DE69723148T2

DE69723148T2 - Piezoelektrischer Resonator und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69723148T2
Application number: DE69723148T
Authority: DE
Inventors: Masato Yodogawa-ku Sugimoto; Katsu Osaka-shi Takeda; Yoshihiro Osaka-shi Tomita; Osamu Tsuzuki-gun Kawasaki
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1996-04-16
Filing date: 1997-04-15
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2017-04-16
Also published as: DE69723148D1; EP0802628A2; US5929555A; US6243933B1; EP0802628B1; EP0802628A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Resonator oder Filter und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Ein piezoelektrischer Resonator wird hauptsächlich als ein Oszillator oder als ein Taktelement in Computern, verschiedenen Geräten mit einem Mikroprozessor und anderen verschiedenen digitalen Geräten verwendet. Ein piezoelektrischer Resonator umfasst eine piezoelektrische Platte, geschnitten aus einem Monokristall wie einem Quarz oder einer piezoelektrischen Keramik und geeignet auf der Platte ausgebildete Ansteuerungselektroden. Der Resonator verwendet starke Resonanz, erzeugt durch Anlegen einer Ansteuerungsspannung an die Ansteuerungselektroden mit einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz, bestimmt durch die Schallgeschwindigkeit und die Größe der piezoelektrischen Platte. Die piezoelektrischen Resonatoren werden breit eingesetzt, da Sie hervorragende Eigenschaften aufweisen, obwohl sie eine einfache Struktur haben.
Der Resonator verwendet Schwingungsenergie unter den Ansteuerungselektroden, während er an Abschnitten außerhalb der Ansteuerungselektroden befestigt ist. Dann kann er in einem Gehäuse oder auf einer gedruckten Leiterplatte angebracht werden, ohne Vibrationen zu bewirken. Diese Art von Resonatoren wird als Energiefangender Resonator bezeichnet.
In letzter Zeit führen vielfältige Informations-Vorrichtungen wie ein Personal Computer eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung aus. Daher wird gefordert, die Frequenz für Informations-Vorrichtungen und Peripheriegeräte davon wie Festplattenlaufwer ke und CD-ROM-Laufwerke zu erhöhen. Für einen in diesen Vorrichtungen verwendeten Frequenzbereich von zehn bis zu einigen zehn MHz verwenden Resonatoren Dicke-Vibrationen wie Dicke-Scher-Vibrationen, Dicken-Verdrehungs-Vibrationen oder Dicken-Ausdehnungs-Vibrationen mit einer Vibrationsfrequenz in umgekehrter Proportion zu der Dicke des piezoelektrischen Materials. Da die Frequenz höher wird, wird das piezoelektrische Material dünner. Zum Beispiel beträgt die Dicke 100 um für 40 MHz übersteigende Frequenzen. Dann treten verschiedene Probleme auf, wie Verringerung der relativen Genauigkeit beim Formgeben, Verringerung der mechanischen Stärke und Steigerung der Kosten.
In der japanischen Offenlegung 63-311808/1988 wird vorgeschlagen, Schichten aus Lithium-Niobat mit einer umgekehrten Polarisierung zu bilden, um die Dicke des piezoelektrischen Materials für eine bestimmte Frequenz gegenüber dem Gegenstück in einem bekannten Resonator entsprechend der Frequenz zu verdoppeln.
Die 1A–1D zeigen Seitenansichten zum Darstellen von Verarbeitungen zum Bilden von Schichten 102, 109 mit einer umgekehrten Polarisierung. Ein piezoelektrischer Resonator 101 weist Ansteuerungselektroden 103 und 104 auf, ausgebildet auf gegenüberliegenden Haupt-Ebenen (obere und untere Ebenen wie Z-Ebene) 102a, 102b einer aus einem Lithium-Niobat-Monokristall geschnittenen piezoelektrischen Platte 102.
In 1A wird ein Wafer 105 von einem Lithium-Niobat-Monokristall geschnitten, um ihn zu polen, oder der Wafer 105 wird in einer Richtung schräg in einem geeigneten Winkel relativ zu der durch das Polen erzeugten Polarisierungsrichtung geschnitten. Ein Dünnfilm 106 aus Titan (Ti) wird in einer Ebene einer +c-Achse (oder der oberen Ebene oder +Z'-Ebene in 1A) abgelagert, wenn die Richtung der spontanen Polarisierung Ps in der Richtung eines in 1A gezeigten Pfeiles wie eine Aufwärts-Richtung ist.
Als Nächstes wird er auf eine Temperatur zwischen der Curie-Temperatur (etwa 1250 Grad C) von Lithium-Niobat und 1100 Grad C erhitzt, damit das Titan in dem Titan-Dünnfilm 106 in den Wafer 105 diffundiert, ein Bereich 109 mit einer umgekehrten Polarisierung wird ausgebildet, wie vergrößert in 1B gezeigt.
Wenn die Tiefe des Bereichs 109 mit der umgekehrten Polarisierung mit "t" bezeichnet ist, haben in dem Wafer 105 während der Diffundierung erzeugte Oberflächenladungen einen ausgeglichenen Zustand, wenn die Tiefe "t" gleich einer Hälfte der Dicke T3 des Wafers 105 ist. Dann beendet die Tiefe "t" des Bereichs 109 mit der umgekehrten Polarität, welche sich von der oberen Ebene erstreckt, die weitere Zunahme bei etwa einer Hälfte der Dicke T3 des Wafers 107 und die Richtung der Polarisierung Ps' des Bereichs 109 wird umgekehrt zu derjenigen der Polarisierung Ps.
Als Nächstes wird, wie in 1C gezeigt, einen Mehrzahl von Ansteuerungselektroden 103 und 104 ausgebildet durch Musterbildung auf den oberen und unteren Ebenen des Wafers 107. Dann wird der Wafer 107 entlang in 1C gezeigter, strichpunktierter Linien geschnitten, so dass jedes Element die gegenüberliegenden Elektroden 103 und 104 aufweist. Somit ist ein in 1D gezeigter, piezoelektrischer Resonator 101 vollständig.
Die piezoelektrische Platte 102 mit der Polarisierung Ps und der umgekehrten Polarisierung Ps' weist eine Dicke von etwa dem zweifachen derjenigen eines bekannten, piezoelektrischen Resonators für einen Einzelbereich für die gleiche Frequenz auf. Wenn z. B. die Dicke des bekannten piezoelektrischen Resonators etwa 150 mm für eine Vibrationsfrequenz von 26 MHz beträgt, beträgt diejenige der Platte mit den Schichten mit einer umgekehrten Polarisierung etwa 300 mm. Dieses beschreibt, dass eine halbe Wellenlängen-Resonanz in ersterer erregt wird, während eine Wellenlängen-Resonanz für letztere erregt wird.
Für einen Lithium-Tantalat verwendenden Resonator, wie z. B. in dem japanischen Patent 1-158811/1989 beschrieben, wird eine Protonen-Austauschschicht für umgekehrte Polarisierung ausgebildet und ein Teil der Polarisierung wird selektiv umgekehrt. Der Resonator neigt ebenfalls dazu, die Obergrenze der doppelten Frequenz zu verbessern, vergleichbar mit dem oben erwähnten Lithium-Niobat-Resonator. 2A zeigt eine piezoelektrische Platte 112, geschnitten aus einer 0 (plus minus) 10 Grad Rotations-X-Platte aus Lithium-Tantalat-Monokristall, welche eine Polarisierung Ps gerichtet von einer Hauptebene (+X'-Ebene) 112a zu einer weiteren Hauptebene (–X'-Ebene) 112b, aufweist. Dann wird, wie in 2B, eine Polyimid-Schicht (Maske) 113 einer Dicke von etwa 5 mm auf der +X'-Ebene 112a durch Verwenden z. B. einer Spin-Beschichtung angewendet. Dann wird sie, wie in 2C gezeigt, in eine auf 250 Grad erwärmte Flüssigkeit zur Protonen-Austausch-Verarbeitung für etwa eine Stunde eingetaucht. Dann wird eine Protonen-Austauschschicht 115 ausgebildet, die sich von der –X'-Schicht 112b erstreckt. Dann wird die aus der Flüssigkeit 114 genommene und gereinigte piezoelektrische Platte 112 auf eine hohe Temperatur erwärmt, zum Beispiel zwischen 560 und 610 Grad C unterhalb der Curie-Temperatur 620 Grad C von Lithium-Tantalat für eine geeignete Zeit. Dann wird, wie in 2D gezeigt, eine Schicht 112c mit einer umgekehrten Polarisierung mit spontaner Polarisierung Ps' mit einer Richtung umgekehrt zu der Polarisierung Ps von der –X'-Ebene 112b bis zu einer Hälfte der Tiefe der piezoelektrischen Platte 112 ausgebildet. Dann werden, wie in 2E gezeigt, Ansteuerungselektroden 116 und 117 auf den gegenüberliegenden Hauptebenen (+X'- und –X'-Ebenen) 112a und 112b ausgebildet. Somit ist ein piezoelektrischer Resonator 111 vervollständigt.
Es ist ein Problem für einen aus Lithium-Niobat oder Lithium-Tantalat hergestellten Resonator mit einer hohen Q und einem großen elektromechanischen Kopplungs-Koeffizienten, dass ein unerwünschter Modus wahrscheinlich infolge nicht erforderlicher Schwingungs-Modi auftritt. Dann wird, um einen reinen Schwingungsmodus zu erregen, ein Resonator hergestellt durch Auswählen eines Schneid-Winkels, welcher Dicken-Ausdehnungsschwingungen mit grundlegendem Versatz in der Dicken-Richtung und Dicken-Scher-Schwingungen mit grundlegendem Versatz parallel zu der Platte erzwingt.
Ein Dicken-Ausdehnungsmodus-Resonator koppelt schwach mit anderen Vibrations-Schwingungs-Modi. Dann kann durch Verwenden dieser Eigenschaft ein Resonator mit geringen inhärenten Nebenereignissen angegeben werden. Wenn ein optimaler Schnittwinkel für Lithium-Niobat und Lithium-Tantalat ausgewählt ist, ist der elektromechanische Kopplungs-Koeffizient von Dicken-Scher-Schwingungsmodus Null und nur der Dicken-Ausdehnungsmodus wird erregt. Die Energie der Welle erster Ordnung (Grundwelle) wird jedoch nicht zwischen den Elektroden bei dem Schnittwinkel gefangen und der Resonator verwendet eine Resonanz der harmonische Welle dritter Ordnung (dritte Oberschwingung). Dies wird dem Umstand zugeschrieben, dass das Poisson-Verhältnis des Lithium-Niobat oder Lithium-Tantalat gleich oder geringer als ein Drittel ist und die Resonanz in dem Dicken-Ausdehnungsmodus nicht gefangen werden kann.
In dem die Resonanz dritter Ordnung verwendenden Resonator werden Schwingungen um die Grundwelle oder die Resonanz erster Ordnung herum als nicht erforderliche Schwingungen oder Nebenereignisse erkannt. Wenn sie nicht ausreichend unterdrückt werden, werden dadurch Schwingungen der Grundwelle erregt. Weiterhin hat die Resonanz dritter Ordnung schlechtere Eigenschaften als die Resonanz erster Ordnung. Andererseits ist ein Schneidwinkel vorhanden, welcher nicht einen Dicken-Ausdehnungsmodus erregt, sondern nur einen Dicken-Schermodus.
Ein von dem Dicken-Ausdehnungsmodus abweichendes Merkmal des Dicken-Schermodus ist, dass zwei Dicken-Scherschwingungen senkrecht zueinander gleichzeitig in einer in dem Dicken-Schermodus erregten Platte existieren. Daher muss ein den Dicken-Schermodus verwendender Resonator mehr zur Unterdrückung von Nebenereignissen beitragen als ein den Dicken-Ausdehnungsmodus verwendender Resonator.
Ein die Dicken-Scherschwingungen verwendender Resonator verwendet eine von ihnen als ein Hauptmodus und die anderen werden als nicht erforderliche Wellen (Nebenereignisse) erkannt. Gewöhnlich verwendet ein X-geschnittenes Lithium-Tantalat einen Modus mit schnellerer Ton-Geschwindigkeit und einem größeren Kopplungskoeffizienten als den Hauptmodus.
Um nicht erforderliche Wellen in Folge von Breiten-Ausdehnungs- und Längen-Ausdehnungs-Schwingungen zu unterdrücken wird ebenfalls vorgeschlagen, dass ein Element eine quadratische Größe mit ausreichendem Raum, bezogen auf Schwingungsraum, aufweist, um Nebenresonanzen mit Schall absorbierendem Material zu dämpfen. Wenn sich jedoch das absorbierende Material in den Schwingungsraum erstreckt, wird die Schwingungscharacteristik merklich verschlechtert. Daher ist diese Technik nicht geeignet für ein Element mit kleinen Abmessungen. Andererseits schlägt die japanische Offenlegungsschrift 5-160659/1993 vor, eine amorphe Schicht oder eine isolierende Schicht an einer Seite einer Elektrode vorzusehen. Bei einem quadratischen Element werden jedoch die oben erwähnten nicht erforderlichen Wellen mit einer langsamen Ton-Geschwindigkeit auf einen Pegel erregt, der etwa der gleiche wie derjenige der erregt, der etwa der gleiche wie derjenige der Hauptwellen ist. Diese Situation wird vergleichbar ebenso bei kreisförmigen Elementen beobachtet.
Um den Pegel nicht erforderlicher Wellen mit einer geringeren Ton-Geschwindigkeit zu unterdrücken wird ebenfalls vorgeschlagen, ein rechteckiges Element vorzusehen, das länger entlang der Versatzrichtung der Hauptschwingungen ist. Für eine X-geschnittene Lithium-Tantalat-Platte mit guten Temperatureigenschaften ist die Versatz-Richtung der Dicken-Scherschwingung mit einer schnelleren Ton-Geschwindigkeit (Hauptschwingung) –53° (Nihon Denpa Kogyo Giho, Nr. 6, November 1979). Die Versatzrichtung wird als ein Winkel Q bezogen auf die Y-Achse in 3A bezeichnet.
Ein Streifenresonator wird vorgeschlagen zum Bereitstellen eines kompakten Resonators mit guter Leistung. Wie in 3B gezeigt ist ein Streifenresonator ein langes Parallelepiped mit einem rechtwinkligen Querschnitt und weist gegenüberliegende Elektroden 201 und 201' auf, die sich über die gesamte Breite erstrecken. Dicken-Dreh-Schwingungsmodus breitet sich senkrecht zu der Versatzrichtung der Hauptschwingung aus und eine Dicken-Scherschwingung mit einer langsameren Ton-Geschwindigkeit wird unterdrückt und der Resonator hat eine hohe Q. Um Neben-Resonanzen in einem Streifenresonator zu unterdrücken wird es bevorzugt, dass die Längsrichtung des X-geschnittenes Lithium-Tantalat verwendenden piezoelektrischen Streifenresonators im Wesentlichen parallel zu der Versatzrichtung der Dicken-Scherschwingung ist. Der geeignetste Schnittwinkel (Q bezogen auf die Y-Achse in 3A) ist –50±2° (siehe japanische Offenlegungsschrift 1-36724/1989) oder –57±0,5°(siehe japanische Offenlegungsschrift 2-13007/1990). Der oben erwähnte Fehlerbereich des Schnittwinkels beträgt einige wenige Grad und dieser Bereich ist zulässig, da er der kristallinen Symmetrie zugeschrieben wird und Merkmale nicht stark beeinflusst werden. Weiterhin werden bei dem Streifenresonator ein geeignetes Verhältnis W/H der Breite W zu Höhe H und ein geeignetes Verhältnis I/H der Länge I zu der Höhe H bestimmt, so dass Nebenresonanzen in Folge von Breite oder Länge nicht den Dicken-Scherschwingungsmodus als Hauptschwingung überlappen.
Damit der einer Polarisierungsumkehrverarbeitung ausgesetzte piezoelektrische Resonator 101, 111 Eigenschaften wie Resonanzfrequenz, Resonanzwiderstand, Dynamikbereich und ähnliches für einen Resonator erforderliches erfüllt, ist es erforderlich, dass die Dicken der Schichten mit einer umgekehrten Polarisierung untereinander genau gleich sind, d. h., dass die Dicke der Schicht mit der Polarisierung P_s genau gleich derjenigen mit der Polarisierung P_s' ist. Weiterhin werden die Eigenschaften als ein piezoelektrischer Resonator beeinträchtigt, wenn einheitliche Schichten entgegengesetzter Polarisierung ohne Undulation in einem weiten Bereich des Wafers 107, 112 ausgebildet werden.
Wie oben erwähnt ist zum Ausbilden von Schichten mit einer umgekehrten Polarisierung die Applikation eines Titan-Dünnfilms oder ähnliches erforderlich. Deshalb gibt es verschiedene Parameter wie Dicken-Steuerung, Beanspruchungssteuerung und ähnliche und es ist schwierig, die Dicke der Schichten mit einer umgekehrten Polarisierung bei der Dicke von einer Hälfte der piezoelektrischen Platte exakt zu steuern. Dann gibt es Probleme, dass Eigenschaften wie die Resonanzfrequenz, der Resonanzwiderstand, der Dynamikbereich und ähnliche für einen Resonator erforderliche sich verschlechtern.
Da weiterhin die Verarbeitungstemperatur zum Ausbilden der Schichten mit umgekehrter Polarisierung so hoch wie die Curie-Temperatur ist, ist es schwierig, die homogene Temperatur zu steuern und es ist erforderlich, die Umgebung zu beeinflussen, um die Isolierung von Lithium zu verhindern. Es ist ebenfalls ein Problem, dass die Platte durch die Wand der Heizkammer kontaminiert wird und dies beeinträchtigt die Eigenschaften des Resonators.
Weiterhin begleitet die Herstellung der Schichten mit einer umgekehrten Polarisierung eine Änderung in der Zusammensetzung wie eine Diffusionsschicht aus Titan oder eine Migration von Lithium. Dann wird die Symmetrie zwischen einem Bereich ohne Umkehr der Polarisierung und dem anderen Bereich mit einer umgekehrten Polarisierung schlecht und dies beeinträchtigt die Eigenschaften des Resonators.
Um dieses Problem zu lösen haben die Erfinder eine geschichtete ferroelektrische Anordnung vorgeschlagen mit umgekehrten Polarisierungen durch Verwenden von direktem Bonden ferroelektrischer Platten in der japanischen Offenlegungsschrift 7-206600/1995. Bei dieser Verarbeitung wird die Polarisierung auf einfache Weise umgekehrt und Eigenschaften werden nicht beeinträchtigt. Die Veröffentlichung be schreibt jedoch nur den Bonding-Vorgang und beschreibt oder schlägt nicht vor, wie die piezoelektrische Platte zum Herstellen eines ferroelektrischen (piezoelektrischen) Resonators.
Auch wenn weiterhin ein Schneidwinkel für Lithium-Niobat und Lithium-Tantalat ausgewählt wird, welcher nur einen Dicken-Ausdehnungs-Schwingungsmodus erregt, ist ein Problem zu lösen. Resonanzenergie der ersten oder Grund-Welle wird nicht zwischen den Elektroden gefangen und der Resonator verwendet Resonanzen dritter Ordnung. Die Kopplungskoeffizienten werden ein Neuntel, da der Kopplungskoeffizient einer Resonanz n-ter Ordnung 1/n² für eine Resonanz höherer Ordnung wird. Da die Charakteristik des Resonators proportional zu der Kopplungskonstanten ist, hat der die Harmonische dritter Ordnung verwendende Resonator eine schlechtere Charakteristik als ein die Hauptwelle verwendender Resonator. Weiterhin werden Schwingungen nahe der Hauptwelle zusammen mit anderen Schwingungen nicht gefangen, um erzwungene Schwingungen der Hauptwelle zu erzeugen. Dann ist eine Elementen-Gestaltung erforderlich, um einen Resonator der dritten Harmonischen einwandfrei zu betreiben. Ferner wird für ein quadratisches oder kreisförmiges Element eines Resonators eines Dicken-Schermodus die Dicken-Scherwelle (Hauptwelle) mit einer schnelleren Ton-Geschwindigkeit bei etwa dem gleichen Pegel erregt, wie die Dicken-Scherwelle (nicht erforderliche Welle) mit einer langsameren Ton-Geschwindigkeit.
Auch wenn der Resonator eine rechtwinklige Form aufweist, welche in der Versatzrichtung der Hauptwelle länger ist, gibt es eine Grenze zum Unterdrücken langsamerer, nicht erforderlicher Wellen. Weiterhin, wenn ein Streifenresonator hergestellt wird, um Nebenresonanzen zu unterdrücken, hat der Resonator eine Form eines langen und schmalen Stabes und eine Endbearbeitung von dessen Größe hat einen großen Einfluss auf die Schwingungseigenschaften. Auch wenn die End-Größe genau ausgebildet ist, wird Q beeinträchtigt oder neue Nebenresonanzen werden erzeugt, wenn die End-Größe eine schlecht geschnittene Form aufweist. Insbesondere wenn die Größe des Resonators für hohe Frequenzen dünn wird, wird dessen Breite schmal und dies macht die Herstellung schwierig und den Resonator schwach.
Die JP 07 206 600 A offenbart eine beleuchtete ferroelektrische Substanz und ein Verfahren zum Verbinden derselben. Gemäß diesem Verfahren werden zwei oder mehr ferroelektrische Monokristall-Substanzen zu einer einzelnen Polarisierungszone verarbeitet. Die Kristallisationsrichtungen der zwei ferroelektrischen monokristallinen Substanzen werden in Übereinstimmung gebracht und miteinander verklebt, so dass deren Polarisierungsrichtungen einander entgegengesetzt sind. Nach Erwärmen wird die beleuchtete ferroelektrische Substanz mit den Polarisierungszonen mit gegenseitig entgegengesetzten Polarisierungsrichtungen in dem einzelnen Festkörper erhalten.
Die US 5,319,324 offenbart ein Verfahren zum direkt Bonden von Kristallen und Kristallanordnungen. Darin wird ein Kristallresonator beschrieben, dessen Resonanzmodus ein Dicken-Schermodus ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Endung ist es, einen piezoelektrischen Resonator mit einer stabilen Struktur mit einer entgegengesetzten Polarisierung anzugeben.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Resonator mit einer Struktur zum wirksamen Unterdrücken eines Nebenmodus anzugeben.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß verwirklicht durch einen piezoelektrischen Resonator, wie in Anspruch 1 beansprucht und wie in Anspruch 8 beansprucht. Ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Resonators ist in Anspruch 13 beansprucht.
Nach einem Aspekt der Erfindung umfasst ein piezoelektrischer Resonator zwei piezoelektrische Monokristallplatten, die jede eine spontane Polarisierung aufweisen und direkt aneinander gebondet sind. Weiterhin sind einander gegenüberliegende Ansteuerungselektroden in den zwei Hauptebenen der direkt gebondeten piezoelektrischen Monokristallplatten ausgebildet. In der direkt gebondeten Struktur sind die Achsen der spontanen Polarisierung der Platten einander entgegengesetzt und andere kristalline Achsen als die Achsen der Polarisierung sind um einen von Null abweichenden Winkel verschoben, um einen Nebenmodus zu unterdrücken. Jede der piezoelektrischen Monokristallplatten ist aus Lithium-Niobat, Lithium-Tantalat oder Lithium-Borat hergestellt.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird bei einem Typ eines piezoelektrischen Resonators der Erfindung eine harmonische Welle geradzahliger Ordnung (z. B. zweiter Ordnung) des Dicken-Ausdehnungsmodus durch die Ansteuerungselektroden erregt.
Eine Richtung der kristallinen Achse senkrecht zu der Achse der spontanen Polarisierung von einer der zwei piezoelektrischen Monokristallplatten wird z. B. um einen Nicht-Null-Winkel innerhalb ±15° gegenüber demjenigen der anderen der zwei piezoelektrischen Monokristallplatten verschoben.
Zum Beispiel haben die zwei piezoelektrischen Monokristallplatten ein Poisson-Verhältnis von gleich oder weniger als einem Drittel, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient für den Dicken-Ausdehnungsmodus davon ist größer als derjenige für den Dicken-Schermodus und die Ansteuerungselektroden werden angeordnet, um die Energie harmonischer Wellen geradzahliger Ordnung zu fangen.
Die zwei piezoelektrischen Monokristallplatten sind z. B. aus Z-geschnittenem Lithium-Niobat oder Z-geschnittenem Lithium-Tantalat hergestellt und jede der Ansteuerungselektroden hat eine Länge und eine Breite zwischen 2H und 7H, wobei H die Dicke des Resonators bezeichnet.
Der piezoelektrische Resonator umfasst z. B. weiterhin eine Tragplatte, welche die direkt gebondeten piezoelektrischen Monokristallplatten trägt. Die Tragplatte weist zwei darauf ausgebildete Erweiterungselektroden auf und jede der Ansteuerungselektroden ist des piezoelektrischen Resonators ist elektrisch mit einer der Erweiterungselektroden verbunden mit einem elektrisch leitenden Kleber. Die Ausdehnungsrichtung und die Trag-Richtung von jeder der Erweiterungselektroden stimmen mit der X-Achse der piezoelektrischen Monokristallplatten überein.
Bei einem weiteren piezoelektrischen Resonator der Erfindung wird eine harmonische Welle einer geradzahligen Ordnung (z. B. zweiter Ordnung) des Dicken-Schermodus durch die Ansteuerungselektroden erregt. Zum Beispiel wird eine Rich tung der kristallinen Achse senkrecht zu der Achse der spontanen Polarisierung von einer der zwei piezoelektrischen Monokristallplatten um einen von Null abweichenden Winkel innerhalb von ±15° gegenüber derjenigen der anderen der zwei piezoelektrischen Monokristallplatten verschoben.
Die zwei piezoelektrischen Monokristallplatten sind z. B. hergestellt aus einer ±10° Rotationsplatte aus Lithium-Tantalat. Ein Typ der in dem piezoelektrischen Resonator erregten Dicken-Schermodi mit einem größeren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten wird als eine Hauptwelle in zwei Arten von Dicken-Scherschwingungsmodi erregt, während der andere Typ davon unterdrückt wird. Die Richtungen der spontanen Polarisierungen in den zwei piezoelektrischen Monokristallplatten werden um einen von Null abweichenden Winkel innerhalb von ±15° verschoben, um nicht erforderliche Wellen zu unterdrücken.
Die zwei piezoelektrischen Monokristallplatten sind z. B. hergestellt aus ±10° Rotationsplatten aus Lithium-Tantalat, die Ansteuerungselektroden sind ausgebildet in parallelen X±10° Rotationsebenen davon entlang einer ganzen Breite, eine Längsrichtung der zwei piezoelektrischen Monokristallplatten stimmt mit einer Richtung gedreht um einen Winkel zwischen 38° und 58° im Uhrzeigersinn von der Y'-Achse in der X'-Y'-Ebene überein. Der Resonator umfasst weiterhin eine Tragplatte, welche die direkt gebondeten, piezoelektrischen Monokristallplatten trägt, mit zwei auf der Tragplatte ausgebildeten Erweiterungselektroden. Jede der Ansteuerungselektroden des piezoelektrischen Resonators ist mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff an einem Ende entlang einer Längsrichtung der piezoelektrischen Monokristallplatten verbunden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden zwei piezoelektrische Monokristallplatten mit einer spontanen Polarisierung für darauf zu bondende Ebenen poliert, um Spiegeloberflächen zu haben, um einen piezoelektrischen Resonator herzustellen. Dann werden die polierten Ebenen hydrophil gemacht. Dann werden die zu bondenden gereinigten Ebenen kontaktiert, so dass kristalline Richtungen der Monokristallplatten um einen von Null abweichenden Winkel verschoben werden und dass Richtungen der spontanen Polarisierung einander entgegengesetzt sind. Dann werden die kontaktierten Monokristallplatten erwärmt, um die Platten direkt zu bonden, um die zwei Monokristallplatten zu integrieren. Schließlich werden zwei einander gegenüberliegende Ansteuerungselektroden in zwei Hauptebenen der integrierten Platten ausgebildet. Die zwei piezoelektrischen Monokristalle haben z. B. die gleichen Dicken. Wenn eine oder beide der zwei piezoelektrischen Monokristalle dick sind, werden eine oder zwei Seiten der integrierten zwei piezoelektrischen Monokristallplatten poliert, um die Dicken der Platten nach dem Erwärmungsschritt in Übereinstimmung zu bringen. Die piezoelektrischen Monokristallplatten sind aus einem Monokristall-Material aus Lithium-Niobat, Lithium-Tantalat oder Lithium-Borat hergestellt.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass ein piezoelektrischer Resonator mit einer guten Frequenzgenauigkeit bei höheren Frequenzen bereitgestellt werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Endung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich, Dabei zeigen:
1A, 1B, 1C und 1D Seitenansichten zum Darstellen der Schritte zum Herstellen eines bekannten piezoelektrischen Resonators mit entgegengesetzter Polarisierung;
2A, 2B, 2C, 2D und 2E Seitenansichten zum Darstellen der Schritte zum Herstellen eines bekannten piezoelektrischen Resonators mit entgegengesetzter Polarisierung;
3A und 3B eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht eines bekannten Resonators;
4A, 4B und 4C Seitenansichten zum Darstellen der Schritte zum Herstellen eines piezoelektrischen Resonators gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
5 einen Graph der Frequenzcharakteristik des Resonators;
6 einen Graph der Frequenzcharakteristik eines Resonators eines Vergleichsbeispiels;
7A eine vereinfachte geschnittene Ansicht eines Resonators des Fallen-Typs und 7B einen Graph einer Verteilungskennlinie;
8A eine vereinfachte geschnittene Ansicht eines weiteren Resonators des Fallen-Typs und 8B und 8C sind Graphen von Verteilungskennlinien;
9 ist ein Graph einer Frequenzcharakteristik des piezoelektrischen Resonators;
10 ist ein Graph einer Frequenzcharakteristik eines bekannten Resonators;
11A, 11B und 11C sind Seitenansichten zum Darstellen der Schritte zum Herstellen eines piezoelektrischen Resonators gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
12A, 12B und 12C sind Seitenansichten zum Darstellen von Schritten zum Herstellen eines piezoelektrischen Resonators gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
13 ist ein Graph zum Erläutern einer Beziehung der Kreuzungsbreite der Ansteuerungselektroden und unharmonischer Modi höherer Ordnung;
14A, 14B, 14C und 14D sind Graphen der Frequenzcharakteristika für vier Kreuzungsbreiten von Ansteuerungselektroden;
15 ist eine perspektivische Ansicht einer Anordnung mit einem piezoelektrischen Resonator;
16A und 16B sind Graphen von Frequenzcharakteristika;
17A, 17B, 17C und 17D sind Seitenansichten zum Darstellen der Schritte zum Herstellen eines piezoelektrischen Resonators gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
18A und 18B sind Graphen der Frequenzcharakteristik des piezoelektrischen Resonators gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung;
19A und 19B sind eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Resonators gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung;
20 ist ein Graph der Frequenzcharakteristik des piezoelektrischen Resonators.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile in den Ansichten bezeichnen, werden Ausführungsformen der Erfindung erläutert. Die 4A–4C stellen Schritte dar zum Herstellen eines piezoelektrischen Resonators gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 4A zeigt eine Seitenansicht der Wafer 11, 12 piezoelektrischer Monokristalle mit der gleichen Dicke, wobei die Richtung der spontanen Polarisierung P_s in den Wafern mit einem Pfeil gezeigt ist. In der ersten Ausführungsform sind die piezoelektrischen Monokristall-Wafer 11, 12 Z-geschnittene Platten aus Lithium-Niobat LiNbO₃ mit zwei Inch Durchmesser und 50 mm Dicke "T₃/2". Wie in 4B gezeigt, sind diese zwei piezoelektrischen Monokristall-Wafer 11 und 12 durch direktes Bonden integriert. Da dieses Bonden ohne einen Klebstoff aber durch direktes Bonden ausgeführt wird, wobei das Bonden auf einer atomaren Ebene ausgeführt wird, ist der elastische Verlust bei der Ausbreitung einer Masse-Welle sehr klein. Wenn dann dieser integrierte Körper als ein Resonator verwendet wird, ist der mechanische Qualitätskoeffizient hoch und der Resonator hat eine hohe Qualität. Da die Wafer auf der atomaren Ebene gebondet sind, hat die direkte Bond-Schnittfläche weiterhin eine Flachheit vergleichbar mit dem Spiegel-Finish. Daher wird die Dicke der zwei Regionen mit einer entgegengesetzten Polarisierung gemäß der Präzision der Dicke der oberen und unteren Wafer 11 und 12 bestimmt. Da ein Verhältnis der Dicke der Wafer mit entgegengesetzter Polarisierung über den gesamten Wafer konstant ist, hat ein die Wafer verwendender Resonator gute Eigenschaften bei der Resonanzfrequenz, dem Resonanzwiderstand, dem Dynamikbereich und ähnlichem. Da die mechanische Stärke des direkten Bonding sehr stark ist, ist es weiterhin ebenfalls möglich, die Dicke des Wafers durch Polieren, Schleifen oder ähnliches zu verringern.
Als Nächstes wird der direkte Bond-Vorgang detailliert beschrieben. Bei dem direkten Bonden werden zwei als ein einzelner integrierter Körper zu bondende Wafer poliert zum Bilden von Spiegeloberflächen und danach gereinigt und dann einer hydrophilen Behandlung der Oberflächen unterworfen. Dann werden die zwei Wafer in enge Berührung gebracht und erwärmt. Die Erwärmungstemperatur ist ausreichend geringer als die Temperatur zum Ausbilden spontaner Polarisierungen oder ist so niedrig wie 200 bis 500°C. Daher ist eine störungsanfällige Steuerung von Temperatur und Umgebung nicht erforderlich und die Herstellungsvorrichtung kann vereinfacht werden. Weiterhin kann die Verschlechterung der Eigenschaften des Resonators in Folge der Behandlung mit hoher Temperatur vermieden werden. Für in dieser Ausführungsform verwendetes Lithium-Niobat wurde keine Durchbiegung oder Beschädigung des Wafers und keine Beeinträchtigung des Materials in Folge des direkten Bondens beobachtet.
Wenn jedoch die Nichtübereinstimmung der kristallinen Achsen ±15° übersteigt, werden die Eigenschaften schlecht, wie in 5 gezeigt. Daher wird bevorzugt, dass die Nichtübereinstimmung innerhalb von ±15° liegt. Wenn die Nichtübereinstimmung weiter bevorzugt innerhalb von ±3° ist, entsprechen die Eigenschaften den besten.
In dieser Ausführungsform ist die Polarisierungsachse senkrecht zu der Ebene der Wafer 11, 12 und dies entspricht der dreifachen Achse der Symmetrie des Monokristalls. Wenn das Bonden mit entgegengesetzter Polarisierung ausgeführt ist, wird es bevorzugt, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient in der Ebene übereinstimmt. Dann stimmen die kristallinen Achsen in den Wafern allgemein zum Bonden überein. Wenn jedoch die kristallinen Achsen nicht übereinstimmen, wird die Bond-Stärke nur wenig verringert. Somit besteht kein Problem beim Bonden und die Eigenschaften des Resonators werden nur wenig beeinträchtigt.
Schließlich werden nach dem direkten Bonden Ansteuerungselektroden 13 auf den oberen und unteren Ebenen des einstückig integrierten Körpers der Wafer mit einer entgegengesetzten Polarisierung ausgebildet. Somit ist, wie in 4C gezeigt, ein piezoelektrischer Resonator fertiggestellt. Eine Wechselspannung wird an die Elektroden 13 angelegt. Die oben erwähnte, direkt gebondete piezoelektrische Struktur kann ebenfalls auf einen Filter angewendet werden, der piezoelektrische Eigenschaften verwendet.
Da der Resonator aus direkt gebondeten Wafern mit der gleichen Dicke hergestellt ist, wird der Bond-Übergang der Übergang entgegengesetzter Polarisierungen genau bei der Position der Hälfte der Dicke. Die Genauigkeit der Flachheit des Übergangs der Wafer mit einer entgegengesetzten Polarisierung ist gut, wie in 4C gezeigt. Dann wird die Resonanz bei einer Wellenlänge in einem idealen Zustand erregt, wie in 5 gezeigt. Weiterhin ist der Resonanzwiderstand gering, der Dynamikbereich (das heißt, die Differenz zwischen dem Maximum und dem Minimum des Amplitudenpegels) ist groß und Nebenresonanzen um die Resonanzfrequenz herum sind sehr ungewöhnlich. Bei einem aus einem Wafer hergestellten bekannten Resonator wird eine halbe Wellenlänge in der Dicken-Richtung in dem grundlegenden Schwingungsmodus erregt und die Resonanzfrequenz beträgt etwa 36 MHz (theoretischer Wert). In dieser Ausführungsform sind zwei Wafer einer Dicke von 50 mm direkt gebondet, um einen Resonator einer Dicke von 100 mm herzustellen und der grundlegende Modus ist der zweite Schwingungsmodus, in welchem eine Wellenlänge in der Dicken-Richtung erregt wird. Somit ist die Resonanzfrequenz bei 72 MHz das Doppelte derjenigen des bekannten Resonators.
Der Resonator der Ausführungsform verwendet Energie fangen in Dicken-Ausdehnungsschwingungen. Der oben erläuterte Resonator des Energie-Fang-Typs hat Eigenschaften, die nicht mit einem einzelnen piezoelektrischen Wafer verwirklicht werden können, der ohne Bonden hergestellt wird (nachfolgend als Einzelplatte bezeichnet). Dies wird unten erläutert.
Gewöhnlich wird Energie fangen in einem piezoelektrischen Resonator verwirklicht durch Verwenden von Energie fangen mit einer Platten-Verdünnungswirkung oder mit einer Masse-Ladungswirkung von Elektrode und Platten-Rückseite. Die 7A und 7B zeigen eine Struktur eines piezoelektrischen Resonators zum Energie fangen mit der Platten-Verdünnungswirkung und einer Verteilungskennlinie davon mit einem Poisson-Verhältnis gleich oder kleiner als ein Drittel. 8A zeigt eine Struktur des piezoelektrischen Resonators zum Energie fangen mit Masse-Ladungswirkung von Elektrode und Plattenrückseite und die 8B und 8C zeigen Verteilungskennlinien davon von Harmonischen und der Haupt-Schwingungswelle. Diese werden detailliert erläutert in "Elastic Element Technology Handbook", Ohm, Seite 82–89. In den 7B, 8B und 8C bezeichnet w_o die Winkelfrequenz der Dicken-Schwingungswellen wie der Dicken-Scherungs-, Dicken-Ausdehnungs- oder Dicken-Verdrehungswellen in der Elektrodensektion einschließlich zwei gegenüberliegender Elektroden (dargestellt mit Schraffierung in 7A und 8A), w_o' bezeichnet die Winkelfrequenz der Dicken-Schwingungswellen in Nicht-Elektroden-Sektionen ohne Elektroden, k bezeichnet die Wellenanzahl entlang der Platte in der Elektrodensektion und K bezeichnet die Wellenanzahl entlang der Platte in den Nicht-Elektroden-Sektionen. Wie in 7B gezeigt, werden wegen der Hauptschwingungen der Dicken-Schwingungswellen wie bei Z-geschnittenem Lithium-Niobat mit einem Poisson-Verhältnis gleich oder kleiner als einem Drittel die Wellen-Anzahlen k und k' entlang der Platte imaginär bei Frequenzen, die höher sind als die Grenzfrequenzen w_o und w_o'. Andererseits werden für harmonische Wellen, wie in 8B gezeigt, Wellenanzahlen k und k' imaginär bei Frequenzen, die geringer sind als die Grenzfrequenz w_o und w_o'. In der in 8A gezeigten Struktur gilt die Grenzbedingung, dass k real ist und k' imaginär ist in einem Bereich zwischen w_o und w_o' für Harmonische. Daher wird die Energie in der Elektroden-Sektion gefangen. Andererseits, wie in 8C gezeigt, gilt die Grenzbedingung, dass k real ist und k' imaginär ist in einem Bereich zwischen w_o und w_o' für die Haupt-Schwingungswelle nicht und es ist schwierig, Schwingungsenergie aus der Elektrodensektion zu entnehmen. Um das Energie fangen der Haupt-Schwingung auszuführen, ist eine Grenzbedingung, dass k real ist und k' imaginär ist, bei sich verringernder w_o' zu verwirklichen. Dann wird, wie in 7A gezeigt, die Dicke in der Elektrodensektion verengt. Eine solche Struktur muss jedoch die Dicke eines Teils der piezoelektrischen Platte neben dem Ausbilden von Elektroden verringern. Daher ist die Produktivität der Struktur schlecht und die Herstellung selbst ist schwierig für chemisch stabile Materialien wie Lithium-Niobat oder Lithium-Tantalat LiTaO₃.
Wie oben anhand der 7A, 7B und 8A–8C erläutert, haben die Haupt-Wellenschwingung und die Harmonischen unterschiedliche Energie-Fangtypen für Schwingungsenergie. Wenn die Energie der Haupt-Schwingung oder der Harmonischen gefangen wird, leckt daher die andere nach außerhalb der Elektroden oder wird unterdrückt. Dass heißt, in der in 8A gezeigten Struktur kann die Energie der Grundwelle (Resonanz bei halber Wellenlänge) nicht gefangen werden und die Struktur wird als ein harmonischer Resonator verwendet, welcher Harmonische dritter oder höherer Ordnung mit kleineren Kopplungskoeffizienten als die Grundwelle verwendet. Gewöhnlich werden die Energien von Resonanzen von Harmonischen von 3, 5, 7, ..., 2n + 1 (wobei n eine natürliche Zahl ist) ebenfalls zwischen den Elektroden zur gleichen Zeit gefangen. Die Welle niedrigster Ordnung oder die dritte Harmonische wird jedoch erzeugt, da die Frequenz-Charakteristik der Oszillatorschaltung bei hohen Frequenzen für ein piezoelektrisches Material mit einem Poisson-Verhältnis gleich oder kleiner als ein Drittel beeinträchtigt wird. Die Unterdrückung der Grundwelle ist tatsächlich jedoch nicht ausreichend und wenn erzwungene Schwingungen im Bereich der Grundwelle auftreten, wird eine Grundwelle erzeugt.
Andererseits wird in dem piezoelektrischen Resonator, der durch direktes Bonden gemäß der ersten Ausführungsform hergestellt wird, das Fangen von Energie möglich für eine zweite harmonische Resonanz mit einer Kopplungskonstanten, die größer ist als die dritte Harmonische (etwa die gleiche, wie bei der Grundwelle, da die zwei Wafer schwingen) und die Grundwelle wird ebenfalls ausreichend unterdrückt.
9 ist ein Graph einer Resonanzkennlinie um die Hauptresonanz des in 4C gezeigten Resonators aus Z-geschnittenen Lithium-Niobat-Wafern, hergestellt mit direktem Bonden. Andererseits ist 10 ein Graph der Frequenzkennlinie eines Z-geschnittenen Einzelplatten-Resonators. In den Graphen stellt die Abszisse den Amplitudenpegel dar und die Ordinate stellt die Frequenz dar. Die Dämpfung wird in der Richtung nach unten größer. In den Kennlinien stellen die Kurven aufwärts weisenden Spitzen die Frequenz-Charakteristik dar, während die Kurven mit abwärts weisenden Spitzen die Phasen-Charakteristik darstellen.
Wie bei den in 9 gezeigten Resonanzfrequenzen des piezoelektrischen Resonators aus Z-geschnittenem Lithium-Niobat der ersten Ausführungsform mit einer Gesamtdicke von 100 mm ist die Spitze für die zweite Harmonische der Dicken-Ausdehnungsschwingungen deutlicher als die Spitze für die Resonanz der Grundwelle.
Andererseits, wie bei den Resonanzfrequenzen des piezoelektrischen Resonators aus Z-geschnittenem Einzelplatten-Lithium-Niobat, ist ein Energie fangen der Grundwelle (Resonanz halber Wellenlänge) mit dem größten Kopplungskoeffizienten nicht verwirklicht, wie in 10 gezeigt. Hauptresonanzen treten in hohen Frequenzbereichen von Harmonischen dritter oder höherer Ordnung auf.
Wie oben erläutert, wird der Kopplungskoeffizient größer und die Verschlechterung der Kennlinien wird kleiner mit der Abnahme in der Reihenfolge der harmonischen Wellen. Dann wird durch Vergleichen der Kennlinien der niedrigsten erregten Ordnung, wie in den 9 und 10 gezeigt, gefunden, dass die mit direktem Bonden aus Z-geschnittenem Lithium-Niobat hergestellte piezoelektrische Platte eine höhere Leistung aufweist, da der Schwingungsmodus niedriger Ordnung, welcher bei einer piezoelektrischen Einzelplatten-Platte nicht verwirklicht werden kann, gefangen werden kann.
In der oben erläuterten ersten Ausführungsform werden piezoelektrische Monokristall-Wafer der gleichen Dicke gebondet. Vergleichbare Vorteile werden jedoch verwirklicht für einen Resonator hergestellt aus piezoelektrischen Monokristall-Wafern mit etwas voneinander verschiedenen Dicken.
Die Z-geschnittene Platte wird in der ersten Ausführungsform verwendet, da die Kopplungskonstante der durch die einander gegenüberliegenden Ansteuerungselektroden erregten Dicken-Scherschwingungen klein ist und das Energiefangen der Grundwelle unmöglich ist, da das Poisson-Verhältnis gleich oder kleiner als ein Drittel ist. Eine 36° Y-geschnittene Platte mit vergleichbaren Merkmalen kann ebenfalls verwendet werden und vergleichbare Merkmale werden erhalten. Lithium-Tantalat oder Lithium-Borat (Li₂B₄O₇) kann an Stelle des oben erläuterten Lithium-Niobat ebenfalls vergleichbar verwendet werden.
Weiterhin ist in der in den 4A–4C gezeigten ersten Ausführungsform ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Resonators erläutert. In einer modifizierten Ausführungsform werden, nachdem zwei Wafer mit einem großen Bereich direkt gebondet sind, eine Mehrzahl von Ansteuerungselektroden zusammen ausgebildet. Dann werden die gebondeten Wafer geschnitten, um gleichzeitig eine große Anzahl von Resonatoren zu bilden.
Die 11A–11C sind Seitenansichten eines piezoelektrischen Resonators gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. 11A ist eine Seitenansicht zweier piezoelektrischen Monokristall-Wafer 11, 12' mit voneinander verschiedenen Dicken. Der piezoelektrische Monokristall-Wafer 11 ist Z-geschnittenes Lithium-Niobat LiNbO₃ mit einem Durchmesser von zwei Inch und einer Dicke von "T₃/2" von 50 mm und ein weiterer Wafer 12' ist Z-geschnittenes LiNbO₃ der gleichen Größe wie der vorherige, außer dass die Dicke 100 mm beträgt. Die zwei zu bondenden Wafer 11, 12' werden poliert, um Spiegeloberflächen auszubilden, und danach gereinigt und sie werden einer hydrophilen Behandlung der Oberflächen unterworfen.
Als Nächstes, wie in 11B gezeigt, werden sie einem direkten Bonden unterworfen, um zu einem einheitlichen Körper integriert zu werden. Die Erwärmungstemperatur ist ausreichend geringer als die Temperatur zum Ausbilden einer spontanen Polarisierung oder beträgt nur 200 bis 500°C. Wenn das Bonden mit entgegenge setzter Polarisierung ausgeführt wird, wird es bevorzugt, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient in der Ebene getroffen wird. Dann stimmen die kristallinen Achsen in der Ebene allgemein für das Bonden überein. Auch wenn die kristallinen Achsen jedoch nicht übereinstimmen, wird die Bonding-Stärke nur geringfügig verringert und es gibt kein Problem mit dem Bonden und die Eigenschaften des Resonators werden nur geringfügig beeinträchtigt.
Dann wird, wie in 11C gezeigt, der dickere Wafer 12' an der Unterseite poliert, um seine Dicke zu verringern.
Schließlich werden nach dem direkten Bonden Ansteuerungselektroden 13 auf den oberen und unteren Ebenen der integrierten Wafer mit einer entgegengesetzten Polarisierung ausgebildet und vergleichbar mit 5 ist ein piezoelektrischer Resonator fertiggestellt. Da der Resonator durch Bonden eines dicken Wafers an einen dünnen Wafer hergestellt wird, ist die Gesamtdicke vor dem Polieren dick und die mechanische Festigkeit ist groß. Daher wird die Handhabung einfach.
In den in den 11A–11C gezeigten Vorgängen ist die Herstellung eines piezoelektrischen Resonators erläutert. In einem modifizierten Beispiel sind jedoch Wafer mit einer großen Fläche direkt gebondet und eine Mehrzahl von Ansteuerungselektroden wird gleichzeitig ausgebildet. Dann werden die gebondeten Wafer geschnitten, um gleichzeitig eine große Anzahl von Resonatoren zu bilden.
In der zweiten Ausführungsform wird Lithium-Niobat für die piezoelektrischen Monokristall-Wafer verwendet. Es ist jedoch überflüssig, zu sagen, dass vergleichbare Vorteile beobachtet wurden, wenn ein anderes piezoelektrisches Monokristall-Material wie Lithium-Tantalat oder Lithium-Borat verwendet wird.
Die 12A–12C sind Seitenansichten eines piezoelektrischen Resonators gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zum Illustrieren des Herstellungsvorgangs des piezoelektrischen Resonators. 12A ist eine Seitenansicht von zwei piezoelektrischen Monokristallplatten-Wafern 11', 12' mit etwa der gleichen Größe. Die piezoelektrischen Monokristall-Wafer 11', 12' sind Z-geschnittenes LiNbO₃ mit einem Durchmesser von 3 Inch, Dicken "T" von 100 mm. Als Nächstes, wie in 12B gezeigt, werden sie einem direkten Bonden unterworfen, um integriert zu wer den, um einen Wafer mit einer entgegengesetzten Polarisierung zu bilden. Dann werden, wie in 12C gezeigt, die zwei Ebenen 11', 12' der Wafer poliert, um Wafer mit den gewünschten Dicken zu bilden. Schließlich werden nach dem Polieren oder Läppen Ansteuerungselektroden (nicht dargestellt) auf den oberen und unteren Ebenen der Wafer 11, 12 mit entgegengesetzter Polarisierung ausgebildet. Somit ist ein piezoelektrischer Resonator fertiggestellt.
Da der Resonator durch Bonden des dicken Wafers 11' auf den anderen dicken Wafer 12' hergestellt wird, ist die Gesamtdicke vor dem Polieren dick und die mechanische Festigkeit ist groß. Daher ist die Handhabung einfach. Da die dicken Wafer exakt poliert werden können, wird weiterhin die Genauigkeit der Dicke durch Polieren nach dem Bonden der dicken Wafer verbessert. Da weiterhin die Polarität der zu bondenden Ebene bei den beiden piezoelektrischen Platten die gleiche ist, sind deren kristalline Eigenschaften ebenfalls die gleichen (oder es gibt keine Änderung in der kristallinen Zusammensetzung in Folge der Diffusion von Titan oder ähnlichem, wie im Stand der Technik). Es ist ebenfalls vorteilhaft, dass die Poliergeschwindigkeit für die zwei Ebenen gleich wird.
Es gibt keine Einschränkung für den Schnittwinkel der Platten. Wenn das direkte Bonden mit entgegengesetzten Polarisierungsachsen ausgeführt wird, wird eine Resonanz einer Wellenlänge in dem gewünschten Modus beobachtet. Die für ein Produkt erforderlichen Spezifikationen wie Temperatureigenschaften, der Kopplungskoeffizient und ähnliches können leicht geeignet ausgewählt werden.
In der in den 12A–12C gezeigten Ausführungsform wird ein piezoelektrischer Resonator hergestellt. In einer modifizierten Ausführungsform werden jedoch, nachdem Wafer mit einer großen Fläche direkt gebondet wurden, eine Mehrzahl von Ansteuerungselektroden zusammen ausgebildet. Dann werden die gebondeten Wafer geschnitten, um gleichzeitig eine große Anzahl von Resonatoren zu bilden.
In dieser Ausführungsform wird Lithium-Niobat für einen piezoelektrischen Monokristall verwendet. Es ist jedoch überflüssig, zu sagen, dass vergleichbare Vorteile beobachtet werden, wenn ein anderes piezoelektrisches Monokristall-Material wie Lithium-Tantalat oder Lithium-Borat verwendet wird.
Wie oben erläutert, kann der piezoelektrischer Resonator die obere Grenze der Frequenz ausdehnen durch Verwenden direkten Bondens. Es ist ebenfalls möglich, einen piezoelektrischen Resonator in dem Dicken-Ausdehnungs-Schwingungsmodus anzugeben, welcher bisher nicht bereitgestellt werden konnte. Der piezoelektrische Resonator des Energiefang-Typs muss die folgenden sich widersprechenden Probleme lösen: Wenn eine Kreuzungsbreite der Ansteuerungselektroden zu breit wird, werden als inharmonische Obertöne bezeichnete Schwingungen als Nebenereignisse erregt, während, wenn sie zu schmal wird, nicht ausreichend Energie gefangen werden kann und die Eigenschaften des Resonators werden schlecht. Daher ist es erforderlich, die Kreuzungsbreite der Ansteuerungselektroden zu optimieren. Die Kreuzungsbreite wird experimentell bestimmt. Die Kreuzungsbreite ist definiert mit einem Durchmesser einer runden Elektrode.
13 zeigt einen Graph zum Erläutern der Beziehung der Kreuzungsbreite der Ansteuerungselektroden zu Nebenfrequenzen des piezoelektrischen Resonators, der unter Verwendung der Prozesse der ersten Ausführungsform hergestellt wurde. Die Ordinate stellt die Kreuzungsbreite "1" der Ansteuerungselektroden dar, normalisiert mit der Dicke "H" des Resonators, während die Abszisse Nebenfrequenzen darstellt, normalisiert mit der Resonanzfrequenz. Die 14A–14D zeigen experimentelle Daten für Fälle von 1/H gleich 3, 4, 5 und 6. Wie in den 13 und 14A-14D gezeigt, erscheinen Nebenresonanzen S1 und S2 in Folge inharmonischer Modi nahe der Hauptresonanz, wenn die Kreuzungsbreite zunimmt. Dies ist wesentlich für einen Resonator vom Energie fangenden Typ und es ist ebenfalls offensichtlich, dass auch die zweite Harmonische gefangen wird.
Durch Optimieren der Kreuzungsbreite der Ansteuerungselektroden wird ein piezoelektrischer Resonator bereitgestellt, der nicht stark beeinflusst wird. Wie in den 14A–14C gezeigt, wird der Einzelmodus (ein Modus ohne Nebenereignisse) praktisch für 1/H gleich oder kleiner als 3 erregt. Eine optimale Kreuzungsbreite wird experimentell bestimmt durch Verändern von 1/H. Die Pegeldifferenz zwischen der Hauptresonanz und dem S1-Modus oder der nächstbenachbarten Nebenresonanz ist gleich oder kleiner als 10dB in einem Bereich von 2 < 1/H < 7 und gute Nebenereignis-Merkmale werden in dem Bereich beobachtet.
Der oben erläuterte Resonator hat eine gute Reproduzierbarkeit. Dann werden die Bedingungen für gute Nebenereignis-Merkmale klar und es wird bestätigt, dass Resonatoren mit den gleichen Eigenschaften stets stabil hergestellt werden können.
Die Leistung des piezoelektrischen Resonators kann weiter verbessert werden durch Optimieren eines Vorgangs zum Anbringen desselben auf einer gedruckten Schaltkreisplatte. 15 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung, die den piezoelektrischen Resonator 51 der ersten Ausführungsform zeigt. Der piezoelektrische Resonator 51 ist mit einem elektrisch leitenden Kleber 54 auf einer Platine angebracht zum Anschluss nach außen. Der piezoelektrische Resonator 51 weist Elektroden an der oberen und unteren Seite auf und die Elektroden sind mit dem Kleber 54 verbunden. Weiterhin sind Elektroden 53 ebenfalls auf der Platine 52 ausgebildet und die Kleber 54 sind mit den Elektroden 53 verbunden. Die Ausdehnungsrichtung der Elektroden 53 und die Montagerichtung des Resonators 51 stimmen allgemein mit der X-Achsen-Richtung des Monokristall-Wafers überein.
Wenn die Ausdehnungsrichtung der Elektroden 53 die Y-Richtung ist, erscheinen viele Nebenereignisse bei höheren Frequenzen als die Anti-Resonanzfrequenz, wie in 16B gezeigt. Daher wird es bevorzugt, dass die Ausdehnungsrichtung der Elektroden 53 die X-Richtung ist. Dann wird eine einzelne Resonanz beobachtet, wie in 16A gezeigt. Dieses Merkmal wird ebenfalls bei der Verwendung von Resonatoren der Erfindung mit guter Reproduzierbarkeit gefunden.
Wie oben erläutert, wird bei dem durch direktes Bonden mit Umkehren der Polarisierungsachsen hergestellten Resonator des Dicken-Ausdehnungsmodus die Dicke durch direktes Bonden verdoppelt und die Kreuzungsbreite der Ansteuerungselektroden wird optimiert und die Ausdehnungsrichtung der Elektroden wird optimiert. Dann hat der piezoelektrische Resonator eine bessere Leistung bei hohen Frequenzen als ein bekannter Resonator.
Der piezoelektrische Resonator der Erfindung ist ebenfalls vorteilhaft für einen Resonator, der den Dicken-Scherschwingungsmodus verwendet. Die 17A–17D zeigen Schritte zum Herstellen eines piezoelektrischen Resonators aus X-geschnittenen Wafern. 17A zeigt eine Seitenansicht zweier piezoelektrischer Monokristallplatten 11, 12 aus X-geschnittenem Lithium-Tantalat mit der gleichen Dicke "T₃/2" von 100 mm und dem gleichen Durchmesser von zwei Inch. In 17A bezeichnet P_S eine spontane Polarisierung. Wie später erläutert wird, werden die Dicken-Scherschwingungen in diesen Platten erregt die gegenüberliegenden Elektroden 13. Als Nächstes werden, wie in 17B gezeigt, die Platten 11 und 12 mit direktem Bonden durch Umkehren der Polarisierungsachsen P_S integriert. Dann werden, wie in 17C gezeigt, die Ansteuerungselektroden 13 auf der oberen und unteren Seite der integrierten Wafer mit entgegengesetzten Polarisierungen ausgebildet. Durch Teilen der integrierten Wafer wird ein 17D gezeigter piezoelektrischer Resonator erhalten.
Da der Resonator durch Bonden zweier Wafer der gleichen Dicke T₃/2 hergestellt ist, stimmt die Schnittstelle des Bondens mit der Schnittstelle der entgegengesetzten Polarisierung genau bei der Position der halben Dicke überein. Da der Grad der Flachheit der Schnittstelle der entgegengesetzten Polarisierung gut ist, kann die Resonanz einer Wellenlänge in einem idealen Zustand erregt werden, wie in 17D gezeigt. Dann hat der Resonator einen geringen Resonanzwiderstand, einen großen Dynamikbereich und sehr geringe Nebenereignisse um die Resonanzfrequenz herum. Wenn andererseits die Polarisierungsachse parallel zu der Oberfläche der X-geschnittenen Platten ist, ist die Erzeugung eines zu der entgegengesetzten Polarisierung beitragenden elektrischen Feldes durch Verwenden der oben erwähnten Erwärmung und des Protonen-Austausches schwierig. Daher ist es bei dem bekannten Herstellungsverfahren schwierig, den piezoelektrischen Resonator der Erfindung bereitzustellen.
Weiterhin treten bei einer mit ±10° X-geschnittenen Lithium-Tantalat-Platte gewöhnlich Dicken-Scherwellen (nicht erforderliche Wellen) mit einer geringen Ton-Geschwindigkeit auf, welche senkrecht versetzt sind zu der Versatzrichtung der Dicken-Scherschwingungen (Haupt-Schwingung) mit schnellerer Ton-Geschwindigkeit. Die nicht erforderlichen Wellen können jedoch unterdrückt werden durch direktes Bonden durch absichtliches Verschieben der kristallinen Achsen. 18B zeigt eine Admittanz-Kennlinie für direktes Bonden mit übereinstimmenden kristallinen Achsen. Obwohl die Gesamtdicke nach dem direkten Bonden 200 mm beträgt, wird festgestellt, dass eine Resonanz bei etwa 20 MHz auftritt, was Dicken-Scherwellen einer einzelnen Platte einer Dicke von 100 mm entspricht. Weiterhin ist die Resonanz auf dem gleichen Pegel bei etwa 16 MHz wie diejenige eines Einzel platten-Resonators. Die zwei Resonanzen sind die Resonanz der Dicken-Scherwellen mit einer höheren Ton-Geschwindigkeit und die Resonanz der Dicken-Scherwellen mit einer langsameren Ton-Geschwindigkeit und die Versatzrichtungen sind davon sind senkrecht zueinander.
Diese Resonanzen werden im Wesentlichen für ein quadratisches oder rundes Element mit quadratischen oder runden Elektroden erzeugt und es ist schwierig, sie zu unterdrücken. Bisher wird zum Lösen dieses Problems zum Beispiel ein Verhältnis von Länge zu Breite der Elektroden verändert, um das Fangen nicht erforderlicher Wellen zu verhindern, oder ein Streifen-Element ist vorgesehen, um eine Erregung nicht erfoderlicher Wellen zu unterdrücken. Es wird jedoch eine Herstellungstechnik auf hohem Niveau benötigt, um einen Streifen in einem dünnen Hochfrequenz-Element auszubilden und die Grenze für der Hochfrequenz für solch ein Element beträgt etwa zehn und einige MHz. Für ein Element im 12 MHz-Band ist die optimale Größe zum Beispiel etwa 300 mm Breite, 2,0 mm Länge und 150 mm Höhe und es wird schwierig, dieses Element zu handhaben.
Dieses Problem wird für den piezoelektrischen Resonator einer Ausführungsform der Erfindung wie folgt gelöst: 18A zeigt eine Admittanz-Kennlinie von Wafern, die durch direktes Bonden mit absichtlich um 1° versetzten kristallinen Achsen hergestellt werden. Wie in 18A gezeigt, ist der Pegel der Haupt-Welle 71 mit einer höheren Ton-Geschwindigkeit etwa der gleiche, aber die Scher-Welle 72 mit einer langsameren Ton-Geschwindigkeit oder nicht erforderliche Wellen werden merklich unterdrückt. Dies wird einer Differenz der Kopplungskoeffizienten elektromechanischer Kopplungskoeffizienten der zwei Schwingungsmodi zugeschrieben. Der Kopplungskoeffizient der Dicken-Scherschwingungen mit einer höheren Ton-Geschwindigkeit beträgt etwa 47% während derjenige der Dicken-Scherschwingungen mit einer langsameren Ton-Geschwindigkeit etwa 6% beträgt. Da die kristallinen Achsen absichtlich verschoben sind, ist die Versatz-Richtung der in jedem piezoelektrischen Material erregten Schwingungen verschoben und dies bewirkt einen Ausbreitungsverlust. Somit werden Schwingungswellen mit einem kleineren Kopplungskoeffizienten unterdrückt. Da andererseits Schwingungswellen mit einer höheren Ton-Geschwindigkeit einen größeren Kopplungskoeffizienten aufweisen, ist eine Verschiebung der Versatz-Richtung erlaubt und eine Verschlechterung der Eigenschaften wird geringer. Durch Verwenden dieses Merkmals wird es möglich, nicht erforderliche Wellen wirksam zu unterdrücken, welche vorher schwer zu unterdrücken waren.
In dieser Ausführungsform werden zwei X-geschnittene Platten verwendet und die Z- und Y-Achsen davon sind verschoben, um Nebenereignisse zu unterdrücken. Es ist jedoch überflüssig, zu sagen, dass Nebenereignisse ebenfalls unterdrückt werden können durch Verschieben der X-Achsen. In diesem Fall wird es bevorzugt, X±10° Wafer zu bonden. Durch Bonden zum Beispiel eines x+1°-Rotations-Wafers an einen X–1°-Rotations-Wafer sind die Versatzrichtungen davon geringfügig gegeneinander verschoben und nicht erforderliche Wellen werden unterdrückt. In diesem Fall können die X- und Y-Richtungen zum Bonden übereinstimmen oder geringfügig gegeneinander verschoben sein.
Wenn die Verschiebung des Winkels ±15° überschreitet, werden die Eigenschaften schlecht, vergleichbar mit dem oben erwähnten Dicken-Ausdehnungsmodus-Resonator. Daher wird bevorzugt, dass die Nichtübereinstimmung im Bereich ±15° liegt. Insbesondere wenn die Verschiebung innerhalb ±3° ist, wird die Verschlechterung der Hauptschwingungen geringer als die Unterdrückung nicht erforderlicher Wellen. Somit kann ein Dicken-Schermodus-Resonator mit hervorragenden Eigenschaften angegeben werden.
Dieses Merkmal ist wesentlich für direktes Bonden, welches zwei Wafer in einem Zustand mit geringfügig gegeneinander verschobenen kristallinen Achsen integrieren kann und wird nicht nur bei Verwenden der oben erwähnten entgegengesetzten Polarisierung verwirklicht.
In dem oben erwähnten Dicken-Ausdehnungs-Resonator ist der Betrag der inhärent erzeugten Nebenereignisse gering. Daher ist eine Wirkung der Unterdrückung der Nebenereignisse durch Verschieben des Bond-Winkels nicht erkennbar. Ein neues Design des Resonators kann aber neue Nebenereignisse erzeugen. In dem oben erläuterten Herstellungsvorgang ist es jedoch möglich, die Wafer mit einem um einen gewünschten Betrag verschobenen Winkel zu bonden. Daher können nicht erforderliche Schwingungen mit einem kleinen Kopplungskoeffizienten unterdrückt werden. Eine Verschiebung eines Winkels der Wafer gleich oder größer als 0,1° ist ausreichend, um Nebenereignisse zu unterdrücken.
In dem oben erwähnten Dicken-Scher-Resonator hat der integrierte Körper mit einer entgegengesetzten Polarisierung eine doppelte Dicke eines bekannten Körpers bei der gleichen Resonanzfrequenz. Daher ist er hervorragend wegen seiner größeren mechanischen Festigkeit, auch, wenn ein Streifenelement hergestellt wird.
19A zeigt eine Draufsicht eines piezoelektrischen Streifenresonators. Der Resonator hat einen längsgerichteten piezoelektrischen Streifen direkt gebondeter piezoelektrischer Wafer und gegenüberliegende Elektroden 72 sind entlang der gesamten Breite des Streifens ausgebildet und haben Ausdehnungen entlang der Längsrichtung. Ein X-geschnittener Lithium-Tantalat-Wafer hat eine Z'-Achse (Polarisierungsachse) verschoben um 0,4°, bezogen auf die Z''-Achse eines weiteren Lithium-Tantalat-Wafers und die Z'- und Z''-Achsen verlaufen allgemein entgegengesetzt. Die Längsrichtung des Streifenresonators ist um 0,2° gegenüber den Achsen geneigt. Die Richtungen der X-Achsen sind bestimmt durch die Schnittfläche der Wafer, so dass sie allgemein miteinander übereinstimmen.
Weiterhin, wie in 19B gezeigt, sind Elektroden 72 entlang der gesamten Breite der Hauptebene des piezoelektrischen Elements an beiden Seiten ausgebildet während Seiten in der Längsrichtung durch einen elektrisch leitenden Kleber 73 auf einer gedruckten Schaltkreisplatte 74, welche den piezoelektrischen Resonator 71 trägt, befestigt sind.
Für das 12 MHz-Band hat die oben erwähnte Anordnung zum Beispiel eine optimale Größe von etwa 300 mm Breite, 2,0 mm Länge und 150 mm Höhe, wobei die Größe ansteigt auf etwa 300 mm Breite, 2,0 mm Länge und 300 mm Höhe. Dann wird es einfach, die Anordnung zu handhaben.
Durch absichtliches Verschieben der kristallinen Achsen hat die Anordnung gute Nebenereignis-Eigenschaften und die Herstellungsgenauigkeit kann verbessert werden.
20 zeigt eine Admittanz-Kennlinie des durch absichtliches Verschieben der kristallinen Achsen um 0,4° und durch Schneiden der gebondeten Platten in einer Richtung zwischen deren X-Achsen (oder 48° in einem Beispiel) für den Streifenresonator hergestellten piezoelektrischen Resonator. Es ist erkennbar, dass gute Ne benereigniseigenschaften bei Unterdrücken nicht erforderlicher Wellen beobachtet werden.
Der Schneidwinkel ist nicht auf den oben genannten Wert beschränkt. Es ist möglich, einen Winkel zwischen 48±10° im Uhrzeigersinn relativ zu der Y-Achse unter Berücksichtigung der kristallinen Symmetrie der Versatzrichtung der Haupt-Welle einzustellen. Weiterhin wird ein Verschiebungswinkel innerhalb ±15° zugelassen.
Wie oben erläutert, kann ein piezoelektrischer Resonator mit einer Struktur mit einer entgegengesetzten Polarisierung durch Verwenden eines einfachen Schrittes des direkten Bondens ohne Verwendung eines Klebers hergestellt werden. Somit Schwingungsmodi ungeradzahliger Ordnung wie zweiter oder vierter Ordnung. Dann kann die Dicke des piezoelektrischen Resonators für die gleiche Resonanzfrequenz gegenüber dem bekannten Resonator mit Schwingungsmodi ungeradzahliger Ordnung wie erster oder dritter Ordnung verdoppelt werden. Daher kann ein piezoelektrischer Resonator mit einer guten Frequenzgenauigkeit bei höheren Frequenzen unter Verwendung bekannter Herstellungstechnik zum Verringern der Dicke bereitgestellt werden.
Da die Handhabung einfach ist, wird die Produktivität verbessert und der Ertrag der Resonatoren wird erhöht. Durch Anwenden direkten Bondens wird eine Streuung der Dicke der Regionen mit einer entgegengesetzten Polarisierung unterdrückt und die Flachheit der Grenze der Schichten wird verbessert. Die Eigenschaften wie Resonanzwiderstand und Dynamikbereich werden verbessert.
Bei dem Resonator, bei dem die kristallinen Achsen absichtlich verschoben sind, tritt ein neuer Vorteil, dass Nebenereignisse unterdrückt werden, auf.
Ein Energie fangen im Dicken-Ausdehnungsmodus ist für ein piezoelektrisches Material mit einem Poisson-Verhältnis gleich oder geringer als einem Drittel gewöhnlich unmöglich. Bei einem Resonator, der aus piezoelektrischem Material hergestellt ist, welches erfindungsgemäß mit entgegengesetzter Polarisierung und direktem Bonden hergestellt ist, wird das Energie fangen im Dicken-Ausdehnungsmodus möglich und die Erzeugung von Nebenereignissen in Folge anderer Modi ist gering.
Weiterhin können bei einem Dicken-Scher-Resonator mit guten Temperatureigenschaften die kristallinen Achsen piezoelektrischer Platten absichtlich verschoben werden, um Nebenereignisse wirksam zu unterdrücken, während die Dicke wirksam erhöht werden kann. Somit kann ein Streifenresonator angegeben werden, der stark ist und gute Nebenereigniseigenschaften bei hohen Frequenzen aufweist. Es ist überflüssig, zu sagen, dass dies nicht nur für einen Streifenresonator gilt, sondern auch für einen anderen Resonator als einen Streifenresonator.
In den oben erwähnten Ausführungsformen werden die mit direktem Bonden hergestellten Resonatoren erläutert. Für einen Durchschnittsfachmann ist jedoch erkennbar, dass die oben erwähnten, durch direktes Bonden hergestellten Strukturen auch auf einen Filter angewendet werden können.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit deren bevorzugten Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen vollständig beschrieben wurde, ist anzumerken, dass für den Durchschnittsfachmann vielfältige Änderungen und Modifikationen erkennbar sind. Solche Änderungen und Modifikationen werden als im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten aufgefasst, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, sofern sie nicht davon abweichen.

Claims

Piezoelektrischer Resonator mit: zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12), die jede eine spontane Polarisation haben, wobei die zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten direkt gebondet sind, so dass die Achsen der spontanen Polarisation davon entgegengesetzt zueinander verlaufen und kristalline Achsen, die andere als die Achsen der Polarisation sind, um einen anderen Winkel als Null verschoben sind, und Ansteuerungselektroden (13), ausgebildet in zwei Hauptebenen der direkt gebondeten piezoelektrischen, monokristallinen Platten, wobei die Ansteuerungselektroden einander gegenüberliegen, wobei die zwei direkt gebondeten, piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12) eine Form aufweisen, bei welcher eine harmonische Welle geradzahliger Ordnung des Dicken-Ausdehnungsmodus durch die Ansteuerungselektroden (13) angeregt wird.
Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, bei welchem jede der piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12) aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder Lithiumborat hergestellt ist.
Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, bei welchem eine Richtung der kristallinen Achsen senkrecht zu der Achse der spontanen Polarisation von einer der zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12) innerhalb von ±15° gegenüber derjenigen der anderen der zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12) verschoben ist.
Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, bei welchem die zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12) ein Poisson-Verhältnis gleich oder kleiner als ein Drittel aufweisen, ein elektromechanischer Kopplungs-Koeffizient für den Dicken-Ausdehnungsmodus davon größer als derjenige für den Dicken-Schermodus ist und die Ansteuerungselektroden (13) angeordnet sind, um Energie harmonischer Wellen geradzahliger Ordnung zu fangen.
Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, bei welchem die zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12) aus Z-geschnittenem Lithiumniobat oder Z-geschnittenem Lithiumtantalat hergestellt sind und jede der Ansteuerungselektroden (13) eine Länge und eine Breite zwischen 2H und 7H aufweist, wobei H die Dicke des Resonators bezeichnet.
Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, und mit: einer Tragplatte (74), welche die direkt gebondeten, piezoelektrischen, monokristallinen Platten trägt, wobei die Tragplatte (74) zwei darauf ausgebildete Erweiterungselektroden (72) aufweist, wobei jede der Ansteuerungselektroden (13) des piezoelektrischen Resonators elektrisch mit einer der Erweiterungselektroden (72) mit einem elektrisch leitenden Kleber (73) verbunden ist, wobei die Ausdehnungs-Richtung und Trag-Richtung von jeder der Erweiterungselektroden (72) mit der X-Achse der piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11,12) übereinstimmen.
Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, bei welchem die harmonische Welle geradzahliger Ordnung des Dicken-Ausdehnungsmodus eine Harmonische zweiter Ordnung des Dicken-Ausdehnungsmodus ist.
Piezoelektrischer Resonator mit: zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12), die jede eine spontane Polarisierung haben, wobei die zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten direkt gebondet sind, so dass die Achsen der spontanen Polarisation davon entgegengesetzt zueinander verlaufen und kristalline Achsen, die andere als die Achsen der Polarisation sind, um einen anderen Winkel als Null zueinander verschoben sind, und Ansteuerungselektroden (13), ausgebildet in zwei Hauptebenen der direkt gebondeten piezoelektrischen, monokristallinen Platten, wobei die Ansteuerungselektroden einander gegenüberliegen, wobei die zwei direkt gebondeten, piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12) eine Form aufweisen, bei welcher eine harmonische Welle geradzahliger Ordnung des Dicken-Schermodus durch die Ansteuerungselektroden (13) angeregt wird.
Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 8, bei welchem eine Richtung der kristallinen Achsen senkrecht zu der Achse der spontanen Polarisation von einer der zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12) innerhalb von ±15° gegenüber derjenigen der anderen der zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12) verschoben ist.
Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 8, bei welchem die zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12) aus X± 10° Rotationsplatten aus Lithiumtantalat hergestellt sind und ein Typ der Dicken-Schermodi, erregt in dem piezoelektrischen Resonator mit einem größeren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, als eine Haupt-Welle in zwei Arten der Dicken-Scher-Vibrationsmodi erregt wird, während der andere Typ davon unterdrückt wird, wobei die Richtungen der spontanen Polarisationen in den zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12) innerhalb von ±15° verschoben sind, um unnötige Wellen zu unterdrücken.
Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 8, bei welchem die zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11,12) aus X± 10° Rotationsplatten aus Lithiumtantalat hergestellt sind, wobei die Ansteuerungselektroden (13) in parallelen X±10° Rotationsebenen darauf entlang einer gesamten Breite ausgebildet sind, eine Längsrichtung der zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11,12) mit einer Richtung übereinstimmt, die um einen Winkel zwischen 38 und 58° im Uhrzeigersinn aus der Y'-Achse in der X'-Y'- Ebene gedreht ist; wobei der Resonator weiterhin eine Tragplatte (74) umfasst, welche die direkt gebondeten piezoelektrischen, monokristallinen Platten trägt, wobei die Tragplatte (74) zwei darauf ausgebildete Erweiterungselektroden (72) aufweist, wobei jede der Ansteuerungselektroden (13) des piezoelektrischen Resonators elektrisch an eine der Erweiterungselektroden (72) mit einem elektrisch leitenden Kleber an einem Ende entlang einer Längsrichtung der piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11,12) angeschlossen ist.
Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 8, bei welchem die harmonische Welle geradzahliger Ordnung des Dicken-Schermodus eine Harmonische zweiter Ordnung des Dicken-Schermodus ist.
Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Resonators mit den Schritten: Bereitstellen von zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12) mit spontaner Polarisation; Polieren der zu bondenden Ebenen der zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12) zu Spiegeloberflächen; Reinigen der polierten Ebenen und hydrophil machen derselben; Kontaktieren der gereinigten, zu bondenden Ebenen, so dass kristalline Richtungen der monokristallinen Platten (11, 12) um einen anderen Winkel als Null verschoben werden und dass Richtungen der spontanen Polarisation der monokristallinen Platten (11, 12) einander entgegengesetzt sind; Erwärmen der kontaktierten monokristallinen Platten (11, 12) zum Integrierender zwei monokristallinen Platten (11, 12); und Ausbilden von Ansteuerungselektroden (13) auf zwei Hauptebenen der integrierten Platten, wobei die Ansteuerungselektroden (13) einander gegenüberliegen; wobei die zwei piezoelektrischen Monokristalle (11,12) voneinander verschiedene Dicken aufweisen, wobei das Verfahren weiterhin den Schritt umfasst: Polieren einer Seite der integrierten zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12), damit die Dicken der Platten nach dem Erwärmungs-Schritt übereinstimmen.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die zwei piezoelektrischen Monokristalle (11, 12) die gleichen Dicken aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die zwei piezoelektrischen Monokristalle (11, 12) voneinander verschiedene Dicken aufweisen, wobei das Verfahren weiterhin den Schritt umfasst: Polieren von zwei Seiten der integrierten zwei piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12), damit die Dicken der Platten nach dem Erwärmungs-Schritt übereinstimmen.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die piezoelektrischen, monokristallinen Platten (11, 12) aus einem monokristallinen Material aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder Lithiumborat hergestellt sind.