KR19980080493A - 표면 탄성파 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 통신기기등에 사용되는 주파수 선별용 필터, 고안정도의 발진기에 사용되는 공진자등의 소자등에 쓰이는 표면 탄성파 소자에 관한 것이며, 작은 지연시간 온도계수와 비교적 큰 전기기계 결합계수를 가지며, 화학적으로 안정한 기판재료를 가지는 표면 탄성파 소자를 제공하는 것을 목적으로 하고, 란가사이트 기판을 이용하여 란가사이트의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향을 오일러각(Eulerian angles) 표시로 (180°+ α, 40°+β, 20°+γ)으로 하였을 때, α=-2°∼+ 6°, β=-4°∼+ 9°, γ=-l°∼+ 9°, 혹은 (9°+ α, 150°+β, 37°+γ)으로 하였을 때, α=-6°∼6°, β=-5°∼5°, γ=-5°∼5°, 혹은, (0°+α, 140°+β, 24°+γ)으로 하였을 때 α=-5°∼5°, β=-5°∼5°, γ=-5°∼5°, 또는 이들과 같은 방위로 하였다.
Description
본 발명은 통신기기 등에 사용되는 주파수 선별용 필터, 고안정도의 발진기용 공진자 등의 소자 등에 사용되는 표면 탄성파 소자에 관한 것이다.
종래에는 표면탄성파 소자용의 기판으로서는 일반적으로 니오브산 리튬, 탄탈산 리튬, 사붕소산 리튬(예를 들면, 일본 특허공개 제 85-41315호 공보 참조), 수정 등의 압전성 단결정을 적당한 커트면에서 절단, 연마한 기판이 사용되고 있었다.
표면 탄성파 소자에 사용되는 압전기판에 중요한 성능으로 지연시간 온도계수(TCD)와 전기기계 결합계수(K2)를 들 수 있다. TCD는 0에 가까울수록 또한 K2는 클수록 표면탄성파 소자용 기판으로서 바람직하다. 종래, 표면 탄성파 소자용의 기판으로서는 일반적으로 니오브산 리튬(LiNbO3), 탄탈산 리튬(LiTaO3), 사붕소산 리튬(Li2B4O7), 수정등의 압전성 단결정을 적당한 절단면에서 절단, 연마한 기판이 사용되어 왔다. LiNbO3(예를 들면, 128°Y컷트-X전파)의 경우, K2는 5.5%로 크지만, TCD가 74ppm/℃로 크기 때문에 온도변화에 따른 주파수의 드리프트가 발생하여 협대역 특성이 요구되는 필터나, 높은 안정 정밀도가 요청되는 발진기등에는 사용할 수가 없었다. 또한, Li2B4O7(예를 들면, 45°X 컷트-Z전파)의 경우, K2는 1%이고, TCD는 Oppm/℃이지만, 기판이 물에 용해되고, 또한 조해성을 갖기 때문에, 프로세스가 어렵거나 혹은 신뢰성이 떨어지는 등의 문제를 지니고 있었다. 또한, ST 컷트수정은 0 TCD를 갖지만, K2가 0.1%로 작기 때문에, 광역대의 필터를 얻을 수 없었다.
표면 탄성파 소자에 대한 고성능화, 고주파화의 요구에 의해, TCD가 0에 가깝고, 보다 큰 K2를 가지며, 화학적으로 안정된 기판재료가 요구되고 있다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 작은 TCD와 비교적 큰 K2를 가지며, 화학적으로 안정한 기판재료를 가지는 표면 탄성파 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 전송형 SAW(표면탄성파)필터의 모식도이고;
도 2는 (175°∼185°, 40°, 20°)절단면에서의 K2와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;
도 3은 (180°, 35°∼45°, 20°)절단면에서의 K2와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;
도 4는 (180°, 40°, 15°∼25°)절단면에서의 K2와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;
도 5는 중심주파수의 온도 의존성을 나타내는 그래프이고;
도 6은 (3∼15°, 150.5°, 37.2°)절단면에서의 K2와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;
도 7은 (10°, 146°∼156°, 37.2°)절단면에서의 K2와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;
도 8은 (10°, 150.5°, 32°∼42°)절단면에서의 K2와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;
도 9는 중심주파수의 온도 의존성을 나타내는 그래프이고;
도 10은 (-5°∼5°, 140°, 24°)절단면에서의 K2와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;
도 11은 (0°, 135°∼145°, 24°)절단면에서의 K2와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;
도 12는 (0°, 140°, l9°∼29°)절단면에서의 K2와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;
도 13은 중심 주파수의 온도 의존성을 나타내는 그래프이다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 제 1 표면 탄성파 소자는 란가사이트(La3Ga5SiO14)단결정 기판상에 표면탄성파를 여진, 수신, 또는 반사하기 위한 금속막을 형성한 표면 탄성파 소자에 있어서, 란가사이트 기판의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이 오일러각 표시로, (180°+ α, 40°+ β, 20°+γ)로 하였을 때, α=-2°∼+ 6°, β=-4°∼+ 9°, γ=-1°∼+ 9°, 또는 이것과 같은 방위인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하는 본 발명의 제 2 표면 탄성파 소자는 란가사이트(La3Ga5SiO14)단결정 기판상에 표면탄성파를 여진, 수신, 또는 반사하기 위한 금속박막을 형성한 표면 탄성파 소자에 있어서, 란가사이트 기판의 단결정부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이 오일러각 표시로, (9°+ α, 150°+ β, 37°+γ)로 하였을 때, α=-6°∼6°, β=-5°∼5°, γ=-5°∼5°, 또는 이것과 같은 방위인 것을 특징으로 한다.
여기에서, 본 발명의 제 2 표면 탄성파 소자는 상기 란가사이트 기판의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이 오일러각 표시로 (13.4°, 150.5°, 37.2°), 또는 이것과 같은 방위인 것이 특히 바람직하다.
또한, 상기 목적을 달성하는 본 발명의 제 3 표면 탄성파 소자는 란가사이트(La3Ga5SiO14)단결정 기판상에 표면탄성파를 여진, 수신, 또는 반사하기 위한 금속박막을 형성한 표면 탄성파 소자에 있어서, 란가사이트 기판의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이 오일러각 표시로, (0°+ α, 140°+ β, 24°+γ)로 하였을 때, α= -5°∼5°, β=-5°∼5°, γ=-5°∼5°, 또는 이것과 같은 방위인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 3 표면 탄성파 소자는 상기 란가사이트 기판의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이 오일러각 표시로 (0°, 140°, 24°), 또는 이것과 같은 방위인 것이 특히 바람직하다.
본 발명자들은 압전성을 갖는 단결정인 란가사이트(La3Ga5SiO14)의 특정한 절단면에서의 전파방위에 금속막을 형성한 표면 탄성파 소자가, 작은 지연온도계수와 비교적 큰 전기기계 결합계수를 지니고, 화학적으로 안정한 것을 발견하여 본 발명에 이르게 된 것이다.
본 발명에 의하면, 작은 지연시간 온도계수와 비교적 큰 전기기계 결합계수를 가지고, 화학적으로 안정한 기판재료를 가지는 표면탄성파 소자를 얻을 수 있다.
도 1은 전송형 SAW 필터의 모식도이다.
란가사이트 단결정 기판(10)상에 한쌍의 빗형 전극을 형성하고, 이 한쪽(여진용 전극(20))에 고주파 전압을 인가하면 표면 탄성파가 여진되어 수신전극(30)에 도달한다. 이 입출력간의 주파수 특성이 핸드 패스 필터특성을 지니고, 압전 결정의 특성에 의해 이 필터의 온도특성이 결정된다.
란가사이트 단결정상의 표면 탄성파의 특성을 계산하는 데에 필요한 정수로써 하기 표 1에 20℃에 있어서의 밀도, 탄성 정수, 압전 정수, 유전율 및 선팽창 계수를 나타내었다.
또한, 표 2에는 각 정수의 1차 및 2차 온도계수를 나타내었다.
| 측정온도, ℃ | 20 | |
| 밀도ρ(kg/m3) | 5764 | |
| 탄성 정수, CE(1010N/m2) | CE 11CE 12CE 13CE 14CE 33CE 44CE 66 | 18.9310.509.5281.49326.245.3844.216 |
| 압전 정수,e(C/m2) | e11e14 | -0.4310.108 |
| 유전율εT/ε0 | εT 11/ε0εT 33/ε0 | 18.9752.00 |
| 선팽창계수,λ(10-6/K) | λ11λ33 | 5.073.60 |
| 측정온도, ℃ | 20 | ||
| 1차계수(10-6/K) | 2차계수(10-9/K) | ||
| 탄성 정수, CE(1010N/m2) | CE 11CE 12CE 13CE 14CE 33CE 44CE 66 | -53-92-88-205-104-62-4.7 | -4.2+25-131+870-109-111-40.7 |
| 압전정수, e(C/m2) | e11e14 | 456-628 | 10321480 |
| 유전율εT/ε0 | εT 11/ε0εT 33/ε0 | 137-795 | 821076 |
이하, 우선 본 발명의 제 1 실시 형태에 대해서 설명한다.
여기에서는 표 1, 표 2에 나타낸 정수를 사용하여 압전 기판 표면에서의 뉴턴의 운동방정식, 압전 방정식, 준정전에 근사한 막스웰의 방정식을 연성하여 풀어 TCD의 절대값이 5ppm이하가 되고, 전기기계 결합계수 K2가 0.3%이하가 되는 각도의 범위로써 오일러각 표시로 (180°+ α, 40°+β, 20°+γ)로 했을 때, α=-2°∼+6°, β=-4°∼+9°, γ=-1°∼+9°, 또는 이것과 같은 방위가 바람직하다는 것을 발견했다(도 2 내지 도 4).
TCD=γ-(1/v)(δV/δT) … (1)
V:온도 T=25℃에 있어서의 표면 탄성파의 음속
T:온도
γ: 고려중의 커트면, 전파방향의 열팽창율
여기에서, 전극 재료의 막두께 h로서는 표면 탄성파의 파장을 λ로 했을 경우에 h/λ=0.005 내지 0.2의 범위가 바람직하다. 또한, 전극재료로서는 알루미늄이 적합하고, 그 밖의 재료로서는 금이어도 좋고, 알루미늄 + 티탄이어도 좋으며, 또는 알루미늄 + 동이어도 적합하다.
도 1의 모식도에 나타낸 전송형 표면 탄성파 필터의 패턴을 오일러각 표시로(180°, 40°, 20°)로 표시되는 절단면 및 전파방향에 포토리소그라피공정에 의해 형성하였다.
이 경우의 빗형 전극의 선폭, 선사이는 각각 4μm, 입출력의 전극 쌍의 수는 각각 30쌍, 빗형전극의 개구길이는 400μm이다. 전극의 재료는 알루미늄을 사용하여, 그 막두께는 스퍼터링법으로 2400옹스트럼(h/λ= 1.5%)으로 하였다. 이 소자를 금속팩키지에 설치하고, 송수신의 빗형 전극을 와이어-본딩으로 꺼내어 네트워크 어넬라이저에 접속했다. 또한, 이 디바이스를 항온조에 넣고, -20℃ 내지 80℃의 온도범위에 있어서의 중심주파수의 변화를 측정한 결과 도 5에 도시한 특성을 얻을 수 있었고, 25℃일 때의 TCD(=-TCF)=3ppm/℃임이 확인되었다.
다음에 본 발명의 제 2 의 실시형태에 대해서 설명한다.
여기에서는 표 1, 표 2에 나타낸 정수를 사용하여, 압전 기판 표면에서의 뉴턴의 운동 방정식, 압전 방정식, 준정전에 근사한 막스웰의 방정식을 연성하여 풀어 TCD의 절대값이 7ppm이하가 되고, 전기기계 결합계수 K2가 0.1%이상이 되는 각도의 범위로하여 오일러각 표시로 (9°+ α, 150°+ β, 37°+ γ)로 했을 때 α=-6°∼6°, β=-5°∼5°, γ=-5°∼5°, 또는 이것과 같은 방위가 가장 적합함을 발견했다. 또한, 상세하게 검토한 결과, 오일러각 표시로 (13.4°, 150.5°, 37.2°), 또는 이것과 같은 방위인 경우에는 TCD=0ppm/℃ 동시에 K2=0.45%이고 적합한 방위인 것을 발견하였다(도 6 내지 도 8).
여기에서, TCD는 전술한 (1)식으로 표시된다. 또한, 전술한 제 1 실시형태와 마찬가지로, 전극재료의 막두께 h로서는 표면탄성파의 파장을 λ로 했을 경우에, h/λ= 0.005 내지 0.2의 범위가 바람직하다. 또한, 전극재료로서는 알루미늄이 적합하고, 그 밖의 재료로서는 금이어도 좋고, 알루미늄 + 티탄이어도 좋으며, 또는 알루미늄 + 동도 적합하다.
도 1의 모식도에 나타낸 전송형 표면 탄성파 필터의 패턴을 오일러각 표시로(13.4°, 150.5°, 37.2°)로 표시되는 절단면 및 전파방향에 포토리소그라피 공정에 의해 형성하였다.
이 경우의 빗형전극의 선폭, 선사이는 각각 4μm, 입출력의 전극쌍의 수는 각각 30쌍, 빗형전극의 개구 길이는 400μm이다. 전극의 재료는 알루미늄을 사용하고, 그 막두께는 스퍼터링법으로 2400 옹스트럼(h/λ= 1.5%)으로 하였다. 이 소자를 금속팩키지에 설치하고, 송수신의 빗형전극을 와이어 본딩으로 꺼내어 네트워크 어넬라이저에 접속하였다. 또한, 이 장치를 항온조내에 넣고, -20℃ 내지 80℃의 온도범위에 있어서의 중심 주파수의 변화를 측정한 결과, 도 9에 나타낸 특성을 얻을 수 있었고, 25℃일 때의 TCD(=-TCF)는 거의 0ppm/℃임이 확인되었다.
다음에 본 발명의 제 3 실시형태에 대하여 설명한다.
여기에서는 표 1, 표 2에 나타낸 정수를 사용하여, 압전기판 표면에서의 뉴턴의 운동 방정식, 압전 방정식, 준정전에 근사한 막스웰의 방정식을 연성하여 풀어 오일러각 표시로 (-5°∼5°, 140°, 24°)의 범위 (도 10 참조), (0°, 135°∼145°, 24°)의 범위(도 11 참조), 및 (0°, 140°, 19°∼29°)의 범위(도 12참조), 또는 그들의 범위와 같은 방위의 범위로 25℃의 온도에 있어서의 TCD의 절대값이 5ppm/℃이하가 되고, 전기기계 결합계수 K2가 0.3%이상이 됨을 발견했다. 또한, 상세하게 검토한 결과, 오일러각 표시로 (0°, 140°, 24°), 또는 이것과 같은 방위인 경우에는 TCD= 0 ppm/℃ 또한 K2= 0. 375%이고, SAW(표면탄성파) 디바이스용으로써 가장 적합한 방위임을 발견했다.
여기에서 TCD는 전술한 (1)식으로 표시된다. 또한, 전술한 제 1 실시형태, 제 2 실시형태의 경우와 마찬가지로 전극재료의 막두께 h로서는 표면탄성파의 파장을 λ로 했을 경우에 h/λ= 0.005 내지 0.2의 범위가 가장 적합하다. 또한, 전극재료로서는 알루미늄이 적합하고, 그 밖의 재로로서는 금이어도 좋고, 알루미늄 + 티탄이어도 좋으며, 또는 알루미늄 + 동이 적합하다. 또한, 금, 몰리브덴, 텅스텐 등의 금속도 광범위하게 적합하다.
도 1의 모식도에 나타낸 전송형의 표면탄성파 필터의 패턴을, 오일러각 표시로 (0°, 140°, 24°)로 표시되는 절단면 및 전파방향으로 포토리소그라피 공정에 의해 형성하였다.
이 경우의 빗형전극의 선폭, 선사이는 각각 4μm, 입출력의 전극쌍의 수는 각각 30쌍, 빗형전극의 개구 길이는 400μm이다. 전극재료로서 알루미늄을 이용하고, 그 막두께는 스퍼터법으로 2400옹스트럼(h/λ= 1.5%)로 하였다. 이 소자를 금속팩키지에 설치하고, 송수신의 빗형 전극을 와이어 본딩으로 꺼내어 네트워크 어넬라이저에 접속했다. 또한 이 디바이스를 항온조내에 넣고, -20℃ 내지 80℃의 온도범위에 있어서의 중심주파수의 변화를 측정한 결과 도 13에 도시한 특성을 얻을 수 있고, 25℃일 때의 TCD(=-TCF)는 거의 0ppm/℃임이 확인되었다.
본 발명에 의해 작은 TCD와 비교적 큰 K2를 가지며, 화학적으로 안정한 기판재료를 가지는 표면 탄성파 소자를 제공할 수 있다.
Claims (5)
- 란가사이트(La3Ga5SiO14)단결정 기판상에 표면탄성파를 여진, 수신, 또는 반사하기 위한 금속막을 형성한 표면 탄성파 소자에 있어서, 란가사이트 기판의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이, 오일러각 표시로 (180°+ α, 40°+ β, 20°+γ)로 하였을 때, α=-2°∼+ 6°, β=-4°∼+ 9°, γ=-1°∼+ 9°, 또는 이것과 같은 방위인 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 소자.
- 란가사이트(La3Ga5SiO14)단결정 기판상에 표면 탄성파를 여진, 수신, 또는 반사하기 위한 금속막을 형성한 표면 탄성파 소자에 있어서, 란가사이트 기판의 단결정부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이, 오일러각 표시로 (9°+ α, 150°+ β, 37°+γ)로 하였을 때, α=-6°∼6°, β=-5∼5°, γ=-5°∼5°, 또는 이것과 같은 방위인 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 란가사이트 기판의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이 오일러각 표시로 (13.4°, 150.5°, 37.2°), 또는 이것과 같은 방위인 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 소자.
- 란가사이트(La3Ga5SiO14)단결정 기판상에 표면 탄성파를 여진, 수신, 또는 반사하기 위한 금속막을 형성한 표면 탄성파 소자에 있어서, 란가사이트 기판의 단결정부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이 오일러각 표시로, (0°+ α, 140°+ β, 24°+γ)로 하였을 때, α=-5°∼5°, β=-5∼5°, γ=-5°∼5°, 또는 이것과 같은 방위인 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 소자.
- 제 4 항에 있어서,상기 란가사이트 기판의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이 오일러각 표시로 (0°, 140°, 24°), 또는 이것과 같은 방위인 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 소자.
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