JP2003087085A - 圧電共振子、フィルタおよび電子通信機器 - Google Patents
圧電共振子、フィルタおよび電子通信機器Info
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Abstract
共振周波数の温度変化に対する安定性を良好にする。 【解決手段】基板2と、基板2に形成されている、少な
くとも1層以上の圧電薄膜を有する内側薄膜部の上下面
を少なくとも一対の上部電極4b及び下部電極4aを対
向させて挟む構造の振動部4とを有する、共振子を複数
設けた圧電共振子において、下部電極4aの下に、圧電
薄膜または誘電薄膜を含む1層以上の外側薄膜部4cを
有するとともに、振動部4はn倍波(ただし、nは2以
上の整数)の振動モードで振動し、且つ上部電極4b及
び下部電極4aが、概略、n倍波の腹の位置に設けられ
ている。
Description
料を薄膜にして多層構造として振動部位を形成する圧電
共振子に係り、より詳しくは、フィルタや発振子などに
使用されて、VHF帯、UHF帯、さらにそれ以上の超
高周波帯において厚み縦振動する圧電共振子に関する。
本発明はまた、この圧電共振子を用いたフィルタおよび
電子通信機器に関する。
合、その共振周波数が圧電膜の厚さに反比例する関係に
あることを利用して、電極間に極めて膜厚の薄い圧電膜
を介装した形態にして超高周波数帯域で共振応答を得る
ものがある。
貫通した開口を有する基板と、前記開口を覆う形態で該
基板上に設けられたSiO2薄膜からなるダイヤフラム
と、前記ダイヤフラム上に設けられた一対の対向電極間
にZnO薄膜を介装してなる振動部位とを備えた厚み縦
振動型のものがある。
対の電極に圧電膜を挟んだ構造として、基本波の腹を電
極に存在する形態として電極での共振エネルギのロスを
なくしてその共振特性を良好にしたものがある。
来の圧電共振子の場合、基本波を用いていたから、共振
エネルギのロスが少なくなるとしても、基本波の場合、
前記SiO2薄膜とZnO薄膜との膜厚比変動で共振周
波数温度係数が大きく変動するために、共振周波数が温
度変化で大きく変化しやすく、したがって、温度変化に
対する共振周波数の安定性が低いものである。
ルギーのロスを低減し、かつ、温度変化に対する共振周
波数の安定性を良好にすることを解決すべき課題として
いる。
基板に形成されている、少なくとも1層以上の圧電薄膜
を有する内側薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電
極及び下部電極を対向させて挟む構造の振動部とを有す
る、共振子を複数設けた圧電共振子において、前記下部
電極の下に、圧電薄膜または誘電薄膜を含む1層以上の
外側薄膜部を有するとともに、前記振動部はn倍波(た
だし、nは2以上の整数)の振動モードで振動し、且つ
前記上部電極及び下部電極が、概略、前記n倍波の腹の
位置に設けられていることを特徴とする。
が、概略、n倍波の腹の位置に設けられているから、そ
れら電極での共振エネルギのロスを低減できる。そし
て、本発明では、n倍波の振動モードで振動するものと
されていることにより、前記各薄膜部の膜厚比が多少変
動しても共振周波数温度係数が大きく変動するようなこ
とがない膜厚比領域が存在するから、膜厚比をその領域
に設定することで温度変化に対して共振周波数を安定さ
せられる。
倍波とされて、前記外側薄膜部の膜厚をto、前記内側
薄膜部の膜厚をti、両薄膜部の膜厚比をr=to/t
iとしたとき、前記膜厚比rが、当該圧電共振子全体の
共振周波数温度係数をゼロ付近にする値に設定されてい
る。
とで、さらに効果的に、温度変化に対して共振周波数を
安定させられる。
膜部もしくは外側薄膜部の少なくとも一方で各薄膜が、
互いに異なる共振周波数温度係数を有する組み合わせと
されている。
膜からなるときは、内側薄膜部を構成する各薄膜間での
組み合わせ、外側薄膜部が複数の薄膜からなるときは、
外側薄膜部を構成する各薄膜間での組み合わせ、内側薄
膜部と外側薄膜部それぞれを構成する各薄膜間での組み
合わせのいずれも含む。
振子全体の共振周波数温度係数をゼロ付近に設定できる
から、温度変化に対して共振周波数を一層安定させるこ
とができる。
膜部が、SiO2薄膜を主成分とする薄膜、SiN薄膜
を主成分とする薄膜、Al2O3薄膜を主成分とする薄膜
のうちの少なくとも1つ以上からなる。
膜部が、ZnOを主成分とする薄膜、AlNを主成分と
する薄膜、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を主成分と
する薄膜、チタン酸鉛(PT)を主成分とする薄膜、チ
タン酸バリウム(BT)を主成分とする薄膜のうちの少
なくとも1つ以上からなる。
開口部もしくは凹部を有し、前記開口部もしくは凹部上
に前記振動部が形成されている。ここで、開口部とは、
基板の表裏面を貫通した状態の空間部をいう。凹部は、
基板の一面側に有底状に凹み形成された空間部をいう。
このように、開口部もしくは凹部上に振動部が形成され
ていることによって、共振特性が向上する。
変動に対して共振周波数温度係数の小さいつまり共振周
波数の温度変化に対する変動を小さく抑制でき、温度変
化に対して共振応答が極めて安定した圧電共振子を提供
することができるものとなる。
には、上下一対の電極間に、負の共振周波数温度係数を
有する圧電膜と、正の共振周波数温度係数を有する圧電
膜とを挟んだ構造として、圧電共振子全体としての共振
周波数温度係数をゼロに近づけて温度変化に対する共振
応答の安定化を図ることが開示されている。
は、上下一対の電極に圧電膜を挟んだ構造として、共振
波の腹を電極に存在する形態として電極での共振エネル
ギのロスをなくしてその共振特性を良好にすることが開
示されている。
上下一対の電極間に一対の圧電膜間に該圧電膜と異符号
の薄膜をその厚み方向中央に積層して共振周波数の温度
特性を良好にすることが開示されている。
を用いておらず、かつ、振動波の腹が対向電極に位置し
ていないから、本発明の効果を発揮することができな
い。
電共振子の複数を備え、それらの圧電共振子における電
極同士をフィルタ回路の構成に接続なるフィルタであ
る。
係る圧電共振子を複数、梯子型に接続してなるフィルタ
である。
に係るフィルタを用いて構成される。
る圧電共振子の1つないしは複数を備え、それらの圧電
共振子を電子通信動作に使用する。
実施の形態に基づいて説明する。
本実施の形態の圧電共振子の基本構造を説明する。
振子1は、厚み縦振動型であって、基板2と、ダイヤフ
ラム3と、振動部位4とを備える。
り、表裏面を貫通する開口部5を有する。
O2(酸化シリコン)薄膜からなり、前記開口部5を覆う
形態で該基板2上に設けられている。
れており、上部電極4bと下部電極4aとからなる上下
一対の対向電極と、上部電極4b及び下部電極4aの間
に介装された少なくとも圧電膜を含む1層以上の内側薄
膜部4cとからなる。
l(アルミニウム)から構成されている。
亜鉛)薄膜からなる。
子の製造例を簡単に説明する。基板2の両面を熱酸化し
て熱酸化SiO2薄膜を形成する。基板2の表面側の熱
酸化SiO2薄膜はダイヤフラム3となる。基板2の裏
面側の熱酸化SiO2薄膜は、フォトリソグラフィ法を
用いて前記開口部5に対応してパターニングされる。こ
れによって、基板2の裏面側を露出する。この露出した
基板2の裏面に対してアルカリ液を用いて異方性エッチ
ングする。このエッチングは基板2の表面側のSiO2
薄膜まで達することで基板2に開口部5を形成する。次
いで、基板2表面のSiO2薄膜よりなるダイヤフラム
3上にリフトオフ蒸着により下部電極4aを形成する。
次いで、この下部電極4aおよびダイヤフラム3上にZ
nO薄膜からなる内側薄膜部4cをスパッタリング法や
その他の成膜技術を用いて形成する。次いで、この内側
薄膜部4c上にリフトオフ蒸着により上部電極4bを形
成する。
る。
形態では、以上の構成において、第1に、基本波に対し
て図1中破線で示される形態を備えた2倍波の振動モー
ドで振動するものとされており、かつ、上部電極4b及
び下部電極4aが、概略、2倍波の腹の位置に設けられ
ている。この2倍波の節は、内外両薄膜部3,4c内に
存在している。
及び下部電極4aに存在する形態とされているから、電
極4a,4bでの共振エネルギのロスが少なくなり共振
特性が良好になる。
と振動部位4それぞれの各薄膜が、互いに異符号の共振
周波数温度係数を有する組み合わせとされている。その
うえで、ダイヤフラム3であるSiO2薄膜の膜厚をt
o、振動部位4におけるZnO薄膜の膜厚をti、両薄
膜の膜厚比をr=to/tiとしたとき、前記膜厚比r
が、当該圧電共振子1全体の共振周波数温度係数をゼロ
付近にする値に設定されている。
る。
り、縦軸は、共振周波数温度係数TCFを示す。また、
は、基本波、は、2倍波を示す。そして、本実施の
形態における振動部位4は、2倍波による厚み縦共振モ
ードで励振されるよう各薄膜の膜厚比rが設定されてお
り、その膜厚比rは0.6〜1.3の範囲とされてい
る。
温度係数TCFはほぼ+10〜−10ppm/℃とな
る。したがって、膜厚比rの前記範囲内における設定で
共振周波数温度係数TCFをほぼゼロに設定することが
できる。これによって、圧電共振子1における振動周波
数の温度変化に対して安定化させることができる。
数温度係数をゼロに近付けることができるのは、外側薄
膜部3が正の共振周波数温度係数を有するSiO2薄膜
とされ、内側薄膜部4cが負の共振周波数温度係数を有
するZnO薄膜とされているからである。つまり、図2
において膜厚比rが1である場合において、正の共振周
波数温度係数TCFを有する外側薄膜部3の膜厚toを
負の共振周波数温度係数TCFを有する内側薄膜部4c
に対して大きくして膜厚比rを1以上に大きくすると、
膜厚比rが1.3付近までは共振周波数温度係数TCF
がゼロに近づく。さらに、外側薄膜部3の膜厚toを大
きくして膜厚比rが1.3以上になると、共振周波数温
度係数TCFがゼロから離れてプラス側に大きくなる。
また、外側薄膜部3の膜厚toを小さくして膜厚比rを
小さくする場合、0.6付近までは共振周波数温度係数
TCFがゼロに近づく。さらに、外側薄膜部3の膜厚t
oを小さくして膜厚比rを0.6以下にすると、共振周
波数温度係数TCFがゼロから離れてプラス側に大きく
なる。
rの設定で共振周波数温度係数TCFをほぼゼロに調整
することによって、圧電共振子1における共振周波数の
温度変化に対して安定化させることができる。
のではなく種々な応用や変形が考えられる。
のいずれも、2倍波を用いること、および上部電極4b
及び下部電極4aに対して2倍波の腹をほぼ位置付ける
ことを前提とするから、外側薄膜部3と内側薄膜部4c
との膜厚比調整で、図2で示される共振周波数の温度変
化が少ない領域を使用することができる。
が、これに限定されるものではなく、n倍波(ただし、
nは2以上の整数)の振動モードで振動するものとさ
れ、かつ、上部電極4b及び下部電極4aが、概略、n
倍波の腹の位置に設けられているものとしてよい。
酸化SiO2膜3aとSiN(窒化シリコン)3bとの2
層構造としてもよい。
係数が異なる2層の膜3a,3bで構成されるから、前
記両膜3a,3bそれぞれの膜厚比を適宜に変更するこ
とで、外側薄膜部3全体の共振周波数温度係数を調整す
ることができるようになる。この調整により、圧電共振
子1全体の共振周波数の温度変化率を小さくして温度変
化に対しての安定性を高めることができる。
を、熱酸化SiO2膜3cとスパッタ法で成膜したSi
O2膜3dとの2層構造としてもよい。
膜部3を構成する前記両膜3c,3d全体の共振周波数
の温度特性を調整して、内側薄膜部4cの共振周波数の
温度特性を補償することができる。
を、AlN(窒化アルミニウム)膜4c1とZnO膜4c
2との2層構造としてもよい。
N膜4c1は、正の共振周波数温度係数を有し、ZnO
膜4c2は、負の共振周波数温度係数を有する。そのた
めAlN膜4c1とZnO膜4c2との2層構造により
熱酸化SiO2からなる外側薄膜部3の共振周波数温度
係数を補償して圧電共振子1全体の共振周波数温度係数
をゼロに近付けるような内側薄膜部4cを得ることがで
きる。その結果、圧電共振子1は、共振周波数温度係数
を小さく温度特性が安定したものとなる。
酸化SiO2膜3cとスパッタ法で成膜したSiO2膜3
dとの2層構造とし、内側薄膜部4cをAlN膜4c1
とZnO膜4c2との2層構造としてもよい。こうする
と、前記と同様の作用効果を同時に達成することができ
る。
iN膜で、内側薄膜部4cをAlN膜で構成してもよ
い。この場合も、前記(3)(4)の作用効果を同時に達成
することができる。
lN膜3eとAl2O3(酸化アルミニウム)膜3fとの2
層構造とし、内側薄膜部4cをAlNの単層構造として
もよい。この場合も、前記(3)(4)の作用効果を同時に
達成することができる。
cが、ZnOを主成分とする薄膜、AlNを主成分とす
る薄膜以外にも、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を主成
分とする薄膜、PT(チタン酸鉛)を主成分とする薄膜、
BT(チタン酸バリウム)を主成分とする薄膜のうちの少
なくとも1つ以上からなるものとしてよい。
(a)で示すようなπ型ラダーフィルタ、図9(b)で示す
ようなL型ラダーフィルタ、図9(c)で示すようなT型
ラダーフィルタ、図10(a)で示すようなL型ラダー
フィルタ、図10(b)に示すようなL型ラダーフィル
タのフィルタ素子として組み込んで使用することができ
る。このようなフィルタの場合、温度変化に対して安定
したフィルタ特性のものとなる。なお、このような各フ
ィルタは、上述した圧電共振子1を基板2上に複数設
け、これら基板2上の各圧電共振子1どうしをそれぞれ
の電極を接続することで、周囲の温度変化に対する動作
特性を安定させられたフィルタを完成することができ
る。
帯電話や無線LANやその他、あらゆる各種電子通信機
器に搭載されることで、当該電子通信機器の電子通信動
作に使用する場合、周囲の温度変化に対する動作特性を
安定させることができる。
通信機器などに搭載されるデュプレクサの素子として用
いられても良い。このデュプレクサ31は、図11に示
すように、アンテナ端子32、受信側端子33及び送信
側端子34が設けられている。このデュプレクサ31
は、受信側端子33及び送信側端子34と、アンテナ端
子32との間に所要周波数帯域の高周波信号の通過のみ
許す本発明に係る圧電共振子または上記(9)で示され
たようなフィルタが含まれる構成となっている。
として、図12に示す構成のものでも良い。図12に示
される圧電共振子51は、シリコン基板52の上側に凹
部53を形成するとともに、シリコン基板52上面及び
その凹部53を覆う状態で、熱酸化SiO2膜54aと
SiN(窒化珪素)膜54bとの2層から成る外側薄膜
部としてのダイヤフラム54が成膜されている。このダ
イヤフラム54の上には、振動部位55が設けられてい
る。この振動部位55は、上部電極58と下部電極56
とからなる上下一対の対向電極と、この上部電極58と
下部電極56とに挟み込まれた少なくとも圧電膜を1層
以上含む内側薄膜部57とからなる。
基板と、前記基板に形成されている、少なくとも1層以
上の圧電薄膜を有する内側薄膜部の上下面を少なくとも
一対の上部電極及び下部電極を対向させて挟む構造の振
動部とを有する、共振子を複数設けた圧電共振子におい
て、前記下部電極の下に、圧電薄膜または誘電薄膜を含
む1層以上の外側薄膜部を有するとともに、前記振動部
はn倍波(ただし、nは2以上の整数)の振動モードで
振動し、且つ前記上部電極及び下部電極が、概略、前記
n倍波の腹の位置に設けられているから、電極での共振
エネルギーのロスを低減できる。そして、本発明では、
n倍波の振動モードで振動するものとされているから、
前記各薄膜部の膜厚比が多少変動しても共振周波数温度
係数が大きく変動するようなことがない膜厚比領域が存
在するから、膜厚比をその領域に設定することで温度変
化に対して共振周波数を安定させられる。
温度係数との特性図
図
の断面図
の断面図
の断面図
の断面図
の断面図
図
概略説明図
子の断面図
Claims (10)
- 【請求項1】基板と、前記基板に形成されている、少な
くとも1層以上の圧電薄膜を有する内側薄膜部の上下面
を少なくとも一対の上部電極及び下部電極を対向させて
挟む構造の振動部とを有する、共振子を複数設けた圧電
共振子において、 前記下部電極の下に、圧電薄膜または誘電薄膜を含む1
層以上の外側薄膜部を有するとともに、前記振動部はn
倍波(ただし、nは2以上の整数)の振動モードで振動
し、且つ前記上部電極及び下部電極が、概略、前記n倍
波の腹の位置に設けられている、ことを特徴とする圧電
共振子。 - 【請求項2】請求項1に記載の圧電共振子において、 前記n倍波が、2倍波とされて、前記外側薄膜部の膜厚
をto、前記内側薄膜部の膜厚をti、両薄膜部の膜厚
比をr=to/tiとしたとき、前記膜厚比rが、当該
圧電共振子全体の共振周波数温度係数をゼロ付近にする
値に設定されている、ことを特徴とする圧電共振子。 - 【請求項3】請求項1または2に記載の圧電共振子にお
いて、 前記内側薄膜部もしくは外側薄膜部の少なくとも一方で
各薄膜が、互いに異なる共振周波数温度係数を有する組
み合わせとされている、ことを特徴とする圧電共振子。 - 【請求項4】請求項1ないし3のいずれかに記載の圧電
共振子において、 前記外側薄膜部が、SiO2薄膜を主成分とする薄膜、
SiN薄膜を主成分とする薄膜、Al2O3薄膜を主成分
とする薄膜のうちの少なくとも1つ以上からなる、こと
を特徴とする圧電共振子。 - 【請求項5】請求項1ないし4のいずれかに記載の圧電
共振子において、 前記内側薄膜部が、ZnOを主成分とする薄膜、AlN
を主成分とする薄膜、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分と
する薄膜、チタン酸鉛を主成分とする薄膜、チタン酸バ
リウムを主成分とする薄膜のうちの少なくとも1つ以上
からなる、ことを特徴とする圧電共振子。 - 【請求項6】請求項1ないし5のいずれかに記載の圧電
共振子において、 前記基板は開口部もしくは凹部を有し、前記開口部もし
くは凹部上に前記振動部が形成されていることを特徴と
する圧電共振子。 - 【請求項7】請求項1ないし6のいずれかに記載の圧電
共振子の複数を備え、それらの圧電共振子における電極
同士をフィルタ回路の構成に接続してなる、ことを特徴
とするフィルタ。 - 【請求項8】請求項1ないし6のいずれかに記載の圧電
共振子を複数、梯子型に接続してなることを特徴とする
フィルタ。 - 【請求項9】請求項7または8に記載のフィルタを用い
て構成されることを特徴とするデュプレクサ。 - 【請求項10】請求項1ないし6のいずれかに記載の圧
電共振子の1つないしは複数を備え、それらの圧電共振
子を電子通信動作に使用する、ことを特徴とする電子通
信機器。
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