CN109560788A - 弹性波装置、高频前端电路以及通信装置 - Google Patents
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Abstract
一种弹性波装置，包括：压电体层；叉指换能器(IDT)电极，设置在所述压电体层上；高声速构件；以及低声速膜，设置在所述高声速构件与所述压电体层之间。所述压电体层包含钽酸锂，所述IDT电极包含多个金属层，所述多个金属层包括Al金属层和密度比Al高的金属层。在λ表示由所述IDT电极的电极指间距规定的波长，TLT(％)表示利用所述波长λ得到的所述压电体层的归一化膜厚，TELE(％)表示利用所述波长λ得到的所述IDT电极的Al换算归一化膜厚时，满足以下的式1：301.74667‑10.83029×TLT‑3.52155×TELE+0.10788×TLT 2+0.01003×TELE 2+0.03989×TLT×TELE≥0…式1。
Description
技术领域
本发明涉及弹性波装置、高频前端电路以及通信装置。
背景技术
以往，弹性波装置广泛用作例如便携式电话机的滤波器。在国际公开第2017/043427号中公开了一种弹性波装置，其具有依次层叠了高声速支承基板、低声速膜以及压电膜的结构。在国际公开第2017/043427号中，指出使用膜厚小于或等于约3.5λ的压电膜改善了品质因数。
发明内容
但是，通过本申请发明人们的研究，发现了即使在压电膜的膜厚小于或等于约3.5λ时，也存在品质因数劣化的情况。
本发明的目的在于，提供一种能够更可靠地改善品质因数的弹性波装置、高频前端电路以及通信装置。
根据本发明的优选实施方式，弹性波装置包括：压电体层；叉指换能器IDT电极，设置在所述压电体层上；高声速构件，在所述高声速构件中传播的体波的声速比在所述压电体层中传播的弹性波的声速高；以及低声速膜，设置在所述高声速构件与所述压电体层之间，并且在所述低声速膜中传播的体波的声速比在所述压电体层中传播的弹性波的声速低，其中所述压电体层包含钽酸锂，所述IDT电极包含多个金属层，所述多个金属层包括Al金属层和密度比Al高的金属层，并且在λ表示由所述IDT电极的电极指间距规定的波长，TLT(％)表示所述压电体层的归一化膜厚并且通过利用所述波长λ对所述压电体层的膜厚进行归一化而得到，TELE(％)表示所述IDT电极的Al换算归一化膜厚并且通过利用所述波长λ对所述IDT电极的Al换算膜厚进行归一化而得到，所述IDT电极的所述Al换算膜厚通过将各个所述金属层的密度与厚度之积的合计除以Al的密度而计算时，满足以下的式1。
301.74667-10.83029×TLT-3.52155×TELE+0.10788×TLT 2+0.01003×TELE 2+0.03989×TLT×TELE≥0…式1。
在根据本发明的优选实施方式的弹性波装置中，满足以下的式2。在此情况下，能够更可靠且进一步改善品质因数。
236.606677-10.69079×TLT-3.52155×TELE+0.10788×TLT 2+0.01003×TELE 2+0.03989×TLT×TELE≥0…式2。
在根据本发明的优选实施方式的弹性波装置中，所述IDT电极的所述Al换算归一化膜厚TELE可以大于或等于约14％且小于或等于约24％。在此情况下，弹性波装置能够容易应对高频，并且能够进一步改善品质因数。
在根据本发明的优选实施方式的弹性波装置中，所述高声速构件可以是支承基板。
根据本发明的优选实施方式的弹性波装置还可以包括支承基板，取值所述高声速构件可以是设置在所述支承基板与所述低声速膜之间的高声速膜。
根据本发明的优选实施方式的高频前端电路包括：根据本发明的优选实施方式的弹性波装置；以及功率放大器。
根据本发明的优选实施方式的通信装置包括：根据本发明的优选实施方式的高频前端电路；以及RF信号处理电路。
通过参照附图对本发明的优选实施方式进行以下详细描述，本发明的其它特征、要素、特性和优点将变得更加明显。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施方式的弹性波装置的前视剖面图；
图2是根据本发明的第一实施方式的弹性波装置的俯视图；
图3是根据本发明的第一实施方式的IDT电极的第一电极指的前视剖面图；
图4是示出压电体层的归一化膜厚TLT与Q×Δf之间的关系的图；
图5是示出压电体层的归一化膜厚TLT与Q×Δf之间的关系的图；
图6是示出IDT电极的Al换算归一化膜厚TELE与声速之间的关系的图；
图7是示出IDT电极的Al换算归一化膜厚TELE与Q×Δf之间的关系的图；
图8是根据本发明的第二实施方式的弹性波装置的前视剖面图；
图9是具有高频前端电路的通信装置的结构图。
具体实施方式
以下，参照附图对根据本发明的具体优选实施方式进行说明，从而明确本发明。
本文中描述的各实施方式是例示性的。需要指出的是，能够在不同的实施方式之间进行结构的部分置换和组合。
图1是根据本发明的第一实施方式的弹性波装置的前视剖面图。
弹性波装置1包括支承基板2。在支承基板2上设置有低声速膜4。在低声速膜4上设置有压电体层5。压电体层5包含LiTaO3。在压电体层5上设置有IDT电极7。
在压电体层5与低声速膜4之间和/或在低声速膜4与支承基板2之间可以设置包含例如钛或镍的紧密接触层。在低声速膜4中的多个子层之间可以设置包含例如钛或镍的接合层。低声速膜4可以具有包含低声速材料的多层结构。
通过对IDT电极7施加交流电压，从而激励弹性波。在此使用的低声速膜4是在低声速膜4中传播的体波的声速比在压电体层5中传播的弹性波的声速低的膜。低声速膜4包含氧化硅。氧化硅由SiOx表示。在本实施方式中，低声速膜4包含SiO2。低声速膜4可以包含氧化硅SiOx，其中x是整数或非整数。低声速膜4可以包含例如玻璃、氮氧化硅、氧化钽或者以向氧化硅中加入了氟、碳或硼而得到的化合物为主成分的材料。任何材料都可以用于低声速膜4，只要其中的声速相对低于下面描述的高声速构件中的声速。
在本实施方式中，支承基板2是在其中传播的体波的声速比在压电体层5中传播的弹性波的声速高的高声速构件。高声速构件包含例如：氮化铝；氧化铝；碳化硅；氮化硅；氮氧化硅；硅；蓝宝石；钽酸锂、铌酸锂、石英晶体等压电体材料；氧化铝、氧化锆、堇青石、莫来石、滑石、镁橄榄石等陶瓷材料；金刚石；氧化镁；类金刚石(DLC)膜；以上述任一材料为主成分的材料；或者以上述材料的任一混合物为主成分的材料。任何材料都可以用于高声速构件，只要其中的声速相对高于低声速膜4中的声速。
弹性波装置1包括多层体6，该多层体6是依次层叠作为高声速构件的支承基板2、低声速膜4以及压电体层5而得到的。由此，能够提高品质因数，并能够将弹性波的能量有效地限制在压电体层5侧。
图2是根据第一实施方式的弹性波装置的俯视图。
在IDT电极7的弹性波传播方向两侧，设置有反射器18以及反射器19。弹性波装置1是单端口型的弹性波谐振器。弹性波装置1并不限定于弹性波谐振器。
IDT电极7包括相互对置的第一汇流条8a以及第二汇流条9a。IDT电极7包括一端与第一汇流条8a连接的多个第一电极指8b。IDT电极7包括一端与第二汇流条9a连接的多个第二电极指9b。多个第一电极指8b和多个第二电极指9b相互交错插入。
图3是根据第一实施方式的IDT电极的第一电极指的前视剖面图。
IDT电极7包含在压电体层5上依次层叠了第一金属层17a、第二金属层17b、第三金属层17c、第四金属层17d以及第五金属层17e而得到的的层叠金属膜。具体而言，第一金属层17a是Ti(钛)层，第二金属层17b是Pt(铂)层，第三金属层17c是Ti层，第四金属层17d是Al(铝)层，第五金属层17e是Ti层。IDT电极7包括Al层，因此能够降低IDT电极7的电阻。进而，IDT电极7包括Pt层，Pt是密度比Al高的金属，因此能够在不使IDT电极7的膜厚过厚的情况下增大质量，因此，能够适当地改善品质因数。
IDT电极7的多个金属层可以包括：Al金属层和包含密度比Al高的金属的至少一层金属层。IDT电极7的平均密度可以高于Al的密度。
在本实施方式中，IDT电极7的主电极层是作为Pt层的第二金属层17b以及作为Al层的第四金属层17d。在本说明书中，所谓主电极层，是指在弹性波的激励中为支配性的金属层。
在此，将第一金属层17a的密度与第一金属层17a的膜厚之积除以Al的密度而得到的值定义为第一金属层17a的Al换算膜厚。IDT电极7的Al换算膜厚定义为第一金属层17a、第二金属层17b、第三金属层17c、第四金属层17d以及第五金属层17e各自的Al换算膜厚的合计。由IDT电极7的电极指间距规定的波长由λ表示。通过利用波长λ对IDT电极7的Al换算膜厚进行归一化而得到的IDT电极7的Al换算归一化膜厚由TELE(％)表示。通过利用波长λ对压电体层5的膜厚进行归一化而得到的压电体层5的归一化膜厚由TLT(％)表示。
本实施方式的特征在于弹性波装置包括：压电体层5；IDT电极7，设置在所述压电体层5上；高声速构件，在所述高声速构件中传播的体波的声速比在所述压电体层5中传播的弹性波的声速高；以及低声速膜4，设置在所述高声速构件与所述压电体层5之间，并且在所述低声速膜4中传播的体波的声速比在所述压电体层5中传播的弹性波的声速低，其中所述压电体层5包含钽酸锂，所述IDT电极7包含多个金属层，所述多个金属层包括Al金属层和密度比Al高的金属层，并且满足以下的式1。由此，能够更可靠地改善品质因数。
301.74667-10.83029×TLT-3.52155×TELE+0.10788×TLT 2+0.01003×TELE 2+0.03989×TLT×TELE≥0…式1
在下文中，对通过满足式1从而能够更可靠地改善品质因数这一事实进行说明。
使作为Pt层的第二金属层的膜厚变化而制作了多个具有第一实施方式的结构的弹性波装置。此外，制作了多个包括具有不同膜厚的第二金属层在内并且针对不同波长λ的弹性波装置。除了不满足上述式1以外，类似地制作了多个具有与第一实施方式相同的结构的弹性波装置。这些弹性波装置的条件如下所示，其中包括第二金属层的膜厚以及波长λ在内。
压电体层：材料LiTaO3，膜厚约600nm
低声速膜：材料SiO2，膜厚约673nm
IDT电极的第一金属层：材料Ti，膜厚约12nm
IDT电极的第二金属层：材料Pt，膜厚约40nm，约80nm，约120nm，约160nm，约200nm
IDT电极的第三金属层：材料Ti，膜厚约60nm
IDT电极的第四金属层：材料Al，膜厚约145nm
IDT电极的第五金属层：材料Ti，膜厚约4nm
波长λ：约1.6μm、约2μm、约2.4μm、约2.8μm、约3.2μm、约3.6μm、约4μm
与上述弹性波装置一样，除了弹性波装置不包括第二金属层之外，类似地制作了针对不同波长λ的弹性波装置。在波长λ相互不同的弹性波装置中，压电体层的归一化膜厚TLT会相互不同。接着，测定了所制作的各弹性波装置的Q×Δf。在此，Δf表示各弹性波装置的相对频带。在图4中示出该结果。另外，在图4中还一同示出现有例的结果。
图4是示出压电体层的归一化膜厚TLT与Q×Δf之间的关系的图。在图4中，圆形的描绘点表示上述的测定结果，菱形的描绘点表示现有例的结果。
如图4所示，对于现有例来说，在压电体层的归一化膜厚TLT小于或等于约350％的情况下Q×Δf大于或等于约55，这指示出良好的品质因数。但是，如上述测定的结果所示可知，即使压电体层的归一化膜厚TLT小于或等于约350％，也存在Q×Δf小于约55的情况。
基于上述测定的结果，使用压电体层的归一化膜厚TLT和IDT电极的Al换算归一化膜厚TELE，进行了多元回归分析。由此得到了下式。
Q×Δf＝356.74667-10.83029×TLT-3.52155×TELE+0.10788×TLT 2+0.01003×TELE 2+0.03989×TLT×TELE
在该式的Q×Δf大于或等于约55的情况下，能够更可靠地改善品质因数。能够通过下式来表示该条件。
356.74667-10.83029×TLT-3.52155×TELE+0.10788×TLT 2+0.01003×TELE 2+0.03989×TLT×TELE≥55
能够从该式求得上述式1。
301.74667-10.83029×TLT-3.52155×TELE+0.10788×TLT 2+0.01003×TELE 2+0.03989×TLT×TELE≥0…式1
因此，通过满足式1，能够更可靠地改善品质因数。
优选满足下述的式2。由此，能够更可靠且进一步改善品质因数。
236.606677-10.69079×TLT-3.52155×TELE+0.10788×TLT 2+0.01003×TELE 2+0.03989×TLT×TELE≥0…式2
在下文中对此进行说明。
图5是示出压电体层的归一化膜厚TLT与Q×Δf之间的关系的图。在图5中，圆形的描绘点表示图4所示的上述测定的结果。图5所示的虚线显示由压电体层的归一化膜厚TLT与Q×Δf之间的关系式表示的直线，该关系式是从图4所示的现有例的结果确定的。
在现有例中，在压电体层的归一化膜厚TLT小于或等于约350％的情况下的结果通过下式来表示。
Q×Δf＝-0.1395×TLT+120.14
在通过进行上述多元回归分析而得到的Q×Δf的值大于或等于现有例的Q×Δf的值的情况下，能够进一步改善品质因数。能够通过下式来表示该条件。
356.74667-10.83029×TLT-3.52155×TELE+0.10788×TLT 2+0.01003×TELE 2+0.03989×TLT×TELE≥-0.1395×TLT+120.14
能够从该式求得上述式2。
236.606677-10.69079×TLT-3.52155×TELE+0.10788×TLT 2+0.01003×TELE 2+0.03989×TLT×TELE≥0…式2
因此，通过满足式2，能够更可靠且进一步改善品质因数。
IDT电极的Al换算归一化膜厚TELE优选大于或等于约14％且小于或等于约24％。在这种情况下，弹性波装置能够容易应对高频，并且能够进一步改善品质因数。在下文中对此进行说明。
制作了多个具有与第一实施方式相同的结构并且具有不同的IDT电极的Al换算归一化膜厚TELE的弹性波装置。接着，确定了IDT电极的Al换算归一化膜厚TELE与声速之间以及IDT电极的Al换算归一化膜厚TELE与Q×Δf之间的关系。在图6以及图7中示出该结果。
图6是示出IDT电极的Al换算归一化膜厚TELE与声速之间的关系的图。图7是示出IDT电极的Al换算归一化膜厚TELE与Q×Δf之间的关系的图。
如图6所示可知，IDT电极的Al换算归一化膜厚TELE越薄则声速变得越高。因此，IDT电极的Al换算归一化膜厚TELE越薄，弹性波装置越能够容易应对高频。如图7所示，在IDT电极的Al换算归一化膜厚TELE大于或等于14％且小于或等于24％的情况下，弹性波装置能够进一步改善品质因数。因此，通过将IDT电极的Al换算归一化膜厚TELE指定为大于或等于14％且小于或等于24％，弹性波装置能够容易应对高频，并且能够进一步改善品质因数。
图8是根据第二实施方式的弹性波装置的前视剖面图。
根据本实施方式的弹性波装置与根据第一实施方式的弹性波装置的不同之处在于，在支承基板2与低声速膜4之间设置有作为高声速构件的高声速膜23。高声速膜23可以使用与根据第一实施方式的作为高声速构件的支承基板2相同的材料。除了上述方面以外，弹性波装置21具有与根据第一实施方式的弹性波装置1相同的结构。在本实施方式中，支承基板2可以包含用于高声速构件的材料以外的适当材料。支承基板2例如包含：氮化铝；氧化铝；碳化硅；氮化硅；氮氧化硅；硅；蓝宝石；钽酸锂、铌酸锂、石英晶体等压电体材料；氧化铝、氧化锆、堇青石、莫来石、滑石、镁橄榄石等陶瓷材料；金刚石；氧化镁；以上述任一材料为主成分的材料；或者以上述材料的任一混合物为主成分的材料。
弹性波装置21包括多层体26，该多层体26包括依次层叠的高声速膜23、低声速膜4以及压电体层5。由此，能够提高品质因数，并能够将弹性波的能量有效地限制在压电体层5侧。在本实施方式中，由于也与第一实施方式同样地满足上述式1，因此能够更可靠地改善品质因数。
根据上述各实施方式的弹性波装置能够用于例如高频前端电路的双工器。在下文中说明本实施方式。
图9是通信装置以及高频前端电路的结构图。另外，在该图中，还一起图示了与高频前端电路230连接的各部件，例如天线元件202和RF信号集成电路(RFIC)203。高频前端电路230以及RF信号集成电路203包括在通信装置240中。另外，通信装置240可以包括电源、中央处理单元(CPU)和显示器。
高频前端电路230包括：开关225、双工器201A及201B、滤波器231及232、低噪声放大器电路214及224和功率放大器电路234a、234b、244a及244b。另外，图9所示的高频前端电路230以及通信装置240是高频前端电路以及通信装置的一例，高频前端电路以及通信装置并不限定于该结构。
双工器201A包括滤波器211及212。双工器201B包括滤波器221及222。双工器201A及201B经由开关225与天线元件202连接。另外，上述弹性波装置可以用于双工器201A及201B，或者可以用于滤波器211、212、221及222。
上述弹性波装置可以用于包括三个或更多个滤波器的多工器，例如，包括共享公共天线端子的三个滤波器的三工器、以及包括共享公共天线端子的六个滤波器的六工器。
上述弹性波装置的例子包括弹性波谐振器、滤波器、双工器、以及具备三个或更多个滤波器的多工器。并且，各多工器并不限于具备发送滤波器以及接收滤波器这两者的结构。各多工器可以是仅具备发送滤波器或仅具备接收滤波器的结构。
开关225响应于来自控制部(未图示)的控制信号，将天线元件202与对应于给定频带的至少一个信号路径进行连接，并且可以包括例如单刀双掷(Single Pole DoubleThrow，SPDT)开关。另外，与天线元件202连接的至少一个信号路径可以是多个信号路径。即，高频前端电路230可以支持载波聚合。
低噪声放大器电路214是将经由天线元件202、开关225以及双工器201A馈送来的高频信号(在此为高频接收信号)进行放大并将放大后的信号向RF信号集成电路203馈送的接收放大电路。低噪声放大器电路224是将经由天线元件202、开关225以及双工器201B馈送来的高频信号(在此为高频接收信号)进行放大并将放大后的信号向RF信号处理电路203馈送的接收放大电路。
功率放大器电路234a及234b分别是将从RF信号集成电路203提供的高频信号(在此为高频发送信号)进行放大并将放大后的信号经由双工器201A以及开关225馈送到天线元件202的发送放大电路。功率放大器电路244a及244b分别是将从RF信号集成电路203提供的高频信号(在此为高频发送信号)进行放大并将放大后的信号经由双工器201B以及开关225馈送到天线元件202的发送放大电路。
RF信号集成电路203通过下变频等对从天线元件202经由接收信号路径而提供的高频接收信号进行信号处理，并馈送通过该信号处理而生成的接收信号。此外，RF信号集成电路203通过上变频等对馈送来的发送信号进行信号处理，将通过该信号处理而生成的高频发送信号向功率放大器电路234a、234b、244a及244b馈送。RF信号集成电路203例如是RFIC。另外，通信装置可以包括基带集成电路(BBIC)。在该情况下，BBIC对由RFIC处理后的接收信号进行信号处理。此外，BBIC对发送信号进行信号处理，并将处理后的信号馈送到RFIC。由BBIC处理后的接收信号和要由BBIC处理的发送信号例如是图像信号和声音信号。
另外，高频前端电路230可以包括根据双工器201A及201B的变形例的双工器，而不是包括双工器201A及201B。
通信装置240中的滤波器231及232不经由低噪声放大器电路214或224或功率放大器电路234a、234b、244a或244b，而连接在RF信号集成电路203与开关225之间。滤波器231及232与双工器201A及201B同样，也经由开关225与天线元件202连接。
在具有上述构成的高频前端电路230以及通信装置240中，通过将根据本发明优选实施方式的弹性波装置用作弹性波谐振器、滤波器、双工器、具备三个或更多个滤波器的多工器等，从而能够更可靠地改善品质因数。
以上，列举实施方式及其变形例对根据本发明的优选实施方式的弹性波装置、高频前端电路以及通信装置进行了说明。本发明包括对上述实施方式以及变形例中的要素进行组合而实现的其它实施方式、在不脱离本发明的主旨的范围内对上述实施方式实施本领域技术人员可以想到的各种变形而得到的变形例、以及具备根据本发明优选实施方式的高频前端电路以及通信装置的各种设备。
本发明的优选实施方式能够作为弹性波谐振器、滤波器、双工器、能够应用于多频带系统的多工器、前端电路以及通信装置而广泛利用于便携式电话机等通信设备。
虽然上面已经描述了本发明的优选实施方式，但应当理解，在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对本领域技术人员来说，各种变化和修改将是显而易见的。因此，本发明的范围仅由以下权利要求确定。
Claims (7)
1.一种弹性波装置，包括：
压电体层；
叉指换能器IDT电极，设置在所述压电体层上；
高声速构件，在所述高声速构件中传播的体波的声速比在所述压电体层中传播的弹性波的声速高；以及
低声速膜，设置在所述高声速构件与所述压电体层之间，并且在所述低声速膜中传播的体波的声速比在所述压电体层中传播的弹性波的声速低，
其中所述压电体层包含钽酸锂，
所述IDT电极包含多个金属层，
所述多个金属层包括Al金属层和密度比Al高的金属层，并且
在λ表示由所述IDT电极的电极指间距规定的波长，TLT(％)表示所述压电体层的归一化膜厚并且通过利用所述波长λ对所述压电体层的膜厚进行归一化而得到，TELE(％)表示所述IDT电极的Al换算归一化膜厚并且通过利用所述波长λ对所述IDT电极的Al换算膜厚进行归一化而得到，所述IDT电极的所述Al换算膜厚通过将各个所述金属层的密度与厚度之积的合计除以Al的密度而计算时，满足以下的式1：
301.74667-10.83029×TLT-3.52155×TELE+0.10788×TLT 2+0.01003×TELE 2+0.03989×TLT×TELE≥0…式1。
2.根据权利要求1所述的弹性波装置，其中，
满足以下的式2：
236.606677-10.69079×TLT-3.52155×TELE+0.10788×TLT 2+0.01003×TELE 2+0.03989×TLT×TELE≥0…式2。
3.根据权利要求1或2所述的弹性波装置，其中，
所述IDT电极的所述Al换算归一化膜厚TELE大于或等于约14％且小于或等于约24％。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的弹性波装置，其中，
所述高声速构件为支承基板。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的弹性波装置，还包括：
支承基板，
其中所述高声速构件是设置在所述支承基板与所述低声速膜之间的高声速膜。
6.一种高频前端电路，包括：
根据权利要求1至5中任一项所述的弹性波装置；以及
功率放大器。
7.一种通信装置，包括：
根据权利要求6所述的高频前端电路；以及
RF信号处理电路。
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