JP2011522498A - 高い集積度を有する高バルク音響共振器タイプの共振器 - Google Patents
高い集積度を有する高バルク音響共振器タイプの共振器 Download PDFInfo
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Abstract
本発明は、所定の動作周波数において動作するための高バルク音響共振器タイプの共振器に関し、この共振器は、圧電変換器（６）と、音響基板（１０）と、圧電変換器（６）の第１の面及び音響基板（１０）の１つの面に接着する金属層によって形成された対向電極（８）と、圧電変換器（６）の第１の面及び音響基板（１０）から離れる方に面する、圧電変換器（６）の第２の面上に配置された電極（４）とを備えている。この共振器は、圧電変換器（６）の剪断モードの偏波方向ＰAと、第２の切断角θ２に対応する音響基板（１０）の少なくとも１つの剪断モードの偏波方向ＰB1とが整列するように、圧電変換器（６）及び音響基板（１０）が相対的に配列されることと、音響基板（１０）の第２の切断角θ２は、対応する一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１が２０ｐｐｍ．Ｋ-1未満の絶対値を有する極値であり、かつ、θ２の値を中心にしたＣＴＦＢ１の変動が、２ｐｐｍ．Ｋ-1／度未満の絶対値を有するわずかな変動であるような角度であることとを特徴とする。
Description
本発明は、温度安定性があると共に高い集積度を有する高バルク音響共振器（ＨＢＡＲ）タイプの共振器と、対応する製造方法と、少なくとも１つのそのような共振器を含む発振器及びフィルターとに関する。
電気発振器の温度安定性のために、さらには、特に宇宙活動の分野において、２ＧＨｚ〜２０ＧＨｚの周波数範囲内の受動部品を基盤とする多くの信号処理の用途（高選択性フィルタリング、狭帯域検出、符号化等）のために、金属壁によって画定された真空電磁空洞を基盤とする機械共振器、すなわち、金属を機械加工することによって製造される共振器が一般的に用いられている。
これらの装置は、たとえば、その品質又は結合係数を最大にしようと試みながら、その個々の用途に合わせて最適化される。
機械共振器を調整して、強い電気的結合と、高い品質係数と、熱安定性との間の良好な歩み寄りを図るには、依然として細心の注意を要するが、そのような装置の主な短所は、その質量及び嵩が大きいことにある。
２ＧＨｚ〜２０ＧＨｚの周波数範囲において帯域フィルタリングのために用いられる受動部品を集積する上で、マイクロストリップは１つの重要なステップを構成するが、熱ドリフト及び共振品質の低下を克服するという代償がある。それらの部品は、誘電体基板上にリソグラフィによって金属導電路を形成することによって形成され、それにより、寸法を著しく小さくできるようにする。周波数が高くなるほど小さくなる傾向があるにもかかわらず、これらの物体は、依然として数センチメートルの寸法を有する。２ＧＨｚ〜２０ＧＨｚの周波数範囲の場合でも、それらの物体は依然として１センチメートルよりも大きい。
本発明の技術的な課題は、２ＧＨｚ〜２０ＧＨｚの周波数範囲を有し、高い温度安定性を有する高周波数電気共振器の質量及び体積に関して集積度を改善することである。
この目的のために、本発明は、所定の動作周波数において動作するための高バルク音響共振器タイプの共振器に関し、この共振器は、第１の材料から成る第１の厚みを有する層によって形成された圧電変換器であって、前記第１の材料単体内の剪断波の電気音響的結合が５％よりも大きくなるように、０に等しいＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７４（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸｗ）／φによって定義される角度φに沿って向けられ、ＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸ１）／θによって定義される第１の切断角θ１に沿って切断され、前記第１の切断角θ１の関数としての周波数温度係数ＣＴＦＡを有する圧電変換器と、第２の材料から成る第２の厚みを有する第２の層によって形成された音響基板であって、少なくとも５．１０12に等しい動作周波数音響品質係数積を有し、０に等しいＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸｗ）／φによって定義される角度φに沿って向けられ、ＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸ１）／θによって定義される第２の切断角θ２に沿って切断され、第１の剪断振動モードに対応する少なくとも１つの偏波方向ＰB1を有し、前記少なくとも１つの剪断モードに対応すると共に前記第２の切断角θ２に依存する一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１を有する音響基板と、前記圧電変換器の第１の面及び前記音響基板の１つの面に接着する金属層によって形成された対向電極と、前記圧電変換器の前記第１の面及び前記音響基板から離れる方に面する、前記圧電変換器の第２の面上に配置された電極とを備え、前記圧電変換器の前記剪断モードの偏波方向ＰAと、前記第２の切断角θ２に対応する前記音響基板の前記少なくとも１つの剪断モードの前記偏波方向ＰB1とが整列するように、前記圧電変換器及び前記音響基板が相対的に配列されることと、前記音響基板の前記第２の切断角θ２は、前記対応する一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１が２０ｐｐｍ．Ｋ-1未満の絶対値を有する極値であり、かつ、θ２の値を中心にしたＣＴＦＢ１の変動が、２ｐｐｍ．Ｋ-1／度未満の絶対値を有するわずかな変動であるような角度であることとを特徴とする。
特定の実施形態によれば、このＨＢＡＲタイプの共振器は、
−前記共振器の前記一次の周波数温度係数ＣＴＦ１は、前記第１の厚みを前記第２の厚みで割った比Ｒｅが５％未満であるときに、前記圧電変換器単体の共振の基本波又は奇数次高調波に対応しないＨＢＡＲタイプの共振器モードの場合の前記一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１に概ね等しいことと、
−前記共振器の前記一次の周波数温度係数ＣＴＦ１の値は、前記第１の厚みを前記第２の厚みで割った比Ｒｅが５％未満であるときに、前記圧電変換器単体の共振の基本波又は奇数次高調波に対応しないＨＢＡＲタイプの共振器モードのために付加的な補正項によって補正された前記一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１に等しく、前記補正項はα．ｎで表され、ｎは前記共振器の前記共振モードの高調波次数を指示する自然数であり、αは前記厚みの比Ｒｅに依存する係数であり、Ｒｅの関数としてその絶対値が減少することと、
−前記圧電変換器の前記第１の材料は、窒化アンモニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸カリウムから構成された材料群に含まれることと、
−前記圧電変換器の前記第１の材料は、好ましくはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）及びタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）から構成された材料群に含まれることと、
−前記音響基板の前記第２の材料は、石英、ニオブ酸カリウム、オルトリン酸ガリウム（ＧａＰＯ4）、四ホウ酸リチウム（ＬｉＢ4Ｏ7）、ランガサイト（Ｌａ3Ｇａ5ＳｉＯ14）、ランガテイト、ランガサイトから構成された材料群に含まれることと、
−前記音響基板（１０）の前記第２の材料は石英であることと、
−前記対向電極は熱圧縮性金属であることと、
−前記対向電極は、金、又は銅、又はインジウムから形成されることと、
−前記共振器の幾何学的寸法は、５０ＭＨｚ〜２０ＧＨｚの周波数範囲に含まれる周波数帯の共振周波数に合わせられることと、
−前記音響基板の前記第２の材料は石英であり、前記音響基板の前記第２の切断角θ２は−３２度に等しく、前記偏波方向ＰB1は、−３２度に等しいθ２の値の場合に前記石英の前記低速剪断モードに対応することと、
−前記圧電変換器の前記第１の材料はニオブ酸カリウムであり、前記係数αは、前記厚みの比が５％、２％、１％、０．５％に等しい場合にそれぞれ、−３．１０-7、−１，５．１０-7、−３，７５．１０-8、−１，８７５．１０-8であることと
のうちの１つまたはいくつかの特徴を含む。
−前記共振器の前記一次の周波数温度係数ＣＴＦ１は、前記第１の厚みを前記第２の厚みで割った比Ｒｅが５％未満であるときに、前記圧電変換器単体の共振の基本波又は奇数次高調波に対応しないＨＢＡＲタイプの共振器モードの場合の前記一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１に概ね等しいことと、
−前記共振器の前記一次の周波数温度係数ＣＴＦ１の値は、前記第１の厚みを前記第２の厚みで割った比Ｒｅが５％未満であるときに、前記圧電変換器単体の共振の基本波又は奇数次高調波に対応しないＨＢＡＲタイプの共振器モードのために付加的な補正項によって補正された前記一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１に等しく、前記補正項はα．ｎで表され、ｎは前記共振器の前記共振モードの高調波次数を指示する自然数であり、αは前記厚みの比Ｒｅに依存する係数であり、Ｒｅの関数としてその絶対値が減少することと、
−前記圧電変換器の前記第１の材料は、窒化アンモニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸カリウムから構成された材料群に含まれることと、
−前記圧電変換器の前記第１の材料は、好ましくはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）及びタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）から構成された材料群に含まれることと、
−前記音響基板の前記第２の材料は、石英、ニオブ酸カリウム、オルトリン酸ガリウム（ＧａＰＯ4）、四ホウ酸リチウム（ＬｉＢ4Ｏ7）、ランガサイト（Ｌａ3Ｇａ5ＳｉＯ14）、ランガテイト、ランガサイトから構成された材料群に含まれることと、
−前記音響基板（１０）の前記第２の材料は石英であることと、
−前記対向電極は熱圧縮性金属であることと、
−前記対向電極は、金、又は銅、又はインジウムから形成されることと、
−前記共振器の幾何学的寸法は、５０ＭＨｚ〜２０ＧＨｚの周波数範囲に含まれる周波数帯の共振周波数に合わせられることと、
−前記音響基板の前記第２の材料は石英であり、前記音響基板の前記第２の切断角θ２は−３２度に等しく、前記偏波方向ＰB1は、−３２度に等しいθ２の値の場合に前記石英の前記低速剪断モードに対応することと、
−前記圧電変換器の前記第１の材料はニオブ酸カリウムであり、前記係数αは、前記厚みの比が５％、２％、１％、０．５％に等しい場合にそれぞれ、−３．１０-7、−１，５．１０-7、−３，７５．１０-8、−１，８７５．１０-8であることと
のうちの１つまたはいくつかの特徴を含む。
また、本発明は、高バルク音響共振器タイプの共振器を製造する方法に関し、この方法は、第１の材料から成る第１の厚みの層から構成された圧電変換器を準備するステップであって、前記第１の材料単体内の剪断波の電気音響的結合が５％よりも大きくなるように、０に等しいＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸｗ）／φによって定義される角度φに沿って向けられ、ＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸ１）／θによって定義される第１の切断角θ１に沿って切断され、前記圧電変換器は、前記第１の切断角θ１の関数としての周波数温度係数ＣＴＦＡを有するステップと、第２の材料から成る第２の厚みを有する第１の層によって形成された音響基板を準備するステップであって、少なくとも５．１０12に等しい動作周波数音響品質係数積を有し、０に等しいＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸｗ）／φによって定義される角度φに沿って向けられ、ＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸ１）／θによって定義される第２の切断角θ２に沿って切断され、第１の剪断振動モードに対応する偏波方向ＰB1を有し、前記音響基板は、前記少なくとも１つの剪断モードに対応すると共に前記第２の切断角θ２に依存する一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１を有するステップと、熱圧縮性金属を用いて、前記音響基板の１つの面及び前記圧電変換器の第１の面を金属化するステップと、前記圧電変換器及び前記音響基板を組み立てるステップと、圧縮によって、前記金属化するステップにおいて金属化された前記音響基板及び前記圧電変換器のそれぞれの面を接着するステップと、前記圧電変換器の第２の面上において電極を金属化するステップとを含み、前記組み立てるステップ中に、前記圧電変換器の前記剪断モードの偏波方向ＰA及び前記第２の切断角θ２に対応する前記音響基板の前記少なくとも１つの剪断モードの前記偏波方向ＰB1が整列するように、前記圧電変換器が前記音響基板に対して配置されることと、前記準備するステップにおいて、前記音響基板を準備するために、前記対応する一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１が２０ｐｐｍ．Ｋ-1未満の絶対値を有する極値であり、かつθ２の値からのＣＴＦＢ１の変動が２ｐｐｍ．Ｋ-1／度未満の絶対値を有するわずかな変動であるように、前記音響基板の前記第２の切断角θ２が選択されることとを特徴とする。
また、本発明は、上記の高バルク音響共振器タイプの共振器を備えるホモダイン発振器に関する。
また、本発明は、上記の高バルク音響共振器タイプの共振器に基づくセルを備える高除去フィルターに関する。
本発明は、単に一例として提供されると共に図面を参照しながら行なわれる一実施形態の以下の説明を読めば、さらに深く理解されるであろう。
図１及び図２は、本発明による、高バルク音響共振器タイプの共振器２の一実施形態を示している。
共振器２は、
−厚みｅ1を有するアルミニウムから形成された上側電極４と、
−第１の厚みｔ1を有する単結晶形の第１の材料、ここではニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）から構成された圧電変換器６と、
−厚みｅ2を有する金から形成された埋込対向電極８と、
−第２の厚みｔ2を有する単結晶形の第２の材料、ここでは石英から構成された音響基板１０と
を含む一連の層から成る堆積体を備えている。
−厚みｅ1を有するアルミニウムから形成された上側電極４と、
−第１の厚みｔ1を有する単結晶形の第１の材料、ここではニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）から構成された圧電変換器６と、
−厚みｅ2を有する金から形成された埋込対向電極８と、
−第２の厚みｔ2を有する単結晶形の第２の材料、ここでは石英から構成された音響基板１０と
を含む一連の層から成る堆積体を備えている。
図１の層４、６、８、１０は全て同じ長さＬ及び幅Ｗを有し、長さＬは幅Ｗよりも明らかに長く、またそれらの層は異なる厚さｅ1、ｔ1、ｅ2、ｔ2を有している。
図１を簡単にするために、圧電変換器６の表面に等しい表面を有する上側電極４及び埋込対向電極８が示されている。
実際には、上側電極４及び埋込対向電極８は、圧電変換器６の表面よりも小さな表面を有し、上側電極４は、埋込対向電極８の表面以下の表面を有する。
接着層としての役割を果たす埋込層を含む製造方法では、埋込対向電極８は必然的に、リソグラフィ及び金属層堆積法によって製造される上側電極４の表面よりも大きな表面を有する。
上側電極４及び埋込対向電極８の表面は向かい合って、互いに平行に配置されており、それらの縁は可能な限り平行であり、それらの表面に面する個々のゾーンは最大である。理想的には、上側電極４及び埋込対向電極８の表面は完全に重ね合わせられる。
それゆえ、波の励起は、共振器のいわゆる平面−平面構成に対応すると仮定され、その構成の場合、波は、図２の矢印１２によって示される圧電変換器６内の剪断波の伝搬方向において、圧電変換器６の両方の表面上に堆積された非常に薄い上側電極４及び埋込対向電極８によって励起される。
圧電変換器６は、ベクトルＰAによって示される共振器の長さｌに沿って向けられた偏波に従って励起される剪断モードを有している。
音響基板１０は、２つの剪断モード、すなわち、第１のモードである低速モードと、第２のモードである高速モードとを有している。
いわゆる高速剪断波及びいわゆる低速剪断波は直交偏波の剪断波と定義され、いわゆる高速波は、いわゆる低速波よりも速い位相速度を有する。
図１において、圧電変換器６の剪断モードに対応する励起の偏波ベクトルＰAは、音響基板の低速剪断モードに対応するＰB1で指示された偏波ベクトルと整列する。
高速剪断モードの励起に対応する偏波ベクトルは、図１において、ＰB1に直交するＰB2によって示されており、音響基板１０の伸長面内に含まれる。
圧電変換器６と音響基板１０との間に挿入された埋込対向電極８は、共振器２の構造への接着のためにも用いられる。
圧電変換器６を構成するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）の層は、ウェーハを形成する単結晶原材料において第１の切断角θ１に沿って切り取られたプレートである。
音響基板１０を構成する石英の層は、原料の単結晶石英ウェーハにおいて第２の切断角θ２に沿って切り取られたプレートである。
図３によれば、ニオブ酸リチウムのプレートが、図示されていないが、結晶軸Ｘ1、Ｙ1、Ｚ1によって指示されたウェーハの材料から第１の切断角θ１に沿って切り取られる。ただし、結晶軸Ｚ1はウェーハの縦軸であり、結晶軸Ｘ1、Ｙ1は、単結晶の製造中に予め決定される。
ここでθ１は、ＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格において、結晶軸Ｘ1を中心にしたシングルローテーションカットの第１の切断角θ１と定義され、そのカットは、ＩＥＥＥ標準規格において（Ｙ1Ｘl1）／θ１で表され、図３の例示によれば、Ｘl1は、直線の下側縁と整列する軸であり、そのカットの厚みはｔ1であり、長さはｌ1である。
切り取られるプレート６に関連する基準系は、３つの軸Ｘ’1、Ｙ’1、Ｚ’1によって示されており、軸Ｘ’1は結晶軸Ｘ1と組み合される。２つの軸Ｙ’1、Ｚ’1は、結晶軸Ｘ1を中心にして、結晶軸Ｘ1、Ｙ1をそれぞれ回転角θ１だけ回転させることによって得られる。
図４は、圧電変換器６の結晶軸Ｘl1を中心にしたシングルローテーションカットの場合の縦波及び剪断波の位相速度の変化を示している。
曲線１４は、上側電極４及び埋込対向電極８の平面において垂直軸に沿って圧電変換器６内に広がる剪断波の位相速度を、度単位で表される第１の切断角θ１の関数として示している。
曲線１６は、長さｌの軸に沿って圧電変換器６内に広がる、ｋｍ／ｓ単位で表された縦波の位相速度を、度単位で表される第１の切断角θ１の関数として表している。
図５は、圧電変換器６の結晶軸Ｘ1を中心にしたシングルローテーションカットの場合の縦波及び剪断波の結合を示している。
曲線１８は、剪断波の場合に音響エネルギーに変換される電気エネルギーの割合として表された結合係数Ｋ2 Tの変化を、度単位で表される第１の切断角θ１の関数として示している。
曲線２０は、縦波の場合に音響エネルギーに変換される電気エネルギーの割合として表された結合係数Ｋ2 Tの変化を、度単位で表される第１の切断角θ１の関数として示している。
図５は、曲線１８及び２０が、縦波が圧電気によって実際には結合されず、その結果として電気的に励起されない角度ゾーン２２を有することを示している。剪断波の励起は特に有効であり、Ｋ2 Tによって示される電気機械的結合が５０％〜６０％である。
角度ゾーン２２は、１６３度に等しい角度θ１を中心に、１０度に等しい広がりを有している。
図１に示される圧電変換器の第１の切断角θ１は、１６３度に等しい図６の角度ゾーン２２において選択される。
ニオブ酸リチウムのシングルローテーションカットの場合、高速剪断波に対応するモードだけが、圧電気による電気機械的結合を有する。図６において与えられる、平面軸Ｘ’1、Ｙ’1に沿った圧電変換器６のプレートの平面図について考慮すると、圧電気によって励起される剪断モードは、図６において向こう側から示される、すなわち平面（Ｘ’1，Ｙ’1）に対して垂直である、軸Ｚ’1に沿ったスカラー偏波を有するが、その空間依存性は、励起面に基づいて空間座標の関数によって表されることが示される。偏波ベクトルＰAは、軸Ｚ’1と同一直線上にある。
図７によれば、石英プレート１０は、図には示されないが、石英の結晶軸Ｘ2、Ｙ2、Ｚ2によって指示されるウェーハの単結晶原料から、第２の切断角θ２に沿って切り取られる。ただし、結晶軸Ｚ2は、結晶宝石の成長中に現れる光学軸Ｃである。
ここで、第２の切断角θ２もまた、ＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格において、結晶軸Ｘ2を中心にしたシングルローテーションカットの第２の切断角θ２と定義され、そのカットは、ＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６標準規格において（Ｙ2Ｘl2）／θ２で表され、図４の例示によれば、Ｘl2は、直線の下縁に一致する軸であり、そのカットの厚みはｔ2であり、長さはＬ2である。
切り取られる石英プレート１０に関連する基準系は、３つの軸Ｘ’2、Ｙ’2、Ｚ’2によって示されており、軸Ｘ’2は、結晶軸Ｘ2と組み合わされる。２つの軸Ｙ’2、Ｚ’2は、結晶軸Ｘ2を中心にして、結晶軸Ｙ2、Ｚ2をそれぞれ回転角θ２だけ回転させることによって得られる。
図６の圧電変換器６に関して与えられる平面図と同じような、図８において与えられる石英プレート１０の軸Ｘ’2、Ｙ’2に沿った平面図を考慮すると、第１の波の温度感度が０に近いカットを有する、石英において利用したい剪断モードの偏波を、記号を変更することなく示すことができる。石英の剪断もスカラーであるが、その剪断は軸Ｘ’2に沿って確立され、励起面に基づいてプレートに結び付けられる局部座標に依存する。それゆえ、ＩＥＥＥ標準規格表記１９４９年版（圧電気の規格についてのＩＥＥＥ規格（IEEE standard on piezoelectricity Std.） １７６頁，１９４９年（176-1949）, 通信学会誌（Proc. of the IRE） ３７巻、 １３７８〜１３９５頁、１９４９年）に従って（ＸＹ１／θ）で表されるシングルローテーションニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムプレートの場合、選択される剪断波は、互いに直交する偏波を有し、圧電変換器６及び音響基板の結晶軸が適切に整列する場合のみ結合する。音響基板１０、ここでは石英において励起したい音響波を結合できるようにするために、これらの偏波を、圧電変換器及び音響基板の材料の組立中に考慮しなければならない。
ここで、偏波ＰAがＰB1によって示される音響基板１０内の剪断モードの偏波と同じになることにより、対応する波の位相速度の熱ドリフトを相殺できるように、音響基板１０の軸Ｘ’2に圧電変換器６の軸Ｚ’1を整列させるか、又は同じく音響基板１０の軸Ｚ’2に圧電変換器６の軸Ｘ’1を整列させることによって、この音響結合効果が得られる。
図９は、静的な熱作用に対する石英の剪断モードの感度を、度単位で表される第２の切断角θ２の関数として示している。この感度は、ｐｐｍ．Ｋ-1単位（ケルビン当たりの周波数のｐｐｍ）で表され、図１に類似の平面−平面音響基板１０の場合の２つの一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１及びＣＴＦＢ２の形をとる。
実線の第１の曲線３０は、圧電気によって結合されるいわゆる低速剪断波の場合の第１の一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１の変化を、第２の切断角θ２の関数として示しており、ベクトルＰB1に対応する偏波は、第２の切断角θ２の値が−９０度〜−２４度であるときに、軸Ｘ’2に沿って向けられ、第２の切断角θ２が−２４度〜＋９０度であるときに、軸Ｚ’2に沿って向けられる。
破線の第２の曲線３２は、圧電気によって結合されないいわゆる高速剪断波の場合の第２の一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ２の変化を、第２の切断角θ２の関数として示しており、ベクトルＰB2に対応する偏波は、第２の切断角θ２の値が−９０度〜−２４度であるときに、軸Ｚ’2に沿って向けられ、第２の切断角θ２が−２４度〜＋９０度であるときに、軸Ｘ’2に沿って向けられる。
いわゆる高速波すなわち高速モード剪断波及びいわゆる低速波すなわち低速モード剪断波は、直交偏波を有する剪断波と定義され、いわゆる高速波は、いわゆる低速波よりも速い位相速度を有する。
石英の場合、−２４度に等しい第２の切断角θ２の付近において、低速モード及び高速モードが偏波を交換する。それらのモードは直交したままであるが、−２４度〜−９０度の第２の切断角θ２を有するカットの場合に、高速剪断モードが低速剪断モードに取って代わる。この現象は図９において見ることができ、２つのモードの係数が、−２４度に等しい第２の切断角θ２の付近において突然変化する。
これは、図１の例示が−２４度未満の第２の切断角θ２に対応し、ベクトル偏波ＰB1が結晶軸Ｘ2を有する低速剪断に対応するという結果をもたらす。
第２の切断角θ２が−２４度よりも大きい場合には、図１の偏波ベクトルＰB1及びＰB2は交換され、一定の剪断モードにおいて動作することを望む場合には、ベクトルＰAを低速剪断偏波ベクトルＰB1に整列させるように、圧電変換器のプレート、すなわち、圧電変換器の励起波の偏波ベクトルＰAを９０度だけ回転させるべきである。
曲線３０は、低速剪断波の場合の第１の一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１が０に近くそれにわずかに接近する角度ゾーン３４の存在を示している。角度ゾーン３４は、−３５度を中心に、２２度の広がりを有することにより、２０ｐｐｍ．Ｋ-1未満の絶対値を有する第１の一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１を保証する。
図１の圧電変換器の第１の切断角θ１は、角度ゾーン２２において選択され、音響基板の第２の角度θ２は、角度ゾーン３４において選択される。
こうして、ＨＢＡＲタイプの共振器の構造を形成することができ、その構造では、ある用途の動作要件に起因するさらなる電気的特性を満たしながら、共振器が所望の同調周波数において共振するように、圧電変換器の幾何学的寸法が決定される。
さらなる電気的特性は、たとえば、他の共振がない共振モード周囲のスペクトルゾーンと定義される２つの共振モード間のスペクトル分離と、選択された共振モードの電気機械的結合の効率と、共振の特性インピーダンスと、共振時の品質係数と、共振モードの熱安定性とである。
スペクトル分離は、埋込対向電極を含む、圧電変換器及び音響基板によって形成されたアセンブリの基本モードの周波数に対応するので、スペクトル分離は、ＨＢＡＲタイプの共振器の層の堆積体の全厚みを決定できるようにする。
異なる材料によって形成されたＨＢＡＲタイプの共振器の各層の厚さは、所望の共振又は同調周波数のモードが得られるように調整される。
また、圧電変換器の厚みは、所望の電気機械的結合を考慮に入れて決定される。その結合は、選択されたモードが圧電変換器単体の共振の基本モードに近いときに最大になる。
圧電変換器／音響基板の厚みの比は、目標とする共振の所望の熱安定性及び品質係数の関数として調整され、共振時の品質パラメーターの性能を確実に達成するために、用いられる材料の粘弾性定数、又は、たとえば、誘電率のような物理的特性を表す複素数値を有する他の物理係数を十分に知る必要があることがわかっている。これらの定数の虚数部は多くの場合に、帰納的に又は予測モデルのパラメーターを調整することによって決定される。
共振時のインピーダンスは、選択されたモデルの電気機械的結合及び向かい合う電極表面の値に依存する。所与のインピーダンス、たとえば、５０オームの場合、選択されたモードの電気機械的結合が弱いほど、電極の向かい合う表面が大きくなる。
積み重ねた厚みが１ｍｍ〜数μｍである場合に、典型的な電極表面は、数百μｍ2〜数ｍｍ2である。
音響基板１０の高速モードにおける圧電変換器６の電気音響的振動の結合は、埋込対向電極８を通してなされ、埋込対向電極８は、圧電変換器６の帯域通過において音響的な短絡回路としての役割を果たす。
したがって、音響基板１０は、自らの共振モードにおいて圧電変換器６の共振モードに従属し、それにより、圧電変換器６の共振モードに大きな温度安定性を与える。圧電変換器６が独立したままであったなら、著しくドリフトしていたであろう。実際には、ＨＢＡＲ圧電変換器の一次の周波数温度係数は高い値を有し、絶対値において、ニオブ酸リチウムの場合、８０ｐｐｍ．Ｋ-1よりも大きく、タンタル酸リチウムの場合、４０ｐｐｍ．Ｋ-1よりも大きい。
このように、従属される圧電変換器６の共振モードの温度安定性は、５％未満の変換媒体及び音響伝搬媒体の厚みの比Ｒｅ、たとえば、５０μｍの石英上の２．５μｍのニオブ酸リチウムの比の場合に、第２の切断角θ２を通して選択される周波数温度係数ＣＴＦＢ１の値と、圧電変換器６の剪断モード及び石英１０の低速剪断モードにそれぞれ対応する偏波ベクトルＰA及びＰB1の整列と、変換層単体の共振の基本波又は奇数次高調波に対応しないＨＢＡＲタイプの共振器の構造のモードとに対応する温度安定性である。
上記の構成では、一次近似において、ＨＢＡＲタイプの共振器の一次の周波数温度係数の最も低い達成可能な値は−２ｐｐｍ．Ｋ-1に等しい。その値は、石英カット（Ｙ2，Ｘl2）／−３２度又は−３２度±５度に対応する。計算された達成可能な値の精度は、ＨＢＡＲタイプの共振器の寸法を計算するために用いられる物理定数の不確実性を考えると、±２ｐｐｍ．Ｋ-1に等しい。
より正確には、ＨＢＡＲタイプの共振器の一次の周波数温度係数の最も低い達成可能な近似値は、変換ゾーンの寄与を表すと共に共振モードの次数及び圧電変換器／音響基板の厚みの比に依存する付加的な補正項によって補正されなければならない。この補正項は、α．ｎで表される。ただし、ｎは共振モードの次数を示す自然数であり、係数αは、厚みの比Ｒｅに依存し、厚みの比Ｒｅが５％、２％、１％、０．５％の場合にはそれぞれ、−３．１０-7、−１，５．１０-7、−３，７５．１０-8、−１，８７５．１０-8である。最適な結合に対応する共振モード（変換層では半波長）が達成されると、補正項のこの変動則は有効ではない。
図１０は、本発明によるＨＢＡＲタイプの共振器の温度安定性能を表している。
この図は、共振器、ここでは、ＨＢＡＲタイプの一次の周波数温度係数の逆転温度Ｔｉｎｖの概念を示している。逆転温度Ｔｉｎｖは、第１の一次の周波数温度係数が相殺し符号を変更する温度である。
図１０は、＋１６３度に等しい第１の切断角θ１及び１μｍの厚みを有するニオブ酸リチウムの圧電変換器と、−３２度に等しい第２の切断角θ２及び５０μｍの厚みを有する石英の音響基板とによって形成されたＨＢＡＲタイプの共振器において、共振モードの４つの高調波次数について、ｐｐｍ単位で表される相対的な周波数変動の変化を、温度の関数として示している。
その変化は、４つの共振次数に関して概ね同じであり、共振器の一次の周波数温度係数に対応する変化曲線のドリフトは、−５０℃に等しい温度Ｔｉｎｖの場合に相殺する。実際には、石英上のニオブ酸リチウムに基づくＨＢＡＲタイプの共振器の一次の周波数温度係数は、約−５０℃の逆転温度の場合に、−２ｐｐｍ．Ｋ−１に等しい。
ここで、共振器の二次の周波数温度係数は−１６ｐｐｂ．Ｋ-2に等しく、それは以下の古典的な公式から得られる。
ただし、
Ｔinvは、逆転温度を表し、
Ｔrefは、基準温度を表し、ここで図１０によれば＋５０℃に等しく、
ＣＴＦ１は、共振器の一次の周波数温度係数を表し、
ＣＴＦ２は、ＨＢＡＲタイプの共振器の二次の周波数温度係数を表す。
Ｔinvは、逆転温度を表し、
Ｔrefは、基準温度を表し、ここで図１０によれば＋５０℃に等しく、
ＣＴＦ１は、共振器の一次の周波数温度係数を表し、
ＣＴＦ２は、ＨＢＡＲタイプの共振器の二次の周波数温度係数を表す。
得られたＨＢＡＲタイプの共振器のＣＴＦ２の値は、一次の熱作用によって補償されるカットの場合に石英単体において通常測定される１６ｐｐｂ．Ｋ-2よりも一般的に大きい二次の作用に比べて低い。
ＨＢＡＲタイプの共振器の公称動作温度は、−５０℃〜−２７３℃の温度範囲内に難なく調整することができる。
図１１は、本発明による図１の共振器２を製造するための方法１００のフローチャートを示している。
第１のステップ１０２では、圧電変換器６が準備され、圧電変換器６は、第１の材料から成る第１の厚みの層によって形成され、その層は、剪断波の電気音響的結合が５％よりも大きくなるように、０に等しいＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸｗ）／φによって定義される角度φに沿って向けられ、かつＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸ１）／θによって定義される第１の切断角θ１に沿って切断され、圧電変換器６は、第１の切断角θ１の関数としての周波数温度係数ＣＴＦＡを有する。
圧電変換器６の材料は、窒化アンモニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸カリウムから構成された材料群に含まれる。
かなり厚みのある単結晶を製造するための方法を使いこなすのが容易であることに起因して、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）及びタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）の中から材料が選択されることが好ましい。
ニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウムは、５００μｍ及び３５０μｍの厚みの標準値によれば、１０．１６ｃｍ（４インチ）の直径を有するウェーハによって製造することができる。
第２のステップ１０４では、音響基板１０が準備され、音響基板は、第２の材料から成る第２の厚みの層から構成され、その層は、５．１０12に少なくとも等しい動作周波数音響品質係数積を有し、０に等しいＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸｗ）／φによって定義される角度φに沿って向けられ、ＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸ１）／θによって定義される第２の切断角θ２に沿って切断され、第１の剪断振動モードに対応する偏波方向ＰB1を有し、音響基板１０は、少なくとも１つの剪断モードに対応し、かつ第２の切断角θ２に依存する一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１を有する。
第２のステップ１０４では、音響基板１０を準備するために、対応する一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１が２０ｐｐｍ．Ｋ-1未満の絶対値を有する極値であり、第２の切断角θ２のこの値を中心にしたＣＴＦＢ１の変動が２ｐｐｍ．Ｋ-1／度未満の絶対値のわずかな変動であるように、音響基板１０の第２の切断角θ２が選択される。
音響基板の材料は、石英と、たとえばＧｅＯ2タイプ及びＴｅＯ2タイプの同形置換体と、オルトリン酸ガリウム（ＧａＰＯ4）及びその同形構造体と、ニオブ酸カリウムと、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ４ＢＯ7）と、ランガサイト（Ｌａ3Ｇａ5ＳｉＯ14）と、ランガテイトと、ランガサイトと、それらの種々の変形とから構成された材料群に含まれる。
音響基板の材料は、その優れた温度安定性及び結晶学分野におけるその完全な知識に起因して、石英であることが好ましい。
後続のステップ１０６では、２つの面を接着して対向電極を形成するために、熱圧縮性材料又は冷間圧縮性材料、たとえば、金、銅又はインジウムによって、圧電変換器６の１つの面及び音響基板１０の１つの面が、１００ｎｍ〜２００ｎｍの厚みまで金属化される。
圧電変換器６と音響基板１０との間の音響的結合を確実にするだけの十分な可塑性及び機械的強度を考えると、金が、このタイプの接着にとって特に良好な材料である。
組立ステップ１０８では、圧電変換器６の剪断モードの偏波方向ＰA及び第２の切断角θ２に対応する音響基板１０の少なくとも１つの剪断モードの偏波方向ＰB1が整列するように、圧電変換器６及び音響基板１０が配列される。
後続のステップ１１０では、用いられる金属に応じて、温度を上げて又は上げることなく圧縮することによって、接着が行なわれる。
金が用いられる場合、向かい合う表面の品質を保持すると共に金属材料の延性を用いて接着を確実にするために、加熱過程を無くし、長期にわたる加圧が実施される。
このようにして、３０００ニュートンの圧力をかけながら１６時間、３０℃の温度を保持するだけで、欠陥を生じることなく、いくつかのニオブ酸リチウム／石英複合材料スライスを製造することができた。
次にステップ１１２では、共振器のスライスのバーンインが実施され、研磨される。
その後、ステップ１１４では、音響基板の反対側にある圧電変換器６の面において電極が金属化される。
特に、良好な温度安定性能が得られるようにする第２の切断角θ２の値の範囲が広いために、この方法は実施するのが容易である。
さらに、この方法を用いて得られる共振器は、２０ＧＨｚまでの周波数において動作することができる。その共振器は軽量であり、しかも嵩張らないので、高い集積度を提供する。
そのような共振器は、たとえば、ホモダイン発振器又は高除去フィルターのセルに集積することができる。
当然、他の応用例を考えることもできる。
Claims (15)
- 所定の動作周波数において動作するための高バルク音響共振器タイプの共振器であって、
第１の材料から成る第１の厚みを有する層によって形成された圧電変換器（６）であって、前記第１の材料単体内の剪断波の電気音響的結合が５％よりも大きくなるように、０に等しいＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７４（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸｗ）／φによって定義される角度φに沿って向けられ、ＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸ１）／θによって定義される第１の切断角θ１に沿って切断され、前記第１の切断角θ１の関数としての周波数温度係数ＣＴＦＡを有する圧電変換器と、
第２の材料から成る第２の厚みを有する第２の層によって形成された音響基板（１０）であって、少なくとも５．１０12に等しい動作周波数音響品質係数積を有し、０に等しいＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸｗ）／φによって定義される角度φに沿って向けられ、ＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸ１）／θによって定義される第２の切断角θ２に沿って切断され、第１の剪断振動モードに対応する少なくとも１つの偏波方向ＰB1を有し、前記少なくとも１つの剪断モードに対応すると共に前記第２の切断角θ２に依存する一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１を有する音響基板と、
前記圧電変換器（６）の第１の面及び前記音響基板（１０）の１つの面に接着する金属層によって形成された対向電極（８）と、
前記圧電変換器（６）の前記第１の面及び前記音響基板（１０）から離れる方に面する、前記圧電変換器（６）の第２の面上に配置された電極（４）と
を備え、
前記圧電変換器（６）の前記剪断モードの偏波方向ＰAと、前記第２の切断角θ２に対応する前記音響基板（１０）の前記少なくとも１つの剪断モードの前記偏波方向ＰB1とが整列するように、前記圧電変換器（６）及び前記音響基板（１０）が相対的に配列されることと、
前記音響基板（１０）の前記第２の切断角θ２は、前記対応する一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１が２０ｐｐｍ．Ｋ-1未満の絶対値を有する極値であり、かつ、θ２の値を中心にしたＣＴＦＢ１の変動が、２ｐｐｍ．Ｋ-1／度未満の絶対値を有するわずかな変動であるような角度であることと
を特徴とする高バルク音響共振器タイプの共振器。 - 前記共振器の前記一次の周波数温度係数ＣＴＦ１は、前記第１の厚みを前記第２の厚みで割った比Ｒｅが５％未満であるときに、前記圧電変換器単体の共振の基本波又は奇数次高調波に対応しないＨＢＡＲタイプの共振器モードの場合の前記一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１に概ね等しいことを特徴とする、請求項１に記載の高バルク音響共振器タイプの共振器。
- 前記共振器の前記一次の周波数温度係数ＣＴＦ１の値は、前記第１の厚みを前記第２の厚みで割った比Ｒｅが５％未満であるときに、前記圧電変換器単体の共振の基本波又は奇数次高調波に対応しないＨＢＡＲタイプの共振器モードのために付加的な補正項によって補正された前記一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１に等しく、前記補正項はα．ｎで表され、ｎは前記共振器の前記共振モードの高調波次数を指示する自然数であり、αは前記厚みの比Ｒｅに依存する係数であり、Ｒｅの関数としてその絶対値が減少することを特徴とする、請求項１又は２に記載の高バルク音響共振器タイプの共振器。
- 前記圧電変換器の前記第１の材料は、窒化アンモニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸カリウムから構成された材料群に含まれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の高バルク音響共振器タイプの共振器。
- 前記圧電変換器の前記第１の材料は、好ましくはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）及びタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）から構成された材料群に含まれることを特徴とする、請求項４に記載の高バルク音響共振器タイプの共振器。
- 前記音響基板の前記第２の材料は、石英、ニオブ酸カリウム、オルトリン酸ガリウム（ＧａＰＯ4）、四ホウ酸リチウム（ＬｉＢ4Ｏ7）、ランガサイト（Ｌａ3Ｇａ5ＳｉＯ14）、ランガテイト、ランガサイトから構成された材料群に含まれることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の高バルク音響共振器タイプの共振器。
- 前記音響基板（１０）の前記第２の材料は石英であることを特徴とする、請求項６に記載の高バルク音響共振器タイプの共振器。
- 前記対向電極は熱圧縮性金属であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の高バルク音響共振器タイプの共振器。
- 前記対向電極は、金、又は銅、又はインジウムから形成される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の高バルク音響共振器タイプの共振器。
- 前記共振器の幾何学的寸法は、５０ＭＨｚ〜２０ＧＨｚの周波数範囲に含まれる周波数帯の共振周波数に合わせられることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の高バルク音響共振器タイプの共振器。
- 前記音響基板の前記第２の材料は石英であり、
前記音響基板（１０）の前記第２の切断角θ２は−３２度に等しく、
前記偏波方向ＰB1は、−３２度に等しいθ２の値の場合に前記石英の前記低速剪断モードに対応することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の高バルク音響共振器タイプの共振器。 - 前記圧電変換器の前記第１の材料はニオブ酸カリウムであり、
前記係数αは、前記厚みの比が５％、２％、１％、０．５％に等しい場合にそれぞれ、−３．１０-7、−１，５．１０-7、−３，７５．１０-8、−１，８７５．１０-8であることを特徴とする、請求項３または１１に記載の高バルク音響共振器タイプの共振器。 - 高バルク音響共振器タイプの共振器を製造する方法であって、
第１の材料から成る第１の厚みの層から構成された圧電変換器（６）を準備するステップ（１０２）であって、前記第１の材料単体内の剪断波の電気音響的結合が５％よりも大きくなるように、０に等しいＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸｗ）／φによって定義される角度φに沿って向けられ、ＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸ１）／θによって定義される第１の切断角θ１に沿って切断され、前記圧電変換器（６）は、前記第１の切断角θ１の関数としての周波数温度係数ＣＴＦＡを有するステップと、
第２の材料から成る第２の厚みを有する第１の層によって形成された音響基板を準備するステップ（１０４）であって、少なくとも５．１０12に等しい動作周波数音響品質係数積を有し、０に等しいＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸｗ）／φによって定義される角度φに沿って向けられ、ＩＥＥＥ Ｓｔｄ−１７６（１９４９年版）標準規格の用語（ＹＸ１）／θによって定義される第２の切断角θ２に沿って切断され、第１の剪断振動モードに対応する偏波方向ＰB1を有し、前記音響基板（１０）は、前記少なくとも１つの剪断モードに対応すると共に前記第２の切断角θ２に依存する一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１を有するステップと、
熱圧縮性金属を用いて、前記音響基板（１０）の１つの面及び前記圧電変換器（６）の第１の面を金属化するステップ（１０６）と、
前記圧電変換器（６）及び前記音響基板（１０）を組み立てるステップ（１０８）と、
圧縮（１１０）によって、前記金属化するステップ（１０６）において金属化された前記音響基板（１０）及び前記圧電変換器（６）のそれぞれの面を接着するステップと、
前記圧電変換器（６）の第２の面上において電極（４）を金属化するステップ（１１４）と
を含み、
前記組み立てるステップ（１０８）中に、前記圧電変換器（６）の前記剪断モードの偏波方向ＰA及び前記第２の切断角θ２に対応する前記音響基板（１０）の前記少なくとも１つの剪断モードの前記偏波方向ＰB1が整列するように、前記圧電変換器（６）が前記音響基板（１０）に対して配置されることと、
前記準備するステップ（１０４）において、前記音響基板（１０）を準備するために、前記対応する一次の周波数温度係数ＣＴＦＢ１が２０ｐｐｍ．Ｋ-1未満の絶対値を有する極値であり、かつθ２の値からのＣＴＦＢ１の変動が２ｐｐｍ．Ｋ-1／度未満の絶対値を有するわずかな変動であるように、前記音響基板（１０）の前記第２の切断角θ２が選択されることと
を特徴とする方法。 - 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の高バルク音響共振器タイプの共振器を備えるホモダイン発振器。
- 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の高バルク音響共振器タイプの共振器に基づくセルを備える高除去フィルター。
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