of Ultrasonic Electronics" (Veröffentlichung 3) zeigt einen Bericht über numerisch berechnetem k², TCD, usw. für das durch Euler-Winkel (Φ, Θ, Ψ) dargestellte Substrat:
• (90º, 90º, Ψ)
• und über tatsächlich gemessene TCD für durch
• (0º, 0º, 90º)
• (90º, 90º, 175º)
• (90º, 90º, 25º)
• dargestellte Substrate. Diese Veröffentlichung 3 wurde im Oktober 1996, also nach der Einreichung der für die vorliegende Anmeldung prioritätsbegründenden japanischen Patentanmeldung Nr. 8-181500 herausgegeben.
• Ein Artikel "Propagation Direction Dependence of Rayleigh Waves on a Langasite Crystal Plate" zeigt auf Seite 21 des auf dem "51th Study Meeting in the 150th Committee of Surface Acoustic Wave Device Technology" der "Japan Society for the Promotion of Science" verteilten Materials (Veröffentlichung 4) einen Bericht über numerisch berechneten k² usw. für die durch Euler-Winkel (Φ, Θ, Ψ) dargestellten Substrate:
• (0º, 0º, Ψ)
• (90º, 90º, Ψ)
• und über aus einer Serie von tatsächlich gemessenen Resonanzfrequenzen berechnete TCD für durch
• (0º, 90º)
• (90º, 90º, 175º)
• (90º, 90º, 15º)
• (90º, 90º, 21º)
• (90º, 90º 25º)
• dargestellte Substrate. Diese Veröffentlichung 4 wurde am 27 Januar 1997, also nach der Einreichung der für die vorliegende Anmeldung prioritätsbegründenden japanischen Patentanmeldung Nr. 8-181500 herausgegeben.
• Ein Artikel "Propagation Characteristics of Surface Acoustic Waves on La&sub3;Ga&sub5;SiO&sub1;&sub4;" in "The 17th Symposium Preprint on the Fundamentals and Applications of Ultrasonic Electronics" (Veröffentlichung 5) zeigt einen Bericht über numerisch berechneten k², usw. für die durch Euler-Winkel (Φ, Θ, Ψ) dargestellte Substrate:
• (90º, 90º, Ψ)
• (0º, 90º, Ψ)
• (0º, 0º, Ψ)
• (0º, Θ, 0º)
• Diese Veröffentlichung 5 wurde im Oktober 1996, also nach der Einreichung der für die vorliegende Anmeldung prioritätsbegründenden japanischen Patentanmeldung Nr. 8-181500 herausgegeben.
• Darüber hinaus bezieht sich die EP-A-0 873 590, veröffentlicht als WO-A-97/25776, auf optimale Schnitte für SAW-Elemente auf Langasit mit Euler-Winkeln in Bereichen, die sich von denen in der vorliegenden Anmeldung beanspruchten unterscheiden. Dieses Dokument stellt jedoch Stand der Technik nach Art. 54 (3) EPÜ dar und ist für eine Beurteilung des erfinderische Schritts nicht relevant.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer typischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen akustischen Oberflächenwellenanordnung.
BEISPIELHAFTE AUSFÜHRUNGEN
• Fig. 1 zeigt eine typische Ausführungsform der erfindungsgemäßen akustischen Oberflächenwellenanordnung. Diese akustische Oberflächenwellenanordnung umfasst einen Satz von Interdigital-Elektroden 3 und 3 auf einem Substrat 2. Als Substrat 2 wird ein Langasit Einkristall verwendet. Langasit ist ein zur Punktgruppe 32 gehörtender Kristall.
• In dieser Figur stehen die x-, y- und z-Achsen zueinander senkrecht. Die x- und y- Achsen liegen in Richtung der Ebene des Substrats 2 und die x-Achse definiert eine Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen. Die senkrecht zur Substratsebene liegende z-Achse definiert einen Schnittwinkel (eine Schnittebene) des aus dem Einkristall ausgeschnittenen Substrats. Die Beziehungen zwischen diesen x-, y- und z-Achsen und den X-, Y- und Z-Achsen des Langasit-Einkristalls können jeweils durch Euler-Winkel Φ, Θ und Ψ dargestellt werden. Ein Beispiel für die durch Euler-Winkel dargestellte Beziehung zwischen den Achsen des Substrats und der Kristallorientierung kann in der zuvor genannten WO-A-97/25776 gefunden werden.
• Falls in der erfindungsgemäßen akustischen Oberflächenwellenanordnung der Schnittwinkel und die Ausbreitungsrichtung durch Euler-Winkel (Φ, Θ, Ψ) dargestellt werden, liegen Φ, Θ und Ψ in den folgenden Flächen.
• Die Fläche Φ10-2 ist dargestellt durch Φ = 5º bis 15º (ausgenommen 15º)
• Θ = 0º bis 25º
• Ψ = 70º bis 90º
• In der Fläche Φ10-2 ist eine Kombination von Φ, Θ und Ψ gegeben, bei der TCV sehr klein ist oder innerhalb ± 1 ppm/ºC liegt und k² groß ist oder wenigstens 0,2%.
• Die Fläche Φ20-1 ist dargestellt durch Φ = 15º bis 25º (ausgenommen 25º)
• Θ = 135º bis 180º
• Ψ = 35º bis 65º
• Die Fläche Φ20-1 ist vorzugsweise dargestellt durch
• Φ = 15º bis 25º (ausgenommen 25º)
• Θ = 155º bis 180º
• Ψ = 50º bis 60º
• Die Fläche Φ20-1 ist insbesondere dargestellt durch
• Φ = 15º bis 25º (ausgenommen 25º)
• Θ = 155º bis 160º
• Ψ = 50º bis 55º
• In der Fläche Φ20-1 ist eine Kombination von Φ, Θ und Ψ gegeben, bei der der Temperaturkoeffizient der SAW-Geschwindigkeit, TCV, des Substrats innerhalb ±80 ppm/ºC liegt und der Kopplungsfaktor k² des Substrats wenigstens 0,1% ist. In dem genannten bevorzugten Bereich innerhalb der Fläche Φ20-1 ist eine Kombination von Φ, Θ und Ψ gegeben, bei der TCV klein ist oder innerhalb ± 30 ppm/ºC liegt und k² groß oder wenigstens 0,2%, ist. In dem genannten insbesondere bevorzugten Bereich innerhalb der Fläche Φ20-1 ist eine Kombination von Φ, Θ und Ψ gegeben, bei der TCV sehr klein ist oder innerhalb ± 1 ppm/ºC liegt und k² ausreichend groß oder wenigstens 0,3% ist.
• Die Fläche Φ20-2 ist dargestellt durch Φ = 15º bis 25º (ausgenommen 25º)
• Θ = 0º bis 25º
• Ψ = 60º bis 80º
• In der Fläche Φ20-2 ist eine Kombination von Φ, Θ und Ψ gegeben, bei der TCV klein ist oder innerhalb ± 1 ppm/ºC liegt und k² groß oder wenigstens 0,2% ist.
• Die Fläche Φ30 ist dargestellt durch Φ = 250 bis 35º (ausgenommen 35º)
• Θ = 150º bis 180º
• Ψ = 55º bis 70º
• Die Fläche Φ30 ist vorzugsweise dargestellt durch
• Φ = 25º bis 35º (ausgenommen 35º)
• Θ = 150º bis 160º
• Ψ = 65º bis 70º
• In der Fläche Φ30 ist eine Kombination von Φ, Θ und Ψ gegeben, bei der der Temperaturkoeffizient der SAW-Geschwindigkeit, TCV, des Substrats klein ist oder innerhalb ± 30 ppm/ºC liegt und der Kopplungsfaktor k² des Substrats ausreichend groß oder wenigstens 0,2% ist. In dem genannten bevorzugten Bereich innerhalb der Fläche Φ30 ist eine Kombination von Φ, Θ und Ψ gegeben, bei der TCV sehr klein oder innerhalb ± 1 ppm/ºC ist.
• Die Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen beträgt für alle zuvor genannten Fläche auf dem Substrat bis zu 2900 m/s, an manchen Stellen auf dem Substrat jedoch bis zu 2500 m/s.
• Es muss angemerkt werden, dass hier als der Temperaturkoeffizient der SAW- Geschwindigkeit, TCV, der primäre Temperaturkoeffizient verwendet wird. Selbst wenn die Kurve der gegen die Geschwindigkeit angetragenen Temperatur die Form einer quadratischen Kurve annimmt (der primäre Temperaturkoeffizient ist Null), kann die quadratische Kurve mittels einer Anpassung mit Hilfe kleinster Fehlerquadrate durch eine lineare gerade Linie angenähert werden, um TCV zu berechnen. Genauer gesagt kann TCV durch Eine Division eine Änderung Δv der akustischen Geschwindigkeit pro Temperatureinheit durch die akustische Geschwindigkeit v&sub0; bei 0ºC erhalten werden.
• drate durch eine lineare gerade Linie angenähert werden, um TCV zu berechnen. Genauer gesagt kann TCV durch eine Division eine Änderung Δv der akustischen Geschwindigkeit pro Temperatureinheit durch die akustische Geschwindigkeit v&sub0; bei 0ºC erhalten werden.
• Es muss weiterhin angemerkt werden, dass es sich bei dem Langasit-Einkristall um ein trigonalen System handelt und so aufgrund der Kristallsymmetrie in ihrer Gesamtheit äquivalente Kombinationen von Euler-Winkeln existieren. In dem Substrat eines trigonalen Systems sind Φ = 120º bis 240º und Φ = 240º bis 360º (-120º bis 0º) äquivalent zu Φ = 0º bis 120º, Θ =360º bis 180º (0º bis -180º) ist äquivalent zu Θ = 0º bis 180º und Ψ = 90º bis 270º ist äquivalent zu Ψ = -90º bis 90º. Beispielsweise sind Φ = 130º und Φ = 250º äquivalent zu Φ = 10º, Θ = 330º ist äquivalent zu Θ = 30º und Ψ = 240º ist äquivalent zu Ψ = 60º.
• Im Fall des Substrats eines trigonalen Systems ist es auch möglich, die Eigenschaften aller Schnittwinkel und Ausbreitungsrichtungen durch Untersuchung der Eigenschaften in dem Bereich von Φ = 0º bis 30º zu erhalten.
• Um demnach die Eigenschaften aller Schnittwinkel und Ausbreitungsrichtungen im Fall des Langasit-Einkristall-Substrats zu erhalten, müssen nur die folgenden Bereiche untersucht werden:
• Φ&sub0; = 0º bis 30º
• Θ&sub0; = 0º bis 180º
• Ψ&sub0; = -90º bis 90º
• Aus Kombinationen derartiger (Φ&sub0;, Θ&sub0;, Ψ&sub0;) ist es möglich, äquivalente Kombinationen von (Φ, Θ, Ψ) zu entnehmen, die in dem Bereich Φ = 0º bis 30º dieselben Eigenschaften aufweisen. Insbesondere kann ein zu (Φ, Θ, Ψ) äquivalentes(Φ&sub0;, Θ&sub0;, Ψ&sub0;) im Bereich von 30º ≤ Φ ≤ 60º durch Φ = 60º - Φ&sub0;, Θ = 180º - Θ&sub0; und Ψ = Ψ&sub0;, im Bereich
• Äquivalent zu (10º, 160º, 40º) sind
• (50º, 20º, 40º)
• (70º, 20º, -40º)
• (110º, 160º, -40º).
• Äquivalent zu (0º, 140º, 25º) sind
• (60º, 40º, 25º)
• (60º, 40º, -25º)
• (120º, 140º, -25º)
• (120º, 140º, 25º)
• (0º, 140º, -25º) ist hierzu auch äquivalent, weil Φ = 120º äquivalent zu Φ = 0º ist.
• Jeder der vorgenannten, in der vorliegenden Erfindung spezifizierten Flächen ist demnach so zu verstehen, dass sie auch die auf diese Weise bestimmten äquivalenten (Φ, Θ, Ψ)-Kombinationen umfasst.
• Der in der vorliegenden Erfindung verwendete Langasit-Einkristall ist üblicherweise durch eine chemische Formel La&sub3;Ga&sub5;SiO&sub1;&sub2; dargestellt und ist beispielsweise aus Proc. IEEE International Frequency Control Sympo., Vol. 1994, Seiten 48-57 (1994) bekannt. Inder vorliegenden Erfindung wird der Langasit-Einkristall als Substrat einer akustischen Oberflächenwellenanordnung verwendet. Wenn in diesem Fall die Schnittrichtung des Kristalls und die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflä­chenwellen spezifisch ausgewählt werden, ist es möglich, eine akustische Oberflächenwellenanordnung zu erhalten, die die oben genannten guten Eigenschaften aufweist. Hierfür können Langasit-Einkristalle verwendet werden, bei denen mit Röntgenbeugung festgestellt wurde, dass sie aus einer einzigen Langasit-Phase bestehen. Anders gesagt sind die hier verwendeten Langasit-Einkristalle nicht immer auf diejenigen beschränkt, die durch die vorher erwähnte chemische Formel dargestellt werden. Beispielsweise kann wenigstens ein Teil des jeweiligen Kristallgitterplatzes für La, Ga oder Si durch ein anderes Element ersetzt werden oder die Anzahl des Sauerstoffs kann von der zuvor genannten stöchiometrischen Zusammensetzung abweichen. Auch können die Langasit-Einkristalle unvermeidliche Verunreinigungen wie Al, Zr, Fe, Ce, Nd, Pt oder Ca enthalten. Hinsichtlich der Art der Herstellung der Langasit-Einkristalle besteht keine spezielle Beschränkung, das heißt, dass sie mittels gewöhnlicher Wachstumsverfahren für Einkristalle, beispielsweise dem CZ-Verfahren, hergestellt werden können.
• Die Substratgröße ist nicht besonders kritisch und kann im Wesentlichen in Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen in der Größenordnung von 4 bis 10 mm und in einer dazu senkrecht stehenden Richtung in der Größenordnung von 2 bis 4 mm liegen. Die Substratdicke kann in der Größenordnung von 0,2 bis 0,4 mm liegen.
• Es wird angemerkt, dass die Schnittrichtung des Substrats mittels Röntgenbeugung bestimmt werden kann.
• Jede der auf dem Substrat 2 ausgebildeten Interdigital-Elektroden 3 besteht aus einer periodisch streifenförmig angeordneten Dünnschichtelektrode zur Erzeugung, zum Empfang, zur Reflexion und zur Ausbreitung von akustischen Oberflächenwellen. Die Interdigital-Elektrode ist so gemustert, dass die erwähnte vorbestimmte Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen erreicht werden kann. Die Interdigital-Elektrode kann durch Bedampfen oder Sputtern unter Verwendung von Au oder Al gebildet werden. Die Fingerbreite der Interdigital-Elektrode kann in Abhängigkeit der Frequenz, für die die akustische Oberflächenwellenanordnung verwendet wird, festgelegt werden und kann für das Frequenzband, in dem die vorliegende Erfindung vorzugsweise verwendet wird, allgemein in der Größenordnung von 2 bis 15 um liegen.
• Die erfindungsgemäße akustische Oberflächenwellenanordnung eignet sich für Filter, die in einem Frequenzband von 10 bis 500 MHz, insbesondere von 10 bis 300 MHz, verwendet werden. Die erfindungsgemäße akustische Oberflächenwellenanordnung eignet sich aufgrund ihrer niedrigen SAW-Geschwindigkeit auch dazu, die Größe akustischer Oberflächenwellen-Verzögerungselemente zu verringern.
BEISPIELE
• Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Beispiele erklärt.
• Ein Langasit-Einkristall A wurde durch das CZ-Verfahren gezüchtet und ein Substrat aus diesem Einkristall herausgeschnitten. Auf der Oberfläche des Substrats wurde zur Herstellung einer akustischen Oberflächenwellenanordnung ein akustischer Oberflächenwellen-Transducer mit einem Set von Interdigital-Elektroden gebildet. Die Interdigital-Elektroden wurden sowohl an der Eingangs- als auch auf der Ausgangseite durch Bedampfen aus Al gebildet und hatten eine Dicke von 0,3 um, eine Breite d der Elektrodenfinger von 12 um und einen Elektrodenabstand (4d) von 48 um, wobei die Anzahl von Elektrodenfingerpaaren 20 betrug. Mehrere derartige Elemente mit verschiedenen Schnittwinkeln des Substrats und verschiedenen Ausbreitungsrichtungen der akustischen Oberflächenwellen wurden hergestellt. Ein weiterer Langasit-Einkristall B wurde durch das CZ-Verfahren gezüchtet und ein Substrat aus diesem Einkristall herausgeschnitten. Auf im Übrigen ähnliche Weise wie im Fall des Einkristalls A wurden mehrere Anordnungen hergestellt.
• Tabelle 2 zeigt die Werte der Euler-Winkel (Φ, Θ, Ψ), durch die der Schnittwinkel des Substrats und die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen bei diesen Anordnungen dargestellt werden:
• Bei diesen Anordnungen wurden die SAW-Geschwindigkeit und der elektromechanischen Kopplungsfaktor k² gemessen. Die SAW-Geschwindigkeit wurde aus der Bandmittenfrequenz des Filters ermittelt und der elektromechanische Kopplungsfaktor k² wurde durch die Messung einer Zweitor-Admittanz des akustischen Oberflächenwellen-Transducers unter Verwendung eines bekannten Smith'schen Äquivalent-Stromkreis-Modells bestimmt. Weiter wurde der Temperaturkoeffizient der SAW- Geschwindigkeit, TCV, im Bereich von -40º bis 80ºC bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst gezeigt. Tabelle 2
• Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, zeigt sich, dass es möglich ist, einen TCV mit einem wie oben erwähnten kleinen Absolutwert, ein hinreichend großes k² und eine niedrige SAW-Geschwindigkeit zu erhalten, falls der Schnittwinkel des aus dem Kristall geschnittenen Substrats und die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung liegen.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
• Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden der Schnittwinkel des aus dem Langasit-Einkristall geschnittenen Substrats und die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen auf dem Substrat optimiert. Dies ermöglicht es, eine akustische Oberflächenwellenanordnung aus einem Substrat mit einem Temperaturkoeffizienten der SAW-Geschwindigkeit, TCV, dessen Absolutwert klein ist, einem großen elektromechanischen Kopplungsfaktor k² und einer niedrigen SAW- Geschwindigkeit zu erhalten. Es ist demnach möglich, eine Filteranordnung, die eine verbesserte Temperaturstabilität, einen breiten Durchlassbereich und eine verringerte Größe aufweist, insbesondere ein akustisches Oberflächenwellen-Filter für Zwischenfrequenzen mit verbesserten Eigenschaften zu erhalten, das für Endgeräte mobiler Kommunikation bestmöglich geeignet ist.

Claims (4)

1. Akustische Oberflächenwellenanordnung mit eine Interdigital-Elektrode auf einer Oberfläche eines Substrats, wobei:

das Substrats ein zur Punktgruppe 32 gehörender Langasit-Einkristall ist und, wenn, verglichen mit einem in Z-Richtung geschnittenen Substrat mit Ausbreitung in X- Richtung, ein Schnittwinkel des aus dem Langasit-Einkristall ausgeschnittenen Substrats und eine Ausbreitungsrichtung (x) der akustischen Oberflächenwellen auf dem Substrat durch Euler-Winkel Φ, Θ und Ψ dargestellt werden, diese innerhalb einer Fläche Φ10-2 in dem folgenden Bereich

Φ = 5º bis 15º, ausgenommen 15º,

Θ = 0º bis 25º

Ψ = 70º bis 90º

liegen.

2. Akustische Oberflächenwellenanordnung mit einer Interdigital-Elektrode auf einer Oberfläche eines Substrats, wobei:

das Substrat ein zur Punktgruppe 32 gehörender Langasit-Einkristall ist und, wenn, verglichen mit einem in Z-Richtung geschnittenen Substrat mit Ausbreitung in X- Richtung, ein Schnittwinkel des aus dem Langasit-Einkristall ausgeschnittenen Substrats und eine Ausbreitungsrichtung (x) der akustischen Oberflächenwellen auf dem Substrat durch Euler-Winkel Φ, Θ und Ψ dargestellt werden, diese innerhalb einer Fläche Φ20-1 in dem folgenden Bereich

Φ = 15º bis 25º, ausgenommen 25º,

Θ = 135º bis 180º

Ψ = 35º bis 65º

liegen.

3. Akustische Oberflächenwellenanordnung mit einer Interdigital-Elektrode auf einer Oberfläche eines Substrats, wobei:

das Substrat ein zur Punktgruppe 32 gehörender Langasit-Einkristall ist und, wenn, verglichen mit einem in Z-Richtung geschnittenen Substrat mit Ausbreitung in X- Richtung, ein Schnittwinkel des aus dem Langasit-Einkristall ausgeschnittenen Substrats und eine Ausbreitungsrichtung (x) der akustischen Oberflächenwellen auf dem Substrat durch Euler-Winkel Φ, Θ und Ψ dargestellt werden, diese innerhalb einer Fläche Φ20-2 in dem folgenden Bereich

Φ = 15º bis 25º, ausgenommen 25º,

Θ = 0º bis 25º

Ψ = 60º bis 80º

liegen.

4. Akustische Oberflächenwellenanordnung mit einer Interdigital-Elektrode auf einer Oberfläche eines Substrats, wobei:

das Substrat ein zur Punktgruppe 32 gehörender Langasit-Einkristall ist und, wenn, verglichen mit einem in Z-Richtung geschnittenen Substrat mit Ausbreitung in X- Richtung, ein Schnittwinkel des aus dem Langasit-Einkristall ausgeschnittenen Substrats und eine Ausbreitungsrichtung (x) der akustischen Oberflächenwellen auf dem Substrat durch Euler-Winkel Φ, Θ und Ψ dargestellt werden, diese innerhalb einer Fläche Φ30 in dem folgenden Bereich

Φ = 25º bis 35º, ausgenommen 35º,

Θ = 150º bis 180º

Ψ = 55º bis 70º

liegen.