LST切石英在过去的发展情况

在前几部分中，我们提到了基于石英的表面波和表面横波 (也称之为能陷度好的表面飞掠块体波)，实际上就是广义上的表面波和慢剪切表面波。众所周知，广义上的表面波的波速比体波的慢剪切波速慢 (图4)。但表面横波的波速与体波的慢剪切波波速非常接近。

图4 体波和表面波

1985年，Shimizu等人发现了一种新型的石英晶体切型，其频率温度性能非常出色，见图5。该切型的欧拉角为 (0º, 15º, 0º)，波沿着X轴方向传播。该波型称为漏表面波 (Leaky Surface Acoustic Wave, LSAW)，意思是指能量会随着波的传播而漏入到机体当中。因此，该石英切型也随之称为LST切石英 (Leaky Stable Temperature Cut)。发现，这种切型的能量泄露是非常小的，大约0.0026dB/l。一般而言，漏表面波的波速要快于体波的慢剪切波波速，但慢于体波的快剪切波[图4]。漏表面波的波速比ST切的波速大约快四分之一。

图5 ST切和LST切石英晶体的Δτ/τ vs T图

表1 ST切和LST切石英晶体的比较

在表1中，我们列出了这两种切型的关键性参数以方便比较。这里需要强调的是，在能量泄露为零，波速快于体波的慢剪切波波速情况下，常用虚拟表面波 (Pseudo Surface Acoustic Wave, PSAW) 来描述波型，这是真正意义上的表面波。

由于漏表面波出色的频率温度稳定性，引起了广泛地关注。近几年来对其的研究主要包括用金薄膜作为金属镀膜法。早在八九十年代，LST切石英就已经在实际当中应用。然而，一些关键性问题困扰着研究人员，比如，金属镀膜厚度的高敏感性、切角牢度和能量随温度升高而增加等问题，见图6。

图6 LST切石英晶体的插入损耗与温度关系图

九十年代后期，对LST切石英晶体的研究逐渐步入平缓阶段。有趣的是，九十年代晚期工业界放弃了在手机射频滤波器中传统使用的36ºYX LiTaO3 漏表面波切体，转而开始使用能够提供光学温度性能良好的42ºYX LiTaO3晶体。而这一转变归功于早期对LST切石英晶体研究中，漏表面波的能量泄露与温度关系的报道。

LST切石英晶体的{zx1}发展情况

自九零年后期到二千年早期，对LST切石英晶体新的研究兴趣开始出现。部分原因是来自于市场对于具有高频率温度稳定性的高频率振荡器需求的不断提高。在1999年，Yong等开始用有限元工具来研究LST切石英晶体，见图7。Yong提出了一个关键性参数——均值衰减因子 (Mean attenuation factor)。均值衰减因子是指衬底上半部分与下半部分位移均值平方根的比值。它是漏表面波能量泄露的相对测量值。一般而言，体波模型的均值衰减因子接近1，而低端漏表面波的均值衰减因子小于1。2003年，Yoon 利用商业有限元软件研究了LST切石英晶体有限厚度衬底对漏表面波耗散的影响。

图7 LST切石英晶体的Δf/f vs T有限元结果

Watanabe， 1985年LST切石英晶体发现者之一，他对LST切型石英晶体依然抱着极大热情。在2002年，他创新性地通过multi-wire-sawing方法利用废弃的石英Z杆来制作LST切石英晶体。文章作者相信，如果能够保证切角在16.2º±0.2º LST切晶体的耐劳度，那么就能够将频率振动和插入损耗改变维持到{zd1}。同年，Watanabe演示了一种在LST切石英晶体上的翘起型传感器 (Raised-transducer) 结构 (图8)，这样就解除了对电极薄膜厚度的依赖。对于操作温度在 -30~110 ºC，频率为 200 MHz的传感器器件来说，频率的该变量仅为±20 ppm (图9)，插入损耗量低于0.5 dB。

图7 LST切石英晶体的Δf/f vs T有限元结果

图9 LST切石英晶体上翘起型传感器结构的Δf/f vs T关系图

图10 基于LST切石英晶体622 MHz表面波谐振器的Δf/f vs T关系图

{zh0}的结果 (温度操作范围-30~110 ºC，频率的该变量好于±50 ppm) 是由本文作者通过对于622 MHz带有表面电极的表面波谐振器得到 (-73º切角，周期比为0.4， H/l=1.0)，见图10。该结果发表在作者2004年的综述文章中。

2003年，Soluch表明，LST切晶体实际上属于微型衍射切型族，作为反射系数较小的单晶铝电极来说，其反射系数还要要比ST切晶体的反射系数大四倍。