层叠压电元件 本发明涉及一种层叠压电元件，本发明尤其涉及一种用于振荡器和滤波器的层叠压电元件。
传统的压电元件包含压电陶瓷基片，该基片的表面上设置有振动电极，这些振动电极通过粘合剂被夹在两个顶盖基片之间而密封，其中考虑到压电元件的结构和特性，以及粘合剂的结合强度，已经使用各种粘合剂。考虑振动空间的密封特性，以及防止外部电极的破裂，将粘合剂的厚度确定得相对薄。
当压电元件接受诸如回流之类的高温热处理时，压电陶瓷基片的一部分晶体结构由于回流的热而变化，由此，谐振频率Fo(压电滤波器的中心频率，或者振荡器的振荡频率)在回流前后变化。相应地，由于回流的热，除了回流已大量分布后的压电元件的谐振频率Fo外，应该为谐振频率Fo的变化提供容限。
相应地，本发明的一个目地是提供一种层叠压电元件，它除了抑制谐振频率的分布外，能够减小谐振频率在接受诸如回流之类的高温热处理前后的改变量。
为了达到上述目的，本发明提供了一种层叠压电元件，包含：表面上设置有振动电极的压电基片；与压电基片一起构成层叠体的顶盖基片；插入压电基片和顶盖基片之间，用于将压电基片结合到顶盖基片上的粘合剂，其中粘合剂的弹性模量和厚度如此确定，从而由于施加给压电基片的热引起的谐振频率的变化被由从顶盖基片和粘合剂给予压电基片的合成应力引起的谐振频率的变化所消除。这里使用的谐振频率在压电滤波器的情况下指的是中心频率，在振荡器的情况下指的是振荡频率。
从顶盖基片和粘合剂给予压电基片的合成应力由粘合剂的弹性模量和厚度控制。具体地说，粘合剂的弹性模量c和厚度b2可以如此确定，从而由下面的等式计算出的值大致为零；
a2×b2-a3×b3-a1×b1×exp[-(b2/c2)×107]其中，a1(/℃)和b1(μm)分别表示顶盖基片的热膨胀系数和厚度，a2(/℃)和b2(μm)和c(MPa)分别表示粘合剂的热膨胀系数、厚度和弹性模量，而a3(/℃)和b3(μm)表示压电基片的热膨胀系数和厚度。
由于从顶盖基片和粘合剂给予压电基片的合成应力引起的谐振频率的变化消除了由于给予压电基片的热引起的谐振频率的变化，由此可以减小诸如回流之类的高温热处理前后谐振频率的改变量。
从顶盖基片给予压电基片的应力由根据本发明的层叠压电元件中的粘合剂吸收。换句话说，如此确定粘合剂的弹性模量c和厚度b2，从而给予压电基片的合成应力只含有从粘合剂给予压电基片的应力成份。实际上，(b2/c2)的值(它是exp[-(b2/c2)×107]的系数)在等式a2×b2-a3×b3-a1×b1×exp[-(b2/c2)×107]中确定为5.0×10-7或更大。该条件允许消除顶盖基片的影响，由此只有包含给出量的应力的合成应力可以从粘合剂给予压电基片。相应地，除了一种谐振频率的分布外，还可以减小在诸如回流之类的高温热处理前后的谐振频率的改变量。
图1是示出根据本发明的层叠压电基片的一个实施例的未装配的透视图；
图2是示出用于图1所示的层叠压电元件的电极的结构的说明性透视图；
图3A示出图1所示的层叠压电元件的平面图；
图3B示出图1所示的层叠压电元件的左侧视图；
图3C示出图1所示的层叠压电元件的仰视图；
图4示出图1所示的层叠压电元件的截面图；
图5示出另一个实施例的截面图；
图6是曲线图，示出当粘合剂的弹性模量为3000MPa时，中心频率的改变量；
图7是曲线图，示出当粘合剂的弹性模量为6000MPa时，中心频率的改变量；
图8是曲线图，示出当使用弹性模量为6000MPa的粘合剂时，中心频率的改变量和粘合剂平均厚度之间的关系；
图9是曲线图，示出当使用弹性模量为6000MPa，平均厚度为5到15pm的粘合剂时，特性随时间的变化；
图10是曲线图，示出当使用弹性模量为6000MPa，并且平均厚度为40到45pm的粘合剂时，特性随时间的变化。
下面，将参照附图，描述根据本发明的层叠压电基片的实施例。虽然本发明是将滤波器作为例子进行描述的，但是不需要说明，同样的说明对于振荡器也是有效的。
如图1所示，层叠压电滤波器21由矩形的压电基片1和2、通过将压电基片1和2夹住形成振动空间的顶盖基片10和11构成。压电基片1和2由锆钛酸铅(PZT)基的陶瓷制成。但是，除了PZT以外，石英和LaTaO3也可以用于压电基片1和2。
下面，将参照图2描述压电基片中电极的结构。基片下表面上的电极用一个向下的投影图来表示。
分别在压电基片1的上表面和下表面上设置振动电极3a和3b，以及振动电极3c。在振动电极3a和3b与振动电极3c相对的部分产生沿厚度方向的能量约束型纵向声模振动，形成第一滤波器元件3。
将振动电极3a和3b电气连接到引出电极5a和5b，而将振动电极3c电气连接到引出电极5c到5f。引出电极5b通过压电基片1与引出电极5f相对，形成电容器作为继电器电容。电极6a、6b和6c形成在压电基片1的上表面上，以便沿着厚度方向，分别覆盖引出电极5c、5d和5e，并且最后与引出电极5c到5e电气连续。通过Ag或Cu的溅射或汽相沉淀形成电极3a到3c，5a到5f和6a到6c。由压电基片1上的虚线B和C围绕的区域不极化，剩下的区域沿基片的厚度方向极化。
回到图1，压电基片2和压电基片1相同，它通过将被从左到右的翻转而颠倒地设置。
相应地，也在压电基片2中构成利用沿厚度方向的纵向声模的能量约束型第二滤波器，以及作为继电器电容的电容器。
顶盖基片10和11含有铝矾土之类的陶瓷材料，并且层叠体是通过将压电基片1和2插入顶盖基片10和11之间后结合而形成的，或者，沿着厚度方向，层叠压电基片1和2，并通过粘合剂8结合。通过粘合剂7将顶盖基片10层叠并结合到压电基片1上面，并通过粘合剂9，将顶盖基片11层叠并结合到压电基片2的下面。在这些粘合剂7到9中形成腔体7a、8a和9a，用于保持形成在压电基片1和2上的第一和第二滤波器的振动空间。下面，将详细描述粘合剂7和9。
如图3A、3B和3C所示，通过溅射，或通过覆盖和干燥，在压电滤波器21表面上形成外部电极。将来自压电基片1的引出电极5a连接到外部电极22d，该外部电极22d用作输出端。同样地，将来自压电基片2的引出电极5a连接到外部电极22a，该外部电极22a用作输入端。将外部电极22b连接到压电基片1的电极6b，并连接到压电基片2的引出电极5c和电极6a。将外部电极22c连接到压电基片1的引出电极5b。将外部电极22e连接到压电基片1的电极6a，并连接到压电基片2的引出电极5d和电极6b。将外部电极22f连接到压电基片2的引出电极5b。如图3C所示，通过电气连续部件23c，使外部电极22c和22f相互连接。通过电气连续部件23a使外部电极22b和22e相互连接。电气连续部件23c包含延伸电极23b，并且通过在输入输出外部电极22a和22d间布置了此延伸电极23b而增强了输入端和输出端之间的绝缘。
如上所述得到具有两个滤波器部件的二阶压电滤波器21。图4示出了所得到的压电滤波器21的截面图，其中未示出振动电极和外部电极。
下面，将详细描述粘合剂7和9。当压电滤波器21受到诸如回流之类的高温热处理时，中心频率Fo由于施加给压电基片1和2的热，在回流前后变化。由于热膨胀系数的不同，压电基片1和2还受到来自顶盖基片10和11，以及来自粘合剂7和9的应力。当压电基片1和2由陶瓷基片制成时，热膨胀系数按照压电基片1和2、顶盖基片10和11，以及粘合剂7和9的顺序增加。相应地，当粘合剂7和9具有大的弹性模量，或当粘合剂7和9薄时，在施加给压电基片1和2应力中，由顶盖基片10和11给予的应力占优势。因为顶盖基片10和11由于回流的热引起的的膨胀大于压电基片1和2的膨胀，压电基片1和2受到来自顶盖基片10和11的压缩应力，由此中心频率Fo移动到低频侧。
另一方面，当粘合剂7和9具有小的弹性模量时，或者当粘合剂7和9厚时，由顶盖基片10和11给予的应力由粘合剂7和9吸收，由粘合剂7和9给予的应力在施加给压电基片1和2的应力中占优势。由于将粘合剂7和9设置在如图1所示的压电基片1和2的振动电极3a和3b周围，故当具有更大的热膨胀系数的粘合剂7和9在受到回流后开始收缩时，压电基片1和2上设置有振动电极3a和3b的振动部分从粘合剂7和9受到张应力。于是，中心频率移向高频例。换句话说，中心频率Fo的变化可以通过改变粘合剂7和9的弹性模量和厚度，控制给予压电基片1和2的应力而控制。
相应地，通过适当地选择粘合剂7和9的弹性模量和厚度在回流中由于给予压电基片1和2的热引起的中心频率Fo的变化可以通过由顶盖基片10和11、以及由粘合剂7和9给予压电基片1和2的合成应力引起的中心频率Fo的变化来消除。因此，可以减小在诸如回流之类的高温热处理前后中心频率的改变量。
实际上，选择弹性模量c，厚度b2的粘合剂7和9，以便通过下面等式计算的值大致为零。
a2×b2-a3×b3-a1×b1×exp[-(b2/c2)×107] (1)其中，a1(/℃)和b1(μm)分别表示顶盖基片10和11的热膨胀系数和厚度，a2(/℃)、b2(μm)和C(MPa)分别表示粘合剂7和9的热膨胀系数、厚度和弹性模量，而a3(/℃)和b3(μm)表示压电基片1和2的热膨胀系数和厚度。较好地，选择适当的值，使由等式(1)计算得出的值落在0±1.0×10-4的范围内。
当允许由顶盖基片10和11给予压电基片1和2的应力由粘合剂7和9吸收时，应力仅仅包含由粘合剂7和9给予压电基片1和2的应力成份。相应地，压电基片1和2总是受到大致上恒定的应力，由此，减小中心频率在回流前后的改变量，及其分布。更具体地说，与顶盖基片10有关的包含参数a1和b1的项变小，以减小等式(1)中顶盖基片10和11的影响。即，选择弹性模量c和厚度b2的b2/c2的值(为等式exp[-(b2/c2)×10-7]的系数)满足下面的等式(2)的粘合剂7和9。
(b2/c2)≥5.0×10-7 (2)
根据本发明的层叠压电元件不限于上述实施例，但是可以在不改变本发明的主旨的范围内变化。压电基片的数量不必限制于两个基片，但是，可以通过两个顶盖基片10和11密封和夹住一个压电基片1。虽然在上述实施例中的压电元件中的顶盖基片上设置了用于形成振动空间的凹部，这种凹部是可以省略的，并且振动空间可以利用粘合剂的厚度提供。
例子
如图1到3所示的压电滤波器21是使用厚度为500μm的顶盖基片10和11和厚度为200μm的压电基片1和2，同时使用弹性模量为3000MPa和6000MPa的粘合剂作为粘合剂7和9的两种粘合剂而制造的。顶盖基片10和11、以及压电基片1和2的热膨胀系数分别是7.8×10-6/℃和2.0×10-6/℃。对于弹性模量为3000MPa和6000MPa的粘合剂7和9，它们的热膨胀系数分别是6.3×10-5/℃和4.8×10-5/℃。
等式(1)的值应该接近于零，以减小中心频率在回流前后的改变量。相应地，粘合剂7和9的厚度b2的目标值可以调节到6μm，当粘剂7和9的弹性模量c为3000MPa时，以将(1)的值限定在0±1.0×10-4范围内。类似地，当粘合剂7和9的弹性模量c为6000MPa时，可以将粘合剂7和9的厚度b2的目标值调节到12μm。
图6和7是曲线图，示出当粘合剂7和9的厚度在5到15μm范围内时，中心频率Fo在回流前后的改变量(回流24小时后的改变量)与粘合剂7和9的厚度b2之间的关系，其中在图6和7中，弹性模量为3000MPa和6000MP。曲线图示出，对于弹性模量为3000MPa和6000MPa的粘合剂7和9，在目标厚度b2为6μm和12μm时，中心频率的改变量接近于零。
应该满足等式(2)，以减小抑制中心频率Fo在回流前后的改变量。相应地，当粘合剂7和9的弹性模量为3000MPa时，在等式(2)中，粘合剂7和9应该调节到4.5μm或更大。另一方面，当弹性模量是6000MPa时，厚度b2应该调节到18μm或更大。图8是曲线图，分别示出使用厚度b2为40到45μm以及使用厚度b2为5到15μm的样品组A和B的中心频率Fo在回流前后的改变量(回流24小时后的改变量)，其中使用弹性模量c为6000MPa的粘合剂7和9。从厚度b2为5到15μm的样品组B随机地选出10个样品，并从厚度b2为40到45μm的样品组A中随机地选出10个样品。图9和10是曲线图，示出当对于样品组A和B，测量中心频率Fo的与时间相关的改变量的最大值、最小值和平均值时的实验结果。通过图9和图10之间的比较可以知道，通过增加厚度b2，抑制中心频率Fo的改变量的分布。
如从上述描述显然的，通过调节粘合剂的弹性模量和厚度，通过与顶盖基片和粘合剂给予压电基片的合成应力引起的谐振频率的改变量，在本发明中可以消除由于在回流中给予压电基片的热引起的谐振频率的改变量。
结果，可以得到一种层叠压电元件，其中在诸如回流之类的高温热处理前后的中心频率的改变量可以减小。另外，当由顶盖基片给予压电基片的应力与粘合剂吸收时，压电基片仅仅受到由粘合剂给予压电基片的合成应力的成份。由此，压电基片总是受到大致上恒定的应力，由此除了抑制其分布外，还允许回流前后的谐振频率的改变量减小。