JP2008278349A - Saw resonator - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small SAW resonator which has an excellent frequency temperature characteristic in a large temperature range. <P>SOLUTION: In an SAW resonator 10, an IDT 20 is formed on a crystal substrate 5, a resonance lies in the vicinity of a stop band upper side and under side of the IDT 20, and the crystal substrate 5 has an oblique symmetrical property. A high-order mode resonance frequency which the resonance in the vicinity of the stop band upper side has and a fundamental wave mode resonance frequency which the resonance in the vicinity of the stop band under side has are made coincident with each other to be formed in a coupling state. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明はレイリー波を励振するSAW共振子に関し、特には周波数温度特性を向上させるSAW共振子に関する。   The present invention relates to a SAW resonator that excites a Rayleigh wave, and more particularly to a SAW resonator that improves frequency temperature characteristics.

従来技術のSAW共振子は、水晶基板の表面に電極としてアルミニウム、銅、チタン、タングステン等の金属を用いて電極パターンを形成し、SAW共振子を構成している。また、水晶基板の方位は、水晶結晶の基本軸において、オイラー角表示(φ,θ,ψ)で、まず光軸であるZ軸まわりに反時計方向にφが0°±1°範囲であり、つぎに電気軸であるX軸回りに反時計方向にθが122°〜127°範囲であり、つぎに新たに生成した軸Z´まわりに前記の圧電体平板内において、X軸を起点として反時計方向に面内回転して、ψが40°〜44°範囲である方向が弾性表面波の位相伝搬方位とする面内回転STカットがある。
この面内回転STカット基板において、SAW共振子として利用する弾性表面波はレイリー波である。この弾性波は従来から有名なSTカット基板を用いたSAW共振子に使用されている表面波と類似しており属性も近いものであるため、周波数が安定で駆動電力に対する耐性および電極の残留応力に対する感度が小さく、優れた周波数安定性が維持できるものである(特許文献1参照)。
In the SAW resonator of the prior art, an electrode pattern is formed on the surface of a quartz substrate using a metal such as aluminum, copper, titanium, tungsten, or the like as an electrode to constitute a SAW resonator. The orientation of the quartz substrate is Euler angle display (φ, θ, ψ) on the fundamental axis of the quartz crystal. First, φ is in the range of 0 ° ± 1 ° counterclockwise around the optical axis Z. Next, θ is in the range of 122 ° to 127 ° counterclockwise around the X axis, which is the electric axis, and the X axis is the starting point in the piezoelectric plate around the newly generated axis Z ′. There is an in-plane rotation ST cut that rotates in the counterclockwise direction and the direction in which ψ is in the range of 40 ° to 44 ° is the phase propagation azimuth of the surface acoustic wave.
In this in-plane rotating ST cut substrate, the surface acoustic wave used as the SAW resonator is a Rayleigh wave. Since this elastic wave is similar to the surface wave used for the SAW resonator using the well-known ST cut substrate and has similar attributes, it has a stable frequency, resistance to driving power, and residual stress of the electrode. Is low and can maintain excellent frequency stability (see Patent Document 1).

このような、SAW共振子を用いて発振器を構成する際に、周波数精度と共に周波数温度特性の精度の高精度化が要求されている。特に高速ネットワーク市場において、周波数安定性の要求が強い。
周波数安定性のなかでも周波数温度特性の改善方法については幾つかの方法が知られており、特許文献2では、基板上に複数のSAW共振子を、それぞれの弾性表面波の伝搬方位を異なるようにして配置し、これらを結合して周波数温度特性を改善している。
さらに、特許文献3では、周波数温度特性を異ならせた2つのSAW共振子を平行に配置し、これらを斜対称モードとなるように励振して横弾性的に結合させることで平坦な周波数温度特性を図っている。
When configuring an oscillator using such a SAW resonator, it is required to improve the accuracy of the frequency temperature characteristics as well as the frequency accuracy. In particular, there is a strong demand for frequency stability in the high-speed network market.
Among frequency stability, several methods are known for improving frequency temperature characteristics. In Patent Document 2, a plurality of SAW resonators are arranged on a substrate so that the propagation directions of surface acoustic waves are different. The frequency temperature characteristics are improved by combining them and combining them.
Furthermore, in Patent Document 3, two SAW resonators having different frequency temperature characteristics are arranged in parallel, and these are excited so as to be in an obliquely symmetric mode and are coupled in a horizontal elastic manner to obtain a flat frequency temperature characteristic. I am trying.

特許第3216137号公報Japanese Patent No. 3216137 米国特許第4193045号明細書U.S. Pat. No. 4,193,045 米国特許第5912602号明細書US Pat. No. 5,912,602

特許文献1のような面内回転STカット水晶基板を用いたSAW共振子は、STカット基板を使用して製作したSAW共振子の周波数温度特性に対して2倍の周波数精度が得られるものであるが、最近の精度要求に対しては不十分な状況にある。
具体的には、このSAW共振子が有する周波数温度特性の2次温度係数は−1.6×10-8/℃2であって、仮にその頂点温度を使用温度範囲(−35℃〜+85℃)の中央に配置すると、温度変化による周波数変動量は約58ppmとなり、これ以上の周波数温度特性の向上は困難である。
また、特許文献2,3では複数のSAW共振子を用いて周波数温度特性の向上を図っており、SAW共振子の小型化が難しい。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、小型で広い温度範囲にわたり周波数温度特性に優れたSAW共振子を提供することにある。
The SAW resonator using the in-plane rotating ST-cut quartz substrate as in Patent Document 1 has a frequency accuracy twice as high as the frequency temperature characteristic of the SAW resonator manufactured using the ST-cut substrate. However, it is inadequate for recent accuracy requirements.
Specifically, the second-order temperature coefficient of the frequency temperature characteristic of the SAW resonator is −1.6 × 10 −8 / ° C. 2 and its apex temperature is assumed to be within the operating temperature range (−35 ° C. to + 85 ° C. ), The frequency fluctuation amount due to temperature change is about 58 ppm, and it is difficult to further improve the frequency temperature characteristics.
In Patent Documents 2 and 3, frequency temperature characteristics are improved by using a plurality of SAW resonators, and it is difficult to reduce the size of the SAW resonators.
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a SAW resonator having a small size and excellent frequency temperature characteristics over a wide temperature range.

上記課題を解決するために、本発明は水晶基板にIDTが形成され、前記IDTの上側および下側のストップバンド付近に共振を有し前記水晶基板が斜対称性を備えたSAW共振子であって、前記上側のストップバンド付近の共振が有する高次モードの共振周波数と、前記下側のストップバンド付近の共振が有する基本波モードの共振周波数とを一致させて結合状態を形成したことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, the present invention is a SAW resonator in which an IDT is formed on a quartz substrate, and the quartz substrate has resonance in the vicinity of stopbands on the upper and lower sides of the IDT. The resonance state of the higher-order mode possessed by the resonance near the upper stop band and the resonance frequency of the fundamental mode possessed by the resonance near the lower stop band are matched to form a coupled state. And

この構成によれば、上側のストップバンド付近の共振が有する高次モードと下側のストップバンド付近の共振における基本波モードが同時に存在して駆動電圧により励振される。それぞれのモードの共振は周波数温度特性がわずかに異なり、具体的には周波数温度特性の頂点温度が異なって出現する。この状態において、両者の共振モードの共振周波数を一致させて共振間でわずかな弱い結合を生じさせることで、それぞれの周波数温度特性が合成され、広い温度範囲に対して平坦な周波数温度特性が実現できる。
また、一つのSAW共振子に存在する2個の共振を結合させて周波数温度特性の向上を図れるため、周波数温度特性に優れたSAW共振子の小型化が可能である。
According to this configuration, the higher-order mode of the resonance near the upper stop band and the fundamental mode in the resonance near the lower stop band simultaneously exist and are excited by the drive voltage. The resonance of each mode has slightly different frequency temperature characteristics, and specifically, the peak temperatures of the frequency temperature characteristics appear differently. In this state, the resonance frequencies of the two resonance modes are matched to generate a slight weak coupling between resonances, thereby synthesizing each frequency temperature characteristic and realizing a flat frequency temperature characteristic over a wide temperature range. it can.
Further, since the frequency temperature characteristic can be improved by combining two resonances existing in one SAW resonator, the SAW resonator having excellent frequency temperature characteristic can be downsized.

前記水晶基板が水晶単結晶の機械軸Yに垂直な面を電気軸Xの回りの反時計方向に角度θ=32°以上37°以下の範囲で回転させた平板であり、前記電気軸X回りの角度θの回転により新たに規定されるY´軸を、反時計方向を正として角度+ψまたは−ψ回転させて新たに規定されるX´軸に沿って前記IDTが配置されており、ψ=40°以上44°以下の範囲であることが望ましい。   The quartz substrate is a flat plate obtained by rotating a plane perpendicular to the mechanical axis Y of a quartz single crystal in a counterclockwise direction around the electric axis X within a range of an angle θ = 32 ° to 37 °, and about the electric axis X The IDT is arranged along the newly defined X ′ axis by rotating the Y ′ axis newly defined by the rotation of the angle θ of the angle ++ or −ψ with the counterclockwise direction being positive. It is desirable that the angle be in the range of 40 ° to 44 °.

この構成によれば、周波数温度特性における2次温度係数が小さい水晶基板を用いて、結合振動子を構成していることから、広い温度範囲に対してさらに周波数温度特性に優れたSAW共振子を提供することができる。   According to this configuration, since the coupling resonator is configured using a quartz substrate having a small second-order temperature coefficient in the frequency temperature characteristics, a SAW resonator having further excellent frequency temperature characteristics over a wide temperature range can be obtained. Can be provided.

本発明のSAW共振子は、1個の前記IDTと前記IDT両側に1対の反射器を配置した1ポート型のSAW共振子であることが望ましい。   The SAW resonator of the present invention is preferably a one-port SAW resonator in which one IDT and a pair of reflectors are arranged on both sides of the IDT.

この構成によれば、小型化され周波数温度特性の良好な1ポート型のSAW共振子を提供できる。   According to this configuration, it is possible to provide a one-port SAW resonator that is downsized and has good frequency temperature characteristics.

本発明のSAW共振子は、2個の前記IDTと前記2個のIDT両側に1対の反射器を配置した2ポート型のSAW共振子であることが望ましい。   The SAW resonator of the present invention is preferably a two-port SAW resonator in which two IDTs and a pair of reflectors are arranged on both sides of the two IDTs.

この構成によれば、小型化され周波数温度特性の良好な2ポート型のSAW共振子を提供できる。   According to this configuration, it is possible to provide a two-port SAW resonator that is downsized and has good frequency temperature characteristics.

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
(第1の実施形態)
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)

図1は本実施形態の1ポート型SAW共振子の構成を示す構成図であり、図1(a)は模式平面図、図1(b)は同図(a)のA−A断線に沿う模式断面図である。
SAW共振子10は、水晶基板5の主面に形成されたIDT20、反射器30を備えている。IDT20は、アルミニウム、銅、チタン、タングステンなどの金属で形成され、極性の異なる交差指電極21,22が交互に間挿されるように構成されている。そして、IDT20の両側にはアルミニウム、銅、チタン、タングステンなどの金属で形成された、格子状の反射器30が備えられている。
1A and 1B are configuration diagrams showing the configuration of a 1-port SAW resonator according to the present embodiment. FIG. 1A is a schematic plan view, and FIG. 1B is along the A-A disconnection in FIG. It is a schematic cross section.
The SAW resonator 10 includes an IDT 20 and a reflector 30 formed on the main surface of the quartz substrate 5. The IDT 20 is made of a metal such as aluminum, copper, titanium, or tungsten, and is configured such that the interdigitated electrodes 21 and 22 having different polarities are alternately inserted. On both sides of the IDT 20, a grid-like reflector 30 made of a metal such as aluminum, copper, titanium, or tungsten is provided.

次に、水晶基板5について説明する。
図2は水晶基板が有する方位角を示す説明図である。まず、水晶基板5の母材となる水晶ウエハ1について説明する。水晶ウエハ1は、水晶の機械軸Y(Y軸とも言う)に垂直な、いわゆるY板2を水晶の電気軸X(X軸とも言う)の回りに反時計方向に角度θ回転させた面を備えている。この回転した面により、機械軸Yおよび光軸Z(Z軸とも言う)のθ回転した新たなY´軸およびZ´軸が規定される。
さらに、SAW共振子10を構成するIDT20および反射器30は水晶の電気軸XをY´軸の回りに反時計方向を正として+ψまたは−ψ回転させたX´軸に沿って配置される。そして、SAW共振子10を構成する水晶基板5は、水晶ウエハ1からZ´軸を±ψ回転させたZ´´軸およびX´軸で規定される主面6を有するように切断される。
ここで、本実施形態の水晶基板ではθ=32°以上37°以下、ψ=40°以上44°以下の範囲に設定される。
なお、上記の方位をオイラー角表示で表すと、(0°,θ+90°,±ψ)となる。また、角度の符号は反時計方向を正(+)をする。角度ψについては+方向に回転した場合と−方向に回転した場合とでは、その示す特性は同一である。
以上、このような方位を有する水晶基板は広義では面内回転STカット基板と呼ばれている。
Next, the quartz substrate 5 will be described.
FIG. 2 is an explanatory view showing the azimuth angle of the quartz substrate. First, the quartz wafer 1 that is a base material of the quartz substrate 5 will be described. The crystal wafer 1 has a surface obtained by rotating a so-called Y plate 2 perpendicular to the mechanical axis Y (also referred to as Y axis) of the crystal, counterclockwise by an angle θ around the electrical axis X (also referred to as X axis) of the crystal. I have. The rotated surface defines new Y′-axis and Z′-axis which are rotated by θ of the mechanical axis Y and the optical axis Z (also referred to as Z-axis).
Further, the IDT 20 and the reflector 30 constituting the SAW resonator 10 are disposed along the X ′ axis obtained by rotating the electrical axis X of the crystal around the Y ′ axis by + ψ or −ψ with the counterclockwise direction being positive. The quartz substrate 5 constituting the SAW resonator 10 is cut from the quartz wafer 1 so as to have a main surface 6 defined by the Z ″ axis and the X ′ axis obtained by rotating the Z ′ axis by ± ψ.
Here, in the quartz substrate of the present embodiment, θ is set in the range of 32 ° to 37 ° and ψ = 40 ° to 44 °.
Note that the above azimuth is represented by Euler angle display (0 °, θ + 90 °, ± ψ). The sign of the angle is positive (+) in the counterclockwise direction. Regarding the angle ψ, the characteristics shown are the same when rotated in the + direction and when rotated in the − direction.
As described above, the crystal substrate having such an orientation is called an in-plane rotating ST cut substrate in a broad sense.

ここで、本発明の理解を進めるために、このような面内回転STカット基板を用いたIDTの電極周期長が一定なSAW共振子について説明する。
図3は上記の面内回転STカット基板を用いたSAW共振子のインピーダンス特性を示すグラフである。
このような面内回転STカット基板を用いたIDTの電極周期長が一定なSAW共振子において、レイリー波が励振され下側のストップバンド付近に共振Eが存在する。通常この共振Eを用いて、SAW共振子が構成されている。また、この共振Eの他に、上側のストップバンド付近に共振Hが確認されている。この共振Hは水晶基板の斜対称性に起因するものと考えられている。
この斜対称性は、SAW共振子を構成するIDTの電極導体の1本毎の区間についての左右進行方向の反射波位相差が等しくないことから発生するものと解釈している。水晶の場合において圧電定数が小さいことから、SAW共振子が共振状態を維持した状態において、共振特性の属性は機械的な構造の斜対称性に起因すると推測される。例えば共振子の駆動信号を止めてもしばらくは振動状態を維持できることを考えれば、この仮説が正しいと推測する。
このように水晶基板の斜対称性により、STカット基板にはない上側のストップバンド付近の共振が出現する。本発明において、上側のストップバンド付近に共振が出現する水晶基板を、斜対称性を有する水晶基板と定義する。
発明者はこの上側のストップバンド付近の共振に着目し、本発明を着想した。以下にその詳細について説明する。
Here, in order to advance the understanding of the present invention, a SAW resonator having a constant electrode period length of an IDT using such an in-plane rotating ST cut substrate will be described.
FIG. 3 is a graph showing impedance characteristics of a SAW resonator using the in-plane rotating ST cut substrate.
In a SAW resonator having a constant electrode period length of an IDT using such an in-plane rotating ST cut substrate, a Rayleigh wave is excited and resonance E exists in the vicinity of the lower stop band. Usually, this resonance E is used to form a SAW resonator. In addition to the resonance E, a resonance H is confirmed near the upper stop band. This resonance H is considered to be caused by the oblique symmetry of the quartz substrate.
This oblique symmetry is interpreted to be caused by the fact that the reflected wave phase differences in the left and right traveling directions are not equal for each section of the IDT electrode conductors constituting the SAW resonator. In the case of quartz, since the piezoelectric constant is small, it is presumed that the attribute of the resonance characteristic is caused by the oblique symmetry of the mechanical structure in a state where the SAW resonator maintains the resonance state. For example, it is presumed that this hypothesis is correct considering that the vibration state can be maintained for a while even if the drive signal of the resonator is stopped.
Thus, due to the oblique symmetry of the quartz substrate, resonance near the upper stop band that does not exist in the ST cut substrate appears. In the present invention, a quartz substrate in which resonance appears in the vicinity of the upper stop band is defined as a quartz substrate having oblique symmetry.
The inventor conceived the present invention by paying attention to the resonance near the upper stop band. The details will be described below.

図4は、本実施形態のSAW共振子を構成する各部位が有する周波数特性を示す説明図である。
図4(a)はIDTの有する反射特性を示し、下側ストップバンド41と上側ストップバンド42を有している。
図4(b)、(c)はIDT共振子のアドミタンス特性を示し、本実施形態に使用する水晶基板においては、基板上にIDTを形成したいわゆるIDT共振子が有するアドミタンス特性が2個の共振特性を有している。この共振は図4(b)、(c)のYup0(基本波モード)とYlow0(基本波モード)がこれに相当し、それぞれ上側、下側ストップバンド付近に存在している。
さらに、両共振にはそれぞれ高次の縦モードが付随しており、本実施形態ではSAW共振子を構成するIDTの対数Mの値を適切に選択することで、下側の共振の基本波モードYlow0と上側の共振の縦高次モードYup1の共振周波数を一致させている。ここで、共振周波数の一致というのは、目標周波数に対して0〜±20ppm程度の範囲をいう。
この状態において、図4(e)のSAW共振子のアドミタンス特性に示すように、両共振のモードは駆動電圧により励振され、2個の共振が同時に存在して結合状態を形成する。結合の原因は、基板の斜対称性に起因している。
また、図4(d)の反射器の反射特性に示すように、反射器は選択すべきIDTの共振周波数を中央位置に配置すべく設定する。
なお、図4(a)、(d)において縦軸は反射係数Γ、図4(b)、(c)、(e)において縦軸はアドミタンスYを表し、横軸は共通として周波数fを表している。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the frequency characteristics of each part constituting the SAW resonator of this embodiment.
FIG. 4A shows the reflection characteristic of the IDT, which has a lower stop band 41 and an upper stop band 42.
4B and 4C show the admittance characteristics of the IDT resonator. In the quartz substrate used in this embodiment, the so-called IDT resonator in which the IDT is formed on the substrate has two admittance characteristics. It has characteristics. This resonance corresponds to Yup0 (fundamental wave mode) and Ylow0 (fundamental wave mode) shown in FIGS. 4B and 4C, and exists near the upper and lower stopbands, respectively.
Further, both resonances are accompanied by higher-order longitudinal modes, and in this embodiment, by appropriately selecting the value of the logarithm M of the IDT constituting the SAW resonator, the fundamental mode of the lower resonance is selected. The resonance frequency of Ylow0 and the longitudinal higher-order mode Yup1 of the upper resonance are matched. Here, the coincidence of resonance frequencies means a range of about 0 to ± 20 ppm with respect to the target frequency.
In this state, as shown in the admittance characteristics of the SAW resonator in FIG. 4E, the modes of both resonances are excited by the drive voltage, and two resonances exist simultaneously to form a coupled state. The cause of coupling is due to the oblique symmetry of the substrate.
Further, as shown in the reflection characteristic of the reflector in FIG. 4D, the reflector is set so that the resonance frequency of the IDT to be selected is arranged at the center position.
4A and 4D, the vertical axis represents the reflection coefficient Γ, and in FIGS. 4B, 4C, and 4E, the vertical axis represents the admittance Y, and the horizontal axis represents the frequency f in common. ing.

このような共振状態において、2個の共振が同時に存在して励振されている。各々の共振はその周波数温度特性が異なり、具体的には頂点温度が異なって出現する。
図5は各々の周波数温度特性の結合を説明する説明図である。頂点温度は、下側の共振の基本波モードYlow0に対して上側の共振の縦高次モードYup1が高い温度に出現し、両者間の頂点温度に差が生じている。この状態において、両者の共振間で結合が存在し、その合成される周波数温度特性は平坦に近くなり温度特性は著しく改善される。
In such a resonance state, two resonances exist simultaneously and are excited. Each resonance has a different frequency temperature characteristic, and specifically appears at a different apex temperature.
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the coupling of the respective frequency temperature characteristics. As for the vertex temperature, the longitudinal higher-order mode Yup1 of the upper resonance appears at a higher temperature than the fundamental wave mode Ylow0 of the lower resonance, and there is a difference in the vertex temperature between the two. In this state, there is a coupling between the resonances of the two, and the synthesized frequency temperature characteristic is nearly flat, and the temperature characteristic is remarkably improved.

この下側の共振の基本波モードYlow0と上側の共振の縦高次モードYup1との結合についてはつぎのように考えることができる。
基本波モードYlow0で動作している場合において、基本波モードにより斜対称成分が発生する。この斜対称成分は、縦高次モードYup1の高次成分を誘起することから、Ylow0とYup1は結合状態にあることになる。図6は上記の各モードの結合状態を表した電気的な等価回路図である。
この等価回路は基本波モードYlow0と上側の共振の縦高次モードYup1とコンデンサ150とが並列接続されて構成されており、コンデンサ150が結合部を示している。コンデンサ150は機械的な斜対称な成分を含む振動現象により発生する。
The coupling between the fundamental mode Ylow0 of the lower resonance and the longitudinal higher-order mode Yup1 of the upper resonance can be considered as follows.
When operating in the fundamental wave mode Ylow0, a diagonally symmetric component is generated by the fundamental wave mode. This obliquely symmetric component induces a higher-order component of the longitudinal higher-order mode Yup1, so that Ylow0 and Yup1 are in a coupled state. FIG. 6 is an electrical equivalent circuit diagram showing the coupling state of each mode.
This equivalent circuit is configured by connecting a fundamental wave mode Ylow0, an upper resonance longitudinal higher-order mode Yup1 and a capacitor 150 in parallel, and the capacitor 150 represents a coupling portion. The capacitor 150 is generated by a vibration phenomenon including a mechanical oblique component.

次に、本発明に利用する振動モードについて図面を参照して説明する。
図7は本発明に利用する振動モードの1例について図示した説明図である。下方のグラフ表示は矢印U方向から視認した状態を表し、横軸XはSAW共振子の振動領域、縦軸には変位振幅を示している。
図中のLS0は下側ストップバンド近傍の基本波モードYlow0による振幅の包絡線変位状態を示すものである。一方、LS1は上側ストップバンド近傍の共振系に属する縦高次モードのひとつである1次モード振幅の包絡線変位状態について図示したものである。変位振幅の状態からいずれも電気的な駆動電圧により励振可能であることもわかる。従って、両者のモードが結合動作した場合にも全体のSAW共振子のインピーダンスは低く実現できる。なお、IDT20のピッチPTと反射器30のピッチPRとの比はPT/PR=0.995に設定した。
Next, the vibration mode used in the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating an example of a vibration mode used in the present invention. The lower graph display shows a state viewed from the direction of the arrow U, the horizontal axis X indicates the vibration region of the SAW resonator, and the vertical axis indicates the displacement amplitude.
LS0 in the figure indicates the envelope displacement state of the amplitude in the fundamental wave mode Ylow0 in the vicinity of the lower stop band. On the other hand, LS1 illustrates the envelope displacement state of the first-order mode amplitude, which is one of the longitudinal higher-order modes belonging to the resonance system near the upper stop band. It can also be seen from the state of the displacement amplitude that excitation can be performed with an electric drive voltage. Accordingly, the impedance of the entire SAW resonator can be realized even when both modes are coupled. The ratio between the pitch PT of the IDT 20 and the pitch PR of the reflector 30 was set to PT / PR = 0.993.

また、両モードの周波数調整については、両者の周波数の平行シフトを領域Bで行い、両者の周波数差は領域Aで行うことが可能である。例えば、領域Bの水晶基板をエッチングすることで両者の周波数を低い方向に平行シフトさせ、領域Aの水晶基板をエッチングすることで、上側ストップバンド近傍の共振系に属する縦高次モードの周波数を低く調整し、両者の周波数差を近づけることが可能である。各モードの共振スペクトルは、LS0とLS1ともに強烈であるためネットワークアナライザにて観測可能である。   As for the frequency adjustment in both modes, it is possible to perform a parallel shift of both frequencies in the region B and to perform a frequency difference between the two in the region A. For example, by etching the quartz substrate in the region B, both frequencies are shifted in parallel in the lower direction, and by etching the quartz substrate in the region A, the frequency of the longitudinal higher order mode belonging to the resonance system near the upper stop band is obtained. It is possible to make the frequency difference between the two close by adjusting it low. Since the resonance spectrum of each mode is intense for both LS0 and LS1, it can be observed with a network analyzer.

続いて、上側共振系列1次モードLS1と下側共振系列基本波モードLS0の共振周波数を一致させる方法について説明する。
図8はIDTにおける交差指電極の対数と周波数の関係を示すグラフである。この図8は、図7の上側共振系列1次モードLS1と下側共振系列基本波モードLS0の共振周波数を一致させることができることを示したものである。
上側共振系列基本波モードLS0と下側共振系列基本波モードLS0はSAW共振子のIDTの対数Mに依存して、ほぼ同様な傾斜カーブにより変化する。一方、上側共振系列1次モードLSは前記のLS0よりMによる依存性が強く急傾斜な特性となり、従って両者特性カーブは、特定のIDTの対数M0において交差することができ、動作周波数F0にて、上側共振系列1次モードLS1と下側共振系列基本波モードLS0の動作が可能となる。なお、図中LA0は斜対称基本波モードを示している。
Next, a method for matching the resonance frequencies of the upper resonance series primary mode LS1 and the lower resonance series fundamental wave mode LS0 will be described.
FIG. 8 is a graph showing the relation between the number of crossed finger electrodes and the frequency in IDT. FIG. 8 shows that the resonance frequencies of the upper resonance series primary mode LS1 and the lower resonance series fundamental wave mode LS0 of FIG. 7 can be matched.
The upper resonance series fundamental wave mode LS0 and the lower resonance series fundamental wave mode LS0 change with substantially the same slope curve depending on the logarithm M of the IDT of the SAW resonator. On the other hand, the upper resonance series primary mode LS has a steep characteristic that is more dependent on M than the above-described LS0, and therefore, both characteristic curves can cross at a logarithm M0 of a specific IDT, and at an operating frequency F0. The upper resonance series primary mode LS1 and the lower resonance series fundamental mode LS0 can be operated. In the figure, LA0 indicates an obliquely symmetric fundamental wave mode.

次に、以上のことを考慮して設計したSAW共振子の特性の1例について説明する。
図9に本発明を利用したSAW共振子の特性の1例について説明する説明図であり、図9(a)はアドミタンス特性を示すグラフ、図9(b)は結合のない場合のSAW共振子位相特性を示すグラフ、図9(c)は結合の発生した場合のSAW共振子位相特性を示すグラフである。
IDTの交差指電極の膜厚みHと表面波波長λとの比をH/λ=2.5%,これに対応する反射係数はおよそ1%としたときの製作条件において、上側共振系列1次モードLS1と下側共振系列基本波モードLS0の共振周波数を一致させる電極の対数はM0=150対であった。また、交差幅は35波長、反射器本数Nは150本とした。
Next, an example of the characteristics of a SAW resonator designed in consideration of the above will be described.
FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining an example of the characteristics of a SAW resonator using the present invention. FIG. 9A is a graph showing admittance characteristics, and FIG. 9B is a SAW resonator without coupling. FIG. 9C is a graph showing the phase characteristics, and FIG. 9C is a graph showing the SAW resonator phase characteristics when coupling occurs.
In the manufacturing conditions where the ratio of the film thickness H of the IDT cross-finger electrode to the surface wave wavelength λ is H / λ = 2.5% and the corresponding reflection coefficient is about 1%, the upper resonance series first order The number of electrode pairs for matching the resonance frequencies of the mode LS1 and the lower resonance series fundamental wave mode LS0 was M0 = 150 pairs. The crossing width was 35 wavelengths and the number of reflectors N was 150.

このようなSAW共振子において、図9(a)のようなアドミタンス特性を示し、上側共振系列1次モードLS1と下側共振系列基本波モードLS0の結合のない場合には図9(b)のようなSAW共振子位相特性を示す。この場合、上側共振系列1次モードLS1と下側共振系列基本波モードLS0の周波数差は周波数変化率で約5000ppmである。
上側共振系列1次モードLS1と下側共振系列基本波モードLS0の結合が発生した場合には、図9(c)の位相特性に示すように、上側共振系列1次モードLS1と下側共振系列基本波モードLS0が一致しているのがわかる。
In such a SAW resonator, an admittance characteristic as shown in FIG. 9A is shown, and when there is no coupling between the upper resonance series primary mode LS1 and the lower resonance series fundamental wave mode LS0, FIG. Such SAW resonator phase characteristics are shown. In this case, the frequency difference between the upper resonance series primary mode LS1 and the lower resonance series fundamental wave mode LS0 is about 5000 ppm in terms of frequency change rate.
When the coupling between the upper resonance series primary mode LS1 and the lower resonance series fundamental wave mode LS0 occurs, as shown in the phase characteristics of FIG. 9C, the upper resonance series primary mode LS1 and the lower resonance series It can be seen that the fundamental wave mode LS0 matches.

図10は上記SAW共振子の周波数温度特性の1例を示すグラフである。
このグラフのように、上側共振系列1次モードLS1と下側共振系列基本波モードLS0が結合して、平坦な温特カーブが出現している。
FIG. 10 is a graph showing an example of frequency temperature characteristics of the SAW resonator.
As shown in this graph, the upper resonance series primary mode LS1 and the lower resonance series fundamental wave mode LS0 are combined, and a flat temperature characteristic curve appears.

以上、本実施形態のSAW共振子は、上側のストップバンド付近の共振が有する高次モードと下側のストップバンド付近の共振における基本波モードが同時に存在して駆動電圧により励振される。それぞれのモードの共振は周波数温度特性がわずかに異なり、具体的には周波数温度特性の頂点温度が異なって出現する。この状態において、両者の共振モードの共振周波数を一致させて共振間でわずかな弱い結合を生じさせることで、それぞれの周波数温度特性が合成され、広い温度範囲に対して平坦な周波数温度特性が実現できる。
また、一つのSAW共振子に存在する2個の共振を結合させて周波数温度特性の向上が図られるため、周波数温度特性に優れたSAW共振子の小型化が可能である。
さらに、周波数温度特性における2次温度係数が小さい水晶基板を用いて、結合振動子を構成していることから、広い温度範囲に対して周波数温度特性に優れたSAW共振子を提供することができる。
また、小型化され周波数温度特性の良好な1ポート型のSAW共振子を提供できる。
(第2の実施形態)
As described above, the SAW resonator according to the present embodiment is excited by the drive voltage in which the higher-order mode of the resonance near the upper stop band and the fundamental wave mode in the resonance near the lower stop band simultaneously exist. The resonance of each mode has slightly different frequency temperature characteristics, and specifically, the peak temperatures of the frequency temperature characteristics appear differently. In this state, the resonance frequencies of the two resonance modes are matched to generate a slight weak coupling between resonances, thereby synthesizing each frequency temperature characteristic and realizing a flat frequency temperature characteristic over a wide temperature range. it can.
In addition, since the frequency temperature characteristic is improved by combining two resonances existing in one SAW resonator, it is possible to reduce the size of the SAW resonator excellent in the frequency temperature characteristic.
Furthermore, since the coupled oscillator is configured using a quartz substrate having a small secondary temperature coefficient in frequency temperature characteristics, a SAW resonator excellent in frequency temperature characteristics over a wide temperature range can be provided. .
Further, it is possible to provide a one-port SAW resonator that is downsized and has good frequency temperature characteristics.
(Second Embodiment)

次に第2の実施形態について説明する。上記の第1の実施形態では1ポート型SAW共振子について説明したが、2ポート型SAW共振子においても実施が可能である。
図11は本実施形態の2ポート型SAW共振子の構成を示す構成図であり、図11(a)は模式平面図、図11(b)は同図(a)のB−B断線に沿う模式断面図である。
SAW共振子50は、水晶基板5の主面に形成されたIDT60,70、反射器80を備えている。IDT60,70は、アルミニウム、銅、チタン、タングステンなどの金属で形成され、それぞれ極性の異なる交差指電極61,62,71,72が交互に間挿されるように構成されている。そして、IDT60,70を挟むようにアルミニウム、銅、チタン、タングステンなどの金属で形成された、格子状の反射器80が備えられている。
水晶基板5は上記実施形態の図2で説明した基板と同様の基板を使用している。
Next, a second embodiment will be described. Although the 1-port SAW resonator has been described in the first embodiment, the invention can also be implemented in a 2-port SAW resonator.
11A and 11B are configuration diagrams showing the configuration of the two-port SAW resonator according to the present embodiment. FIG. 11A is a schematic plan view, and FIG. 11B is along the BB disconnection in FIG. It is a schematic cross section.
The SAW resonator 50 includes IDTs 60 and 70 and a reflector 80 formed on the main surface of the quartz substrate 5. The IDTs 60 and 70 are made of a metal such as aluminum, copper, titanium, or tungsten, and are configured such that interdigitated electrodes 61, 62, 71, and 72 having different polarities are alternately inserted. A grid-like reflector 80 formed of a metal such as aluminum, copper, titanium, or tungsten is provided so as to sandwich the IDTs 60 and 70.
The quartz substrate 5 is a substrate similar to the substrate described in FIG. 2 of the above embodiment.

上記のSAW共振子50においても、上側および下側のストップバンド付近に共振を有している。そして、上側のストップバンド付近の共振が有する高次モードと下側のストップバンド付近の共振における基本波モードの共振周波数を、IDT60,70の対数を選択することで一致させることが可能である。
それぞれのモードの共振は周波数温度特性がわずかに異なり、具体的には周波数温度特性の頂点温度が異なって出現する。この状態において、両者の共振モードの共振周波数を一致させて共振間でわずかな弱い結合を生じさせることで、それぞれの周波数温度特性が合成され、広い温度範囲に対して平坦な周波数温度特性が実現できる。
このように、2ポート型SAW共振子であっても、第1の実施形態のSAW共振子と同様な効果を得ることができる。
The SAW resonator 50 also has resonance near the upper and lower stop bands. The resonance frequency of the fundamental mode in the resonance near the upper stop band and the resonance of the fundamental wave mode in the resonance near the lower stop band can be matched by selecting the logarithm of the IDTs 60 and 70.
The resonance of each mode has slightly different frequency temperature characteristics, and specifically, the peak temperatures of the frequency temperature characteristics appear differently. In this state, the resonance frequencies of the two resonance modes are matched to generate a slight weak coupling between resonances, thereby synthesizing each frequency temperature characteristic and realizing a flat frequency temperature characteristic over a wide temperature range. it can.
Thus, even if it is a 2-port SAW resonator, the same effect as the SAW resonator of the first embodiment can be obtained.

本発明のSAW共振子は、広い温度範囲に対して優れた周波数温度特性を有することから、今後ますます膨大なデータを送受することが必要な光通信ネットワーク市場における、周波数安定性の優れたSAW発振器用途として利用することができる。   Since the SAW resonator of the present invention has excellent frequency temperature characteristics over a wide temperature range, it has excellent frequency stability in the optical communication network market where it is necessary to transmit and receive a huge amount of data in the future. It can be used as an oscillator application.

第1の本実施形態におけるSAW共振子の構成を示す構成図であり、(a)は模式平面図、(b)は同図(a)のA−A断線に沿う模式断面図。It is a block diagram which shows the structure of the SAW resonator in 1st this embodiment, (a) is a schematic plan view, (b) is a schematic cross section along the AA disconnection of the same figure (a). 第1の実施形態の水晶基板が有する方位角を示す説明図。Explanatory drawing which shows the azimuth which the crystal substrate of 1st Embodiment has. 第1の実施形態における面内回転STカット基板を用いたSAW共振子のインピーダンス特性を示すグラフ。The graph which shows the impedance characteristic of the SAW resonator using the in-plane rotation ST cut board | substrate in 1st Embodiment. 第1の実施形態のSAW共振子を構成する各部位が有する周波数特性を示す説明図。Explanatory drawing which shows the frequency characteristic which each site | part which comprises the SAW resonator of 1st Embodiment has. 第1の実施形態における周波数温度特性の結合を説明する説明図。Explanatory drawing explaining the coupling | bonding of the frequency temperature characteristic in 1st Embodiment. 第1の実施形態における各モードの結合について説明する等価回路図。The equivalent circuit diagram explaining the coupling | bonding of each mode in 1st Embodiment. 本発明に利用する振動モードの1例について模式的に図示した説明図。Explanatory drawing which illustrated typically about one example of the vibration mode utilized for this invention. 第1の実施形態における交差指電極の対数と周波数の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the logarithm of the cross finger electrode in 1st Embodiment, and a frequency. 第1の実施形態におけるSAW共振子の特性の1例について説明する説明図であり、(a)はアドミタンス特性を示すグラフ、(b)は結合のない場合のSAW共振子位相特性を示すグラフ、(c)は結合の発生した場合のSAW共振子位相特性を示すグラフ。It is explanatory drawing explaining one example of the characteristic of the SAW resonator in 1st Embodiment, (a) is a graph which shows an admittance characteristic, (b) is a graph which shows the SAW resonator phase characteristic when there is no coupling, (C) is a graph showing SAW resonator phase characteristics when coupling occurs. 第1の実施形態におけるSAW共振子の周波数温度特性の1例を示すグラフ。The graph which shows one example of the frequency temperature characteristic of the SAW resonator in 1st Embodiment. 第2の実施形態における2ポート型SAW共振子の構成を示す構成図であり、(a)は模式平面図、(b)は同図(a)のB−B断線に沿う模式断面図。It is a block diagram which shows the structure of the 2 port type | mold SAW resonator in 2nd Embodiment, (a) is a schematic plan view, (b) is a schematic cross section along the BB broken line of the same figure (a).

符号の説明Explanation of symbols

1…水晶ウエハ、2…Y板、5…水晶基板、10…SAW共振子、20…IDT、21,22…交差指電極、30…反射器、50…SAW共振子、60,70…IDT、80…反射器。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Quartz wafer, 2 ... Y plate, 5 ... Quartz substrate, 10 ... SAW resonator, 20 ... IDT, 21, 22 ... Interstitial electrode, 30 ... Reflector, 50 ... SAW resonator, 60, 70 ... IDT, 80: Reflector.

Claims (4)

水晶基板にIDTが形成され、
前記IDTの上側および下側のストップバンド付近に共振を有し前記水晶基板が斜対称性を備えたSAW共振子であって、
前記上側のストップバンド付近の共振が有する高次モードの共振周波数と、前記下側のストップバンド付近の共振が有する基本波モードの共振周波数とを一致させて結合状態を形成したことを特徴とするSAW共振子。
IDT is formed on the quartz substrate,
A SAW resonator having resonance in the vicinity of the upper and lower stop bands of the IDT and the quartz crystal substrate having oblique symmetry;
A coupled state is formed by matching a resonance frequency of a higher-order mode possessed by resonance near the upper stop band with a resonance frequency of a fundamental wave mode possessed by resonance near the lower stop band. SAW resonator.
請求項1に記載のSAW共振子において、
前記水晶基板が水晶単結晶の機械軸Yに垂直な面を電気軸Xの回りの反時計方向に角度θ=32°以上37°以下の範囲で回転させた平板であり、
前記電気軸X回りの角度θの回転により新たに規定されるY´軸を、反時計方向を正として角度+ψまたは−ψ回転させて新たに規定されるX´軸に沿って前記IDTが配置されており、ψ=40°以上44°以下の範囲であることを特徴とするSAW共振子。
The SAW resonator according to claim 1,
The quartz substrate is a flat plate obtained by rotating a plane perpendicular to the mechanical axis Y of the quartz single crystal in a counterclockwise direction around the electric axis X within a range of an angle θ = 32 ° to 37 °;
The IDT is arranged along the newly defined X ′ axis by rotating the Y ′ axis newly defined by rotation of the angle θ around the electrical axis X by the angle + ψ or −ψ with the counterclockwise direction being positive. A SAW resonator having a range of ψ = 40 ° to 44 °.
請求項1または2に記載のSAW共振子において、
1個の前記IDTと前記IDT両側に1対の反射器を配置した1ポート型のSAW共振子であることを特徴とするSAW共振子。
The SAW resonator according to claim 1 or 2,
A SAW resonator, which is a one-port SAW resonator in which one IDT and a pair of reflectors are arranged on both sides of the IDT.
請求項1または2に記載のSAW共振子において、
2個の前記IDTと前記2個のIDT両側に1対の反射器を配置した2ポート型のSAW共振子であることを特徴とするSAW共振子。
The SAW resonator according to claim 1 or 2,
The SAW resonator is a two-port SAW resonator in which two IDTs and a pair of reflectors are arranged on both sides of the two IDTs.
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