專利名稱：表面聲波裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將叉指式電極配置在一塊壓電材料基片上的表面聲波裝置。
近年來，包括移動電話在內(nèi)的移動通訊終端已經(jīng)得到廣泛使用。從輕便性的觀點來看，這些終端所要求的最重要的特性之一，是結(jié)構(gòu)緊湊和重量輕。
為了使終端結(jié)構(gòu)緊湊和重量輕，該終端使用的每一個電子元件都必需結(jié)構(gòu)緊湊和重量輕。一種能很好地滿足上述要求的表面聲波裝置-所謂表面聲波濾波器，已經(jīng)廣泛地在終端的中頻或高頻電路中，作為濾波器使用。
為了激發(fā)、接收、反射和傳播表面聲波，該表面聲波裝置具有一塊壓電材料制成的基片，和在該壓電材料基片的一個主要表面上形成的一個叉指式電極。
用于該表面聲波裝置的壓電材料基片的材料的重要性質(zhì)之一，是表面聲波的表面波速(SAW速度)。該材料的其他二個重要性質(zhì)是在該表面聲波裝置用作濾波器情況下的中心頻率作用下的溫度系數(shù)，或在該表面聲波裝置用作諧振器情況下的共振頻率作用下的溫度系數(shù)(TCF)；和該材料的機電耦合系數(shù)(K2)。


圖1表示一般用在表面聲波裝置中的，先前技術(shù)的壓電材料基片的每一種成分的表。一般，可將圖1所示的先前技術(shù)的壓電材料基片分成二組。一組是機電耦合系數(shù)高的128 LN，64 LN和36LT；另一組是機電耦合系數(shù)小的LT 112和ST石英。SAW速度高和機電耦合系數(shù)大的壓電材料基片128LN、64 LN和36 LT，可用作終端高頻電路中的表面聲波濾波器。SAW速度低和機電耦合系數(shù)小的壓電材料基片LT 112和ST石英，可以用作終端中頻電路中的表面聲波濾波器。上述這些壓電材料基片這樣使用的理由是表面聲波濾波器的中心頻率，與所用的壓電材料基片的SAW速度成正比；而與在該壓電材料基片上形成的叉指式電極的電極指的寬度成反比。
因此，SAW速度高的基片，適合于用作高頻電路中的濾波器。在終端的高頻電路中所用的濾波器，需要使用SAW速度高和機電耦合系數(shù)也大的壓電材料基片；這是因為該終端要求通頻帶的寬大于20MHz的寬帶濾波器。
一方面，移動式終端的中頻電路使用的頻帶范圍為70～300MHz。當將該表面聲波裝置用作中心頻率在上述頻帶以內(nèi)的濾波器時，需要與該中心頻率的減小值成比例地增大該壓電材料基片上形成的叉指式電極的電極指的寬度，通常，中頻電路中的濾波器的中心頻率，與高頻電路中的濾波器的中心頻率比較，是相當高的。這就引出了使該表面聲波裝置本身的尺寸變大的問題，因此，一般在該終端的中頻電路中，使用SAW速度低的LT 112或ST石英，作為表面聲波濾波器。特別是，由于ST石英在中心頻率作用下的正常溫度系數(shù)近似為零，因此，ST石英是制造壓電材料基片的合適材料。但由于ST石英的機電耦合系數(shù)小，因此它只適用于通頻帶窄的濾波器。然而，到目前為止，上述ST石英的這些性質(zhì)還幾乎沒有造成什么問題，因為中頻電路中的濾波器，只有一個窄通道的信號通過。
近年來，為了有效地利用頻率資源，和適應(yīng)數(shù)字式數(shù)據(jù)通訊，已經(jīng)開發(fā)出和實際上已經(jīng)建立了一種數(shù)字式移動通訊系統(tǒng)，并正日益獲得廣泛的應(yīng)用。該數(shù)字式移動通訊系統(tǒng)要求從數(shù)百KHz至幾個MHz的極寬的通頻帶寬度。當將該表面聲波裝置用于要求這樣寬的頻帶寬度的中頻濾波器中時，不可能用ST石英制造一塊合適的壓電材料基片。另外，為了得到輕便性更好的、更小的移動式終端，該中頻用的表面聲波濾波器的安裝面積必需更小。雖然，一般認為ST石英和LT 112，是用于制造中頻電路的表面聲波濾波器的壓電材料基片的合適材料，但由于其SAW速度超過3000米/秒，因此，幾乎不可能將該壓電材料基片做得更小。
本發(fā)明的目的，是要提供一種使用機電耦合系數(shù)大，可以展寬通頻帶寬度，而SAW速度低，可以使表面聲波裝置做得更小的壓電材料基片的表面聲波裝置。
這個目的可用下述方法達到，本發(fā)明的壓電材料基片采用屬于點集(pointgroup)32，化學式為Sr3TaGa3Si2O14的單晶體。這種材料是在俄羅斯開發(fā)的，具有l(wèi)angasite式結(jié)構(gòu)的，壓電材料基片中的一種替代材料，在“日本晶體生長協(xié)會雜志，第25卷，第3期1998(目錄號14aA7)”中，被Tomohiko Kato等稱為新替代的langasite式壓電材料基片。本發(fā)明的發(fā)明者，對這種晶體作了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在晶體切割角度和表面聲波傳播方向，均在一個預先確定的區(qū)域內(nèi)的情況下，可以得到作為表面聲波裝置的壓電材料基片所希望的性質(zhì)。因此，最后，本發(fā)明采用了這種晶體。
根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例，該壓電材料基片的晶體切割角度，和表面聲波的傳播方向，均在由Φ＝25°～35°，θ＝20°～90°，ψ＝-40°～40°的歐拉角度(φ，θ，ψ)表示的區(qū)域1-1內(nèi)。在第二個實施例中，該晶體切割角度和表面聲波傳播方向，均在Φ＝25°～35°，θ＝20°～90°，ψ＝-25°～25°的歐拉角度(φ，θ，ψ)表示的區(qū)域1-2內(nèi)。在第三個實施例中，該晶體切割角度和表面聲波的傳播方向，均在Φ＝-5°～5°，θ＝10°～170°，ψ＝0°～50°的歐拉角度(Φ，θ，ψ)表示的區(qū)域2-1內(nèi)。在第四個實施例中，該晶體切割角度和表面聲波傳播方向，均在Φ＝-5°～5°，θ＝25°～120°，ψ＝0°～30°的歐拉角度(Φ，θ，ψ)表示的區(qū)域2-2內(nèi)。在第五個實施例中，該晶體切割角度和表面聲波傳播方向，均在Φ＝-5°～5°，θ＝130°～160°，ψ＝15°～45°的歐拉角度(Φ，θ，ψ)表示的區(qū)域2-3內(nèi)。
在區(qū)域1-1內(nèi)具有上述歐拉角度的晶體基片的SAW速度，在3000米/秒以下，比ST石英的SAW速度低；而其機電耦合系數(shù)卻足夠高，大于0.2％。具有區(qū)域1-2內(nèi)的上述歐拉角度的晶體基片的SAW速度，也在3000米/秒以下；而其機電耦合系數(shù)卻大于0.4％。具有區(qū)域2-1內(nèi)的上述歐拉角度的晶體基片的性質(zhì)，與在區(qū)域1-1內(nèi)的性質(zhì)相同，其SAW速度在3000米/秒以下，而其機電耦合系數(shù)大于0.2％。具有在區(qū)域2-2和區(qū)域2-3內(nèi)的上述歐拉角度的晶體基片的性質(zhì)，與在區(qū)域1-2內(nèi)的性質(zhì)相同，其SAW速度在3000米/秒以下，而其機電耦合系數(shù)大于0.4％。
單晶體Sr3TaGa3Si2O14為三維晶體，并具有對稱的晶體結(jié)構(gòu)，因此，其歐拉角度的配置是等效的。例如，在區(qū)域1-1內(nèi)的歐拉角度(Φ，θ，ψ)的配置(30°，90°，0°)與(90°，90°，0°)的配置是等效的。在區(qū)域2-1內(nèi)的歐拉角度(Φ，θ，ψ)的配置(0°，90°，17°)與(0°，90°，-17°)，(60°，90°，±17°)或(120°，90°，±17°)的配置是等效的。另外，在區(qū)域2-1內(nèi)的(0°，90°，17°)歐拉角度配置，與(240°，90°，±17°)或(360°，90°，±17°)的配置是等效的。因此，應(yīng)當理解，根據(jù)對稱的晶體結(jié)構(gòu)性質(zhì)作出的每一種等效的歐拉角度配置，都包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
圖1為表示用于表面聲波裝置中的先前技術(shù)的壓電材料基片及其性質(zhì)的表；
圖2為表示根據(jù)本發(fā)明的表面聲波裝置的一個實施例的立體圖；圖3為表示用于根據(jù)本發(fā)明的表面聲波裝置中的壓電材料基片的性質(zhì)的表；圖4為表示用于根據(jù)本發(fā)明的表面聲波裝置中的壓電材料基片的另一個實施例的性質(zhì)的表；圖5為表示在圖3所示的實施例中的壓電材料基片上的SAW速度的圖；圖6為表示在圖3所示實施例中的壓電材料基片上的機電耦合系數(shù)的圖；圖7為表示在圖4所示實施例中的壓電材料基片上的SAW速度的圖；圖8為表示在圖4所示實施例中的壓電材料基片上的機電耦合系數(shù)的圖。
下面，參照附圖來說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。圖2表示用于表面聲波裝置的本發(fā)明的一個實施例。在壓電材料基片1的一個主要表面上，放置著二個叉指式電極2。該叉指式電極2的形狀、數(shù)目和布局方式是可以任意的。
本發(fā)明的壓電材料基片1，由屬于點集32的，化學式為Sr3TaGa3Si2O14的單晶體構(gòu)成。該單晶體材料可能包括有氧造成的缺陷，和不可避免的雜質(zhì)，例如Al，Zr，F(xiàn)e，Ce，Nd，La，Pt和Ca。
該單晶體的結(jié)晶軸-即X軸，Y軸，Z軸-可利用在題為“聲波裝置技術(shù)手冊”(編者日本科學促進會，表面聲波工藝第150委員會；Ohmshe公司出版，出版日期1991年11月30日)的出版物中的第333頁上的有關(guān)壓電材料極性測試說明中所述的測量方法來確定。即該晶體屬于點集32，并且在右手坐標系中，該晶體的極化軸與X軸是一致的。利用X-射線衍射儀，可以精確地確定所制備的單晶體與X軸垂直的表面方位，然后，通過將該晶體切成薄片，將該表面露出，結(jié)果，就制成了一個測量樣件。將該樣件單晶體片裝在與示波器的負極端子連接的一塊銅片上，并與該銅片平行。然后，將與示波器正極端子連接的一個測頭的尖端，用力地壓在該樣件單晶體片表面上，使得由壓電效應(yīng)產(chǎn)生電位差。不需要形成電極，就可判斷該樣件單晶體片表面的極性。然而，為了得到高電位，最好是在該樣件單晶體片的上端和下端形成電極來進行判斷。該樣件單晶體表面的極性，按下列步驟來判斷。利用示波器觀察電壓波形，在第一個波形峰值為正電壓的情況下，被該測頭尖端壓緊的晶體表面定義為正(+)平面；而該晶體的與上述表面相反的表面，定義為負(-)表面。相反，在第一個波形峰值為負電壓的情況下，被該測頭尖端壓緊的晶體表面定義為負(-)表面；而與其相反的晶體表面定義為正(+)表面。在右手坐標系中，從該負(-)表面至正(+)表面，向著由上述定義確定的正(+)表面的垂直線的方向，定義為+X方向。理論上，可根據(jù)右手坐標系來確定+X軸，+Y軸和+Z軸的方向。
在圖2中，x軸，y軸和z軸互相相交成直角。x軸和y軸在壓電材料基片1的表面上。x軸是表面聲波的傳播方向。z軸與壓電材料基片1的表面垂直，并且形成該單晶體壓電材料基片的切割角或切割表面。x，y，z軸和該單晶體的結(jié)晶軸X，Y，Z之間的關(guān)系，可用歐拉角度(Φ，θ，y)來表示。
在根據(jù)本發(fā)明的表面聲波裝置的壓電材料基片1上，該基片用歐拉角度(Φ，θ，y)表示的切割角，在上述1-1，1-2，2-1，2-2，2-3區(qū)域或它們的等效區(qū)域的任何一個區(qū)域內(nèi)。
實施例表面聲波裝置的壓電材料基片1，由屬于點集32的，化學式為Sr3TaGa3Si2O14的單晶體制成。該單晶體是利用使用高頻感應(yīng)加熱的CZ技術(shù)，即回轉(zhuǎn)向上拉的工藝生長的。該單晶體的原材料，使用將純度為99.99％的SrCO3，Ta2O5，Ga2O3和SiO2的氧化物粉末，以化學計算的比例混合制成的混合物。N2與2％(按體積計)的氧混合起來，作為單晶體的生長氣氛。晶體回轉(zhuǎn)速度，向上拉的速度和向上拉的方位，分別設(shè)定為5轉(zhuǎn)/分，1.5mm/h，和(0001)。結(jié)果，得到直徑為52mm的單晶體。
將該晶體的一部分粉碎，然后，利用X-射線衍射儀，辨識該粉碎的粉末的全相組織。通過這種全相辨識證明，該晶體是單相的，沒有包括不同的全相組織。沒有諸如孔、裂紋和夾渣一類的宏觀缺陷；并且通過極化過程的顯微鏡攝取的無畸變圖像證明，該原材料已經(jīng)生長成均勻的單晶體。將所得出的單晶體切成片，結(jié)果就制成了該表面聲波裝置的壓電材料基片。
在這個工序以后，經(jīng)上述工序在制成的壓電材料基片1的表面上，形成圖2所示的輸入和輸出二個叉指式電極2；結(jié)果就制成了一個供實驗用的表面聲波裝置。為了形成該二個叉指式電極2，可利用蒸氣沉積法，在該壓電材料基片上，形成一層Al膜，再利用光蝕刻方法，將電極作成叉指形。與表面聲波波長相適應(yīng)的該電極指產(chǎn)生的波的周期1為60微米，電極指對的數(shù)目為20對，電極指之間的間隔寬度為60λ(3600微米)，和Al膜的厚度為0.3微米。在圖2中，x軸的方向是表面聲波的傳播方向。y軸方向與表面聲波的傳播方向垂直。z軸的方向，與該壓電材料基片表面垂直。
制備了多個壓電材料基片的切割角度，和表面聲波傳播方向變化的表面聲波裝置。在圖3和圖4中表示了每一個表面聲波裝置的SAW速度和機電耦合系數(shù)。在圖5和圖6中，分別用二維圖形表示，根據(jù)圖3的數(shù)據(jù)得出的SAW速度和機電耦合系數(shù)。在圖7和圖8中，分別用二維圖形表示根據(jù)圖4的數(shù)據(jù)得出的SAW速度和機電耦合系數(shù)。SAW速度是將作為上述叉指式電極結(jié)構(gòu)的濾波器特性測出的中心頻率值，乘以表面聲波的波長來確定的。機電耦合系數(shù)是借助Smith等效電路方法，利用通過測量輸入和輸出二個叉指式電極中的一個所確定的導納(例如，輸入電極的二終端的導納)的實部(導率)和虛部(電納)來確定的。這個方法在題為“表面波裝置及其應(yīng)用”(編者日本電子工業(yè)材料制造者協(xié)會；出版者Nikkan Kogyo Shimbun公司，1978年)的刊物，特別是在其“基礎(chǔ)篇”的4.1.2節(jié)“表面波的有效機電耦合系數(shù)”中，有詳細地說明。上述性質(zhì)是在包圍該裝置的環(huán)境溫度為25℃的條件下測量的。
圖3，圖5和圖6清楚地表示了下列結(jié)果。當Φ角為30°，θ角為30°～90°，y角為-40°～40°時，機電耦合系數(shù)大于0.2％；而SAW速度在3000米/秒以下。在Φ角為30°±5°的情況下，可以得到同樣的結(jié)果。甚至若θ角減小至20°，也可以得到同樣的結(jié)果。在y角為-25°～25°的情況下，機電耦合系數(shù)大于0.4％。
圖4，圖7和圖8表示了下列結(jié)果。當Φ角為0°，θ角為20～160°，和y角為0°～50°時，機電耦合系數(shù)大于0.2 ％；而SAW速度在3000米/秒以下。當θ為10°～170°時，可以得到同樣的結(jié)果。當θ角為25°～120°，和y角為0°～30°時，機電耦合系數(shù)進一步增加，可達到大于0.4％。當θ角為130°～160°，y角為15°～45°時，也可得到同樣的結(jié)果。
如上所述，本發(fā)明可提供一種頻帶寬的、結(jié)構(gòu)緊湊的表面聲波裝置。
權(quán)利要求
1.一種具有一塊壓電材料基片，和放置在該壓電材料基片的多個主要表面中的一個主要表面上的一叉指式電極的表面聲波裝置，該裝置包括所述壓電材料基片由屬于點集32，化學式為Sr3TaGa3Si2O14的單晶體構(gòu)成，所述單晶體具有預先確定的切割角度，和所述表面聲波有預先確定的傳播方向；所述單晶體的所述預先確定的切割角度，和所述表面聲波的所述預先確定的傳播方向，均在區(qū)域1-1內(nèi)，其中，由歐拉角度(φ，θ，ψ)表示的所述區(qū)域1-1，滿足Φ＝25°～35°，θ＝20°～90°，ψ＝-40°～40°。
2.一種具有一塊壓電材料基片，和放置在該壓電材料基片的多個主要表面中的一個主要表面上的一叉指式電極的表面聲波裝置，該裝置包括所述壓電材料基片由屬于點集32，化學式為Sr3TaGa3Si2O14的單晶體構(gòu)成，所述單晶體具有預先確定的切割角度，和所述表面聲波有預先確定的傳播方向；所述單晶體的所述預先確定的切割角度，和所述表面聲波的預先確定的傳播方向，均在區(qū)域1-2內(nèi)，其中，由歐拉角度(Φ，θ，ψ)表示的所述區(qū)域1-2，滿足Φ＝25°～35°，θ＝20°～90°，ψ＝-25°～25°。
3.一種具有一塊壓電材料基片，和放置在該壓電材料基片的多個主要表面中的一個主要表面上的一叉指式電極的表面聲波裝置，該裝置包括所述壓電材料基片由屬于點集32，化學式為Sr3TaGa3Si2O14的單晶體構(gòu)成，所述單晶體具有預先確定的切割角度，和所述表面聲波有預先確定的傳播方向；所述單晶體的所述預先確定的切割角度，和所述表面聲波的所述預先確定的傳播方向，均在區(qū)域2-1內(nèi)，其中，由歐拉角度(Φ，θ，ψ)表示的所述區(qū)域2-1，滿足Φ＝-5°～5°，θ＝10°～170°，ψ＝0°～50°。
4.一種具有一塊壓電材料基片，和放置在該壓電材料基片的多個主要表面中的一個主要表面上的一叉指式電極的表面聲波裝置，該裝置包括所述壓電材料基片由屬于點集32，化學式為Sr3TaGa3Si2O14的單晶體構(gòu)成，所述單晶體具有預先確定的切割角度，和所述表面聲波有預先確定的傳播方向；所述單晶體的所述預先確定的切割角度，和所述表面聲波的所述預先確定的傳播方向，均在區(qū)域2-2內(nèi)，其中，由歐拉角度(Φ，θ，ψ)表示的所述區(qū)域2-2，滿足Φ＝-5°～5°，θ＝25°～120°，ψ＝0°～30°。
5.一種具有一塊壓電材料基片，和放置在該壓電材料基片的多個主要表面中的一個主要表面上的一叉指式電極的表面聲波裝置，該裝置包括所述壓電材料基片由屬于點集32，化學式為Sr3TaGa3Si2O14的單晶體構(gòu)成，所述單晶體具有預先確定的切割角度，和所述表面聲波有預先確定的傳播方向；所述單晶體的所述預先確定的切割角度，和所述表面聲波的所述預先確定的傳播方向，均在區(qū)域2-3內(nèi)，其中，由歐拉角度(Φ，θ，ψ)表示的所述區(qū)域2-3，滿足Φ＝-5°～5°，θ＝130°～160°，ψ＝15°～45°。
全文摘要
一種表面聲波裝置有一塊壓電材料基片,基片性質(zhì)包括利于展寬通頻帶寬度的機電耦合系數(shù),利于使表面聲波裝置結(jié)構(gòu)緊湊的SAW速度。壓電材料基片由屬于點集32化學式為Sr
文檔編號C30B33/00GK1277755SQ9980159
公開日2000年12月20日 申請日期1999年9月13日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月14日
發(fā)明者井上憲司, 佐藤勝男, 守越広樹, 川嵜克己, 內(nèi)田清志 申請人:Tdk股份有限公司