JP2004304704A - 薄膜音響共振子、及び、薄膜音響共振子回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有し、量産時の特性ばらつきが小さく、低廉な製造コストの薄膜音響共振子、及び、薄膜音響共振子回路を提供する。
【解決手段】共通電極と、該共通電極上に形成される圧電層と、該圧電層上に形成される、共振子用の第１電極と、該第１電極の周縁を間隙をあけて囲むスプリアス抑制素子用の第２電極と、前記第１電極に電力を供給する第１配線と、前記第２電極に電力を供給する第２配線と、からなる積層体が基板上に配置した薄膜音響共振子であって、前記圧電層が強誘電体膜を含み、前記共振子部分と前記スプリアス抑制素子部分とで強誘電体膜の分極状態を互いに異にしたことを特徴とする薄膜音響共振子である。
【選択図】 図１
【解決手段】共通電極と、該共通電極上に形成される圧電層と、該圧電層上に形成される、共振子用の第１電極と、該第１電極の周縁を間隙をあけて囲むスプリアス抑制素子用の第２電極と、前記第１電極に電力を供給する第１配線と、前記第２電極に電力を供給する第２配線と、からなる積層体が基板上に配置した薄膜音響共振子であって、前記圧電層が強誘電体膜を含み、前記共振子部分と前記スプリアス抑制素子部分とで強誘電体膜の分極状態を互いに異にしたことを特徴とする薄膜音響共振子である。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線高周波回路に用いられる電子部品である薄膜音響共振子、及び、薄膜音響共振子回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年次第に普及しつつある移動電話の１つのタイプに、符号分割多重アクセス（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ；以下、ＣＤＭＡという）を利用するＰＣＳ（以下、ＣＤＭＡ ＰＣＳという）がある。ＣＤＭＡ ＰＣＳ装置は、約１９００ＭＨｚの周波数帯域で動作し、送受切換器の性能に対して特に厳格な要件を課している。送信信号及び受信信号に割り当てられたスペクトル部分間の保護帯域は、搬送波周波数の約１％、２０ＭＨｚにすぎない。送信信号及び受信信号に割り当てられたスペクトル部分の帯域幅は、搬送波周波数の約３％、すなわち、６０ＭＨｚである。これは、送信用及び受信用の帯域フィルタが、それぞれ、極めて鋭いロール・オフを備える必要があることを表している。更に、１ワットを超える電力レベルによって送受切換器の信頼性又はフィルタ特性の長期安定性が損なわれることのないＣＤＭＡ ＰＣＳ装置等の用途における利用を可能にするのに十分に急峻なフィルタ特性を備える送受切換器を提供する必要がある。
【０００３】
これに対して、セラミック・フィルタ又はＳＡＷフィルタをベースにした送受切換器よりかなり小型であって、製造コストを低く保つことができる薄膜音響共振子を用いた送受切換器を提供しているものもある（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
薄膜共振子（ＦＢＡＲ）とは、電気信号に反応し、例えば、０．５〜５ＧＨｚ範囲のマイクロ波に対して高周波で共振可能な薄膜音響デバイスである。従来の薄膜共振子は、第１電極と第２電極の間に圧電膜を備えており、それら電極が圧電膜に電界を印加する。圧電膜は、酸化亜鉛、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）等の圧電性結晶材料、又は圧電効果のある他の圧電性結晶材料で形成されている。圧電効果は、例えば第１電極と第２電極によって圧電材料全般に電界が印加され、それに反応して圧電材料が伸縮する時や、機械的応力や張力を圧電材料に加えることにより電荷や電流が生成される時に起こる。膜厚が均一である圧電膜の機械的共振周波数は、膜厚（ｔ）の２倍で音響速度（ｖ）を除することにより求められる。即ち、ｆｒ＝ｖ／２ｔとなる。高周波ソースの周波数と圧電膜の機械的共振周波数は整合するため、高周波ソースを用いて可変周波数の交流電界を圧電膜に印加すると、圧電膜の機械的振動は著しく大きくなる。機械的振動が大きいため、それによって圧電材料はこの共振周波数における最大電流量を生成する。圧電膜は、周波数の大きさによって生成する電流量が異なるので、電気フィルタ、発振器、周波数制御回路の素子として有用である。
【０００５】
例えば２ＧＨｚといった通常の高周波周波数で共振するには、アルミニウム窒化物の膜厚は２．５ミクロンで、電極は、５０オーム回路に最適に適合する３００ミクロンほどである。従って、材料の横幅に対する厚みの比率は小さく、音エネルギーが横方向に効果的に制限されない。異なったタイプの音響波（モードが異なる音響波）と共振子の縁部との間に有害な相互作用が生じ、共振子の縁部での大きなフィールドが共振子内で不要な振動を作り出し、スプリアス信号を発生する場合もある。これらの現象によって、所望の振動からエネルギーが失われ、共振子の質が低下する原因となる。
【０００６】
これに対して、共振子の中央部分を厚く構成することによって、共振子の中央部分での共振モードを大きくし、エネルギーの一部が共振子の縁部で不要な振動に変換されるのを軽減する方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。
【０００７】
しかしながら、共振子の圧電薄膜部分の厚みを面内で精度良く制御することは極めて困難である。従来の技術ではフォトリソ技術でドーム形状のＡｌＮ膜を形成する方法を提案しているが、同方法によれば膜厚は連続的に変化するために、挿入損失が大きくなってしまうとともに、狭帯域で、共振周波数がばらつく問題があった。
【０００８】
また、スプリアス信号を抑制するために、圧電基板の両表面に互いに対向する励振用の第１電極と該主電極の周辺の間隙を囲む一対の第２電極を配置した圧電振動子において、前記第１電極と前記第２電極との材質を互いに異にした１５０ＭＨｚ帯用の高周波圧電振動子が提案されている（例えば特許文献３参照）。
【０００９】
図９は従来のスプリアス抑制型圧電振動子の構成を示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＳ−Ｓにおける断面図である。一方の面を凹陥部に形成した水晶で構成された基板４の平坦側に第１電極（励振電極）７を配置するとともに、該電極７から基板１端部に向けてリード電極９延在する。さらに、第１電極７の周縁を間隙１１をあけて取り囲むように第２電極８を設けるとともに、該電極８の大きさは基板４に形成した凹陥部９１とほぼ同じ大きさとする。そして、凹陥部側には共通電極（励振電極）５を形成する。このとき、第１電極７、間隙１１、第２電極８のそれぞれのカットオフ周波数はｆ１、ｆ２、ｆ３であり、大小関係がｆ１＜ｆ３＜ｆ２となるように電極膜厚をそれぞれ設定することによって、スプリアスの発生が少ないＡＴカット高周波水晶振動子が提供できるとしている。
【００１０】
特許文献３で開示された技術の特徴は第１電極（励振電極）８２と第２電極８６との電極材質を互いに異にしたことである。更に詳しくは、第２電極８６の電極密度を第１電極８２の電極密度より小さなものを用いて形成したことである。例えば、１５０ＭＨｚ帯の高周波水晶振動子においてスプリアスを効果的に抑制するためには、ともに金電極材料を用いる場合、第２電極の膜厚を第１電極の膜厚よりも数ｎｍレベルで小さくする必要があり、更にこの膜厚差を実現するには膜厚差の１０％程度の成膜精度が必要となる。この成膜精度は通常の蒸着装置あるいはスパッタ装置の制御限界を超えているが、第１電極よりも密度の小さな材料を第２電極に用いることにより、膜厚制御が容易にできる。
【００１１】
上記の手段は２ＧＨｚ帯以上用の薄膜音響共振子においても適用することは可能であるが、１５０ＭＨｚ帯用共振子に比べて電極の質量負荷（音響インピーダンス）の影響が著しく大きいために、電極の材質と膜厚で薄膜音響共振子の特性を制御することは困難であり、量産時の特性のばらつきを大きくしてしまう問題があった。また、薄膜形成で種類の異なる電極を形成するためには、その分、成膜工程とフォトリソグラフ加工工程が増えることになり、製造コストの上昇を招くという問題があった。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００１−２４４７６号公報
【特許文献２】
特開２００２−４３８７９号公報
【特許文献３】
特開２００１−２４４７７８号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では、量産時の特性ばらつきや、加工工程の複雑化、挿入損失の増大等の課題がそれぞれの技術に存在していた。
【００１４】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、挿入損失が小さく、反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有し、量産時の特性ばらつきが小さく、低廉な製造コストの薄膜音響共振子、及び、薄膜音響共振子回路を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係る薄膜音響共振子の請求項１記載の発明は、強誘電体膜を含む圧電素子と、圧電素子の第１面に設けられた第１の電極と、第１面に設けられ、第１の電極と電気的に絶縁され、第１の電極を周縁の少なくとも一部に沿うように設けられた第２の電極と、圧電素子の第１面と反対側の第２面に設けられ、圧電素子を挟んで第１の電極及び第２の電極と対向するように設けられた第３の電極と、第１の電極に電力を供給する第１の配線と、第２の電極に電力を供給する第２の配線と、を備えた薄膜音響共振子であって、第１の電極と第３の電極とに挟まれた強誘電体膜の第１の領域は第１の分極状態を有し、第２の電極と第３の電極とに挟まれた強誘電体膜の第２の領域は第１の分極状態とは異なる第２の分極状態を有していることを特徴とする薄膜音響共振子である。強誘電体膜の音響インピーダンスは、その分極の方向と度合いに大きく依存するために、強誘電体膜の自発分極状態を制御することにより、第１の領域と第２の領域の圧電素子の音響インピーダンスを、従来の技術に比べて容易に制御することができる。このため、反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有する薄膜音響共振子を低コストで再現性良く提供することができる。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の薄膜音響共振子において、第１の分極状態における自発分極の大きさが、第２の分極状態における自発分極の大きさよりも大きいので、第１の領域における音響インピーダンスが第２の領域のそれよりも小さくなり、電気的な処理によってｆ１＜ｆ３＜ｆ２に容易に調整することができる。
【００１７】
請求項３記載の発明は、薄膜音響共振子において、第１の分極状態における自発分極の方向が、第２の分極状態における自発分極の方向とが異なるので、更に容易にｆ１＜ｆ３＜ｆ２に調整することができる。
【００１８】
請求項５記載の発明は、薄膜音響共振子において、第１の配線及び第２の配線と圧電素子との間に、非圧電性絶縁膜が形成されているので、反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有する薄膜音響共振子を提供することができる。
【００１９】
請求項５記載の発明は、薄膜音響共振子において、非圧電体絶縁層が、少なくとも酸化ケイ素、窒化珪素、ポリイミド樹脂、ポリマーを主成分とする、音響インピーダンスが小さい材料から構成されるために、第１配線部分もしくは第２配線部分の圧電層が励振することを抑制することができる。更に反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有する薄膜音響共振子を提供することができる。
【００２０】
請求項７記載の発明は、薄膜音響共振子において、強誘電体薄膜層が（００１）方位に優先配向したＰＺＴ薄膜であり、ＰＺＴ薄膜の分極軸方向が電極が対向する方向と一致しているので、電気−機械変換効率が高いとともに、音響波進行方向に結晶性が均一であるために、挿入損失が極めて少ない薄膜音響共振子を提供することができる。
【００２１】
請求項８記載の発明は、薄膜音響共振子において、圧電素子が温度補償層を含み、該補償層がチタン酸ストロンチウム、もしくはチタン酸ストロンチウムとチタン酸バリウムの固溶体からなるために、温度補償層の誘電率の温度係数と音速の温度係数の極性がＰＺＴと異なるので、誘電率及び音速の温度係数が極めて小さい薄膜音響共振子を提供することができる。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、第１の領域が共振子としての機能を備え、第２の領域がスプリアス抑制阻止としての機能を備えているので、より効率的にスプリアスの抑制が可能な薄膜音響共振子を提供することができる。
【００２３】
請求項１０に記載の発明は、強誘電体膜を含む圧電素子と、圧電素子の第１面に設けられた第１の電極と、第１面に設けられ、第１の電極と電気的に絶縁され、第１の電極を周縁の少なくとも一部に沿うように設けられた第２の電極と、圧電素子の第１面と反対側の第２面に設けられ、圧電素子を挟んで第１の電極及び第２の電極と対向するように設けられた第３の電極と、第１の電極に電力を供給する第１の配線と、第２の電極に電力を供給する第２の配線と、を備えた積層体と、積層体を載置する基板とを備えた積層体薄膜音響共振子であって、第１の電極と第３の電極とに挟まれた強誘電体膜の第１の領域は第１の分極状態を有し、第２の電極と第３の電極とに挟まれた強誘電体膜の第２の領域は第２の分極状態を有していることにより、積層体と基板とを別々に製造できるので、製造工程を簡略化することができる。
【００２４】
請求項１１記載の発明は、薄膜音響共振子において、基板と、基板とが、接着材により接合されているために、積層体から基板への漏洩波をより防ぐことができ、更に反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有する薄膜音響共振子を提供することができる。また、積層体をある基板上に形成した後、接着剤を介して別の基板へ転写することができる。このために任意の基板を用いることができ、工程が簡略になるともに、基板のコストを下げることができる。
【００２５】
請求項１２記載の発明は、薄膜音響共振子において、第１の領域と第２の領域の少なくとも一部と、基板との間にはエアギャップが形成されているため、積層体から基板への漏洩波をより防ぐことができ、更に反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有する薄膜音響共振子を提供することができる。
【００２６】
請求項１３記載の発明は、薄膜音響共振子において、第１の領域と第２の領域の少なくとも一部と、基板との間には第１の領域における共振波長の４分の１の厚さをおおよそ有する反射層が形成されているため、積層体から基板への漏洩波をより防ぐことができ、更に反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有する薄膜音響共振子を提供することができる。
【００２７】
請求項１４に記載の発明は、強誘電体膜と、強誘電体膜の第１面に設けられた第１の電極と、第１面に設けられ、第１の電極と電気的に絶縁され、第１の電極を周縁の少なくとも一部に沿うように設けられた第２の電極と、圧電素子の第１面と反対側の第２面に設けられ、強誘電体膜を挟んで第１の電極と対向するように設けられた第３の電極と、圧電素子の第１面と反対側の第２面に設けられ、強誘電体膜を挟んで第２の電極と対向するように設けられた第４の電極と、第１の電極と第３の電極との間に電位差を発生させるように第１の電極若しくは第３の電極のいずれかに接続された第１の配線と、第２の電極と第４の電極との間に電位差を発生させるように第２の電極若しくは第４の電極のいずれかに接続された第２の配線と、を備えた薄膜音響共振子であって、第１の電極と第３の電極とに挟まれた強誘電体膜の第１の領域は第１の分極状態を有し、第２の電極と第４の電極とに挟まれた強誘電体膜の第２の領域は第２の分極状態を有していることにより、第１の電極と第３の電極を対とし、第２の電極と第４の電極とを対にして、第１の領域の強誘電体膜と第２の領域の強誘電体膜に対して、より正確な電圧の印加ができるようになるので、スプリアス抑制をより的確に行えるようになる。
【００２８】
請求項１５に記載の発明は、共通電極と、該共通電極上に形成される圧電層と、該圧電層上に形成される、共振子用の第１電極と、該第１電極の周縁を間隙をあけて囲む、スプリアス抑制素子用の第２電極と、第１電極に電力を供給する第１配線と、第２電極に電力を供給する第２配線と、からなる積層体が基板上に配置した薄膜音響共振子であって、圧電層が強誘電体膜を含み、共振子部分とスプリアス抑制素子部分とで強誘電体膜の分極状態を互いに異にしたことにより、強誘電体膜の自発分極状態を制御できるので、第１の領域と第２の領域の圧電素子の音響インピーダンスを、従来の技術に比べて容易に制御することができる。このため、反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有する薄膜音響共振子を低コストで再現性良く提供することができる。また、積層体をある基板上に形成した後、接着剤を介して別の基板へ転写することができる。このために任意の基板を用いることができ、工程が簡略になるともに、基板のコストを下げることができる。
【００２９】
請求項１６記載の発明は、請求項１〜１５に記載の薄膜音響共振子と、第１の配線を介して信号を出力する通信信号発生手段と、第２の配線を信号を出力するスプリアス抑制信号発生手段と、を備えた薄膜音響共振子回路である。これによりスプリアス抑制素子部分を共振子部分とを個別に励振させ、共振子からの漏洩波をキャンセルすることでスプリアス信号の発生を抑制するように、スプリアス抑制信号手段によってスプリアス抑制信号の電圧や位相、周波数を制御できるので、反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有する薄膜音響共振子回路を提供することができる。
【００３０】
請求項１７記載の発明は、請求項１乃至１１記載の薄膜音響共振子あるいは薄膜音響共振子回路を用いた送受信器であり、フィルタはもとより、ＣＤＭＡ ＰＣＳ装置等の用途における利用を可能にするのに十分に急峻なフィルタ特性を備える送受切換器を提供することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。同一の構成要素には、複数の図面にわたって同一の参照符号が付されている。
【００３２】
図１は本発明の一実施の形態における共振子を示す図であって、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＱ−Ｑ‘における断面図、同図（ｃ）はＲ−Ｒ’における断面図である。本発明の一実施の形態の薄膜音響共振子１は共振子２とその周囲に間隙１１を介して配置されるスプリアス抑制素子３とからなり、基板４上に形成される。共振子２は共通電極５と、圧電層６と第１電極７と、が順次積層された構造であり、スプリアス抑制素子３は共通電極５と、圧電層６と第２電極８と、が順次積層された構造である。共振子２に電力を供給するために、第１配線９が第１電極７に接続され、スプリアス抑制素子３に電力を供給するために、第２配線１０が第２電極８に接続されている。このとき、第１電極７、間隙１１、第２電極８のそれぞれのカットオフ周波数はｆ１、ｆ２、ｆ３であり、大小関係がｆ１＜ｆ３＜ｆ２となるように圧電層６の音響インピーダンスを、共振子１部分とスプリアス抑制素子部分とでそれぞれ設定することによって、スプリアスの発生が少ない薄膜音響共振子を提供することができる。
【００３３】
圧電層６は強誘電体膜１２を含む。強誘電体膜として代表的なＰｂＴｉＯ３−ＰｂＺｒＯ３固溶体（以下、ＰＺＴと称す）膜を用いることができる。更に望ましいのは（００１）方位に配向したＰＺＴ膜である。
【００３４】
また、強誘電体膜１２としてＰＺＴ膜を用いる場合、圧電層６は温度補償層１３を含んでもよい。温度補償層１３としては、チタン酸ストロンチウム、もしくはチタン酸ストロンチウムとチタン酸バリウムの固溶体が用いられ、ＰＺＴ膜と積層して用いられる。温度補償層１３は圧電層６の誘電率やヤング率の温度特性を小さくする機能を有する。
【００３５】
同図において、共通電極５と圧電層６は、共振子２とスプリアス抑制素子３において共通に用いられているが、それぞれの素子用に分割して個別化しても良いし、溝などを形成して半個別化しても良い。分割個別化はフォトリソグラフィ技術と薄膜加工技術によって容易に行なうことができる。すなわち、共通電極５を電気的に絶縁した状態で分割して設け、それぞれの分割された電極が、第１の電極７と第２の電極８にそれぞれ対向するように設けても良い。また共通電極５の分割形状に合わせる形で圧電層６を分割して設けてよい。
【００３６】
第１電極７と、第２電極８と、第１配線９と第２配線１０は同じ導電膜を用いているが、場合によっては導電膜がそれぞれ異なっても良い。例えば第１電極７と第２電極８は共振子２とスプリアス抑制素子３の振動特性に大きな影響を与えるので、その音響インピーダンスを考慮必要があるが、第１配線９と第２配線１０には配線抵抗が小さいことや、ワイヤーボンディングや異方性導電性フィルム接合などへの適性が要求されるなど、求められる性能が異なる場合が多いので、要求性能に合わせて導電膜材料を選択すればよい。
【００３７】
本発明の特徴は圧電層６に強誘電体膜１２を含むことである。更に詳しくは、共振子２部分とスプリアス抑制素子３部分の強誘電体膜の自発分極状態を互いに異にしたことである。例えば、未分極の強誘電体薄膜に交流電圧を印加して分極処理すると、印加する電圧に依存して、分極−電圧特性は図２のようになる。（ａ）は印加する最大電圧Ｖ１が抗電圧Ｖｃよりも小さい場合、（ｂ）は最大電圧Ｖ２がＶｃよりも大きい場合、（ｃ）は最大電圧Ｖ３がＶ２よりも大きい場合である。強誘電体膜の特徴として、未分極の場合の分極−電圧曲線は、ヒステリシスの無い直線を示すが、抗電圧よりも大きい電圧を印加すると分極−電圧曲線はヒステリシスを示すようになり、電圧をゼロに戻しても自発分極量Ｐ２、−Ｐ２を持つようになる。更に電圧を高くするとより大きな自発分極量Ｐ３、−Ｐ３が得られるが、ある飽和値が存在し、それ以上自発分極は大きくならない。この分極処理によって、強誘電体薄膜の分極ベクトルが電圧印加方向に最大となるよう配向する。さらに印加電圧が大きくなると、個々の結晶粒の分極軸が電圧印加方向に一致するように結晶粒の回転が起こる。通常、強誘電体薄膜の音響インピーダンスは結晶異方性が大きく、分極軸方向のヤング率が小さい。従って分極軸方向の音響インピーダンスが小さい特徴がある。即ち、共振子２部分とスプリアス抑制素子３部分の強誘電体膜の自発分極状態を互いに異にすることによって音響インピーダンスを制御することができる。本発明によれば、印加電圧の大きさと時間で音響インピーダンスを制御でき、圧電膜や電極膜の膜厚を制御するよりもはるかに簡単で、再現性が良い。
【００３８】
自発分極状態は図３に示したＰ１やＰ２などの自発分極量で表される。共振子２部分の強誘電体膜の自発分極量をＰｓ１、スプリアス抑制素子２部分の強誘電体膜の自発分極量をＰｓ２とすると、Ｐｓ１＞Ｐｓ２と制御することによってｆ１＞ｆ３＞ｆ２に調整することができる。
【００３９】
また、強誘電体膜の自発分極の極性を、共振子２部分とスプリアス抑制素子３部分とで互いに反転することにより、共振子２とスプリアス抑制素子３の音響インピーダンスの差をより大きくすることができる。その物理的な理由は明らかではないが、強誘電体膜が膜厚方向に圧縮応力もしくは引張応力のいずれか一方を有しており、内部応力に異方性があることが関与していると考えられる。一般に、膜はその成膜条件や基板との物性的なミスマッチから生じる異方性の内部応力をもっており、内部応力をゼロにすることはほとんど不可能である。
【００４０】
図３は強誘電体膜の分極状態を示す図であり、自発分極の方向と大きさがベクトルで表されている。図３（ａ）は共振子部とスプリアス抑制素子部の強誘電体膜の自発分極が互いに同じ方向に揃い、大きさが異なる場合を示す。図３（ｂ）は共振子部とスプリアス抑制素子部の強誘電体膜の自発分極が互いに反転した方向に揃い、大きさが等しい場合を示す。
【００４１】
図４は本発明に係る一実施の形態を示す図である。図１と異なるのは第１配線９もしくは第２配線１０と圧電層６の間に非圧電体絶縁膜４１が形成されていることである。圧電層６は圧電効果で素子を励振する機能とともに、第１配線９及び第２配線１０と、共通電極５とを絶縁分離する機能も有する。しかし、図１の構造では第１配線９部分もしくは第２配線１０部分の圧電層も励振させてしまうために、余分なモードの振動が発生し、スプリアスが発生してしまう。そこで、第１配線９もしくは第２配線１０と圧電層６の間に非圧電体絶縁膜４１が形成することによって配線部の圧電層の励振を防止することができる。
【００４２】
非圧電体絶縁膜４１に求められる特性は誘電率が小さいこと、及び、音響インピーダンスが小さいことである。非圧電体絶縁膜４１の誘電率が圧電層６よりも小さいほど、圧電層６に印加される電圧が小さくなるし、非圧電体絶縁膜４１の膜厚も小さくてよい。また、非圧電体絶縁膜４１の音響インピーダンスが小さいほど漏洩波が小さくなるメリットがある。非圧電体絶縁膜４１としては、例えば、酸化ケイ素、窒化珪素、ポリイミド樹脂、ポリマーなどがよい。これらの材料の誘電率は３〜１０であり、ＰＺＴ強誘電体膜の誘電率は４００〜２０００である。従って、ＰＺＴ膜上に、酸化ケイ素、窒化珪素、ポリイミド樹脂、ポリマーなどを積層することにより、ＰＺＴ膜の配線部分のＰＺＴ膜に印加される電圧を１／１０以下にすることは極めて容易である。
【００４３】
図５は本発明に係る一実施の形態を示す図である。図４と異なるのは、接着剤５１が、基板とその上に形成された積層体の間に構成されることである。接着剤５１は音響インピーダンスが小さいので、共振子２から励振された振動が基板へ漏洩することを防ぐ効果がある。
【００４４】
図６は本発明に係る一実施の形態を示す図である。図５と異なるのは、基板４の一部が凹部加工されており、第１電極７及び第２電極８の領域にエアギャップ６１が形成されていることである。エアギャップ６１は共振子２から励振された振動が基板へ漏洩することを防ぐ効果がある。
【００４５】
図７は本発明に係る一実施の形態を示す図である。図５と異なるのは、基板と共通電極の間に共振波長の４分の１の厚さを有する少なくとも１層からなる反射層７１が形成されていることである。反射層７１は共振子２から励振された振動が基板へ漏洩することを防ぐ効果がある。
【００４６】
図８は本発明に係る一実施の形態を示す図である。薄膜音響共振子回路８１は薄膜共振子１と、通信信号発生手段８２と、スプリアス抑制信号発生手段８３と、から構成される。通信信号発生手段８２の出力の一端は共通電極５へ接続され、もう一端は第１配線９へ接続される。また、スプリアス抑制信号発生手段８２の出力の一端は共通電極５へ接続され、もう一端は第２配線１０へ接続される。共振子２が発生するスプリアス信号をキャンセルするような信号を、スプリアス抑制信号発生手段８３から出力して、スプリアス抑制素子を励振する。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るひとつの薄膜音響共振子によれば、圧電層に強誘電体膜を含み、第１の領域と第２の領域とで強誘電体膜の分極状態を互いに異にすることによって、第１の領域と第２の領域の音響インピーダンスを容易に制御することができるので、性能の向上と低コスト化を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の一実施の形態における共振子を示す平面図
（ｂ）（ａ）のＱ−Ｑ’における断面図
（ｃ）（ａ）のＲ−Ｒ’における断面図
【図２】（ａ）最大印加電圧Ｖ１が抗電圧よりも小さい場合の強誘電体膜の分極−電圧特性を示す図
（ｂ）最大印加電圧Ｖ２が抗電圧よりも大きい場合の強誘電体膜の分極−電圧特性を示す図
（ｃ）最大印加電圧Ｖ３がＶ２よりも大きい場合の強誘電体膜の分極−電圧特性を示す図
【図３】強誘電体膜の分極状態を示す図
【図４】本発明に係る一実施の形態を示す図
【図５】本発明に係る一実施の形態を示す図
【図６】本発明に係る一実施の形態を示す図
【図７】本発明に係る一実施の形態を示す図
【図８】本発明に係る一実施の形態を示す図
【図９】（ａ）従来のスプリアス抑制型圧電振動子の構成を示す平面図
（ｂ）従来のスプリアス抑制型圧電振動子の構成を示すＳ−Ｓ断面図
【符号の説明】
１ 薄膜音響共振子
２ 共振子
３ スプリアス抑制素子
４ 基板
５ 共通電極
６ 圧電層
７ 第１電極
８ 第２電極
９ 第１配線
１０ 第２配線
１１ 隙間
１２ 強誘電体膜
１３ 温度補償層
４１ 非圧電体絶縁膜
５１ 接着剤
６１ エアギャップ
７１ 反射層
８１ 薄膜音響共振子回路
８２ 通信信号発生手段
８３ スプリアス抑制信号発生手段
９１ 凹陥部
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線高周波回路に用いられる電子部品である薄膜音響共振子、及び、薄膜音響共振子回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年次第に普及しつつある移動電話の１つのタイプに、符号分割多重アクセス（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ；以下、ＣＤＭＡという）を利用するＰＣＳ（以下、ＣＤＭＡ ＰＣＳという）がある。ＣＤＭＡ ＰＣＳ装置は、約１９００ＭＨｚの周波数帯域で動作し、送受切換器の性能に対して特に厳格な要件を課している。送信信号及び受信信号に割り当てられたスペクトル部分間の保護帯域は、搬送波周波数の約１％、２０ＭＨｚにすぎない。送信信号及び受信信号に割り当てられたスペクトル部分の帯域幅は、搬送波周波数の約３％、すなわち、６０ＭＨｚである。これは、送信用及び受信用の帯域フィルタが、それぞれ、極めて鋭いロール・オフを備える必要があることを表している。更に、１ワットを超える電力レベルによって送受切換器の信頼性又はフィルタ特性の長期安定性が損なわれることのないＣＤＭＡ ＰＣＳ装置等の用途における利用を可能にするのに十分に急峻なフィルタ特性を備える送受切換器を提供する必要がある。
【０００３】
これに対して、セラミック・フィルタ又はＳＡＷフィルタをベースにした送受切換器よりかなり小型であって、製造コストを低く保つことができる薄膜音響共振子を用いた送受切換器を提供しているものもある（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
薄膜共振子（ＦＢＡＲ）とは、電気信号に反応し、例えば、０．５〜５ＧＨｚ範囲のマイクロ波に対して高周波で共振可能な薄膜音響デバイスである。従来の薄膜共振子は、第１電極と第２電極の間に圧電膜を備えており、それら電極が圧電膜に電界を印加する。圧電膜は、酸化亜鉛、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）等の圧電性結晶材料、又は圧電効果のある他の圧電性結晶材料で形成されている。圧電効果は、例えば第１電極と第２電極によって圧電材料全般に電界が印加され、それに反応して圧電材料が伸縮する時や、機械的応力や張力を圧電材料に加えることにより電荷や電流が生成される時に起こる。膜厚が均一である圧電膜の機械的共振周波数は、膜厚（ｔ）の２倍で音響速度（ｖ）を除することにより求められる。即ち、ｆｒ＝ｖ／２ｔとなる。高周波ソースの周波数と圧電膜の機械的共振周波数は整合するため、高周波ソースを用いて可変周波数の交流電界を圧電膜に印加すると、圧電膜の機械的振動は著しく大きくなる。機械的振動が大きいため、それによって圧電材料はこの共振周波数における最大電流量を生成する。圧電膜は、周波数の大きさによって生成する電流量が異なるので、電気フィルタ、発振器、周波数制御回路の素子として有用である。
【０００５】
例えば２ＧＨｚといった通常の高周波周波数で共振するには、アルミニウム窒化物の膜厚は２．５ミクロンで、電極は、５０オーム回路に最適に適合する３００ミクロンほどである。従って、材料の横幅に対する厚みの比率は小さく、音エネルギーが横方向に効果的に制限されない。異なったタイプの音響波（モードが異なる音響波）と共振子の縁部との間に有害な相互作用が生じ、共振子の縁部での大きなフィールドが共振子内で不要な振動を作り出し、スプリアス信号を発生する場合もある。これらの現象によって、所望の振動からエネルギーが失われ、共振子の質が低下する原因となる。
【０００６】
これに対して、共振子の中央部分を厚く構成することによって、共振子の中央部分での共振モードを大きくし、エネルギーの一部が共振子の縁部で不要な振動に変換されるのを軽減する方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。
【０００７】
しかしながら、共振子の圧電薄膜部分の厚みを面内で精度良く制御することは極めて困難である。従来の技術ではフォトリソ技術でドーム形状のＡｌＮ膜を形成する方法を提案しているが、同方法によれば膜厚は連続的に変化するために、挿入損失が大きくなってしまうとともに、狭帯域で、共振周波数がばらつく問題があった。
【０００８】
また、スプリアス信号を抑制するために、圧電基板の両表面に互いに対向する励振用の第１電極と該主電極の周辺の間隙を囲む一対の第２電極を配置した圧電振動子において、前記第１電極と前記第２電極との材質を互いに異にした１５０ＭＨｚ帯用の高周波圧電振動子が提案されている（例えば特許文献３参照）。
【０００９】
図９は従来のスプリアス抑制型圧電振動子の構成を示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＳ−Ｓにおける断面図である。一方の面を凹陥部に形成した水晶で構成された基板４の平坦側に第１電極（励振電極）７を配置するとともに、該電極７から基板１端部に向けてリード電極９延在する。さらに、第１電極７の周縁を間隙１１をあけて取り囲むように第２電極８を設けるとともに、該電極８の大きさは基板４に形成した凹陥部９１とほぼ同じ大きさとする。そして、凹陥部側には共通電極（励振電極）５を形成する。このとき、第１電極７、間隙１１、第２電極８のそれぞれのカットオフ周波数はｆ１、ｆ２、ｆ３であり、大小関係がｆ１＜ｆ３＜ｆ２となるように電極膜厚をそれぞれ設定することによって、スプリアスの発生が少ないＡＴカット高周波水晶振動子が提供できるとしている。
【００１０】
特許文献３で開示された技術の特徴は第１電極（励振電極）８２と第２電極８６との電極材質を互いに異にしたことである。更に詳しくは、第２電極８６の電極密度を第１電極８２の電極密度より小さなものを用いて形成したことである。例えば、１５０ＭＨｚ帯の高周波水晶振動子においてスプリアスを効果的に抑制するためには、ともに金電極材料を用いる場合、第２電極の膜厚を第１電極の膜厚よりも数ｎｍレベルで小さくする必要があり、更にこの膜厚差を実現するには膜厚差の１０％程度の成膜精度が必要となる。この成膜精度は通常の蒸着装置あるいはスパッタ装置の制御限界を超えているが、第１電極よりも密度の小さな材料を第２電極に用いることにより、膜厚制御が容易にできる。
【００１１】
上記の手段は２ＧＨｚ帯以上用の薄膜音響共振子においても適用することは可能であるが、１５０ＭＨｚ帯用共振子に比べて電極の質量負荷（音響インピーダンス）の影響が著しく大きいために、電極の材質と膜厚で薄膜音響共振子の特性を制御することは困難であり、量産時の特性のばらつきを大きくしてしまう問題があった。また、薄膜形成で種類の異なる電極を形成するためには、その分、成膜工程とフォトリソグラフ加工工程が増えることになり、製造コストの上昇を招くという問題があった。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００１−２４４７６号公報
【特許文献２】
特開２００２−４３８７９号公報
【特許文献３】
特開２００１−２４４７７８号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では、量産時の特性ばらつきや、加工工程の複雑化、挿入損失の増大等の課題がそれぞれの技術に存在していた。
【００１４】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、挿入損失が小さく、反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有し、量産時の特性ばらつきが小さく、低廉な製造コストの薄膜音響共振子、及び、薄膜音響共振子回路を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係る薄膜音響共振子の請求項１記載の発明は、強誘電体膜を含む圧電素子と、圧電素子の第１面に設けられた第１の電極と、第１面に設けられ、第１の電極と電気的に絶縁され、第１の電極を周縁の少なくとも一部に沿うように設けられた第２の電極と、圧電素子の第１面と反対側の第２面に設けられ、圧電素子を挟んで第１の電極及び第２の電極と対向するように設けられた第３の電極と、第１の電極に電力を供給する第１の配線と、第２の電極に電力を供給する第２の配線と、を備えた薄膜音響共振子であって、第１の電極と第３の電極とに挟まれた強誘電体膜の第１の領域は第１の分極状態を有し、第２の電極と第３の電極とに挟まれた強誘電体膜の第２の領域は第１の分極状態とは異なる第２の分極状態を有していることを特徴とする薄膜音響共振子である。強誘電体膜の音響インピーダンスは、その分極の方向と度合いに大きく依存するために、強誘電体膜の自発分極状態を制御することにより、第１の領域と第２の領域の圧電素子の音響インピーダンスを、従来の技術に比べて容易に制御することができる。このため、反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有する薄膜音響共振子を低コストで再現性良く提供することができる。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の薄膜音響共振子において、第１の分極状態における自発分極の大きさが、第２の分極状態における自発分極の大きさよりも大きいので、第１の領域における音響インピーダンスが第２の領域のそれよりも小さくなり、電気的な処理によってｆ１＜ｆ３＜ｆ２に容易に調整することができる。
【００１７】
請求項３記載の発明は、薄膜音響共振子において、第１の分極状態における自発分極の方向が、第２の分極状態における自発分極の方向とが異なるので、更に容易にｆ１＜ｆ３＜ｆ２に調整することができる。
【００１８】
請求項５記載の発明は、薄膜音響共振子において、第１の配線及び第２の配線と圧電素子との間に、非圧電性絶縁膜が形成されているので、反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有する薄膜音響共振子を提供することができる。
【００１９】
請求項５記載の発明は、薄膜音響共振子において、非圧電体絶縁層が、少なくとも酸化ケイ素、窒化珪素、ポリイミド樹脂、ポリマーを主成分とする、音響インピーダンスが小さい材料から構成されるために、第１配線部分もしくは第２配線部分の圧電層が励振することを抑制することができる。更に反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有する薄膜音響共振子を提供することができる。
【００２０】
請求項７記載の発明は、薄膜音響共振子において、強誘電体薄膜層が（００１）方位に優先配向したＰＺＴ薄膜であり、ＰＺＴ薄膜の分極軸方向が電極が対向する方向と一致しているので、電気−機械変換効率が高いとともに、音響波進行方向に結晶性が均一であるために、挿入損失が極めて少ない薄膜音響共振子を提供することができる。
【００２１】
請求項８記載の発明は、薄膜音響共振子において、圧電素子が温度補償層を含み、該補償層がチタン酸ストロンチウム、もしくはチタン酸ストロンチウムとチタン酸バリウムの固溶体からなるために、温度補償層の誘電率の温度係数と音速の温度係数の極性がＰＺＴと異なるので、誘電率及び音速の温度係数が極めて小さい薄膜音響共振子を提供することができる。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、第１の領域が共振子としての機能を備え、第２の領域がスプリアス抑制阻止としての機能を備えているので、より効率的にスプリアスの抑制が可能な薄膜音響共振子を提供することができる。
【００２３】
請求項１０に記載の発明は、強誘電体膜を含む圧電素子と、圧電素子の第１面に設けられた第１の電極と、第１面に設けられ、第１の電極と電気的に絶縁され、第１の電極を周縁の少なくとも一部に沿うように設けられた第２の電極と、圧電素子の第１面と反対側の第２面に設けられ、圧電素子を挟んで第１の電極及び第２の電極と対向するように設けられた第３の電極と、第１の電極に電力を供給する第１の配線と、第２の電極に電力を供給する第２の配線と、を備えた積層体と、積層体を載置する基板とを備えた積層体薄膜音響共振子であって、第１の電極と第３の電極とに挟まれた強誘電体膜の第１の領域は第１の分極状態を有し、第２の電極と第３の電極とに挟まれた強誘電体膜の第２の領域は第２の分極状態を有していることにより、積層体と基板とを別々に製造できるので、製造工程を簡略化することができる。
【００２４】
請求項１１記載の発明は、薄膜音響共振子において、基板と、基板とが、接着材により接合されているために、積層体から基板への漏洩波をより防ぐことができ、更に反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有する薄膜音響共振子を提供することができる。また、積層体をある基板上に形成した後、接着剤を介して別の基板へ転写することができる。このために任意の基板を用いることができ、工程が簡略になるともに、基板のコストを下げることができる。
【００２５】
請求項１２記載の発明は、薄膜音響共振子において、第１の領域と第２の領域の少なくとも一部と、基板との間にはエアギャップが形成されているため、積層体から基板への漏洩波をより防ぐことができ、更に反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有する薄膜音響共振子を提供することができる。
【００２６】
請求項１３記載の発明は、薄膜音響共振子において、第１の領域と第２の領域の少なくとも一部と、基板との間には第１の領域における共振波長の４分の１の厚さをおおよそ有する反射層が形成されているため、積層体から基板への漏洩波をより防ぐことができ、更に反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有する薄膜音響共振子を提供することができる。
【００２７】
請求項１４に記載の発明は、強誘電体膜と、強誘電体膜の第１面に設けられた第１の電極と、第１面に設けられ、第１の電極と電気的に絶縁され、第１の電極を周縁の少なくとも一部に沿うように設けられた第２の電極と、圧電素子の第１面と反対側の第２面に設けられ、強誘電体膜を挟んで第１の電極と対向するように設けられた第３の電極と、圧電素子の第１面と反対側の第２面に設けられ、強誘電体膜を挟んで第２の電極と対向するように設けられた第４の電極と、第１の電極と第３の電極との間に電位差を発生させるように第１の電極若しくは第３の電極のいずれかに接続された第１の配線と、第２の電極と第４の電極との間に電位差を発生させるように第２の電極若しくは第４の電極のいずれかに接続された第２の配線と、を備えた薄膜音響共振子であって、第１の電極と第３の電極とに挟まれた強誘電体膜の第１の領域は第１の分極状態を有し、第２の電極と第４の電極とに挟まれた強誘電体膜の第２の領域は第２の分極状態を有していることにより、第１の電極と第３の電極を対とし、第２の電極と第４の電極とを対にして、第１の領域の強誘電体膜と第２の領域の強誘電体膜に対して、より正確な電圧の印加ができるようになるので、スプリアス抑制をより的確に行えるようになる。
【００２８】
請求項１５に記載の発明は、共通電極と、該共通電極上に形成される圧電層と、該圧電層上に形成される、共振子用の第１電極と、該第１電極の周縁を間隙をあけて囲む、スプリアス抑制素子用の第２電極と、第１電極に電力を供給する第１配線と、第２電極に電力を供給する第２配線と、からなる積層体が基板上に配置した薄膜音響共振子であって、圧電層が強誘電体膜を含み、共振子部分とスプリアス抑制素子部分とで強誘電体膜の分極状態を互いに異にしたことにより、強誘電体膜の自発分極状態を制御できるので、第１の領域と第２の領域の圧電素子の音響インピーダンスを、従来の技術に比べて容易に制御することができる。このため、反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有する薄膜音響共振子を低コストで再現性良く提供することができる。また、積層体をある基板上に形成した後、接着剤を介して別の基板へ転写することができる。このために任意の基板を用いることができ、工程が簡略になるともに、基板のコストを下げることができる。
【００２９】
請求項１６記載の発明は、請求項１〜１５に記載の薄膜音響共振子と、第１の配線を介して信号を出力する通信信号発生手段と、第２の配線を信号を出力するスプリアス抑制信号発生手段と、を備えた薄膜音響共振子回路である。これによりスプリアス抑制素子部分を共振子部分とを個別に励振させ、共振子からの漏洩波をキャンセルすることでスプリアス信号の発生を抑制するように、スプリアス抑制信号手段によってスプリアス抑制信号の電圧や位相、周波数を制御できるので、反射特性に優れ、安定した実効帯域幅を有する薄膜音響共振子回路を提供することができる。
【００３０】
請求項１７記載の発明は、請求項１乃至１１記載の薄膜音響共振子あるいは薄膜音響共振子回路を用いた送受信器であり、フィルタはもとより、ＣＤＭＡ ＰＣＳ装置等の用途における利用を可能にするのに十分に急峻なフィルタ特性を備える送受切換器を提供することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。同一の構成要素には、複数の図面にわたって同一の参照符号が付されている。
【００３２】
図１は本発明の一実施の形態における共振子を示す図であって、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＱ−Ｑ‘における断面図、同図（ｃ）はＲ−Ｒ’における断面図である。本発明の一実施の形態の薄膜音響共振子１は共振子２とその周囲に間隙１１を介して配置されるスプリアス抑制素子３とからなり、基板４上に形成される。共振子２は共通電極５と、圧電層６と第１電極７と、が順次積層された構造であり、スプリアス抑制素子３は共通電極５と、圧電層６と第２電極８と、が順次積層された構造である。共振子２に電力を供給するために、第１配線９が第１電極７に接続され、スプリアス抑制素子３に電力を供給するために、第２配線１０が第２電極８に接続されている。このとき、第１電極７、間隙１１、第２電極８のそれぞれのカットオフ周波数はｆ１、ｆ２、ｆ３であり、大小関係がｆ１＜ｆ３＜ｆ２となるように圧電層６の音響インピーダンスを、共振子１部分とスプリアス抑制素子部分とでそれぞれ設定することによって、スプリアスの発生が少ない薄膜音響共振子を提供することができる。
【００３３】
圧電層６は強誘電体膜１２を含む。強誘電体膜として代表的なＰｂＴｉＯ３−ＰｂＺｒＯ３固溶体（以下、ＰＺＴと称す）膜を用いることができる。更に望ましいのは（００１）方位に配向したＰＺＴ膜である。
【００３４】
また、強誘電体膜１２としてＰＺＴ膜を用いる場合、圧電層６は温度補償層１３を含んでもよい。温度補償層１３としては、チタン酸ストロンチウム、もしくはチタン酸ストロンチウムとチタン酸バリウムの固溶体が用いられ、ＰＺＴ膜と積層して用いられる。温度補償層１３は圧電層６の誘電率やヤング率の温度特性を小さくする機能を有する。
【００３５】
同図において、共通電極５と圧電層６は、共振子２とスプリアス抑制素子３において共通に用いられているが、それぞれの素子用に分割して個別化しても良いし、溝などを形成して半個別化しても良い。分割個別化はフォトリソグラフィ技術と薄膜加工技術によって容易に行なうことができる。すなわち、共通電極５を電気的に絶縁した状態で分割して設け、それぞれの分割された電極が、第１の電極７と第２の電極８にそれぞれ対向するように設けても良い。また共通電極５の分割形状に合わせる形で圧電層６を分割して設けてよい。
【００３６】
第１電極７と、第２電極８と、第１配線９と第２配線１０は同じ導電膜を用いているが、場合によっては導電膜がそれぞれ異なっても良い。例えば第１電極７と第２電極８は共振子２とスプリアス抑制素子３の振動特性に大きな影響を与えるので、その音響インピーダンスを考慮必要があるが、第１配線９と第２配線１０には配線抵抗が小さいことや、ワイヤーボンディングや異方性導電性フィルム接合などへの適性が要求されるなど、求められる性能が異なる場合が多いので、要求性能に合わせて導電膜材料を選択すればよい。
【００３７】
本発明の特徴は圧電層６に強誘電体膜１２を含むことである。更に詳しくは、共振子２部分とスプリアス抑制素子３部分の強誘電体膜の自発分極状態を互いに異にしたことである。例えば、未分極の強誘電体薄膜に交流電圧を印加して分極処理すると、印加する電圧に依存して、分極−電圧特性は図２のようになる。（ａ）は印加する最大電圧Ｖ１が抗電圧Ｖｃよりも小さい場合、（ｂ）は最大電圧Ｖ２がＶｃよりも大きい場合、（ｃ）は最大電圧Ｖ３がＶ２よりも大きい場合である。強誘電体膜の特徴として、未分極の場合の分極−電圧曲線は、ヒステリシスの無い直線を示すが、抗電圧よりも大きい電圧を印加すると分極−電圧曲線はヒステリシスを示すようになり、電圧をゼロに戻しても自発分極量Ｐ２、−Ｐ２を持つようになる。更に電圧を高くするとより大きな自発分極量Ｐ３、−Ｐ３が得られるが、ある飽和値が存在し、それ以上自発分極は大きくならない。この分極処理によって、強誘電体薄膜の分極ベクトルが電圧印加方向に最大となるよう配向する。さらに印加電圧が大きくなると、個々の結晶粒の分極軸が電圧印加方向に一致するように結晶粒の回転が起こる。通常、強誘電体薄膜の音響インピーダンスは結晶異方性が大きく、分極軸方向のヤング率が小さい。従って分極軸方向の音響インピーダンスが小さい特徴がある。即ち、共振子２部分とスプリアス抑制素子３部分の強誘電体膜の自発分極状態を互いに異にすることによって音響インピーダンスを制御することができる。本発明によれば、印加電圧の大きさと時間で音響インピーダンスを制御でき、圧電膜や電極膜の膜厚を制御するよりもはるかに簡単で、再現性が良い。
【００３８】
自発分極状態は図３に示したＰ１やＰ２などの自発分極量で表される。共振子２部分の強誘電体膜の自発分極量をＰｓ１、スプリアス抑制素子２部分の強誘電体膜の自発分極量をＰｓ２とすると、Ｐｓ１＞Ｐｓ２と制御することによってｆ１＞ｆ３＞ｆ２に調整することができる。
【００３９】
また、強誘電体膜の自発分極の極性を、共振子２部分とスプリアス抑制素子３部分とで互いに反転することにより、共振子２とスプリアス抑制素子３の音響インピーダンスの差をより大きくすることができる。その物理的な理由は明らかではないが、強誘電体膜が膜厚方向に圧縮応力もしくは引張応力のいずれか一方を有しており、内部応力に異方性があることが関与していると考えられる。一般に、膜はその成膜条件や基板との物性的なミスマッチから生じる異方性の内部応力をもっており、内部応力をゼロにすることはほとんど不可能である。
【００４０】
図３は強誘電体膜の分極状態を示す図であり、自発分極の方向と大きさがベクトルで表されている。図３（ａ）は共振子部とスプリアス抑制素子部の強誘電体膜の自発分極が互いに同じ方向に揃い、大きさが異なる場合を示す。図３（ｂ）は共振子部とスプリアス抑制素子部の強誘電体膜の自発分極が互いに反転した方向に揃い、大きさが等しい場合を示す。
【００４１】
図４は本発明に係る一実施の形態を示す図である。図１と異なるのは第１配線９もしくは第２配線１０と圧電層６の間に非圧電体絶縁膜４１が形成されていることである。圧電層６は圧電効果で素子を励振する機能とともに、第１配線９及び第２配線１０と、共通電極５とを絶縁分離する機能も有する。しかし、図１の構造では第１配線９部分もしくは第２配線１０部分の圧電層も励振させてしまうために、余分なモードの振動が発生し、スプリアスが発生してしまう。そこで、第１配線９もしくは第２配線１０と圧電層６の間に非圧電体絶縁膜４１が形成することによって配線部の圧電層の励振を防止することができる。
【００４２】
非圧電体絶縁膜４１に求められる特性は誘電率が小さいこと、及び、音響インピーダンスが小さいことである。非圧電体絶縁膜４１の誘電率が圧電層６よりも小さいほど、圧電層６に印加される電圧が小さくなるし、非圧電体絶縁膜４１の膜厚も小さくてよい。また、非圧電体絶縁膜４１の音響インピーダンスが小さいほど漏洩波が小さくなるメリットがある。非圧電体絶縁膜４１としては、例えば、酸化ケイ素、窒化珪素、ポリイミド樹脂、ポリマーなどがよい。これらの材料の誘電率は３〜１０であり、ＰＺＴ強誘電体膜の誘電率は４００〜２０００である。従って、ＰＺＴ膜上に、酸化ケイ素、窒化珪素、ポリイミド樹脂、ポリマーなどを積層することにより、ＰＺＴ膜の配線部分のＰＺＴ膜に印加される電圧を１／１０以下にすることは極めて容易である。
【００４３】
図５は本発明に係る一実施の形態を示す図である。図４と異なるのは、接着剤５１が、基板とその上に形成された積層体の間に構成されることである。接着剤５１は音響インピーダンスが小さいので、共振子２から励振された振動が基板へ漏洩することを防ぐ効果がある。
【００４４】
図６は本発明に係る一実施の形態を示す図である。図５と異なるのは、基板４の一部が凹部加工されており、第１電極７及び第２電極８の領域にエアギャップ６１が形成されていることである。エアギャップ６１は共振子２から励振された振動が基板へ漏洩することを防ぐ効果がある。
【００４５】
図７は本発明に係る一実施の形態を示す図である。図５と異なるのは、基板と共通電極の間に共振波長の４分の１の厚さを有する少なくとも１層からなる反射層７１が形成されていることである。反射層７１は共振子２から励振された振動が基板へ漏洩することを防ぐ効果がある。
【００４６】
図８は本発明に係る一実施の形態を示す図である。薄膜音響共振子回路８１は薄膜共振子１と、通信信号発生手段８２と、スプリアス抑制信号発生手段８３と、から構成される。通信信号発生手段８２の出力の一端は共通電極５へ接続され、もう一端は第１配線９へ接続される。また、スプリアス抑制信号発生手段８２の出力の一端は共通電極５へ接続され、もう一端は第２配線１０へ接続される。共振子２が発生するスプリアス信号をキャンセルするような信号を、スプリアス抑制信号発生手段８３から出力して、スプリアス抑制素子を励振する。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るひとつの薄膜音響共振子によれば、圧電層に強誘電体膜を含み、第１の領域と第２の領域とで強誘電体膜の分極状態を互いに異にすることによって、第１の領域と第２の領域の音響インピーダンスを容易に制御することができるので、性能の向上と低コスト化を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の一実施の形態における共振子を示す平面図
（ｂ）（ａ）のＱ−Ｑ’における断面図
（ｃ）（ａ）のＲ−Ｒ’における断面図
【図２】（ａ）最大印加電圧Ｖ１が抗電圧よりも小さい場合の強誘電体膜の分極−電圧特性を示す図
（ｂ）最大印加電圧Ｖ２が抗電圧よりも大きい場合の強誘電体膜の分極−電圧特性を示す図
（ｃ）最大印加電圧Ｖ３がＶ２よりも大きい場合の強誘電体膜の分極−電圧特性を示す図
【図３】強誘電体膜の分極状態を示す図
【図４】本発明に係る一実施の形態を示す図
【図５】本発明に係る一実施の形態を示す図
【図６】本発明に係る一実施の形態を示す図
【図７】本発明に係る一実施の形態を示す図
【図８】本発明に係る一実施の形態を示す図
【図９】（ａ）従来のスプリアス抑制型圧電振動子の構成を示す平面図
（ｂ）従来のスプリアス抑制型圧電振動子の構成を示すＳ−Ｓ断面図
【符号の説明】
１ 薄膜音響共振子
２ 共振子
３ スプリアス抑制素子
４ 基板
５ 共通電極
６ 圧電層
７ 第１電極
８ 第２電極
９ 第１配線
１０ 第２配線
１１ 隙間
１２ 強誘電体膜
１３ 温度補償層
４１ 非圧電体絶縁膜
５１ 接着剤
６１ エアギャップ
７１ 反射層
８１ 薄膜音響共振子回路
８２ 通信信号発生手段
８３ スプリアス抑制信号発生手段
９１ 凹陥部
Claims (17)
- 強誘電体膜を含む圧電素子と、前記圧電素子の第１面に設けられた第１の電極と、前記第１面に設けられ、前記第１の電極と電気的に絶縁され、前記第１の電極を周縁の少なくとも一部に沿うように設けられた第２の電極と、前記圧電素子の前記第１面と反対側の第２面に設けられ、前記圧電素子を挟んで前記第１の電極及び前記第２の電極と対向するように設けられた第３の電極と、前記第１の電極に電力を供給する第１の配線と、前記第２の電極に電力を供給する第２の配線と、を備えた薄膜音響共振子であって、前記第１の電極と前記第３の電極とに挟まれた前記強誘電体膜の第１の領域は第１の分極状態を有し、前記第２の電極と前記第３の電極とに挟まれた前記強誘電体膜の第２の領域は前記第１の分極状態とは異なる第２の分極状態を有していることを特徴とする薄膜音響共振子。
- 前記第１の分極状態における自発分極の大きさが、前記第２の分極状態における自発分極の大きさよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の薄膜音響共振子。
- 前記第１の分極状態における自発分極の方向が、前記第２の分極状態における自発分極の方向とが異なることを特徴とする請求項１に記載の薄膜音響共振子。
- 前記第１の分極状態における自発分極の方向が、前記第２の分極状態における自発分極の方向とが反転していることを特徴とする請求項３に記載の薄膜音響共振子。
- 第１の配線及び第２の配線と圧電素子との間に、非圧電性絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の薄膜音響共振子。
- 非圧電性絶縁層が少なくとも酸化ケイ素、窒化珪素、ポリイミド樹脂、ポリマーを主成分とすることを特徴とする請求項４に記載の薄膜音響共振子。
- 前記強誘電体膜が（００１）方位に優先配向したＰＺＴ薄膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の薄膜音響共振子。
- 前記圧電素子が温度補償層を含み、前記温度補償層が、チタン酸ストロンチウム、若しくは、チタン酸ストロンチウムとチタン酸バリウムの固溶体を主成分とすることを特徴とする請求項６に記載の薄膜音響共振子。
- 前記第１の領域が共振子としての機能を備え、前記第２の領域がスプリアス抑制阻止としての機能を備えたことを特徴とする請求項１に記載の薄膜音響共振子。
- 強誘電体膜を含む圧電素子と、前記圧電素子の第１面に設けられた第１の電極と、前記第１面に設けられ、前記第１の電極と電気的に絶縁され、前記第１の電極を周縁の少なくとも一部に沿うように設けられた第２の電極と、前記圧電素子の前記第１面と反対側の第２面に設けられ、前記圧電素子を挟んで前記第１の電極及び前記第２の電極と対向するように設けられた第３の電極と、前記第１の電極に電力を供給する第１の配線と、前記第２の電極に電力を供給する第２の配線と、を備えた積層体と、前記積層体を載置する基板とを備えた前記積層体薄膜音響共振子であって、前記第１の電極と前記第３の電極とに挟まれた前記強誘電体膜の第１の領域は第１の分極状態を有し、前記第２の電極と前記第３の電極とに挟まれた前記強誘電体膜の第２の領域は第２の分極状態を有していることを特徴とする薄膜音響共振子。
- 前記基板と、前記基板とが、接着材により接合されていることを特徴とする請求項９に記載の薄膜音響共振子。
- 前記第１の領域と第２の領域の少なくとも一部と、前記基板との間にはエアギャップが形成されていることを特徴とする請求項９に記載の薄膜音響共振子。
- 前記第１の領域と第２の領域の少なくとも一部と、前記基板との間には前記第１の領域における共振波長の４分の１の厚さを有する反射層が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の薄膜音響共振子。
- 強誘電体膜と、前記強誘電体膜の第１面に設けられた第１の電極と、前記第１面に設けられ、前記第１の電極と電気的に絶縁され、前記第１の電極を周縁の少なくとも一部に沿うように設けられた第２の電極と、前記圧電素子の前記第１面と反対側の第２面に設けられ、前記強誘電体膜を挟んで前記第１の電極と対向するように設けられた第３の電極と、前記圧電素子の前記第１面と反対側の第２面に設けられ、前記強誘電体膜を挟んで前記第２の電極と対向するように設けられた第４の電極と、前記第１の電極と前記第３の電極との間に電位差を発生させるように前記第１の電極若しくは前記第３の電極のいずれかに接続された第１の配線と、前記第２の電極と前記第４の電極との間に電位差を発生させるように前記第２の電極若しくは前記第４の電極のいずれかに接続された第２の配線と、を備えた薄膜音響共振子であって、前記第１の電極と前記第３の電極とに挟まれた前記強誘電体膜の第１の領域は第１の分極状態を有し、前記第２の電極と前記第４の電極とに挟まれた前記強誘電体膜の第２の領域は第２の分極状態を有していることを特徴とする薄膜音響共振子。
- 共通電極と、該共通電極上に形成される圧電層と、該圧電層上に形成される、共振子用の第１電極と、該第１電極の周縁を間隙をあけて囲む、スプリアス抑制素子用の第２電極と、前記第１電極に電力を供給する第１配線と、前記第２電極に電力を供給する第２配線と、からなる積層体が基板上に配置した薄膜音響共振子であって、前記圧電層が強誘電体膜を含み、前記共振子部分と前記スプリアス抑制素子部分とで強誘電体膜の分極状態を互いに異にしたことを特徴とする薄膜音響共振子。
- 請求項１乃至１５に記載の薄膜音響共振子と、第１の配線を介して信号を出力する通信信号発生手段と、第２の配線を信号を出力するスプリアス抑制信号発生手段と、を備えた薄膜音響共振子回路。
- 請求項１乃至１６に記載の薄膜音響共振子あるいは薄膜音響共振子回路を用いた送受信器。
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