CN113169725A - 弹性波装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够降低弹性波能量的损耗的弹性波装置。在弹性波装置(1)中，IDT电极(5)形成在压电体层(4)上。高声速构件(2)隔着压电体层(4)位于与IDT电极(5)相反侧。在高声速构件(2)中，传播的体波的声速与在压电体层(4)传播的弹性波的声速相比为高速。低声速膜(3)设置在高声速构件(2)与压电体层(4)之间。在低声速膜(3)中，传播的体波的声速与在压电体层(4)传播的体波的声速相比为低速。电介质膜(6)形成在压电体层(4)上，使得覆盖IDT电极(5)。在弹性波装置(1)中，电介质膜(6)的杨氏模量大于低声速膜(3)的杨氏模量。

Description

弹性波装置
技术领域
本发明涉及弹性波装置。更详细地，本发明涉及具备电介质膜以及低声速膜的弹性波装置。
背景技术
以往，已知一种层叠有电介质膜以使得覆盖IDT电极的弹性波装置(例如，参照专利文献1)。
专利文献1记载的弹性波装置具有作为高声速构件的高声速支承基板。在高声速支承基板上层叠有声速相对低的低声速膜。此外，在低声速膜上层叠有压电膜。在该压电膜的上表面层叠有IDT电极。进而，层叠有电介质膜，使得覆盖IDT电极。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开2017/043427号
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1记载的弹性波装置中，弹性波能量不仅集中于压电膜(压电体层)，还集中于电介质膜，因此存在弹性波能量的损耗变大的情况。
本发明的目的在于，提供一种能够降低弹性波能量的损耗的弹性波装置。
用于解决课题的技术方案
本发明的一个方式涉及的弹性波装置具备压电体层、IDT电极、高声速构件、低声速膜以及电介质膜。所述IDT电极形成在所述压电体层上。所述高声速构件隔着所述压电体层位于与所述IDT电极相反侧。在所述高声速构件中，传播的体波(bulk wave)的声速与在所述压电体层传播的弹性波的声速相比为高速。所述低声速膜设置在所述高声速构件与所述压电体层之间。在所述低声速膜中，传播的体波的声速与在所述压电体层传播的体波的声速相比为低速。所述电介质膜形成在所述压电体层上，使得覆盖所述IDT电极。所述电介质膜的杨氏模量大于所述低声速膜的杨氏模量。
发明效果
根据本发明，能够降低弹性波能量的损耗。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式涉及的弹性波装置的剖视图。
图2是示出同上的弹性波装置的Q特性的图。
图3是本发明的一个实施方式的变形例1涉及的弹性波装置的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式涉及的弹性波装置进行说明。在下述的实施方式等中参照的图1以及图3均为示意性的图，图中的各构成要素的大小、厚度各自之比未必反映了实际的尺寸比。
(实施方式)
(1)弹性波装置的整体结构
首先，参照图1对实施方式涉及的弹性波装置1的整体结构进行说明。
如图1所示，实施方式涉及的弹性波装置1具备高声速构件2、低声速膜3、压电体层4、IDT(Interdigital Transducer，叉指换能器)电极5以及电介质膜6。高声速构件2、低声速膜3、压电体层4、IDT电极5以及电介质膜6在第1方向D1上依次层叠。
(2)弹性波装置的各构成要素
接着，参照图1对实施方式涉及的弹性波装置1的各构成要素进行说明。
(2.1)高声速构件
如图1所示，高声速构件2隔着压电体层4位于与IDT电极5相反侧。高声速构件2是对低声速膜3、压电体层4、IDT电极5以及电介质膜6进行支承的高声速支承基板21。在高声速支承基板21中，在高声速支承基板21传播的体波的声速与在压电体层4传播的弹性波的声速相比为高速。
高声速支承基板21(高声速构件2)的俯视的形状(从第1方向D1观察高声速支承基板21时的外周形状)为长方形，但是并不限于长方形，例如也可以是正方形。高声速支承基板21的材料例如为硅。高声速支承基板21的厚度例如为120μm。另外，高声速支承基板21的材料并不限于硅，也可以是金刚砂(silicon carbide)、氮化铝、氧化铝、碳化硅、氮化硅、蓝宝石、钽酸锂(LiTaO3)、铌酸锂(LiNbO3)、或石英等压电体、矾土、氧化锆、堇青石、多铝红柱石、块滑石、或镁橄榄石等各种陶瓷、或氧化镁、金刚石、或以上述各材料为主成分的材料、或以上述各材料的混合物为主成分的材料。
(2.2)低声速膜
如图1所示，低声速膜3设置在高声速构件2与压电体层4之间。在低声速膜3中，在低声速膜3传播的体波的声速与在压电体层4传播的体波的声速相比为低速。低声速膜3设置在高声速构件2与压电体层4之间，从而弹性波的声速下降。弹性波的能量在本质上集中于低声速的介质。因此，能够提高向压电体层4内以及激励弹性波的IDT电极5内的弹性波能量的封闭效果。其结果是，与未设置低声速膜3的情况相比，能够降低损耗并提高Q值。
低声速膜3的材料例如为氧化硅。若将由IDT电极5的电极指周期决定的弹性波的波长设为λ，则低声速膜3的厚度例如为2.0λ以下。另外，低声速膜3的材料并不限于氧化硅，也可以是玻璃、氮氧化硅、氧化钽、氧化硅中添加了氟、碳或硼的化合物、或以上述各材料为主成分的材料。
在低声速膜3的材料为氧化硅的情况下，与不包含低声速膜3的情况相比，能够改善频率温度特性。钽酸锂的弹性常数具有负的温度特性，氧化硅的弹性常数具有正的温度特性。因此，在弹性波装置1中，能够减小TCF(Temperature Coefficient of Frequency，频率温度系数)的绝对值。
另外，也可以在低声速膜3与压电体层4之间设置有密接层。由此，能够抑制在低声速膜3与压电体层4之间产生剥离。密接层的材料例如为树脂(环氧树脂、聚酰亚胺树脂等)、金属等。此外，并不限于密接层，也可以在低声速膜3与压电体层4之间或低声速膜3下设置有电介质膜。
(2.3)压电体层
压电体层4形成在低声速膜3上。这里所提及的“形成在低声速膜3上”，包含直接地形成在低声速膜3上的情况和间接地形成在低声速膜3上的情况。压电体层4的材料例如为钽酸锂。另外，压电体层4的材料并不限于钽酸锂，也可以是铌酸锂、氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)或锆钛酸铅(PZT)。
若将由IDT电极5的电极指周期决定的弹性波的波长设为λ，则压电体层4的厚度(膜厚)为3.5λ以下。在压电体层4的厚度为3.5λ以下的情况下，Q值变高。此外，通过将压电体层4的厚度设为2.5λ以下，从而频率温度特性变好。进而，通过将压电体层4的厚度设为1.5λ以下，从而声速的调整变得容易。
(2.4)IDT电极
IDT电极5形成在压电体层4上。这里所提及的“形成在压电体层4上”，包含直接地形成在压电体层4上的情况和间接地形成在压电体层4上的情况。
IDT电极5包含多个电极指和两个汇流条。多个电极指在与第1方向D1交叉(正交)的第2方向D2上并列配置。两个汇流条形成为以第2方向D2为长边方向的长条状，并与多个电极指电连接。更详细地，多个电极指具有多个第1电极指和多个第2电极指。多个第1电极指与两个汇流条中的第1汇流条电连接。多个第2电极指与两个汇流条中的第2汇流条电连接。
IDT电极5的材料例如为铝(A1)。另外，IDT电极5的材料并不限于铝，也可以是铜(Cu)、铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)、镍(Ni)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钽(Ta)、镁(Mg)、铁(Fe)、或以这些金属中的任一者为主体的合金等。此外，IDT电极5也可以具有层叠了包含这些金属或合金的多个金属膜的构造。
在本实施方式中，在压电体层4与IDT电极5之间设置有密接层。密接层的材料例如为钛。由此，能够抑制在压电体层4与IDT电极5之间产生剥离。另外，密接层的材料并不限于钛，也可以是树脂(环氧树脂、聚酰亚胺树脂等)或钛以外的金属等。
(2.5)电介质膜
电介质膜6形成在压电体层4上，使得覆盖IDT电极5。这里所提及的“形成在压电体层4上”，包含直接地形成在压电体层4上的情况和间接地形成在压电体层4上的情况。在本实施方式中，电介质膜6是保护IDT电极5的保护膜，沿着IDT电极5的形状以固定的厚度(膜厚)形成。电介质膜6具有电绝缘性。电介质膜6的材料例如为氧化硅。也就是说，在本实施方式中，电介质膜6的材料和低声速膜3的材料相同。另外，电介质膜6的材料并不限于氧化硅，例如也可以是氮化硅，还可以是氧化硅以及氮化硅以外的适当的绝缘性材料。
(3)弹性波装置的特性
接着，参照图2对实施方式涉及的弹性波装置1的特性进行说明。
图2是示出实施方式涉及的弹性波装置1中的频率和Q值的关系的曲线图。在图2中，横轴表示频率，纵轴表示Q值。此外，在图2中，用实线a1示出电介质膜6的杨氏模量大于低声速膜3的杨氏模量的情况下的特性，用虚线b1示出电介质膜6的杨氏模量和低声速膜3的杨氏模量为相同程度的情况下的特性。进而，在图2中，用单点划线c1示出电介质膜6的杨氏模量小于低声速膜3的杨氏模量的情况下的特性。
根据图2可知，电介质膜6的杨氏模量小于低声速膜3的杨氏模量的情况(单点划线c1)下的Q值最差，电介质膜6的杨氏模量大于低声速膜3的杨氏模量的情况(实线a1)下的Q值最好。也就是说，通过使电介质膜6的杨氏模量大于低声速膜3的杨氏模量，从而能够改善弹性波装置1的Q值。
在像实施方式涉及的弹性波装置1那样具备覆盖IDT电极5的电介质膜6的情况下，如上所述，Q值根据电介质膜6的杨氏模量而变动。在这样的弹性波装置1中，弹性波能量不仅集中于压电体层4，还集中于电介质膜6。而且，电介质膜6的粘性损耗对弹性波能量的损耗的贡献大。因此，为了减小弹性波能量的损耗，优选尽可能减小电介质膜6的粘性损耗。在此，杨氏模量越大，粘性损耗越小，因此为了减小弹性波能量的损耗，优选尽可能增大电介质膜6的杨氏模量。
另一方面，如上所述，低声速膜3是传播的体波的声速与在压电体层4传播的体波的声速相比成为低速的膜，需要使声速小于压电体层4。因此，优选使低声速膜3的杨氏模量小于压电体层4的杨氏模量。
因此，在该情况下，通过使电介质膜6的杨氏模量大于低声速膜3的杨氏模量，从而能够降低(改善)弹性波能量的损耗。
(4)成膜条件
以下，对实施方式涉及的弹性波装置1的低声速膜3以及电介质膜6的成膜条件进行说明。
在实施方式涉及的弹性波装置1中，例如，通过溅射对低声速膜3以及电介质膜6进行成膜。在该情况下，通过改变溅射装置的腔内的真空度，从而能够控制低声速膜3以及电介质膜6的杨氏模量。例如，在对低声速膜3进行成膜的情况下，通过使腔内的真空度为0.5Pa以上且1.0Pa以下，从而能够成膜杨氏模量比电介质膜6小的低声速膜3。此外，在对电介质膜6进行成膜的情况下，通过使腔内的真空度为0.04Pa以上且0.1Pa以下，从而能够成膜杨氏模量比低声速膜3大的电介质膜6。即，通过增大真空度(减小腔内的残留气体的到达压力)从而成膜中的杂质减少，可得到原子的纯度、致密度高的膜，因此成为杨氏模量变大且粘性损耗小的膜。也就是说，在实施方式涉及的弹性波装置1中，通过调节腔内的真空度，从而能够使电介质膜6的杨氏模量大于低声速膜3的杨氏模量。
(5)效果
像以上说明的那样，实施方式涉及的弹性波装置1具备压电体层4、IDT电极5、高声速构件2、低声速膜3以及电介质膜6。IDT电极5形成在压电体层4上。高声速构件2隔着压电体层4位于与IDT电极5相反侧。在高声速构件2中，传播的体波的声速与在压电体层4传播的弹性波的声速相比为高速。低声速膜3设置在高声速构件2与压电体层4之间。在低声速膜3中，传播的体波的声速与在压电体层4传播的体波的声速相比为低速。电介质膜6形成在压电体层4上，使得覆盖IDT电极5。在该弹性波装置1中，电介质膜6的杨氏模量大于低声速膜3的杨氏模量。
在用电介质膜6覆盖IDT电极5的构造中，弹性波能量不仅集中于压电体层4，还集中于电介质膜6。因此，通过尽可能增大电介质膜6的杨氏模量，从而能够减小电介质膜6的粘性损耗，由此能够降低弹性波能量的损耗。此时，在低声速膜3的杨氏模量小的情况下，能够进一步降低损耗。因此，在电介质膜6的杨氏模量大于低声速膜3的杨氏模量的情况下，能够进一步降低损耗。
在实施方式涉及的弹性波装置1中，电介质膜6的材料为氧化硅。由此，与电介质膜6的材料不是氧化硅的情况相比，能够改善频率温度特性。
在实施方式涉及的弹性波装置1中，低声速膜3的材料为氧化硅。由此，与低声速膜3的材料不是氧化硅的情况相比，能够改善频率温度特性。
在实施方式涉及的弹性波装置1中，电介质膜6的材料和低声速膜3的材料相同。由此，与电介质膜6的材料和低声速膜3的材料不同的情况相比，具有容易调整电介质膜6的杨氏模量这样的优点。
在实施方式涉及的弹性波装置1中，高声速构件2是传播的体波的声速与在压电体层4传播的弹性波的声速相比为高速的高声速支承基板21。由此，能够提高弹性波装置1的Q值。
(6)变形例
上述的实施方式只不过是本发明的各种各样的实施方式中的一个。只要能够达到本发明的目的，上述的实施方式就能够根据设计等而进行各种变更。以下，列举上述的实施方式的变形例。以下说明的变形例能够适当地组合而进行应用。
(6.1)变形例1
实施方式涉及的弹性波装置1是具有高声速支承基板21、低声速膜3以及压电体层4的三层构造，相对于此，变形例1涉及的弹性波装置1A是四层构造，在这一点上两者不同。以下，参照图3对四层构造的弹性波装置1A的结构进行说明。另外，在变形例1涉及的弹性波装置1A中，关于与实施方式涉及的弹性波装置1同样的结构，标注相同的附图标记，并省略说明。
如图3所示，变形例1涉及的弹性波装置1A具备高声速构件2A、低声速膜3、压电体层4、IDT电极5以及电介质膜6。高声速构件2A包含支承基板22和高声速膜23。也就是说，弹性波装置1A还具备支承基板22。高声速膜23形成在支承基板22上。这里所提及的“形成在支承基板22上”，包含直接地形成在支承基板22上的情况和间接地形成在支承基板22上的情况。在高声速膜23中，在高声速膜23传播的体波的声速与在压电体层4传播的弹性波的声速相比为高速。另外，弹性波装置1A除了高声速膜23、低声速膜3、压电体层4以及电介质膜6以外，还可以具有密接层、电介质膜等。
支承基板22的材料例如为硅。另外，支承基板22的材料并不限于硅，也可以是蓝宝石、钽酸锂、铌酸锂、或石英等压电体、矾土、氧化镁、氮化硅、氮化铝、碳化硅、氧化锆、堇青石、多铝红柱石、块滑石、或镁橄榄石等各种陶瓷、玻璃等电介质、氮化镓等半导体、树脂等。
高声速膜23形成在支承基板22上。高声速膜23发挥功能，使得将弹性波封闭在层叠有压电体层4以及低声速膜3的部分而不会泄漏到比高声速膜23靠下的构造。关于高声速膜23的厚度，从将弹性波封闭在压电体层4以及低声速膜3的功能的观点出发，越厚越好。
在高声速膜23的厚度足够厚的情况下，为了得到滤波器、谐振器的特性而利用的特定的模式的弹性波能量分布于压电体层4以及低声速膜3的整体，还分布于高声速膜23的低声速膜3侧的一部分，但是不分布于支承基板22。通过高声速膜23来封闭弹性波的机制是与作为非泄漏的SH波的洛夫波型的表面波的情况相同的机制，例如，记载于文献“声表面波器件仿真技术入门”、桥本研也、REALIZE公司、p.26-28。上述机制与使用基于声多层膜的布拉格反射器来封闭弹性波的机制不同。
高声速膜23的材料例如为从包含类金刚石碳、氮化铝、氧化铝、碳化硅、氮化硅、硅、蓝宝石、钽酸锂、铌酸锂、石英、矾土、氧化锆、堇青石、多铝红柱石、块滑石、镁橄榄石、氧化镁以及金刚石的组之中选择的至少一种材料。
根据变形例1涉及的弹性波装置1A，与上述的实施方式涉及的弹性波装置1同样地，通过使电介质膜6的杨氏模量大于低声速膜3的杨氏模量，从而能够减小电介质膜6的粘性损耗，由此能够降低弹性波能量的损耗。此外，根据变形例1涉及的弹性波装置1A，还能够提高Q值。
(6.2)其它变形例
以下，列举其它变形例。
在实施方式以及变形例1中，电介质膜6的材料和低声速膜3的材料相同，但是只要电介质膜6的杨氏模量大于低声速膜3的杨氏模量即可，电介质膜6的材料和低声速膜3的材料也可以不同。但是，如果电介质膜6的材料和低声速膜3的材料相同，则例如仅通过改变压力、温度等就能够调整电介质膜6的杨氏模量，具有容易调整杨氏模量这样的优点。
在实施方式以及变形例1中，电介质膜6沿着IDT电极5的形状而形成，且电介质膜6的厚度(膜厚)遍及压电体层4的整个面是固定的。相对于此，电介质膜6的厚度也可以不是固定的，例如，电介质膜6也可以形成为从压电体层4中的IDT电极5侧的主面起的电介质膜6的厚度变得固定。
在实施方式中，通过改变腔内的真空度，从而对低声速膜3以及电介质膜6的杨氏模量进行控制。相对于此，例如，也可以通过改变腔内的温度，从而对低声速膜3以及电介质膜6的杨氏模量进行控制，还可以通过改变腔内的真空度以及温度这两者，从而对低声速膜3以及电介质膜6的杨氏模量进行控制。进而，也可以通过腔内的真空度以及温度以外的条件对低声速膜3以及电介质膜6的杨氏模量进行控制。
(总结)
根据以上说明的实施方式等，公开了以下的方式。
第1方式涉及的弹性波装置(1；1A)具备压电体层(4)、IDT电极(5)、高声速构件(2；2A)、低声速膜(3)以及电介质膜(6)。IDT电极(5)形成在压电体层(4)上。高声速构件(2；2A)隔着压电体层(4)位于与IDT电极(5)相反侧。在高声速构件(2；2A)中，传播的体波的声速与在压电体层(4)传播的弹性波的声速相比为高速。低声速膜(3)设置在高声速构件(2；2A)与压电体层(4)之间。在低声速膜(3)中，传播的体波的声速与在压电体层(4)传播的体波的声速相比为低速。电介质膜(6)形成在压电体层(4)上，使得覆盖IDT电极(5)。在弹性波装置(1；1A)中，电介质膜(6)的杨氏模量大于低声速膜(3)的杨氏模量。
根据该方式，与电介质膜(6)的杨氏模量为低声速膜(3)的杨氏模量以下的情况相比，能够降低弹性波能量的损耗。
在第2方式涉及的弹性波装置(1；1A)中，在第1方式下，电介质膜(6)的材料为氧化硅。
根据该方式，与电介质膜(6)的材料不是氧化硅的情况相比，能够改善频率温度特性。
在第3方式涉及的弹性波装置(1；1A)中，在第1方式或第2方式下，低声速膜(3)的材料为氧化硅。
根据该方式，与低声速膜(3)的材料不是氧化硅的情况相比，能够改善频率温度特性。
在第4方式涉及的弹性波装置(1；1A)中，在第1方式下，电介质膜(6)的材料和低声速膜(3)的材料相同。
根据该方式，与电介质膜(6)的材料和低声速膜(3)的材料不同的情况相比，具有容易调整电介质膜(6)的杨氏模量这样的优点。
在第5方式涉及的弹性波装置(1)中，在第1方式～第4方式中的任一个方式下，高声速构件(2)是传播的体波的声速与在压电体层(4)传播的弹性波的声速相比为高速的高声速支承基板(21)。
根据该方式，能够提高弹性波装置(1)的Q值。
第6方式涉及的弹性波装置(1A)在第1方式～第4方式中的任一个方式下，还具备支承基板(22)。高声速构件(2A)包含高声速膜(23)，该高声速膜(23)形成在支承基板(22)上，传播的体波的声速与在压电体层(4)传播的弹性波的声速相比为高速。
根据该方式，能够提高弹性波装置(1A)的Q值。
附图标记说明
1、1A：弹性波装置；
2、2A：高声速构件；
3：低声速膜；
4：压电体层；
5：IDT电极；
6：电介质膜；
21：高声速支承基板；
22：支承基板；
23：高声速膜。

Claims (6)

1.一种弹性波装置，具备：
压电体层；
IDT电极，形成在所述压电体层上；
高声速构件，隔着所述压电体层位于与所述IDT电极相反侧，传播的体波的声速与在所述压电体层传播的弹性波的声速相比为高速；
低声速膜，设置在所述高声速构件与所述压电体层之间，传播的体波的声速与在所述压电体层传播的体波的声速相比为低速；以及
电介质膜，形成在所述压电体层上，使得覆盖所述IDT电极，
所述电介质膜的杨氏模量大于所述低声速膜的杨氏模量。
2.根据权利要求1所述的弹性波装置，其中，
所述电介质膜的材料为氧化硅。
3.根据权利要求1或2所述的弹性波装置，其中，
所述低声速膜的材料为氧化硅。
4.根据权利要求1所述的弹性波装置，其中，
所述电介质膜的材料和所述低声速膜的材料相同。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的弹性波装置，其中，
所述高声速构件是传播的体波的声速与在所述压电体层传播的弹性波的声速相比为高速的高声速支承基板。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的弹性波装置，其中，
还具备支承基板，
所述高声速构件包含：高声速膜，形成在所述支承基板上，传播的体波的声速与在所述压电体层传播的弹性波的声速相比为高速。
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