JPH10209802A - 弾性表面波素子 - Google Patents

弾性表面波素子

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JPH10209802A
JPH10209802A JP4455797A JP4455797A JPH10209802A JP H10209802 A JPH10209802 A JP H10209802A JP 4455797 A JP4455797 A JP 4455797A JP 4455797 A JP4455797 A JP 4455797A JP H10209802 A JPH10209802 A JP H10209802A
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JP
Japan
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surface acoustic
acoustic wave
crystal
substrate
wave
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Application number
JP4455797A
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English (en)
Inventor
Hiroaki Sato
弘明 佐藤
Junji Mori
淳史 森
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Individual
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/02535Details of surface acoustic wave devices
    • H03H9/02543Characteristics of substrate, e.g. cutting angles
    • H03H9/0259Characteristics of substrate, e.g. cutting angles of langasite substrates

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気機械結合係数がSTカット水晶基板より
も大きく、周波数温度特性が良好な基板を用いた熱衝撃
にも強い温度安定性の良い弾性表面波素子を提供する。 【解決手段】 ランガサイト圧電結晶のxカット基板上
のレイリー波モードを用いて波の伝版方向を結晶のy軸
方向から+16度から+23.5度の範囲におき、且つ
弾性波素子を構成する電極類すなわち送信または受信す
だれ状電極または反射器のうち2つ以上の電極を実効的
なパワーフロー角に合うように8度から12度斜めに傾
けて配置することによって、温度安定性の良く、熱衝撃
にも強く且つ電気機械結合係数の大きな特性をもつ弾性
表面波素子を得ている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は弾性表面波素子に関
し、更に詳しくは、ランガサイト(LaGaSiO
14)結晶のxカット板およびその付近のカット板を用
いて形成した弾性表面波共振子や弾性表面波フィルタに
代表されるレイリー波型のモードを用いた弾性表面波素
子に関する。
【0002】
【従来の技術】ランガサイト結晶板はバルク波振動子で
は水晶板よりも電気機械結合係数が大きく容量比の小さ
な共振子や比帯域幅の広いフィルタに適した材料として
実用され始めているが、弾性表面波素子では実効電気機
械結合係数(k)が大きくて温度安定性にすぐれた素
子は実現されていない。
【0003】理論的には、B.P.Sorokin,
P.P.Turchin,S.I.Burkov,D.
A.Glushkov と K.S.Aleksand
rovが Proceedigs of the 19
96 IEEE International Fre
quency Control Symposium,
pp.161〜169,5−7June(1996)で
電気機械結合係数(k)と遅延時間温度係数(TC
D)に関する詳細なデータを示しているが、実験的裏付
けもなく、xカット板に関しては誤りと思える記述があ
る。
【0004】xカット板に関して、発明者が第17回超
音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウ
ムの講演予稿集10月23〜25日(1996)pp.
307〜308で開示した計算結果、およびこれとは独
立に、佐藤隆史,西方敦博と清水康敬氏が同じシンポジ
ウムの予稿集10月23〜25日(1996)pp.3
05〜306で開示した計算結果を比較すると、波の位
相速度と電気機械結合係数(k)の伝搬方位依存性は
ほぼ同一傾向をもっている。これにたいして前述のB.
P.Sorokin等の結果は全く異なる結果となって
いる。 このように、xカット基板では電気機械結合係
数(k)や遅延時間温度係数(TCD)の伝搬方位依
存性は実験的にも理論的にも明確になっていない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】弾性表面波素子の温度
特性に対する要求は通信システムのチャンネル数の増加
に伴いますます厳しくなっている。 たとえば、−20
℃〜+90℃の広い温度範囲でフィルタの中心周波数や
共振子の共振周波数の変化分Δfが小さいほど安定で
あり、20℃(室温)における共振周波数f20に対し
て(Δf/f20)が300ppm(300×10
−6)以内に入ることが望まれている。このように温度
安定性の高い素子を得るには、従来STカット水晶基板
が用いられているが、電気機械結合係数(k)が約
0.12%と小さいために、フィルタとしては十分な比
帯域幅がとれない問題や電圧制御型の発振器用素子とし
ては可変幅がとれない問題があり、さらに、誘電率が小
さいために、素子のインピーダンスが大きくなるため共
振抵抗の小さい素子を得るには交差幅をひろげざるを得
なくなり、主共振に近接してスプリアス共振が発生しや
すくなるという問題も生じる。
【0006】このような問題を解決するために外部にコ
イルなどのインダクタンス成分をいれて素子の制動容量
分を打ち消し、見かけ上のkを大きくする方法がある
がデバイス全体の大きさが大きくなる新たな問題が生じ
る。
【0007】さらにそのほかにも、ICチップと混在さ
せるハイブリット型集積回路では、水晶の場合には熱衝
撃によって結晶自体に相転移が生じて性能が著しく劣化
する問題があることから、熱衝撃に強い相転移が問題に
ならない結晶を用いた弾性表面波素子の実現が望まれて
いる。
【0008】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、電気機械結合係数がSTカット水晶より大き
く、周波数特性の温度変化すなわちΔfの変化分(Δ
/f20)を−20℃〜+90℃の広い温度範囲で
300ppm程度におさめることが可能な程度の、温度
安定性にすぐれた誘電率も大きなレイリー波モード用基
板を使用した弾性表面波素子の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の弾性表面波素子は1470℃の融点まで相
転移がないランガサイト結晶のxカット板およびxカッ
トから±1度以内にある板上のレイリー波の温度特性の
伝搬方位依存性を用いたものである。 その板面上のレ
イリー波モードの励振・受信・伝搬・反射を利用した弾
性表面波素子において、レイリー波の伝搬方向が結晶の
y軸より16度から23.5度までの間にあり、素子の
励信用および受信用すだれ状電極およびグレーティング
反射器のうち少なくとも1つ以上の電極が波の伝搬方向
からさらに+8度から+12度ほど実効的なパワーフロ
ーの方向に沿って角度Θだけ斜めに傾けて配置されてい
ることを特徴とする。
【0010】一般に弾性表面波用基板は図2のような右
手系のオイラー角で(φ,θ,ψ)で表現され、次のよ
うな内容を意味する。この図で、結晶のc軸はz,a軸
はx,xに直交する軸はyとされる。この直交座標系に
おいて、波の伝搬方向をx,基板の深さ方向を−
,波のビーム幅方向をxとするとき、弾性表面波
用基板のカット面とレイリー波の伝搬方向は(φ,θ,
ψ)と表現される。上述した本発明のxカット板はφ=
90゜,θ=90゜となり、伝搬方向はψ=16゜〜2
3.5゜となり、(90゜,90゜,16゜〜23.5
゜)板とかける。
【0011】この基板にアルミニウムを主成分とする金
属薄膜電極によってすだれ状電極およびその両側に反射
電極を配した1ポート型弾性表面波共振子を図1のよう
にレイリー波の伝搬方向からΘ度傾けて形成する。 こ
の角度Θは、図3のようなパワーフロー角の理論値よ
り、電極の膜厚によって異なるが、3度以内の値を差し
引いた角度で形成すると電極があるときの実効的なパワ
ーフローの方向に近づき、共振子ではQが大きくなり、
フィルタでは効率が良くなる。
【0012】実際に電極交差指幅が30波長に相当し、
波長(λ)当たりの電極の厚さ(H/λ)がH/λ=
0.018の電極からなる共振子を製作したところ、図
4に示すような周波数特性が得られた。 1番大きな応
答(ピーク値)を与える周波数が主共振周波数(f
である。
【0013】zカットy伝搬板に相当する(0゜,0
゜,90゜)板およびxカット板に相当する(90゜,
90゜,ψ)板で伝搬方位ψを種々変えながら、実験を
進めたところ、20℃における主共振周波数をf20
して、各温度における主共振周波数(f)の変化分を
(f−f20)/f20で表すと図5に示す特性が得
られる。図5から明らかな通り、(90゜,90゜,2
1゜)板の素子の場合は35℃に頂点をもつ2次曲線状
の温度変化をして、他の基板の場合に対して温度変化が
著しく小さいことが解る。 (90゜,90゜,21
゜)板の素子の詳細な温度変化特性を図6に示す。 −
20℃〜90℃の温度範囲で220ppmの変化しかな
いことがわかる。この基板の電気機械結合係数(k
は0.24%あり、STカット水晶基板の2倍あること
がわかり、また、波の伝搬速度は2620m/sであっ
た。
【0014】(90゜,90゜,21゜)付近で、伝搬
方位ψを変えながら実験を進めたところ、主共振周波数
(f)の変化分((f−f20)/f20)はいず
れも2次曲線状に変化し、その頂点温度を伝搬方位ψに
対してプロットすると図7のようになる。 波長当たり
の電極膜厚(H/λ)が大きくなると頂点温度は低くな
る傾向があり、H/λ=0.018で実線のように変化
したものがH/λ=0.044では点線の位置まで下が
ってくる。
【0015】波長当たりの電極膜厚(H/λ)大きくな
ると実効的なパワーフロー角Θにも影響を与え、実験的
に共振子の応答が大きくなり、容量比が小さくなる場合
をプロットすると図8のようになる。電極膜厚が厚くな
ると実効的なパワーフロー角Θは図3の理論値より最大
で3度程度小さく配置すると共振子の応答が大きくな
り、フィルタでは通過帯域の損失を低減し、比帯域幅の
より大きな素子を作ることができる。
【0016】これらの特性において、切断角に対する精
度はあまり厳しくなく、±1度以内であれば、伝搬方位
を少し変えることで補償することができる。
【発明の効果】以上のように本発明によれば、ランガサ
イト(LaGaSiO14)結晶のxカット板のレ
イリー波の伝搬方位を温度変化が少なくなる伝搬方向に
選ぶことによって、STカット水晶基板より電気機械結
合係数で2倍大きな温度安定性の良い基板にすることを
可能にして、弾性表面波共振子ではより小さな容量比を
実現可能にし、弾性表面波フィルタでは通過帯域幅がひ
ろいフィルタの実現を容易にし、且つ、ハイブリットI
Cに適した熱衝撃に強い弾性表面波素子の実現が可能に
なった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の素子内部の電極構成を示
す模式的平面図
【図2】本発明の実施の形態の基板の切断方位および波
の伝搬方位を表す右手系オイラー角の説明図
【図3】本発明の実施の参考となった理論で得られた波
の伝搬方位とパワーフロー角との関係を示すグラフ
【図4】本発明の実施の形態の1ポート型共振子の特性
を示すグラフ
【図5】ランガサイト基板を用いた1ポート型共振子の
切断角および伝搬方位の違いによる共振周波数の温度に
よる変化分の違いを表すグラフ
【図6】本発明の実施の形態の1ポート型共振子の共振
周波数の温度による変化分を詳細に表すグラフ
【図7】本発明の実施の形態の素子の電極厚さと共振周
波数の温度による変化分の頂点温度との関係を表すグラ
【図8】本発明の実施の形態の素子の電極厚さと実効的
パワーフローを最大にする電極傾斜角との関係を表すグ
ラフ
【符号の説明】
1.ランガサイト圧電結晶基板 2.グレーティング反射器 3.すだれ状電極 4.波の伝搬方向 5.波の実効的パワーフローの方向

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ランガサイト圧電結晶のxカット基板上
    に、結晶のy軸から波の伝搬方向までの角度が、結晶の
    z軸方向に、+16度から+23.5度の範囲にあり、
    且つ、送信すだれ状電極または受信すだれ状電極または
    反射電極のうちの2つ以上の電極が波の伝搬方向から、
    結晶のz軸方向にさらに、+8度から12度傾けて配置
    されていることを特徴とする弾性表面波素子。
JP4455797A 1997-01-23 1997-01-23 弾性表面波素子 Pending JPH10209802A (ja)

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JP4455797A JPH10209802A (ja) 1997-01-23 1997-01-23 弾性表面波素子

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JP4455797A JPH10209802A (ja) 1997-01-23 1997-01-23 弾性表面波素子

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JP (1) JPH10209802A (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7372347B2 (en) 2003-11-18 2008-05-13 Fujitsu Media Devices Limited Surface acoustic wave device

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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