JP2007013682A - 弾性表面波デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】水晶基板を用いたＳＡＷデバイスにおいて、共振点より低域側に生じるスプリアスを抑圧することを目的とする。
【解決手段】圧電基板１上に、ＩＤＴ２とその両側にグレーティング反射器３ａ、３ｂを配置する。前記圧電基板１は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°にした水晶平板であり、波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２に設定している。そして、ＩＤＴ２のＳＡＷの伝搬方向の全長をＬとしたとき、ＩＤＴの左端を基準位置として、基準位置から０．２５Ｌまでの範囲、又は０．７５ＬからＬまでの範囲のどちらか一方、又は両方の範囲に配置された電極指に重み付けを施す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶基板を用いた弾性表面波デバイスにおいて、共振点より低域側に生じる縦高次モードのスプリアスを抑圧することを目的とした弾性表面波デバイスに関する。

近年、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：以下、ＳＡＷ）デバイスは移動体通信用端末や車載用機器等の部品として幅広く利用され、小型であること、Ｑ値が高いこと、周波数温度特性が優れていること等が強く要求されている。

これらの要求を実現するＳＡＷデバイスとして、ＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷデバイスがある。ＳＴカット水晶基板は結晶Ｘ軸を回転軸としてＸＺ面を結晶Ｚ軸より反時計方向に４２．７５°回転した面（ＸＺ'面）を持つ水晶板のカット名であり、結晶Ｘ軸方向に伝搬するレイリー波と呼ばれる（Ｐ＋ＳＶ）波であるＳＡＷ（以下、ＳＴカット水晶ＳＡＷと称す）を利用する。ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスの用途は、発振素子として用いられるＳＡＷ共振子や、移動体通信端末のＲＦ段とＩＣ間に配置されるＩＦ用フィルタなど幅広く存在する。

ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスが小型でＱ値の高いデバイスを実現できる理由として、ＳＡＷの反射を効率良く利用できる点が挙げられる。図４に示すＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子を例に説明すると、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子は、ＳＴカット水晶基板１０１上にそれぞれ互いに間挿し合う複数本の電極指を有するくし形電極（以下、ＩＤＴと称す）１０２を配置し、該ＩＤＴ１０２の両側にＳＡＷを反射する為のグレーティング反射器１０３ａ、１０３ｂを配置した構造である。ＳＴカット水晶ＳＡＷは圧電基板の表面に沿って伝搬する波であるので、グレーティング反射器１０３ａ、１０３ｂにより効率良く反射され、ＳＡＷのエネルギーをＩＤＴ１０２の内部に十分閉じ込めることができるので、小型で且つＱ値の高いデバイスが得られる。

更に、ＳＡＷデバイスを使用する上で重要な要素に周波数温度特性がある。上述のＳＴカット水晶ＳＡＷにおいては、周波数温度特性の１次温度係数が零であり、その特性は２次曲線で表され、頂点温度を使用温度範囲の中心に位置するように調整すると周波数変動量が格段に小さくなるので周波数安定性に優れていることが一般的に知られている。

しかしながら、前記ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスは、１次温度係数は零であるが、２次温度係数は−０．０３４（ｐｐｍ／℃^２）と比較的大きいので、使用温度範囲を拡大すると周波数変動量が極端に大きくなってしまうという問題があった。

前記問題を解決する手法として、Meirion Lewis,“Surface Skimming Bulk Wave,SSBW”, IEEE Ultrasonics Symp. Proc.,pp.744〜752 (1977)及び特公昭６２−０１６０５０号公報に開示されたＳＡＷデバイスがある。このＳＡＷデバイスは、図５に示すように回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−５０°回転した付近に設定し、且つ、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対して垂直方向（Ｚ'軸方向）にしたことが特徴である。なお、前述のカット角をオイラー角で表示する場合は（０°，θ＋９０°，９０°）＝（０°，４０°，９０°）となる。このＳＡＷデバイスは、圧電基板の表面直下を伝搬するＳＨ波をＩＤＴによって励起し、その振動エネルギーを電極直下に閉じ込めることを特徴としていて、周波数温度特性が３次曲線となり、使用温度範囲における周波数変動量が極めて少なくなるので良好な周波数温度特性が得られる。

しかしながら、前記ＳＨ波は基本的に基板内部に潜って進んでいく波であるため、圧電基板表面に沿って伝搬するＳＴカット水晶ＳＡＷと比較してグレーティング反射器によるＳＡＷの反射効率が悪い。従って、小型で高ＱなＳＡＷデバイスを実現し難いという問題がある。また、前述の先行文献においてもＳＡＷの反射を利用しない遅延線としての応用については開示されているものの、ＳＡＷの反射を利用したデバイスへの応用は提案されておらず、発振素子やフィルタ素子としての実用化は困難であると言われていた。

この問題を解決すべく、特公平０１−０３４４１１号公報では、図６に示すように回転Ｙカット水晶基板のカット角θを−５０°付近に設定し、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し垂直方向（Ｚ'軸方向）にした圧電基板１１１上に８００±２００対もの多対のＩＤＴ１１２を形成することにより、グレーティング反射器を利用せずＩＤＴ１１２自体の反射だけでＳＡＷエネルギーを閉じ込め高Ｑ化を図った所謂多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子が開示されている。

しかしながら、前記多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子はグレーティング反射器を設けたＳＡＷ共振子と比較して効率的なエネルギー閉じ込め効果が得られず、高いＱ値を得るのに必要なＩＤＴ対数が８００±２００対と非常に多くなってしまうので、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子よりもデバイスサイズが大きくなってしまい、近年の小型化の要求に応えることができないという問題があった。

また、前記特公平０１−０３４４１１号に開示されているＳＡＷ共振子においては、ＩＤＴにて励振されたＳＡＷの波長をλとした時、電極膜厚を２％λ以上、好ましくは４％λ以下にすることによりＱ値を高めることができるとされており、共振周波数２００ＭＨｚの場合、４％λ付近でＱ値が飽和に達するが、その時のＱ値は２００００程度しか得られずＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子と比較してもほぼ同等のＱ値しか得られない。この原因として、膜厚が２％λ以上４％λ以下の範囲ではＳＡＷが圧電基板表面に十分集まっていないので反射が効率良く利用できないことが考えられる。

そこで、本発明者は特願２００４−３１０４５２号にて、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板上に、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴを形成し、該ＩＤＴのＳＡＷの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２としたＳＡＷデバイスを発明した。当該発明によれば、本来、圧電基板内部に潜って進んでいく波を基板表面に集中させてグレーティング反射器等によりＳＡＷの反射を効率良く利用することができるので、従来のＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスと比較して小型でＱ値が高く、且つ周波数温度特性に優れたＳＡＷデバイスが実現できる。

図７は特願２００４−３１０４５２号に開示したＳＡＷ共振子における電極膜厚Ｈ／λとＱ値の関係を示している。なお、圧電基板には−５１°回転Ｙカット９０°Ｘ伝搬水晶基板（オイラー角表示では（０°,３９°,９０°））を用い、共振周波数を３１５ＭＨｚ、ＩＤＴの対数を１００対、グレーティング反射器の本数を各々１００本とした。従来のＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子では、共振周波数３１５ＭＨｚとしたときのＱ値は高々１５０００程度であったが、当該発明のＳＡＷ共振子では、０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲においてＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子よりも高いＱ値を得ることができる。更に、０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲に設定することにより２００００以上もの高いＱ値が得られる。

また、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６１．４°＜θ＜−５１．４°に設定すれば、周波数温度特性の頂点温度を実用的な０〜７０℃の間に設定することができる。
特公昭６２−０１６０５０号 特公平０１−０３４４１１号 特願２００４−３１０４５２号 Meirion Lewis,"Surface Skimming Bulk Wave,SSBW", IEEE Ultrasonics Symp. Proc.,pp.744〜752 (1977)

ところで、上述の特許文献３のＳＡＷデバイスにおいて共振点より低域側にスプリアスが生じる問題があった。図８は特許文献３に開示されたＳＡＷ共振子の共振特性を示している。なお、設計条件は図７の場合と同じであり、電極膜厚Ｈ／λは０．０６としている。同図に示すように、共振点の低域側にスプリアスが生じているのが分かる。このスプリアスは縦３次モードのスプリアスであり、スプリアスレベルが大きいと発振回路で異常発振を生じさせる原因となる。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、特許文献３に開示されたＳＡＷデバイスにおいて、共振点より低域側に生じるスプリアスを抑圧することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係るＳＡＷデバイスの請求項１に記載の発明は、圧電基板と、該圧電基板の主面上に形成したＩＤＴとその両側に反射器とを備え、励振波をＳＨ波とした弾性表面波デバイスであって、前記圧電基板は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板であり、励振する弾性表面波の波長をλとしたとき、前記ＩＤＴの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、前記ＩＤＴの電極指に重み付けを施すことを特徴としている。請求項２に記載の発明は、前記ＩＤＴのＳＡＷの伝搬方向の全長をＬとしたとき、ＩＤＴの左端を基準位置として、基準位置から０．２５Ｌまでの範囲、又は０．７５ＬからＬまでの範囲のどちらか一方、又は両方の範囲に配置された電極指に重み付けを施すことを特徴としている。請求項３に記載の発明は、前記ＩＤＴ及び前記反射器は、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金から形成されていることを特徴としている。請求項４に記載の発明は、前記弾性表面波デバイスを発振器やモジュールに用いたことを特徴としている。

本発明の請求項１乃至３の発明によれば、カット角θが−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲にある回転Ｙカット水晶基板を用い、ＳＡＷの伝搬方向が結晶Ｘ軸に対して９０°±５°として励振されるＳＨ波を用い、ＩＤＴ及びグレーティング反射器の電極材料をＡｌまたはＡｌを主とした合金にて構成し、波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、前記ＩＤＴのＳＡＷの伝搬方向の全長をＬとしたとき、ＩＤＴの左端を基準位置として、基準位置から０．２５Ｌまでの範囲、又は０．７５ＬからＬまでの範囲のどちらか一方、又は両方の範囲に配置された電極指に重み付けを施すことにより、共振点より低域側に生じるスプリアスを抑圧することができる。また、本発明の請求項４によれば、前記ＳＡＷデバイスをモジュール装置や発振回路等に用いれば、異常発振が生じるのを防止できる。

以下、本発明を図面に図示した実施の形態例に基づいて詳細に説明する。図１（ａ）は本発明に係るＳＡＷ共振子の平面図を示しており、圧電基板１上に正電極指と負電極指とがそれぞれ互いに間挿し合うＩＤＴ２と、該ＩＤＴ２の両側にＳＡＷを反射する為のグレーティング反射器３ａ、３ｂとを配置する。そして、前記ＩＤＴ２の入出力パッド４ａ、４ｂとパッケージ６の入出力用端子とを金属ワイヤ５ａ、５ｂにより電気的に導通し、パッケージ６の開口部を蓋（リッド）で気密封止する。圧電基板１は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°に設定し、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対しほぼ垂直方向（９０°±５°）にした水晶平板であって、励振するＳＡＷはＳＨ波である。なお、ＩＤＴ２及びグレーティング反射器３ａ、３ｂの電極材料はＡｌ又はＡｌを主成分とする合金とし、ＩＤＴ２の電極対数を１００対、グレーティング反射器３ａ、３bの電極本数を各々１００本としている。また、図１（ｂ）はＩＤＴ２の断面図を示しており、本実施例においてはＩＤＴ２上を励振するＳＡＷの波長をλとした時に電極膜厚を波長で基準化した値Ｈ／λで表し、ＩＤＴ２を構成する電極指の電極指幅Ｌ／（電極指幅Ｌ＋電極指間のスペースＳ）をライン占有率ｍｒとした時にｍｒ＝０．６０としている。

本発明では、ＩＤＴの電極指に重み付けを施すことにより、共振点より低域側に生じるスプリアスの抑圧を図った。図２（ａ）は、前記ＳＡＷ共振子のＩＤＴ２の左側半分の拡大図を示しており、ＩＤＴの全長をＬとしたとき、ＩＤＴの左端を基準位置０として、基準位置０から０．２５Ｌまでの範囲に配置されている電極指Ａ〜Ｄの４本の極性を反転させて重み付けを施している。また、図２（ｂ）は、前記ＳＡＷ共振子のＩＤＴ２の右側半分の拡大図を示しており、ＩＤＴの全長をＬとしたとき、０．７５ＬからＬまでの範囲に配置されている電極指Ｅ〜Ｇの４本の極性を反転させて重み付けを施している。即ち、本発明ではＩＤＴの対数１００対のうち８対分の電極指に重み付けを施している。

図３は、前記ＳＡＷ共振子の共振特性を示している。なお、この時のカット角θを−５２°、電極膜厚Ｈ／λを０．０６、共振周波数を３１５ＭＨｚとしている。また、比較のために電極指に重み付けを施していない従来のＳＡＷ共振子の共振特性を点線に示している。同図に示すように、本発明品は従来品と比較して主モードの特性を然程劣化させずに共振点より低域側に生じる縦３次モードのスプリアスレベルが抑圧されていることが分かる。また、同時に共振特性の高域側のスプリアスレベルも抑圧されているのが分かる。

以上説明した通り、本発明に係るＳＡＷデバイスは、特許文献３に記載の回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°に設定し、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対しほぼ垂直方向（９０°±５°）にした水晶平板を用い、波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲に設定したＳＡＷデバイスにおいて、前記ＩＤＴのＳＡＷの伝搬方向の全長をＬとしたとき、ＩＤＴの左端を基準位置として、基準位置から０．２５Ｌまでの範囲と０．７５ＬからＬまでの範囲に配置された電極指に重み付けを施すことにより、共振点より低域側に生じる縦３次モードのスプリアスを抑圧できることが確認された。

ここで、ＩＤＴの中心部分（０．２５Ｌから０．７５Ｌまでの範囲）に配置した電極指を間引いてしまうと、共振点より低域側に生じる縦３次モードのスプリアスは抑圧できるものの、主モードのＱ値が劣化してしまうので好ましくない。

また、実施例ではＩＤＴの左端の基準位置から０．２５Ｌまでの範囲と０．７５ＬからＬまでの範囲の両方の電極指に重み付けを施したが、どちらか一方の範囲の電極指にのみ重み付けを施しても良い。重み付けの方法に関しては、電極の極性を反転させるだけでなく、電極指を間引いたり、電極指の交差幅を変化させたり、電極指の幅を他より大きくする等の方法を用いても良い。

また、特許文献３に記載されているように、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６１．４°＜θ＜−５１．４°に設定すれば、周波数温度特性の頂点温度を実用的な０〜７０℃の間に設定することができ、電極膜厚Ｈ／λを０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０に設定すれば、著しく高いＱ値を得ることができる。また、ライン占有率ｍｒは０．６０に固定したが、これ以外のライン占有率としても良い。電極材料についても実施例ではＡｌ又はＡｌを主成分とする合金としたが、それ以外のＴａ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ等の金属又はそれらを主成分とする合金としても良い。

デバイス構造に関しては、図１に示すような１ポートのＳＡＷ共振子以外に、２ポートＳＡＷ共振子、ＳＡＷ共振子の音響結合を利用した２重モードＳＡＷ（ＤＭＳ）フィルタ、ＳＡＷ共振子を直列腕と並列腕に梯子状に配置したラダー型ＳＡＷフィルタ、入力用ＩＤＴと出力用ＩＤＴを所定の間隙をあけて配置したトランスバーサル型ＳＡＷフィルタ等のＳＡＷデバイスに適用しても良い。

また、上述のＳＡＷデバイスにおいて、ＩＤＴやグレーティング反射器上にＳｉＯ_２等の保護膜やＡｌを陽極酸化した保護膜等を形成したり、Ａｌ電極の上部あるいは下部に密着層あるいは耐電力向上等の目的で別の金属薄膜を形成した場合においても、本発明と同様の効果を得られることは明らかである。また、センサ装置やモジュール装置、発振回路等に本発明のＳＡＷデバイスを用いれば、異常発振を防止できる。

また、本発明のＳＡＷデバイスは、図１に示すようなＳＡＷチップとパッケージをワイヤボンディングした構造以外でも良く、ＳＡＷチップの電極パッドとパッケージの端子とを金属バンプで接続したフリップチップボンディング（ＦＣＢ）構造や、配線基板上にＳＡＷチップをフリップチップボンディングしＳＡＷチップの周囲を樹脂封止したＣＳＰ（Chip Size Package）構造、或いは、ＳＡＷチップ上に金属膜や樹脂層を形成することによりパッケージや配線基板を不要としたＷＬＣＳＰ（Wafer Level Chip Size Package）構造等にしても良い。更には、水晶デバイスを水晶又はガラス基板で挟んで積層封止したＡＱＰ（All Quartz Package）構造としても良い。前記ＡＱＰ構造は、水晶又はガラス基板で挟んだだけの構造であるのでパッケージが不要で薄型化が可能であり、低融点ガラス封止や直接接合とすれば接着剤によるアウトガスが少なくなりエージング特性に優れた効果を奏する。

本発明に係るＳＡＷデバイスを説明する図であり、平面図を（ａ）に、ＩＤＴの断面図を（ｂ）に示す。 本発明に係るＳＡＷデバイスのＩＤＴの左側半分の拡大図を（ａ）に、右側半分の拡大図を（ｂ）に示す。 本発明に係るＳＡＷデバイスと従来品の共振特性の比較を示す。 従来のＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子を説明する図である。 −５０°回転Ｙカット９０°Ｘ伝搬水晶基板を説明する図である。 従来の多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子を説明する図である。 特願２００４−３１０４５２号に開示されたＳＡＷ共振子の電極膜厚Ｈ／λとＱ値の関係を示す。 特願２００４−３１０４５２号に開示されたＳＡＷ共振子の共振特性を示す。

符号の説明

１ 圧電基板
２ ＩＤＴ
３ａ、３ｂ グレーティング反射器
４ａ、４ｂ 入出力用パッド
５ａ、５ｂ 金属ワイヤ
６ パッケージ

Claims (4)

1. 圧電基板と、該圧電基板の主面上に形成したＩＤＴとその両側に反射器とを備え、励振波をＳＨ波とした弾性表面波デバイスであって、
   前記圧電基板は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板であり、
   励振する弾性表面波の波長をλとしたとき、前記ＩＤＴの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、前記ＩＤＴの電極指に重み付けを施すことを特徴とした弾性表面波デバイス。
2. 前記ＩＤＴのＳＡＷの伝搬方向の全長をＬとしたとき、ＩＤＴの左端を基準位置として、基準位置から０．２５Ｌまでの範囲、又は０．７５ＬからＬまでの範囲のどちらか一方、又は両方の範囲に配置された電極指に重み付けを施すことを特徴とした請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
3. 前記ＩＤＴ及び前記反射器は、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金から形成されていることを特徴とした請求項１又は２に記載の弾性表面波デバイス。
4. 前記弾性表面波デバイスを発振器やモジュールに用いたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。
   
   

Images