JP2005184340A - Surface acoustic wave chip - Google Patents
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Description
本発明は弾性表面波チップに係り、特にチップサイズの小型化に適した弾性表面波チップに関する。 The present invention relates to a surface acoustic wave chip, and more particularly to a surface acoustic wave chip suitable for reducing the chip size.
弾性表面波(SAW)チップは、圧電効果を生じる材料からなる圧電基板の表面上に、一対のすだれ状電極(IDT)と反射器とを形成したものが主な構成である。そして圧電基板として、例えば水晶基板等が用いられている。またIDTや反射器の電極材料として、例えばアルミニウムやアルミニウム合金が用いられている。このようなSAWチップのIDTに電気信号が印加されると、圧電基板に生じる圧電効果によって電極指間に周期的な機械的ひずみが生じて弾性表面波が励起され、電極指の噛み合せ方向に沿って伝搬される。伝搬された弾性表面波は反射器で反射されてIDT側に戻るので、IDTと反射器が設けられた圧電基板の表面において弾性表面波が伝搬される。このようなSAWチップをパッケージに実装してSAW共振子やSAWフィルタ等のSAW装置を構成し、また発振回路とともにパッケージに実装してSAW発振器を構成している。 A surface acoustic wave (SAW) chip is mainly configured by forming a pair of interdigital electrodes (IDT) and a reflector on the surface of a piezoelectric substrate made of a material that generates a piezoelectric effect. For example, a quartz substrate or the like is used as the piezoelectric substrate. Further, as an electrode material for the IDT or reflector, for example, aluminum or an aluminum alloy is used. When an electrical signal is applied to the IDT of such a SAW chip, a periodic mechanical strain is generated between the electrode fingers due to the piezoelectric effect generated in the piezoelectric substrate, and surface acoustic waves are excited, along the meshing direction of the electrode fingers. Is propagated. Since the propagated surface acoustic wave is reflected by the reflector and returns to the IDT side, the surface acoustic wave propagates on the surface of the piezoelectric substrate provided with the IDT and the reflector. Such a SAW chip is mounted on a package to form a SAW device such as a SAW resonator or a SAW filter, and is mounted on a package together with an oscillation circuit to form a SAW oscillator.
SAWフィルタの一例として、オイラー角(φ、θ、ψ)が(0°、120°〜145°、90°)で表されるSTカット90°X方向伝搬水晶基板上に、アルミニウムを用いてIDTを形成するとともに、アルミニウムよりも密度の大きな金属材料で反射器を形成し、表面波としてSH波を利用するものが挙げられる(特許文献1を参照)。特許文献1においては、電気機械結合係数の小さい水晶基板上に密度の大きい電極からなるIDTを形成し、その電極の反射係数が大きい場合には、IDTの電極間での反射が大きくなり、弾性表面波のエネルギーがIDT間に閉じ込められて、弾性表面波がIDTから伝搬しにくくなるため、反射係数の小さいアルミニウムで電極を形成するのが望ましいことが開示されているが、周波数温度特性については開示されていない。
SAWチップの圧電基板として、オイラー角(φ、θ、ψ)が(0°、113°〜135°、0°)で表されるSTカット水晶基板や、(0°、113°〜135°、±(40°〜49°))で表される面内回転STカット水晶基板が用いられる。オイラー角(φ、θ、ψ)が(0°、113°〜135°、0°)で表されるSTカット水晶基板の場合、水晶基板上にアルミニウムを用いてIDTと反射器を形成して、弾性表面波を励起した場合、反射器を構成する短絡電極1本あたりの反射係数は0.02程度となる。このため弾性表面波を十分に反射するためには、短絡電極が100本以上必要となり、SAWチップのサイズが大きくなる問題点がある。また反射器の短絡電極の間隔は、圧電基板上に励起される弾性表面波の波長に対応させて設けられるので、圧電基板上に低周波数域の弾性表面波を励起する場合、すなわち長波長の弾性表面波を励起する場合は、SAWチップのサイズが大きくなる問題点がある。 As a piezoelectric substrate of a SAW chip, an ST cut quartz substrate whose Euler angles (φ, θ, ψ) are represented by (0 °, 113 ° to 135 °, 0 °), (0 °, 113 ° to 135 °, An in-plane rotated ST-cut quartz substrate represented by ± (40 ° to 49 °) is used. In the case of an ST cut quartz substrate in which Euler angles (φ, θ, ψ) are represented by (0 °, 113 ° to 135 °, 0 °), an IDT and a reflector are formed using aluminum on the quartz substrate. When a surface acoustic wave is excited, the reflection coefficient per short-circuit electrode constituting the reflector is about 0.02. For this reason, in order to sufficiently reflect the surface acoustic wave, 100 or more short-circuit electrodes are required, which increases the size of the SAW chip. In addition, the distance between the short-circuit electrodes of the reflector is provided corresponding to the wavelength of the surface acoustic wave excited on the piezoelectric substrate, so when a surface acoustic wave in the low frequency range is excited on the piezoelectric substrate, In the case of exciting a surface acoustic wave, there is a problem that the size of the SAW chip becomes large.
またSAW共振子やSAW発振器には一定周波数で高精度に共振することが要求される。すなわち、SAW共振子やSAW発振器に要求される周波数精度は、周波数温度特性等の様々な要因を合わせて±100〜±数十ppm以下の精度が要求される。このためSAW共振子やSAW発振器に用いられるSAWチップには、極めて一定の周波数で共振することが要求されるので、周波数温度特性の悪化は無視できない。ところで、SAWフィルタの場合はある程度の通過帯域幅を必要とするため一定周波数を共振する必要はなく、SAW共振子やSAW発振器のように高精度で一定周波数を共振しなけらならないという考えは生じない。すなわちSAWフィルタでは周波数温度特性の要因を考慮する必要性は少ない。 In addition, SAW resonators and SAW oscillators are required to resonate at a constant frequency with high accuracy. That is, the frequency accuracy required for the SAW resonator and SAW oscillator is required to be within ± 100 to ± tens of ppm or less in combination with various factors such as frequency temperature characteristics. For this reason, SAW chips used in SAW resonators and SAW oscillators are required to resonate at a very constant frequency, and therefore the deterioration of frequency temperature characteristics cannot be ignored. By the way, in the case of a SAW filter, since a certain pass band width is required, it is not necessary to resonate a certain frequency, and the idea that a certain frequency must be resonated with high accuracy like a SAW resonator or a SAW oscillator arises. Absent. That is, in the SAW filter, there is little need to consider the factor of frequency temperature characteristics.
本発明は、従来技術の問題点を解決するためになされたもので、SAWチップのサイズを小型化するとともに、周波数温度特性のよい弾性表面波チップを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a surface acoustic wave chip having a good frequency temperature characteristic while reducing the size of the SAW chip.
上記目的を達成するために、本発明に係る弾性表面波チップは、水晶基板上にすだれ状電極と反射器とを備えた弾性表面波チップであって、前記すだれ状電極を金属材料で形成し、当該金属材料よりも比重の重い金属材料で前記反射器を形成し、前記水晶基板上を伝搬する表面波はレイリー波であることを特徴としている。これにより反射器を構成する短絡電極1本あたりの反射係数が高くなるので、軽い金属材料を用いた場合と比較して、短絡電極の本数を減らしても、十分に反射器の反射係数を得ることができる。そして短絡電極の本数を減らすことにより、弾性表面波(SAW)チップの長さを小型化することができる。またすだれ状電極(IDT)に軽い金属材料を用いるので、SAWチップの周波数温度特性が良好である。 In order to achieve the above object, a surface acoustic wave chip according to the present invention is a surface acoustic wave chip having a comb electrode and a reflector on a quartz substrate, wherein the comb electrode is formed of a metal material. The reflector is made of a metal material having a specific gravity heavier than that of the metal material, and the surface wave propagating on the quartz substrate is a Rayleigh wave. As a result, the reflection coefficient per short-circuit electrode constituting the reflector is increased, so that the reflection coefficient of the reflector can be sufficiently obtained even if the number of short-circuit electrodes is reduced as compared with the case where a light metal material is used. be able to. The length of the surface acoustic wave (SAW) chip can be reduced by reducing the number of short-circuit electrodes. Further, since a light metal material is used for the interdigital electrode (IDT), the frequency temperature characteristics of the SAW chip are good.
また前記水晶基板は、オイラー角が(0°、113°〜135°、0°)または(0°、113°〜135°、±(40°〜49°))であることを特徴としている。オイラー角が(0°、113°〜135°、0°)で表される水晶基板はSTカット水晶基板であり、(0°、113°〜135°、±(40°〜49°))で表される水晶基板は面内回転STカット水晶基板である。SAWチップに励起される弾性表面波の種類は水晶基板のカット角によって異なるが、STカット水晶基板または面内回転STカット水晶基板を用いると、レイリー波を励起することができる。 The quartz substrate is characterized in that the Euler angle is (0 °, 113 ° to 135 °, 0 °) or (0 °, 113 ° to 135 °, ± (40 ° to 49 °)). The quartz substrate whose Euler angle is represented by (0 °, 113 ° to 135 °, 0 °) is an ST cut quartz substrate, and is (0 °, 113 ° to 135 °, ± (40 ° to 49 °)). The represented quartz substrate is an in-plane rotated ST-cut quartz substrate. The type of surface acoustic wave excited by the SAW chip differs depending on the cut angle of the quartz substrate, but if an ST cut quartz substrate or an in-plane rotated ST cut quartz substrate is used, Rayleigh waves can be excited.
また前記すだれ状電極をアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成し、前記反射器を金で形成したことを特徴としている。これによりIDTを軽い金属材料で形成でき、反射器を重い金属材料で形成することができる。よってSAWチップを小型化できるとともに、周波数温度特性が良好である。 Further, the interdigital electrode is made of aluminum or an aluminum alloy, and the reflector is made of gold. Thereby, IDT can be formed with a light metal material, and a reflector can be formed with a heavy metal material. Therefore, the SAW chip can be miniaturized and the frequency temperature characteristic is good.
また上述したSAWチップをパッケージに実装してSAW共振子を形成し、SAWチップとともに発振回路をパッケージに実施してSAW発振器を形成すると、SAW共振子やSAW発振器を小型化することができる。また一定の周波数で共振することができるSAW共振子やSAW発振器を提供することができる。 Further, when the SAW chip described above is mounted on a package to form a SAW resonator, and an SAW oscillator is formed together with the SAW chip to form a SAW oscillator, the SAW resonator and the SAW oscillator can be reduced in size. In addition, a SAW resonator or a SAW oscillator that can resonate at a constant frequency can be provided.
以下に、本発明に係る弾性表面波チップの好ましい実施の形態について説明する。図1に水晶基板のカット角の説明図を示す。水晶の結晶軸はX軸(電気軸)、Y軸(機械軸)およびZ軸(光軸)で定義される。そして本実施の形態に係る弾性表面波(SAW)チップ10には、オイラー角(φ、θ、ψ)が(0°、113°〜135°、0°)で表されるSTカット水晶基板、または(0°、113°〜135°、±(40〜49°))で表される面内回転STカット水晶基板が用いられる。STカット水晶基板は、オイラー角(φ、θ、ψ)が(0°、0°、0°)で表される水晶Z板12をX軸まわりにθ=113°〜135°回転させて得られる面に沿って切り出される水晶基板である。なおY軸およびZ軸もX軸周りにθ回転させて得られる軸を、それぞれY’軸およびZ’軸と定義する。また面内回転STカット基板は、前記STカット水晶基板をXY’面内で回転させて、すなわちZ’軸周りにψ=±(40°〜49°)回転させて得られる水晶基板である。
Hereinafter, preferred embodiments of the surface acoustic wave chip according to the present invention will be described. FIG. 1 is an explanatory diagram of the cut angle of the quartz substrate. The crystal axis of quartz is defined by the X axis (electric axis), the Y axis (mechanical axis), and the Z axis (optical axis). In the surface acoustic wave (SAW)
図2にSAWチップの説明図を示す。図2(a)はSAWチップの平面図であり、同図(b)はSAWチップを部分的に拡大した断面図である。なお図2はSAWチップの主な構成部分のみ記載している。本実施の形態に係るSAWチップ10は、STカットまたは面内回転STカットされた水晶基板14上に、複数の電極指を交互に噛み合せて一対のすだれ状電極16(IDT16)が設けられ、前記電極指の噛み合せ方向に沿うIDT16の両端に反射器18が設けられた構成である。この反射器18は複数の電極指を平行にして、かつこれらの電極指の両端を短絡して形成されている。この反射器18を構成する電極指が短絡電極となる。そしてIDT16には比重の軽い金属材料、例えばアルミニウムやアルミニウム合金が用いられている。また反射器18には、IDT16に用いられる金属材料よりも比重の重い金属材料、例えば金が用いられている。
FIG. 2 is an explanatory diagram of the SAW chip. FIG. 2A is a plan view of the SAW chip, and FIG. 2B is a cross-sectional view in which the SAW chip is partially enlarged. FIG. 2 shows only main components of the SAW chip. The
このようなSAWチップ10のIDT16に電気信号を印加すると、水晶基板14の圧電効果によって周期的な機械的ひずみが生じて弾性表面波が励起され、電極指を噛み合せた方向に沿って伝搬される。このとき励起される弾性表面波の種類は水晶基板14のカット角によって異なり、STカット水晶基板または面内回転STカット水晶基板を用いたSAWチップ10にはレイリー波が励起される。そしてIDT16から伝搬する弾性表面波は反射器18で反射されてIDT16側へ戻るので、IDT16を介した反射器18間で弾性表面波が伝搬される。
When an electric signal is applied to the
このとき反射器18には比重の重い金属材料、すなわち金が用いられているので、短絡電極1本あたりの反射係数が高くなる。図3にSTカット水晶基板を用いたときの、短絡電極1本あたりの反射係数とηとの関係を示す。また図4に面内回転STカット水晶基板を用いたときの、短絡電極1本あたりの反射係数とηとの関係を示す。ここでηは電極ピッチPと電極幅Lの比(η=L/P)であり、H/λは電極の高さHを波長λ(λ=2P)で規格化した値である。図3および図4のいずれにおいても、H/λの値を変えたものを複数記載している。図3および図4において、白抜きの記号で示したものが、金を用いて反射器18を形成したものである。また比較用として黒塗りの記号で示したものが、アルミニウムを用いて反射器を形成したものである。H/λの値が0.03および0.04のいずれの場合においても、STカット水晶基板、面内回転STカット水晶基板上に設けられる反射器18を金で形成すると、短絡電極1本あたりの反射係数が高くなることがわかる。
At this time, since the
図5にSTカット水晶基板上に設けた反射器18を金で形成したときの、反射器18の反射係数と規格化周波数の関係を示す。なおη=0.6であり、H/λ=0.03である。そして短絡電極の本数を30本、40本または50本として反射器18を形成したときの、それぞれの反射係数を示している。図5より短絡電極を30本用いたときの反射器18の反射係数は0.97であり、短絡電極を40本用いたときの反射器18の反射係数は0.99であり、短絡電極を50本用いたときの反射器18の反射係数は1であることがわかる。また図6にSTカット水晶基板上に設けた反射器をアルミニウムで形成したときの、反射器の反射係数と規格化周波数の関係を示す。なおη=0.6であり、H/λ=0.03である。図6では短絡電極を105本用いており、このときの反射器の反射係数は0.98であることがわかる。
FIG. 5 shows the relationship between the reflection coefficient of the
また図7に面内回転STカット水晶基板上に設けた反射器を金で形成したときの、反射器の反射係数と規格化周波数の関係を示す。なおη=0.5であり、H/λ=0.03である。そして短絡電極の本数を15本、20本または30本として反射器18を形成したときの、それぞれの反射係数を示している。図7より短絡電極を15本用いたときの反射器18の反射係数は0.95であり、短絡電極を20本用いたときの反射器18の反射係数は0.99であり、短絡電極を30本用いたときの反射器18の反射係数は1であることがわかる。また図8に面内回転STカット水晶基板上に設けた反射器をアルミニウムで形成したときの、反射器の反射係数と規格化周波数の関係を示す。なおη=0.5であり、H/λ=0.03である。図8では短絡電極の本数を250本用いており、このときの反射器の反射係数は0.93であることがわかる。
FIG. 7 shows the relationship between the reflection coefficient of the reflector and the normalized frequency when the reflector provided on the in-plane rotated ST-cut quartz substrate is made of gold. Note that η = 0.5 and H / λ = 0.03. The respective reflection coefficients when the
したがって、STカット水晶基板、面内回転STカット基板のいずれを用いた場合も、反射器18に比重の重い金属材料、すなわち金を用いると短絡電極1本あたりの反射係数が高くなり、反射器18に用いられる短絡電極の本数を減らせることがわかる。なお図5ないし図8に示したいずれの場合も、SAWチップに適用して利用することができる。
Therefore, when using either an ST-cut quartz substrate or an in-plane rotating ST-cut substrate, if a metal material having a heavy specific gravity, i.e., gold, is used for the
またIDT16に軽い金属材料、すなわちアルミニウムが用いられているので、周波数温度特性がよい。図9にSTカット水晶基板上にアルミニウムでIDTを形成したときの周波数温度特性を示す。なおH/λは0.028であり、ηは0.5である。また図10にSTカット水晶基板上に金でIDTを形成したときの周波数温度特性を示す。なおH/λは0.03と0.04であり、ηは0.5である。図10より、H/λが0.03であり、温度範囲が−40℃〜85℃であると、金を用いてIDTを形成したときの周波数偏差は+1700ppm〜−2000ppmであることがわかる。これに対し、図9より、H/λが0.028であり、温度範囲が−40℃〜85℃であると、アルミニウムを用いてIDT16を形成したときの周波数偏差は0ppm〜−140ppmであることがわかる。
Further, since a light metal material, that is, aluminum is used for the
図11に面内回転STカット水晶基板上にアルミニウムでIDTを形成したときの周波数温度特性を示す。なおH/λは0.0368であり、ηは0.5である。また図12に面内回転STカット水晶基板上に金でIDTを形成したときの周波数温度特性を示す。なおH/λは0.03と0.04であり、ηは0.5である。図12より、H/λが0.03であり、温度範囲が−40℃〜85℃であると、金を用いてIDTを形成したときの周波数偏差は+180ppm〜−250ppmであることがわかる。これに対し、図11より、H/λが0.0368であり、温度範囲が−40℃〜85℃であると、アルミニウムを用いてIDT16を形成したときの周波数偏差は0ppm〜−55ppmであることがわかる。
FIG. 11 shows frequency-temperature characteristics when an IDT is formed of aluminum on an in-plane rotated ST-cut quartz substrate. H / λ is 0.0368, and η is 0.5. FIG. 12 shows frequency-temperature characteristics when an IDT is formed of gold on an in-plane rotated ST-cut quartz substrate. H / λ is 0.03 and 0.04, and η is 0.5. From FIG. 12, it is found that when H / λ is 0.03 and the temperature range is −40 ° C. to 85 ° C., the frequency deviation when gold is used to form IDT is +180 ppm to −250 ppm. On the other hand, as shown in FIG. 11, when H / λ is 0.0368 and the temperature range is −40 ° C. to 85 ° C., the frequency deviation when
IDTを比重の重い金属、すなわち金で形成すると、金の重さや、金と水晶との線熱膨張係数の違い等の理由から周波数温度特性が悪化する。これに対し、IDTを比重の軽い金属、すなわちアルミニウムやアルミニウム合金を用いてIDTを形成すると、STカット水晶基板、面内回転STカット基板のいずれを用いた場合も、周波数温度特性がよいことがわかる。 When the IDT is formed of a metal having a high specific gravity, that is, gold, the frequency temperature characteristics are deteriorated due to the weight of the gold and the difference in the coefficient of linear thermal expansion between the gold and the crystal. On the other hand, when IDT is formed using a metal having a low specific gravity, that is, aluminum or an aluminum alloy, frequency temperature characteristics may be good regardless of whether an ST-cut quartz substrate or an in-plane rotated ST-cut substrate is used. Understand.
またSAWチップは使用温度範囲において、周波数温度特性が最小となるように調整されている。このため周波数温度特性が二次関数または三次関数で表されるときは、これらの関数の頂点を使用温度範囲の中心に位置するよう調整すると、周波数の変動量が最小となる。STカット水晶基板を用いて形成されたSAWチップは二次関数で表される周波数温度特性を示し、面内回転STカット水晶基板を用いて形成されたSAWチップは三次関数で表される周波数温度特性を示す。したがって、STカット水晶基板を用いたSAWチップはηまたはH/λの値をかえることにより周波数温度特性の頂点が移動する。また面内回転STカット水晶基板を用いたSAWチップは、面内回転角ψ、ηまたはH/λの値をかえることにより周波数温度特性の頂点が移動する。よって水晶基板上にアルミニウムを用いてIDTを形成するとともに、面内回転角ψ、ηまたはH/λの値を調整することにより、周波数の変動量を最小にできる。 The SAW chip is adjusted so that the frequency temperature characteristic is minimized in the operating temperature range. For this reason, when the frequency temperature characteristic is represented by a quadratic function or a cubic function, the amount of frequency fluctuation is minimized by adjusting the apex of these functions to be located at the center of the operating temperature range. A SAW chip formed using an ST-cut quartz substrate exhibits a frequency temperature characteristic represented by a quadratic function, and a SAW chip formed using an in-plane rotated ST-cut quartz substrate is a frequency temperature represented by a cubic function. Show properties. Therefore, in the SAW chip using the ST cut quartz substrate, the apex of the frequency temperature characteristic moves by changing the value of η or H / λ. In addition, the SAW chip using the in-plane rotation ST-cut quartz substrate moves the apex of the frequency temperature characteristic by changing the value of the in-plane rotation angle ψ, η, or H / λ. Therefore, by forming the IDT using aluminum on the quartz substrate and adjusting the values of the in-plane rotation angles ψ, η, or H / λ, the frequency variation can be minimized.
このように、STカット水晶基板または面内回転STカット水晶基板上に重い金属材料、すなわち金で反射器18を形成したので、短絡電極1本あたりの反射係数が高くなり、短絡電極の本数を少なくしてSAWチップ10を形成することができる。そして電極ピッチPを14.28μmとしてIDT対数を60対形成し、共振周波数106.25MHzの弾性表面波を励起するSAWチップ10を製造する場合、アルミニウムを用いて反射器を形成すると短絡電極は105本必要となり、SAWチップの長さは4890.6μmとなる。これに対して、金を用いて反射器18を形成すると短絡電極は40本必要となり、SAWチップ10の長さは2964μmとなる。よって、反射器を形成する金属をアルミニウムから金に変更することにより、SAWチップの長さを5mmから3mmまで短くすることができ、面積比で40%小さくすることができる。このため1枚の水晶ウエハからのSAWチップ10の取り数を多くすることができ、収率も40%多くすることができる。
Thus, since the
またアルミニウムやアルミニウム合金の比重の軽い金属材料を用いてIDT16を形成したので、SAWチップの使用温度範囲において温度変動が生じたとしても、周波数の変化を最小限にとどめることができる。よってSAWチップの周波数温度特性をよくすることができ、一定の周波数を得ることができる。
In addition, since the
そして本実施の形態に係るSAWチップ10をパッケージに実装し、またはSAWチップとともに発振回路をパッケージに実装すると、小型かつ周波数精度の高いSAW共振子またはSAW発振器を得ることができる。
When the
10………弾性表面波(SAW)チップ、14………水晶基板、16………すだれ状電極(IDT)、18………反射器。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
3. The surface acoustic wave chip according to claim 1, wherein the interdigital electrode is made of aluminum or an aluminum alloy, and the reflector is made of gold.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20070306 |