КРИСТАЛЛ ТАНТАЛАТА ЛИТИЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ, УСТРОЙСТВО, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЕ ЕГО, И СПОСОБЫ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК H03H9/00 H03H9/02 H01L41/08 

Изобретение касается оптимальной ориентации распространения акустической волны в кристалле танталата лития, используемого в устройствах на поверхностных акустических волнах (ПАВ), включая природные однофазные однонаправленные преобразователи. Устройства на ПАВ используются в различных применениях, включая импедансные элементы, резонаторы, фильтры со связанными резонаторами, трансверсальные фильтры и т.п.

В технике поверхностных акустических волн для обработки сигналов создано большое количество устройств, которые обычно используются в диапазаоне очень высоких частот. К ним относятся фильтры, резонаторы, линии задержки, конвольверы, импедансные элементы и другие типы устройств. В технике хорошо известны способы изготовления таких устройств, обычно содержащих встречно-штыревые электроды.

Ориентация распространения поверхностной акустической волны для любого данного кристалла полностью определяется углами Эйлера: λ,μ, Θ Первые два угла (λ и μ) определяют срез кристалла, а третий угол Θ определяет направление распространения акустической волны для этого среза. Таким образом, ориентация распространения акустической волны в кристалле определяется конкретным набором всех трех углов Эйлера (см. Holstein, H. Classical Machanics, New York, 1950 (Addison-Wesley).

При определении нужных срезов в кристалле устройств на ПАВ раньше стремились найти такую ориентацию кристалла, при которой имела место хорошая связь между напряжением на электродах и акустической волной в самом кристалле, незначительное управление лучом и хорошая температурная стабильность. Этот критерий был использован для получения теоретическим путем таблиц свойств ПАВ при различной ориентации различных материалов, обеспечивающих распространение ПАВ и конкретных срезов кристалла, представляющих интерес (см. Slobodnik et al. Microwave Acoustic Handbook IA and 2, Air Force Cambridge Research Labc, October, 1973 and October 1974).

Известен природный однофазный однонаправленный преобразователь (The Natural Single Phase Unidirectional Transducer, A New Low Loss SAW Structure, 1985 Ultrasonica Sympocium Proceedings, р. 58-63).

Установлено, что путем выбора срезов кристалла с использованием дополнительного критерия можно обеспечить однонаправленность в преобразователях ПАВ, применяя два электрода на длину волны. Однонаправленность является прямым результатом введения разделения центров преобразования и отражения. Нужное разделение (см. патент США N 4599587) составляет 45^о. В патенте США N 4670681 раскрыт срез кристалла кварца, применимый в натуральном однофазном однонаправленном преобразователе. В патенте США N 4670680 раскрыт второй срез кристалла кварца, пригодный для применения в натуральном однонаправленном преобразователе.

Авторами изобретения обнаружено, что кристалл танталата лития, имеющий срез, определяемый углами Эйлера λ около 0^о, μ, около 90^о и Θ примерно плюс 141,25^о, т. е. неизвестную до сих пор ориентацию, обеспечивает получение описанных выше преимуществ при размещении электродов на кристалле танталата лития. Кроме того, предложенный срез кристалла сочетает в себе критерий, принципиально важный при создании натурального однофазного однонаправленного преобразователя с увеличенной связью между потенциалом на электродах и поверхностными волнами в кристалле. Это преимущество, заключающееся в увеличении связи, позволяет создавать устройства на ПАВ с относительной шириной полосы частот большей, чем те, которые могут быть реализованы с использованием срезов кристалла, описанных в патентах США N 4679680 и 467681. Это также позволяет создавать конструкцию с двумя электродами на длину волны с требуемой симметричной функцией входной активной проводимости и плоской областью реактивной проводимости (см. патент США N 4599587).

Целью изобретения является создание кристалла танталата лития, имеющего существенно плоскую поверхность, определяемую углами Эйлера λ примерно 0^о и μ примерно 90^о, и направление распространения, определяемое углом Θ равным примерно плюс 141,25^оС, что обеспечивает преимущества по сравнению с известными срезами кристалла. Эти преимущества заключаются в разделении центров преобразования и отражения примерно на 45^о, а также в улучшенной связи между потенциалом на электродах и волнами в кристалле.

Также целью изобретения является создание устройства на ПАВ, содержащего взаимно гребенчатые электроды на плоской поверхности кристалла танталата лития, определяемой углами Эйлера λ равным примерно 0^о, и μ равным примерно 90^о, и направлением распространения, определяемым углом Эйлера Θ равным примерно плюс 141,25^о, имеющего однонаправленную характеристику распространения волны.

Целью изобретения является также создание кристалла с углами Эйлера λ равным примерно 0^о, μ, равным примерно 90^о, и Θ, равным примерно плюс 141,24^о, в форме пластины, для создания устройств на ПАВ.

На фиг. 1 показаны углы Эйлера для предложенного среза кристалла танталата лития с углами Эйлера λ равным примерно 0^о и μ равным примерно 90^о, и углом Эйлера Θ определяющим направление распространения, равным плюс 141,25^о; на фиг. 2 встречно-штыpевой пpеобpазова-тель ПАВ, общий вид, на описанном срезе кристалла танталата лития с указанными углами Эйлера.

Новый срез кристалла танталата лития с углами Эйлера λ равным примерно 0^о, и μ, равным примерно 90^о, и углом напpавления распространения Θ равным примерно плюс 141,25^о, обеспечивает улучшение характеристик устройств на ПАВ. В частности, новый срез кристалла позволяет создать разделение между центрами преобразования и отражения примерно 45^о. Это разделение позволяет реализовать устройства на ПАВ, использующие натуральные однофазные однонаправленные преобразователи с более широкими полосами частот, чем у ранее описанных сpезов кристаллов кварца (см. патенты США N 4670680 и 4670681).

Существуют различные типы подложек из кpисталла танталата лития, обычно выполненных в фоpме пластин, которые представляют собой тонкие срезы, имеющие две существенно плоские поверхности, пpичем по меньшей мере одна из плоских повеpхностей представляет собой срез конкретной ориентации, что обеспечивает получение требуемых свойств, включая температурную стабильность частоты и задержки, скорость, коэффициент связи и т.п. Поверхность кристалла, на которой должны находиться электроды, выполняется плоской и гладкой перед размещением на ней электродов.

Устройства на ПАВ имеют различное применение, включая импедансные элементы, резонаторы, фильтры со связанными резонаторами и т.п. Важно, чтобы кристалл имел такой срез, чтобы была хорошая связь между напряжением на электродах и акустическими волнами в самом кристалле. Ориентация распространения ПАВ для любого данного кристалла полностью определяется углами Эйлера λ μ и Θ Углы λ и μ определяют срез кристалла, а угол Θ направление распространения акустической волны в этом срезе. Таким образом, ориентация распространения акустической волны в кристалле определяется конкретным набором углов Эйлера. Различные свойства распространения ПАВ проявляются при использовании различных материалов, обеспечивающих распространение ПАВ, и выборе конкретных срезов кристаллов, представляющих интерес. Эти свойства включают в себя скорость, коэффициент связи, величину угла и фазу потока электромеханической мощности механических деформаций свободной поверхности и электрический поверхностный потенциал, а также температурный коэффициент задержки, отклики паразитных объемных волн, характеристики дифракции, диэлектрические постоянные и т.п.

На фиг. 1 показан кристалл танталата лития, имеющий поверхность, определяемую углами Эйлера λ равным примерно 0^о, μ, равным примерно 90^о, и Θ равным примерно от плюс 130^о до 150^о, предпочтительно 141,25^о. Срез кристалла определяется с использованием всех трех углов Эйлера следующим образом. Первый угол λ определяется положительным поворотом, т.е. по правилу правой руки (относительно оси Z) с получением новых осей Х'Y' и Z'. Для показанного среза λ составляет 0^о, а поэтому новые оси Х',Y' и Z' являются теми же, что и первоначальные оси Х, Y и Z. Второй угол μ определяется положительным поворотом относительно оси Х', приводящим к получению новых осей Х",Y"и Z". Для показанного среза μ составляет 90^о, а поэтому новые оси X",Y" и Z" являются теми же, что и первоначальные оси соответственно Х',Y' и Z'. Третий угол Θ определяется поворотом относительно оси Z", что приводит к получению осей Х''', Y''' и Z'''. Для показанного среза Θ составляет 141,25^о, а новая ось Z''' является той же самой, что и ось Z". Направление распространения определения определяется углами Эйлера в направлении оси Х.

На фиг.2 показана пластина 1 кристалла танталата лития с новой ориентацией распространения акустической волны на срезе примерно плюс 141,25^о и в качестве примера, преобразователь с двумя электродами 2 на длину волны, размещенный на плоской поверхности 3 кристалла для реализации предложенного устройства на ПАВ, имеющего характеристики однонаправленного распространения колебаний. Однонаправленное устройство, получено вырезанием пластины 1 с углами Эйлера λ равным примерно 0^о, μ, равным примерно 90^о, и Θ равным примерно 141,25^о, из кристалла танталата лития, полирования поверхности этой пластины до получения существенно плоской поверхности и нанесения двух металлических встречно гребенчатых электродов 2 на длину волны на плоскую поверхность 3 пластины. Такой преобразователь на предложенном срезе кристалла имеет симметричную функцию активной проводимости и может иметь плоскую область реактивной проводимости. Получение такой характеристики обусловлено тем, что разделение центров преобразования и отражения при новой предложенной ориентации среза составляет примерно 45^о, что характеризует собой требуемое разделение.

Таким образом, кристалл танталата лития, выполненный по изобретению, имеет существенно плоские поверхности, определяемые конкретными углами Эйлера, включая угол λ равный примерно 0^о, и угол μ равный примерно 90^о, при направлении распространения, определяемом углом Θ равным примерно от плюс 130^о до плюс 150^о (оптимально примерно плюс 141,25^о). Новая ориентация позволяет получить хороший коэффициент связи между напряжением на электродах, размещенных на кристалле, и акустическими колебаниями в самом кристалле, обеспечивает слабое управление лучом и хорошую температурную стабильность, а также обеспечивает создание однонаправленного преобразователя.

Предусматривается, что изобретение охватывает все альтернативы, модификации и эквиваленты, которые могут быть включены в его объем, определяемый формулой изобретения. Например, ввиду симметрии кристалла срез танталата лития, определяемый углами Эйлера ( λ,μ,Θ ), равными примерно 0^о, 90^о, 141,25^о на практике является эквивалентным семи дополнительным срезам кристалла танталата лития с углами соответственно (0^о, +90^о, -141,25^о), (0^о, -90^о, +141,25^о), (0^о, -90^о, +141,25^о), (0^о, -90^о, -141,25^о), 0^о, +90^o, +38,75^о), (0^о, +90^о, -38,75^о), (0^о, -90^о, +38,75^о) и (0^о, -90^о, -38,75^о). Кроме того, эти модификации должны включать в себя вариации углов Эйлера относительно указанных величин, которые могут быть определены специалистами.

Кристалл танталата лития, определяемый углами Эйлера - λ равным примерно 0^o, и m равным примерно 90^o, и углом q направления распространения колебания в диапазоне от +130^o до +150^o и предпочтительно равным 141,25^o, за счет чего получаются уникальные устройства поверхностной акустической волны. 6 с. и 6 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Кристалл танталата лития, предназначенный для распространения акустической волны, имеющей существенно плоскую поверхность, определяемую углами Эйлера λ и μ и углом Эйлера q, определяющим направление распространения акустической волны, отличающийся тем, что угол λ выбран равным примерно 0^o, углом m- равным примерно 90^o, а угол θ- равным от +130^o до +150^o, или их эквивалентными значениями. 2. Кристалл танталата лития по п.1, отличающийся тем, что угол θ предпочтительно равен примерно +141,25^o. 3. Однонаправленное устройство на поверхностных акустических волнах, содержащее встречно-гребенчатые электроды на плоской поверхности кристалла танталата лития, отличающееся тем, что для получения однонаправленного распространения волны ориентация плоской поверхности кристалла танталата лития определена углами Эйлера l, равным 0^o μ равным примерно 90^o, и углом Эйлера q, определяющим направление распространения акустической волны, равным от +130 до +150^o, или их эквивалентными значениями. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что кристалл танталата лития выполнен в форме пластины. 5. Кристалл для распространения акустической волны, содержащей тонкую пластинку из танталата лития, отличающийся тем, что ориентация кристалла относительно оси Z указанной пластинки определяется углом λ, примерно равным 0^o, и относительно оси X указанной пластинки углом μ, примерно равным 90^o, и углом θ распространения акустической волны, равным от +130^o до +150^o, или их эквивалентными значениями. 6. Кристалл для распространения акустической волны по п.5, отличающийся тем, что угол q предпочтительно равен примерно +141,25^o или его эквивалентному значению. 7. Способ изготовления кристалла танталата лития для распространения акустической волны, включающий формирование среза кристалла танталата лития, имеющего существенно плоскую поверхность, отличающийся тем, что ориентацию плоской поверхности кристалла определяют углами Эйлера l, равным примерно 0^o, и μ, равным примерно 90^o, и углом Эйлера θ, определяющим направление распространения акустической волны, равным примерно от +130 до +150^o, или их эквивалентными значениями. 8. Способ изготовления кристалла танталата лития по п.7, отличающийся тем, что угол θ, определяющий направление распространения акустической волны, выбирают предпочтительно равным 141,25^o или его эквивалентному значению. 9. Способ изготовления однонаправленного устройства на поверхностных акустических волнах, включающий формирование кристалла танталата лития, имеющего существенно плоскую поверхность, и размещение на указанной поверхности встречно-гребенчатых электродов, отличающийся тем, что для получения однонаправленного распространения волны формирование кристалла танталата лития осуществляют с ориентацией кристалла, определяемой углами Эйлера λ, равным примерно 0^o, и μ, равным примерно 90^o, и углом θ, равным от +130^o до +150^o или им эквивалентными значениями, а размещение встречно-гребенчатых электродов на указанной плоской поверхности осуществляют для обеспечения распространения акустических колебаний в направлении, определяемом углом θ, равным примерно от +130 до +150^o или его эквивалентному значению. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что он включает изготовление указанного кристалла в форме пластины. 11. Способ изготовления среза кристалла, включающий формирование кристалла из тонкой пластинки танталата лития, предназначенного для распространения акустической волны, отличающийся тем, что осуществляют поворот ориентации кристалла указанной пластинки относительно оси Z указанной пластинки на угол λ, равный примерно 0^o, и относительно оси X указанной пластинки на угол μ, равный примерно 90^o, а направление распространения акустической волны в кристалле определяют значением угла θ, равным примерно от +130 до +150^o, или их эквивалентными значениями. 12. Способ изготовления среза кристалла по п.11, отличающийся тем, что угол θ выбирают предпочтительно равным примерно 141,25^o или его эквивалентному значению.