這些材料的熱膨脹度也會(huì)導(dǎo)致密度ρ的降低，并且通過關(guān)系式

v＝√(c/ρ)

對(duì)波速v產(chǎn)生直接影響，由此補(bǔ)償因熱膨脹所延長(zhǎng)的波程。然而，溫度還會(huì)改變剛性c，在多數(shù)材料中剛性會(huì)隨溫度升高而降低，在壓電材料中也同樣如此，這主要對(duì)頻率產(chǎn)生顯著影響。此外，襯底的壓電張量和介電常數(shù)也與溫度相關(guān)，由此與溫度系數(shù)有關(guān)。再者，電極材料的剛性變化也對(duì)TCF產(chǎn)生影響。

問題在于，在通過聲波工作的構(gòu)件中的制造公差較小，這樣才能例如提高濾波器關(guān)于溫度相關(guān)波動(dòng)的帶寬。在緊鄰的頻帶中，這會(huì)使選擇性更加困難或在制造過程中導(dǎo)致構(gòu)件的某一成分過高而不再符合所需的規(guī)格。在不采取任何補(bǔ)償TCF措施的情況下，不會(huì)再符合其他規(guī)格。

在美國專利7589452 B2中提出一種通過聲波工作的構(gòu)件，其結(jié)合了多種措施來減緩溫度變化過程(TK補(bǔ)償)，特別是降低諧振頻率。該構(gòu)件在襯底上面上包括導(dǎo)電的構(gòu)件結(jié)構(gòu)并且在其底面上包括補(bǔ)償層，該補(bǔ)償層如此以機(jī)械固定的方式與襯底連接，即產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力或者在溫度變化過程中建立機(jī)械應(yīng)力。

作為另一種措施，在該構(gòu)件結(jié)構(gòu)上方布置SiO₂層，該SiO₂層就其熱彈性特性具有正溫度系數(shù)，這種正溫度系數(shù)補(bǔ)償了諸如LT或LN(鈮酸鋰)等多數(shù)襯底材料的負(fù)溫度系數(shù)。

這種解決方案的缺陷在于，僅在使用較重電極的情況下，才能獲得所需的電極反射率。這尤其不適用于SAW構(gòu)件或者不足以用于某些應(yīng)用。利用SiO₂進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)娜毕葸€在于，其溫度補(bǔ)償特性有限，并且因采用SiO₂，則必定承受電動(dòng)機(jī)械耦合和帶寬損耗、衰減加劇以及出現(xiàn)不理想的干擾模式。這就限制了高效實(shí)現(xiàn)TK補(bǔ)償。

此外，還曾提出具有正溫度系數(shù)的其他層，例如GeO₂及摻氟或摻硼的SiO₂，用于補(bǔ)償溫度相關(guān)的特性。

本發(fā)明的目的在于，提供新的可行方案或材料來補(bǔ)償溫度系數(shù)，由此不僅改善補(bǔ)償，還減少與之相關(guān)的缺陷。

本發(fā)明用以達(dá)成上述目的的解決方案為具有根據(jù)權(quán)利要求1所述特征的構(gòu)件。本發(fā)明的有利實(shí)施方式參閱從屬權(quán)利要求。

本發(fā)明是基于認(rèn)識(shí)到具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的材料當(dāng)中可能存在諸多其熱機(jī)械特性具有正溫度系數(shù)的材料。這些材料能夠用于補(bǔ)償諸如壓電材料中通常會(huì)出現(xiàn)的熱機(jī)械特性的負(fù)溫度系數(shù)。

本發(fā)明提出，在通過聲波工作的構(gòu)件上施加補(bǔ)償層，其包含基于至少兩個(gè)元素的化合物的介電材料，其具有負(fù)熱膨脹系數(shù)。

根據(jù)一種實(shí)施方式，所述化合物是無機(jī)過渡金屬化合物或稀土化合物。但其他類物質(zhì)的化合物也適用。

這種構(gòu)件包含至少一個(gè)壓電材料層，具有至少一對(duì)電極，用于在該壓電材料中激發(fā)聲波。所述補(bǔ)償層如此被布置于這種構(gòu)件中，使得聲波能量中的至少一部分處于所述補(bǔ)償層中。該補(bǔ)償層需要相對(duì)較接近主要產(chǎn)生聲波的壓電層。

例如選自介電無機(jī)過渡金屬及稀土化合物類別的具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的材料在其楊氏模量中表現(xiàn)出極高的正溫度系數(shù)，即剛性隨溫度升高而增強(qiáng)，其優(yōu)于目前所知的最佳材料，例如迄今出于該目的所采用的SiO₂。伴隨這種高度剛性變化或與之相關(guān)的楊氏模量的正溫度系數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更加有效的補(bǔ)償層。

此外，還有可能完全補(bǔ)償頻率的溫度系數(shù)，為此還采用比目前所知材料更薄的補(bǔ)償層。在此，通過較薄的補(bǔ)償層，同時(shí)減少了目前所知補(bǔ)償層存在的問題。特別是減小負(fù)面作用，諸如壓電耦合減弱和采用補(bǔ)償層所承受的聲衰減。

所發(fā)現(xiàn)的化合物類別的其他優(yōu)勢(shì)在于，通常利用由半導(dǎo)體技術(shù)所知的常規(guī)沉淀工藝以可控方式施加化合物。與此同時(shí)，它們?cè)诠に嚰夹g(shù)方面也非常適用于施加在通過聲波工作的構(gòu)件上。

在本發(fā)明的實(shí)施方式中，將所述補(bǔ)償層直接施加于所述壓電材料層上?？梢詫㈦姌O和補(bǔ)償層布置于壓電層的同側(cè)上。然而，還能夠?qū)⑺鲅a(bǔ)償層布置于所述壓電層之下并且將所述電極布置于所述壓電層之上。此外，還能夠?qū)⑺鲭姌O設(shè)置于壓電層與補(bǔ)償層之間。另一種原則上可行的變型方案在于，將所述電極施加于所述補(bǔ)償層上，再將該補(bǔ)償層沉淀于所述壓電層上。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述補(bǔ)償層包含基于三氟化鈧ScF₃的玻璃作為具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的稀土化合物。這種材料硬度足夠大、在機(jī)械方面穩(wěn)定并且能夠良好沉淀。

采用化學(xué)式Sc_(1-X)Y_XF₃的摻釔三氟化鈧，能夠獲得特別高的楊氏模量的正溫度系數(shù)，其中，設(shè)定由系數(shù)x≤0.25表達(dá)的釔成分，關(guān)系式為0<x≤0.25。

這種化合物的釔含量受限于三氟化釔在三氟化鈧中的溶解度并且理論上在能夠制成相應(yīng)材料的情況下可能更高。

釔成分約為20％的摻釔三氟化鈧表現(xiàn)出特別積極且有利的性質(zhì)，其中，x＝0.2。這種材料在純凈形式下顯示約為1500ppm/K的楊氏模量的溫度系數(shù)。該溫度系數(shù)比在目前構(gòu)件中用作補(bǔ)償層的未摻雜SiO₂的溫度系數(shù)高出五倍以上。與目前僅提議但尚未施用的摻氟SiO₂相比，所述的摻氟三氟化鈧的溫度系數(shù)高出兩倍以上。針對(duì)由此制成的補(bǔ)償層而言，這表示僅使用目前所知的補(bǔ)償材料的如此厚的層厚的一半就能實(shí)現(xiàn)相同的補(bǔ)償效果。

根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方式，所述補(bǔ)償層具有大于700ppm/K的熱彈性特性的溫度系數(shù)。這些值通過多種所提及的具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的材料來實(shí)現(xiàn)。

采用所述化合物，還能獲得具有大于1000ppm/K的熱彈性特性的溫度系數(shù)的補(bǔ)償層。

在此，所提及的材料能夠以純凈的固體形式、以摻雜形式、作為與其他氧化物、鹵化物或其他結(jié)晶化合物的混合化合物存在，或者能夠以固體形式嵌入結(jié)晶基體中或優(yōu)選平嵌于玻璃中。包含非純凈形式的具有負(fù)膨脹系數(shù)的材料的補(bǔ)償層實(shí)現(xiàn)的補(bǔ)償效果可能低于僅由所述材料組成的補(bǔ)償層。然而，層狀混合物或?qū)訝顡诫s物也可能甚至提高預(yù)期的效果。具有其他物質(zhì)或嵌入基體的混合物在改性材料不直接適用于成層沉淀或者如此生成的層在機(jī)械和結(jié)構(gòu)上不適于留在構(gòu)件上的情況下可能具有優(yōu)勢(shì)。

在此，術(shù)語“成層”是指具有足夠硬度及適當(dāng)物理一致性的適用于構(gòu)件的層。

在一種實(shí)施方式中，所述構(gòu)件被構(gòu)造成SAW構(gòu)件，即通過表面聲波工作的構(gòu)件。其包括位于所述壓電層上的至少一個(gè)叉指換能器。在所述壓電層之上以及所述叉指換能器上方沉淀補(bǔ)償層，其包含三氟化鈧ScF₃，要么摻雜(例如，摻雜有YF₃)成具有其他氧化物或鹵化物的混合晶體，要么嵌入結(jié)晶基體或玻璃中。所述補(bǔ)償層在選取補(bǔ)償層中的補(bǔ)償材料及其成分方面如此構(gòu)造，使得在5-15％的相對(duì)層厚下完全補(bǔ)償中間頻率的溫度系數(shù)，即針對(duì)SAW構(gòu)件決定的溫度相關(guān)值。在此，相對(duì)層厚是指能夠在該材料中傳播的聲波的波長(zhǎng)并且指示層厚占波長(zhǎng)的百分比。

此外，問題還在于，要求過度補(bǔ)償TK，這樣就會(huì)設(shè)定更厚的補(bǔ)償層的層厚。在此，相對(duì)層厚是指層厚與在所述構(gòu)件的中間頻率下能夠在材料中傳播的聲波的波長(zhǎng)之比。這種根據(jù)本發(fā)明的補(bǔ)償層的層厚小于常規(guī)的補(bǔ)償層。盡管如此，也能夠?qū)崿F(xiàn)完全補(bǔ)償中間頻率的溫度系數(shù)。

所述構(gòu)件還能夠被構(gòu)造成BAW構(gòu)件，其中，在兩種可行的實(shí)施方式可能有構(gòu)造成SMR(固態(tài)安裝的諧振器)或者基于布置在薄膜上方的諧振器。此外，所述構(gòu)件還能夠被構(gòu)造成GBAW構(gòu)件(通過體導(dǎo)波工作的構(gòu)件)。

所述構(gòu)件可以包括電極材料，其包含已知金屬和合金、半導(dǎo)體以及導(dǎo)電性硼化物、氮化物、碳化物和混合化合物中的一個(gè)或多個(gè)。

根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)件能夠設(shè)置或配置用于各種不同的應(yīng)用。例如，能夠?qū)⒏鶕?jù)本發(fā)明的構(gòu)件用作諧振器、DMS濾波器或者階梯型濾波器。

在另一種實(shí)施方式中，所述補(bǔ)償層包含由氧化網(wǎng)絡(luò)形成體組成的材料。這些特定的網(wǎng)絡(luò)形成體表現(xiàn)出負(fù)熱膨脹系數(shù)，其通常還伴隨異常壓力行為(“壓力軟化”)。這類化合物還表現(xiàn)出異常熱機(jī)械行為，這也伴隨剛性c和楊氏模量的正溫度系數(shù)。

特別是，對(duì)于其特別強(qiáng)的異常熱機(jī)械行為及其剛性c和楊氏模量的正溫度系數(shù)，已知同構(gòu)鎢酸鹽ZrW₂O₈和HfW₂O₈。對(duì)于ZrW₂O₈，已證實(shí)其彈性常數(shù)的異常熱機(jī)械行為。

具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的氧化網(wǎng)絡(luò)形成體的其他示例有ZrMo₂O₈、HfMo₂O₈、ScW₃O₁₂、AlW₃O₁₂、Zr(WO₄)(PO₄)₂。

此外，由其他物質(zhì)類別也已知具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的材料，諸如某些沸石或B₂O₃。

具有如上所述可比特性的非氧化網(wǎng)絡(luò)形成體或玻璃形成體有氟基化合物ScF₃-BaF₂-YF₃、ScF₃-BaF₂-ZnF₂、ScF₃-BaF₂-InF₃、ScF₃-MgF₂、YbF₃-ScF₃、LuF₃-ScF₃、Zn(CN)₂和BeF₂以及某些氰化物，例如Zn(CN)₂。所有這些化合物都具有熱膨脹度的負(fù)溫度系數(shù)，因此原則上也適用于通過聲波工作的構(gòu)件上的補(bǔ)償層。與之相比，諸如SiO₂、GeO₂、B₂O₃等常見玻璃形成體表現(xiàn)出PTE行為(正熱膨脹)，盡管并不大。

下面根據(jù)實(shí)施例和附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明。這些附圖僅示意性示出并且僅為更好地理解本發(fā)明。因此，這些附圖尤其未按真實(shí)比例示出，其各個(gè)部分可放大或縮小。相應(yīng)地，這些附圖并未采取相對(duì)尺寸或絕對(duì)尺寸。

圖1和圖2分別示出呈不同布置的具有補(bǔ)償層的SAW構(gòu)件的示意性剖視圖，

圖3示出具有補(bǔ)償層的BAW構(gòu)件，

圖4示出具有補(bǔ)償層的GBAW構(gòu)件，

圖5示出另一種BAW構(gòu)件，

圖6示出SAW構(gòu)件，

圖7a和圖7b分別示出具有結(jié)構(gòu)性補(bǔ)償層的SAW構(gòu)件，

圖8a至圖8c示出包括一個(gè)或多個(gè)附加介電層DS的SAW或GBAW構(gòu)件，

圖9示出具有不同釔含量x的體系Sc_(1-X)Y_XF₃中楊氏模量關(guān)于溫度的曲線。

圖1示出設(shè)有補(bǔ)償層KS的SAW構(gòu)件的最簡(jiǎn)單的實(shí)施方式。在包括至少一個(gè)薄壓電層的襯底上布置第一電極層EL1，其被構(gòu)造成呈梳狀錯(cuò)置的n型電極的形式。襯底SU特別是由鉭酸鋰組成，具有適于SAW產(chǎn)生和傳播的層。例如，LT42具有約為-40ppm的彈性特性在x方向上的溫度系數(shù)。為了補(bǔ)償這一溫度系數(shù)，在電極層EL1上方布置適當(dāng)厚度的補(bǔ)償層KS，根據(jù)所需的厚度補(bǔ)償度來標(biāo)定厚度。

圖2示出類似的構(gòu)件，而其中補(bǔ)償層KS施加于襯底的與設(shè)有電極層的表面相反的表面上。倘若將壓電層的厚度選成適當(dāng)?shù)谋《?，則采用該布置也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)頻率的溫度系數(shù)的良好補(bǔ)償。

圖3示出通過體聲波工作的構(gòu)件(BAW構(gòu)件)，其中將補(bǔ)償層KS直接施加于壓電襯底SU上。在該襯底SU的裸露表面上布置第一電極層EL1并且在補(bǔ)償層的裸露表面上布置第二電極層EL2。補(bǔ)償層KS及襯底SU的厚度共同確定BAW構(gòu)件的波長(zhǎng)，這樣在給定波長(zhǎng)的情況下能夠具有較厚的補(bǔ)償層KS與較薄的襯底SU，以便在BAW構(gòu)件中設(shè)定相同的諧振頻率。

圖4示出另一種類型的通過聲波工作的構(gòu)件，即通過導(dǎo)聲波工作的構(gòu)件，所謂的GBAW構(gòu)件。在該GBAW構(gòu)件中，在壓電襯底SU上，又在特定結(jié)構(gòu)的第一電極層EL1中布置電極。在此之上，布置所需層厚的補(bǔ)償層KS。

構(gòu)件的隔絕面形成施加于補(bǔ)償層KS上方的覆蓋層ML，其聲波波速v(ML)高于補(bǔ)償層的聲波波速v(KS)：

v(ML)>v(KS)。

速度又可以根據(jù)：

v＝√(c/ρ)

通過所用材料的密度ρ或剛性c來相應(yīng)設(shè)定。由此確保聲波的傳導(dǎo)主要發(fā)生在襯底和補(bǔ)償層內(nèi)。另外，覆蓋層的厚度如此標(biāo)定，使得覆蓋層背離壓電層或補(bǔ)償層的表面上不會(huì)實(shí)際發(fā)生聲波運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)。

圖5示出具有第一電極層EL1、壓電層SU和第二電極層EL2的BAW構(gòu)件，其中從外部將補(bǔ)償層KS施加于這兩個(gè)電極層EL1、EL2中的一個(gè)上。

當(dāng)然也有可能將補(bǔ)償層KS布置于第一電極層EL1與第二電極層EL2之間的任何位置。作為其他可行方案，也能夠使用不同厚度的多個(gè)補(bǔ)償層KS。可以將具有一個(gè)或多個(gè)這種補(bǔ)償層的BAW構(gòu)件構(gòu)造成直接安裝于襯底上或者薄膜配置中的SMR(固態(tài)安裝的諧振器)。

圖6示出另一種GBAW構(gòu)件，其中補(bǔ)償層被布置于壓電襯底與第一電極層EL1之間。如圖6所示，在電極層EL1之上還可以布置覆蓋層ML。

圖7a和圖7b示出能夠進(jìn)一步改善設(shè)有補(bǔ)償層KS的SAW構(gòu)件的聲學(xué)特性的可行方案。因電極與補(bǔ)償層材料之間的低聲阻抗差而減小的電極反射率由通過構(gòu)造補(bǔ)償層KS所產(chǎn)生的附加反射復(fù)原。為此，在補(bǔ)償層KS的表面中引入與電極指平行的凹部(圖7a)或凸部(圖7b)，它們構(gòu)成聲波的反射點(diǎn)，并且它們被布置成與電極指相同的格柵并因此加強(qiáng)其在電極指上的反射率。

結(jié)合本發(fā)明，在壓電晶體/壓電層與電極之間或者在補(bǔ)償層之上還可能有附加的介電層DS。圖8a至圖8c示出這類示例性的實(shí)施方式。在圖8a中，介電層DS被布置于第一電極層EL1與補(bǔ)償層KS之間。在圖8b中，介電層DS被布置于覆蓋層ML上方。圖8c示出同時(shí)包括如圖8a和圖8b中已單獨(dú)示出的兩個(gè)介電層DS1和DS2的實(shí)施方式。

圖9示出在體系Sc_(1-X)Y_XF₃中針對(duì)0至25％之間的釔成分對(duì)應(yīng)的各參數(shù)x的楊氏模量隨溫度變化的曲線。如圖所示，對(duì)于20％的釔含量(x＝0.2)，楊氏模量在從300K到500K的溫度區(qū)間內(nèi)增長(zhǎng)最快，從而該材料具有最高的楊氏模量的正溫度系數(shù)并且最適用于通過聲波工作的構(gòu)件中的補(bǔ)償層。在此，純?nèi)傠m表現(xiàn)出負(fù)熱膨脹系數(shù)，但楊氏模量的溫度系數(shù)卻逼近零。

如圖可見或通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)可知，對(duì)于釔成分介于20％至25％之間的混合鈧-釔-三氟化物，中間頻率的溫度系數(shù)約為1500ppm/K。與之相對(duì)，摻氟的SiO₂表現(xiàn)出小于700ppm/K的系數(shù)，而未摻雜的SiO₂具有小于300ppm/K的溫度系數(shù)。與當(dāng)今常見的由未摻雜的SiO₂制成的補(bǔ)償層相比，將補(bǔ)償提高五倍。

特別是混合鈧-釔-三氟化物的材料特性，例如剛性，移動(dòng)至可與目前所用的SiO₂層相比較的范圍內(nèi)。在厚度比SiO₂略高的情況下，可以預(yù)期構(gòu)件的其他特性也不會(huì)受到新補(bǔ)償層的負(fù)面影響。由于增強(qiáng)補(bǔ)償僅需層厚較薄的補(bǔ)償層，因此能夠預(yù)料顯著改善聲學(xué)特性。

本發(fā)明不限于在實(shí)施例中詳述的實(shí)施方式，它們僅給出具有補(bǔ)償層的通過聲波工作的構(gòu)件的示例性實(shí)施方式。原則上，也可考慮具有一個(gè)以上補(bǔ)償層的構(gòu)件，或者還具有其他用于減小中間頻率的溫度系數(shù)的裝置的構(gòu)件，特別是應(yīng)力層。