CN1757160A - 由钽酸锂制造的界面声波器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及由钽酸锂制造的界面声波部件。在构成滤波器的两层衬底具有相同的横截面和相同晶体取向的情况下，本发明给出了尤其用于优化电机耦合系数的最佳切割角度，其中该系数能够决定所制造的部件的最终工作特性。提供了给出耦合系数的变化曲线及作为切割角和传播方向的函数的衰减的曲线。同样给出用于这些最佳切割角的部件的主要声学特性的值。一方面，这类设备的应用是用作无源部件，例如谐振器、滤波器或延迟线型，或者作为集成的器件，或者用于测量链或器件的组合中，这些器件根据通过相位编码的器件的识别原则而操作。
Description
本发明的技术领域是界面声波器件，特别是在两层钽酸锂衬底之间的界面上制造的滤波器。
众所周知，制造表面声波器件是利用在压电衬底表面上波的传播。在被称为瑞利波的情况下，通过相互交叉的梳状变换器生成和接收瑞利波，该梳状变换器是由其间具有电压差的交叉电极所构成，这些器件具有两个主要的缺陷。
第一，为了在衬底的表面准确地传播表面波，此表面必须保持不受约束(free)，通过用于获得空腔的封装工艺而获得此条件。
第二，构成相互交叉的梳状变换器的电极的间距通常是较小的，为几百纳米的量级。另外，在封装中存在尺寸非常小的导电粒子，这些导电粒子可能使变换器短路，同时可能干扰该器件的正常运行。为了减轻这种缺陷，就需要使该部件的封装密封，或在变换器上沉积一薄层的绝缘电介质材料。这种被称为钝化的操作，能够消除导电粒子的灵敏度。然而，这并不能免除实施起来非常昂贵的封装操作。
界面声波器件的利用能使与封装有关的各种问题得到解决。在这种情况下，不再利用在衬底表面上声波的传播，而是利用在两个衬底之间的界面上声波的传播。当然，此设备能够得到一个钝化的部件，而不再需要制造空腔。从而，可以完全去掉封装。
在1924年，Stoneley论证了在两种材料之间的界面上操纵声波的可能性(Proc.Roy.Soc.London A 106，416)，认为在径向(sagittal)平面上将这些波极化。
在1971年，Maerfeld和Tournois论证了在两种材料之间的表面上传播的水平剪切波的存在，压电的情况已经考虑在内(C.Maerfeld and P.Tournois，Appl.Phys.Lett.19，117，1971)。在专利FR 2145750中公开这种类型的波第一次用于声学器件。该发明描述了在两种材料之间的界面上，应用纯剪切波的传播，所述两种材料中至少一种是压电型。已经考虑两种材料是相同材料的情况。然而，上述专利没有提及在两种材料之间的界面上所设置的变换器。
在1983年，在压电材料和各向同性材料之间的界面上波的传播已有说明，其目的是生产无封装的SAW(表面声波)器件，该说明隐含地假设将变换器设置在界面上。也对耦合系数进行了研究(Shimitzu et al.，“Stoneley wavespropagating along an interface between piezoelectric material and isotropicmaterial(Stoneley波沿压电材料和各向同性材料间界面传播)”，1983 IEEE USProc.pp 373-375)。
直至最近，在1998年，为进行滤波，已检验各材料的不同组合(M.Yamaguchi，T.Yamashita，K.Hashimoto and T.Omori，“Highly piezoelectricwaves in Si/SiO2/LiNbO3 and Si/SiO2/LiNbO3 suctures(在Si/SiO2/LiNbO3和Si/SiO2/LiNbO3结构中的高度压电波)”(未出版))。
最后，在1999年，专利FR 2799906描述了在两种相同的压电材料之间的界面上使用变换器的滤波器。
一般而言，界面声波器件包括两层衬底，由S1和S2表示，这两层衬底中的至少一层是压电的，该界面声波器件还包括一个位于这两个衬底之间的界面区域I，如图1所示。在一般情况下，该界面区域I是一个至少包括电声变换器E的结构。耦合到所述设备上的电连接允许发射及传输信号.
界面波能够用于制造无源部件.通常，利用在晶体表面传播的波而获得的任何类型器件都能够利用界面波来产生。尤其是，利用设置在界面上周期等于半波长的的金属电极阵列就能够反射界面波。因此，首先通过在两个反射器阵列之间设置相互交叉的变换器，以生成谐振器；其次通过电的或声学设备将谐振器耦合到一起，得到滤波器。通过在其中配置反射器而提高变换器的方向性。因此，表面波部件的所有应用都是可取得的，特别是延迟线、带滤波器、谐振器和扩散滤波器(dispersive filter)。也可以使这些部件作为测量传感器应用。
相位编码器件具有特殊的变换器，以便知晓如何将一个特定编码与特定相位编码部件相关联，其中该变换器的特征在于电极的分布。利用无线电波的远程询问设备就使用这种原理。其操作如下所述：波的发射中使用相位编码，通过连接到相位编码部件的输入端的天线接收波；常规地，变换器将信号转换成机械波。所述波最远传播到输出变换器，在那里随后将所述波再次转换成电信号，并再次发射。分析所接收的信号，并且，由此识别出已接收并转换了该信号的部件。
界面波器件能够用于远程询问设备，尤其是测量应用上，例如测量压力、温度或加速度。
对于界面波部件结构的选择可以是更多样化的。尤其是，下面所提及的组合：
所述衬底S1是压电的而S2不是。在这种情况下，根据其机械特性而选择S2，使得生产部件更容易。例如，如果S1是用铌酸锂或钽酸锂制造的，则S2优选用熔融二氧化硅或单晶体硅制造；
所述两层衬底都是压电的，但是具有不同的性质。例如，下面所提及的组合：
石英/铌酸锂
石英/钽酸锂
钽酸锂/铌酸锂
所述两层衬底具有相同的性质，但是具有不同的晶体切割。如图2所示，使用IEEE 1949的惯例，在原始的标准正交的坐标系(X，Y，Z)中，Z平行于晶体的光轴，X通过晶体的压电性而定义，Y垂直于(X，Z)，切割面的几何学表示方法通过两个连续的旋转角和θ来定义。这里，对应于关于Z轴的第一旋转，所得到的坐标系由(X’，Y’，Z’)表示，其中Z’与Z一致，而θ对应于关于X’轴的第二旋转，所得到的坐标系由(X”，Y”，Z”)表示，其中Z’与X’一致。在此最终坐标系中，声波的传播方向由代表关于Y”轴旋转的第三角度ψ所定义。例如，依此惯例，通常用在ST石英的表面波中的切割的角度值如下：
＝0°；θ＝42.75°；ψ＝0°；最后
两层衬底可具有相同的性质和相同的切割。例如，能利用石英和铌酸锂或钽酸锂。在这种情况下，作为一般的规则，以两个衬底的相同晶体取向来实施组装操作。
后一情况尤其对衬底S1和S2之间的兼容性的问题感兴趣，尤其是热膨胀和组装问题，已被未言明地解决。在这种情况下，选择晶体面的方向使得能够得到在同一方向上的极化。
四个主要的特征定义了压电材料的声波传播属性。即：
界面声波的传播速度V，此参数对一个特定的操作频率F是很重要的，该参数确定梳状电极的齿状阵列的间距P，该间距P与V/F成比例。当工作在高频时，典型地为几个GHz的量级，所达到的高速度使其能够保持足够宽的间距与电流蚀刻工艺相符合；
衰减A或插入损耗，以dB每声波波长表示，通常需要减小此参数，以用来减少器件插入损失；
在频率上的变化的一阶系数CFT，作为与周围环境温度相接近的一个温度函数，以ppm.C-1来表示。器件的结构使得此系数越低对于热变化越不灵敏；以及
代表最大相对频带的电机耦合系数k2，这个最大相对频带可通过一个器件而得到，计算这个系数以作为在不受约束的衬底和金属化衬底上的表面波速度之间相对的半差分(half-difference)。一般而言，此系数是需要最大化的参数，k2是个表示成百分数的无量纲参数。
这些不同参数，尤其是耦合系数k2，主要取决于压电晶体的切割角和传播方向。因此在钽酸锂的情况下，根据切割角，能够得到在0至7之间变化的k2值，如图3a和3b所示。图3a表示在θ为零时k作为(，ψ)的函数的变化，图3b表示在为零时k2作为(θ，ψ)的函数的变化。在这两个图中，中断处表示没有可能的传播方式存在的区域。因此，切割角的选择是十分重要的。然而，在作为此角度的函数的声学特性中，这种变化是不能简单确定的。例如，通过考虑关于晶体的结构。这些参数与在用于表面声波的不受约束的材料时所获得的那些参数很不相同。
与界面声波滤波器的产品相关的专利2799906(Pierre Tournois)给出了由例子的方式所提到的全面建议，并可以选择最佳的切割角。尤其是在利用钽酸锂的例子中所提及的，切割可沿着结晶轴Y(Y以一个确定的角度旋转，例如175°)来进行。
发明本身提出一个最优化的切割角范围的选择。事实上，发明精确地给出了切割角的公差，在钽酸锂的例子中，最优切割角度的设置使得可以获得有可能的最佳特性，尤其是参数k2的最大值，以及最终用来实现所期望的表现特性的主要特性的值。
还描述了制造该部件的各步骤。
在上下文中，本发明的主题是一种界面声波器件，包括：
由钽酸锂(LiTaO3)制成的第一晶体衬底；
同样由钽酸锂制成的第二晶体衬底；
通过平面界面区域将两层衬底连接起来，该平面区域用作声波的传播，并至少包括电声的变换器；
用于电连接所述变换器的互联设备；
参考原始的标准正交坐标系(X，Y，Z)，Z平行于光轴，X由晶体的压电性所定义，Y垂直于(X，Z)，所述衬底具有相同的切割平面和共同的晶体取向，所述切割平面由两个连续的旋转角和θ定义，对应于关于Z轴的第一旋转，由此得到的坐标系由(X’，Y’，Z’)来表示，其中Z’与Z一致；θ表示关于X’轴的第二旋转，由此得到的坐标系由(X”，Y”，Z”)来表示，其中X”与X’一致，声波的传播方向由在所述坐标系(X”，Y”，Z”)中的第三角ψ定义，该第三角度代表关于Y”轴的旋转，其特性在于，对于任何的传播方向ψ：
角度(，θ)处于下面称为(0，0，0)a切割和(60，0，0)a切割的两个角度范围中的一个：
(0，0，0)a切割： -5°≤≤+5°
-20°≤θ≤+30°
(60，0，0)a切割： +55°≤≤65°
-30°≤θ≤+20°
有利地，为了得到耦合系数的最大值并减少插入损失，最好是在所限定的角度范围内进行操作。在这种情况下，在(X”，Y”，Z”)坐标系中得到的角度(，θ，ψ)处于下述称为(0，0，0)b切割和(60，0，0)b切割的两个角度范围中的一个：
(0，0，0)b切割： -5°≤≤5°
-10°≤θ≤10°
-5°≤ψ≤+5°
(60，0，0)b切割：+55°≤≤+65°
-10°≤θ≤+10°
-5°≤ψ≤+5°
有利地，两层衬底的厚度与操作的声波波长(λ)相比较大。在这些条件下，将声波限制在两层衬底内，由此防止任何可能的外部扰动。相反，选择界面区域的厚度使之与同一操作的声波波长相比较小，以使由所述区域的固有机械特性所引入的扰动可以忽略。
有利地，界面区域以叠置结构形成，该结构至少包括电声变换器和一层或多层的电介质材料。这些层的主要优点是提高了波的传播或第二衬底与界面区域的附着。
有利地，界面区域只包括电声变换器，该变换器在所述衬底的两个彼此接触的面之一上蚀刻，然后将所述界面区域减少到一个界面平面。在这些情况下，两层衬底和界面区域的组合一旦经过组装就与在其中建造变换器的单个衬底是等价的。
有利地，该器件可用在所有使用表面声波器件的应用中，特别是作为无源部件，例如共鸣器或滤波器或延迟线或相位编码器件。
最后，可以将其用于测量链(measurement chain)或一列器件中，所述器件根据编码器件的原理操作，例如，远程询问器件。
通过阅读下面所描述将更充分地理解本发明，其他的优越性也将变得显而易见，下面所描述的是通过非限制的例子给出的，并在其中加入了附图：
图1以示意性的方式给出了界面波器件的一般结构；
图2给出了由角度和θ所定义的切割角的几何表示，并给出了切割角的坐标系中传播方向的表示；
图3a和3b给出了在下述的两个配置中：θ＝0°和＝0°时，k2的变化值作为切割角和钽酸锂的传播方向的函数；
图4a和4b给出了耦合系数k2和插入损耗的变化值的图示，在ψ＝0°时该变化值作为在(0，0，0)a切割中的角度θ和变化值的函数；
图5a和5b给出了耦合系数k2和插入损耗的变化的图示，在ψ＝0°时该变化值作为在(60，0，0)a切割中的角度θ和变化值的函数；
图6a、6b和6c给出了在(0，0，0)a切割附近的耦合系数k2和插入损耗的变化，其作为三个角度θ、和ψ中一个角度变化的函数，并将另外两个角度选择为常量；以及
图7a、7b和7c给出了在(60，0，0)a切割附近的耦合系数k2和插入损耗的变化，其作为三个角度θ、和ψ中一个角度变化的函数，并将另外两个角度选择为常量。
为了得到较好的耦合系数k2，典型地，大于3％，并且在界面的平面上波所有的传播方向上是低衰减，切割角度(，θ)降低到下述称为(0，0，0)a切割和(60，0，0)a切割的角度范围内(如图4a、4b、5a和5c)：
(0，0，0)a切割： -5°≤≤+5°
-20°≤θ≤+30°
(60，0，0)a切割：+55°≤≤+65°
-30°≤θ≤+20°
为了得到典型地大于6％的最优的耦合系数k2，以及典型地小于2×10-3的低衰减，切割角度(，θ)和传播方向ψ降低到下述称为(0，0，0)b切割和(60，0，0)b切割的范围内(如图4a、4b、5a和5c)：
(0，0，0)b切割： -5°≤≤+5°
-10°≤θ≤10°
-5°≤ψ≤5°
(60，0，0)b切割：+55°≤≤+65°
-10°≤θ≤+10°
-5°≤ψ≤5°
下面的表格给出，对于每个范围，在坐标(，θ，ψ)内使耦合系数k2获得最大值的切割角度。为这个角度给出四个主要参数的值：
| 方向(，θ，ψ) | 最大值k2％ | 速率ms-1 | 衰减dBλ-1 | CTFppmC-1 | |
| 范围1 | (0，0，0) | 6.8 | 4073 | -3×10-6 | -22 |
| 范围2 | (60，0，0) | 6.7 | 4073 | -3×10-6 | -41 |
关于这些最大值的k2的变化通过图6a到图7c描述。
由钽酸锂制造的界面波部件的制造包括下述的步骤：
在两个衬底中的一个衬底上产生界面区域，该产生必然包括产生梳状电极的子步骤；
两个衬底的组装和切割；以及
产生电互联。
梳状电极通过称为埋入电极(buried-electrode)的步骤产生，或是称为沉积电极的步骤产生。
在第一种情形中，处理的主要步骤是：
在所采用的切割角中产生第一钽酸锂衬底的平面切割；
电极位置的蚀刻；
沉积用以产生电极的材料，其可以由纯铝或铝合金制造，例如铜-钛合金，用于限制热量迁移；最后
平面化，以使只在蚀刻的位置上留下材料。
在第二种情形中，处理的主要步骤是：
在衬底平面上沉积用以产生电极的材料；
然后切割该材料，以便只留下电极；
在电极之间沉积插入层C；以及
对层C进行表面处理，以得到具有电极的厚度的平面层。
在另一个可选的实施例中，处理可以这样进行：沉积层C，在此层上的电极位置产生开口，在此层上沉积电极材料，最后，使其平整，以便获得先前的结果。如果该层的厚度与声波波长相比较足够小，那么仅仅只能够修正该组装的电声特性。
由于技术或声学的原因，可以添加额外的电介质材料层，以便完成界面区域。这些层尤其可使两个衬底之间的连接得到改善。然而，如果要保持由于衬底切割角带来的特性，I的最终厚度必须保持比所操作的声波波长更小。
然后，第二层衬底在电极制造过程最后附加在所述衬底之上，其中第二衬底以与第一衬底相同的切割角度在钽酸锂上切割。这种组装通过分子接合或阳极接合来实现。在几何学上，第二衬底具有与第一衬底相同的晶体取向。
接下来，产生电互联。存在着几种可能的植入方式。可通过以下非限制的例子来说明：
在界面区域的平面内，产生该互连；
通过两层衬底中的一个，产生该互连。
Claims (8)
1.一种界面声波器件，包括：
由钽酸锂(LiTaO3)制造的第一晶体衬底(S1)；
同样由钽酸锂制造的第二晶体衬底(S2)；
所述两层衬底通过平面界面区域(I)连接在一起，该平面界面区域用于提供声波的传播并至少包括电声变换器；
用于电连接所述变换器的互联设备；
参考原始的标准正交的坐标系(X，Y，Z)，Z平行于光轴，X由晶体的压电性所定义，Y垂直于(X，Z)，所述衬底具有相同的切割平面和共同的晶体取向，所述切割平面由两个连续的旋转角度和θ定义，对应于关于Z轴的第一旋转，由此得到的坐标系由(X’，Y’，Z’)来表示，其中Z’与Z相一致；θ表示关于X’轴的第二旋转，这样得到的坐标系由(X”，Y”，Z”)来表示，其中X”与X’相一致，声波的传播方向由在所述坐标系(X”，Y”，Z”)中的第三个角度ψ来定义，该第三角度代表关于Y”轴的旋转，其特征在于，用于传播的任何方向ψ：
切割角度(，θ)位于下面称为(0，0，0)a切割和(60，0，0)a切割的两个角度范围之一中：
(0，0，0)a切割： -5°≤≤+5°
-20°≤θ≤+30°
(60，0，0)a切割：+55°≤≤+65°
-30°≤θ≤+20°。
2.如权利要求1所述的声波器件，其特征在于，在(X”，Y”，Z”)坐标系中的角度(，θ，ψ)，位于下面两个称为(0，0，0)b切割和(60，0，0)b切割的角度范围之一中：
(0，0，0)b切割： -5°≤≤5°
-10°≤θ≤10°
-5°≤ψ≤+5°
(60，0，0)b切割：+55°≤≤+65°
-10°≤θ≤+10°
-5°≤ψ≤+5°。
3.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于，所述两层衬底的厚度与操作的声波波长(λ)相比比较大，而所述界面区域的厚度与操作的声波波长(λ)相比比较小。
4.如权利要求1、2和3中的任何一个所述的器件，其特征在于，所述界面区域为叠置结构的形式，其至少包括电声变换器和一层或多层电介质材料。
5.如权利要求1、2和3中的任何一个所述的器件，其特征在于，所述界面区域只包含电声变换器，该电声变换器在所述衬底的互相接触的两个表面中的一个上进行蚀刻，然后将所述界面区域减小到界面平面。
6.如上述权利要求中的任何一个所述的器件，其特征在于，所述器件是无源部件，例如谐振器、滤波器、延迟线(delay line)或相位编码器件。
7.一种包括一系列器件的测量传感器，特征在于，所述一系列器件至少包括在任一前述权利要求所要求的一种器件。
8.一种根据相位编码原理操作的器件，还包括一系列器件，其特征在于，所述一系列器件至少包括任一前述权利要求所要求的一种器件。
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