высокочастотный пьезоэлемент

Формула изобретения

1. Высокочастотный пьезоэлемент для устройств, работающих на основной моде колебаний сдвига по толщине, включающий ориентированную относительно кристаллофизических осей монолитную профилированную пьезоэлектрическую пластину с утонченной вибрирующей областью, расположенной между электродами, и контактные площадки на противоположных сторонах пластины, отличающийся тем, что пластина имеет форму многогранника с вертикальным сечением Т- или Г-образной формы, при этом утонченная вибрирующая область ограничена первой парой главных плоскостей (XZ), а контактные площадки расположены на второй паре главных плоскостей (XZ).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толщина утонченной вибрирующей области составляет величину из диапазона 2-30 мкм.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к радиоэлектронике, в частности, касается пьезотехники, и может быть использовано в пьезоэлектронной промышленности, выпускающей резонаторы, генераторы, фильтры и другие приборы, работающие на объемных акустических волнах в диапазоне частот от 50 до 1000 МГц.

Работа таких приборов основана на использовании пьезоэлектрического эффекта, связанного с преобразованием механических напряжений пьезоэлектрического кристалла в электрический сигнал, снимаемый с противоположных граней кристалла, и наоборот. Для того чтобы снять электрический сигнал или, наоборот, приложить к кристаллу на противоположных гранях кристалла формируют электроды. Такие приборы находят широкое применение в средствах связи, таких как сотовые телефоны, пейджеры, радио, в высокочастотной технике, компьютерной технике, приборостроении, средствах дистанционного управления.

Быстрое распространение проводных и беспроводных систем связи, массовый серийный выпуск такой аппаратуры, как мобильный телефоны и базовые станции, ведут к увеличению требований, предъявляемых к качеству и стоимости производимых приборов. Растет спрос на пьезоэлектрические элементы, имеющие меньшие габаритные размеры и большую стабильность частоты. Эти элементы, кроме того, должны быть более надежными, дешевыми и иметь меньшие сроки их изготовления. Фактически во всех видах электронного оборудования - проводных и беспроводных системах связи требуется снижение габаритов. Размер корпуса прибора напрямую зависит от типа и размеров пьезоэлектрического элемента. Небольшие размер, простота и идентичность форм элемента обеспечивают миниатюрность пьезоэлектрических устройств, определяют возможность применения групповых (массовых) технологических процессов формообразования.

Ввиду загруженности диапазона низких частот в настоящее время возросла потребность в производстве средств связи для работы в области высоких частот. Для многих современных систем, таких как сотовые системы связи и синхронные оптические сети (SONET), которые работают на частотах от сотен до тысяч МГц, необходимы резонаторы и генераторы, имеющие на много большие резонансные частоты, чем в традиционном оборудовании, что, в свою очередь, приводит к необходимости уменьшения толщины пьезоэлемента. Другим требованием является то, что эти более высокочастотные компоненты должны работать главным образом с сигналом основной частоты, а не с его кратными гармониками, поскольку с ростом номера гармоники увеличивается динамическое сопротивление и индуктивность, при этом уменьшается диапазон перестройки рабочей частоты.

Обычные методы механической обработки (шлифовка и полировка) не позволяют создать надежный технологический процесс формирования сверхтонких кристаллических элементов для ВЧ и СВЧ резонаторов, так как происходит разрушение на операциях механической обработки, формирования металлизации и при монтаже.

Для удовлетворения этих требований промышленность производит кристаллы по технологии инвертированных мезаструктур с применением методов ионно-плазменного или жидкохимического травления (PCT/US 98/02203, кл. Н 03 Н 9/00, 1998, а также S.A.Sakharov teal. "HF lambaste monolithic filters for GSM standard" 11-th European frequency and time forum, Neufchatel, Switzerland, 4-6 March 1997). Использование известных в микроэлектронике технологических процессов прецизионного формирования пьезоэлементов в виде монолитной пьезоэлектрической пластины с ультратонкой (вибрирующей) областью и окружающей ее по периферии более толстой областью (так называемый буртик) с применением методов ионно-плазменного или жидкохимического травления позволили решить задачу формообразования сверхтонких кристаллических элементов.

Известны высокочастотные пьезорезонаторы с пьезоэлектрическими элементами, выполненными в виде инвертированной мезаструктуры и представляющие собой монолитную структуру с утонченной центральной частью (активная вибрирующая зона) и более толстым окружающим ее буртиком (FR 2577362, кл. Н 03 Н 9/19, 1985 г.).

К пьезоэлементам с инвертированной мезаструктурой предъявляются жесткие требования по соотношению диаметра пластины и толщины ультратонкой активной (вибрирующей) части пластины. Технология инвертированных мезаструктур позволяет создать пьезоэлемент с толщиной активной зоны порядка 16,6 мкм и повысить частоту до 100 МГц (US 2694677, кл. 310-9,6, 1972 г.) Частотная характеристика описанного пьезоэлемента имеет ряд паразитных всплесков, и сопротивление такого пьезоэлемента составляет порядка нескольких десятков Ом.

Формирование сплошного буртика на пьезоэлементе в форме инвертированной мезаструктуры связано с такими технологическими проблемами, как сложность изготовления масок, обеспечивающих равномерное по толщине защитное покрытие; наличие паразитных резонансов и неидентичное от образца к образцу динамическое сопротивление; нерегулярные температурно-частотные характеристики; низкая долговременная стабильность частоты. Объясняется это наличием остаточных механических напряжений в рабочей области пьезоэлемента, а также сложностью удаления продуктов реакции при травлении пьезоэлектрической пластины.

Известен высокочастотный пьезоэлемент, представляющий собой круглую профилированную пластину пьезоэлектрика с утонченной центральной частью и окружающим эту часть по периферии пластины буртиком, выполненным с разрывом (RU 2099858, кл. Н 03 Н 9/02, 1997 г.). Известный пьезоэлемент в виде инвертированной мезаструктуры представляет собой монолитную структуру, центральная вибрирующая (рабочая) часть которой намного тоньше окружающего ее буртика, при этом буртик выполнен с разрывом, ширина которого составляет 20-400 толщин утонченной вибрирующей части пьезоэлемента.

Наличие разрыва в буртике позволяет упростить процесс нанесения защитного покрытия из меди, никеля, золота и уменьшить напряжение в тонкой вибрирующей части пьезоэлемента. Однако разброс в величинах динамического сопротивления, температурно-частотных характеристиках резонансного спектра и долговременной стабильности остается большим. Это объясняется тем, что известная конструкция пьезоэлемента не обеспечивает удаление продуктов реакции травления, которые вызывают неоднородность обработки рабочей поверхности элемента за счет маскирующего эффекта. Известная конструкция также не обеспечивает необходимой точности ориентации относительно кристаллографических осей Z и Х мест крепления элемента в держатель при монтаже, при этом не достигается существенное уменьшение напряжений в утонченной центральной части пьезоэлемента. Кроме того, использование пластин круглой формы увеличивает себестоимость элементов за счет большого расхода материала при их изготовлении из пластин прямоугольной формы.

Известен пьезоэлектрический элемент, имеющий топологию инвертированной мезаструктуры с рабочей областью прямоугольной формы, контактные площадки и возбуждающие электроды на главных гранях рабочей области (RU 2047267, кл. Н 03 Н 9/15, 1995 г.). Известный элемент выполнен в виде монолитной профилированной пластины так, что толщина зоны, окружающей рабочую вибрирующую область элемента, превышает толщину рабочей зоны. Известный пьезоэлемент выполнен с применением методов фотолитографии и травления. Толщина рабочей области пьезоэлемента порядка 50 мкм при толщине окружающей ее области не менее 80 мкм для диапазона частот порядка 2 МГц. Элемент крепится в держателе резонатора в любой части. На противоположных сторонах пластины сформированы металлические пленочные электроды.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является высокочастотный пьезоэлемент для устройств, работающих на основной моде колебаний сдвига по толщине, включающий ориентированную относительно кристаллофизических осей профилированную пьезоэлектрическую пластину с утонченной вибрирующей областью, расположенной между электродами, и контактные площадки на противоположных сторонах пластины (PCT/JP 91/00615, кл. Н 03 Н 9/13, 1991 г.). Известный высокочастотный пьезоэлектрический элемент имеет топологию инвертированной мезаструктуры и выполнен в форме профилированной прямоугольной пьезоэлектрической пластины с ультратонкой вибрирующей частью и окружающей ее по периферии утолщенной областью, называемой "буртиком". Улучшить частотную характеристику, подавить паразитные колебания и уменьшить омическое сопротивление в известном пьезоэлементе удается за счет выполнения возбуждающего электрода узкой и протяженной формы. Благодаря форме пьезоэлемента удается снизить паразитные колебания, но они все же оказывают влияние на частотную характеристику, так как и в этом случае пьезоэлемент зажат по всему периметру сплошным буртиком.

Таким образом, хотя технология инвертированных мезаструктур обеспечивает хорошие характеристики по сравнению со стандартными процессами, она требует большого количества этапов производства на стадиях профилирования пьезоэлектрической пластины, что увеличивает конечную стоимость приборов, в которых они находят применение. Кроме того, крепление пьезоэлектрического элемента в держателе в двух точках обуславливает высокие механические напряжения структуре, что влияет на долговременную стабильность характеристик приборов и ухудшает величину динамического сопротивления. Известные пьезоэлектрические элементы имеют достаточно большие габариты.

В рамках данной заявки решается задача разработки такой конструкции высокочастотного пьезоэлектрического элемента, которая обеспечит его большую миниатюризацию, снижение себестоимости изготовления при одновременном улучшении таких его параметров как долговременная стабильность и величина динамического сопротивления.

Поставленная задача решается тем, что в высокочастотном пьезоэлементе для устройств, работающих на основной моде колебаний сдвига по толщине, включающем ориентированную относительно кристаллофизических осей монолитную профилированную пьезоэлектрическую пластину с утонченной вибрирующей областью, расположенной между электродами, и контактные площадки на противоположных сторонах пластины, упомянутая пластина имеет форму многогранника с вертикальным сечением Т- или Г-образной формы, при этом утонченная вибрирующая область ограничена первой парой главных плоскостей (XZ), а контактные площадки расположены на второй паре главных плоскостей (XZ).

Кроме того, толщина утонченной вибрирующей области составляет величину из диапазона 2-30 мкм.

Авторами экспериментально были найдены форма данного высокочастотного пьезоэлемента относительно кристаллофизических осей пьезокристалла и оптимальные размеры вибрирующей области. Данный монолитный пьезоэлемент имеет по существу топологию инвертированной мезаструктуры "открытого" типа, поскольку вибрирующая (активная) область пьезоэлемента не имеет окружающую ее по всему периметру утолщенную область. Такая конструкция пьезоэлемента позволяет улучшить параметры устройства, такие как долговременная стабильность и величина динамического сопротивления, а также повысить технологичность изготовления устройства, снизить его себестоимость при одновременном уменьшении размеров.

Сущность данного устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 приведен относительно кристаллофизических осей общий вид пьезоэлектрической пластины с вертикальным сечением Т-образной формы.

На фиг.2 приведен относительно кристаллофизических осей общий вид пьезоэлектрической пластины с вертикальным сечением Г-образной формы.

На фиг.3 изображена относительно кристаллофизических осей конструкция высокочастотного пьезоэлемента, имеющего топологию открытой инвертированной мезаструктуры.

Пьезоэлектрический элемент содержит монолитную профилированную пластину 1 в форме многогранника, утонченную вибрирующую область 2, электроды 3, первую пару главных плоскостей (XZ) 4, вторую пару главных плоскостей (XZ) 5, токоотвод 6, контактные площадки 7.

Данная конструкция высокочастотного пьезоэлемента может быть использована для разработки устройства на пьезоэлектриках, имеющих класс симметрии 32. Использование данного высокочастотного пьезоэлемента в устройствах, работающих на объемных акустических волнах на колебаниях сдвига по толщине, позволяет добиться их миниатюризации при одновременном улучшении электрофизических параметров, таких как долговременная стабильность и величина динамического сопротивления.