WO1997049182A1 - Dispositif a ondes acoustiques de surface - Google Patents

Dispositif a ondes acoustiques de surface

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WO1997049182A1
WO1997049182A1 PCT/JP1997/000872 JP9700872W WO9749182A1 WO 1997049182 A1 WO1997049182 A1 WO 1997049182A1 JP 9700872 W JP9700872 W JP 9700872W WO 9749182 A1 WO9749182 A1 WO 9749182A1
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acoustic wave
surface acoustic
single crystal
langasite single
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PCT/JP1997/000872
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Inventor
Kenji Inoue
Katsuo Sato
Original Assignee
Tdk Corporation
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02535—Details of surface acoustic wave devices
    • H03H9/02818—Means for compensation or elimination of undesirable effects
    • H03H9/02834—Means for compensation or elimination of undesirable effects of temperature influence
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    • H03H9/02543—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles
    • H03H9/0259—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles of langasite substrates

Definitions

  • the present invention relates to a surface acoustic wave device having interdigital electrodes on a single crystal substrate. Background technology
  • a surface acoustic wave device that is advantageous for size reduction and weight reduction, that is, a surface acoustic wave filter is frequently used in the high-frequency portion and the intermediate frequency portion of the terminal.
  • the surface acoustic wave device is one in which interdigital electrodes for exciting, receiving, reflecting, and propagating surface acoustic waves are formed on the surface of a piezoelectric substrate.
  • TCV surface acoustic wave velocity
  • S AW velocity the center frequency when a filter is formed
  • TCF temperature coefficient of the resonance frequency when a resonator is formed
  • k 2 electromechanical coupling coefficient
  • Table 1 shows the characteristics of various known piezoelectric substrates for surface acoustic wave devices. Hereinafter, these piezoelectric substrates are distinguished by the symbols in Table 1. Note that TCV (S AW velocity temperature coefficient) in Table 1 is a quantity representing the temperature dependence of the surface acoustic wave velocity (S AW velocity), and is equivalent to the above TCF representing the temperature dependence of the center frequency and resonance frequency. Value. A large value means that the center frequency of the surface acoustic wave filter changes significantly with temperature.
  • the 64 LN and 36 LT have SAW speeds of 4000 m / s or more, and are suitable for configuring filters in the high-frequency section of terminals.
  • the reason for this is as follows.
  • Various systems for mobile communications, such as mobile phones, have been put into practical use in various countries around the world, and all systems use frequencies around 1 GHz. Therefore, the center frequency of the filter used in the high-frequency terminal is around 1 GHz.
  • the center frequency is almost proportional to the SAW speed of the piezoelectric substrate used, and almost inversely proportional to the width of the electrode fingers formed on the substrate.
  • a substrate having a high SAW speed for example, 64 LN or 36 LT is preferable for increasing the frequency.
  • a wide band having a pass band of 20 MHz or more is required for the filter of the high-frequency part, but in order to achieve a wide band, the electromechanical coupling coefficient k 2 of the piezoelectric substrate is large. It is essential that 64LN and 36LT are used heavily.
  • a 70-300 MHz frequency band is used as an intermediate frequency for mobile terminals.
  • a filter having a center frequency in this frequency band is configured using a surface acoustic wave device, if the 64LN and 36LT are used as the piezoelectric substrate, the width of the electrode finger formed on the substrate is used for the high-frequency portion. Very large compared to the filter I need to be smart.
  • the above will be described by estimating specific numerical values.
  • the SAW speed V of the piezoelectric substrate used is approximately
  • the electrode finger width is calculated from the above equation (1).
  • the required electrode finger width is 10 times larger than that of the high-frequency filter.
  • Increasing the electrode finger width means that the surface acoustic wave device itself also increases in size. Therefore, in order to make the surface acoustic wave intermediate frequency filter small, it is necessary to use a piezoelectric substrate with a small SAW speed V, as is clear from equation (1).
  • BG ⁇ shown in Table 1 above is known as a piezoelectric substrate having a very low SAW speed.
  • the SAW speed of the BGO piezoelectric substrate is 168 lm / s.
  • the SAW velocity temperature coefficient TCV of the BG ⁇ piezoelectric substrate is as large as 122 ppm / t :, which is not suitable for constructing an intermediate frequency filter that extracts only one channel signal. Because, as described above, TCV is a quantity that indicates the temperature dependence of the SAW velocity, and that this value is large means that the center frequency of the elastic surface wave filter is This is because it means that it changes greatly with temperature. Therefore, if the TCV is large, the signal of another channel adjacent to the desired channel may be extracted, making it unsuitable as an intermediate frequency filter.
  • the ST crystal shown in Table 1 above is known as a piezoelectric substrate having a relatively low SAW speed.
  • ST crystal has almost zero S AW speed temperature coefficient TC V (primary temperature coefficient Since the number a is zero), it is suitable for forming an intermediate frequency filter.
  • TC V primary temperature coefficient Since the number a is zero
  • the surface acoustic wave filter for the intermediate frequency of the mobile communication terminal was mostly constituted by the ST quartz piezoelectric substrate.
  • the SAW speed of the ST crystal substrate is 3158 ⁇ ⁇ , which is not considered to be sufficiently small, so there is a limit to miniaturization.
  • the electromechanical coupling coefficient of the ST crystal substrate is 0.14%, which is relatively small. that k 2 is smaller, the Ukoto There can not be configured only narrow fill evening passband.
  • Analog systems have been mainly used for mobile communication, that is, mobile phone systems, with a channel width of 12.5 kHz for domestic NTT specifications, 30 kHz for US AMPS specifications, and TACS for Europe. since the specification was very narrow band and 25 kHz, the ST that the electromechanical coupling coefficient k 2 of the quartz substrate is less it did not become a problem.
  • digital mobile communication systems have been developed, put into practical use, and rapidly spreading in terms of effective use of frequency resources and compatibility with digital data communication.
  • the channel width of this digital system is very wide, for example, 200 kHz for the European mobile phone GSM system and 1.7 MHz for the cordless telephone DECT system.
  • a broadband intermediate frequency filter is composed of a surface acoustic wave filter, it is difficult to achieve this with an ST quartz substrate. Disclosure of the invention
  • the pass band can be widened, but the S AW speed of the substrate is large.
  • the above BGO substrate with a small SAW speed is used to reduce the size of the device, good selectivity is obtained because the SAW speed temperature coefficient TCV is too large. In any case, sufficient characteristics could not be obtained as a surface acoustic wave filter for intermediate frequencies.
  • ST crystal substrates with small S AW speed temperature coefficient TCV have sufficient SAW speed. Since it is not small, there is a limit to miniaturization, and it is difficult to widen the band because the electromechanical coupling coefficient is relatively small.
  • An object of the present invention is to provide a surface acoustic wave device that is small, has good selectivity, and has a wide pass band.
  • the substrate has interdigital electrodes on the surface of the substrate, the substrate is a langasite single crystal belonging to point group 32, and the cut-out angle of the substrate from the langasite single crystal and the direction of surface acoustic wave propagation of the substrate Is expressed as ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) in Euler angles, ⁇ , 0 and Y are in the following area ⁇ 0, and the SAW velocity temperature coefficient TCV of the substrate is within lppDiZt: .
  • the substrate has interdigitated electrodes on the surface of the substrate, the substrate is a langasite single crystal belonging to point group 32, and the cut-out angle of the substrate from the langasite single crystal and the direction of surface acoustic wave propagation of the substrate
  • the substrate has interdigitated electrodes on the surface of the substrate, the substrate is a langasite single crystal belonging to point group 32, a cutout angle of the substrate from the langasite single crystal, and a surface acoustic wave propagation direction of the substrate.
  • the substrate has interdigitated electrodes on the surface of the substrate, the substrate is a langasite single crystal belonging to a point group 32, a cutout angle of the substrate from the langasite single crystal, and a surface acoustic wave propagation direction of the substrate.
  • the substrate has interdigital electrodes on the surface of the substrate, the substrate is a langasite single crystal belonging to point group 32, a cutout angle of the substrate from the langasite single crystal, and a surface acoustic wave propagation direction of the substrate.
  • the substrate has interdigital electrodes on the surface of the substrate, the substrate is a langasite single crystal belonging to point group 32, and the cut-out angle of the substrate from the langasite single crystal and the direction of surface acoustic wave propagation of the substrate Where is represented by Euler angles as ( ⁇ , ⁇ ,-), ⁇ , 0 and the surface acoustic wave device exist in the following region ⁇ 30.
  • the SAW speed, k 2 Z2, TCD (SAW delay time temperature coefficient), etc. were obtained by numerical calculation for a substrate of.
  • the TCD distribution of the (0 °, ⁇ ,) substrate is displayed on the 0 plane.
  • the TCV distribution is obtained from the TCD distribution.
  • the region ⁇ 0 in the present invention exists in the region shown in FIG. 2c of the report.
  • the area where the TCV obtained from the Fig. Of the same report is the smallest is not the same as the area 0 defined in the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of a surface acoustic wave device according to the present invention. Specific configuration
  • FIG. 1 shows a configuration example of a surface acoustic wave device according to the present invention.
  • This surface acoustic wave device has a pair of interdigital electrodes 3 on the surface of a substrate 2.
  • the substrate 2 is made of a Langasite single crystal.
  • the langasite single crystal is a crystal type belonging to the point group 32.
  • the X, y, and z axes in the figure are orthogonal to each other.
  • the X axis and the y axis are in the in-plane direction of the substrate 2, and the X axis defines the propagation direction of the surface acoustic wave.
  • the z-axis perpendicular to the substrate surface defines the cut angle (cut plane) of the single crystal substrate.
  • the relationship between these X, Y, and Z axes and the X, Y, and Z axes of the Langasite single crystal can be represented by a one-point representation ( ⁇ , 0,).
  • the preferred region within the region ⁇ 10-1 is
  • the preferred region within the region ⁇ 20-1 is
  • a more preferable region is represented by
  • a preferred area within the area ⁇ 30 is
  • the sound velocity of the substrate is 290 Om / s or less in all the above regions, but there are also points where it is 250 Om / s or less.
  • a primary temperature coefficient is used as the SAW speed temperature coefficient TCV. Even when the temperature-sound velocity graph becomes a quadratic curve (when the primary temperature coefficient is zero), the TCV is calculated by approximating it to a linear line using the least-squares method. Specifically, the sound speed V when the sound speed change amount ⁇ V per unit temperature is 0. Divide by.
  • Each of the above-mentioned regions limited in the present invention includes a combination of equivalent (, ⁇ , ⁇ ) obtained in this manner.
  • Langasite single crystal used in the present invention generally intended to be the table by Formula L a 3 G a 5 S i O i 4, for example, Pro IEEE International Frequency Control Symp o . Vol.1994 pp48-57 (1994)
  • a langasite single crystal when a langasite single crystal is applied to a substrate of a surface acoustic wave device, by selecting a cutting direction of the crystal and a propagation direction of the surface acoustic wave, the above-described high characteristic can be obtained.
  • Surface acoustic wave device The langasite single crystal only needs to be one in which only the langasite phase is observed by X-ray diffraction.
  • the production method of the langasite single crystal is not particularly limited, and may be a conventional single crystal growth method, for example, a CZ method. Can be manufactured.
  • the surface wave propagation direction is generally about 4 to 1 Omm, the direction perpendicular thereto is about 2 to 4 mm, and the thickness is about 0.2 to 0.4 mm.
  • the cutting direction of the substrate can be confirmed by X-ray diffraction.
  • the interdigital electrodes 3 formed on the substrate 2 are thin-film electrodes for exciting, receiving, reflecting, and transmitting surface acoustic waves, and are formed in a periodic stripe shape.
  • the interdigital electrodes are patterned so that the surface acoustic wave propagation direction is the above-mentioned predetermined direction.
  • the interdigital electrodes may be formed by vapor deposition or sputtering using Au, A1, or the like.
  • the electrode finger width of the interdigital electrode may be appropriately determined according to the frequency to which the surface acoustic wave device is applied, and in a preferable frequency band to which the present invention is applied, generally, about 2 to 15 m. is there.
  • the surface acoustic wave device of the present invention is generally suitable for a filter in a frequency band of 10 to 500 MHz, particularly a frequency band of 10 to 30 O MHz. Further, since the surface acoustic wave device of the present invention has a low SAW speed, it is also useful for downsizing the surface acoustic wave delay element.
  • a crystal was grown by the CZ method to produce a langasite single crystal A, which was cut out to obtain a substrate.
  • a surface acoustic wave converter consisting of a pair of interdigital electrodes was formed on the surface of this substrate, and a surface acoustic wave device was obtained.
  • the interdigital electrode is formed by vapor deposition of A1 on both the input and output sides, the thickness is 0.3 m, the electrode finger width d is 12 m, the electrode pitch (4 d) is 48 m, and the electrode finger is The logarithm was 20.
  • a plurality of devices were manufactured by changing the cutout angle of the substrate and the propagation direction of the surface acoustic wave. In addition, a plurality of devices were fabricated in the same manner as in the case of using single crystal A, except that a crystal was grown by the CZ method to produce a single crystal of langasite B, and a substrate obtained by cutting out this was used. .
  • Table 2 shows ⁇ , ⁇ , when the cut-out angle of the substrate and the propagation direction of the surface acoustic wave in these devices are expressed as ( ⁇ , ⁇ ,) in Euler's single-angle representation.
  • SAW speed and the electromechanical coupling coefficient k 2 in these devices were measured.
  • SAW velocity is determined from the center frequency of the fill evening, for the electromechanical coupling coefficient k 2,
  • the SAW velocity temperature coefficient TCV was obtained in the range of 40-80. Table 2 shows the results.
  • the absolute value of the SAW velocity temperature coefficient TCV is small and a large electromechanical coupling coefficient k 2, the SAW velocity Table with low substrate A surface wave device was realized.
  • TCV the absolute value of the SAW velocity temperature coefficient
  • k 2 the SAW velocity Table with low substrate A surface wave device was realized.
  • good characteristics can be obtained as a surface acoustic wave filter for intermediate frequencies of mobile communication terminals. .

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Description

明細書 弾性表面波装置
技術分野
本発明は、 単結晶基板上に交差指状電極を有する弾性表面波装置に関する。 背景の技術
近年、 携帯電話機を始めとした移動体通信端末機が急速に普及してきている。 この端末機は、 持ち運びの利便さから、 特に小型軽量であることが望まれている 端末機の小型軽量化を達成するには、 そこに使われる電子部品も小型軽量である ことが必須であり、 このため、 端末機の高周波部や中間周波部には、 小型軽量化 に有利な弾性表面波装置、 すなわち弾性表面波フィル夕が多用されている。 弾性 表面波装置は、 圧電基板表面に、 弾性表面波を励振、 受信、 反射、 伝搬するため の交差指状電極を形成したものである。
弾性表面波装置に使われる圧電基板に重要な特性として、 弾性表面波の表面波 速度 （S AW速度） 、 フィル夕を構成した場合の中心周波数または共振子を構成 した場合の共振周波数の温度係数 （周波数温度係数： T C F ) 、 電気機械結合係 数 （k 2 ) があげられる。 これまでに知られている各種弾性表面波装置用圧電基 板の特性を表 1に示す。 以後、 これらの圧電基板を、 表 1中の記号で区別するこ ととする。 なお、 表 1中の T C V ( S AW速度温度係数） は弾性表面波の速度 （S AW速度） の温度依存性を表わす量なので、 中心周波数や共振周波数の温度依存 性を表わす上記 T C Fと同等の値となる。 この値が大きいということは、 弾性表 面波フィル夕の中心周波数が温度により大きく変化することを意味する。 表 1
Figure imgf000004_0001
この表 1からわかるように、 64 LN、 36 LTは 4000 m/s以上の SAW速 度を有しており、 端末機の高周波部のフィル夕を構成するのに適している。 この 理由を説明すると、 以下の通りである。 携帯電話に代表される移動体通信は、 世 界各国で各種のシステムが実用化されているが、いずれのシステムでも 1 GHz前後 の周波数が使用されている。 したがって、 端末機高周波部で使用されるフィル夕 は、 中心周波数が 1 GHz前後となる。 弾性表面波フィル夕の場合、 その中心周波数 は、 使用する圧電基板の SAW速度にほぼ比例し、 基板上に形成する電極指の幅 にほぼ反比例する。 そこで、 高周波化のためには、 SAW速度の大きな基板、 例 えば 64 LN、 36 LTが好ましい。 また、 この高周波部のフィル夕には、 通過 帯域幅が 2 0 MHz以上である広帯域のものが要求されるが、広帯域化を実現するた めには圧電基板の電気機械結合係数 k 2が大きいことが必須であり、 このために も、 64LN、 36 LTが多用されている。
一方、移動体端末機の中間周波数としては、 70〜300MHzの周波数帯が使用 されている。 この周波数帯を中心周波数とするフィル夕を弾性表面波装置を用い て構成する場合、 圧電基板として前記 64LN、 36 LTを使用すると、 基板上 に形成する電極指の幅を、 前記高周波部に使用されるフィルタに比べて非常に大 きくする必要がある。
具体的な数値を概算して上記のことを説明する。 弾性表面波フィルタを構成す る弾性表面波変換器の電極指幅 dと、 弾性表面波フィル夕の中心周波数 f 。と、 使用する圧電基板の SAW速度 Vとの間には、 おおむね
f e-VZ (4 d) … (1)
が成立する。 S AW速度を 400 Om/sとして、 中心周波数 1 GHzの弾性表面波フ ィル夕を構成する場合、 その電極指幅は上記 （1) 式より
d = 4000 (m/s) Z (4 X 1000 (MHz) ) = 1 Atm
となる。 一方、 この SAW速度 400 Om/sの圧電基板を用いて、 中心周波数 10 0MHzの中間周波フィルタを構成する場合、 これに必要な電極指幅は、
d = 4000 (m/s) / (4X 100 (MHz) ) = 1 0 um
となり、 高周波部のフィル夕に比べて、 必要な電極指幅が 1 0倍も大きくなつて しまう。 電極指幅が大きくなるということは、 弾性表面波装置そのものも大きく なってしまうことを意味する。 そこで、 弾性表面波中間周波フィル夕を小型なも のとするには、 上記 （1) 式から明らかなように SAW速度 Vの小さな圧電基板 を使う必要がある。
SAW速度が非常に小さい圧電基板として、 上記表 1に示した BG〇が知られ ている。 BGO圧電基板の S AW速度は 1 68 lm/sである。 しかしながら、 BG 〇圧電基板の SAW速度温度係数 TCVは一 122ppm/t:と非常に大きく、 一つ のチャンネルの信号だけを取り出す中間周波フィル夕を構成するには適していな い。 なぜなら、 上記したように TCVとは SAW速度の温度依存性を表わす量で あり、 この値が大きいということは， 上記 （1) 式から明らかなように、 弾性表 面波フィル夕の中心周波数が温度により大きく変化することを意味するからであ る。 したがって、 TCVが大きいと、 希望するチャンネルに隣接する他のチャン ネルの信号を取り出してしまうことがあるので、 中間周波フィル夕として不適当 となる。
また、 SAW速度が比較的小さい圧電基板として、 上記表 1に示す ST水晶が 知られている。 ST水晶は、 S AW速度温度係数 TC Vがほぼゼロ （一次温度係 数 aがゼロ） であるため、 中間周波フィル夕を構成するうえで好適である。 この ため、 従来、 移動体通信用端末機の中間周波用弾性表面波フィル夕は、 殆ど ST 水晶圧電基板により構成されていた。
しかし、 ST水晶基板の SAW速度は 31 58πιΛであり、十分に小さいとはい えないため、 小型化には限界がある。
また、 ST水晶基板の電気機械結合係数 は 0. 14%であり、 比較的小さ い。 k 2が小さいということは、 通過帯域の狭いフィル夕しか構成できないとい うことを意味する。 これまでの移動体通信、 すなわち携帯電話のシステムとして は、 アナログ方式が主として採用されており、 そのチャンネル幅は国内の NTT 仕様では 1 2. 5 kHz, 米国の AMP S仕様では 30kHz、 欧州の TACS仕様で は 25 kHzと非常に狭帯域であったので、前記 ST水晶基板の電気機械結合係数 k 2が小さいということは問題とならなかった。 しかしながら、 近年、 周波数資源 の有効利用、 デジタルデータ通信との適合性等の点から、 デジタル移動体通信シ ステムが開発、 実用化され急速に普及してきている。 このデジタルシステムのチ ヤンネル幅は、例えば欧州の携帯電話 GSM方式では 200kHz、 コードレス電話 DECT方式では 1. 7MHzと、 非常に広帯域となっている。 このような広帯域の 中間周波フィル夕を弾性表面波フィル夕で構成する場合、 ST水晶基板では、 そ の実現が困難となっている。 発明の開示
以上説明したように、 従来、 弾性表面波装置において、 電気機械結合係数が大 きい上記 64LN、 36 LT等の圧電基板を用いた場合、 通過帯域を広くできる が、 基板の S AW速度が大きいために素子寸法が大きくなるという問題があり、 一方、 素子の小型化をはかるために S A W速度の小さな上記 B G O基板を用いた 場合は、 SAW速度温度係数 TCVが大きすぎるために良好な選択度が得られな いという問題があり、 いずれにしても中間周波用の弾性表面波フィル夕として十 分な特性が得られなかった。
また、 S AW速度温度係数 TCVが小さい ST水晶基板は、 SAW速度が十分 に小さくはないので、 小型化には限界があり、 また、 電気機械結合係数が比較的 小さいので広帯域化が困難である。
本発明の目的は、 小型で、 選択度が良好で、 通過帯域の広い弾性表面波装置を 提供することである。
上記目的は、 下記 （1) 〜 （6) のいずれかの構成により達成される。
(1) 基板表面に交差指状電極を有し、 前記基板が点群 32に属するランガサ ィ ト単結晶であり、 前記基板のランガサイ卜単結晶からの切り出し角および前記 基板の弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で （Φ， θ, Φ) と表わしたとき、 Φ、 0およびゆが下記領域 Φ 0に存在し、 前記基板の SAW速度温度係数 TCV が土 lppDiZt:以内である弾性表面波装置。
領域 Φ 0
φ =— 5〜5° (5° を含まず） 、
0 = 136〜 146° 、
= 2 1〜 27 °
(2) 基板表面に交差指状電極を有し、 前記基板が点群 32に属するランガサ ィト単結晶であり、 前記基板のランガサイ ト単結晶からの切り出し角および前記 基板の弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で （Φ, Θ, ゆ） と表わしたとき、 Φ、 0および が下記領域 Φ 10— 1に存在する弹性表面波装置。
領域 φ 10- 1
Φ= 5〜15° (1 5° を含まず） 、
0 = 135〜 180 ° 、
ゆ = 30〜 50 °
(3) 基板表面に交差指状電極を有し、 前記基板が点群 32に属するランガサ ィ ト単結晶であり、 前記基板のランガサイト単結晶からの切り出し角および前記 基板の弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で (Φ, Θ， Φ) と表わしたとき、 Φ、 0および が下記領域 Φ 10-2に存在する弾性表面波装置。
領域 (> 1 0 - 2
φ = 5〜； 15。 （1 5° を含まず） 、 0 = 0〜 25 ° 、
ゆ = 70〜 90 °
(4) 基板表面に交差指状電極を有し、 前記基板が点群 32に属するランガサ ィト単結晶であり、 前記基板のランガサイト単結晶からの切り出し角および前記 基板の弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で （Φ， 0, φ) と表わしたとき、 Φ、 >および が下記領域 φ 20 - 1に存在する弾性表面波装置。
領域 20— 1
φ= 1 5〜25° (25° を含まず） 、
> = 1 35〜 180 ° 、
= 35〜 65 °
(5) 基板表面に交差指状電極を有し、 前記基板が点群 32に属するランガサ ィト単結晶であり、 前記基板のランガサイト単結晶からの切り出し角および前記 基板の弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で （Φ， Θ, φ) と表わしたとき、 Φ、 Θおよび が下記領域 φ 20 - 2に存在する弾性表面波装置。
領域 φ 20— 2
φ= 1 5〜25° (25° を含まず） 、
0 = 0〜 25 ° 、
ゆ = 60〜 80 °
(6) 基板表面に交差指状電極を有し、 前記基板が点群 32に属するランガサ ィト単結晶であり、 前記基板のランガサイ卜単結晶からの切り出し角および前記 基板の弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で (Φ, θ , - ) と表わしたとき、 Φ、 0およびゆが下記領域 Φ 30に存在する弾性表面波装置。
領域 Φ 30
</) = 25〜35° (35。 を含まず） 、
θ= 1 50〜180° 、
55〜 70 °
なお、 例えば、 1995 IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM Vol.1, 389の Γ NUMERICAL A ND EXPERIMENTAL INVESTIGATION SAW IN LANGASITEj (参考文献 1 ) では、 ラン ガサイ 卜単結晶基板の切り出し角および弾性表面波の伝搬方向をオイラー角表示 b, θ , ） と表わしたとき、
(0° ， 30° ， 90。 ） 、
(0。 ， 53。 ， 90° ) 、
(0° , 6 1 ° , 0 Q ) 、
(0 ° ， 1 47 ° ， 22° ) 、
(0° ， 147° ， 1 8° ) 、
(0° , 32° ， 40° ) 、
(0° ， 1 56。 ， 0 、
(0 ° ， 0. 90° ) ,
(0° ， 25° ，
である基板について、 数値計算により SAW速度、 k2Z2、 TCD (SAW遅 延時間温度係数）等を求めたことが報告されている。この報告の Fig. には、（0° ， θ , ） 基板の TCD分布が 0 平面に表示されている。 この TCD分布から T CV分布が求められる。 一方、 本発明における領域 φ 0は、 同報告の Fig.2cに表 示された領域内に存在する。 しかし、 同報告の Fig. から求めた TCVが最も小 さくなる領域は、 本発明で限定する領域 0とは一致しない。
また、 1995 IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM Vol.1, 409の ("Effects of Electric Field and of Mechanical Pressure on Surface Acoustic Waves Propagation in La3Ga5Si014 Piezoelectric Single Crystals] (参考文献 2) では、 ォイラ 一角表示 （Φ， θ , φ) で
(90° , 90° , ） 、
(0° ， 90° ， ゆ） 、
(0° , 0° , ゆ） 、
(0° ， Θ , 0° ) ,
(90 ° , 0， 0° ) ,
( , 90° ， 0 ° )
である基板について、 数値計算により k 2等を求めたことが報告されている。 上記参考文献 1および参考文献 2は 1 9 9 6年に発行されているが、 発行日は 不明である。
また、 「第 1 7回超音波エレクトロ二クスの基礎と応用に関するシンポジウム 講演予稿集」 の 「ランガサイ ト結晶基板上の S AW伝搬特性の検討」 （A study o n SAW propagation characteristics on a langasi tc crystal plate) (参考文献 3) では、 オイラー角表示 （Φ， θ , で
(9 0 ° , 9 0 ° , ）
である基板について、 数値計算により k 2、 TCD等を求めており、
(0 ° , 0。 ， 9 0° ) 、
( 9 0。 ， 9 0 ° ， 1 7 5° ) 、
(9 0。 ， 9 0 ° ， 2 5。 ）
については、 実測により TCDを求めたことが報告されている。 この参考文献 3 は、 本出願の基礎出願である特願平 8— 1 8 1 5 0 0号の出願後の 1 9 9 6年 1 0月に発行されたものである。
また、 日本学術振興会弾性波素子技術第 1 5 0委員会第 5 1回研究会資料の第 2 1ページ 「ランガサイ ト結晶基板上のレイリー波の伝搬方位依存性」 （Propaga t i on direction dependence of Ray le igh waves on a langas i tc crystal plat e) (参考文献 4) では、 オイラー角表示 （Φ, 0 ' iP ) で
( 0 ° ， 0 ° , 、
(9 0 ° , 9 0 ° ， ）
である基板について、 数値計算により k2等を求めており、
(0。 ， 0。 ， 9 0つ 、
(9 0。 ， 9 0 ° , 1 7 5° ) 、
(9 0 ° , 9 0 ° , 1 5° ) 、
(9 0 ° , 9 0 ° , 2 1。 ） 、
(9 0。 ， 9 0 ° ， 2 5。 ）
については、 実測した直列共振周波数から T CDを求めたことが報告されている。 この参考文献 4は、 本出願の基礎出願である特願平 8— 1 8 1 5 0 0号の出願後 の 1 9 9 7年 1月 2 7日に発行されたものである。
また、 「第 1 7回超音波エレクトロ二クスの基礎と応用に関するシンポジウム 講演予稿集」 （参考文献 5) の「L a3G a5S i O 4基板弾性表面波の伝搬特性」 (Propagation characteristics of surface acoustic waves on La3Gaf-)Si014) では、 オイラー角表示 （φ， Θ, ） で
(90° ， 90 ° ， ） 、
(0 ° , 90 ° , ） 、
(0° ， 0° , ゆ） 、
(0 ° , 0, 0° )
である基板について、 数値計算により k 2等を求めたことが報告されている。 こ の参考文献 5は、 本出願の基礎出願である特願平 8— 1 8 1 500号の出願後の 1 996年 1 0月に発行されたものである。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の弾性表面波装置の構成例を示す斜視図である。 具体的構成
本発明の弾性表面波装置の構成例を第 1図に示す。 この弾性表面波装置は、 基 板 2表面に一組の交差指状電極 3、 3を有する。 基板 2には、 ランガサイ ト単結 晶を用いる。 ランガサイ ト単結晶は、 点群 32に属する結晶型である。
図中の X軸、 y軸および z軸は互いに直交している。 X軸および y軸は基板 2 の面内方向にあり、 X軸は弾性表面波の伝搬方向を規定する。 また、 基板面に垂 直な z軸は、 単結晶基板の切り出し角 （カット面） を規定する。 これら X軸、 y 軸および z軸とランガサイ ト単結晶の X軸、 Y軸および Z軸との関係は、 ォイラ 一角表示 （Φ, 0, ） で表わすことができる。
本発明の弾性表面波装置における切り出し角および伝搬方向をオイラ一角表示 ( , θ ' Φ) で表わしたとき、 Φ、 0および τ ま下記各領域に存在する。
領域 Φ 0 φ = _ 5〜5° (5 ° を含まず） 、
Θ - 1 36〜： I 46 ° 、
ゆ = 2 1〜 2 7 °
で表される。
領域 φ 0には、基板の SAW速度温度係数 TCVが土 lppmZ°C以内と非常に小 さく、 基板の結合係数 k2が 0. 3 %以上と十分に大きくなる φ、 Θ、 の組み 合わせが存在する。
組み合わせが存在する。
領域 Φ 1 0- 1
φ= 5〜； 1 5 ° ( 1 5° を含まず） 、
0= 1 35〜： 1 80° 、
ゆ = 3 0〜 50 °
で表され、 領域 Φ 1 0— 1内における好ましい領域は、
φ = 5〜： L 5 ° (1 5° を含まず） 、
0= 1 3 5〜 1 60° 、
= 30〜 50 °
で表される。
領域 Φ 1 0- 1には、基板の SAW速度温度係数 TCVが土 3 OppmZt:以内と 小さく、 基板の結合係数 k2が 0. 2 %以上と十分に大きくなる φ、 Θ、 ゆの組 み合わせが存在し、 領域 φ 1 0— 1内の上記好ましい領域には、 丁 ¥が± 1卯 mZt:以内と非常に小さく、 1^2が0. 3 %以上と十分に大きくなる φ、 Θ、 ゆの 組み合わせが存在する。
領域 φ 1 0 - 2
φ= 5〜： I 5° (1 5° を含まず） 、
り =0〜2 5° 、
ゆ = 70〜 90 °
で表される。
領域 φ 1 0— 2には、 TC Vが土 lppm/^以内と非常に小さく、 k2が 0. 2 % 以上と大きくなる φ、 θ、 の組み合わせが存在する。
領域 <) 2 0 - 1
φ= 1 5〜2 5° (25° を含まず） 、
0= 1 3 5〜 1 80° 、
ゆ = 3 5〜 6 5 °
で表され、 領域 Φ 2 0— 1内における好ましい領域は、
Φ= 1 5〜2 5 ° (25° を含まず） 、
θ = 1 5 5〜 ： L 80 ° 、
ゆ = 50〜 60 °
で表され、 より好ましい領域は、
Φ= 1 5〜2 5° (25° を含まず） 、
6>= 1 5 5〜 1 60° 、
ゆ = 5 0〜 5 5 °
で表される。
領域 Φ 20 - 1には、基板の SAW速度温度係数 TCVが土 8 OppmZ :以内と なり、 基板の結合係数 k 2が 0. 1 %以上となる Φ、 Θ、 ゆの組み合わせが存在 し、領域 φ 20 - 1内の上記好ましい領域には、 TC Vが土 3 Oppmノ1 C以内と小 さく、 1¾:2が0. 2 %以上と大きくなる φ、 0、 ゆの組み合わせが存在し、 領域 20 - 1内の上記より好ましい領域には、 TCVが土 lppmZt以内と非常に小 さく、 2が0. 3 %以上と十分に大きくなる φ、 Θ、 ゆの組み合わせが存在す る。
領域 20 - 2
Φ= 1 5〜25。 （25° を含まず） 、
0 = 0〜 2 5 ° 、
ゆ = 60〜 80。
で表される。
領域 Φ 20— 2には、 TC Vが ± 1 ppmZ :以内と小さく、 1^2カ 0. 2 %以上 と大きくなる φ、 り、 の組み合わせが存在する。 領域 Φ 30
ψ = 2 5〜3 5° (35 ° を含まず） 、
0 = 1 50〜； L 80° 、
ゆ = 5 5〜 7 0 °
領域 Φ 30内における好ましい領域は、
φ= 2 5〜3 5° (3 5° を含まず） 、
0 = 1 50〜： I 60 ° 、
= 6 5〜 7 0 °
で表される。
領域 Φ 30には、基板の SAW速度温度係数 TCVが土 3 OppmZX:以内と小さ く、 基板の結合係数 k2が 0. 2 %以上と十分に大きくなる φ、 Θ の組み合 わせが存在し、領域 Φ 30内の上記好ましい領域には、 TCVが土 lppmZ°C以内 と非常に小さくなる φ、 Θ の組み合わせが存在する。
基板の音速は上記すベての領域で 290 Om/s以下となるが、 2 50 Om/s以下 となる点も存在する。
なお、 本明細書では、 SAW速度温度係数 TCVとして一次温度係数を用いる。 また、温度一音速グラフが二次曲線になる場合（一次温度係数がゼロである場合） でも、 最小二乗法により一次の直線に近似させて TCVを算出する。 具体的には、 単位温度あたりの音速変化量 Δ Vを 0でにおける音速 V。で除して求める。
なお、 ランガサイ ト単結晶は三方晶であるため、 結晶の対称性から、 互いに等 価なオイラー角の組み合わせが存在する。三方晶基板では、 = 1 20〜240 ° および Φ= 240〜 360 ° (— 1 20〜0° ) は φ = 0〜； L 20。 と等価であ り、 また、 0 = 3 60〜 1 80。 （0〜一 1 80° ) は 0 = 0〜； L 80 ° と等価 であり、 また、 ゆ = 90〜 2 70° はゆ =— 90〜90° と等価である。 例えば、 φ = 1 30° および Φ = 250 ° は φ = 1 0° と等価であり、 = 330 ° はり = 30° と等価であり、 = 240° は = 60° と等価である。
また、 三方晶基板では、
φ = 0〜 30 °
訂正された用紙 （規則 91) の範囲の特性を調べることにより、 すべてのカツト角および伝搬方向についての 特性を知ることができる。
したがって、 ランガサイ卜単結晶基板におけるすべてのカツ卜角および伝搬方 向についての特性を知るためには、
φ0= 0〜 30 ° 、
00= 0〜； L 80 ° 、
0 =— 90〜90°
の範囲についてだけ調べればよい。 この (Φ 0' Θ 0, ゆ。） の組み合わせから、 Φ= 30〜 1 20° において同特性を示す等価な （Φ， θ , Φ) の組み合わせが わかる。 具体的には、
30° ≤φ≤ 60 の範囲では
φ = 60° — φ0、
0= 1 80° 一 Θ によって、 また、
60° 90 ° の範囲では
φ = 60 ° + φ 0、
0= 1 80° 一 Θ 0 によって、 また、
90° ≤φ≤ 120° の範囲では
Φ= 1 20° - φ0、
θ = θ
ゆ =—ゆ 0
によって、 （φ0, θ 0, 。） と等価な （φ, θ, を求めることができる。 そして、 上記した対称性に基づいて、 すべての (d), θ, ) における特性を知 ることができる。
等価な組み合わせの具体例としては、 例えば、 以下のものが挙げられる。 (1 0° ， 16 (Γ , 40。 ）
と等価なものは、
(50° , 20° ， 40° ) 、
(70° ， 20° , — 40° )
(1 1 0° , 1 60° ， 一 40
である。
(0° ， 140° ， 25° )
と等価なものは、
(60° ， 40° ， 25° ) 、
(60° , 40° ， — 25° )
(120° ， 140° , - 25 )
(120° ， 140° ， 25° )
であり、 φ= 120° と φ=0° とは等価であるから、
(0° , 140° ， 一 25° )
も等価である。
本発明において限定する上記各領域は、 このようにして求められる等価な （ , θ , φ) の組み合わせを包含するものとする。
本発明で用いるランガサイト単結晶は、一般に化学式 L a3G a5S i Oi 4で表 されるものであり、 例えば、 Pro IEEE International Frequency Control Symp o. vol.1994 pp48-57 (1994)などにより知られているが、 本発明ではランガサイト 単結晶を弾性表面波装置の基板に適用するに際し、 結晶のカツ卜方向と弾性表面 波の伝搬方向とを選択することにより、 上記した高特性の弾性表面波装置を実現 する。 ランガサイト単結晶は、 X線回折でランガサイト相だけが観察されるもの であればよい。 すなわち、 上記化学式で表わされるものに限らず、 例えば、 L a、 Ga、 S iの各サイ卜の少なくとも一部を他の元素で置換してもよく、 酸素数が 上記化学量論組成から外れていてもよい。 また、 不可避的不純物、 例えば Aし Z r、 F e、 C e、 Nd、 P t、 C a等が含まれていてもよい。 ランガサイト単 結晶の製造方法は特に限定されず、 通常の単結晶育成法、 例えば CZ法などによ り製造すればよい。
基板の寸法は特に限定されないが、 一般に、 表面波伝搬方向は 4〜 1 O mm程度、 これと直交する方向は 2〜4讓程度、 厚さは 0 . 2〜0 . 4 mm程度である。
なお、 基板のカット方向は、 X線回折により確認することができる。
基板 2上に形成される交差指状電極 3は、 弾性表面波を励振、 受信、 反射、 伝 搬するための薄膜電極であり、 周期的なストライプ状に形成される。 交差指状電 極は、 弾性表面波伝搬方向が上記した所定の方向となるようにパターニングがな される。 交差指状電極は、 A uや A 1などを用いて蒸着やスパッ夕などにより形 成すればよい。 交差指状電極の電極指幅は、 弾性表面波装匱が適用される周波数 に応じて適宜決定すればよく、 本発明が適用される好ましい周波数帯域では、 一 般に 2〜 1 5 m程度である。
本発明の弾性表面波装置は、一般に周波数 1 0〜 5 0 0 MHz、特に周波数 1 0〜 3 0 O MHzの帯域におけるフィルタに好適である。 また、本発明の弾性表面波装置 は S AW速度が遅いことから、 弾性表面波遅延素子の小型化にも有用である。 実施例
以下、 実施例を挙げて本発明を説明する。
C Z法により結晶育成して、 ランガサイト単結晶 Aを作製し、 これを切り出し て基板を得た。 この基板の表面に一組の交差指状電極からなる弾性表面波変換器 を形成し、 弾性表面波装置とした。 交差指状電極は、 入力側、 出力側共に A 1の 蒸着により形成し、 厚さは 0 . 3 m、 電極指幅 dは 1 2 m, 電極ピッチ （4 d ) は 4 8 m、電極指対数は 2 0とした。基板の切り出し角および弾性表面波の伝搬 方向を変えて、 複数の装置を作製した。 また、 同じく C Z法により結晶育成して ランガサイ卜単結晶 Bを作製し、 これを切り出して得た基板を用いたほかは単結 晶 Aを用いた場合と同様にして、 複数の装置を作製した。
これらの装置における基板の切り出し角および弾性表面波の伝搬方向をオイラ 一角表示で ( Φ , Θ， ） と表わしたときの Φ、 Θ、 を、 表 2に示す。
これらの装置における S AW速度および電気機械結合係数 k 2を測定した。 S A W速度はフィル夕の中心周波数から求め、 電気機械結合係数 k 2については、 弹性表面波変換器の 2端子アドミツ夕ンスを測定し、 これから、 よく知られたス ミスの等価回路モデルによって求めた。 また、 SAW速度温度係数 TCVを、 一 40〜80 の範囲で求めた。 これらの結果を表 2に示す。
表 2
Φ κレ 1r Ly V
領域 単結晶 (度） (度） (度） (m/s) (¾) (ppm/°C)
θ Β 0 140 25 2742 0.31 0
φθ Β 0 145 一 25 2753 0.35 0
Φ 10-1 A 10 160 40 2761 0.40 一 5
Φ 10-1 Β 10 155 35 2809 0.37 1
Φ 10-2 A 10 15 75 2800 0.26 0
10-2 Β 10 20 75 2869 0.20 0
Φ 20-1 A 20 165 50 2766 0.39 0
Φ 20-1 Β 20 155 50 2833 0.30 -4
Φ 20-2 A 20 15 70 2819 0.31 0
Φ 20— 2 Β 20 20 70 2890 0.29 -5
Φ30 A 30 160 60 2849 0.39 -8
Φ30 Β 30 155 65 2826 0.24 -1 表 2から明らかなように、 結晶からの切り出し角および弾性表面波伝搬方向が 本発明範囲内にあれば、 前述した絶対値の小さな TCV、 十分に大きい k2、 低 い SAW速度が得られることがわかる。 産業上の利用可能性
本発明では、 ランガサイ卜単結晶基板において切り出し角および弾性表面波の 伝搬方向を最適なものとすることにより、 S A W速度温度係数 T C Vの絶対値が 小さく、 電気機械結合係数 k2が大きく、 SAW速度が低い基板を有する弾性表 面波装置を実現した。 このため、 温度安定性の向上、 フィルタとしての通過帯域 幅の広帯域化、 装置の小型化が可能となり、 特に、 移動体通信端末機の中間周波 の弾性表面波フィル夕として良好な特性が得られる。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 基板表面に交差指状電極を有し、 前記基板が点群 32に属するランガサイ ト 単結晶であり、 前記基板のランガサイ 卜単結晶からの切り出し角および前記基板 の弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で （Φ, θ , ゆ） と表わしたとき、 φ、 ( およびゆが下記領域 Φ 0に存在し、 前記基板の S A W速度温度係数 T C Vが土 1 ppmZeC以内である弾性表面波装置。
領域 Φ 0
=ー 5〜5° (5。 を含まず） 、
0 = 1 36〜 146 ° 、
Φ = 2 1〜 27 °
2. 基板表面に交差指状電極を有し、 前記基板が点群 32に属するランガサイ ト 単結晶であり、 前記基板のランガサイ ト単結晶からの切り出し角および前記基板 の弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で (Φ, 0, ） と表わしたとき、 φ、 >およびゆが下記領域 d) 10- 1に存在する弾性表面波装置。
領域 φ 10- 1
φ = 5〜： 1 5° (1 5° を含まず） 、
り = 1 35〜： 1 80° 、
= 30〜 50 °
3. 基板表面に交差指状電極を有し、 前記基板が点群 32に属するランガサイ ト 単結晶であり、 前記基板のランガサイト単結晶からの切り出し角および前記基板 の弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で （Φ, θ, φ) と表わしたとき， φ、 0およびゆが下記領域 φ 10一 2に存在する弾性表面波装置。
領域 φ 10— 2
Φ= 5〜： 1 5° (1 5° を含まず） 、
Θ = 0〜25 ° 、
ゆ = 70〜 90 °
4. 基板表面に交差指状電極を有し、 前記基板が点群 32に属するランガサイ 卜 単結晶であり、 前記基板のランガサイ ト単結晶からの切り出し角および前記基板 の弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で (φ, Θ , ） と表わしたとき、 φ、 0およびゆが下記領域 φ 20 - 1に存在する弾性表面波装置。
領域 φ 20 - 1
φ= 1 5〜25° (25° を含まず） 、
(9= 135〜 180° 、
ゆ = 35〜 65。
5. 基板表面に交差指状電極を有し、 前記基板が点群 32に属するランガサイ ト 単結晶であり、 前記基板のランガサイト単結晶からの切り出し角および前記基板 の弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で （Φ, Θ , ゆ) と表わしたとき、 φ、 0および が下記領域 Φ 20 - 2に存在する弾性表面波装置。
領域 d) 20 - 2
φ= 1 5〜25° (25° を含まず） 、
= 0〜 25 ° 、
ゆ = 60〜 80 °
6. 基板表面に交差指状電極を有し、 前記基板が点群 32に属するランガサイ ト 単結晶であり、 前記基板のランガサイト単結晶からの切り出し角および前記基板 の弾性表面波伝搬方向をオイラー角表示で （Φ, Θ , ） と表わしたとき、 φ、 0および が下記領域 Φ 30に存在する弾性表面波装置。
領域 Φ 30
φ = 25〜35° (35° を含まず） 、
0= 1 50〜 180° 、
ゆ = 55〜 70 °
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