CN101194422B - 声边界波滤波装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种声边界波滤波装置，其中在压电衬底(101)上形成介质膜(103)，在两者的边界设置具有多个IDT的至少一个纵耦合共振子型声边界波滤波器(110)，以及至少2个一端子对声边界波共振子(120、130，至少一个声边界波共振子(120)与纵耦合共振子型声边界波滤波器(110)串联连接，至少一个剩下的一端子对声边界波共振子(130)与纵耦合共振子型声边界波滤波器(110)并联连接，串联连接声边界波共振子的反共振频率位于比声边界波滤波装置的通过频带更高频侧，并联连接声边界波共振子的共振频率位于串联连接声边界波共振子的反共振频率以上。从而能够扩大通过频带外衰减量。

Description

声边界波滤波装置 

技术领域

本发明涉及利用在压电衬底和介质膜的界面传播的声边界波的声边界波滤波装置，更具体而言，涉及具有如下那样的电路结构的声边界波滤波装置：即在纵耦合共振子型声边界波滤波器中连接一端子对声边界波共振子。 

背景技术

近年，由于小型且滤波器特性优异，所以在移动电话的RF段等中，作为带通滤波器广泛使用声表面波滤波装置。 

例如，在以下的专利文献1中公开了一种复合声表面波滤波装置，其通过在纵耦合共振子型的2重模式声表面波滤波器中串联连接1端口型声表面波共振子而构成。 

图5是表示这种声表面波滤波装置的概略结构的示意性俯视图。通过在压电衬底502上形成图示的电极构造，而构成复合声表面波滤波装置501。即IDT504～506配置在声表面波传播方向。在设置IDT504～506的区域的表面波传播方向两侧配置反射器507、508。据此，构成纵耦合共振子型的2重模式声表面波滤波器503。IDT505的一端连接在输入端子511上。两侧的IDT504、506公共连接，连接在一端子对声表面波共振子509上。一端子对声表面波共振子509，连接在输出端子512上。 

在所述声表面波滤波装置501中，在纵耦合共振子型的2重模式声表面波滤波器503上串联地串联连接一端子对声表面波共振子509，从而谋求频带外衰减量的扩大。 

此外，鉴于只用所述结构而无法取得充分的衰减量，在串联连接纵耦合共振子型2重模式声表面波滤波器503和一端子对声表面波共振子509的线路中并联连接电容513。即包含513的线路为旁路(bypass)线路，通过将比通过频带更高频侧的衰减区域的信号连接到接地电位，而谋求通 过频带外高频侧的衰减量的改善。 

另一方面，在以下的专利文献2中公开了代替所述电容513而另外连接共振元件的结构。使用共振子时，能使共振频率的阻抗变化变得急剧。因此，即使在通过频带外低频一侧配置低阻抗的峰值，在通过频带也能保持高的阻抗，能够在对通过频带不带来大的影响的情况下使通过频带外低频一侧的衰减量为足够的大小。在专利文献2中，如上所述，在滤波器的通过频带外低频侧的衰减区域配置并联连接的共振子的共振频率，并且在比通过频带更高频侧配置串联连接的共振子的反共振频率。根据这样的结构，即通过代替所述电容513而使用的并联连接共振子，能够改善通过频带外低频一侧的衰减量。 

专利文献1：特开2002-64358号公报 

专利文献2：特开平7-131290号公报 

在专利文献1中记载的声表面波滤波装置501中，如上所述，在纵耦合共振子型的2重模式声表面波滤波器503上串联连接串联连接型的一端子对声表面波共振子509，能够谋求通过频带外衰减量的扩大，特别是通过频带外高频侧的衰减量。 

可是，在使用电容513那样的电容元件改善衰减区域的衰减量的情况下，对于衰减区域的频率信号，电容元件是低阻抗，对于通过频带的频率的信号，要求高阻抗。 

可是，在单纯的电容513中，阻抗的变化不急剧。因此，为了使通过频带附近的衰减量为足够的大小，在衰减区域中降低阻抗的情况下，通过频带的阻抗不会变得足够高，通过频带的信号的一部分有可能流到电容513一侧，通过频带的特性恶化。相反，对于频带的信号，阻抗变得足够高时，衰减区域的阻抗没有变得足够低，存在无法使衰减区域的衰减量变为足够的大小的问题。 

另一方面，在专利文献2中描述的声表面波滤波装置中，代替电容513，连接着并联连接声表面波共振子。这时，在通过频带外低频一侧配置低阻抗的峰值即共振点时，在通过频带能确保高的阻抗。因此，对通过频带的特性不产生大的影响，能谋求通过频带外低频侧的衰减量的扩大。 

在专利文献2中记载的结构中，在滤波器的通过频带外低频侧衰减区域配置并联连接的声表面波共振子的共振频率，在通过频带外高频侧配置串联连接的声表面波共振子的反共振点，通过并联连接型的声表面波共振子，谋求通过频带外低频侧的衰减量的扩大。在谋求通过频带外高频侧的衰减量的改善时，在滤波器的通过频带的高频侧配置并联连接声表面波共振子。可是这时，并联连接声表面波共振子的阻抗在通过频带内变为电容性。 

声表面波滤波器的机电耦合系数越大，构成声表面波滤波器的IDT就越难以表现出电容性。因此，如果机电耦合系数比较小，IDT就能观察到电容性，滤波器、串联连接声表面波共振子和并联连接声表面波共振子的全部表现出电容性，存在难以谋求通过频带内的阻抗匹配的问题。 

将IDT的机电耦合系数设为K²，将IDT的电容比设为γ，由于γ＝COm/Cm(其中，COm是用等价电路表现IDT时的并联连接电容，Cm表示表现放射声表面波的作用的串联连接共振电路中的电容部分)，K²＝1/(1+γ)，所以变为γ＝(1/K²)-1。 

也即，机电耦合系数K²越大，电容比γ越小，COm/Cm减小。换言之，如果机电耦合系数K²小，COm的导纳相对于放射声表面波的串联连接电路的导纳(アドミタンス)，呈现出较大，所以能观察到声表面波滤波器的IDT的电容性。相反，如果机电耦合系数K²越大，IDT就难以观察到电容性。 

以往，在声表面波滤波装置中，机电耦合系数比较小，所以声表面波滤波器的IDT表现出电容性，在该声表面波滤波器上连接串联连接声表面波共振子和并联连接声表面波共振子，在滤波器的通过频带外高频侧配置并联连接声表面波共振子的共振点时，除了原本的阻抗变为电容性外，还连接电容性的并联连接型的声表面波共振子，因此存在无法谋求通过频带内的阻抗匹配的问题。 

因此，在以往的声表面波滤波装置中，为了改善通过频带外高频侧的衰减量，不使用在声表面波滤器并联连接的并联连接声表面波滤共振子。 

可是，近年来，代替声表面波滤波装置，在不同的介质间的边界传播的声边界波滤波装置引人注目。在声边界波滤波装置中，没必要设置空隙，所以能促进封装构造的简化和小型化。而且，在声边界波滤波装置中，与声表面波滤波装置同样强烈要求频带外衰减量的改善。 

本发明的目的鉴于上述的以往技术的现状，提供一种声边界波滤波装置，其具有在声边界波滤器连接声边界波共振子的回路结构，并能够使通过频带外高频侧的衰减量为足够的大小。 

根据本发明，提供一种声边界波滤波装置，其特征在于，包括：压电衬底；形成在所述压电衬底上的介质膜；具有多个配置在所述压电衬底和介质膜的边界上的IDT的至少一个纵耦合共振子型声边界波滤波器；具有形成在所述压电衬底和所述介质膜的边界的IDT的至少2个一端子对声边界波共振子，至少一个所述一端子对声边界波共振子，为与所述纵耦合共振子型声边界波滤波器串联连接的串联连接声边界波共振子，至少一个剩下的所述一端子对声边界波共振子，为与所述纵耦合共振子型声边界波滤波器并联连接的并联连接声边界波共振子，所述串联连接声边界波共振子的反共振频率位于比所述纵耦合共振子型声边界波滤波器的通过频带更高频侧，所述并联连接声边界波共振子的共振频率位于所述串联连接声边界波共振子的反共振频率以上，使用LiNbO₃衬底时，欧拉角的φ和θ处于-31°≤φ≤31°并且90°≤θ≤130°的范围，并且滤波器装置的纵耦合共振子型声边界波滤波器的终端阻抗是电感性的。 

在本发明的声边界波滤波装置的某特定方面中，所述压电衬底是LiNbO₃单晶衬底，该压电衬底的欧拉角φ和θ位于-31°≤φ≤31°并且90°≤θ≤130°的范围内。 

在本发明的声边界波滤波装置中，优选为，所述IDT由从Al、Ti、Pt、Fe、Ni、Cr、Cu、Ag、W、Ta和Au构成的群选择的1种金属或以该金属为主体的合金构成。 

在本发明的声边界波滤波装置的其他特定方面中，介质膜由从SiO₂、SiN、水晶、LBO、硅酸镓镧、铌酸镓镧和玻璃构成的组中选择的1种材料构成。 

本发明所涉及的声边界波滤波装置中，使用压电衬底和介质膜构成至少一个纵耦合共振子型声边界波滤波器和至少2个一端子对声边界波共振子。因此，与声表面波滤波装置相比，能谋求封装构造的简略化和小型化。 

而且，所述至少2个一端子对声边界波共振子中至少一个声边界波共振子是串联连接声边界波共振子，剩下的至少一个声边界波共振子是并联连接声边界波共振子，串联连接声边界波共振子的反共振频率存在于比纵耦合共振子型声边界波滤波器的通过频带更高频侧。因此，通过串联连接声边界波共振子能改善滤波器的通过频带外高频侧的衰减量。声边界波滤波器的机电耦合系数大，所以阻抗变为电感性，容易取得波滤波装置全体的通过频带的阻抗的匹配。 

此外，并联连接声边界波共振子的共振频率为串联连接声边界波共振子的反共振频率以上，所以利用并联连接声边界波共振子的共振频率附近的阻抗变化，能进一步有效改善通过频带外高频侧的衰减量。因此，能谋求通过频带外衰减量的扩大。 

压电衬底由LiNbO₃单晶衬底构成，欧拉角φ和θ为-31°≤φ≤31°并且90°≤θ≤130°的范围时，能进一步增大声边界波滤波器的机电耦合系数，能进一步改善装置全体的通过频带的阻抗的匹配状态。此外，能缩小能流(power flow)角，能改善温度特性。 

IDT由从Al、Ti、Pt、Fe、Ni、Cr、Cu、Ag、W、Ta和Au构成的群选择的1种金属或以该金属为主体的合金构成时，能提供传播损失小的声边界波滤波装置。 

介质膜由从SiO₂、SiN、水晶、LBO、硅酸镓镧、铌酸镓镧和玻璃构成的群选择的1种材料构成时，能减小由声边界波滤波装置的温度引起的特性的变化。 

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的声边界波滤波装置的电极构造的示意性俯视图。 

图2是表示本发明的一个实施方式所涉及的声边界波滤波装置的主要部分的示意性的正面剖视图。 

图3是表示本发明的一个实施方式的声边界波滤波装置中使用的并联连接声边界波共振子和串联连接声边界波共振子的阻抗特性的图。 

图4是表示本发明的一个实施方式所涉及的声边界波滤波装置和为了比较而准备的以往的声边界波滤波装置的滤波器特性的图。 

图5是表示以往的声表面波滤波装置的电极构造的一个例子的俯视图。 

图中：100-声边界波滤波装置；101-LiNbO₃衬底；102-电极图案；103-SiO₂膜；104a、104b-端子；110-纵耦合共振子型声边界波滤波器；111、112-反射器；113～115-IDT；120-声边界波共振子；130-声边界波共振子；141-布线。 

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的具体实施方式，使本发明变得清楚。 

图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的声边界波滤波装置的电极构造的示意性俯视图，图2是表示该声边界波滤波装置的主要部分的示意性正面剖面图。 

如图2所示，本实施方式的声边界波滤波装置100具有作为压电衬底的由LiNbO₃单晶构成的LiNbO₃衬底101。在LiNbO₃衬底101上层叠作为介质膜的SiO₂膜103。本实施方式的声边界波滤波装置100利用在所述LiNbO₃衬底101和SiO₂膜103的边界面传播的SH型的声边界波。 

在图2中，概略地表示用于对所述声边界波进行受激励的电极图案102。该电极图案102更具体而言，相当于图1的示意性俯视图中表示的电极构造。 

另外，在SiO₂膜103中形成介质膜开口部103a、103b。在该介质膜开口部103a、103b，电极图案102的一部分分别露出。在SiO₂膜103上形成连接导电部105a、105b。连接导电部105a、105b到达介质膜开口部103a、103b内，与电极图案102的一部分电连接。 

此外，在介质膜103的上面形成端子104a、104b，端子104a、104b分别与所述导电部105a、105b电连接。 

所述导电部105a、105b能由Al或Cu等适宜的金属或合金形成。同样，关于端子104a、104b，也能由Al或Cu等适宜的金属或合金形成。 

如图1所示，形成在所述LiNbO₃衬底101上的电极图案102由厚度0.05λ的金的薄膜形成。另外，λ是相当于声边界波滤波装置100的通过频带的声边界波的中心频率的波长。 

此外，LiNbO₃衬底101的欧拉角φ为0°，θ为105°。另外，在图1中，后面描述的IDT的电极指的个数和反射器的格栅的个数比实际少地概 略图示地表示。 

另外，关于所述欧拉角(φ、θ、ψ)，使用众所周知的右手系统欧拉角。即对于LiNbO₃单晶的结晶轴X、Y、Z，以Z轴为中心轴，使X轴逆时针旋转φ，而得到Xa轴。接着，以Xa轴为中心轴，将Z轴逆时针旋转θ，取得Z’轴。将包含Xa轴，以Z’轴为法线的面，作为衬底的切断面。把Z’轴作为轴，把Xa轴逆时针旋转ψ后的方向作为声边界波传播方向。 

此外，作为欧拉角的初始值而提供的LiNbO₃单晶的结晶轴X、Y、Z中，使Z轴与c轴平行，使X轴与等价的3方向的a轴内的任意一个平行，Y轴为包含X轴和Z轴的面的法线方向。 

在图1中，以结晶X轴为中心轴将LiNbO₃衬底101的结晶Z轴逆时针旋转105°的方向，成为相对于纸面的法线方向。此外，在图1中，将沿纸面的左右而延伸的方向作为LiNbO₃结晶衬底101结晶X轴方向。因此，在图1中，沿纸面的左右方向传播的欧拉角为ψ＝0°，沿纸面的上下方向传播的欧拉角为ψ＝90°。 

所述电极图案102，如图1所示，具有：纵耦合共振子型声边界波滤波器110；与纵耦合共振子型声边界波滤波器110串联连接的一端子对声边界波共振子120；与声边界波滤波器110并联连接的一端子对声边界波共振子130。把串联连接的一端子对声边界波共振子120简称为串联连接声边界波共振子120，把与声边界波滤波器110并联连接的一端子对声边界波共振子130简称为并联连接声边界波共振子130。 

声边界波滤波器110具有沿着声边界波传播方向配置的IDT113～115、在设置IDT113～115的区域的声边界波传播方向两侧配置的反射器111、112。 

IDT114的一端与端子104a电连接。IDT113、115的一端公共连接，通过串联连接声边界波共振子120与输出端子104b电连接。此外，并联连接声边界波共振子130，在IDT113、115的上述一端公共连接的部分和接地电位之间连接。 

图1所示的电极构造形成在上述的LiNbO₃衬底101和SiO₂膜103的边界上。 

在本实施方式中，所述声边界波滤波装置100设计为有选择地使869～894MHz的频带的信号通过的带通滤波器。所述声边界波滤波器110被构成为具有该通过频带，即通过调整IDT113～115的电极指间隔、电极指的对数、交叉宽度、反射器111、112的电极指间距、个数、IDT-IDT间隔和IDT-反射器间隔，由此，声边界波滤波器110被设计为有选择地使869～894MHz的信号通过。 

另一方面，声边界波共振子120设计为在声边界波滤波装置100的通过频带内即886MHz具有共振点，在位于比声边界波滤波装置100的通过频带更高频侧的衰减区域即913MHz具有反共振点。在声边界波滤波装置100的通过频带的869～894MHz中，声边界波共振子120的阻抗设计为40Ω以下。 

另一方面，声边界波滤波装置100的高频侧的衰减区域的913MHz的声边界波共振子120的阻抗设计为2000Ω，在其附近的频率，声边界波共振子120具有高的阻抗。 

此外，声边界波共振子130设计为在比所述声边界波滤波装置100的通过频带更高频侧的衰减区域内的972MHz具有共振点，在905～975MHz具有比声边界波共振子120更低的阻抗。另一方面，构成为，在869～894MHz的通过频带内，声边界波共振子130的阻抗设计为150以上，在该频带中，具有声边界波共振子120的阻抗的3.7倍以上的阻抗。 

另外，在本实施方式中，所述电极构造如上所述，由厚度0.5λ的金的薄膜构成，SiO₂膜103为厚10μm的厚度。 

图3分别表示声边界波共振子120和声边界波共振子130的阻抗频率特性。实线表示声边界波共振子120的阻抗特性，虚线表示声边界波共振子130的阻抗特性。 

从图3可知，在位于声边界波滤波装置100的高频侧的衰减区域即913MHz附近，声边界波共振子120具有1000Ω以上的高的阻抗。因此，串联连接声边界波共振子120遮断913MHz附近的信号，扩大其附近的频率的信号的衰减量。 

此外，869～894MHz的通过频带内的串联连接声边界波共振子120的阻抗小到40Ω以下。因此，因连接声边界波共振子120引起的对通过频带内插入损失的影响较小。 

另一方面，声边界波共振子130在比声边界波滤波装置100的通过频带更高频侧的衰减区域即905～975MHz中，具有比声边界波共振子120更小的阻抗。即在衰减区域的905～975MHz附近，与通过声边界波共振子120而到达端子104b的信号路线的阻抗相比，通过声边界波共振子130而到达接地电位的信号路线的阻抗变得更小。因此，在衰减区域的905～975MHz中，大部分的信号电流通过并联连接声边界波共振子130而向接地电位流出，从而能实现衰减量的增大。 

另一方面，在869～894MHz的通过频带内的并联连接声边界波共振子130的阻抗是串联连接声边界波共振子120的3.7倍以上。因此，在通过频带内，通过并联连接声边界波共振子130流向接地电位的信号电流变为通过串联连接声边界波共振子120而到达输出端子104b的信号电流的1/3.7以下。也就是说，即使连接并联连接声边界波共振子130，对通过频带内的插入损失的影响也小。因此，在本实施方式中，声边界波共振子130对通过频带内的插入损失不带来那么大的影响，能增大比通过频带更高频带侧的衰减量即905～975MHz附近的衰减量。 

图4是表示本实施方式的声边界波滤波装置的滤波特性、为了比较而准备的以往的声边界波滤波装置的滤波器特性的比较的图。实线表示所述实施方式的滤波器特性，虚线表示除了不连接声边界波共振子130，与上述实施方式同样构成的声边界波装置的滤波器特性。 

从图4可知，根据本实施方式，通过并联连接声边界波共振子130的连接，能大幅度改善通过频带外高频侧的衰减量。 

也就是说，在声边界波共振子130的共振点的972MHz附近，声边界波共振子130的阻抗极端减小，大量的信号电流向接地电位流出，所以在一端子对声边界波共振子130的共振点附近的频率，能增大衰减量。 

另外，即使如上所述，连接声边界波共振子130，向通过频带的影响也较小。可是，声边界波共振子130具有的电容性阻抗即虚部为负的阻抗具有把声边界波滤波装置100的终端阻抗变为电容性的作用。声边界波滤波器110具有比较大的机电耦合系数，所以能够把波滤波装置的通过频带的声边界波滤波器110的终端阻抗能变为电感性。此外，在本实施方式中， 使用纵耦合共振子型声边界波滤波器110，所述纵耦合共振子型声边界波滤波器110采用欧拉角φ＝0°并且θ＝105°的LiNbO₃衬底101和SiO₂膜103的边界传播的SH型的声边界波。在该形式的声边界波滤波器中，能把机电耦合系数K²增大到16％左右，所以能把纵耦合共振子型滤波器110的终端阻抗进一步设计为电感性。 

在本实施方式中，通过把纵耦合共振子型声边界波滤波器110终端阻抗设计为电感性，附加并联连接声边界波共振子具有的电容性的阻抗，从而能抑制声边界波滤波装置100的终端阻抗过剩地变为电容性。 

另外，在本实施方式中，在一个纵耦合共振子型声边界波滤波器上连接一个串联连接声边界波共振子和一个并联连接声边界波共振子，但是在本发明中，也可以设置多个纵耦合共振子型声边界波滤波器，即级联连接多个纵耦合共振子型声边界波滤波器。 

此外，串联连接声边界波共振子或并联连接声边界波共振子可以分别设置2个以上。 

此外，在本实施方式中，如图1所示，概略地图示了连接纵耦合共振子型声边界波滤波器110和声边界波共振子120、130的布线、用于与接地电位连接的布线，但是这些布线能用适宜的导电路构成。此外，关于这些布线，可以使用导电路以外的电图案，或者使用在通过频带内具有比声边界波共振子更大的阻抗，并且在声边界波共振子的反共振频率具有比声边界波共振子更小的阻抗的阻抗元件。 

此外，使用LiNbO₃衬底时，欧拉角的φ和θ处于-31°≤φ≤31°并且90°≤θ≤130°的范围时，在与层叠的介质膜的边界传播的声边界波中，使作为声边界波传播方向的欧拉角ψ在0°～60°的范围中变换，机电耦合系数K²能够在从16％几乎偏离0％的范围中变化。而且，在该范围中，不发生声边界波的损失。因此，理想的是使LiNbO₃衬底的φ和θ为上述的范围，从而能提供低损失的声边界波滤波装置。 

另外，在所述的实施方式中，作为介质膜，使用SiO₂膜，但是在SiO₂膜以外，可以使用SiN、水晶、LBO、硅酸镓镧(Langasite：ランガサイト)、铌酸镓镧(Langanite：ランガナイト)或玻璃。使用这些介质材料形成介质膜时，按照本发明，能取得温度特性优异的声边界波滤波器。 

此外，IDT如上所述，由Al形成，但是也能使用Al以外的金属，例如Ti、Pt、Fe、Ni、Cr、Cu、Ag、W、Ta或Cu等。此外，也可以使用把这些金属作为主体的合金。通过使用把这些金属作为主体的合金，能减小声边界波的传播损失，是理想的。 

Claims (4)

1.一种声边界波滤波装置，其特征在于，包括：

压电衬底；

形成在所述压电衬底上的介质膜；

至少一个纵耦合共振子型声边界波滤波器，其具有多个配置在所述压电衬底和介质膜的边界上的IDT；

至少两个一端子对声边界波共振子，其具有形成在所述压电衬底和所述介质膜的边界的IDT，

至少一个所述一端子对声边界波共振子，为与所述纵耦合共振子型声边界波滤波器串联连接的串联连接声边界波共振子，

至少一个剩下的所述一端子对声边界波共振子，为与所述纵耦合共振子型声边界波滤波器并联连接的并联连接声边界波共振子，

所述串联连接声边界波共振子的反共振频率，位于比所述纵耦合共振子型声边界波滤波器的通过频带更高频侧，

所述并列连接声边界波共振子的共振频率位于所述串联连接声边界波共振子的反共振频率以上，

使用LiNbO₃衬底且欧拉角的φ和θ处于-31°≤φ≤31°并且90°≤θ≤130°的范围，并且滤波器装置的纵耦合共振子型声边界波滤波器的终端阻抗是电感性的。

2.根据权利要求1所述的声边界波滤波装置，其特征在于，

所述压电衬底是LiNbO₃单晶衬底，该压电衬底的欧拉角φ和θ位于-31°≤φ≤31°并且90°≤θ≤130°的范围内。

3.根据权利要求1或2所述的声边界波滤波装置，其特征在于，

所述IDT由从Al、Ti、Pt、Fe、Ni、Cr、Cu、Ag、W、Ta和Au构成的组中选择的1种金属或以该金属为主体的合金构成。

4.根据权利要求1或2所述的声边界波滤波装置，其特征在于，

所述介质膜由从SiO₂、SiN、水晶、LBO、硅酸镓镧、铌酸镓镧和玻璃构成的组中选择的1种材料构成。

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