JP2000503189A - 高周波sawデバイス - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
基板や結晶の配置方向に関し所定範囲のオイラー角を有するランガサイト結晶基板は、弾性表面波(SAW)デバイスの信号処理を改善し、従って無線電話、移動通信システム、テレビシステムなどの信号処理を改善する。入力櫛歯状トランスデューサIDT(2)に電圧が掛けられると、ランガサイトの圧電基板(1)内に弾性表面波が発生される。この波は、一般にIDT(2)の電極に垂直な方向に伝播する。SAW変換、回折、及びビーム操縦による挿入損失を低減するようなランガサイト結晶カット及び波の伝搬方向が定められる。温度安定性は改善される。低パワーフロー角で且つ低レベル回折も達成される。
Description
【発明の詳細な説明】
高周波SAWデバイス発明の分野
本発明は弾性表面波(SAW)デバイスに係り、特に、所定の結晶配置方向を
有するランガサイト(langasite)結晶基板を備えて、弾性表面波を基板の所定
結晶軸に沿って伝播させるデバイスに関する。発明の背景
本発明は、一般にランガサイト(LSG)として公知の単結晶ランタンガリウ
ムケイ酸塩すなわちLa3 Ga5 SiO14上の弾性表面波の最適な配置方向に関
係する。今のところSAWデバイスは、ワイヤレス、セルラー通信およびケーブ
ルTVのようなRF及びIF用途の広い範囲において、バンドパスフィルタ、共
振器、遅延線、コンボルバー(convolvers)などとして使用されている。一般に用
いられる3つの基板は、リチウムニオブ酸塩、ST−クオーツ、及びリチウムタ
ンタル酸塩である。任意の特定結晶の有効性と特に特定結晶の配置方向を決める
幾つかの材料特性がある。これらの特性には、1)SAW速度Vs、2)SAW
圧電カップリング係数k2 、3)パワーフロー角PFA、4)回折又はビーム拡
散係数γ(ガンマ)、及び5)遅延の温度係数TCDが含まれる。任意の既存基
板における配置方向のうち、これらのパラメータを同時に最適化するものを見つ
けることは出来なかった。従って、基板と配置方向の選択は、用途にとって重要
なものに依存し、ほとんど常にSAW材料特性間での妥協が為される。デバイス
形状パター(patters)はより大きく、よって、デバイスはより製造し易いので
、高周波デバイスに対しては高速度が望まれる。低周波ではデバイスサイズはよ
り小さいので、通常は低速度が望まれ、デバイス及びパッケージングのコストが
低くなる。このように、一般的な最適速度は存在しない。広いバンド幅デバイス
に対しては、高い値のk2 が望ましい。というのは、それにより低い挿入損失が
可能となるからである。k2 の観点からは、リチウムニオブ酸塩が最適であり、
ク
オーツは最悪であり、リチウムタンタル酸塩はその中間である。大抵のデバイス
、特に狭バンドデバイスに対しては、TCDは出来るだけ低く、理想的には零と
すべきである。この観点からは、ST−クオーツが最適であり、リチウムニオブ
酸塩は最悪であり、リチウムタンタル酸塩はその中間である(k2 に対する評価
とちょうど反対である)。γの最適値は−1であり、これは最小のビーム拡散を
もたらす。この観点からは、YZリチウムニオブ塩酸が現在理想的であり、ST
−クオーツは最悪であり、リチウムタンタル塩酸はその中間である。PFAは零
とすべきであり、このことは、1.55゜のPFAを有する112゜リチウムタ
ンタル塩酸は例外として通常使用される大抵のSAW基板の場合に当てはまる。
最狭バンド用途に対しては、ST−クオーツは全く受容できる選択肢である。ま
た、温度安定性がそれほど重要でない非常に広いバンド用途(例えば、デバイス
が一定温度で保持され得る)に対しては、リチウムニオブ酸塩は通常完全に受容
できる。必要とされるものは、より高いk2 と同時に低い又は零のビーム操縦(
PFA)及び回折(γ=−1)を有するけれどもST−クオーツの温度安定性を
与える基板配置方向である。我々は、これらの条件を満たす基板を得ている。
SAWデバイスは公知であり、圧電基板を含み、その表面上に入力及び出力櫛
歯状トランスデューサ(IDT)を備える。より良い温度安定性を得るのにST
−クオーツが用いられる。結晶軸に対するSTカットの配置方向は、オイラー角
φ=0゜、θ=132.75゜、ψ=0゜により示される。このカットに対して
は、温度係数は零に等しい。
公知デバイスには、高い挿入損失を生じるという欠点があり、これは、低い電
気−機械的係数kS 2 =0.116%による変換損失や高周波範囲における伝搬
損失(1GHzで3.1Db/μs以上)に起因する。このことにより、デバイ
スの挿入損失が増加し、移動通信システムでそれらを使用するのを不可能にして
いる。移動通信用フィルタの挿入損失は、中間無線周波数800〜1800MH
zにおいて3〜4Dbを越えてはならない。
発明の概要
本発明の目的は、オイラー角により定められる実質的に平坦な表面を有したラ
ンガサイト結晶を提供することであり、これらの角度範囲内ではランガサイト上
でのSAW伝搬は、例えばST−クオーツで一般に見受けられるものより約2倍
から3倍も強い圧電カップリング、零に近いPFA、零に近いTCD、及び最小
に近いビーム拡散により特徴付けられる。後者3つの条件は任意の配置方向に対
して正確には全てを満たさないが、これら3つの条件共々により測定された性能
は、LiNbO3、LiTaO3又はクオーツの如何なる公知カットよりも十分に
優れており、この範囲内での選択肢は、3番目のものの僅かの経費にて1又は2
を好適に選択できる。
本発明の好ましい態様は、表面上に入力及び出力IDTが配置されたランガサ
イト基板(1)を備えたデバイスを含む。
ランガサイトを使用すると、クオーツに比べて伝搬損失が減少する(周波数1
GHzにおいて1dB/μsまで)。変換損失を減少させるため、基板の配置方
向を定めるオイラー角は、φ=90゜、θ=10゜、ψ=0゜が選択される。
公知デバイスにおける欠点には、低い温度安定性(温度係数=12×10-6)
、高い変換損失、高いビーム操縦損失、及び高い回折損失が含まれ、これらはそ
れぞれ電気−機械的カップリングkS 2、PFAφ、及び異方性パラメータにより
定められる。上記デバイスの場合、kS 2 =0.25%、φ=−5.7%、γ=
−2.859%である。
本発明は挿入損失を減少させ温度安定性を改善することを目的とする。
この目的は次のように達成される。すなわち、ランガサイト基板の表面はZ軸
に対して垂直であり、IDTの電極はX軸に対して垂直でY軸に対して平行であ
る。軸X、Y、Zは、ランガサイトの結晶軸X、Y、Zに対するオイラー角によ
り定められる。この場合、角φは−15゜から10゜までの範囲にあり、角φは
120゜から165゜までの範囲にあり、角ψは20゜から45゜までの範囲に
ある。
図面の簡単な説明
図1は基板軸X’、Y’、Z’及び結晶軸X、Y、Zをオイラー角にて概略的
に示し、X’,Y’,Z’に対するX,Y,Zの相対的な配置方向を規定してい
る。
図2はSAWデバイスの斜視図であり、ランガサイト基板表面に設けられた櫛
歯状トランスデューサを示す。
図3は、異なる値のθの場合において伝搬角ψに対するSAWパラメータ(速
度、パワーフロー角、電気−機械的カップリング係数、及び温度係数)の関係を
示す。
図4は、θ=145゜かつ異なる値のθの場合においてψに対する図3のSA
Wパラメータの関係を示す。
好適実施態様の説明
オイラー角φ=−1%、θ=135.6゜±10%、ψ=24.1゜±8゜で
のランガサイトの結晶カットにより、SAWデバイスの性能が改善される。特に
、この結晶カットにより、3つの臨界SAW伝搬パラメータがほぼ同時に最適化
され且つ第4パラメータの好適値が与えられる。この第4パラメータはカップリ
ング定数k2 であり、これはST−クオーツ結晶において.12%と比較して0
.25から0.35%まで変化する。3つのSAW伝搬パラメータはPFA、γ
およびTCDであり、これらはそれぞれパワーフロー角、回折係数および温度係
数遅延である。PFAはビーム操縦角としても知られており、その角度は、タッ
プ電極に対して常に垂直なSAW波ベクトルと、パワーフローの方向の間にある
。理想的には、PFAは零であるべきである。γは回折又はビーム拡散の目安で
ある。通常は、SAWが基板上を伝搬するにつれ、ビームプロファイルは変化し
拡がる。このビーム拡散により、回折損失やフィルタ応答に対する歪みが生じる
。等方性材料では、γの値は零であり、回折はやや深刻な問題である。回折はγ
=−1のときに最小化され、これは、YZ LiNbO3 やLiTaO3 の特定
のMDC(最小回折カット)の場合である。ST−クオーツでは、γ=+.38
であり、回折は等方性の場合よりも悪い。本開示の指定範囲内において、理想的
なγ=−1となる角度範囲が存在する。同様に、TCDが零である角度範囲が存
在する。(TCDは1℃当たりの相対的遅延変化である。)各パラメータに対し
て、ここで開示された角度の制限範囲内で理想的なパラメータ値が得られる。し
かしながら、これらの値に関係した角度は2次元角度空間(θとψに亘る)内で
点軌跡を形成するので、3つの軌跡が交差する点は無い。このことは、3つのパ
ラメータのうち2つは理想的な性能を達成できるが、3つ全部のパラメータでは
出来ないことを意味する。従って、この範囲内では角度の最適な選択はなお用途
に依存し、実際、3つ全てのパラメータの問題を最小にする中間点が存在する。
これが、本開示における角度拡散の理由である。
オイラー角の使用についてはしばしば混乱が生じるので、言葉による説明が適
当である。Z’軸に垂直な表面上のウエハ外形を考える。X’軸に垂直なウエハ
外形の1つの縁に沿って平面を構成する。SAW伝搬の方向はX’軸に平行であ
る。ここで、結晶軸X、Y、Zはそれぞれウエハ外形軸X’、Y’、Z’に一致
すると仮定する。回転させなければ、ウエハはZカット(ウエハがZに垂直な研
磨表面でカットされる)およびX伝搬(SAWがX軸に平行な方向に伝搬する)
と考えられる。続く任意の回転により、ウエハ軸X’、Y’、Z’は回転され、
一方で結晶軸X、Y、Zは固定されると仮定される。ここで、例として、指定範
囲の中間に近い場合であるオイラー角(φ,θ,ψ)=(0゜,135゜,28
゜)を考える。最初の回転はZ’を中心として(X’からY’に向けて)φだけ
回転する。φ=0゜であるから、この場合は回転しない。次の回転は「新しい」
X’(どんな回転も前の全ての回転を含んだウエハ軸を中心とするように、「新
しい」軸は常にウエハに結びつけられる)を中心としてθ(135゜)だけ回転
する(正の角度回転の場合はY’からZ’に向かう)。最後に、Z’を中心とし
て(X’からY’に向けて)μ(この場合は28゜である)だけ回転させる。
高周波SAWデバイスが図1及び図2を参照して説明される。図3には、角度
θの幾つかの値とφ=0゜の場合についてオイラー角ψに対するSAW速度、P
FAφ、電気−機械的カップリングkS 2 及び温度係数が示されている。φの幾
つかの値とθ=145゜の場合についてψに対する速度、φ、kS 及び温度係数
が図4に示される。
本発明の好ましい実施態様では、ランガサイト基板(1)とIDT(2)、(
3)及び必要ならば反射電極(6)を含むSAWデバイスが含まれる。例として
描かれた基板表面に垂直なZ’、電極4、5、6に垂直なX’及び軸Y’(電極
に平行)は、結晶軸に対して次のように定められる。すなわち、φ=−15゜〜
10゜、θ=120゜〜165゜、ψ=20゜〜45゜であり、ここでφ、θ、
ψはオイラー角である。
φは、結晶軸Xと補助軸X”との間の角であり、この補助軸X”は平面XYの
回転軸である(基板表面の求められる配置方向まで)。
θは、軸Zと基板表面(1)に垂直なZ’との間の角である。
ψは、軸X”と軸X’との間の角であり、X’はIDT(2)、(3)の電極
に垂直である。
SAWデバイスは次のように動作する。IDT(2)に電圧が印加されると、
弾性表面波が基板内で発生され、エネルギーフローがX’方向に伝搬する(X”
とX’との間のこの角はφに等しい)。SAWは出力IDTにより検出され、出
力電圧に変換される。SAWデバイスの挿入損失は幾つかの要因から生じる(こ
こでは双方向性は考慮されてない)。すなわち、基板内での電気−機械的カップ
リングにより定められる入出力IDTの変換損失at =at1+at2、伝搬損失ap
、回折損失ad、ビーム操縦損失aOである。
従って、挿入損失は次のように定められる。
aL=aT1+aT2+ap +ad +aO,dB
挿人損失の各成分は、基板の電気物理的パラメータやIDTの形状パラメータ
に依存する。
変換挿入損失aTiは、中心周波数で誘導器によりマッチングされたN対の電極
を有するIDTに対する電気−機械的カップリング係数の逆数である。すなわち
、
aTi=−101g[2b/(1+b)2],dB
ここで、b=GO/Gaであり、GOは負荷コンダクタンス、GaはIDTアドミタ
ンスである。例えば、中心周波数f0でのアンアポダイズド(unapodized)IDT
のアドミタンスは、
Ga=8kS 2 f0 CS N2 W
として定められ、ここで、CS =2(εT pr+1)(6.5)dn 2+1.08dn
+2.37)10-12(F/m)は、単位長さの電極対のキャパシタンスであ
り、εT prは誘電体の誘電率であり、Wはアパーチャーであり、Nは電極対の数
である。Nは特定のバンド幅により次のように定められる。N=0.632(Δ
f-3/f0)、ここで(Δf-3)は規格化された3dbバンド幅である。
伝搬損失は、入力及び出力IDT間の距離に比例する。すなわち、
ap=bf2 +df,dB/μsec
ここで、b,cは基板材料の定数であり、fは動作周波数であり単位はGHzで
ある。
ビーム操縦損失は角度に比例し、
a0 =−201g(1−Btgφ),dB
となり、ここで、Bは形状パラメータであり1/wに等しく、1はIDT中心間
の距離であり、Wはアパーチャーである。
フレネル領域での回折損失は次のように定められる「4]。
ここで、
Re u(W,y)=Ci(α1)−Ci(α2)
Im u(W,y)=Si(α2)−Si(α1)
a1 =πW2(y+1/2)2/[|1+γ|1λ]
a2 =πw2(y−1/2)2/[|1+γ|1λ]
である。Ci(α)とSi(α)はフレネル積分であり、γは伝搬方向における基
板材料の異方性パラメータであり、λは波長である。回折損失はγの符号と値に
依存し、γ=−1のとき最小となり、これはオートコリメーションを有するカッ
トに対応する。
このように、デバイスにおける挿入損失は、高い電気−機械的カップリング、
低いビーム操縦角φ、異方性パラメータ(−1に近い)を有する基板の配置方向
を選択することにより抑えることができる。IDTアパーチャーの一般的な値と
しては、W=(20〜80)λであり、入力及び出力トランスデューサ間の距離
は1=(200〜300)λであり、回折損失は弾性ビームの形式の歪みに関係
し且つ1.6dBを越えない[1]。従って、デバイスの挿入損失は変換損失と
ビーム操縦損失にほとんど依存する。
[2]で知られたものと比較して本提案デバイスの利点を評価してみる。
配置方向(90゜,10゜,0゜)のプロトタイプデバイスのSAW伝搬パラ
メータは、温度係数=12×10-6(1/℃)、kS 2 =0.26%、φ=−5
.7゜である。
図3及び図4に示されているように、本提案デバイスは、選択された制限15
゜≦φ≦+10゜、120゜≦θ≦165゜、20゜≦ψ≦45゜内の任意のオ
イラー角にてランガサイト上に基づき、温度係数は10×10-6(1/℃)を越
えず、配置方向(0゜,144゜,22.75゜)のとき零に近い。
結果として、公知デバイスと比較して温度安定性が改善されている。
図3及び図4には、提案デバイスにおいてPFAφは5゜より小さく、電気−
機械的カップリング係数は0.2%より大きくその最大値は0.45%であるこ
とが示される。従って、提案した配置方向のほとんどの部分では、電気−機械的
カップリング係数kS はデバイス内のものより大きく、角度φはデバイスのもの
より小さい。このことにより、変換及びビーム操縦損失が減少する。80゜≦ψ
≦45゜である幾つかの場合には、kS 2 は、プロトタイプより幾らか小さく(
0.2%<kS 2 <0.26%)、これはビーム操縦損失を減少させることによ
り補償される。
従って、提案されたグループの配置方向内の各オイラー角の如何なる値に対し
ても、プロトタイプと比べて温度安定性を改善し挿入損失を減少させるような2
つの異なる角度の値を見つけることは常に可能である。
よって、本提案デバイスにおいて所望の結果が達成される。
例として、中間周波数f0 =110.6Mhzでバンド幅Δf0-3 =0.96
5Mhz又は(Δf-3/f0)=0.88%のワイヤレス無線電話(欧州規格D
ECT)用のフィルタを考える。ランガサイト基板は、オイラー角(0゜,14
6゜,22.5゜)により定めれる配置方向、及びパラメータkS 2 =0.42
%、φ=0.9゜、温度係数=2×10-6(1/℃)のものが用いられる。各I
DTの電極数が最適値N=72に近いなら(これはもし負荷抵抗が50オームで
あり、アパーチャーW=3.5でありIDT間の距離1=10mmならば最小の
変換損失となる)、提案デバイスの変換損失は零に近く(双方向性は考慮せず)
、ビーム操縦損失は0.4dBである。
同様の形状パラメータを有するデバイスでは、変換損失とビーム操縦損失の値
はそれぞれ0.6dBと2.9dBである。それから、挿入損失における利得は
3.1dBである。さらに、温度安定性はプロトタイプよりもかなり良い。
別の例として、ワイヤレス無線電話(欧州規格DECT)におけるキャリア無
線周波数の選択用の高周波フィルタを考える。動作周波数はf0=1.89GH
zであり、バンド幅Δf-3=20MHz又は(Δf-3/f0)≒1%である。N
=65、一般的なアパーチャーW=0.14mm(100λ)、IDT中心間の
距離1=1mm、及びオイラー角(0゜,144゜,22.75゜)により定め
られる基板配置方向並びにパラメータkS 2 ≒0.37、φ≒0゜、温度係数≒
0(1/℃)の場合、ビーム操縦損失は零であり、変換損失は1.2dBである
(双方向性は考慮せず)。
同様の形状パラメータを有するデバイスでは、ビーム操縦損失及び変換損失は
それぞれ2.6dBと10.8dBである。挿入損失における利得は12.2d
Bである。さらに、温度安定性が改善される。
上記低損失フィルタはSTクオーツに基づいて設計され得ないことに留意すべ
きである。
本願発明の特定の実施態様について上記詳細に説明してきたが、添付請求の範
囲に記載の発明の精神及び範囲を逸脱することなく、ここに説明の特定の詳細か
ら種々の変更がされ得ることが理解される。
発明、その構成、動作、その好適実施態様の使用、及びそれらにより得られた
有利で新規で有効な結果を説明してきたが、添付請求の範囲には、新規で有効な
構成、使用方法及び当業者には自明の機械的等価物が示される。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L
U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF
,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,
SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S
Z,UG),UA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD
,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ
,BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,
CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,H
U,IL,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ
,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MD,
MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,P
T,RO,SD,SE,SG,SI,SK,TJ,TM
,TR,TT,UA,UG,US,UZ,VN
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1. 弾性表面波(SAW)デバイスであって、 SAW伝搬表面を有するランガサイト基板と、 弾性表面波を放ち且つ検出するため表面上に電極を備えた入力及び出力櫛歯状 トランスデューサと、 を含み、表面波の伝搬方向は、X’軸に沿っており、該基板は、表面に垂直なZ ’軸及び表面に沿い且つX’軸に垂直なY’軸をさらに有し、ランガサイト基板 は、結晶軸X、Y、Zにより定められる結晶配置方向をさらに有し、デバイス軸 X’、Y’、Z’の相対配置方向は、オイラー角φ、θ、ψにより定められ、且 つ、 φの値は−15゜から10゜までの範囲にあり、θの値は120゜から165 ゜までの範囲にあり、ψの値は20゜から45゜までの範囲にある、弾性表面波 (SAW)デバイス。
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