JP2005223808A - 圧電薄膜フィルタ、分波器、通信機 - Google Patents

Abstract

【課題】 通過帯域外の、通過帯域近傍における減衰特性が良好な圧電薄膜フィルタ、分波器、通信機を提供する。
【解決手段】 開口部１ａを有する基板１を設ける。開口部１ａ上に形成されている、少なくとも１層以上の圧電薄膜４を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極５ａ、５ｂ及び下部電極３を対向させて挟む構造の振動部とを有する複数の圧電薄膜共振子を、直列共振子１２及び並列共振子１１として、それぞれラダー型に配置する。直列共振子１２と並列共振子１１との電気機械結合係数ｋ²が互いに異なる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電薄膜フィルタ、分波器、通信機に関するものである。

従来、近年の携帯電話機等の通信機の小型化、軽量化に対する技術的進歩は目覚しいものがある。これを実現するための手段として、通信機の各構成部品の削減、小型化はもとより、複数の機能を複合した部品の開発も進んできた。特に、ＲＦ段に用いられるフィルタや分波器にも同様に高性能化が求められている。

上記のような、ＲＦ段に用いられるフィルタや分波器を構成するフィルタとして、ラダー型圧電薄膜フィルタが用いられる。ラダー型圧電薄膜フィルタは、特許文献１に記載されているように、開口部又は凹部を有する基板と、前記開口部又は凹部上に形成されている、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圧電薄膜共振子を、直列共振子及び並列共振子としてラダー型に配置することで構成される。

ＲＦ段に用いられるフィルタや分波器を構成するフィルタでは、用途によって、通過帯域の低域側又は高域側の減衰が急峻な特性を有することが求められる。特に、分波器では、送信側フィルタと受信側フィルタとが必要であるが、用途によってはこの送信側・受信側の周波数間隔をきわめて狭くすることが求められる場合がある。上記場合において、相対的に周波数の低い側に位置する送信側フィルタでは通過帯域外近傍の高域側の急峻性（大きな減衰量）が、相対的に周波数の高い側に位置する受信側フィルタでは通過帯域外近傍の低域側の急峻性がそれぞれ求められる。

例えば、北米におけるＰＣＳでは、送信帯域が１８５０ＭＨｚ〜１９１０ＭＨｚ、受信帯域が１９３０ＭＨｚ〜１９９０ＭＨｚと、送受信の間隔(Guard-band)が２０ＭＨｚしかなく、これはキャリア周波数のわずか１％にしか相当しない。この２０ＭＨｚの中に、温度変化に伴う周波数変化量や製造ばらつきを考慮した上で、フィルタの急峻さ(roll-off)を収める必要があるため、できる限り急峻な特性をもつフィルタが求められる。

受信側フィルタの場合は、通過帯域内では低い挿入損失(例えば３．０ｄＢ)が求められ、相手側の周波数帯域（送信側フィルタの通過帯域）では高い減衰量（例えば５０ｄＢ）が求められる。よって、１９３０ＭＨｚから１９１０ＭＨｚにかけて３．０ｄＢから５０ｄＢまで減衰を確保する急峻性が必要である。実際には、温度変化に伴う周波数変化量や製造ばらつきを考慮する必要があるため、３．０ｄＢから５０ｄＢまで遷移する周波数幅は１０ＭＨｚ程度であることが望ましい。これは送信側フィルタの場合も同様である。図２に受信側フィルタ特性の概略図を示す。
特開２００２−３５９５３９号公報（公開日：２００２年１２月１３日）

しかしながら、特許文献１に記載されているような、従来のラダー型圧電薄膜フィルタでは、上記のような急峻性を実現することが困難であった。

ラダー型圧電薄膜フィルタにおいて、通過帯域低域側の急峻性は、並列共振子の共振点と反共振点の周波数間隔によって決まり、通過帯域高域側の急峻性は、並列共振子の共振点と反共振点の周波数間隔によって決まる。よって、並列共振子又は直列共振子の共振点と反共振点の周波数間隔を狭くすることで、通過帯域低域側又は高域側の急峻性を改善することができる。

特許文献１に記載されている、ラダー型圧電薄膜フィルタは、基本波を用いる圧電薄膜共振子で構成されている。基本波を用いる圧電薄膜共振子は電気機械結合係数ｋ²が大きいため、圧電薄膜共振子の共振点と反共振点の周波数間隔を狭くすることが困難であり、急峻性を改善することは困難であったという問題を生じている。

本発明の圧電薄膜フィルタは、以上の課題を解決するために、基板と、基板から音響的に分離されている、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する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複数の圧電薄膜共振子を、直列共振子及び並列共振子として、それぞれラダー型に配置してなる、圧電薄膜フィルタであって、前記直列共振子と並列共振子との電気機械結合係数ｋ²が互いに異なることを特徴としている。

上記構成によれば、前記直列共振子と並列共振子との電気機械結合係数ｋ²を互いに異ならせる、つまり、並列共振子となる圧電薄膜共振子の電気機械結合係数ｋ²を小さくすることによって、並列共振子の共振点と反共振点の周波数間隔が狭くできる。これにより、上記構成は、通過帯域外近傍の低域側の急峻性を改善できる。

また、逆に、直列共振子となる圧電薄膜共振子の電気機械結合係数ｋ²を小さく設定することにより、直列共振子の共振点と反共振点の周波数間隔が狭くできる。これにより、上記構成は、通過帯域外近傍の高域側の急峻性を改善できる。

本発明の他の圧電薄膜フィルタは、以上の課題を解決するために、基板と、基板から音響的に分離されている、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する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複数の圧電薄膜共振子を、直列共振子及び並列共振子として、それぞれラダー型に配置してなる、圧電薄膜フィルタであって、直列共振子及び並列共振子の一方にｎ倍波（ｎは正の整数）を主要振動とする圧電薄膜共振子を、直列共振子及び並列共振子の他方に（（ｎ＋１）以上の整数）倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用いることを特徴としている。

上記構成によれば、直列共振子にｎ倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子を、並列共振子に（（ｎ＋１）以上の整数）倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用い、一例として、直列共振子に基本波を主要振動とする圧電薄膜共振子を、並列共振子に２倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用いる。

したがって、上記構成は、ｎ倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子に比べて、（（ｎ＋１）以上の整数）倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子は、電気機械結合係数ｋ²を小さくできて、並列共振子の共振点と反共振点の周波数間隔を狭くできる。これにより、上記構成は、通過帯域外の低域側の急峻性を改善できる。

上記圧電薄膜フィルタにおいては、前記（（ｎ＋１）以上の整数）倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子は、基板と下部電極との間に絶縁膜を有し、該絶縁膜は圧電薄膜と異なる周波数温度係数を有することが好ましい。

上記構成によれば、周波数温度係数の異なる膜を組み合わせて用いることで、温度特性の改善を実現できる。

上記圧電薄膜フィルタでは、前記直列共振子及び並列共振子の上部電極上に、それぞれ同じ材料からなる上部絶縁膜を有してもよい。上記圧電薄膜フィルタにおいては、前記直列共振子及び並列共振子の上部電極上に、それぞれ異なる材料からなる上部絶縁膜を有してもよい。

上記圧電薄膜フィルタでは、前記（（ｎ＋１）以上の整数）倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子は、上部電極上に絶縁膜を有していてもよい。上記圧電薄膜フィルタにおいては、前記絶縁膜は、圧電薄膜と異なる周波数温度係数を有することが望ましい。

上記圧電薄膜フィルタでは、前記上部電極上の絶縁膜と上部電極との間に、中間絶縁膜を有してもよい。上記圧電薄膜フィルタにおいては、上記中間絶縁膜は、ｎ倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子の上部電極上にも形成されていてもよい。

上記圧電薄膜フィルタでは、前記直列共振子及び並列共振子の上部電極上に、それぞれ同じ材料からなる絶縁膜を有し、前記（（ｎ＋１）以上の整数）倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子の上部電極上の絶縁膜は、ｎ倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子の上部電極上の絶縁膜よりも厚いことが好ましい。

本発明の分波器は、前記の課題を解決するために、上記のいずれかに記載の圧電薄膜フィルタを用いたことを特徴としている。

本発明の通信機は、前記の課題を解決するために、上記のいずれかに記載の圧電薄膜フィルタ、又は上記の分波器を用いたことを特徴としている。

本発明の圧電薄膜フィルタは、以上のように、ラダー型に配置される直列共振子と並列共振子において、直列共振子と並列共振子との電気機械結合係数ｋ²が互いに異なる構成である。

それゆえ、上記構成は、電気機械結合係数ｋ²を互いに異ならせることで、共振子の共振点と反共振点の周波数間隔を制御して、通過帯域外近傍の高域又は低域側の急峻性を改善できるから、分波器に用いた場合、受信側及び受信側の相互間のアイソレーション特性を向上できて、上記分波器を通信機に用いた際の伝送特性を改善できる。

本発明の他の圧電薄膜フィルタは、以上のように、直列共振子及び並列共振子の一方にｎ倍波（ｎは正の整数）を主要振動とする圧電薄膜共振子を、他方に（（ｎ＋１）以上の整数）倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用いる構成である。

それゆえ、上記構成は、直列共振子及び並列共振子との間にて、主要振動を相違させることにより、共振子の共振点と反共振点の周波数間隔を制御して、通過帯域外近傍の高域又は低域側の急峻性を改善できるから、分波器に用いた場合、受信側及び受信側の相互間のアイソレーション特性を向上できて、上記分波器を通信機に用いた際の伝送特性を改善できる。

本発明の実施の各形態について図１ないし図１５に基づいて説明すれば、以下の通りである。

（実施の第１形態）
図１に、本発明の圧電薄膜フィルタに係る、実施の第１形態におけるラダー型圧電薄膜フィルタを示す。本実施の形態では、上記ラダー型圧電薄膜フィルタは、上記通過帯域が１９３０ＭＨｚ〜１９９０ＭＨｚである、ＰＣＳ用受信側フィルタを構成している。

図１（ａ）に示すように、本実施の形態のラダー型圧電薄膜フィルタは、複数の圧電共振子を、例えばπ型のラダー型にそれぞれ配置したものであり、信号経路上に配置される直列共振子１２と、信号経路とアース側との間に配置される並列共振子１１とを有している。

上記ラダー型圧電薄膜フィルタは、図１（ｂ）に示す、次のような構造を有する。並列共振子１１は、開口部１ａを有するＳｉ基板１において、該開口部１ａ上に形成されたＳｉＯ₂からなる絶縁膜２と、絶縁膜２上にＡｌからなる下部電極３、ＡｌＮからなる圧電薄膜４、Ａｌからなる上部電極５ａを順に形成してなる構造を有しており、２倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子である。

一方、直列共振子１２は、開口部１ａを有するＳｉ基板１において、該開口部１ａ上に形成された、Ａｌからなる下部電極３、ＡｌＮからなる圧電薄膜４、Ａｌからなる上部電極５ｂを順に形成してなる構造を有しており、基本波を主要振動とする圧電薄膜共振子である。並列共振子１１や直列共振子１２では、開口部１ａ上の、圧電薄膜４を挟む下部電極３及び上部電極５ａ、５ｂの部分が振動部（ダイヤフラム）を形成している。このような開口部１ａ又は後述する凹部上に振動部を形成することで、振動部は、Ｓｉ基板１から音響的に分離されていることになる。

本実施の形態の構造では、直列共振子１２と並列共振子１１の共振周波数差は、絶縁膜２で実現することができる。よって、下部電極３及び各上部電極５ａ、５ｂ、圧電薄膜４の膜厚はすべて同じに設定できるため同一工程で作製できるので、製造が容易である。

並列共振子１１のＳｉＯ₂からなる絶縁膜２は、Ｓｉ基板１を熱酸化等で酸化することで形成しても、スパッタリングによる成膜で形成してもよい。また、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜２に代えて、ＳｉＯ₂とＡｌＮの積層膜、ＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃の積層膜を絶縁膜２として用いてもよい。

また、本実施の形態では、ＡｌＮからなる圧電薄膜４を用いているが、本発明はこれに限らず、ＺｎＯからなる圧電薄膜を用いてもよい。さらに、本実施の形態では、Ａｌからなる電極３、５ａ、５ｂを用いているが、本発明はこれに限らず、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、又はそれらの合金を用いてもよい。

また、図１（ｂ）では、並列共振子１１のみにＳｉＯ₂からなる絶縁膜２が形成されているが、直列共振子１２においても同様の絶縁膜を形成してもよい。

その上、図１（ｂ）の構造において、並列共振子１１及び直列共振子１２の各上部電極５ａ、５ｂの上に、それぞれ同一材料からなる上部絶縁膜を更に形成してもよい。この上部絶縁膜をエッチングすることで、直列共振子及び並列共振子の周波数調整、つまり、ラダー型圧電薄膜フィルタの周波数調整を行なうことができる。

また、図１（ｂ）の構造において、並列共振子１１及び直列共振子１２の各上部電極５ａ、５ｂの上に、それぞれエッチングレートの異なる材料からなる上部絶縁膜を更に形成してもよい。この異なる材料からなる上部絶縁膜をエッチングすることで、直列共振子１２及び並列共振子１１の一方のみの周波数調整を行なうことができる。

本発明の実施の第１形態におけるラダー型圧電薄膜フィルタの特徴は、並列共振子１１には相対的に共振点と反共振点の周波数間隔が狭い２倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用い、直列共振子１２には相対的に共振点と反共振点の周波数間隔が広い基本波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用いることである。

本実施の形態では、並列共振子１１が２倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子であるため、振動のエネルギーが圧電薄膜４の外(ここでは絶縁膜２)にも伝わるため、並列共振子１１の電気機械結合係数ｋ²が小さくなり、共振点と反共振点の周波数間隔を狭くすることができる。これにより、通過帯域低域側の減衰量を急峻なものとすることができる。

なお、２倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子である並列共振子１１では、２倍波と共に基本波も振動しているが、その周波数は主要振動である２倍波の周波数よりも、はるかに低い周波数であるため、ラダー型圧電薄膜フィルタの周波数特性上問題とはならない。

また、本実施の形態では、並列共振子１１は、負の周波数温度係数を持つＡｌＮからなる圧電薄膜４と正の周波数温度係数を持つＳｉＯ₂からなる絶縁膜２というように、互いに周波数温度係数が相違する、より好ましくは互いに相殺する組み合わせにて構成されているため、温度変化による周波数変化量を小さくでき、特に通過帯域低域側の温度特性を良好なものにすることができる。

なお、Ｓｉ基板１を酸化したＳｉＯ₂膜の周波数温度係数は、スパッタで成膜したＳｉＯ₂の周波数温度係数の約５倍であることが実験的に判明している。ＡｌＮの負の周波数温度係数を打ち消し、より温度特性を良好なものとするためには、スパッタで成膜したＳｉＯ₂では不十分な場合があるため、熱酸化で形成したＳｉＯ₂、又は、スパッタで成膜したＳｉＯ₂と熱酸化で形成したＳｉＯ₂の積層膜を用いることが好ましい。

上記のような、通過帯域低域側における良好な急峻性と温度特性とを有するラダー型圧電薄膜フィルタは、分波器における、受信側フィルタ（相対的に周波数の高い側のフィルタ）として用いることが好適である。

図３に、本実施の形態のラダー型圧電薄膜フィルタにおける通過帯域低域側の周波数特性を示す。本実施の形態のラダー型圧電薄膜フィルタは、並列共振子１１の共振点と反共振点の周波数間隔が３２ＭＨｚ、直列共振子１２の共振点と反共振点の周波数間隔が５２ＭＨｚである。

なお、図３に、比較例１として、従来の構造である、直列共振子及び並列共振子が共に基本波を主要振動とする圧電薄膜共振子であり、直列共振子及び並列共振子の共振点と反共振点の周波数間隔が共に５２ＭＨｚであり、本実施の形態と同様に、通過帯域が１９３０ＭＨｚ〜１９９０ＭＨｚのラダー型圧電薄膜フィルタの特性も合わせて示す。

比較例１のラダー型圧電薄膜フィルタは、直列共振子及び並列共振子が共に、開口部を有する基板において、該開口部上に形成された、Ａｌからなる下部電極、ＡｌＮからなる圧電薄膜、Ａｌからなる上部電極を順に形成してなる構造を有している。

ここで、急峻性を示す特性として、フィルタのroll-offを測定した。ここで、roll-offとは、挿入損失が３．０ｄＢから５０ｄＢまで遷移するのに必要な周波数（freq.）の幅と定義し、roll-offが小さいほど、急峻な特性となる。

図３から明らかなように、比較例１では、roll-offが１８ＭＨｚであるのに対して、本実施の形態では、roll-offが１５ＭＨｚとなっており、roll-offが小さくなっている、つまり、通過帯域低域側の周波数特性が急峻になっていることが分かる。

また、図４に、本実施の形態のラダー型圧電薄膜フィルタにおける通過帯域の周波数特性を示す。本実施の形態のラダー型圧電薄膜フィルタは、図３の場合と同様に、並列共振子１１の共振点と反共振点の周波数間隔が３２ＭＨｚ、直列共振子１２の共振点と反共振点の周波数間隔が５２ＭＨｚである。

なお、図４に、比較例２として、直列共振子及び並列共振子が共に２倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子であり、直列共振子及び並列共振子の共振点と反共振点の周波数間隔が共に３２ＭＨｚであるラダー型圧電薄膜フィルタの特性も合わせて示す。

比較例２のラダー型圧電薄膜フィルタは、直列共振子及び並列共振子が共に、開口部を有する基板において、該開口部上に形成されたＳｉＯ₂からなる絶縁膜と、絶縁膜上にＡｌからなる下部電極、ＡｌＮからなる圧電薄膜、Ａｌからなる上部電極を順に形成してなる構造を有している。なお、比較例２も、前述の比較例１と同じく、通過帯域が１９３０ＭＨｚ〜１９９０ＭＨｚである。

図４から明らかなように、比較例２では、通過帯域の低域側及び高域側の双方において良好な急峻性が得られるものの、通過帯域内の中央部分で挿入損失が悪化し凹みが発生し、特性が悪化している。これは、急峻性を改善するために、直列共振子と並列共振とにおいて、共に、共振子の電気機械結合係数ｋ²が小さくなり、共振点と反共振点の周波数間隔が狭い２倍波の圧電薄膜共振子を用いたことによる。この凹みの発生した原理について、図３、図４を参照しつつ、本実施の形態及び比較例１、２の構造の相違による要因と共に説明する。

通常、ラダー型フィルタでは、並列共振子の反共振点と直列共振子の共振点を一致させた上で、並列共振子の共振点が通過帯域低域側の減衰極を、直列共振子の反共振点が通過帯域高域側の減衰極をそれぞれ形成して、バンドパスフィルタが形成される。

比較例１では、基本波を主要振動とするため、電気機械結合係数ｋ²が大きく、共振点と反共振点の周波数間隔が広い圧電薄膜共振子を、直列共振子及び並列共振子に用いている。そのため、並列共振子の反共振点と直列共振子の共振点を一致させてラダー型フィルタが構成されている。そのため、通過帯域幅及び通過帯域内の挿入損失は問題ないが、通過帯域の低域側及び高域側双方の急峻性は不十分な特性となっている。

一方、比較例２では、２倍波を主要振動とするため、電気機械結合係数ｋ²が小さく、共振点と反共振点の周波数間隔が狭い圧電薄膜共振子を、直列共振子及び並列共振子に用いている。このような構成で、比較例１と同様の通過帯域幅を実現するためには、並列共振子の反共振点と直列共振子の共振点を一致させず、並列共振子の反共振点と、直列共振子の共振点との周波数差を大きくすることが必要となる。

これにより、通過帯域の中央部分で挿入損失が悪化し凹みが発生し、特性が悪化することになる。なお、比較例２のような構成において、通過帯域内の挿入損失の悪化を防ぐために、並列共振子の反共振点と直列共振子の共振点を一致させると、圧電薄膜共振子の共振点と反共振点の周波数間隔が狭いため、通過帯域幅が非常に狭くなってしまう。

よって、比較例１、２では、所望の通過帯域幅、通過帯域内の挿入損失、通過帯域外の減衰量の急峻性の全てにおいて十分な特性を実現することはできない。

一方、本実施の形態では、通過帯域の低域側の急峻性を良好なものとするために、２倍波を主要振動とするため、電気機械結合係数ｋ²が小さく、共振点と反共振点の周波数間隔が狭い圧電薄膜共振子を並列共振子１１に、基本波を主要振動とするため、電気機械結合係数ｋ²が大きく、共振点と反共振点の周波数間隔が広い圧電薄膜共振子を、直列共振子１２に用いている。

このような構成で、比較例１と同様の通過帯域幅を実現するためには、並列共振子１１の反共振点を直列共振子１２の共振点より周波数の低い側に若干シフトさせることになる。これにより、本実施の形態では、通過帯域内の中央部分において、挿入損失が特に問題とはならない程度で若干落ち込むものの、所望の通過帯域幅を維持しつつ、通過帯域の低域側の急峻性を良好な圧電薄膜フィルタを実現することができる。

以下、本実施の形態の変形例を示す。図５は、並列共振子１１において、開口部１ａ上にＳｉＯ₂からなる絶縁膜２を形成せず、上部電極５ａの上にＳｉＯ₂からなる上部絶縁膜６を形成した、圧電薄膜フィルタである。この構造では、開口部１ａ上にＳｉＯ₂からなる絶縁膜２を形成していないために、圧電薄膜４や下部電極３に段差が発生しない。よって、ダイヤフラムが割れにくくなり、製造上の歩留まりが向上する。なお、この構造において、開口部１ａ上に、並列共振子１１及び直列共振子１２の双方にまたがるように、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＺｎＯ、ＡｌＮのいずれかからなる薄い絶縁膜（図示せず）を形成してもよい。

図６は、図５に示す変形例において、上部絶縁膜６の下に保護膜７を形成したものである。このような構造にすることで、上部絶縁膜６を、全面に成膜した後にエッチングにより形成する際に、上部絶縁膜６のエッチングでは影響を受けない材料からなる保護膜７とすることで、圧電薄膜４や上部電極５ｂがエッチングによってダメージを受けることを防ぐことができる。また、保護膜７を直列共振子１２及び並列共振子１１の両方上に形成することで、上部絶縁膜６と保護膜７のエッチングレートの差を利用して、直列共振子１２と並列共振子１１とを別々に周波数調整することが可能となる。

図７は、図５に示す変形例において、上部絶縁膜６の上から、全面に保護膜８を形成したものである。このような構造にすることで、上面から保護膜８をエッチングすることにより、直列共振子１２と並列共振子１１を同時に周波数調整し、フィルタ全体としての周波数を所望の値に調整することができる。

なお、本実施の形態では、通過帯域低域側において、良好な急峻性を得るために、並列共振子１１には相対的に共振点と反共振点の周波数間隔が狭い２倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用い、直列共振子１２には相対的に共振点と反共振点の周波数間隔が広い基本波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用いて、圧電薄膜フィルタを構成しているが、本発明はこれに限るものではない。通過帯域高域側において、良好な急峻性を得るために、並列共振子１１には相対的に共振点と反共振点の周波数間隔が広い基本波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用い、直列共振子１２には相対的に共振点と反共振点の周波数間隔が狭い２倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用いて、圧電薄膜フィルタを構成してもよい。

上記のような、通過帯域高域側における良好な急峻性を有するラダー型圧電薄膜フィルタは、分波器における、送信側フィルタ（相対的に周波数の低い側のフィルタ）として用いることが好適である。

また、本実施の形態では、通過帯域低域側において、良好な急峻性を得るために、並列共振子１１には相対的に共振点と反共振点の周波数間隔が狭い２倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用い、直列共振子１２には相対的に共振点と反共振点の周波数間隔が広い基本波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用いて、圧電薄膜フィルタを構成しているが、本発明は、これに限らず、並列共振子１１には（ｎ＋１）次以上（ｎは正の整数）の高次モードを主要振動とする圧電薄膜共振子を用い、直列共振子１２にはｎ次モードを主要振動とする圧電薄膜共振子を用いて、圧電薄膜フィルタを構成してもよい。並列共振子１１に、直列共振子１２よりも高次なモードを主要振動とする圧電薄膜共振子、つまり、電気機械結合係数ｋ²が小さい圧電薄膜共振子を用いることで、通過帯域低域側において、良好な急峻性を得ることができる。

更に、通過帯域高域側において、良好な急峻性を得るために、並列共振子１１にはｎ次モードを主要振動とする圧電薄膜共振子を用い、直列共振子１２には（ｎ＋１）次以上の高次モードを主要振動とする圧電薄膜共振子を用いて、圧電薄膜フィルタを構成してもよい。直列共振子１２に、並列共振子１１よりも高次なモードを主要振動とする圧電薄膜共振子、つまり、電気機械結合係数ｋ²が小さい圧電薄膜共振子を用いることで、通過帯域高域側において、良好な急峻性を得ることができる。

なお、上記実施の形態では、ラダー型圧電薄膜フィルタとして、π型の例を挙げたが、上記限定されず、例えば、図８に示すように、Ｔ型、Ｌ型でもよく、またそれらを組み合わせたり、さらに複数組み合わせたりしてもよい。

また、上記ラダー型圧電薄膜フィルタでは、Ｓｉ基板１を厚さ方向に貫通する開口部１ａを設けた例を挙げたが、振動部の振動を阻害しないものであればよく、開口部１ａに代えて、振動部に面する位置に凹部をＳｉ基板１に形成してもよい。

（実施の第２形態）
本発明に係る実施の第２形態としての分波器は、図９に示すように、アンテナ（Ａｎｔ）端子３３と、整合回路２２と、送信側フィルタ２５と、受信側フィルタ２６と、送信側（Ｔｘ）端子３１と、受信側（Ｒｘ）端子３２を有している、本実施の形態では、受信側フィルタ２６の通過帯域が１９３０ＭＨｚ〜１９９０ＭＨｚ、送信側フィルタ２５の通過帯域が１８５０ＭＨｚ〜１９１０ＭＨｚである、ＰＣＳ用分波器が構成されている。

本実施の形態の分波器における受信側フィルタ２６は、図１０に示すように、図１に示された実施の第１形態と同様に、２倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子である並列共振子１１、及び、基本波を主要振動とする圧電薄膜共振子である直列共振子１２を組み合わせてなるラダー型圧電薄膜フィルタである。

一方、本実施の形態の分波器における送信側フィルタ２５は、図１とは逆に、基本波を主要振動とする圧電薄膜共振子である並列共振子１１ａ、及び、２倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子である直列共振子１２ａを組み合わせてなるラダー型圧電薄膜フィルタである。

また、送信側フィルタ２５とアンテナ端子３３との間にキャパシタンス２１が直列に挿入されている。上記キャパシタンス２１は、受信側フィルタ２６の通過帯域（１９３０ＭＨｚ〜１９９０ＭＨｚ）にかけての容量性へのシフト量を調節するためのものである。

インダクタンス２２ａ、各キャパシタンス２２ｂ、２２ｃからなる整合回路２２は、受信側フィルタ２６とアンテナ端子３３との間に挿入されている。なお、整合回路２２は上記以外の構成であってもよい。さらに、送信側フィルタ２５の各並列共振子１１ａとアース側との間に、それぞれインダクタンス２３、２４が設けられている。上記インダクタンス２３、２４により、上記送信側フィルタ２５の通過帯域を、特に低域側に伸長させることができる。

このような分波器では、受信側フィルタ２６は、並列共振子１１には相対的に共振点と反共振点の周波数間隔が狭い２倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用い、直列共振子１２には相対的に共振点と反共振点の周波数間隔が広い基本波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用いてなる、ラダー型圧電薄膜フィルタである。これにより、通過帯域外の低域側の急峻性が良好なものとなっている。

一方、送信側フィルタ２５は、並列共振子１１ａには相対的に共振点と反共振点の周波数間隔が広い基本波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用い、直列共振子１２ａには、相対的に共振点と反共振点の周波数間隔が狭い２倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用いてなる、ラダー型圧電薄膜フィルタである。これにより、通過帯域外の高域側の急峻性が良好なものとなっている。

よって、上記分波器は、送信側フィルタ２５及び受信側フィルタ２６において、相手の通過帯域において、それぞれ大きな減衰量を確保できて、相互干渉を抑制でき、良好な特性を有する分波器を実現することができる。

なお、本実施の形態においては、受信側フィルタ２６は、並列共振子１１には相対的に共振点と反共振点の周波数間隔が狭い２倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用い、直列共振子１２には相対的に共振点と反共振点の周波数間隔が広い基本波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用いてなる、ラダー型圧電薄膜フィルタとしたが、本発明はこれに限るものではない。並列共振子１１には（ｎ＋１）次以上の高次モードを主要振動とする圧電薄膜共振子を用い、直列共振子１２にはｎ次モードを主要振動とする圧電薄膜共振子を用いて、圧電薄膜フィルタを構成してもよい。並列共振子１１に、直列共振子１２よりも高次なモードを主要振動とする圧電薄膜共振子、つまり、電気機械結合係数ｋ²が小さい圧電薄膜共振子を用いることで、通過帯域外の低域側において、良好な急峻性を得ることができる。

また、本実施の形態においては、送信側フィルタ２５は、並列共振子１１ａには相対的に共振点と反共振点の周波数間隔が広い基本波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用い、直列共振子１２ａには、相対的に共振点と反共振点の周波数間隔が狭い２倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用いてなる、ラダー型圧電薄膜フィルタとしたが、本発明はこれに限るものではない。

例えば、並列共振子１１ａにはｎ次モードを主要振動とする圧電薄膜共振子を用い、直列共振子１２ａには（ｎ＋１）次以上の高次モードを主要振動とする圧電薄膜共振子を用いて、圧電薄膜フィルタを構成してもよい。直列共振子に、並列共振子よりも高次なモードを主要振動とする圧電薄膜共振子、つまり、電気機械結合係数ｋ²が小さい圧電薄膜共振子を用いることで、通過帯域外の高域側において、良好な急峻性を得ることができる。

上記では、図１０により分波器を示したが、図１０に限定されるものではなく、例えば図１１ないし図１３に示す回路ブロック図にて示される各分波器でもよい。図１２では、各インダクタンス２２ｄ、２２ｅ、キャパシタンス２２ｆからなる他の整合回路２２が設けられている。

本発明のラダー型フィルタを、特に受信用フィルタ２６に用いた、本発明の分波器は、通過帯域外の、通過帯域近傍における減衰特性も良好で、特に通過帯域低域側の減衰量が大きく、通過帯域が広いという優れた特性を有する。

（実施の第３形態）
本発明に係る実施の第３形態の圧電薄膜フィルタは、実施の第１形態に記載の開口部１ａや凹部に代えて、図１４に示すように、Ｓｉ基板１に相当するＳｉ基板４４と、そのＳｉ基板４４上に形成された振動部との間に、音響反射部４３が挿入されている。上記振動部は、前記実施の第１形態と同様な、下部電極３及び上部電極５にて圧電薄膜４を挟んだ部分である。上記振動部上に、上部絶縁膜６をさらに形成してもよい。

音響反射部４３は、音響インピーダンスが互いに異なる、例えば各ＡｌＮ層４３ａ、４３ｃ、各ＳｉＯ２層４３ｂ、４３ｄを交互に積層したものであり、音響反射率を大きくしたものである。音響反射率を大きくするには、交互に積層する音響インピーダンスの異なる材料において、互いの音響インピーダンスの差が大きい方が望ましい。

このような音響反射部４３を設けた構成とすることで、実施の第１形態と同様に、上記振動部をＳｉ基板４４から音響的に分離した状態を形成できる。加えて、上記構成は、振動部が音響反射部４３の上面に当接して形成されているため、開口部１ａや凹部上に振動部を形成した場合と比べて、振動部強度が向上するから、歩留りや信頼性を改善できると共に、耐電力性も向上できる。

よって、このような圧電薄膜フィルタを、複数、例えばラダー型に組み合わせて、分波器を構成でき、得られた分波器においても、歩留りや信頼性を改善できると共に、耐電力性も向上できる。

（実施の第４形態）
次に、本発明の実施の第４形態となる通信機は、上記実施の第１及び第３形態に記載の各圧電薄膜フィルタのいずれか、もしくは上記分波器を搭載したものである。上記通信機について図１５に基づき説明する。上記通信機６００は、受信を行うレシーバ側（Ｒｘ側）として、アンテナ６０１、アンテナ共用部／ＲＦＴｏｐフィルタ６０２、アンプ６０３、Ｒｘ段間フィルタ６０４、ミキサ６０５、１ｓｔＩＦフィルタ６０６、ミキサ６０７、２ｎｄＩＦフィルタ６０８、１ｓｔ＋２ｎｄローカルシンセサイザ６１１、ＴＣＸＯ（temperature compensated crystal oscillator（温度補償型水晶発振器））６１２、デバイダ６１３、ローカルフィルタ６１４を備えて構成されている。

Ｒｘ段間フィルタ６０４からミキサ６０５へは、図１５に二本線で示したように、バランス性を確保するために各平衡信号にて送信することが好ましい。

また、上記通信機６００は、送信を行うトランスミッタ側（Ｔｘ側）として、上記アンテナ６０１及び上記アンテナ共用部／ＲＦＴｏｐフィルタ６０２を共用するとともに、ＴｘＩＦフィルタ６２１、ミキサ６２２、Ｔｘ段間フィルタ６２３、アンプ６２４、カプラ６２５、アイソレータ６２６、ＡＰＣ（automatic power control （自動出力制御））６２７を備えて構成されている。

そして、上記のＲｘ段間フィルタ６０４、１ｓｔＩＦフィルタ６０６、ＴｘＩＦフィルタ６２１、Ｔｘ段間フィルタ６２３には、上述した本実施の第１及び妥第３の各形態に記載の各圧電薄膜フィルタのいずれかを好適に利用でき、アンテナ共用部／ＲＦＴｏｐフィルタ６０２には、上述した本実施の第２形態に記載の分波器を好適に利用できる。

本発明にかかる圧電薄膜フィルタは、フィルタ機能を備えることができ、その上、通過帯域外の、通過帯域近傍両側における減衰特性も良好で、通過帯域が広いという優れた特性を有するものである。よって、上記圧電薄膜フィルタ、及びそれを用いた分波器を搭載する本発明の通信機は、伝送特性を向上できるものとなっている。

本発明の圧電薄膜フィルタ、それを用いた分波器、及びそれらを搭載する通信機は、通過帯域外の、通過帯域の高域側及び／又は低域側の近傍における減衰特性も良好で、通過帯域が広いという優れた特性を有するので、通信機の伝送特性を向上できて、通信分野に好適に利用できる。

本発明に係る実施の第１形態の圧電薄膜フィルタを示し、（ａ）は回路ブロック図、（ｂ）は要部断面図である。 受信側フィルタの周波数特性を示すグラフである。 上記実施の第１形態と、比較例１との各圧電薄膜フィルタの減衰量を示すグラフである。 上記実施の第１形態と、比較例２との各圧電薄膜フィルタの通過帯域での周波数特性を示すグラフである。 上記実施の第１形態の一変形例を示す要部断面図である。 上記実施の第１形態における、他の変形例を示す要部断面図である。 上記実施の第１形態における、さらに他の変形例を示す要部断面図である。 上記実施の第１形態における、ラダー型の配置の各変形例の回路ブロック図であり、（ａ）はＴ型を示し、（ｂ）はＬ型を示す。 本発明の実施の第２形態としての分波器のブロック図である。 上記分波器の回路図である。 上記分波器の一変形例を示す回路図である。 上記分波器の他の変形例を示す回路図である。 上記分波器のさらに他の変形例を示す回路図である。 本発明の実施の第３形態としての圧電薄膜フィルタの要部断面図である。 本発明の実施の第４形態としての通信機のブロック図である。

符号の説明

１：Ｓｉ基板
１ａ：開口部
３：下部電極
４：圧電薄膜
５ａ：上部電極
１１：並列共振子
１２：直列共振子

Claims (12)

1. 基板と、基板から音響的に分離されている、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する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複数の圧電薄膜共振子を、直列共振子及び並列共振子として、それぞれラダー型に配置してなる、圧電薄膜フィルタであって、
   前記直列共振子と並列共振子との電気機械結合係数ｋ²が互いに異なることを特徴とする、圧電薄膜フィルタ。
2. 基板と、基板から音響的に分離されている、少なくとも１層以上の圧電薄膜を有する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複数の圧電薄膜共振子を、直列共振子及び並列共振子として、それぞれラダー型に配置してなる、圧電薄膜フィルタであって、
   直列共振子及び並列共振子の一方にｎ倍波（ｎは正の整数）を主要振動とする圧電薄膜共振子を、直列共振子及び並列共振子の他方に（（ｎ＋１）以上の整数）倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子を用いることを特徴とする、圧電薄膜フィルタ。
3. 前記（（ｎ＋１）以上の整数）倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子は、基板と下部電極との間に絶縁膜を有し、該絶縁膜は圧電薄膜と異なる周波数温度係数を有することを特徴とする、請求項２に記載の圧電薄膜フィルタ。
4. 前記直列共振子及び並列共振子の上部電極上に、それぞれ同じ材料からなる上部絶縁膜を有することを特徴とする、請求項１ないし３の何れか１項に記載の圧電薄膜フィルタ。
5. 前記直列共振子及び並列共振子の上部電極上に、それぞれ異なる材料からなる上部絶縁膜を有することを特徴とする、請求項１ないし３の何れか１項に記載の圧電薄膜フィルタ。
6. 前記（（ｎ＋１）以上の整数）倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子は、上部電極上に絶縁膜を有することを特徴とする、請求項２に記載の圧電薄膜フィルタ。
7. 前記絶縁膜は、圧電薄膜と異なる周波数温度係数を有することを特徴とする、請求項６に記載の圧電薄膜フィルタ。
8. 前記上部電極上の絶縁膜と上部電極との間に、中間絶縁膜を有することを特徴とする、請求項６又は７に記載の圧電薄膜フィルタ。
9. 上記中間絶縁膜は、ｎ倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子の上部電極上にも形成されていることを特徴とする、請求項８に記載の圧電薄膜フィルタ。
10. 前記直列共振子及び並列共振子の上部電極上に、それぞれ同じ材料からなる絶縁膜を有し、
    前記（（ｎ＋１）以上の整数）倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子の上部電極上の絶縁膜は、ｎ倍波を主要振動とする圧電薄膜共振子の上部電極上の絶縁膜よりも厚いことを特徴とする、請求項２に記載の圧電薄膜フィルタ。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の圧電薄膜フィルタを用いたことを特徴とする、分波器。
12. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の圧電薄膜フィルタ、又は請求項１１に記載の分波器を用いたことを特徴とする、通信機。

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