Title:
Elektroakustisches Bauelement
Kind Code:
B4


Abstract:

Elektroakustisches Bauelement
– mit einem Substrat aus einem Quarz-Einkristall, dessen erster Eulerwinkel λ, zweiter Eulerwinkel μ und dritter Eulerwinkel θ in den folgenden Bereichen liegen:
28° ≤ λ ≤ 32°, |μ – 90°| > 5° und 135° ≤ θ ≤ 160°.




Inventors:
Rösler, Ulrike, Dr. (85241, Hebertshausen, DE)
Riha, Evelyn, Dr. (83131, Nußdorf, DE)
Ruile, Werner, Dr. (80636, München, DE)
Application Number:
DE102006048879A
Publication Date:
04/17/2008
Filing Date:
10/16/2006
Assignee:
SnapTrack, Inc. (Calif., San Diego, US)
International Classes:



Foreign References:
64208152002-07-16
44006401983-08-23
50813891992-01-14
EP05606341993-09-15
EP08863751998-12-23
EP16596872006-05-24
Other References:
Pereira da Cunha, M.; Malocha, D.C.: Experimental and predicted SAW Temperature Behavior of Langatate. In: IEEE Ultrasonics Symposium 2000, Volume 1, 22 - 25.10.2000, Seiten 245 - 248
Attorney, Agent or Firm:
BARDEHLE PAGENBERG Partnerschaft mbB Patentanwälte, Rechtsanwälte, 81675, München, DE
Claims:
1. Elektroakustisches Bauelement
– mit einem Substrat aus einem Quarz-Einkristall, dessen erster Eulerwinkel λ, zweiter Eulerwinkel μ und dritter Eulerwinkel θ in den folgenden Bereichen liegen:
28° ≤ λ ≤ 32°, |μ – 90°| > 5° und 135° ≤ θ ≤ 160°.

2. Bauelement nach Anspruch 1,
– wobei gilt: 20° < |μ – 90°| < 55°.

3. Bauelement nach Anspruch 1,
– wobei gilt: λ = 30°, 25° < |μ – 90°| < 34° und
146° ≤ θ ≤ 153°.

4. Elektroakustisches Bauelement
– mit einem Substrat aus einem Einkristall-Quarz,
– für dessen ersten Eulerwinkel λ gilt: 5° ≤ λ ≤ 28°,
– für dessen zweiten Eulerwinkel μ gilt: 40° ≤ μ ≤ 140°, und
– für dessen dritten Eulerwinkel θ gilt: 135° ≤ θ ≤ 160°.

5. Bauelement nach Anspruch 4,
– wobei gilt: 7° ≤ λ ≤ 13°, 122° ≤ μ ≤ 128° und 137° ≤ θ ≤ 143°.

6. Bauelement nach Anspruch 4,
– wobei gilt: 5° ≤ λ ≤ 28°, 60° ≤ μ ≤ 75° und 147° ≤ θ ≤ 160°.

7. Bauelement nach Anspruch 6,
– wobei gilt: 14° ≤ λ ≤ 21°.

8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
– mit auf dem Substrat angeordneten Elektroden zur Anregung einer akustischen Welle mit der Wellenlänge λ0.

9. Bauelement nach Anspruche 8,
– wobei die Elektroden metallisches Aluminium enthalten.

10. Bauelement nach Anspruch 9,
– wobei der Gewichtsanteil von Aluminium mindestens 80% beträgt.

11. Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
– wobei die auf die Wellenlänge bezogene Höhe der Elektroden maximal 2,5% beträgt, und
– wobei die akustische Reflexion an den Elektroden mindestens 1% beträgt.

12. Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
– wobei die auf die Wellenlänge bezogene Höhe der Elektroden maximal 4% beträgt.

13. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
– bei dem der Betrag des quadratischen Temperaturkoeffizienten TCF2 den Wert von 2 × 10–8/K2 nicht übersteigt.

14. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
– das mindestens einen mit Oberflächenwellen arbeitenden Wandler oder Resonator umfasst.

Description:

Im Hinblick auf einen kleinen Temperaturgang der Frequenz vorteilhafte Kristallschnitte der Quarz-Einkristalle sind z. B. aus der Druckschrift US 2005/0127781 A1 bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement anzugeben, das neben einem geringen Temperaturgang der Frequenz auch relativ niedrige Verluste durch ungewollte Wellenabstrahlung aufweist.

Es wird ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement mit einem Substrat aus einem Quarz-Einkristall angegeben. Der Kristallschnitt des Substrats ist derart gewählt, dass auch unter Verwendung von relativ leichten Elektroden mit niedriger Höhe eine hohe akustische Reflexion > 1% und ein niedriger Temperaturgang < 25 ppb/K2 erzielt wird. Die Elektroden weisen in einer vorteilhaften Variante einen hohen Gewichtsanteil von Aluminium, z. B. mindestens 80% auf. Die auf die Wellenlänge bezogene Höhe der Elektroden ist vorzugsweise < 3,5%.

Der Temperaturgang der Frequenz f des elektroakustischen Bauelements kann durch eine Taylor-Reihe beschrieben werden: df/f = T0 + TCF1 ΔT + TCF2 (ΔT)2 + ...

df ist die temperaturbedingte Abweichung der Frequenz des Bauelements bei einer Temperaturdifferenz ΔT. Dies kann z. B. die Temperaturabweichung von Raumtemperatur bzw. einer vorgegebenen Referenztemperatur sein. Der Koeffizient TCF1 vor dem linearen Term dieser Reihe wird als linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient bezeichnet. Der Koeffizient TCF2 vor dem quadratischen Term dieser Reihe wird als quadratischer Temperaturkoeffizient bezeichnet. Die Kurve df/f ist im Wesentlichen eine Parabel. Der Parameter T0, der so genannter Temperatur-Umkehrpunkt, beschreibt die Lage des Extremums dieser Parabel.

Durch die nachstehend angegebenen Kristallschnitte gelingt es bei einem Quarz-Einkristall, trotz moderater Schichtdicke der Elektroden eine hohe Kopplung, eine gute akustische Reflexion und gleichzeitig einen kleinen Temperaturgang der Frequenz zu erzielen. Ein geringer Temperaturgang ist für ein elektroakustisches Bauelement von Vorteil, wenn die Anwendungen eine Stabilität der Frequenz über einen vorgegebenen Temperaturbereich fordern.

Das Bauelement kann insbesondere einen Resonator mit einem Wandler aufweisen, in dem die akustische Welle elektrisch anregbar ist. Ein Wandler weist i. d. R. ein Elektrodengitter auf. Die Elektroden sind dabei in etwa senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung angeordnete Metallstreifen. Der auf manchen Schnitten auftretende Beamsteering-Effekt kann durch leichtes Verkippen der Elektroden gegen die Ausbreitungsrichtung der Welle berücksichtigt werden. Der Wandler kann zwischen zwei akustischen Reflektoren angeordnet sein, die zum Lokalisieren der akustischen Welle im aktiven Bereich des Wandlers geeignet sind.

Metallstrukturen auf einem piezoelektrischen Substrat wie z. B. Quarz haben die Eigenschaft, eine sich ausbreitende akustische Welle zu reflektieren. Die Reflexionsstärke hängt u. a. von der Höhe und physikalischen Eigenschaften der Metallstrukturen sowie von den Eigenschaften des Substrats ab.

Bei einer relativ hohen Reflexion der Welle an einem einzelnen Metallstreifen können Reflektorstrukturen mit nur wenigen Metallstreifen verwendet werden, um die Wellenausbreitung außerhalb eines aktiven Bereichs des Bauelements größtenteils zu verhindern. Dies ist vorteilhaft im Sinne der Miniaturisierung des Bauelements.

Ein Kristallschnitt kann durch drei Euler-Winkel angegeben werden. Die Euler-Winkel sind nachstehend anhand von 1 erläutert. Der erste Euler-Winkel wird im Folgenden mit λ, der zweite Euler-Winkel mit μ und der dritte Euler-Winkel mit θ bezeichnet.

Für μ ∊ (μmin; μmax) gilt: θ ∊ (θmin; θmax). Die Grenzen eines zusammenhängenden vorteilhaften (μ, θ)-Bereichs lassen sich in einem (μ, θ)-Diagramm für gegebenes λ z. B. durch einen Polygonzug beschreiben.

Aufgrund der Kristallsymmetrie des Quarz-Einkristalls werden bei λ = 0° die Winkel θ und (180° – θ) bezüglich der im Weiteren behandelten Eigenschaften als äquivalent betrachtet. Bei λ = 30° werden die Winkel μ und (180° ± μ) als aquivalent betrachtet.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird ein elektroakustisches Bauelement mit einem Substrat aus einem Quarz-Einkristall und auf dem Substrat angeordneten Elektroden zur Anregung einer akustischen Welle mit der Wellenlänge λ0 angegeben. Die auf die Wellenlänge bezogene Höhe der Elektroden beträgt maximal 2,5%. Trotz der besonders niedrigen Höhe der Elektroden, die einen hohen Gewichtsanteil von relativ leichtem Aluminium enthalten, konnte bei geeigneten, nachstehend angegebenen Kristallschnitten eine hohe akustische Reflexion > 1% erzielt werden. Gleichzeitig weist dieses Bauelement einen gegenüber dem bekannten STX-Schnitt von Quarz verbesserten Temperaturgang auf, der weniger als 25 ppb/K2 beträgt.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird ein elektroakustisches Bauelement mit einem Substrat aus einem Einkristall-Quarz angegeben, dessen Eulerwinkel λ, μ und θ in den folgenden Bereichen liegen: –5° ≤ λ ≤ 5°, 20° ≤ μ ≤ 110° und 15° ≤ θ ≤ 45°. Insbesondere liegen die bevorzugten Eulerwinkel der Substratplättchen in der (μ; θ)-Ebene innerhalb eines Polygons, dessen Eckpunkte durch folgende Punkte P11, θ1) gegeben sind: (23°, 20°), (60°, 17°), (110°, 30°), (105°, 42°), (60°, 30°), und (23°, 25°).

Der Kristallschnitt mit λ = 0°, μ = (105 ± 4)° und θ = (37,25 ± 4)° wird als besonders vorteilhaft z. B. für die Elektrodenhbhe h/λ0 von ca. 1,5% bis 2,5% betrachtet. h ist die absolute Elektrodenhöhe.

Durch Rotation der Schnittebene verschiebt sich die Lage der Winkelbereiche mit bevorzugten Eigenschaften so, daß sich für Substrate mit dem Eulerwinkel λ ≠ 0 andere bevorzugte Bereiche ergeben. Dies wird nachstehend näher erläutert.

Gemäß einer dritten bevorzugten Ausfuhrungsform wird ein elektroakustisches Bauelement mit einem Substrat aus einem Einkristall-Quarz angegeben, dessen Eulerwinkel λ, μ und θ in folgenden Bereich liegen: 28° ≤ λ ≤ 32°, |μ – 90°| > 5° und 135° ≤ 0 ≤ 160°. Innerhalb dieses Bereiches werden die Kristallschnitte mit 25° < |μ – 90°] < 34° und θ = (149,5 ± 3,5)° als besonders vorteilhaft betrachtet, Der Kristallschnitt mit λ = 30°, μ = 119° und θ = 147,5° ist besonders vorteilhaft.

Gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform wird ein elektroakustisches Bauelement mit einem Substrat aus einem Einkristall-Quarz mit dem Eulerwinkel 5° ≤ λ ≤ 28° angegeben, bei dem μ und θ innerhalb von einem der folgenden Bereichen liegen:
20° < μ ≤ 110° und 10° ≤ θ < 45° bzw.
40° < μ ≤ 140° und 135° ≤ θ ≤ 160°,
wobei der Winkelbereich mit 14° ≤ λ ≤ 21°, 60° ≤ μ ≤ 75° und 147° ≤ θ ≤ 160° im Hinblick auf einen niedrigen Temperaturgang besonders vorteilhaft ist.

Im Folgenden sind beispielhafte Ausgestaltungen des Bauelements angegeben.

Auf dem Substrat sind Elektroden zur Anregung einer akustischen Welle mit der Wellenlänge λ0 angeordnet, die meist ein periodisches Elektrodengitter bilden.

Die Elektroden enthalten vorzugsweise Al oder eine Al-Legierung. Sie können z. B. mindestens eine Al-Schicht, aber auch weitere Schichten, insbesondere eine Cu-Schicht aufweisen. Auch andere Metalle sind für Elektroden geeignet.

Die Höhe der Elektroden kann z. B. bis zu 4% der Wellenlange betragen. Die auf die Wellenlänge bezogene Höhe der Elektroden beträgt in einer vorteilhaften Variante nicht mehr als 2,5%, wobei durch den ausgewählten Kristallschnitt an den Elektrodenkanten eine relativ hohe akustische Reflexion erzielt werden kann, die mindestens 1% beträgt.

Der Kristallschnitt, die Metallisierungshöhe der Elektroden und der Anteil der metallisierten Fläche im akustisch aktiven Bereich des Bauelements wird vorzugsweise so gewählt, dass der Temperatur-Umkehrpunkt T0 ungefähr bei Raumtemperatur, d. h. bei ca. 30°C liegt.

Der Anteil der metallisierten Fläche im akustisch aktiven Bereich des Bauelements beträgt vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,7, ist aber auf diesen Bereich nicht beschränkt.

Ein weiterer Vorteil der angegebenen Kristallschnitte besteht darin, dass damit ein relativ kleiner Wert des quadratischen Temperaturkoeffizient erzielt werden kann, dessen Betrag den Wert von 2 × 10–8/K2 nicht übersteigt, wobei der Koeffizient T0 ungefähr 30°C entspricht. Dies führt insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen –20°C und +80°C zu einem sehr geringem Frequenzgang mit der Temperatur.

Durch die vorteilhaften Schnittwinkelbereiche gelingt es, im elektroakustischen Bauelement einen relativ hohen elektroakustischen Kopplungskoeffizienten K zu erzielen, wobei gilt: K2 > 0,08%.

Das angegebene Bauelement ist insbesondere zur Anregung von akustischen Oberflächenwellen geeignet. Die Anregung von geführten akustischen Volumenwellen kommt aber auch in Betracht.

Es wurde festgestellt, dass sich bei λ = 0° Kristallschnitte des Quarz durch einen niedrigen TCF2 auszeichnen, die in einem Bereich liegen, der sich im (μ, θ)-Diagramm im Wesentlichen diagonal zwischen zwei Linien vom Punkt (30°, 20°) bis zum Punkt (150°, 55°) und vom Punkt (60°, 15°) bis zum Punkt (150°, 40°) erstreckt. Die Breite des Bereichs in θ-Richtung variiert und beträgt ca. 15° bis 20°. Dies gilt insbesondere für die Elektrodenhöhe h/λ0 bis 4%. Für andere Schichthöhen kann sich der Bereich um bis zu 10° in θ-Richtung verschieben.

Besonders vorteilhaft ist bei λ = 0° und h/λ0 von 1,5% bis 3,5% ein erster Schnittwinkelbereich mit μ zwischen 30° und 60° und θ zwischen 20° und 30° sowie ein zweiter Schnittwinkelbereich mit μ zwischen 60° und 110° und θ zwischen 23° und 45°. Bei ca. 2% der relativen Elektrodendicke kann im ersten und zweiten Schnittwinkelbereich eine akustische Reflexion von mehr als 0,75% erzielt werden.

Als Beispiele können für die relative Elektrodenhöhe h/λ0 = ca. 2% die folgenden Kristallschnitte genannt werden:
(0°; 70°; 25,25°) bzw. (0°; 70°; 154,75°),
(0°; 80°; 27,9°) bzw. (0°; 80°; 152,1°),
(0°; 90°; 31,25°) bzw. (0°; 90°; 148,75°),
(0°; 100°; 35,25°) bzw. (0°; 100°; 144,75°),
(0°; 105°; 37,25°) bzw. (0°; 105°; 142,75°), und
(0°; 110°; 39,1°) bzw. (0°; 110°; 140,9°).

Für λ = 0° wurde ein bevorzugter zusammenhängender Bereich gefunden, dessen Eckpunkte durch folgende Punkte P11, θ1) gegeben sind: (23°, 20°), (60°, 17°), (110°, 30°), (105°, 42°), (60°, 30°), und (23°, 25°).

Für λ > 0°, insbesondere 0° < λ ≤ 30°, wurde der folgende vorteilhafte Schnittwinkelbereich gefunden: 30° ≤ μ ≤ 160°; 135° ≤ θ ≤ 155°.

Beispielsweise wurde für den Kristallschnitt (10°, 125°, 140°) bei h/λ0 = 2% gefunden: TCF2 = –15 ppb/K2. Für den Schnitt (30°, 119°, 147,5°) wurde TCF2 = –17 ppb/K2 und für den Schnitt (20°, 68°, 150°) TCF2 = –19 ppb/K2 berechnet.

Die Euler-Winkel sind im Folgenden anhand von 1 erläutert.

Die Achsen des kristallphysikalischen Koordinatensystems (x, y, z) werden entlang der Kristall-Achsen (a, b, c) einer Elementarzelle des Einkristalls ausgerichtet. Der erste Euler-Winkel λ beschreibt eine Drehung des Koordinatensystems entgegen dem Uhrzeigersinn um die z-Achse, siehe 1. Das einmal gedrehte Koordinatensystem wird als (x', y', z) bezeichnet. Der zweite Euler-Winkel μ beschreibt eine Drehung des einmal gedrehten Koordinatensystems um die x'-Achse. Dabei geht man zum Koordinatensystem (x', y'', Z) über. Der dritte Euler-Winkel θ beschreibt eine Drehung des zweimal gedrehten Koordinatensystems um die Z-Achse. Die X-Achse des nun erhaltenen Koordinatensystems (X, Y, Z) ist in die als Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle vorgesehene Richtung ausgerichtet. Die akustische Welle breitet sich in der X, Y-Ebene aus, die auch als Schnittebene des Substrats bezeichnet wird. Die Z-Achse ist die Normale zu dieser Ebene.