ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1999 года по МПК H03H9/25 H01L41/00 H01L41/16 

Изобретение относится к пьезоэлектрическому элементу, содержащему кристалл с по меньшей мере одной, в основном плоской плоскостью для акустического использования поверхностных волн.

Акустические поверхностные волны /AOW/ на пьезоэлектрике применяются в многочисленных конструктивных элементах для обработки сигналов. Эти применения в области YHF (ВУ) и UHF(УКВ) охватывает фильтры, осцилляторы, линии задержки, конвольверы и различные виды датчиков. Важнейшими критериями качества конструктивных элементов для AOW, зависящими соответственно от используемой подложки, является термостабильность времени прохождения или средней частоты, низкое вносимое затухание /ослабление сигналы благодаря вмонтированию конструктивного элемента в тракт сигнала/, а также высокое значение ширины полосы пропускания. Оба последних критерия могут быть выполнены совместно лишь с помощью высокого значения пьезоэлектрической связи. Температурный коэффициент времени прохождения получается из разницы температурных коэффициентов скорости волн и длины пути. Если оба взаимно уничтожаются, то говорят о термокомпенсированном сечении. Подобные сечения могут быть реализованы лишь для немногих материалов.

В качестве материала подложки используются в основном ST-кварц и ниобат лития. Первый обладает высокой термостабильностью, но слабой пьезоэлектрической связью. Напротив, ниобат лития имеет очень высокое значение связи, однако время прохождения очень сильно увеличивается с температурой. В качестве компромиссного решения между обоими требованиями используют также танталат лития, термостабильность, однако, также и здесь слишком мала для многих случаев применения.

Поиск материалов, в которых высокая пьезоэлектрическая связь соединяется с остаточной термостабильностью, дал в качестве наиболее интересных материалов берлинит /AlPO₄/ и тетраборат лития / Li₂B₄O₇/. Оба материала имеют более высокое значение связи, чем кварц, и обладают соответственно сечениями с исчезающими, обращающимися в нуль температурными коэффициентами времени прохождения. Второй /квадратичный/ температурный коэффициент, однако, в каждом случае более чем на порядок величин выше, чем в JT - кварце. Оба субстрата поэтому едва имели успех.

В патенте США US-PS 4109172 предлагают, например, термокомпенсированную полупроводниковую пластину /Kafer/ из берлинита в качестве элемента для поверхностных волн, поверхность которой определена углами Эйлера λ = 0^o μ = 80,4^o и θ = 0^o. Далее из европейского патента EP 0144544 известна термокомпенсированная ориентация кристалла берлинита, плоская поверхность которого определена углами по Эйлеру λ = 0^o, μ около 94-104" и θ = 0^o.

Прежние варианты выполнения касались стандартного диапазона температур для применения в военных или коммерческих целях. Еще сильнее выражена недостаточность пригодных материалов для высокотемпературной области от 100 до 900^oC, так как термостабильность кварца и берлинита при повышенных температурах значительно ухудшается. Верхний предел их применимости определяет фазовый переход α-β при температурах 573^oC и 588^oC. Этот диапазон может быть, однако, интересен для сенсорных устройств, так как, с одной стороны, некоторые области применения находятся в этом диапазоне температур, а с другой стороны, время срабатывания химических чувствительных элементов на основе акустических поверхностных волн сильно снижается с температурой.

Как уже описано в европейском патенте EP-A 0060112, другие кристаллы 32-го класса точечной симметрии с суммарной химической формулой ABO₄ обладают значительно более высокой термостойкостью в отношении важных физических свойств. Например, низкотемпературная форма ортофосфата галлия /GaPO₄/, которая является гомеотипичной кварцу и изотипичной берлиниту, в противоположность им не проявляет фазового перехода α-β, является стабильной до 930^oC. Термокомпенсированная ориентация для резонаторов с более высокой пьезоэлектрической связью, чем у кварца, описана, например, в AP-PS 390853. Разумеется, эти ориентации непригодны для использования акустических поверхностных волн.

Задачей изобретения является предложить пьезоэлектрические элементы на кристаллах для акустических применений поверхностных волн, которые по своей термостабильности превосходили бы прежние материалы, и эта термостабильность, по возможности, сохранялась бы также при высоких температурах.

Согласно изобретению, эта задача решается благодаря тому, что кристалл состоит из GaPO₄ и плоская поверхность определена углами Эйлера λ в области 0^o, μ в области 40-75^o, предпочтительно 50-60^o, и θ в области 0^o. Оптимальная термокомпенсированная область угла сечения в целях использования AOW для кристаллов GaPO₄ расположена неожиданным образом явно вне области, полученной для подобного, исследованного в этой взаимосвязи материала берлинита /углы Эйлера μ = 80-104^o/. Допуски для углов Эйлера λ и θ составляют примерно ± 5^o.

В качестве другого преимущества элемента на кристалле согласно изобретению следовало бы выделить, что произведение длины периода гибридного цифрового преобразователя и средней частоты системы поверхностных волн находится в пределах между 2250 и 2400 мкм - Мгц. Это произведение ясно ниже, чем для кварца и берлинита и позволяет поэтому при той же средней частоте создать более компактное и требующее меньше материала устройство.

Наружная поверхность кристалла, на которой установлена электронная схема, например гибридный цифровой преобразователь, выполнена гладко полированной, в то время, как другие поверхности выполнены менее тщательно, а при некоторых обстоятельствах им даже придается шероховатость для снижения влияния отражения объемных волн, и может быть выполнена не совсем параллельно по отношению к другим плоскостям. В частности также возможно, чтобы кристалл имел форму пластины из полупроводника. Толщина и контур пластины при этом не играет большой роли.

В другом варианте выполнения изобретения предусмотрено, что кристалл является составляющей частью химического датчика и полностью или частично покрыт чувствительным слоем. При этом чувствительный слой может быть термостойким до 900^oC и поэтому может подвергаться нагреву без проблем.

Далее получается, что в GaPO₄ область максимальной пьезоэлектрической связи между μ = 90^o и μ = 130^o, в противоположность берлиниту, имеет высокий температурный коэффициент частоты. Поэтому моно создать датчик температуры на базе кристалла из GaPO₄, причем плоская поверхность кристалла определена углами Эйлера λ в области 0^o, μ в области 90-130^o и θ в области 0^o.

На фиг. 1 показано положение пьезоэлектрического элемента согласно изобретению, в кристалле из GaPO₄; на фиг. 2 показан элемент на кристалле согласно изобретению с акустическим фильтром поверхностных волн; на фиг. 3 - химический датчик на базе пъезоэлектрического элемента по фиг. 2 в схематическом изображении.

Ориентация пьезоэлектрического элемента 1 в кристалле из GaPO₄ 2 определяется тремя углами Эйлера λ, μ и θ. Они обозначают углы, на которые система координат x', y', z', оси которой вначале совпадают с тремя осями кристалла x, y, z, поворачивается друг за другом вокруг его третьей, первой и третьей оси. При этом первая ось x' повернутой системы определяет направление скорости фаз AOW, а третья ось Z' - нормаль на поверхность 3 элемента 1. В так называемых X - Булевских сечениях, к которым относятся также сечения согласно изобретению, направление скорости фаз из-за λ = θ = 0^o совпадает с осью x'. Так как она для GaPO₄ является двузначной кристаллографической осью симметрии, то групповая скорость также лежит в направлении x' и ее величина имеет там экстремальное значение. Это приводит к двум благоприятным свойствам: во-первых, это не приводит к скошенному ходу потока /beam sbegring/, а во-вторых приводит к незначительной чувствительности к ошибочной ориентации относительно θ.
Тот факт, что здесь речь идет о просто повернутом сечении, облегчает ориентацию и размера элемента кристалла, особенно в случае массового производства.

Изобретение моно использовать для многочисленных электронных устройств в области частот от 30 МГц до 3 ГТц. Простым примером является поперечный фильтр /фиг. 2/. При этом на плоскую поверхность 3 пьэзоэлектрического кристаллического элемента 1 наносятся два гибридных цифровых преобразователя 1e, 1a. Электрический сигнал на входном преобразователе 1e с помощью пьезоэлектрической связи возбуждает в субстрате акустическую поверхностную волну. Она движется вдоль поверхности 3 к выходному преобразователю 1a и вызывает там электрический выходной сигнал. Путем варьирования преобразователя можно оптимизировать пропускательную способность фильтра.

Другое возможное выполнение изобретения относится к химическому датчику на базе AOW. Такое устройство показано, к примеру, на фиг. 3 в виде эскиза. При этом поверхность между или в области преобразователей 1a, 1e покрыта селективно абсорбирующим слоем 4. Измеряемая частота М и получающаяся в опорном устройстве /преобразователи 1e, 1a и опорный слой 4'/ опорная частота R направляются в устройство для обработки сигнала 5, где получают разностную частоту D в качестве собственно измеренного сигнала. Благодаря обусловленному абсорбцией массовому заряду поверхности, изменяется сдвиг фаз между входным и выходным сигналом. С помощью схемы осциллятора можно таким образом измерить концентрацию, например, газов. Благодаря высокой термостабильностью GaPO₄ модно использовать такой датчик на этом субстрате при температурах до 900^oC или подогревать до такой температуры.

Для снижения затухания волн и колебаний параметров дает преимущества применение богатого зонами кристаллического материала предпочтительно из зоны роста плоскости /COOl/ слитка сырого кристалла 2. Кроме того, инфракрасное поглощение в диапазоне длины волны 3 мкм, которое представляет меру концентрации мест помех OH, должно быть по возможности незначительным.

В зависимости от диапазона температур следует так выбирать угол μ внутри нагруженной области, чтобы зависимость от температуры времени прохождения или средней частоты была по возможности незначительной. Наиболее важными областями являются нормальные области для промышленных /20-85^oC/ и военных /55-125^o/ спецификациий, а также другие области вплоть до высоких температур применения датчиков, например 20-900^oC. Предпочтительно при этом, чтобы разница между максимальным и минимальным значением времени прохождения в интересующей области температур при выбранном угле была минимальной.

Уже известны AOW элементы, средняя частота которых проявляет четкую зависимость от температуры, так что тем самым можно выполнить температурные датчики (Ф.Меллер, и Дж.Кун, Датчики и актуаторы А, 30 /1992/ 73-75), с помощью применения GaPO₄ в качестве подложки и углов сечения, приведенных в п. 6 формулы изобретения возможно расширение диапазона измерений предпочтительно до 900^oC.

Для акустических систем поверхностных волн используют термокомпенсированные пьезоэлектрические кристаллические элементы с по меньшей мере одной плоской поверхностью. Элемент кристалла состоит из GaPO₄ и его плоская поверхность определена углами Эйлера: λ в области 0^o, μ в области 40-75^o, предпочтительно 50-60^o, и θ в области 0^o. Техническим результатом является повышение термостабильности. 2 c. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Пьезоэлектрический кристаллический элемент с по меньшей мере одной плоской поверхностью, отличающийся тем, что кристалл 1 состоит из GaPO₄ и плоская поверхность 3 определена углами Эйлера λ - в области 0^o, μ - в области от 40 до 75^o и θ - в области 0^o. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что значение угла μ лежит в области, предпочтительно от 50 до 60^o. 3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что предусмотрены гибридные цифровые преобразователи, причем, произведение длины периодов гибридных цифровых преобразователей 1а, 1е и средней частоты распространения поверхностных волн лежит между 2250 и 2400 мкм • МГц. 4. Элемент по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что кристалл 1 имеет форму пластины из полупроводника. 5. Элемент по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что кристалл 1 является составляющей частью химического датчика, и полностью или частично покрыт чувствительным слоем 4. 6. Элемент по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что чувствительный слой 4 покрыт контрольным слоем 4'. 7. Элемент по п.4, отличающийся тем, что чувствительный слой 4 обладает термостойкостью до 900^oC. 8. Пьезоэлектрический кристаллический элемент с по меньшей мере одной плоской поверхностью, отличающийся тем, что кристалл 1 состоит из GaPO₄ и поверхность 3 определена углами Эйлера λ - в области 0^o, μ - в области от 90 до 130^o и θ - в области 0^o.