專利名稱：彈性邊界波裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于共振器、帶通濾波器等的彈性邊界波裝置，更具體而言，涉及包含在第一介質(zhì)和第二介質(zhì)之間安置的IDT的彈性邊界波裝置。第一介質(zhì)和第二介質(zhì)由不同材料形成。
背景技術(shù)：
彈性邊界波裝置具有其中在不同介質(zhì)之間的界面安置叉指式電極(IDT)的結(jié)構(gòu)。在彈性邊界波裝置中，彈性邊界波通過不同介質(zhì)的層狀體傳播。因此，彈性邊界波裝置可以省略復雜的封裝結(jié)構(gòu)并且比表面聲波裝置具有更簡單和更低檔(lower-profile)的結(jié)構(gòu)。
在更高的頻率工作的彈性邊界波裝置具有更短的IDT周期。這降低了IDT或反射器的電極指的寬度，從而增加導體電阻和電極指的損耗。
在彈性邊界波裝置中，當彈性邊界波的聲速小于通過在界面之上和之下安置的介質(zhì)傳播的橫波的聲速時，可以將彈性邊界波限制在上層介質(zhì)和下層介質(zhì)之間。這可以減少傳播損耗。
為了增強這種限制作用，使用高密度金屬形成IDT是有效的。如在專利文獻1中所述，許多彈性邊界波裝置具有由Al形成的IDT。相反，在專利文獻2中描述的彈性邊界波裝置中，除Al以外，還描述了Au和Ag作為用于IDT的材料。
專利文獻1日本未審查專利申請公布號58-30217專利文獻2DE 4132309 A1發(fā)明內(nèi)容在彈性邊界波裝置中，IDT產(chǎn)生彈性邊界波的工作頻率Fi由Fi＝V/λi(方程式(a))表示，其中V表示彈性邊界波的聲速并且λi表示IDT的周期。從方程式(a)明顯看出，當增加彈性邊界波裝置的工作頻率Fi時，必須降低IDT的周期λi。這也降低了IDT或反射器的電極指的寬度，從而增加導體電阻和損耗。特別是，當電極指由高密度導體形成時，如果電極指的厚度小，則傳播損耗可以接近于零。然而，電極指的厚度越小，導體電阻越大。
迄今為止，當彈性邊界波裝置的IDT由Au形成時，機電耦合系數(shù)K2不夠大并且滯后的溫度系數(shù)(TCD)不夠小。
本發(fā)明的一個目的是解決背景技術(shù)的這些缺點并且提供如下的彈性邊界波裝置，所述彈性邊界波裝置即使在更高的工作頻率也可以有效地限制彈性邊界波，并且具有足夠小的滯后溫度系數(shù)TCD。
第一發(fā)明提供包含下列各項的彈性邊界波裝置在彈性邊界波的傳播方向上具有正的滯后溫度系數(shù)的第一介質(zhì)；在彈性邊界波的傳播方向上具有負的滯后溫度系數(shù)的第二介質(zhì)；和包含在第一介質(zhì)和第二介質(zhì)之間安置的層壓導體層的IDT，其中第一介質(zhì)和第二介質(zhì)的層壓方向是IDT的厚度方向，將在厚度方向上平分IDT的平面看作是界面，在所述界面的第一介質(zhì)一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E1并且在所述界面的第二介質(zhì)一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E2，并且其中如果IDT只由在IDT的所述層壓導體層中具有最高密度的導體層構(gòu)成，則當在所述界面的第一介質(zhì)一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E1′并且當在所述界面的第二介質(zhì)一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E2′時，彈性邊界波的能量可以滿足E1/E2＜E1′/E2′的關(guān)系，使得在由所述層壓導體層構(gòu)成的IDT中彈性邊界波的聲速等于在IDT只由具有最高密度的導體層形成時彈性邊界波的聲速。
根據(jù)第一發(fā)明的一個具體方面，IDT具有由如下的層構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)第一導體層，由具有在7000至22000kg/m3的范圍內(nèi)的密度的金屬形成；和第二導體層，由具有至少1740kg/m3并且小于11000kg/m3的密度的金屬形成；第一導體層的密度ρ1和第二導體層的密度ρ2滿足ρ1/ρ2＞1.8的關(guān)系并且在IDT的第二介質(zhì)一側(cè)安置的導體層是第一導體層。
根據(jù)第一發(fā)明的另一個具體方面，IDT的第一導體層的厚度H和電極指周期λ滿足0.034λ＜H＜0.5λ的關(guān)系。
根據(jù)第一發(fā)明的再一個具體方面，將粘合層安置在IDT與第一介質(zhì)和/或第二介質(zhì)接觸的部分。
第二發(fā)明提供包含下列各項的彈性邊界波裝置在彈性邊界波的傳播方向上具有正的滯后溫度系數(shù)的第一介質(zhì)；在彈性邊界波的傳播方向上具有負的滯后溫度系數(shù)的第二介質(zhì)；和在第一介質(zhì)和第二介質(zhì)之間安置的IDT，其中IDT具有由如下的層構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)第一導體層，由具有在7000至22000kg/m3的范圍內(nèi)的密度的金屬形成；和第二導體層，由具有至少1740kg/m3且小于11000kg/m3的密度的金屬形成；第一導體層的密度ρ1和第二導體層的密度ρ2滿足ρ1/ρ2＞1.8的關(guān)系，在IDT的第二介質(zhì)一側(cè)安置的導體層是第一導體層，并且IDT的第一導體層的厚度H和電極指間距λ滿足0.034λ＜H＜0.5λ的關(guān)系。
根據(jù)第二發(fā)明的另一個具體方面，將粘合層安置在IDT與第一介質(zhì)和/或第二介質(zhì)接觸的部分。
根據(jù)第一發(fā)明或第二發(fā)明(以下全部稱為本發(fā)明)的一個具體方面，第一介質(zhì)由選自LiTaO3、LiNbO3、石英晶體、PZT、LBO、硅酸鎵鑭(langasite)、鈮酸鎵鑭(langanite)和玻璃的一種材料構(gòu)成。
在根據(jù)本發(fā)明的彈性邊界波裝置的另一個具體方面中，第二介質(zhì)由選自SiO2、石英晶體、LBO、硅酸鎵鑭、鈮酸鎵鑭和玻璃的至少一種材料構(gòu)成。這種材料與用于第一介質(zhì)的材料不同。
在根據(jù)本發(fā)明的另一個具體方面中，構(gòu)成第一導體層的金屬是選自Pt、Au、Cu、Ag、Ni、Fe、W、Ta、Cr和基于它們的合金的金屬，并且構(gòu)成第二導體層的金屬是選自Mg、Al、Ti和基于它們的合金的金屬。
在根據(jù)本發(fā)明的彈性邊界波裝置的另一個方面中，構(gòu)成第一導體層的金屬是Au，并且構(gòu)成第二導體層的金屬是選自Al、Mg、Ti、Cr、Ni、Cu、Ag和基于它們的合金的金屬。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的彈性邊界波裝置的另一個具體方面中，構(gòu)成第一導體層的金屬是Cu，并且構(gòu)成第二導體層的金屬是選自Al、Mg、Ti和基于它們的合金的金屬。
此外，當構(gòu)成第一導體層和第二導體層的每一種金屬是上述單金屬時，IDT的膜厚度優(yōu)選等于或小于0.3λ。
在根據(jù)本發(fā)明的彈性邊界波裝置的另一個具體方面中，彈性邊界波裝置還包含在第一介質(zhì)和第二介質(zhì)之間安置的反射器。所述反射器由與IDT相同的電極材料形成。
本發(fā)明的優(yōu)點根據(jù)本申請的第一發(fā)明，在彈性邊界波的傳播方向上具有正的滯后溫度系數(shù)TCD的第一介質(zhì)和在彈性邊界波的傳播方向上具有負TCD的第二介質(zhì)之間安置由多層導體層形成的IDT，并且滿足E1/E2＜E1′/E2′的關(guān)系。盡管在第二介質(zhì)一側(cè)上的彈性邊界波的能量比在第一介質(zhì)一側(cè)上的彈性邊界波的能量更高，但是因為第二介質(zhì)的滯后溫度系數(shù)TCD是負的，例如，將高密度導體層放置在第二介質(zhì)一側(cè)上可以充分降低TCD。
因此，當IDT具有包含第一導體層和第二導體層的層狀結(jié)構(gòu)時，通過將由高密度金屬形成的第一金屬層放置在第二介質(zhì)一側(cè)上，可以容易地提供具有足夠小的TCD的彈性邊界波裝置。
在第一發(fā)明中，在IDT具有由如下的層構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)的時候第一導體層，由具有在7000至22000kg/m3范圍內(nèi)的密度的金屬形成；和第二導體層，由具有至少1740kg/m3且小于11000kg/m3的密度的金屬形成，在第一導體層的密度ρ1和第二導體層的密度ρ2滿足ρ1/ρ2＞1.8的關(guān)系時且在IDT的第二介質(zhì)一側(cè)安置的導體層是第一導體層時，在第二介質(zhì)一側(cè)安置高密度導體層。這可以有效地降低TCD。
在第一發(fā)明中，當滿足0.034λ＜H＜0.5λ的關(guān)系時，可以進一步降低TCD。
當在與第一介質(zhì)和/或第二介質(zhì)接觸的部分安置粘合層時，IDT可以有效地提高IDT和第一介質(zhì)和/或第二介質(zhì)之間的粘附性。
在第二發(fā)明中，在具有正TCD的第一介質(zhì)和具有負TCD的第二介質(zhì)之間安置IDT，IDT具有包含第一導體層和第二導體層的層狀結(jié)構(gòu)，并且在第二介質(zhì)一側(cè)安置第一導體層。因此，可以充分地降低TCD。另外，因為滿足0.034λ＜H＜0.51λ的關(guān)系，可以進一步降低TCD。
當在與第一介質(zhì)和/或第二介質(zhì)接觸的部分安置粘合層時，IDT可以有效地提高IDT和第一介質(zhì)和/或第二介質(zhì)之間的粘附性。
當?shù)谝唤橘|(zhì)由選自LiTaO3、LiNbO3、石英晶體、PZT、LBO、硅酸鎵鑭、鈮酸鎵鑭和玻璃的一種材料構(gòu)成時，在某些條件下TCD可以是正的。因此，使用具有負TCD的介質(zhì)作為第二介質(zhì)可以降低整個彈性邊界波裝置的TCD。
當?shù)诙橘|(zhì)由選自SiO2、石英晶體、LBO、硅酸鎵鑭、鈮酸鎵鑭和玻璃的至少一種材料構(gòu)成，并且該材料與用作一種介質(zhì)的材料不同時，在某些條件下TCD可以是負的。因此，使用具有正TCD的介質(zhì)作為第一介質(zhì)可以降低整個彈性邊界波裝置的TCD。根據(jù)本發(fā)明，通過增加在第二介質(zhì)中出現(xiàn)的彈性邊界波的振動能可以進一步降低TCD。
根據(jù)本發(fā)明，構(gòu)成第一導體層和第二導體層的金屬可以是任何金屬。例如，當構(gòu)成第一導體層的金屬是選自Pt、Au、Cu、Ag、Ni、Fe、W、Ta、Cr和基于它們的合金的金屬，并且構(gòu)成第二導體層的金屬是選自Mg、Al、Ti、Cr、Ni、Cu、Ag和基于它們的合金的金屬時，使用這些廣泛使用的金屬可以容易地形成第一導體層和第二導體層。
此外，在構(gòu)成第一導體層的金屬是Au的情況下，當構(gòu)成第二導體層的金屬是選自Al、Mg、Ti、Cr、Ni、Cu、Ag和基于它們的合金的金屬時，可以容易地實現(xiàn)優(yōu)異的特性，如頻率的溫度系數(shù)TCD的絕對值與10ppm/℃一樣小或更小。
此外，當構(gòu)成第一導體層的金屬是Cu時，優(yōu)選使用選自Al、Mg、Ti和基于它們的合金的金屬作為構(gòu)成第二導體層的金屬，因為這可以滿足ρ1/ρ2＞1.8的關(guān)系，從而降低TCD的絕對值。
當如上所述，第一導體層由Au或Cu構(gòu)成時，IDT的膜厚度優(yōu)選等于或小于0.3λ。這可以容易地將TCD的絕對值降低至10ppm/℃或更小。
在本發(fā)明中，當在第一介質(zhì)和第二介質(zhì)之間還安置由與IDT相同的電極材料形成的反射器時，根據(jù)本發(fā)明可以容易地制造每一個均包含該反射器的彈性邊界波共振器或彈性邊界波共振器濾波器。
附圖簡述

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的彈性邊界波裝置的示意性橫截面俯視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的彈性邊界波裝置的示意性橫截面正視圖。
圖3是如下結(jié)構(gòu)的示意性部分放大橫截面正視圖根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的彈性邊界波裝置的電極結(jié)構(gòu)和根據(jù)另一實施方案的彈性邊界波裝置的電極結(jié)構(gòu)。
圖4是說明在圖1說明的彈性邊界波裝置中彈性邊界波的聲速Vm的變化的圖，其中在第二介質(zhì)一側(cè)安置由Au形成的第一導體層16，第一導體層16的厚度保持恒定，并且改變在第一介質(zhì)一側(cè)安置的Al的壓力。
圖5是說明在圖1說明的彈性邊界波裝置中彈性邊界波的機電耦合系數(shù)K2的變化的圖，其中在第二介質(zhì)一側(cè)安置由Au形成的第一導體層16，第一導體層16的厚度保持恒定，并且改變在第一介質(zhì)一側(cè)安置的Al的壓力。
圖6是說明在圖1說明的彈性邊界波裝置中彈性邊界波的滯后溫度系數(shù)TCD的變化的圖，其中在第二介質(zhì)一側(cè)安置由Au形成的第一導體層16，第一導體層16的厚度保持恒定，并且改變在第一介質(zhì)一側(cè)安置的Al的壓力。
圖7是說明在圖1說明的彈性邊界波裝置中彈性邊界波的聲速Vm的變化的圖，其中在第二介質(zhì)一側(cè)安置由Al形成的第一導體層16，第一導體層16的厚度保持恒定，并且改變在第一介質(zhì)一側(cè)安置的Au的壓力。
圖8是說明在圖1說明的彈性邊界波裝置中彈性邊界波的機電耦合系數(shù)K2的變化的圖，其中在第二介質(zhì)一側(cè)安置由Al形成的第一導體層16，第一導體層16的厚度保持恒定，并且改變在第一介質(zhì)一側(cè)安置的Au的壓力。
圖9是說明在圖1說明的彈性邊界波裝置中彈性邊界波的滯后溫度系數(shù)TCD的變化的圖，其中在第二介質(zhì)一側(cè)安置由Al形成的第一導體層16，第一導體層16的厚度保持恒定，并且改變在第一介質(zhì)一側(cè)安置的Au的壓力。
圖10是在包含僅由Au形成的IDT的比較彈性邊界波裝置中，彈性邊界波的位移分布的示意圖。
圖11是說明根據(jù)如下實施方案的彈性邊界波裝置中彈性邊界波的位移分布的圖在第一介質(zhì)LiNbO3一側(cè)安置由Al形成的第一導體層并且在SiO2一側(cè)安置由Au形成的第二導體層。
圖12是說明當?shù)谝粚w層由Al形成并且第二導體層由具有0.05λ的厚度的Au形成時TCD隨Al的膜厚度變化的圖。
圖13是說明當?shù)谝粚w層由Cu形成并且第二導體層由具有0.05λ的厚度的Cu形成時TCD隨Cu的膜厚度變化的圖。
圖14是說明當?shù)谝粚w層由Ag形成并且第二導體層由具有0.05λ的厚度的Ag形成時TCD隨Ag的膜厚度變化的圖。
圖15是說明當?shù)谝粚w層由Al形成并且第二導體層由具有0.1λ的厚度的Cu形成時TCD隨歸一化的Al的膜厚度變化的圖。
圖16是說明當?shù)谝粚w層由Ti形成并且第二導體層由具有0.1λ的厚度的Cu形成時TCD隨歸一化的Ti的膜厚度變化的圖。
附圖標記10彈性邊界波裝置11第一介質(zhì)12第二介質(zhì)13IDT13a，13b電極指14，15反射器16第一導體層17第二導體層實施本發(fā)明的最佳方式下面詳細描述本說明書中的介質(zhì)和用作電極材料的材料的密度、晶體的歐拉角和晶軸。
密度SiO2的密度是2210kg/m3，SiO2的橫波的聲特征阻抗是8.3×106kg·s/m2，Al的密度是2699 kg/m3，Al的橫波的聲特征阻抗是8.4×106kg·s/m2，Cu的密度是8939kg/m3，Cu的橫波的聲特征阻抗是21.4×106kg·s/m2，Ag的密度是10500kg/m3，Ag的橫波的聲特征阻抗是18.6×106kg·s/m2，Au的密度是19300kg/m3和Au的橫波的聲特征阻抗是24.0×106kg·s/m2。
歐拉角在本說明書中表示襯底切面和邊界波的鐵板方向的歐拉角(φ，θ，ψ)是在以下文件中描述的右旋歐拉角″Danseihasosi gijyutu handobukku(聲波裝置技術(shù)手冊)″(日本科學促進協(xié)會，聲波裝置技術(shù)第150屆委員會，第一版，第一次印刷，1991年11月30日發(fā)行，549頁)。更具體而言，在LN的X、Y和Z晶軸上，X軸繞Z軸反時針旋轉(zhuǎn)φ轉(zhuǎn)(turn)提供Xa軸。然后，Z軸繞Xa軸反時針旋轉(zhuǎn)θ轉(zhuǎn)提供Z′軸。將包含Xa軸且與Z′軸正交的平面看作是襯底的切面。然后，Xa軸繞Z′軸反時針旋轉(zhuǎn)ψ轉(zhuǎn)提供X′軸。將X′軸的方向看作是邊界波的傳播方向。
晶軸在作為歐拉角的初始值給定的LiNbO3的晶軸X、Y和Z上，Z軸平行c軸，X軸是三根等價a軸中的任一根并且Y軸與包含X軸和Z軸的平面正交。
等價歐拉角在本發(fā)明中LiNbO3的歐拉角(φ，θ，ψ)可以是在晶體學上等價的。例如，根據(jù)文件(Journal of Acoustical Society of Japan，36卷，第3期，1980，140-145頁)，LiNbO3是三角形3m點群的晶體。因此，方程式[4]對LiNbO3成立F(φ，θ，ψ)＝F(60°-φ，-θ，ψ)＝F(60°+φ，-θ，180°-ψ)＝F(φ，180°+θ，180°-ψ)＝F(φ，θ，180°+ψ)[4]其中F表示邊界波特性如機電耦合系數(shù)KS2、傳播損耗、TCF、PFA或本征單向性。在PFA的本征單向性中，當傳播方向反轉(zhuǎn)時，例如不改變絕對量，但是信號反轉(zhuǎn)。因此，它們的本征單向性實際上等價。雖然該文件描述了表面波，但是相同處理適用于邊界波的晶體對稱性。
例如，具有歐拉角(30°，θ，ψ)的邊界波的傳播特性等價于具有(90°，180°-θ，180°-ψ)的歐拉角的邊界波的傳播特性。此外，例如，具有(30°，90°，45°)的歐拉角的邊界波的傳播特性等價于具有表中描述的歐拉角的邊界波的傳播特性。
在本發(fā)明中用于計算的導體材料常數(shù)是多晶材料常數(shù)。即使在晶體如外延膜中，邊界波特性中襯底的晶體取向依賴性也比膜的晶體取向依賴性占優(yōu)勢。因此，方程式[4]還可以在不導致實際問題的情況下提供邊界波在晶體中的傳播特性。


下面通過參考附圖描述本發(fā)明的具體實施方案澄清本發(fā)明。
圖1和2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的彈性邊界波裝置的示意性橫截面俯視圖和示意性橫截面正視圖。
彈性邊界波裝置10包含由第一介質(zhì)11和第二介質(zhì)12構(gòu)成的層壓體。在該實施方案中第一介質(zhì)11是充當壓電物質(zhì)的15°Y-截除(cut)X-傳播(歐拉角(0°，105°，0°))LiNbO3板。
在該實施方案中第二介質(zhì)12由充當絕緣物質(zhì)的SiO2形成。
在第一介質(zhì)11和第二介質(zhì)12之間的界面安置IDT 13和反射器14和15。在IDT 13中，多根電極指13a和多根電極指13b相互插入。所述多根電極指13a電連接到一根匯流線上。所述多根電極指13b電連接到另一根匯流線上。
在該實施方案中IDT 13和反射器14和15具有層狀結(jié)構(gòu)，所述層狀結(jié)構(gòu)包含由Au形成且具有更高密度的第一導體層和由Al形成且具有更低密度的第二導體層。
圖3是說明電極指13a和13b的橫截面結(jié)構(gòu)的示意性放大橫截面圖。在電極指13a和13b中，將第一導體層16和第二導體層17疊加。在由絕緣物質(zhì)形成的第二介質(zhì)12一側(cè)安置由Au形成的第一導體層16。在充當壓電物質(zhì)的第一介質(zhì)11一側(cè)安置由Al形成的第二導體層17。
反射器14和15還具有與IDT 13相同的電極結(jié)構(gòu)。因此，在反射器14和15中，還疊加第一導體層16和第二導體層17。
在該實施方案的彈性邊界波裝置10中，如上所述形成第一介質(zhì)11和第二介質(zhì)12，并且IDT 13和反射器14和15具有上述電極結(jié)構(gòu)。將在厚度方向上平分IDT 13的平面看作是界面。在所述界面的第一介質(zhì)11一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E1。在所述界面的第二介質(zhì)一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E2。如果IDT 13只由單組分導體Au形成，所述單組分導體Au構(gòu)成在IDT 13的層壓導體層16和17之中具有最高密度的第一導體層，則在所述界面的第一介質(zhì)一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E1′且在所述界面的第二介質(zhì)12一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E2′時，彈性邊界波能量可以滿足E1/E2＜E1′/E2′的關(guān)系，使得在由層壓導體層16和17構(gòu)成的IDT 13中彈性邊界波的聲速等于在IDT 13只由Au形成時彈性邊界波的聲速。這種關(guān)系使得彈性邊界波裝置10作為一個整體具有更小的TCD。下面將對其具體描述。
如圖3中說明，在充當壓電物質(zhì)的第一介質(zhì)11一側(cè)安置由Al形成的第二導體層17。在為第二介質(zhì)的SiO2一側(cè)安置由Au形成的第一導體層16。確定彈性邊界波的聲速、機電耦合系數(shù)K2和滯后溫度系數(shù)TCD與導體層厚度的關(guān)系。下面描述條件。
層狀結(jié)構(gòu)SiO2/IDT/LiNbO315°Y-截除X-傳播LiNbO3板用作LiNbO3。
IDT構(gòu)成第一導體層16的Au的厚度是0.05λ或者可變的。由Al形成的第二導體層17的厚度是0.1λ或可變的。
第一介質(zhì)11和第二介質(zhì)12具有無窮大厚度。
這些是根據(jù)如下文件確定的″A method for estimating optimal cuts andpropagation directions for excitation and propagation directions for excitationof piezoelectric surface waves″(J.J.Campbell和W.R.Jones，IEEE Trans.Sonics and Ultrason.，SU-15卷(1968)209-217頁)。在此情況下，對于開放邊界，在如下假設(shè)上確定聲速位移、電位、電通量和密度的正交分量和垂直應力在第一介質(zhì)11和第二介質(zhì)之間的邊界、第一介質(zhì)11和IDT 13之間的邊界以及IDT 13和第二介質(zhì)12之間的邊界是連續(xù)的；第一介質(zhì)11和第二介質(zhì)12具有無窮大厚度；并且構(gòu)成IDT和其它元件的導體的相對介電常數(shù)為1。對于短路邊界，在電位在第二介質(zhì)和IDT之間的邊界和IDT和第一介質(zhì)之間的邊界處為零的假設(shè)上，確定聲速。通過方程式(1)確定機電耦合系數(shù)K2。在方程式(1)中，Vf表示在開放邊界的聲速。
K2＝2x|Vf-V|/Vf…(1)基于在20℃、25℃和30℃的相速，通過方程式(2)確定滯后溫度系數(shù)TCD。
TCD＝(V[20℃]-V[30℃])/V[25℃]/10+αs…(2)在方程式(2)中，αs表示第一介質(zhì)11在邊界波的傳播方向上的線性膨脹系數(shù)。
圖4至6說明了當將第一導體層16即Au的厚度設(shè)定為0.05λ時，聲速、機電耦合系數(shù)K2和滯后溫度系數(shù)TCD與構(gòu)成第二導體層17的Al的厚度(λ)的關(guān)系。圖7至9說明了當將構(gòu)成第二導體層17的Al的厚度設(shè)定為0.1λ時，彈性邊界波的聲速、機電耦合系數(shù)K2和滯后溫度系數(shù)TCD與構(gòu)成第一導體層16的Au的厚度(λ)的關(guān)系。
在圖4至6中，在Al的厚度＝0的特性對應只由Au形成的電極的特性。如圖6所示，通過將由Al形成的第二導體層17放置在由LiNbO3形成的第一介質(zhì)11和由Au形成的第一導體層16之間，換句話說，通過將Al的厚度設(shè)定為大于零，可以控制滯后溫度系數(shù)TCD。
如下將對其重新敘述。將在厚度方向上平分IDT 13的平面看作是界面。在所述界面的第一介質(zhì)11一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E1。在所述界面的第二介質(zhì)12一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E2。如果IDT13只由單組分導體Au形成，所述導體Au構(gòu)成在IDT 13的層壓導體層16和17之中具有最高密度的第一導體層，則在所述界面的第一介質(zhì)一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E1′且在所述界面的第二介質(zhì)12一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E2′時，彈性邊界波能量可以滿足E1/E2＜E1′/E2′的關(guān)系，使得在由層壓導體層16和17構(gòu)成的IDT 13中彈性邊界波的聲速等于在IDT 13只由Au形成時彈性邊界波的聲速。這種關(guān)系使得滯后溫度系數(shù)TCD降低。
更具體而言，優(yōu)選0.034λ＜H的關(guān)系，其中H表示由Al形成的第二導體層17的厚度，因為該關(guān)系提供在±20ppm/℃的范圍內(nèi)的TCD。更優(yōu)選的是，0.064λ＜H＜0.2λ的關(guān)系導致±10ppm/℃的TCD。還更優(yōu)選的是，0.083λ＜H＜0.144λ的關(guān)系導致±5ppm/℃。特別是，鄰近0.118λ的H可以提供接近于零的TCD。
因為考慮到縱橫比而存在臨界值，所以通過光刻的Al的厚度的上限是約0.5λ。
此外，如圖9所示，即使當改變由Au形成的第一導體層16的厚度時，TCD也沒有明顯變化。
圖10是當Au的厚度＝0.05λ并且Al的厚度＝0時，彈性邊界波的位移分布的示意圖(U1＝縱波分量，U2＝SH波分量，U3＝SV波分量；U1至U3是構(gòu)成彈性邊界波的分波分量)。圖11是說明當Au的厚度＝0.05λ并且Al的厚度＝0.1λ時，在彈性邊界波裝置的彈性邊界波的位移分布的圖(U1＝縱波分量，U2＝SH波分量，U3＝SV波分量；U1至U3是構(gòu)成彈性邊界波的分波分量)。在圖10中，第一介質(zhì)11的密度是4640kg/m3并且第二密度12的密度是2210kg/m3。在圖10中，IDT不具有包含多個導體的層狀結(jié)構(gòu)并且由單組分導體形成。彈性邊界波的能量與ρU2成正比，其中U表示振幅并且ρ表示IDT的密度。因此，E1′/E2′是約1.1。從圖11確定的E1/E2是約0.5。因此，在該實施方案中，滿足E1/E2＜E1′/E2′的關(guān)系。
如圖11所示，因為在第二介質(zhì)12一側(cè)安置由Au形成的高密度第一導體層16，所以振動能分布的中心出現(xiàn)在第二介質(zhì)12一側(cè)。因此，由于它的負TCD，SiO2可以強烈地抵消由壓電物質(zhì)形成的第一介質(zhì)11的正TCD。因此，可以有效地降低整個彈性邊界波裝置的TCD。
本發(fā)明不但可以應用于起彈性邊界波共振器作用的彈性邊界波裝置10，而且可以應用于具有各種結(jié)構(gòu)的共振器或者濾波器。具體而言，本發(fā)明還可以廣泛應用于使用彈性邊界波的各種濾波器或者開關(guān)，如梯型濾波器、縱向耦合共振器濾波器、橫向耦合共振器濾波器、橫向濾波器、彈性邊界波光學開關(guān)和彈性邊界波濾光器。
電極材料不限于Au或Al并且可以是另一種導電材料，如Pt、Ag、Cu、Ni、Ti、Fe、W或Ta，或可以是基于這些導電材料的合金。
確實，當IDT具有包含第一導體層和第二導體層的層狀結(jié)構(gòu)時，第一導體層由高密度金屬形成，所述高密度金屬具有7000至22000kg/m3的密度，如Au，并且第二導體層由低密度金屬形成，所述低密度金屬具有至少1740kg/m3且小于11000kg/m3的密度，如Al。假如對構(gòu)成第一導體層和第二導體層的金屬的密度和對第一導體層與第二導體層的密度比ρ1/ρ2＞1.8的要求得到滿足，則構(gòu)成包括第一導體層和第二導體層的層狀結(jié)構(gòu)的每一導體層的金屬可以是任何金屬。
構(gòu)成第一導體層和第二導體層的金屬的實例包括如下構(gòu)成第一導體層的金屬和構(gòu)成第二導體層的金屬的組合所述構(gòu)成第一導體層的金屬選自Pt、Au、Cu、Ag、Ni、Fe、W、Ta、Cr和基于它們的合金；并且所述構(gòu)成第二導體層的金屬選自Mg、Al、Ti、Cr、Ni、Cu、Ag和基于它們的合金。
此外，當構(gòu)成第一導體層的金屬是Au時，滿足上述條件的組合的實例包括與如下構(gòu)成第二導體層的金屬的組合，所述構(gòu)成第二導體層的金屬選自Al、Mg、Ti、Cr、Ni、Cu、Ag和基于它們的合金。此外，當構(gòu)成第一導體層的金屬是Cu時，所述組合的實例包括與選自Al、Mg、Ti和基于它們的合金的構(gòu)成第二導體層的金屬的組合。在構(gòu)成第一導體層的金屬是Au時的組合中或在構(gòu)成第一導體層的金屬是Cu時的組合中，IDT的膜厚度優(yōu)選等于或小于0.3λ。這可以將TCD的絕對值降低至10ppm/℃或更小。
圖12至14說明的是，當與得到圖4至6所說明的結(jié)果的彈性邊界波裝置一樣制造彈性邊界波裝置，只是第一導體層和第二導體層具有下面描述的結(jié)構(gòu)時，TCD隨IDT中第二導體層的膜厚度的變化情況。
具體而言，圖12至14說明當?shù)谝粚w層由具有0.05λ的膜厚度的Au形成并且第二導體層由Al形成時，TCD隨歸一化的Al的膜厚度的變化。
圖13和14說明當上部的第二導體層由Cu或Ag形成時TCD隨Cu膜或Ag膜的厚度的變化。在圖13和14中，由Au形成的第一導體層的膜厚度還是0.05λ。
在圖12至14中，垂直交替的長和短虛線表明了第二導體層的Al膜、Cu膜和Ag膜具有0.25λ的厚度的點。在該點，第一導體層和第二導體層的總膜厚度是0.3λ。
如圖12至14所示，當IDT的膜厚度等于或小于0.3λ時，隨著構(gòu)成第二導體層的金屬的密度從Al到Cu再到Ag增加，其中TCD的絕對值等于或小于10ppm/℃的第二導體層的區(qū)域或膜厚度范圍減小。這種現(xiàn)象產(chǎn)生于第一導體層與第二導體層的密度比。Au/Ag的密度比是1.83。
通常，其中TCD的絕對值等于或小于10ppm/℃的區(qū)域可以是其中TCD是優(yōu)異的區(qū)域。因此，可能不必要使用具有大于10ppm/℃的TCD的絕對值的彈性邊界波裝置。根據(jù)具體要求，可以使用具有上述范圍以外的特性的彈性邊界波裝置。換句話說，等于或小于10ppm/℃的TCD的絕對值表示優(yōu)選的數(shù)值范圍。
圖15和16是說明當?shù)谝粚w層由具有0.1λ的膜厚度的Cu形成并且第二導體層由Al或Ti形成時，TCD隨Al膜或Ti膜的膜厚度變化的圖。
在圖15和16中，垂直交替的長和短虛線表明了第二導體層的膜厚度是0.2λ的點。在該點，第一導體層和第二導體層的總膜厚度是0.3λ。
當?shù)谝粚w層由Cu形成時第一導體層的厚度是0.1λ的原因是Cu的密度是8.93并且是Au的密度，即19.3的一半。更具體而言，在彈性邊界波中，能量集中的分布依賴于電極的重量。為了使第一導體層的能量集中與在圖12至14中的能量集中相等，將在圖15和16中的歸一化的Cu膜厚度設(shè)定為0.1λ。
如圖15和16中所示，當IDT的膜厚度等于或小于0.5λ或者等于或小于0.3λ并且第一導體層由Cu形成時，隨著構(gòu)成第二導體層的金屬的密度增加，其中可以達到優(yōu)異的TCD的區(qū)域同樣減小。這種現(xiàn)象產(chǎn)生于第一導體層與第二導體層的密度比ρ1/ρ2。Cu/Ti的密度比是1.98，滿足ρ1/ρ2＞1.8。
另外，可以將Ti、Cr、NiCr、Ni、ZnO等的薄層疊加在第一導體層或第二導體層上以提高粘附性或電功率阻抗。在此情況下，可以將所述薄層安置在第一導體層或第二導體層和第一介質(zhì)層或第二介質(zhì)層之間，或者在第一導體層和第二導體層之間。特別是，當將所述薄層作為粘合層安置在IDT與第一介質(zhì)和/或第二介質(zhì)接觸的部分時，可以有效地提高在IDT和第一介質(zhì)和/或第二介質(zhì)之間的粘附性。因為所述薄層只須具有粘附性或防止擴散，所以該薄層的膜厚度在1至30nm的范圍內(nèi)。
此外，在本發(fā)明中，除第一導體層和第二導體層以外，還可以疊加包括第三導體層的至少一層附加的導體層。在此情況下，用于第三導體層的材料可以與用于第一導體層或第二導體層的材料相同或不同。因此，例如電極的結(jié)構(gòu)可以是Al/Au/Al。這種結(jié)構(gòu)可以提供這樣的彈性邊界波裝置，其中機電耦合系數(shù)K2由于Au的存在而適度地增加，滯后溫度系數(shù)TCD在某種程度上降低，并且電極指具有小的導體電阻。
此外，在疊加第一介質(zhì)11和第二介質(zhì)12時，可以疊加至少一種附加的介質(zhì)。當在第一介質(zhì)11或第二介質(zhì)12上疊加另一種介質(zhì)時，可以將該第三介質(zhì)安置在第一介質(zhì)和第二介質(zhì)之間。在此情況下，當將由更高密度的電極材料形成的第一導體層安置在由SiO2等形成并且具有負TCD的介質(zhì)一側(cè)時，可以降低整個裝置的TCD。
此外，在本發(fā)明中，在形成第二介質(zhì)之前，可以通過各種方法如反濺射、離子束研磨、活性離子刻蝕和濕法刻蝕調(diào)整TCD以控制頻率。另外，當使用第二介質(zhì)/第三介質(zhì)/IDT/第一介質(zhì)的層狀結(jié)構(gòu)時，可以通過離子束研磨或刻蝕調(diào)整第三介質(zhì)的厚度，或者通過沉積法如濺射或氣相沉積形成附加膜，以控制頻率。
第一介質(zhì)和第二介質(zhì)可以由各種材料構(gòu)成。這些材料包括Si、玻璃、SiO2、SiC、ZnO、Ta2O5、PZT、AlN、Al2O3、LiTaO3、LiNbO3和KN(鈮酸鉀)。特別是，當使用壓電物質(zhì)作為第一介質(zhì)11時，除LiNb2O3以外，還可以使用各種壓電物質(zhì)如ZnO、Ta2O5、PZT和LiTaO3。
此外，當使用電介質(zhì)材料作為第二介質(zhì)12時，這種電介質(zhì)材料的實例除SiO2以外還包括玻璃、SiC、AlN和Al2O3。如上所述，因為壓電物質(zhì)通常具有正TCD，優(yōu)選使用具有負TCD的電介質(zhì)材料作為第二介質(zhì)12的材料以降低TCD。所述具有負TCD的電介質(zhì)材料的實例除SiO2以外還包括石英晶體、四硼酸鋰(LBO)、硅酸鎵鑭、鈮酸鎵鑭和玻璃。
在本發(fā)明中，包含第一介質(zhì)和第二介質(zhì)的層壓體或還包含第三介質(zhì)的層壓體可以具有外保護層，以增加強度或防止腐蝕性氣體的侵入。所述保護層可以由各種材料形成，所述各種材料包括但是不限于聚酰亞胺，環(huán)氧樹脂，無機絕緣材料如氧化鈦、氮化鋁或氧化鋁，和金屬如Au、Al或W。此外，在保護層的存在下或在沒有保護層時，可以封裝彈性邊界波裝置。
權(quán)利要求
1.一種彈性邊界波裝置，該裝置包含在彈性邊界波的傳播方向上具有正的滯后溫度系數(shù)的第一介質(zhì)；在彈性邊界波的傳播方向上具有負的滯后溫度系數(shù)的第二介質(zhì)；和包含在第一介質(zhì)和第二介質(zhì)之間安置的層壓導體層的IDT，其中第一介質(zhì)和第二介質(zhì)的層壓方向是IDT的厚度方向，將在厚度方向上平分IDT的平面看作是界面，在所述界面的第一介質(zhì)一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E1并且在所述界面的第二介質(zhì)一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E2，并且如果IDT只由在IDT的所述層壓導體層中具有最高密度的單金屬的導體層構(gòu)成，則在所述界面的第一介質(zhì)一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E1′并且在所述界面的第二介質(zhì)一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E2′時，彈性邊界波的能量可以滿足E1/E2＜E1′/E2′的關(guān)系，使得在由所述層壓導體層構(gòu)成的IDT中彈性邊界波的聲速等于在IDT只由所述具有最高密度的導體層形成時彈性邊界波的聲速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性邊界波裝置，其中IDT具有由如下的層構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)第一導體層，由具有在7000至22000kg/m3的范圍內(nèi)的密度的金屬形成；和第二導體層，由具有至少1740kg/m3且小于11000kg/m3的密度的金屬形成；第一導體層的密度ρ1和第二導體層的密度ρ2滿足ρ1/ρ2＞1.8的關(guān)系，并且在IDT的第二介質(zhì)一側(cè)安置的導體層是第一導體層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的彈性邊界波裝置，其中IDT的第一導體層的厚度H和電極指周期λ滿足0.034λ＜H＜0.5λ的關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的彈性邊界波裝置，該裝置還包含在IDT與第一介質(zhì)和/或第二介質(zhì)接觸的部分安置的粘合層。
5.一種彈性邊界波裝置，該裝置包含在彈性邊界波的傳播方向上具有正的滯后溫度系數(shù)的第一介質(zhì)；在彈性邊界波的傳播方向上具有負的滯后溫度系數(shù)的第二介質(zhì)；和在第一介質(zhì)和第二介質(zhì)之間安置的IDT，其中所述IDT具有由如下的層構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)第一導體層，由具有在7000至22000kg/m3的范圍內(nèi)的密度的金屬形成；和第二導體層，由具有至少1740kg/m3且小于11000kg/m3的密度的金屬形成；第一導體層的密度ρ1和第二導體層的密度ρ2滿足ρ1/ρ2＞1.8的關(guān)系，在IDT的第二介質(zhì)一側(cè)安置的導體層是第一導體層，并且IDT的第一導體層的厚度H和電極指周期λ滿足0.034λ＜H＜0.5λ的關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的彈性邊界波裝置，該裝置還包含在IDT與第一介質(zhì)和/或第二介質(zhì)接觸的部分安置的粘合層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的彈性邊界波裝置，其中第一介質(zhì)由選自如下材料的一種材料構(gòu)成LiTaO3、LiNbO3、石英晶體、PZT、LBO、硅酸鎵鑭、鈮酸鎵鑭和玻璃。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的彈性邊界波裝置，其中第二介質(zhì)由選自SiO2、石英晶體、LBO、硅酸鎵鑭、鈮酸鎵鑭和玻璃的至少一種材料構(gòu)成，所述材料與用作第一介質(zhì)的材料不同。
9.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項所述的彈性邊界波裝置，其中構(gòu)成第一導體層的金屬是選自Pt、Au、Cu、Ag、Ni、Fe、W、Ta、Cr和基于它們的合金的金屬，并且構(gòu)成第二導體層的金屬是選自Mg、Al、Ti、Cr、Ni、Cu、Ag和基于它們的合金的金屬。
10.根據(jù)權(quán)利要求2至9中任一項所述的彈性邊界波裝置，其中所述構(gòu)成第一導體層的金屬是Au，并且所述構(gòu)成第二導體層的金屬是選自Al、Mg、Ti、Cr、Ni、Cu、Ag和基于它們的合金的金屬。
11.根據(jù)權(quán)利要求2至9中任一項所述的彈性邊界波裝置，其中所述構(gòu)成第一導體層的金屬是Cu，并且所述構(gòu)成第二導體層的金屬是選自Al、Mg、Ti和基于它們的合金的金屬。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的彈性邊界波裝置，其中IDT的膜厚度等于或小于0.3λ。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的彈性邊界波裝置，該裝置還包含在第一介質(zhì)和第二介質(zhì)之間安置的反射器，所述反射器由與IDT相同的電極材料形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可以防止更高頻率下的導體電阻增加且具有小滯后溫度系數(shù)的彈性邊界波裝置。彈性邊界波裝置(10)包含IDT(13)，IDT(13)包含在第一介質(zhì)(11)和第二介質(zhì)(12)之間安置的層壓導體層，其中將在厚度方向上平分IDT(13)的平面看作是界面，在界面的第一介質(zhì)(11)一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E1且在界面的第二介質(zhì)(12)一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E2，并且其中如果IDT(13)只由在IDT(13)的所述層壓導體層中具有最高密度的導體層構(gòu)成，則在所述界面的第一介質(zhì)(11)一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E1′且在所述界面的第二介質(zhì)(12)一側(cè)存在的彈性邊界波能量表示為E2′時，彈性邊界波的能量可以滿足E1/E2＜E1′/E2′的關(guān)系，使得在由所述層壓導體層構(gòu)成的IDT(13)中彈性邊界波的聲速等于在IDT(13)只由具有最高密度的導體層形成時彈性邊界波的聲速。
文檔編號H03H9/145GK1989692SQ200680000448
公開日2007年6月27日 申請日期2006年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者神藤始 申請人:株式會社村田制作所