Пьезоэлектрический кристаллический элемент

Пьезоэлектрический кристаллический элемент

Реферат

 

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: в области 0^o, в области 40-75^o, предпочтительно 50-60^o, и в области 0^o. Техническим результатом является повышение термостабильности. 2 c. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

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 = 0^o = 80,4^o и = 0^o. Далее из европейского патента EP 0144544 известна термокомпенсированная ориентация кристалла берлинита, плоская поверхность которого определена углами по Эйлеру = 0^o, около 94-104" и = 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 - 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 -, 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 в области 0^o, в области 40-75^o, предпочтительно 50-60^o, и 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 = 80-104^o/. Допуски для углов Эйлера и 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 = 90^o и = 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 в области 0^o, в области 90-130^o и 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 , и . 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 = = 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 . 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 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.

Формула изобретения

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 - в области 0^o, - в области от 40 до 75^o и - в области 0^o.

2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что значение угла 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 - в области 0^o, - в области от 90 до 130^o и - в области 0^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3