JP2005318547A - バルク波デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】
最近の携帯電話機の使用周波数帯域の広域化に対応可能なバンドパスフィルタとして使用できるバルク波デバイスを提供する。
【解決手段】
上面に空隙部を有した基盤の前記空隙部を跨いで圧電体薄膜を架設し、圧電体薄膜の上面には、入力側電極と、出力側電極とが、合わせて３つ以上、間隔をあけて交互に配置される形になるように成膜し、下面には全面電極を成膜する。これにより基本モードと、電極数に対応した高次モードの弾性波が励振され、二つのモードの周波数特性を合成することにより、周波数帯域を広げる。
【選択図】図３

Description

本発明は、バルク波デバイスに関し、特に周波数特性の改善されたバルク波デバイスに関する。

物質表面でなく、物質全体の領域内で生ずる弾性波を弾性バルク波と呼び、そのような弾性波を利用する素子を弾性バルク波デバイスもしくはバルク波デバイスと称している。そして、薄膜技術で作成されるものを薄膜型バルク波デバイスと呼んでいる。バルク波デバイスとしては、共振器、フィルタなどがあることは良く知られている。特許文献１には、高周波共振器として動作する薄膜型バルク波デバイスが開示されている。また、薄膜型バルク波デバイスの原理や特徴は非特許文献１に記されている。

この種の薄膜型バルク波デバイスは、特にバンドパスフィルタとして、携帯電話機の高周波回路に用いられる。
従来のバンドパスフィルタを図１３に示す。このデバイスは空隙１３０４を形成した基板１３００の上に、圧電体薄膜１３０１を、前記空隙１３０４を跨ぐ状態で配置してなる。圧電体薄膜１３０１の裏面には全面電極１３０６が形成され、表面には左右一対の電極１３０２、１３０３が形成されている。一方の電極１３０２には入力信号が印加され、他方の電極１３０３は、出力回路に接続されている。また、全面電極１３０６は支持薄膜１３０５を介して基板１３００上に形成されている。

このバンドパスフィルタは、圧電体薄膜１３０１の寸法、電極数などにより一義的に定まる周波数特性を持つ。入力側電極１３０２にアンテナからの受信信号を供給すると、その信号の中から、バンドパスフィルタの周波数特性の通過帯域にある信号成分だけが選択的に通過され、出力側電極１３０３を通じて出力回路に与えられる。
特開平３−９６００５号公報 『弾性波素子技術ハンドブック』日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会編 平成３年 オーム社 II編３章１２５乃至１２８頁

ところで、最近の携帯電話機は、使用周波数が数ＧＨｚと高域化していると共に、通話帯域が広域化する傾向にあり、これまでのバンドパスフィルタでは、十分な帯域の確保ができないという問題がある。
この場合、複数の共振器を組み合わせて広帯域のバンドパスフィルタを設計することも可能であるが、使用部品数の増大に伴い、コストアップ並びに設置面積の大面積化が避けられず、軽量小型が要求される携帯電話機においては到底容認されないものである。

以上は、バンドパスフィルタを例に挙げて課題を述べたが、バンドエリミネーションフィルタ、その他、広域な周波数特性が要求されるデバイスに共通した課題である。
本発明は、上記課題に鑑み、小面積で、低コストでありながら、広帯域な周波数特性を持った新規バルク波デバイスを提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明に係るバルク波デバイスは、圧電体薄膜の少なくとも一方の主面に、入力電極と、出力電極とが、合計３つ以上、間隔をあけて配置された共振体構造を有し、前記入出力電極のうちの少なくとも１は、前記共振体の高次共振モードにおける弾性波の腹部分が存する前記圧電体薄膜上の部位に、配置されてなることを特徴としている。

上述のような構成によって、前記圧電体薄膜の端を節とする、基本モードと分割された電極の数ｎ（ｎは３以上）に対応したｎ次モードとの両方の弾性波が励振され、二つのモードの周波数特性を合成した周波数特性を持つバルク波デバイスを構成でき、従来のフィルタよりも広い周波数帯域をもたせることができる。また、一つの部品として構成できるので省スペース、低コスト化につながる。

また、前記入力電極と前記出力電極は、前記圧電体薄膜の主面に沿った少なくとも一方向において、交互に配置されている
これにより、電極を一次元的に配置し、圧電体薄膜において効率良く一方向のｎ次モードの弾性波を励振することができる。
また、前記入力電極と前記出力電極は、碁盤目状に、かつその行方向及び列方向において交互に配置されていることとしてもよい。

これにより、電極を二次元的に配置し、圧電体薄膜において少なくとも２方向の弾性波を励振することができる。
また、前記圧電体薄膜上に円形の電極を中心に、その周囲に円環状の電極が２以上同心円上に配置され、前記円形の電極と前記円環状の電極とは前記入力電極と前記出力電極のいずれかであり、前記入力電極と前記出力電極は、交互に配置されていることとしてもよい。

これにより、圧電体薄膜において波紋型の弾性波を励振できる。

以下、本発明に係るバルク波デバイスの実施の形態について図面を用いて説明する。
＜実施の形態１＞
図１は、入出力が非平衡なバルク波デバイスの斜視図である。
バルク波デバイスは、図示するように、例えばＳｉからなる基板１００上に、ＳｉＯ_２等からなる支持薄膜１０１を介して圧電体薄膜１０２を配置した構成をしている。圧電体薄膜１０２は、例えば窒化アルミニウムからなる、厚み、約１μｍ、幅、１００μｍのサイズのものを用いている。支持薄膜１０１の上面上には下部電極１１０が、圧電体薄膜１０２の上面上には上部入力側電極１２１、上部出力側電極１２２が形成されている。

前記上部各電極１２１、１２２は、図２に示すように圧電体薄膜１０２上の所定の方向に交互に等間隔に並ぶ状態で、複数（図示例では７）個形成されている。そして、上部入力側電極１２１…同士、出力側電極１２２…同士が個別に、引き出し電極１２３、１２４に接続され、基板端部へ引き出されている。
基板１００上には、図３に１０３で示すように、空隙部が穿設されている。空隙部１０３は、圧電体薄膜１０２の励振時の振動を許容するためのもので、圧電体薄膜の全長より若干短い幅で形成されている。その結果、圧電体薄膜１０２の両端１０２ａ、１０２ｂは、図３からも看取されるように基板１００上に載置される。圧電体薄膜１０２が基板１００上に載置されると、圧電体薄膜１０２は、空隙部１０３の両端１００ａ、１００ｂ上の領域を節とした振動モードで振動することになる。

ここで、上記バルク波デバイスを作成する手法を簡単に説明する。先ず、基板１００上の空隙部１０３内に犠牲層を設け、基板１００及び犠牲層の上面に支持薄膜１０１を蒸着し、当該支持薄膜１０１の上に下部電極１１０を蒸着する。更にその上に圧電体薄膜１０２を蒸着し、当該圧電体薄膜１０２の上には上部入力側電極１２１と、上部出力側電極１２２を蒸着する。その後、エッチング液注入孔１３０からエッチング液を注入することにより、犠牲層を溶解し、空隙部１０３を形成することによって作成することができる。

上部入力側電極１２１には、例えば、携帯電話機でアンテナフィルタとして使用する場合にはアンテナからの信号線が接続され、下部電極１１０は接地される。また、上部出力側電極１２２と下部電極１１０は、受信回路あるいは送信回路に接続されている。上部入力側電極１２１と下部電極１１０間にアンテナからの電気信号が入力されると、圧電体薄膜１０２に弾性波が発生する。

圧電体薄膜１０２には、複数の振動モードがあり、この構成にすることにより、基本モードと７次モードの弾性波が励振されやすくなる。基本モードの共振周波数が基本共振周波数となる。
図４は、圧電体薄膜１０２における電極の配置と弾性波の振動モードとを模式的に示す図である。図４（ａ）には、基本モードの弾性波の波形４０１ａ、４０１ｂを示しており、４０１ｂは４０１ａの半周期後の波形を示している。図４（ｂ）には、７次モードの弾性波の波形４０２ａ、４０２ｂを示しており、４０２ｂは４０２ａの半周期後の波形を示している。７次モードの弾性波は、その弾性波の山谷の腹部分に電極が配されている形になる。

基本モードと７次モードの周波数特性は異なり、基本モードの周波数特性よりも高次モードの周波数特性の方が、周波数帯域が高くなる。このとき二つのモードの周波数特性が合成され、当該バルク波デバイスの周波数特性は二つのモードの周波数特性を結合させたようになる。
図５は従来のバンドパスフィルタと本発明のバルク波デバイスの周波数特性の比較図である。従来のバンドパスフィルタは基本モードと２次モードしか使用しておらず、従来のバンドパスフィルタよりも本発明のバルク波デバイスの方が、周波数特性の帯域幅が広がる。当該バルク波デバイスの周波数特性は、実線５０３で表され、破線５００の方が従来のモード結合型フィルタの周波数特性である。また、破線５０１は本発明のバルク波デバイスの基本モードの周波数特性であり、破線５０２は７次モードの周波数特性である。同図のように、例えば利得−３ｄｂにおける帯域幅は、従来のバンドパスフィルタが約１００ＭＨｚであるのに対し、本発明のバルク波デバイスでは約２００ＭＨｚへと周波数帯域幅が広がっていることがわかる。
＜実施の形態２＞
実施の形態１では、入力側電極と出力側電極を交互に１次元方向に配置したが、実施の形態２では入力側電極と出力側電極を２次元的に配置した例を示す。

図７は、そのような電極の配置方法を示している。同図のように、入力側電極７０１…と出力側電極７０２…は行方行、列方向ともに隣り合うように圧電体薄膜７３０上に等間隔に配置される。両電極７０１…、７０２…は同一サイズとしている。図中７２０は、空隙部である。実際の電極配置は図８のように入力側電極７０１…、及び、出力側電極７０２…を接続電極８０１〜８１４により接続している。各入力側電極７０１…や各出力側電極７０２…をつなぐ各接続電極は入力側電極７０１…や出力側電極７０２…と同じ材質で出来ている。そのため圧電体薄膜７３０の励振にできるだけ影響を与えないように、接続電極８１１〜８１４は、なるべく細く小さく形成するようにする。

この構成にすることにより、少なくとも二方向（図７において電極配列の行方向と列方向）に励振される弾性波を活用できるだけでなく、その電極の数を調整することでその弾性波の山谷の腹の部分に電極が配されている形になる所望のモードを励振させ、それにより、所望の帯域幅をもったフィルタの作成を容易にすることができる。
図９は、電極を碁盤目状に配置したときに配列数によって周波数特性が異なることを示した模式的に示した図である。同図において、破線９００は基本モードの周波数特性を示している。また、破線９０１〜９０３は、高次モードの周波数特性を示している。破線９００の基本モードの弾性波と破線９０１〜９０３の何れかの高次モードの弾性波が同一圧電体薄膜上で励振されると複数の振動モードの周波数特性が合成され、バルク波デバイスの周波数特性は実線９０４のようになる。
＜実施の形態３＞
実施の形態３においては、実施の形態１、及び実施の形態２とは異なり、空隙部を用いないバルク波デバイスについて説明する。

圧電体薄膜で励振される弾性波は、弾性体内部を通過する波であり、圧電体薄膜が外気と接する面において反射する。この反射が行われることで圧電体薄膜内部に弾性波が閉じ込められ共振を起こす。実施の形態１及び実施の形態２のバルク波デバイスにおいて空隙部は、圧電体薄膜内で弾性波が共振するように、圧電体薄膜と空隙部とが接する面において弾性波を反射させ、弾性波を圧電体薄膜内部に閉じ込めるために設けられていた。

実施の形態３においては、空隙部を用いずに弾性波の反射を行い、弾性波を圧電体薄膜内部に概ね閉じ込める仕組みを示す。
図１１に実施の形態３に係るバルク波デバイスの断面図を示す。同図からわかるように、空隙部、及び支持薄膜に替えて音響多膜層１１３０が構成されている。音響多層膜１１３０は、音響インピーダンスの低い低インピーダンス材１１３０ａと、音響インピーダンスの高い高インピーダンス材１１３０ｂとが交互に積層されてなる。

各インピーダンス材の厚みはλ／４である。ここで波長λは各インピーダンス材中における固有の音速Ｃを圧電体薄膜１１００の共振周波数ｆで除して得られるもので、インピーダンス材の材質により異なってくる。
低インピーダンス材としては、Au、Mo、W、AlN等を用いる。一方高インピーダンス材としては、Si、SiO_２、ポリシリコン、Al、高分子材料などがある。高インピーダンス材１１３０ｂと低インピーダンス材１１３０ａとは、相対的にその音響インピーダンスが高低の関係になっていれば良いが、低インピーダンス材１１３０ａとしてSiO_２、高インピーダンス材１１３０ｂとしてAlNの組み合わせにするのが好ましい。

図１１に示すように、バルク波デバイスは、基板１１４０上に、高インピーダンス材１１３０ｂと低インピーダンス材１１３０ａとが交互に合計４層になるように、蒸着される。そしてその上に下部電極１１２０が蒸着され、更に下部電極１１２０の上には圧電体薄膜１１００が蒸着されている。そして圧電体薄膜の上には上部入力電極１１１１と上部出力電極１１１２が交互に、それぞれ圧電体薄膜１１００で励振される高次モードの波の山あるいは谷の部分にくるように配置される。この構成にすると実施の形態１及び実施の形態２で空隙部を設けるために行ったエッチングを行う必要が無くなる。エッチングを行うよりも、蒸着を重ねていく方が工程数は増加するものの製法は簡易になる。

圧電体薄膜１１００で励振される共振周波数ｆの弾性波は、その一部が圧電体薄膜１１１０と低インピーダンス材１１３０ａの界面１１５０において、反射され、残りは低インピーダンス材１１３０ａに浸透していく。下部電極１１２０の厚みは圧電体薄膜１１００やインピーダンス材に比して極めて薄いので、ほとんどないものとして扱える。浸透した弾性波は更に低インピーダンス材１１３０ａと高インピーダンス材１１３０ｂの界面１１５１において、その一部が反射され、残りが浸透する。そして浸透した弾性波の一部がやはり界面１１５２で反射され残りが浸透していく。この反射が繰り返されることで、弾性波をほぼ全反射させて圧電体薄膜内に弾性波を閉じ込めることが可能となる。なお、各界面で反射された弾性波は次に衝突した界面において、その一部が反射し、残りが浸透して圧電体薄膜１１００に浸透する。つまり、各界面において一度反射し、その後浸透し続けた弾性波が圧電体薄膜１１００にまで戻り、反射して戻ってきた全ての弾性波が合成されて圧電体薄膜１１００で共振を起こす。

このように低インピーダンス材と高インピーダンス材を交互に重ね合わせた音響多層膜を利用したバルク波デバイスは、ＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）と呼称される。バルク波デバイスをＳＭＲ型で構成したとしても実施の形態１に係るバルク波デバイスと同様の効果を得ることができる。
＜補足＞
以上、上記実施の形態に基づいて本発明に係るバルク波デバイスについて説明してきたが、本発明はこれに限られるものではない。以下、その変形例について述べる。
（１）上記実施の形態では、入出力ともに非平衡型を想定していたため、図１のように下部電極１１０を入出力で共通にしていたが、入力側、若しくは、出力側の端子を平衡型にする場合には、図６のように、上部電極に対向して下部電極も入力用下部電極１１１と出力用下部電極１１２に分割された形状で構成する。なお、上部電極も下部電極も圧電体薄膜に比して極めて薄い。

また、この電極配置を備えるバルク波デバイスにおいても、空隙部を用いないＳＭＲ型で構成することも考えられる。その場合の断面図は、図１２に示すようになる。図からわかるように図６の空隙部並びに支持薄膜が音響多層膜１２３０に替えられている。音響多層膜１２３０の構成については上記実施の形態３に述べた音響多層膜１１３０と同様である。
（２）上記実施の形態では、電気信号と弾性波の結合効率を上げるため、入力側電極と出力側電極を交互に配しているが、交互に配していない場合においても、高次モードの弾性波は励振され得るので、本発明の効果があることは言うまでもない。
（３）上記実施の形態では、基板１００と下部電極１１０の間に支持薄膜１０１を設けたが、バルク波デバイスが使用に耐えるだけの強度を持つならば、支持薄膜１０１を設置する必要はない。
（４）上記実施の形態１では、電極の数を入力用電極と出力用電極あわせて７としたけれども３以上であればいくつでもかまわない。多くすればそれだけ高次モードの励振を起こし、帯域幅を広げることができる。

また、第２の実施例では、電極は３×３の碁盤目状に配置したけれども、ｍ×ｎの配列であれば良く、例えば、２×６や５×５の形に電極を配置しても良い。
（５）上記実施の形態に示した電極パターンの他にも図１０のような電極パターンも考えられる。この場合、電極の中央部を中心とした波紋のような弾性波が励振される。入力側電極１０００…、及び出力側電極１００１…は同心円上に、円形圧電体薄膜１００３の上に成膜されている。空隙部１００２もまた円形であり、円形圧電体薄膜１００３は、下部電極や支持薄膜を介して空隙部１００２を跨ぐように架設されている。入力側電極１０００…同士、出力側電極１００１…同士が個別に引き出し電極１００４、１００５に接続されている。この構成にすることにより、円形圧電体薄膜には角部が存在しないので、電力の不均一な集中が抑えられ、スプリアス特性の発生を解消できる。また、図１０の電極パターンの類型としてこれを円形ではなく矩形にしたものなども考えられる。
（６）上記実施の形態では、空隙部の形状が正方形、円形と対象性が高く、また圧電体薄膜の膜厚が均一であるので、電極は等間隔に配置されているが、空隙部の形状や、薄膜の膜厚などいくつかの要因によっては、電極を等間隔に配置しない場合もある。
（７）上記実施の形態３においては、音響多層膜１１３０は、４層構造にしたが、これは別に何層でもかまわない。低インピーダンス材１１３０ａと高インピーダンス材１１３０ｂを交互に積層していけばいくほど、弾性波の反射率は高くなる。しかし、積層していけばいくほど、その製造工程数が増し、また、バルク波デバイスのサイズも増大するというデメリットもある。よって実際に作成する際にはバルク波デバイスが搭載される装置における設置スペースと、反射率とのトレードオフを考慮して作成することになる。

本発明に係るバルク波デバイスは、共振器やフィルタとして活用することができる。

第一の実施例に係るバルク波デバイスの斜視図である。 第一の実施例に係るバルク波デバイスの平面図である。 第一の実施例に係るバルク波デバイスの断面図である。 圧電体薄膜における電極の配置と弾性波の振動モードとを模式的に示す図である。 従来の薄膜端バルク波デバイスと第一の実施例に係るバルク波デバイスのそれぞれの周波数特性を示した図である。 入出力を平衡とする場合の第一の実施例のバルク波デバイスの断面図である。 第二の実施例に係るバルク波デバイスの平面図である。 本発明に係るバルク波デバイスの第２の実施例の場合の実際の電極配置図である 電極を碁盤目状に配置したときに配列数によって周波数特性が異なることを模式的に示した図である。 本発明に係るバルク波デバイスの別の電極パターンの平面図である。 本発明に係るＳＭＲ型のバルク波デバイスの断面図である。 本発明に係るＳＭＲ型のバルク波デバイスの断面図である。 従来のバンドパスフィルタの断面図である。

符号の説明

１００ 基板
１０１ 支持薄膜
１０２ 圧電体薄膜
１０３ 空隙部
１１０ 下部電極
１２１ 上部入力側電極
１２２ 上部出力側電極

Claims (4)

1. 圧電体薄膜の少なくとも一方の主面に、入力電極と、出力電極とが、合計３つ以上、間隔をあけて配置された共振体構造を有し、
   前記入出力電極のうちの少なくとも１は、前記共振体の高次共振モードにおける弾性波の腹部分が存する前記圧電体薄膜上の部位に、配置されてなる
   ことを特徴とするバルク波デバイス。
2. 前記入力電極と前記出力電極は、
   前記圧電体薄膜の主面に沿った少なくとも一方向において、交互に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載のバルク波デバイス。
3. 前記入力電極と前記出力電極は、
   碁盤目状に、かつその行方向及び列方向において交互に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載のバルク波デバイス。
4. 前記圧電体薄膜上に円形の電極を中心に、その周囲に円環状の電極が２以上同心円上に配置され、前記円形の電極と前記円環状の電極とは前記入力電極と前記出力電極のいずれかであり、
   前記入力電極と前記出力電極は、交互に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載のバルク波デバイス。

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