JP2006041692A

JP2006041692A - 弾性表面波デバイス

Info

Publication number: JP2006041692A
Application number: JP2004215592A
Authority: JP
Inventors: Akinori Yamada; 明法山田
Original assignee: Miyazaki Epson Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】ＳＨ型弾性表面波デバイスの挿入損失に関し、最適化電極膜厚を得る。
【解決手段】オイラー角（０°，１１０°〜１５０°，９０°±２°）の水晶基板上にアルミニウムを主成分とする合金のＩＤＴ電極及びグレーティング反射器を複数個備えたＳＨ型弾性表面波デバイスであって、前記ＩＤＴ電極及びグレーティング反射器の実効膜厚Ｈ＝Ｈ_０・２Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）（Ｈ_０は規格化膜厚、Ｌはライン幅、Ｓはスペース幅）が３％λから４．５％λ（λは波長）の範囲にあるように設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性表面波デバイスに関し、特にＳＴカット水晶基板上をＺ’軸方向に伝搬するＳＨ型弾性表面波デバイスの電極膜厚の最適化に関するものである。

近年、弾性表面波デバイスは通信分野で広く利用され、高性能、小型、量産性等の優れた特徴を有することから特に携帯電話機等に多く用いられている。
ＳＴカット水晶基板上をＸ軸方向に伝搬する弾性表面波（レイリー波）を用いた狭帯域の共振器型フィルタが使用されている。図４は１次モードと２次モードとを用いた横結合型二重モードＳＡＷフィルタの構成を示す平面図であって、ＳＴカット水晶基板１１の主表面上に２つのＩＤＴ電極１２、１３をこれらが励起する弾性表面波の伝搬方向と直交する方向に近接配置すると共に、併置したＩＤＴ電極１２、１３の両側にグレーティング反射器（以下、反射器と称す）１４ａ、１４ｂを配設して、横結合型二重モードＳＡＷフィルタを構成する。

ＩＤＴ電極１２、１３はそれぞれ互いに間挿し合う複数本の電極指を有する一対の櫛形電極により形成され、ＩＤＴ電極１２の一方の櫛形電極は入力端子ＩＮ１に接続すると共に、他方の櫛形電極は入力端子ＩＮ２に接続する。さらに、ＩＤＴ電極１３の一方の櫛形電極は出力端子ＯＵＴ１に接続すると共に、他方の櫛形電極はＯＵＴ２に接続して横結合型二重モードＳＡＷフィルタを構成する。

ＩＤＴ電極１２、１３で励起された弾性表面波は反射器１４ａ、１４ｂの間で音響結合が生じ、その内ＩＤＴ電極パターンにより表面波の伝搬方向と直交する方向に、振動変位分布が対称な１次モード（共振周波数ｆ１）と、反対称な２次モード（共振周波数ｆ２）とが強勢に励振され、適当な終端を施すことにより横結合型二重モードＳＡＷフィルタとして動作し、その帯域幅は（f2−f1）に比例することがよく知られている。

しかし、ＳＴカット水晶基板に励起されるレイリー波を用いたＳＡＷデバイスの電気機械結合係数は小さく、例えばＳＡＷフィルタを構成すると帯域幅が制限されるという問題と、反射係数が小さいため反射器の本数を多く必要とするという問題があった。これを解決するためにＳＴカット水晶基板上をＺ’軸方向に伝搬するＳＨ波を用いた弾性表面波デバイスが発明された。ＳＨ型弾性表面波の伝搬速度は、レイリー波のそれよりも約１．６倍と速く高周波化に適している。特開２００２−３３００５１号公報にはオイラー角(０°,１１０°〜１５０°，９０°±２°)、ＳＴカット９０°Ｘ軸伝搬の水晶基板（回転角では２０〜６０°回転Ｙ板）に電極材料としてアルミニウムを用いた場合、電極の膜厚の変化に対する伝搬速度の変化の割合が小さいこと、電気機械結合係数がレイリー波のそれに比べて１．５倍以上大きいこと、反射器１本当たりの反射係数が３０％を超えるようになり、数本の反射器で十分な反射率を確保できると記されている。

図５は上記公報に開示されている縦結合共振子フィルタの構成を示す図で、オイラー角(０°,１１０°〜１５０°，９０°±２°)、ＳＴカット９０°Ｘ軸伝搬の水晶基板（回転角では２０〜６０°回転Ｙ板）２１上にＳＨ波を励振する２つのＩＤＴ電極２２、２３を近接して配置し、これらの両側にＳＨ波を反射する２つの反射器２４ａ、２４ｂを配設して縦結合共振子フィルタ（縦結合二重モードＳＡＷフィルタ）を構成している。電極パターンにはアルミニウムを主とした電極材料を用い、その規格化膜厚Ｈ／λ（Ｈは電極膜厚、λはＳＨ型弾性表面波の波長）は０．０２５から０．１３５となるように構成すると記されている。
特開２００２−３３００５１号公報

特開２００２−３３００５１号公報の請求項には規格化膜厚Ｈ／λとして、０．０２５〜０．１３５の範囲にあること、または０．０４５〜０．０９５の範囲にあること、または０．０６以上であることを特徴とする表面波装置であると記されている。しかしながら、オイラー角(０°,１２６°，９０°)のＳＴカット水晶基板上に励起されるＳＨ型弾性表面波を用いて、図５に示した縦結合二重モードＳＡＷフィルタを試作し、フィルタ特性を測定したところ、特開２００２−３３００５１号公報に記されている規格化膜厚Ｈ／λの０．０２５〜０．１３５の範囲では必ずしも最適のフィルタ特性が得られないという問題があった。

本発明は、ＳＨ型弾性表面波デバイスの電極膜厚を最適化するため、オイラー角（０°，１１０°〜１５０°，９０°±２°）の水晶基板上にアルミニウムを主成分とする合金のＩＤＴ電極及びグレーティング反射器を複数個備えたＳＨ型弾性表面波デバイスであって、前記ＩＤＴ電極及びグレーティング反射器の実効膜厚Ｈ＝Ｈ_０・２Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）（Ｈ_０は規格化膜厚、Ｌはライン幅、Ｓはスペース幅）が３％λから４．５％λ（λは波長）の範囲に設定したＳＨ型弾性表面波デバイスであることを特徴とする。

本発明のＳＨ波を用いた弾性表面波デバイスは、電極膜厚を最適化したため、弾性表面波フィルタに適用すると挿入損失が小さくなるという利点がある。

図１は本発明に係るＳＨ型弾性表面波を用いた縦結合二重モードＳＡＷフィルタの実施の形態を示す平面図であって、オイラー角(０°,１２６°，９０°)のＳＴカット水晶基板１の主表面上にＳＨ型弾性表面波の伝搬方向（Ｚ’軸）に沿って２つのＩＤＴ電極２、３を近接配置すると共に該ＩＤＴ電極２、３の両側に反射器４ａ、４ｂを配設して縦結合二重モードＳＡＷフィルタを構成する。ＩＤＴ電極２、３はそれぞれ互いに間挿し合う複数本の電極指を有する一対の櫛形電極により形成され、ＩＤＴ電極２の一方の櫛形電極は入力端子ＩＮに接続すると共に、他方の櫛形電極は接地する。さらに、ＩＤＴ電極３の一方の櫛形電極は出力端子ＯＵＴに接続すると共に、他方の櫛形電極は接地して、縦結合型二重モードＳＡＷフィルタを構成する。

本発明の特徴はＳＨ型弾性表面波を用いた縦結合二重モードＳＡＷフィルタの挿入損失を最小にするように電極膜厚の最適化を図ったところである。図１に示すように電極指のライン幅をＬ、スペース幅をＳ、電極の規格化膜厚をＨ_０（％λ）とし、実効膜厚Ｈ（％λ）を次式のように定義する。
Ｈ＝Ｈ_０・２Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）（１）
実効膜厚Ｈ（％λ）を用いることにより、ライン占有率（Ｌ／（Ｌ＋Ｓ））が５０％のときにはＨ＝Ｈ_０となり、５０％よりずれた場合にもライン占有率を含んで規格化膜厚が一般化される利点がある。

図２は、オイラー角(０°,１２６°，９０°)の水晶基板上に図１に示す電極パターンをアルミニウム（Ａｌ）を主成分とした合金で形成し、中心周波数を５００ＭＨｚと２．５ＧＨｚとし、ＩＤＴ電極２、３の対数をそれぞれ７０対、反射器４ａ、４ｂの本数を３６０本、ライン占有率を５０％、実効膜厚Ｈを約２％λから５．５％λの範囲で変化させた場合の縦結合二重モードＳＡＷフィルタの最少損失（ｄＢ）の変化を示す図である。５００ＭＨｚは×印で、２．５ＧＨｚは○印で示している。

特開２００２−３３００５１号公報にはＳＨ型弾性表面波を励振する場合、オイラー角(０°,１１０°〜１５０°，９０°±２°)のＳＴカット水晶基板上に形成するＡｌ電極の規格化膜厚は２．５％λ〜１３．５％λの範囲が最適であるとし、同公報の図２からは６％λ付近で電気機械結合係数が最大になることが読み取れる。

しかし、実際に試作したＳＨ型の縦結合二重モードＳＡＷフィルタでは、図２に示すように５００ＭＨｚ、２．５ＧＨｚの両フィルタとも、Ａｌ電極の実効膜厚Ｈが約3.5%λでフィルタの損失が最小になることを示している。
特開２００２−３３００５１号公報に示された図は計算によるものと推定され、その数値が図２の実測値と大きくかけ離れている。その原因としては、図６（ａ）に示すようようなＩＤＴ電極をシミュレーションでは図６（ｂ）に示すように水晶基板上にＡｌ電極が一様に成膜されたものとして計算したものと推測される。

図３はオイラー角(０°,１２６°，９０°)の水晶基板上に構成したＳＨ型の縦結合二重モードＳＡＷフィルタの実効膜厚Ｈ（％λ）と頂点温度Ｔｐとの関係を示す図である。この図の範囲では頂点温度Ｔｐは実効膜厚Ｈ（％λ）に対して１次の変化をし、次式のように近似出来る。
Ｔｐ＝−１０．６０Ｈ＋５２．６８（℃）（２）
そして、オイラー角(０°,１２６°，９０°)のＳＴカット水晶基板では、カット角θ＝１２６°に対して＋１°変化させると頂点温度Ｔｐは約＋４０℃変化するので、所望の頂点温度Ｔｐとカット角θとの関係は式２より次式が得られる。
θ＝（Ｔｐ＋10.60Ｈ-52.68）／４０＋１２６（°）（３）
つまり、実効膜厚が３％λ〜４．５％λ、ライン占有率が４５％〜５５％の範囲で、頂点温度Ｔｐが約１５℃〜６０℃となるようにするには、カット角θを１２５．８°〜１２７．４°に設定すればよい。
なお、本発明に係るＳＨ型の縦結合二重モードＳＡＷフィルタは道路交通情報システム（ＶＩＣＳ）用のフィルタとしても用いられる。

以上ではＳＨ型の縦結合二重モードＳＡＷフィルタについて説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、ＳＨ型の横結合二重モードＳＡＷフィルタ、ＳＨ型の一端子対ＳＡＷ共振子、ＳＨ型のＳＡＷ共振子複数個を梯子状に接続したラダー型ＳＡＷフィルタにも適用できることは、説明するまでもない。

本発明に係るＳＨ型の縦結合二重モードＳＡＷフィルタの構造を示した概略平面図である。実効膜厚Ｈ（％λ）とＳＨ型の縦結合二重モードＳＡＷフィルタの最小損失との関係を示す図である。実効膜厚Ｈ（％λ）と周波数温度特性の頂点温度Ｔｐとの関係を示す図である。従来の横結合二重モードＳＡＷフィルタの構成を示す平面図である。従来のＳＨ型の縦結合二重モードＳＡＷフィルタの構成を示す平面図である。（ａ）はＩＤＴ電極の断面図、（ｂ）は全面電極の断面図を示す図である。

符号の説明

１オイラー角(０°,１２６°，９０°)のＳＴカット水晶基板
２、３ＩＤＴ電極
４ａ、４ｂ反射器
Ｌライン幅
Ｓスペース幅

Claims

オイラー角（０°，１１０°〜１５０°，９０°±２°）の水晶基板上にアルミニウムを主成分とする合金のＩＤＴ電極及びグレーティング反射器を複数個備えたＳＨ型弾性表面波デバイスであって、前記ＩＤＴ電極及びグレーティング反射器の実効膜厚Ｈ＝Ｈ_０・２Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）（Ｈ_０は規格化膜厚、Ｌはライン幅、Ｓはスペース幅）が３％λから４．５％λ（λは波長）の範囲にあることを特徴とするＳＨ型弾性表面波デバイス。
前記ＩＤＴ電極のライン占有率（Ｌ／（Ｌ＋Ｓ））が４５％から５５％の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載のＳＨ型弾性表面波デバイス。
オイラー角（０°，１２５．８°〜１２７．４°，９０°±２°）の水晶基板上にアルミニウムを主成分とする合金のＩＤＴ電極及びグレーティング反射器を複数個備えたＳＨ型弾性表面波デバイスであって、前記ＩＤＴ電極及びグレーティング反射器の実効膜厚Ｈが３％λから４．５％λの範囲にあることを特徴とするＳＨ型弾性表面波デバイス。
前記ＩＤＴ電極のライン占有率が４５％から５５％の範囲にあることを特徴とする請求項３に記載のＳＨ型弾性表面波デバイス。
前記ＳＨ型弾性表面波デバイスが縦結合二重モードＳＡＷフィルタであることを特徴とする請求項１乃至４に記載のＳＨ型弾性表面波デバイス。
前記ＳＨ型弾性表面波デバイスが横結合二重モードＳＡＷフィルタであることを特徴とする請求項１乃至４に記載のＳＨ型弾性表面波デバイス。
前記ＳＨ型弾性表面波デバイスが複数の一端子対ＳＡＷ共振子を梯子状に接続したラダー型ＳＡＷフィルタであることを特徴とする請求項１乃至４に記載のＳＨ型弾性表面波デバイス。