CN1926763A - 边界声波器件 - Google Patents
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Abstract
一种使用SH边界声波的边界声波器件，具有高机电耦合系数、低传播损耗、小功率流角度和适当范围的频率温度系数TCF，并具有简单的结构，可以通过简单的工艺制造。边界声波器件(1)包括设置在由LiTaO3组成的压电体(2)的一个表面上的介电体(3)，以及布置在压电体(2)和介电体(3)的边界处的IDT(4)，作为电极和反射器(5，6)。将电极的厚度确定成使SH边界声波的声速低于通过介电体(3)传播的慢横波的声速以及通过压电体(2)传播的慢横波的声速。
Description
技术领域
本发明涉及使用SH边界声波的边界声波器件，具体地说，涉及一种包含置于LiTaO3压电体和介电体之间边界处的电极的边界声波器件。
背景技术
多种表面声波器件已用于蜂窝电话RF或IF滤波器、VCO谐振器、电势VIF滤波器等。表面声波器件使用沿介质表面传播的表面声波，如Rayleigh波或第一漏波(first leaky wave)。
由于表面声波沿介质表面传播，所以它们对表面条件的变化敏感。为了保护表面声波沿着传播的介质表面，将表面声波元件密封在封装中，所述封装在与介质的表面声波传播表面相对的区域中具有空洞。具有这种空洞的封装毫无疑问增加了表面声波器件的成本。此外，由于封装远大于表面声波元件，因此，所得到的表面声波器件必定较大。
除了表面声波之外，声波还包括沿固体之间的边界传播的边界声波。
例如，下面列出的非专利文献1公开了一种边界声波器件，包括在126°旋转Y平面X传播LiTaO3衬底上形成的IDT，以及在IDT和LiTaO3衬底上形成为预定厚度的SiO2层。这种器件传播SV+P边界声波，称作Stoneley波。非专利文献1公开了当SiO2衬底厚度为1.0λ(λ：边界声波的波长)时，机电耦合系数是2％。
边界声波传播时能量集中于固体之间的边界。因此，LiTaO3衬底的底面和SiO2膜的顶面几乎没有能量，并且特性不会随着衬底或薄层的表面条件变化而改变。因此，可以去除具有空洞的封装，因此可以减小声波器件的尺寸。
下面列出的非专利文献2公开了在[001]-Si(110)/SiO2/Y切X传播LiNbO3结构中传播的SH边界波。这种类型SH边界波的特征在于，机电耦合系数K2高于Stoneley波。在使用SH边界波以及使用Stoneley波时，都可以去除具有空洞的封装。另外，因为SH边界波具有SH类型波动，所以可以认为限定IDT反射器的条与使用Stoneley波的情况相比，具有较高反射系数。因此，可以预见，例如将SH边界波用于谐振器或谐振器滤波器可以有助于减小器件尺寸并产生锐利的特性。
非专利文献1：″Piezoelectric Acoustic Boundary WavesPropagating Along the Interface Between SiO2 and LiTaO3″，IEEETrans.Sonics and Ultrason.，VOL.SU-25，No.6，1978 IEEE
非专利文献2：″Highly Piezoelectric Boundary Wavespropagating in Si/SiO2/LiNbO3 Structure″，(26th EM Symposium，May1997，pp.53-58)
非专利文献3：″Highly Piezoelectric SH-type Boundary Waves″，IEICE Technical Report Vol.96，No.249(US96 45-53)pp.21-26，1966
非专利文戏4：″Production of boundary acoustic wave deviceby bonding substrate″(日文)，Ozawa，Yamada，Omori，Hashimoto，& Yamaguchi，Piezoelectric materials and Device Symposium，2003，Piezoelectric materials and Device Symposium ExecutiveCommittee，Feb.27，2003，pp.59-60
发明内容
一种边界声波器件需要根据应用具备适当大小的机电耦合系数，并表现出低传播损耗、功率流角度和频率的温度系数。另外，在主响应附近要求低寄生响应。
具体地说，边界声波在传播时带有的损耗，即传播损耗，会不利地影响边界声波滤波器的插入损耗、谐振电阻以及边界声波谐振器的阻抗比。所述阻抗比是谐振频率处的阻抗与反谐振频率处的阻抗之比。因此，传播损耗越低越好。
功率流角度代表边界波的相速度与边界波能量的群速度之间的方向差。如果功率流角度较大，需要将IDT置于根据功率流角度的角度处。因此，设计电极较为复杂，并且易于出现由于角度偏移导致的损耗。
如果边界波器件是边界波滤波器，则边界波器件的工作频率随温度的变化减小了实际的通带或阻带。如果边界波器件是谐振器，则工作频率随温度的变化导致了振荡电路的异常振荡。TCF(每摄氏度的频率改变)越低越好。
例如，通过在具有用于发射和接收边界波的发射和接收IDT的区域之外，在传播方向中设置反射器，可以构成低损耗谐振器滤波器。当使用边界波时，谐振器滤波器的带宽取决于机电耦合系数。较高的机电耦合系数k2导致宽带滤波器，并且较低的机电耦合系数导致窄带滤波器。因此，需要边界波根据其应用来使用适当的机电耦合系数k2。对于蜂窝电话的RF滤波器，机电耦合系数应该为3％或更大，并且优选地为5％或更大。
然而，在上面列出的非专利文献1中公开的使用Stoneley波的边界声波器件中，机电耦合系数低至2％。
本发明的目的在于，提供一种使用SH边界波的边界声波器件，它表现出在主谐振时足够大的机电耦合系数、低传播损耗和功率流角度、允许范围内的频率温度系数，以及在主谐振附近的低Stoneley波寄生谐振。
第一发明提供一种边界声波器件，它包括LiTaO3压电体、在压电体的一个表面上形成的介电体，以及置于压电体和介电体之间边界处的电极。当电极的密度为ρ(kg/m3)且厚度为H(λ)，边界声波波长为λ时，电极满足表达式H＞1.1×106ρ-1.7。
第二发明提供一种边界声波器件，它包括LiTaO3压电体、在压电体的一个表面上形成的SiO2介电体，以及置于压电体和介电体之间边界处的电极。当电极的密度为ρ(kg/m3)且厚度为H(λ)，边界声波波长为λ时，电极满足表达式H＞25000ρ-1.46。
在第二发明的特定情况中，表达式ρ＞2659kg/m3成立。
在第一和第二发明的特定情况中，表达式ρ＞4980kg/m3成立。
在第一和第二发明的特定情况(下称本发明)中，所述电极包括由从Al、Ti、Fe、Cu、Ag、Ta、Au和Pt构成的组中选择的至少一种金属制成的电极层。
在本发明的特别情况中，所述电极还包括第二电极层。该第二电极层设置在所述电极层的上或下表面上，并由与所述电极层不同的材料制成。
在第一发明的特定情况中，所述介电层由非压电材料制成。
在本发明的特定情况中，所述介电层具有包含多个介电层的多层结构。
在第一发明的特定情况中，介电层由从Si、SiO2、玻璃、SiN、SiC、ZnO、Ta2O5、锆钛酸铅陶瓷、AlN、Al2O3、LiTaO3、LiNbO3和铌酸钾(KN)构成的组中选择的至少一种制成。
在根据本发明的边界声波器件的另一特定情况中，通过沉积方法形成所述介电层。
在又一特定情况中，本发明的边界声波器件还包括在介电层与边界相对的表面上形成的树脂层。
按照第一发明的边界声波器件，它具有在LiTaO3压电体的一个表面的介电体、以及压电体和介电体之间边界处的电极，其中，满足表达式H＞1.1×106ρ-1.7。这种结构可以使SH边界声波的声速减小到小于压电体的LiTaO3中传播的慢横波的声速，因此，可以提供低传播损耗的、使用SH边界波的边界声波器件。
按照第二发明的边界声波器件，它具有LiTaO3压电体和SiO2介电体之间边界处的电极，并满足表达式H＞25000ρ-1.46。这种结构可以使沿LiTaO3和SiO2之间边界传播的SH边界波的声速减小到小于SiO2中传播的慢横波的声速，因此可以提供无论泄漏类型如何都表现出低传播损耗的、使用SH边界声波的边界声波器件。
在第二发明中，如果ρ高于2659kg/m3，则可以将电极厚度H减小到0.25λ或更小，此电极厚度使SH边界波的速度可以减小到小于SiO2中传播的慢横波的声速。因此，可以通过薄层沉积方法容易地形成电极。
在本发明中，由从Al、Ti、Fe、Cu、Ag、Ta、Au和Pt构成的组中选择的至少一种金属制成的电极确保产生按照本发明的使用SH边界波的边界波器件。如果电极还包括由与上述电极层不同的金属制成的第二电极层，则可以通过适当选择形成第二电极的金属，增强电极和介电体或LiTaO3之间的附着力或者电功率电阻。
介电体可以具有压电性能，并且优选地包含SiO2作为主要成分。SiO2介电体可以改进频率的温度系数。
在本发明中，介电体可以具有包括多个介电层的多层结构。在这种情况下，介电层可以由多种介电材料形成。
在第一发明中，通过由从Si、SiO2、玻璃、SiN、SiC、Al2O3、ZnO、Ta2O5、锆钛酸铅陶瓷、AlN、LiTaO3、LiNbO3和铌酸钾(KN)构成的组中选择的至少一种制成介电层，可以实现本发明使用SH边界波的边界波器件。
另外，通过使用从Si、SiO2、玻璃、SiN、SiC和Al2O3构成的组中选择的至少一种非压电材料作为介电层的材料，可以通过沉积方法稳定地形成所述介电层，因为介电层不受介电层的压电特性的非均匀性的影响。
在形成本发明的介电层时，例如，如果应用非专利文献4中公开的衬底结合方法来将LiTaO3和介电体结合在一起，则由于结合区域的非均匀性，边界波可能不均匀地传播。因此，实践中出现严重的缺陷，例如频率的严重偏离、滤波器插入损耗的改变、谐振器谐振电阻的改变。另外，为了获得防止衬底在制造过程中破裂的强度，要结合在一起的介电层和LiTaO3的厚度例如必须至少为300μm。相应地，所得到的器件总共厚达600μm。在本发明中，优选地采用沉积方法，例如溅射方法、气相沉积方法或CVD方法(化学气相沉积方法)，代替结合方法。沉积方法有助于在衬底的整个表面上形成均匀的薄层，并且导致比结合方法更均匀的频率、插入损耗和谐振电阻。沉积方法允许介电层的厚度为大约2λ，同时LiTaO3厚度例如为300μm，以维持强度。例如，对于波长λ为5μm的边界波，介电层厚度可以小至大约10μm。因此，可以将得到的器件的厚度减小到总共310μm，即，是使用结合方法产生的器件的一半。
在本发明中，如果在介电层与边界相对的表面上形成树脂层，则通过适当选择材料，可以增强防潮性。
附图说明
图1是本发明一种实施例边界声波器件的正剖视图；
图2是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与一些类型的波的声速V之间关系的图线；
图3是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与SH边界波(U2)的机电耦合系数k2之间关系的图线；
图4是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与SH边界波(U2)的传播损耗α之间关系的图线；
图5是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与SH边界波(U2)的频率温度系数TCF之间关系的图线；
图6是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与SH边界波(U2)的功率流角度PFA之间关系的图线；
图7是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与一些类型的波的声速V之间关系的图线。
图8是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与Stoneley波(U3)的机电耦合系数k2之间关系的图线；
图9是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与Stoneley波(U3)的传播损耗α之间的关系的图线：
图10是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与Stoneley波(U3)的频率温度系数TCF之间关系的图线；
图11是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与Stoneley波(U3)的功率流角度PFA之间关系的图线；
图12是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与一些类型的波的声速V之间关系的图线；
图13是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与纵边界波(U1)的机电耦合系数k2之间关系的图线；
图14是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与纵边界波(U1)的传播损耗α之间关系的图线；
图15是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与纵边界波(U1)的频率温度系数TCF之间关系的图线；
图16是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与纵边界波(U1)的功率流角度PFA之间关系的图线；
图17是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与SH边界波的声速V之间关系的图线；
图18是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与SH边界波(U2)的传播损耗α之间关系的图线；
图19是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与SH边界波(U2)的频率温度系数TCF之间关系的图线；
图20是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Au电极和SiO2层的结构中，Au电极厚度与SH边界波(U2)的功率流角度PFA之间关系的图线；
图21是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Cu电极和SiO2层的结构中，Cu电极厚度与SH边界波的声速V之间关系的图线；
图22是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Cu电极和SiO2层的结构中，Cu电极厚度与SH边界波(U2)的传播损耗α之间关系的图线；
图23是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Cu电极和SiO2层的结构中，Cu电极厚度与SH边界波(U2)的频率温度系数TCF之间关系的图线；
图24是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Cu电极和SiO2层的结构中，Cu电极厚度与SH边界波(U2)的功率流角度PFA之间关系的图线；
图25是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Al电极和SiO2层的结构中，Al电极厚度与SH边界波的声速V之间关系的图线；
图26是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Al电极和SiO2层的结构中，Al电极厚度与SH边界波(U2)的传播损耗α之间关系的图线；
图27是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Al电极和SiO2层的结构中，Al电极厚度与SH边界波(U2)的频率温度系数TCF之间关系的图线；
图28是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Al电极和SiO2层的结构中，Al电极厚度与SH边界波(U2)的功率流角度PFA之间关系的图线；
图29是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Ag电极和SiO2层的结构中，Ag电极厚度与SH边界波的声速V之间关系的图线；
图30是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Ag电极和SiO2层的结构中，Ag电极厚度与SH边界波(U2)的传播损耗α之间关系的图线；
图31是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Ag电极和SiO2层的结构中，Ag电极厚度与SH边界波(U2)的频率温度系数TCF之间关系的图线；
图32是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Ag电极和SiO2层的结构中，Ag电极厚度与SH边界波(U2)的功率流角度PFA之间关系的图线；
图33是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Fe电极和SiO2层的结构中，Fe电极厚度与SH边界波的声速V之间关系的图线；
图34是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Fe电极和SiO2层的结构中，Fe电极厚度与SH边界波(U2)的传播损耗α之间关系的图线；
图35是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Fe电极和SiO2层的结构中，Fe电极厚度与SH边界波(U2)的频率温度系数TCF之间关系的图线；
图36是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Fe电极和SiO2层的结构中，Fe电极厚度与SH边界波(U2)的功率流角度PFA之间关系的图线；
图37是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Pt电极和SiO2层的结构中，Pt电极厚度与SH边界波的声速V之间关系的图线；
图38是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Pt电极和SiO2层的结构中，Pt电极厚度与SH边界波(U2)的传播损耗α之间关系的图线；
图39是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Pt电极和SiO2层的结构中，Pt电极厚度与SH边界波(U2)的频率温度系数TCF之间关系的图线；
图40是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Pt电极和SiO2层的结构中，Pt电极厚度与SH边界波(U2)的功率流角度PFA之间关系的图线；
图41是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Ti电极和SiO2层的结构中，Ti电极厚度与SH边界波的声速V之间关系的图线；
图42是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Ti电极和SiO2层的结构中，Ti电极厚度与SH边界波(U2)的传播损耗α之间关系的图线；
图43是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Ti电极和SiO2层的结构中，Ti电极厚度与SH边界波(U2)的频率温度系数TCF之间关系的图线；
图44是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Ti电极和SiO2层的结构中，Ti电极厚度与SH边界波(U2)的功率流角度PFA之间关系的图线；
图45是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Ta电极和SiO2层的结构中，Ta电极厚度与SH边界波的声速V之间关系的图线；
图46是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Ta电极和SiO2层的结构中，Ta电极厚度与SH边界波(U2)的传播损耗α之间关系的图线；
图47是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Ta电极和SiO2层的结构中，Ta电极厚度与SH边界波(U2)的频率温度系数TCF之间关系的图线；
图48是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3衬底上包含Ta电极和SiO2层的结构中，Ta电极厚度与SH边界波(U2)的功率流角度PFA之间关系的图线；
图49是表示电极材料密度与将SH边界波的声速减小到小于横波声速时厚度之间关系的图线。
参考标号
1：边界声波器件
2：压电体
3：介电体
4：用作电极的IDT
5、6：用作电极的反射器
具体实施方式
根据如下参考附图对本发明实施例的描述，本发明将显而易见。
为了在两个固体层之间传播边界声波，必须满足将边界波的能量集中于固体层之间的边界的要求。为此，非专利文献3公开了一种方法，其中，选择材料，使得BGSW衬底中横波速度接近各向同性材料中横波速度，并且该材料与该各向同性材料具有低密度比，此外，如上所述该材料具备高压电性能。
当材料具有高速度区和低速度区时，波集中在低声速区中传播。发明人发现，通过将具有高密度和低声速的金属，比如Au，用于位于两个固体层之间的电极，并且通过增加电极的厚度以减小在固体层之间传播的边界波的声速，可以满足将能量集中于固体层之间的边界的要求。从而实现本发明。
众所周知的是，在固体材料中传播的体波包括三种类型的波：纵波、快横波和慢横波，分别称作P波、SH波和SV波。SH波和SV波中哪一个慢取决于衬底的各向异性。这三种体波中具有最低声速的体波是慢横波。如果固体材料是各向同性的，例如SiO2，则单一类型的横波传播。在这种情况中，这种类型的横波是慢横波。
沿各向异性衬底，比如压电衬底，传播的边界声波通常在传播时具有组合的三个位移分量：P波、SH波和SV波，并且主要分量确定边界声波的类型。例如，上述Stoneley波是主要包括P波和SV波的边界声波，而SH边界波主要包括SH波。在某些情况下，SH波和P或SV波不必彼此组合就可以传播。
因为边界声波传播时具有彼此组合的三个位移分量，所以，比如声速高于SH波的边界声波泄漏SH波和SV波分量。声速高于SV波的边界声波也泄漏SV波分量。这些泄漏的分量导致边界波的传播损耗。
因此，通过将SH边界波的声速减小到小于两个固体层中慢横波的声速，SH边界波的能量可以集中于位于两个固体层之间的电极，因此可以传播具有较高机电耦合系数k2的SH边界波。因此，满足了使传播损耗为零的要求。本发明即基于这一概念。
另外，通过设计两个固体层，使得至少一个固体层由压电体制成而另一固体层由含压电材料的介电体制成，固体层之间的电极激励SH边界波。在这种情况下，可以使用梳状或日本竹网状(Japanese bambooscreen-like)电极(交叉指型换能器，IDT)作为电极，如在“Introduction of surface acoustic wave(SAW)devicesimulation”(日文，Hashimoto，Realize Corp.，p.9)中所述。
图1是本发明一种实施例边界声波器件的示意正剖视图。边界声波器件1包括由LiTaO3板制成的压电体2，以及在压电体上形成的介电体3。作为电极，IDT 4和反射器5和6位于压电体2和介电体3之间的边界处。反射器5和6位于IDT 4的表面波传播方向两侧。于是，本实施例构成了边界波谐振器。
本实施例的边界声波器件1的特征在于电极，也即IDT 4和反射器5和6的厚度。具体地说，将电极的厚度设置成，使得SH边界声波的声速低于介电体3中传播的慢横波以及LiTaO3压电体2中传播的慢横波的声速。
在本实施例中，增加电极的厚度，以使SH边界声波的声速减小到小于压电体2和介电体3中传播的慢横波的声速。因而，使SH边界波的能量集中于压电体2和介电体3之间的边界上。于是，就可以以低传播损耗来传播具有高机电耦合系数k2的SH边界波。
除减小电极厚度以传播SH边界波之外，如下所述，还可以对限定电极的条的占空比进行控制，以使SH边界声波的声速减小到小于压电体2和介电体3中传播的慢横波的声速。因此，本发明可以允许SH边界波集中于边界上传播。
下面将参考试验示例进一步详细描述本发明。
[示例1]
制备Euler角为(0°，90°，0°)、Y平面X传播LiTaO3衬底，作为压电体2。所述LiTaO3衬底具备高压电性能。由SiO2形成介电体3。SiO2易于形成薄层。根据本发明构造的边界波器件传播边界波，同时将部分振动能量分散到LiTaO3衬底和SiO2体中。因为SiO2体具有正频率温度系数TCF，这就抵消了LiTaO3衬底的负TCF，使温度依赖性得到改善。
在压电体2和介电体3之间，使用由一些不同密度的材料制成的电极，对电极厚度和声速V、机电耦合系数k2、传播损耗α、频率温度系数TCF以及功率流角度PFA之间的关系进行试验。
图2至6、图7至11，以及图12至16示出使用Au电极的试验结果。图2至6示出SH边界波(简称U2)的结果；图7至11示出Stoneley波(简称U3)的结果；图12至16示出纵边界波(简称U1)的结果。
图17至20、图21至24、图25至28、图29至32、图33至36、图37至40、图41至44，以及图45至48分别示出使用由Au、Cu、Al、Ag、Fe、Mo、Ni、Pt、Ti、Ta和W形成的电极所做试验的结果。
在这些附图和描述中，U2代表SH边界波，Vm代表短路边界处的声速，Vf代表开路边界处的声速。此外，Vs代表慢横波的声速，LT是LiTaO3的简称，并且α代表传播损耗。例如，Au-U2αm表示在具有Au电极的短路边界处，SH边界声波的传播损耗；Au-U2Tm表示在具有Au电极的短路边界处SH边界声波的频率温度系数TCF；Au-U2Pm表示在具有Au电极的短路边界处SH边界声波的功率流角度PFA。
图2至16所示的结果是通过根据文献“A method for estimatingoptimal cuts and propagation directions for excitation andpropagation directions for excitation of piezoelectric surfacewaves”(J.J.Campbell & W.R.Jones，IEEE Trans.Sonics andUltrason.，Vol.SU-15(1968)pp.209-217)进行计算得到的。
对于开路边界，假设法向中位移的每个分量、电势和电通量密度以及垂直方向的压力，在SiO2和Au以及Au和LiTaO3之间的每一个边界处是连续的，并且SiO2和LiTaO3的厚度是无穷大，Au的相对介电常数是1，来计算声速和传播损耗。对于短路边界，假设SiO2和Au以及Au和LiTaO3之间的边界处的电势为0。根据如下等式(1)得到机电耦合系数k2：
k2＝2×|Vf-V|/Vf 等式(1)
其中，Vf表示开路边界处的声速。
使用20℃、25℃和30℃时的相速度V，根据如下等式(2)得到频率温度系数TCF：
TCF＝V(25℃) -1×[(V(30℃)-V(20℃))/10℃]-αs 等式(2)
其中，αs表示LiTaO3衬底在边界波传播方向的线性膨胀系数。
对于Euler角(φ，θ，ψ)处的功率流角度PFA，使用ψ-0.5°、ψ，以及ψ+0.5°处的像素，根据如下等式(3)得到：
PFA＝tan-1[V(ψ) -1×(V(ψ+0.5°)-V(ψ-0.5°))] 式(3)
Y平面X传播LiTaO3中纵波、快横波和慢横波的声速分别是5589、4227和3351m/s。SiO2中纵波和慢横波的声速分别是5960和3757m/s。
至于在Au电极厚度为0时每一短路边界处的声速Vm，图2至16清楚地示出主要由U3波分量构成的Stoneley波的声速略低于LiTaO3衬底中传播的慢横波的声速，而且，主要由U2波分量构成的SH边界声波的声速位于LiTaO3中传播的快横波和慢横波的声速之间。Stoneley波的K2低至0-0.2％。这意味着Stoneley波不适用于RF滤波器。另一方面，SH边界声波具有3％或更高的机电耦合系数k2，并且适用于RF滤波器。
当Au厚度为0时，主要由U1波分量构成的纵边界波具有如此高的传播损耗α，以至不能得到解。然而，根据针对Stoneley波和SH边界声波的结果看到，当Au厚度为0时，纵边界波的声速略低于LiTaO3衬底中传播的纵波的声速。
已经表明，当Au电极的厚度增加时，Stoneley波、SH边界声波和纵边界波的声速都将减小。
另外，已经表明，当SH边界声波的速度减小到小于SiO2中传播的慢横波的速度时，减小了传播损耗，并且当SH边界声波的速度进一步减小到小于LiTaO3中传播的慢横波的速度时，传播损耗变为0。
如图2至16所示，在纵波或横波的声速等于边界声波的声速的条件下，所计算的值变得不连续。比如，当Vm低于而Vf高于SiO2中传播的慢横波的速度时，观察到这种不连续。换句话说，当边界波的泄漏条件在短路边界和开路边界之间不同时，观察到这种现象。所计算的值还可能由于SH边界波和Stoneley波的声速接近而不连续。具体地说，使用Vf和Vm来计算机电耦合系数k2，常可导致不连续的值。
现在转为参考图17至48，这些附图清楚地示出当SH边界波的速度减小到小于SiO2中传播的慢横波的速度时，即便使用其他金属用作电极，也使传播损耗减小，并且，当SH边界波的速度进一步减小到小于LiTaO3中传播的慢横波的速度时，传播损耗变为0。
图49示出使SH边界波的声速减小到小于SiO2中传播的慢横波的声速的电极厚度H1与电极材料的密度ρ之间的关系，以及使SH边界波的声速减小到小于LiTaO3中传播的慢横波的声速的电极厚度H2与电极密度ρ之间的关系。如图49所明确表示的那样，通过满足如下表达式(4)，可以产生低传播损耗的SH边界波，特别是，通过满足表达式(5)，可以产生传播损耗为0的SH边界波。
H1[λ]＞25000ρ1.46 (4)
H2[λ]＞1100000ρ-1.7 (5)
在制造这种类型的边界声波器件时，通过光刻，比如剥离或者干法刻蚀，在LiTaO3压电衬底上设置比如IDT之类的电极，然后通过薄层沉积方法，如溅射方法、气相沉积方法或CVD方法，在电极上形成比如由SiO2形成的介电层。因而，由于IDT厚度所导致的不均匀表面的原因，介电层可能以一个倾斜的角度生长，或者不均匀地生长，从而使所得到的边界声波器件的性能恶化。从防止这种恶化的角度出发，电极厚度越薄越好。
发明人的研究已经发现，厚度H为0.1λ(λ：SH边界波的波长)的电极使得难以形成高质量的薄介电层。此外，厚度H为0.25λ或更大的电极，会导致1或更大的长宽比。这使得难以通过刻蚀或剥离来廉价地形成电极。另外，通过薄层沉积方法来形成介电层的工艺和设备受限，并且一般性的RF磁控管溅射不适于形成薄介电层。电极厚度优选地为0.25λ或更小，更为优选的是0.1λ或更小。
图49表明，通过使用ρ为2659kg/m3或更大的材料作为电极，可以使SH边界声波的声速减小到小于SiO2中传播的横波的声速，并且可以使电极厚度H减小到0.25λ或更小，这种厚度值允许减小传播损耗。如果电极材料的ρ为4980kg/m3或更大，有利地可以将电极厚度H减小为0.1λ或更小，这种厚度值允许传播损耗变为0。因此，电极材料的密度ρ优选地为2659kg/m3或更大，更优选地是4980kg/m3或更大。
另外，通过使用密度ρ为8089kg/m3或更大的材料作为电极，可以将电极厚度H减小到0.25λ或更小，这种厚度值允许SH边界波的传播损耗变为0。如果电极材料的ρ为13870kg/m3或更大，就可以将电极厚度H减小到0.10λ或更小，这种厚度值允许传播损耗变为0。因此，电极材料的ρ更加优选地为8089kg/m3或更大，最优选地为13870kg/m3或更大。
图17至48示出通过把电极厚度形成为使得满足表达式(4)，使机电耦合系数k2增大到3％，并且得到的边界声波器件适于用作RF滤波器。
在本发明中，电极可以是薄片限定波导、汇流条等的形式，或者可以是用于激励边界波的IDT或梳状电极，或者是用于反射边界波的反射器。
在说明书中，代表衬底切割面的切割角，以及边界波的传播方向的Euler角(φ，θ，ψ)是基于如下文献中描述的右手Euler角的：“Acoustic Wave Device Technology Handbook”(日文，Japan Societyfor the Promotion of Science，Acoustic Wave Device Technologythe 150th Committee，第一版第一次印刷，2001年11月30日出版，p.549)。具体地说，在LN晶轴X、Y和Z中，将X轴绕Z轴逆时针旋转φ来定义Xa轴。随后，将Z轴绕Xa轴逆时针旋转θ来定义Z’轴。包括Xa轴且其法线为Z’轴的平面被定义为切割面。将边界波的传播方向设为X’轴的方向，X’轴通过将Xa轴绕Z’轴逆时针旋转ψ来定义。
至于定义初始Euler角的LiTaO3晶轴X、Y和Z，将Z轴设定为平行于C轴，将X轴设定为平行于沿三个方向延伸的等价a轴之一，并且将Y轴设定为包含X轴和Z轴的平面的法线。
在本发明中，对于LiTaO3的Euler角(φ，θ，ψ)而言，结晶等价Euler角是足够的。例如，文献7(Journal of the Acoustical Societyof Japan(日文)Vol.36，No.3，1980，pp.140-145)已经指出，LiTaO3属于三角3m点集，因此等式(A)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) 等式(A)
其中，F代表任何边界波特性，如机电耦合系数k2、传播损耗、TCF、PFA、或者自然单向特性。譬如，当反转传播方向时，FPA和自然单向特性改变+/-符号，但是它们的绝对值不会改变；因此，认为它们实际上是等价的。虽然文献7已经讨论了表面波，但是在晶体对称性方面同样适用于边界波。例如，Euler角为(30°，θ，ψ)的边界波的传播特性等价于Euler角为(90°，180°-θ，180°-ψ)的边界波的传播特性。例如，Euler角为(30°，90°，45°)的边界波的传播特性等价于Euler角如表1所示的边界波的传播特性。
[表1]
| φ(°) | θ(°) | ψ(°) |
| 30 | 90 | 225 |
| 30 | 270 | 135 |
| 30 | 270 | 315 |
| 90 | 90 | 135 |
| 90 | 90 | 315 |
| 90 | 270 | 45 |
| 90 | 270 | 225 |
| 150 | 90 | 45 |
| 150 | 90 | 225 |
| 150 | 270 | 135 |
| 150 | 270 | 315 |
| 210 | 90 | 135 |
| 210 | 90 | 315 |
| 210 | 270 | 45 |
| 210 | 270 | 225 |
| 270 | 90 | 45 |
| 270 | 90 | 225 |
| 270 | 270 | 135 |
| 270 | 270 | 315 |
| 330 | 90 | 135 |
| 330 | 90 | 315 |
| 330 | 270 | 45 |
| 330 | 270 | 225 |
虽然本发明中用于计算的电极的材料常数是多晶电极的材料常数，但是，譬如外延膜之类的晶体电极也可以提供类似的边界波传播特性，即便Euler角等价于等式(A)所表达的那样，这也不会带来问题。这是因为衬底的晶体取向依赖性与膜本身的晶体取向依赖性相比，对于边界波特性占据更具支配性的地位。
在本发明中，电极材料不仅可以从Al、Ti、Fe、Cu、Ag、Ta、Au和Pt构成的组中选择，而是也可以从其他导电材料中选择。所述电极可以包括在主电极层的上或下表面上由Ti、Cr、NiCr等形成的第二电极层，用以增强附着力或电功率电阻。换句话说，所述电极可以具有多层结构。
不仅可以由SiO2形成所述介电层，而且也可以由Si、玻璃、SiN、SiC、ZnO、Ta2O5、锆钛酸铅陶瓷、AlN、Al2O3、LiTaO3、LiNbO3、An等形成。换句话说，可以由压电材料制成所述介电层。介电层可以具有包括多个介电层的多层结构。
按照本发明的边界声波器件还可以包括在LiTaO3和介电层之间具有电极的结构外部的保护层。具体地说，保护层可以设置在介电层与边界相对的表面上，或者设置在压电体与边界相对的表面上。保护层可以增强边界声波器件的强度，或者防止腐蚀性气体渗入器件。保护层可以由适当材料制成，例如绝缘陶瓷、合成树脂或金属等。合成树脂保护层可以增强对腐蚀性气体和湿气渗入的抵抗力。绝缘陶瓷保护层可以增强机械强度并防止腐蚀性气体渗入。这种绝缘陶瓷包括氧化钛、氮化铝和氧化铝。金属保护层可以增强机械强度并提供电磁屏蔽功能。这种金属包括Au、Al和W。
Claims (11)
1.一种边界声波器件，它包括LiTaO3压电体、在压电体的一个表面上形成的介电体，以及置于压电体和介电体之间边界处的电极；
其中，当电极的密度为ρ(kg/m3)，厚度为H(λ)，边界声波波长为λ时，所述电极满足表达式H＞1.1×106ρ-1.7。
2.一种边界声波器件，它包括LiTaO3压电体、在压电体的一个表面上形成的SiO2介电体，以及置于压电体和介电体之间边界处的电极，
其中，当电极的密度为ρ(kg/m3)，厚度为H(λ)，边界声波波长为λ时，所述电极满足表达式H＞25000ρ-1.46。
3.根据权利要求2所述的边界声波器件，其中，表达式ρ＞2659kg/m3成立。
4.根据权利要求1或2所述的边界声波器件，其中表达式ρ＞4980kg/m3成立。
5.根据权利要求1至4任一项所述的边界声波器件，其中，所述电极主要包括由从Al、Ti、Fe、Cu、Ag、Ta、Au和Pt构成的组中选择的至少一种金属制成的电极层。
6.根据权利要求5所述的边界声波器件，其中，所述电极还包括第二电极层，设置在所述电极层的上或下表面上，并由与所述电极层不同的电极材料制成。
7.根据权利要求1、4至6任一项所述的边界声波器件，其中，所述介电体由非压电材料制成。
8.根据权利要求1至7任一项所述的边界声波器件，其中，所述介电体具有包括多个介电层的多层结构。
9.根据权利要求1、4至6任一项所述的边界声波器件，其中，所述介电层由从Si、SiO2、玻璃、SiN、SiC、ZnO、Ta2O5、锆钛酸铅陶瓷、AlN、Al2O3、LiTaO3、LiNbO3和铌酸钾(KN)构成的组中选择的至少一种制成。
10.根据权利要求1至9任一项所述的边界声波器件，其中，通过沉积方法形成所述介电层。
11.根据权利要求1至10任一项所述的边界声波器件，其中，还包括在介电层与边界相对的表面上形成的树脂层。
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