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Dokumentenidentifikation DE19518704C2 03.04.1997
Titel Piezoelektrisches Kristallelement aus Galliumorthophosphat
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Wagner, Karl Christian, Dr., 82031 Grünwald, DE;
Ruppel, Clemens, Dr., 85551 Kirchheim, DE
DE-Anmeldedatum 22.05.1995
DE-Aktenzeichen 19518704
Offenlegungstag 28.11.1996
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse H03H 3/08
IPC-Nebenklasse H01L 41/08   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Kristallelement aus Galliumorthophosphat (GaPO&sub4;) nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2.

Für akustische Oberflächenwellenanordnungen - OFW-Anordnungen -, wie z. B. OFW-Filter, OFW-Verzögerungsleitungen, OFW-Identifizierungsmarken oder OFW-Sensoren, werden piezoelektrische Kristallelemente mit mindestens einer ebenen Fläche verwendet. Auf dieser ebenen Fläche werden akustische Oberflächenwellen mit einer bestimmten Ausbreitungsrichtung angeregt. Die Lage der ebenen Fläche und der Wellenausbreitungsrichtung bezüglich der Kristallachsen, d. h. die sogenannte Kristallschnittrichtung, werden durch drei Euler-Winkel λ, µ und Θ beschrieben.

Für die Gesamtheit der Ausführungsformen von OFW-Anordnungen ist für den benutzten Kristallschnitt ein möglichst hoher elektroakustischer Kopplungsfaktor der Oberflächenwelle günstig.

Für OFW-Temperatursensoren sind Kristallschnitte erforderlich, die sich durch einen hohen elektroakustischen Kopplungsfaktor und gleichzeitig einen möglichst hohen Betrag des Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit auszeichnen.

Aus der dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 zugrunde liegenden EP-Patentanmeldung 0 614 271 ist ein piezoelektrisches Kristallelement aus GaPO&sub4; für OFW-Anordnungen mit mindestens einer ebenen Fläche bekannt, die durch die Euler-Winkel λ im Bereich von 0°, µ im Bereich von 40° bis 75°, vorzugsweise 50° bis 60° und Θ im Bereich von 0° bzw. λ im Bereich von 0°, µ im Bereich von 90° bis 130° und Θ im Bereich von 0° bestimmt ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Kristallelemente aus GaPO&sub4; Kristallschnitte bzw. Euler-Winkel anzugeben, die gleichzeitig einen optimalen elektroakustischen Kopplungsfaktor sowie einen optimalen Betrag des Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit besitzen.

Diese Aufgabe wird bei einem piezoelektrischen Kristallelement der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils der Patentansprüche 1 und 2 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsformen gemäß den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Koordinatendiagramm zur Erläuterung von Eulerwinkeln; und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines piezoelektrischen Kristallelementes mit einem Kristallschnitt gemäß den erfindungsgemäßen Euler-Winkeln.

Gemäß dem Koordinatendiagramm nach Fig. 1 wird ein dreidimensionales Koordinatensystem X, Y, Z durch Drehung um Eulerwinkel λ, µ und Θ in ein Koordinatensystem transformiert, das den gewünschten Kristallschnitt für eine ebene Oberfläche eines piezoelektrischen Kristallelementes definiert. Die Transformation erfolgt dabei so, daß zunächst die XY-Ebene um den Winkel λ um die Z-Achse gedreht wird, woraus das System x&min;&sub1;, x&min;&sub2; und x&min;&sub3; gleich Z entsteht. Sodann wird die x&min;&sub2;, x&min;&sub3;- Ebene um den Winkel µ um die x&min;&sub1;-Achse gedreht, woraus das System x&min;&min;&sub1; gleich x&min;&sub1;, x&min;&min;&sub2; und x&min;&min;&sub3; entsteht. Schließlich wird die x&min;&min;&sub1;, x&min;&min;&sub2;-Ebene um den Winkel Θ um die x&min;&min;&sub3;-Achse gedreht, woraus das gewünschte Koordinatensystem x&sub1;, x&sub2; und x&sub3; (= x&min;&min;&sub3;) entsteht.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Kristallelement 1 mit einer ebenen Fläche 2, in der sich eine akustische Oberflächenwelle in x&sub1;-Richtung ausbreitet. Die übrigen Koordinatenrichtungen sind die x&sub2;- und x&sub3;-Richtungen. Dabei steht x&sub2; in der Fläche 2 liegend senkrecht auf x&sub1; und x&sub3; senkrecht auf der Fläche 2.

Gemäß einer ersten Lösungsvariante der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist ein piezoelektrisches Kristallelement aus GaPO&sub4; vorgesehen, das durch einen Kristallschnitt gebildet wird, der die Euler-Winkel λ im Bereich von 0°, µ im Bereich von 125° bis 160° und Θ im Bereich von 15° bis 35° oder 145° bis 165° besitzt.

In einer solchen OFW-Anordnung können akustische Oberflächenwellen besonders effektiv angeregt werden, da bei den vorstehend angegebenen Kristallschnitten der elektroakustische Kopplungsfaktor sehr groß ist. Außerdem ist der Betrag des Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit so groß, daß das Kristallelement in der Sensorik als Temperatursensor verwendbar ist. Sind gemäß einer besonderen Ausführungsform die Euler-Winkel λ = 0°, µ = 140,5° und Θ = 22°, so ergibt sich ein elektroakustischer Kopplungsfaktor von 0,46%, ein Betrag des Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit von -18,4 ppm und eine Phasengeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle von 2535 m/s.

Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante ist ein piezoelektrisches Kristallelement GaPO&sub4; auf einem Kristallschnitt aufgebaut, der die Euler-Winkel λ im Bereich von 30°, µ im Bereich von 80° bis 100° und Θ im Bereich von 0° besitzt. Ein derartiges Kristallelement besitzt ähnliche Eigenschaften wie der Kristallschnitt mit λ = 0°, µ = 140° und Θ = 22°. Es ergibt sich ein elektroakustischer Kopplungsfaktor von 0,40%, ein Betrag des Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit von -11,0 ppm und eine Phasengeschwindigkeit von 2309 m/s. Bei kleinerer Phasengeschwindigkeit gegenüber der erstgenannten Lösungsvariante ist der Kristall leichter zu orientieren und zeichnet sich vor allem durch sehr geringe Empfindlichkeit seiner Eigenschaften bei Änderung der Schnittwinkel aus.

Aufgrund der Kristallsymmetrie treten zum Kristallschnitt mit Euler-Winkeln λ&sub0;, µ&sub0;, Θ&sub0; äquivalente Kristallschnitte

λ&sub0;, µ&sub0;, Θ&sub0; +/- 180°

λ&sub0; +/- 180°, µ&sub0; +/- 180°, Θ&sub0; +/- 180° mit entweder nur positiven oder nur negativen Vorzeichen

λ&sub0; +/- 120°, µ&sub0;, Θ&sub0;

λ&sub0; +/- 60°, 180° - µ&sub0;, Θ&sub0; auf.


Anspruch[de]
  1. 1. Piezoelektrisches Kristallelement aus Galliumorthophosphat - GaPO&sub4; - mit mindestens einer im wesentlichen ebenen akustische Oberflächenwellen führenden Fläche (2) für OFW-Anordnungen, insbesondere Temperatursensoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (2) durch Euler-Winkel λ im Bereich von 0°, µ im Bereich von 125° bis 160° und Θ im Bereich von 15° bis 35° oder 145° bis 165° definiert ist.
  2. 2. Piezoelektrisches Kristallelement aus Galliumorthophosphat GaPO&sub4; - mit mindestens einer im wesentlichen ebenen akustische Oberflächenwellen führenden Fläche (2) für OFW-Anordnungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (2) durch die Euler-Winkel λ im Bereich von 30°, µ im Bereich von 80° bis 100° und Θ im Bereich von 0° definiert ist.
  3. 3. Piezoelektrisches Kristallelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Euler-Winkel λ = 0°, µ = 140,5° und Θ = 22° sind.
  4. 4. Piezoelektrisches Kristallelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Euler-Winkel = λ, µ, Θ +/- 180° sind.
  5. 5. Piezoelektrisches Kristallelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Euler-Winkel = λ +/- 180°, µ +/- 180°, Θ +/- 180° mit nur positiven oder nur negativen Vorzeichen sind.
  6. 6. Piezoelektrisches Kristallelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Euler-Winkel = λ +/- 120°, µ, Θ sind.
  7. 7. Piezoelektrisches Kristallelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Euler-Winkel = λ +/- 60°, 180° - µ, Θ sind.






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