JPH0257251B2 - - Google Patents

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JPH0257251B2
JPH0257251B2 JP58199011A JP19901183A JPH0257251B2 JP H0257251 B2 JPH0257251 B2 JP H0257251B2 JP 58199011 A JP58199011 A JP 58199011A JP 19901183 A JP19901183 A JP 19901183A JP H0257251 B2 JPH0257251 B2 JP H0257251B2
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JP
Japan
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surface acoustic
acoustic wave
phase difference
frequency
wave propagation
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JP58199011A
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JPS6091224A (ja
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Satoshi Wakamori
Kazuyuki Nagatsuma
Sakichi Ashida
Yukio Ito
Hiroyuki Takeuchi
Shigeru Sadamura
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H5/00Measuring propagation velocity of ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. of pressure waves

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、測定対象弾性表面波基板に、いちい
ち入出力電極を設けるなどの手数をかけることな
く簡便に、その表面波伝搬速度をほぼ自動的に測
定できるようにした弾性表面波基板の表面波伝搬
速度測定装置に関する。
〔発明の背景〕
弾性表面波基板の材質たとえば表面波伝搬速度
を、この基板面上に金属電極を直接形成しないで
簡便に測定する方法としては、これまで第1図に
示したようにガラス板21上に形成した交差指電
極1,2を圧電体20に密着させるか(例えば、
M.B.Schulz、et al.J.Appl.Phys、41、2755
(1970))、空隙を介して対向させる(たとえば、
M.K.Roy、J.Phys.E:Scientific Instruments9、
148(1976))方法が知られている。しかし、これ
らの方法は、弾性表面波の変換結合率が低く、弾
性表面波伝搬速度の高精度測定などには、適用で
きなかつた。
これに対し、弾性表面波の伝搬速度がほぼ等し
い二つの圧電体が空隙を介して対向し、ある適当
な結合長を有するとき、弾性表面波の結合効率は
良好となり、一方の圧電体上に弾性表面波を進行
波として伝搬させることにより、他方の圧電体上
に弾性表面波を励振させ、伝搬させることが出来
るという効果、すなわち弾性表面波の方向性モー
ド結合効果が、第2図に示すように、同一材質の
圧電体22を2個用いて構成された可変遅延線に
より、W.L.Bond et al .によつて、理論的、実
験的に確認されている(Appl.Phys.Letters14、
122(1969))。しかし、上記報告は、同一材質の2
個の圧電体間での実験例であり、この効果を弾性
表面波基板の表面波伝搬速度の測定に応用するこ
とはこれまで考えられていなかつた。
本願出願人は既に、第3図に概念的に示す如
く、上記弾性表面波の方向性モード結合効果を利
用した、電気信号−弾性表面波信号の相互変換結
合子23を、従来のガラス板上に形成された交差
指電極などの代わりに採用して、弾性表面波の変
換結合効率を高めた、簡便、高精度な「弾性表面
波基板の材質評価方法およびその装置」を特許出
願している(特願昭57−84769(特開昭58−
202616))。しかし、この方法および装置も、弾性
表面波素子の量産現場における応用までは考慮し
ておらず、いわゆる現場向きに改良した使い易い
装置の実現が望まれていた。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、弾性表面波素子の量産現場で
容易に実用できる弾性表面波基板の表面波伝搬速
度測定装置を供することにある。
〔発明の概要〕
上記目的を達成するために発明においては、弾
性表面波基板面上に、入力すだれ状電極、出力す
だれ状電極、及び、これらの電極間に弾性表面波
伝搬方向にほぼ垂直な弾性表面波伝搬阻止のため
の溝を設けたもので、この弾性表面波基板と同種
の測定対象弾性表面波基板を平行近接配置して、
弾性表面波の方向性モード結合効果により、入力
電極を設けていない前記測定対象弾性表面波基板
面上に弾性表面波を励振、伝搬させることが出来
るようにした電気信号−弾性表面波信号の相互変
換結合器と、この相互変換結合器に、前記すだれ
状電極の通過周波数帯域内の周波数を、時間間隔
Δt、周波数間隔Δfで、順次出力する周波数発振
器と、その周波数を測定する高精度周波数カウン
タと、前記発振器出力が相互変換結合器に配置さ
れた測定対象基板面上を弾性表面波に変換されて
伝搬したのち出力された電気信号を前記発振器出
力信号に比較して両者の位相差を正確に測定する
位相差測定器と、前記周波数カウンタからの周波
数データ、位相差測定器からの位相差データをそ
れぞれ配列として記憶する配列メモリと、このメ
モリに記憶された周波数、位相差データを読み出
し位相差の2π回転を検出して補正を加える位相
差補正器と、補正された位相差データθoと周波数
データfoとを用いて弾性表面波伝搬速度を演算
し、結果を出力する演算手段とより構成され、こ
の演算手段から測定対象弾性表面波基板の表面波
伝搬速度の正確な測定結果が自動的に出力される
ようにした。
本発明装置においては、入出力電極間を弾性表
面波が伝搬するのに要する時間の測定を、現在、
高精度なものの入手が容易な周波数発振器、周波
数測定器、位相差測定器などを用いて、信号周波
数と、この周波数の電気信号が弾性表面波となつ
て弾性表面波基板面上を伝搬する間に生じる位相
差とを精密に測定し、T=1/2π・dθ/dfから弾
性表面波が基板上を伝搬する際の群遅延時間Tを
測定するようにしている。更に、近年はいわゆる
マイクロコンピユータ等が低価格で入手できるこ
とから、上記測定結果の演算に際しても最小二乗
法により信頼できる結果が得られるように努め、
相関係数の低い、疑わしい数値が現れた時には、
自動的に警告するようにした。
〔発明の実施例〕
第4図は本発明実施例に用いる電気信号−弾性
表面波信号の相互変換結合器の平面図で、第5図
はその側断面図である。この相互変換結合器自体
は、本願出願人が先に出願した「弾性表面波基板
の材質評価方法およびその装置」の明細書中に示
したものと同一である。測定対象試料10は鏡面
研磨済みのニオブ酸リチウムLiNbO3単結晶の
128度YX板(X軸を回転軸とし、Y面をZ軸方
向に128度回転した面でX軸方向に弾性表面波を
伝搬させる結晶板)で、その表面上の弾性表面波
(レーリー波)の伝搬速度を、この試料ウエハ面
上に入出力電極などを設けないで、簡便に測定し
ようとするのである。上記測定対象試料10に、
弾性表面波を励振させ伝搬させるのは、やはりニ
オブ酸リチウムの単結晶板4で、鏡面研磨を施し
た、厚さ2mm、直径50mmのLiNbO3128度YX板上
に、電極指幅17μm、電極指間スペース17μm、
開口長16mm、対数5の正規型交差指電極1,2
を、それぞれ、入、出力電極として、電極間距離
25mmに、ホトリソグラフイ技術により作成し(電
極材料Al、電極指部の膜厚0.5μm、電極引出し部
の膜厚1.0μm)、更に、両電極間中央部に、弾性
表面波伝搬阻止の為に、幅0.3mm、深さ0.2mmの溝
3を1mmピツチで10本、ダイアモンドカツタで、
表面波の伝搬方向とほぼ垂直(88度)に形成して
ある。この単結晶板4の、弾性表面波が到達する
端部は不要反射波を打ち消すために細かな凹凸6
を形成してある。また、単結晶板4の端部の電極
引出し部7には表面と段差を設けて、銀ペースト
でリード線を固定したリード線接続部9が在る。
さらに電極引出し部7の中央部に、測定対象試料
10吸着用の直径1.7mmの孔8を設けた。なお、
第4図中の5は、通常ウエハの位置を定める為に
ウエハに設けてあるオリエンテーシヨンフラツト
(略称オリフラOrientation Flat)の位置決めを
するオリフラガイド、11は真空吸着用金属製保
持容器である。真空吸着用金属製保持容器11に
は真空ポンプを接続して内部を真空にし、測定対
象試料10を孔8を介して真空吸着する。
測定対象試料10と単結晶板4とは、電極引出
し部では、Al膜を介して接触し、他の部分では、
約1μmの空隙を介して対向している。第5図で、
下方単結晶板4上の入力電極1で励振された弾性
表面波の有効成分は、出力電極2に向かつて伝搬
する。伝搬中、これと平行に対向する上方の測定
対象試料10の上に、適当距離進行後、そのエネ
ルギーの一部が移行し、残りは、伝搬阻止用溝3
形成部分で乱反射し、直接出力電極2に入射する
ことはない。測定対象試料10に移行した、表面
波の有効成分は、そのまま測定対象試料の単結晶
上を進行し、溝が形成されておらず、両単結晶板
が平行に対向している部分で、今度は逆に、上方
測定対象試料10から、下方単結晶板4に、その
エネルギーを移行させ、出力電極2で、表面波か
ら電気信号に変換され受信される。
第6図は、本発明測定装置の全容を示すブロツ
ク図である。測定対象試料10が吸着された相互
変換結合器25に、周波数発振器26が、時間間
隔Δt、周波数間隔Δfで、高周波電気信号を順次
出力する。なお、ここでの発振周波数の変化範囲
は、相互変換結合器25の入、出力すだれ状電極
が有する通過周波数帯域の範囲内である。ちなみ
に本実施例では、50.5MHzから64MHzまでをΔf=
150kHzの刻みで順次出力させる様にした。この
際に発振された電気信号の周波数は、周波数カウ
ンタ28により正確に測定され、周波数配列メモ
リ30に記憶される。次ぎに、相互変換結合器2
5において、測定対象試料10を経由して出力さ
れた電気信号は、位相差測定器27に入力され
る。また、周波数発振器26の信号も、直接、位
相差測定器27に入力される。位相差測定器27
は、入力された両者の信号の位相を、同期をとる
ためのトリガライン35を用いて比較し、位相差
を正確に測定する。このようにして得られた位相
差のデータは、位相差配列メモリ29に記憶され
る。ここで記憶された位相差のデータは、例えば
−π〜+πの、全体で2πの範囲でしか得られな
いため、位相差補正器31で、周波数データと位
相差データから2π回転を検出し、位相差データ
に補正を加える。補正された位相差データは、補
正位相差配列メモリ32に記憶される。以上の手
順で、周波数配列メモリ30に記憶された周波数
データf1〜fo、補正位相差配列メモリ32に記憶
された位相差データθ1〜θoを用いて、演算手段3
3により表面波伝搬速度Vを演算する。
その演算手段は下記の如くである。一般的に、
あるブラツクボツクスの群遅延時間Tを求める式
はT=1/2π・dθ/dfで示される。まず測定され
たθ1〜θo、f1〜foを演算手段33に取り込み、群
遅延時間Tを演算する。この演算方法として、こ
こでは最小二乗法を用いた。
T=1/2π・Σθifi−(Σθi)(Σfi)/n/Σ
θi2−(Σθi)2/n 相互変換結合器25の入力すだれ状電極と出力
すだれ状電極の電極間距離Lは既知であるため、
表面波伝搬速度VはV=L/Tで求められる。以
上の手順を演算手段33で行い、得られた表面波
伝搬速度測定結果を出力装置34により出力す
る。なお、この際、相関係数rを r=nΣθifi−(Σθi)(Σfi)/√{nΣθ2i
(Σθi)2}{nΣf2i−(Σfi)2} にて求め、その値がしきい値として任意に定めた
値0.95より小さい場合は、測定結果に疑義ありと
して、警告を出力する様にすれば、一層精度の高
い測定が実現できる。この装置により得られた測
定結果は、LiNbO3単結晶の128度YX板の表面波
伝搬速度を1m/s(約±0.25%)の分解能で測
定できるほど高精度なものである。
なお、本発明により、ニオブ酸リチウム基板以
外の弾性表面波基板、例えばタンタル酸リチウ
ム、水晶等の圧電体の表面波伝搬速度測定も可能
なことは勿論である(ただし、結晶板4の材質
は、測定対象試料10の材質に応じて同種のもの
に取り替えて用いるものとする)。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、従来の、
測定対象試料に入出力電極パターンを形成させる
ための長時間を要する工程が不要となり、極めて
短時間で、しかも、従来の電極を形成させた場合
と殆ど同程度の高精度で、弾性表面波の伝搬速度
を、ほぼ自動的に測定することが出来る。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のガラス板に電極を設けて、弾性
表面波基板上の表面波伝搬速度を測定する方法を
示す図、第2図は従来のモード結合形弾性表面波
励振方法を示す図、第3,4,5図は本発明に応
用した電気信号−弾性表面波信号の相互変換結合
器を説明する図、第6図は本発明実施例のブロツ
ク図である。 1……入力すだれ電極、2……出力すだれ状電
極、3……弾性表面波伝搬阻止の為の溝、4……
測定対象試料と同種の単結晶板、6……不要反射
波抑制用の細かな凹凸、8……測定対象試料真空
吸着用孔、10……測定対象試料、23……電気
信号−弾性表面波信号相互変換結合子、25……
相互変換結合器、26……周波数発振器、27…
…位相差測定器、28……周波数カウンタ、29
……位相差配列メモリ、30……周波数配列メモ
リ、31……位相差補正器、32……補正位相差
配列メモリ、33……演算手段、34……出力装
置。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 弾性表面波基板上に、入力すだれ状電極、出
    力すだれ状電極、及びこれらの電極間に弾性表面
    波伝搬方向にほぼ垂直な弾性表面波伝搬阻止のた
    めの溝が設けられており、さらに、この弾性表面
    波基板に測定対象弾性表面波基板を平行近接配置
    させる手段を有する電気信号−弾性表面波信号の
    相互変換結合器と、 この相互変換結合器に、前記すだれ状電極の通
    過周波数帯域内の周波数を、時間間隔Δt、周波
    数間隔Δfで、順次出力する周波数発振器と、 その周波数を測定する周波数カウンタと、 前記発振器出力が前記相互変換結合器に配置さ
    れた前記測定対象基板面上を弾性表面波に変換さ
    れて伝搬したのち前記相互変換結合器により再度
    電気信号に変換されて出力された電気信号の位相
    と、前記発振器の出力信号の位相の位相差を測定
    する位相差測定器と、 前記周波数カウンタからの周波数データと前記
    位相差測定器からの位相差データをそれぞれ配列
    として記憶する配列メモリと、 この配列メモリに記憶された周波数データと位
    相差データを読み出して位相差の2π回転を検出
    して補正を加える位相差補正器と、 この位相差補正器により補正された位相差デー
    タθnと周波数データfnとを用いて弾性表面波伝搬
    速度を演算して結果を出力する演算手段と からなることを特徴とする弾性表面波基板の表面
    波伝搬速度測定装置。 2 上記演算手段は、上記相互変換器結合器の入
    力すだれ状電極と出力すだれ状電極の電極間距離
    Lと、この電極間距離を弾性表面波が伝搬するの
    に要する群遅延時間T=1/2π・dθ/dfから、弾
    性表面波伝搬速度VをV=L/Tとして演算する
    特許請求の範囲第1項記載の弾性表面波基板の表
    面波伝搬速度測定装置。 3 上記演算手段は、上記群遅延時間Tを最小二
    乗法により演算する特許請求の範囲第2項記載の
    弾性表面波基板の表面波伝搬速度測定装置。 4 上記演算手段は、最小二乗法による演算に際
    し、相関係数rが0.95以下となつた時は、測定結
    果に疑義ありとして警告を発するようにした特許
    請求の範囲第3項記載の弾性表面波基板の表面波
    伝搬速度測定装置。
JP19901183A 1983-10-26 1983-10-26 弾性表面波基板の表面波伝搬速度測定装置 Granted JPS6091224A (ja)

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