JP2005167433A - 電気フィルタおよびそれを用いたデュプレクサ - Google Patents

Abstract

【課題】 電気フィルタにおいて、インダクタを用いることなく所望の通過帯域幅を得る。
【解決手段】 圧電膜１５の内部を伝搬するバルク波により所定の共振周波数の信号を得る圧電共振器１０を有する電気フィルタであって、圧電共振器１０の実効的な電気機械結合係数の２乗をｋ^２、電気フィルタの通過帯域幅をＢＰ、電気フィルタの対象通過帯域の中心周波数をｆとしたとき、ｋ^２＞（ＢＰ／０．６ｆ）を満たすようにする。これにより、インダクタを形成しなくても所望の通過帯域幅が得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は電気フィルタおよびそれを用いたデュプレクサに関し、特に圧電膜内を伝搬するバルク波を利用した圧電共振器が用いられた電気フィルタおよびそれを用いたデュプレクサに関するものである。

たとえば携帯型の無線通信機に搭載されているデュプレクサや電気フィルタには、小型化に有利な圧電共振器が用いられている。

ここで、デュプレクサが使われるＰＣＳシステムにおける電気フィルタでは、１．９ＧＨｚ帯において６０ＭＨｚの通過帯域幅が要求されている。そして、電気機械結合係数の小さいチッ化アルミニウム（ＡｌＮ）を圧電体として用いた場合、電気フィルタ自体では当該スペックを満たすことができないために、特開２００１−２４４７０４号公報に記載のように、インダクタ（Ｌ）を用いて通過帯域幅を伸長して帯域を稼ぐ技術が知られている。
特開２００１−２４４７０４号公報

しかしながら、通過帯域幅を伸張するためにインダクタを形成すると、そのスペース分だけサイズが大きくなってスペース効率が悪化し、小型化のために圧電共振器を用いた意味が減殺されてしまうのみならず、コストアップにもなる。

また、インダクタで通過帯域幅を伸張すると、通過特性の波形が変形して、特性に悪影響を及ぼすこともある。

そこで、本発明は、インダクタを用いることなく所望の通過帯域幅を得ることのできる電気フィルタおよびデュプレクサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る電気フィルタは、圧電膜の内部を伝搬するバルク波により所定の共振周波数の信号を得る圧電共振器を有する電気フィルタであって、前記圧電共振器の実効的な電気機械結合係数の２乗をｋ^２、前記電気フィルタの対象通過帯域幅をＢＰ、前記電気フィルタの対象通過帯域の中心周波数をｆとしたとき、ｋ^２＞（ＢＰ／０．６ｆ）を満たすことを特徴とする。

なお、電気フィルタの作製においては、必ず目標とする通過帯域幅が存在する。例えば、ＰＣＳシステムにおいては、送信用電気フィルタの通過帯域周波数は１８５０−１９１０ＭＨｚ（通過帯域幅は６０ＭＨｚ）であり、受信用電気フィルタの通過帯域周波数は１９３０−１９９０ＭＨｚ（通過帯域幅は６０ＭＨｚ）である。また、Ｗ−ＣＤＭＡシステムでは、送信用電気フィルタの通過帯域周波数は１９２０−１９８０ＭＨｚ（通過帯域幅は６０ＭＨｚ）であり、受信用電気フィルタの通過帯域周波数は２１１０−２１７０ＭＨｚ（通過帯域幅は６０ＭＨｚ）である。これら周波数帯域において、所望の挿入損失を満たすように電気フィルタ開発は行われる。ここで、種々のシステム（規格）において、電気フィルタに要求される通過帯域（幅）を対象通過帯域（幅）と呼ぶ。しかしながら、本発明は特定の通過帯域周波数のみに限らず、種々の通過帯域周波数に適用が可能である。

本発明の好ましい形態において、前記電気フィルタは、入力電極と出力電極とを結ぶ第１の配線部上に配置された少なくとも１つの圧電共振器と、第１の配線部と接地電極との間に形成された少なくとも１つの第２の配線部に配置され、前記第１の配線部上に配置された前記圧電共振器の反共振周波数とで対象通過帯域を形成する共振周波数を有する圧電共振器と、を備えたラダー構造を有することを特徴とする。

本発明のさらに好ましい形態において、前記圧電膜はＺｎＯまたはＡｌＮであることを特徴とする。

本発明のさらに好ましい形態において、前記圧電共振器は、音響多層膜上に前記圧電膜および当該圧電膜に電圧を印加する第１の電極および第２の電極が形成されたＳＭＲ型の圧電共振器であることを特徴とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るデュプレクサは、前述した電気フィルタからなり所定の通過周波数帯域を有する送信側フィルタと、同じく前述した電気フィルタからなり、前記送信側フィルタとは異なる通過周波数帯域を有する受信側フィルタと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば以下の効果を奏することができる。

すなわち、電気フィルタやデュプレクサにおいて、インダクタを用いることなく所望の対象通過帯域幅のフィルタ特性を得ることが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しつつさらに具体的に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。

図１は本発明の一実施の形態における電気フィルタに用いられた圧電共振器を示す断面図、図２は本発明の一実施の形態である電気フィルタを示す回路図、図３は図２の電気フィルタのフィルタ特性を示すグラフである。

図１に示す圧電共振器１０はＳＭＲ（Ｓｏｌｉｄｌｙ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）型圧電共振器と呼ばれるもので、たとえば単結晶シリコンからなる素子基板１１の上に、音響インピーダンスが高い薄膜と低い薄膜、たとえばＡｌＮ膜１２ａとＳｉＯ_２膜１２ｂとが交互に各４層ずつ形成されてなる音響反射膜１２が形成されている。この音響反射膜１２上には密着層１３としてのＡｌＮ膜を介してＰｔ膜が真空蒸着法により成膜され、リソグラフィーによりパターニングされて下部電極１４が形成されている。

さらに、下部電極（第１の電極）１４上には、スパッタリング法によりＺｎＯあるいはＡｌＮからなる圧電膜１５が成膜されている。なお、圧電膜１５の膜厚は通常１０μｍ以下であり、素子基板１１を用いずに圧電共振器１０を作製することは困難である。また、圧電膜１５には、下部電極１４を露出させるために、エッチング等により孔を設けてもよい。そして、圧電膜１５上には、同じく密着層１６としてのＣｒ膜を介してスパッタリング法によりＡｌが成膜され、リソグラフィーによりパターニングされて上部電極（第２の電極）１７が形成されている。

そして、下部電極１４と上部電極１７とに交流電圧を印加すると、圧電効果により圧電膜１５の内部を伝搬するバルク波により所定の共振周波数の信号が得られる。

なお、音響反射膜１２は形成されていなくてもよく、この場合には素子基板１１上に直接下部電極１４が形成される。また、本形態においては音響反射膜１２は４層であるが、音響インピーダンスの異なる薄膜が積層されていれば、４層に限らない。さらに、各薄膜の膜質は上記のものに限定されるものではなく、一例に過ぎない。

そして、このような圧電共振器１０をレイアウトすることにより、電気フィルタが形成されている。すなわち、本実施の形態の電気フィルタ１９では、図２に示すように、入力電極２０と出力電極２１との間に直列腕としての第１の配線部２２が形成され、３つの圧電共振器１０ａ，１０ｂ，１０ｃが直列に接続されている。また、入力電極２０と圧電共振器１０ａとの中点と接地電極２３との間、圧電共振器１０ａと圧電共振器１０ｂとの中点と接地電極２３との間、圧電共振器１０ｂと圧電共振器１０ｃとの中点と接地電極２３との間および出力電極２１と圧電共振器１０ｃとの中点と接地電極２３との間に並列腕としての第２の配線部２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄがそれぞれ形成され、圧電共振器１０ａ，１０ｂ，１０ｃの共振周波数とほぼ一致する反共振周波数を有して圧電共振器１０ａ，１０ｂ，１０ｃとで通過帯域を形成する圧電共振器１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇが接続されている。

なお、直列腕である第１の配線部２２に配置される圧電共振器は少なくとも１つであればよい。また、第２の配線部は少なくとも１つ形成されていればよく、よって並列腕の圧電共振器も少なくとも１つであればよい。さらに、本発明の電気フィルタは、このようなラダー構造を有するものには限定されるものではなく、様々な構造を採用することができる。

ここで、圧電共振器の共振周波数ｆｒ、反共振周波数をｆａとし、圧電共振器の実効的な電気機械結合係数の２乗をｋ^２とすると、

となる。なお、圧電共振器の実効的な電気機械結合係数とは、圧電膜だけでなく電極膜など全ての薄膜を含めた圧電共振器全体の結合係数を指す。また、電気フィルタでは複数の圧電共振器が用いられることが多いが、このときの圧電共振器の実効的な電気機械結合係数とは、これらの圧電共振器の実効的な電気機械結合係数の２乗の平均値をいう。

数式１を変形して、

さらに変形して、

となる。

ここで、電気フィルタは図３に示すようなフィルタ特性を有しているので、２つの減衰極の周波数差をバンド幅ＢＷ、通過帯域幅をＢＰとすると、本実施の形態のようなラダー構造で直列腕である第１の配線部２２に配置された圧電共振器１０ａ，１０ｂ，１０ｃの共振周波数ｆｒと並列腕である第２の配線部２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄに配置された圧電共振器１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇの反共振周波数ｆａとが一致するとすれば、

となる。すると、数式３と数式４とから、

となる。

ここで、

であるから、数式５は、

となる。つまり、

となる。

さて、前述のようにバンド幅ＢＷはフィルタ特性の２つの減衰極の周波数差であるため、これを通過帯域幅ＢＰと相関を持たせるための定数Ｃを求める。

これを式で表すと、

である。

これを数式８に代入すると、

となる。

ここで、本発明者は、８種類の電気フィルタ（デュプレクサ）を作製し、そのフィルタ特性および温度特性（以下、「温特」という。）について評価を行った。実施例４はダイヤフラム型、それ以外は全てＳＭＲ型のフィルタである。なお、作製した電気フィルタには、通過帯域を広げるためのインダクタは用いられていない。

結果を表１に示す。

表１において、ＰＣＳおよびＷ−ＣＤＭＡは規格名を指し、Ｔｘは送信側フィルタ、Ｒｘは受信側フィルタを指す。圧電共振器の実効的な電気機械結合係数ｋ^２は、圧電膜の作成方法および下部電極の配向性により変化させた。また、温特では、−３５〜８５℃の温度範囲における周波数変動を検討した。そして、Ｉ．Ｌ．（挿入損失）は、最小挿入損失の３ｄＢダウンではなく、実際に規格値として使用されている値の一例を用いた。

評価欄が○となっているものは、対象通過帯域幅６０ＭＨｚを満たし、且つ温特も問題ない電気フィルタであり、評価欄が×となっているものは、対象通過帯域幅６０ＭＨｚを満たしていない電気フィルタである。

以上の結果から、評価が○となったときに数式１０が成立し、評価が×となったときにこれが成立しなくなる定数Ｃは０．６となる。このとき、数式１０において、左辺は右辺よりも大きな値であれば評価が○となるから、

となる。

数式１１においてｆｒは共振周波数であるが、共振周波数は対象通過帯域の中心周波数とほぼ等しいので、対象通過帯域の中心周波数としてｆを用いると、

となる。

したがって、数式１２を満たす電気フィルタであれば、インダクタを用いることなく所望の対象通過帯域幅を得ることが可能になる。

これにより、インダクタが不要になるために小型化できるとともに、コストダウンを図ることができる。また、インダクタで通過帯域幅を伸張しないので、通過特性の波形変形によるフィルタ特性への悪影響がなくなる。

なお、表１において、圧電膜にＺｎＯを用いたときには評価が○となり、ＡｌＮを用いたときには評価が×となっているが、これにより本発明が圧電膜にＡｌＮを用いた電気フィルタを除外するものではない。

すなわち、表１の場合では、目標とする対象通過帯域幅を６０ＭＨｚ以上としたために実効的な電気機械結合係数が低くなるＡｌＮで評価が×になったに過ぎず、対象通過帯域幅が違えば圧電膜にＡｌＮを用いたときでも評価が○となることがあるからである。したがって、本発明は圧電膜の膜種を限定するものではない。

以上の説明においては、本発明をＳＭＲ型の圧電共振器で構成した場合について説明したが、上下電極に挟まれた圧電膜の上下方向を大気開放の状態にし、音響的に全反射させるダイヤフラム型および空隙型の圧電共振器など、圧電膜を用いた積層型の圧電共振器全般を用いることができる。

また、本発明は電気フィルタに限定されるものではなく、例えば一方を送信側フィルタ、他方を受信側フィルタとしたデュプレクサなど、電気フィルタを複数用いた電子デバイスにも適用することができる。

本発明の一実施の形態における電気フィルタに用いられた圧電共振器を示す断面図である。 本発明の一実施の形態である電気フィルタを示す回路図である。 図２の電気フィルタのフィルタ特性を示すグラフである。

符号の説明

１０，１０ａ〜１０ｇ 圧電共振器
１１ 素子基板
１２ 音響反射膜
１２ａ ＡｌＮ膜
１２ｂ ＳｉＯ_２膜
１３ 密着層
１４ 下部電極（第１の電極）
１５ 圧電膜
１６ 密着層
１７ 上部電極（第２の電極）
１９ 電気フィルタ
２０ 入力電極
２１ 出力電極
２２ 第１の配線部
２３ 接地電極
２４ａ〜２４ｄ 第２の配線部

Claims (5)

1. 圧電膜の内部を伝搬するバルク波により所定の共振周波数の信号を得る圧電共振器を有する電気フィルタであって、
   前記圧電共振器の実効的な電気機械結合係数の２乗をｋ^２、前記電気フィルタの対象通過帯域幅をＢＰ、前記電気フィルタの対象通過帯域の中心周波数をｆとしたとき、
   ｋ^２＞（ＢＰ／０．６ｆ）、を満たすことを特徴とする電気フィルタ。
2. 前記電気フィルタは、
   入力電極と出力電極とを結ぶ第１の配線部上に配置された少なくとも１つの圧電共振器と、
   第１の配線部と接地電極との間に形成された少なくとも１つの第２の配線部に配置され、前記第１の配線部上に配置された前記圧電共振器の反共振周波数とで対象通過帯域を形成する共振周波数を有する圧電共振器と、
   を備えたラダー構造を有することを特徴とする請求項１記載の電気フィルタ。
3. 前記圧電膜はＺｎＯまたはＡｌＮであることを特徴とする請求項１または２記載の電気フィルタ。
4. 前記圧電共振器は、音響多層膜上に前記圧電膜および当該圧電膜に電圧を印加する第１の電極および第２の電極が形成されたＳＭＲ型の圧電共振器であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の電気フィルタ。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の電気フィルタからなり所定の通過周波数帯域を有する送信側フィルタと、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の電気フィルタからなり、前記送信側フィルタとは異なる通過周波数帯域を有する受信側フィルタと、
   を備えたことを特徴とするデュプレクサ。

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