JP2007028664A - 弾性表面波素子片および弾性表面波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水晶板をストップバンドの上限モードで励振する場合に、スプリアスを主共振から所定周波数以上遠ざけることができるようにする。
【解決手段】弾性表面波素子片は、水晶板の表面にすだれ状電極からなるＩＤＴが設けてある。水晶板は、オイラー角表示で（０°，θ，０°≦｜ψ｜≦９０°）となっている。弾性表面波素子片は、ＩＤＴにより水晶板に生成された弾性表面波の波長をλ、ＩＤＴの電極指の膜厚をＨ、電極指の対数をＮとした場合、０．０９≦Ｈ／λ≦０．１１、かつ、Ｎ≦−２０００００×（Ｈ／λ）^２＋３７０００×（Ｈ／λ）−１５７０の関係を満たしている。
【選択図】図５

Description

本発明は、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）を利用した弾性表面波素子片に係り、特に圧電基板が水晶からなる弾性表面波素子片および弾性表面波装置に関する。

ＳＡＷ共振子、ＳＡＷフィルタなどの弾性表面波装置は、高周波への対応が容易であって、小型、量産性に優れているところから、種々の電子機器に使用されている。特に、最近は、通信の高速化、通信機器の小型、高周波化に伴って通信分野において広く利用されている。このような弾性表面波装置は、圧電基板の表面に設けたすだれ状電極によって圧電基板に弾性表面波を生成する弾性表面波素子片を備えている。

特に、ＳＴカットに代表される水晶基板を用いた弾性表面波素子片は、水晶が高い温度安定性を有するところから、高精度な弾性表面波素子片とすることができる。しかし、近年、普及の著しい携帯通信機器においては、より高周波であって、より小型、温度に対して安定した高精度な弾性表面波装置が要求されている。そこで、本願出願人は、面内回転ＳＴカット水晶板を用いた弾性表面波素子片を開発した（例えば特許文献１）。面内回転ＳＴカット水晶板は、３次関数の温度特性を有するところから、通常のＳＴカット水晶板と比較して、高精度な弾性表面波素子片とすることができる。

ところで、水晶などの圧電基板にすだれ状電極からなるＩＤＴ（Interdigital Transducer）を設けて圧電基板を励振して弾性表面波であるレイリー波を発生させた場合、計算によるとストップバンドと呼ばれる領域の下限と上限とに周波数解が得られることが知られている。ストップバンドの下限の周波数（下限モード）と上限の周波数（上限モード）とを比較すると、上限モードの方が周波数温度特性の２次温度係数の絶対値が下限モードより小さく、ＩＤＴの電極膜厚を増加させた場合に、２次温度係数の絶対値の変化も小さいことが知られている。したがって、圧電基板をストップバンドの上限モードで励振できれば、弾性表面波素子片の高周波化に有利であり、高精度化を図ることができる。

そこで、本願発明者らは、鋭意研究し、種々検討した結果、オイラー角表示を（φ，θ，ψ）としたときに、オイラー角が（０°，θ，ψ）の水晶板において、角度ψを適切に選択することにより、レイリー波をストップバンドの上限モードで励振できることを見出した。図７は、オイラー角が（０°，１２３°，４２°）の水晶板を基板とした弾性表面波素子片のストップバンドの上限モードにおける周波数特性を示したものである。図７は、横軸が周波数（ＭＨｚ）であり、縦軸がインピーダンス（Ω）である。

図７に示したように、主共振（主振動）Ｓ_０の高周波側近傍にスプリアスＳ_１が現れ、さらにスプリアスＳ_１の高周波側にスプリアスＳ_２が現れる。スプリアスＳ_１は、主共振Ｓ_０に近いため、共振子やフィルタなどの弾性表面波装置に用いた場合に、スプリアスＳ_１により特性が劣化する。このため、スプリアスＳ_１を主共振Ｓ_０から遠ざける必要がある。そして、特許文献２には、圧電基板として３６°ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３を用い、高域側弾性表面波共振子フィルタと低域側弾性表面波共振子フィルタとのＩＤＴの数（電極指の対数）を異ならせ、スプリアスの位置を制御して最適なフィルタ特性が得られるようにしている。
特開２００３−１５２４８７号公報 特開２０００−５９１７６号公報

ところで、ＩＤＴの電極指の対数と目標周波数（主共振周波数）に対するスプリアスの位置との関係は、圧電基板の種類、圧電基板のカット角などによって異なってくる。このため、特許文献２のように３６°ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３に設けたＩＤＴの電極指の対数を、オイラー角が（０°，１２３°，４１°)の水晶板にそのまま適用したとしても、所望の特性を有する弾性表面波素子片が得られるわけではない。
本発明は、水晶板をストップバンドの上限モードで励振する場合に、スプリアスを主共振から所定周波数以上遠ざけることができるようにすることを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明に係る弾性表面波素子片は、圧電基板の表面にすだれ状電極が設けてある弾性表面波素子片であって、圧電基板は、オイラー角表示で（０°，θ，０°≦｜ψ｜≦９０°）の水晶板からなり、水晶板に生成された弾性表面波の波長をλ、すだれ状電極を構成している電極指の膜厚をＨ、電極指の対数をＮとした場合、０．０９≦Ｈ／λ≦０．１１、かつ、Ｎ≦−２０００００×（Ｈ／λ）^２＋３７０００×（Ｈ／λ）−１５７０の関係を満たすことを特徴としている。このθは、０°以上、１８０°以下であればよい。

このようになっている本発明は、水晶板にレイリー波のストップバンドにおける上限モードを生成することができるとともに、スプリアス周波数を主共振周波数から５００ｐｐｍ以上遠ざけることができる。即ち、スプリアス周波数を、主共振周波数＋主共振周波数×５００ｐｐｍ以上にすることができる。

また本発明に係る弾性表面波素子片は、水晶板がオイラー角表示で（０°，９５°≦θ≦１５５°，３３°≦｜ψ｜≦４６°）であることを特徴としている。このようになっている本発明は、温度に対する周波数変動（温度特性）を良好にできる。

本発明に係る弾性表面波装置は、上記した弾性表面波素子片を備えていることを特徴としている。このようになっている本発明に係る弾性表面波装置は、スプリアスの影響を小さくすることができ、特性の劣化を避けることができる。

本発明の実施形態に係る弾性表面波素子片および弾性表面波装置の好ましい実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る弾性表面波素子片を模式的に示した平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った一部断面図である。これらの図において、弾性表面波素子片１０は、圧電基板である矩形状の水晶板１２からなり、水晶板１２の表面中央部にＩＤＴ１４が形成してある。また、弾性表面波素子片１０は、一対の反射器１６が設けてある。一対の反射器１６は、ＩＤＴ１４によって励振される弾性表面波の伝播方向に沿って設けられ、ＩＤＴ１４を挟んで配置してある。

水晶板１２は、実施形態の場合、オイラー角表示を（φ，θ，ψ）としたときに、オイラー角が（０°，θ，０°≦｜ψ｜≦９０°）となっている。すなわち、水晶板１２は、水晶結晶において図３に示したようなカット角および弾性表面波の伝播方向となっている。このオイラー角は、次のようにして得られる。水晶結晶の電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光軸をＺ軸としたときに、水晶Ｚ板１８は、オイラー角が（０°，０°，０°）のＺ軸に垂直な水晶板となる。この水晶Ｚ板１８を、Ｘ軸を回転軸として反時計方向に角度θだけ回転させたときに、新たに得られる座標軸をＸ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸とする。このＸＹ’Ｚ’座標系において、Ｘ軸とＹ’軸とのなす面に平行な水晶板２０を、さらにＺ’軸を中心に角度ψだけ回転させて得られる新たな座標軸をＸ’軸、Ｙ”軸、Ｚ’軸とする。このＸ’Ｙ”Ｚ’座標において、Ｘ’軸とＹ”軸とのなす面に平行な水晶板がオイラー角（０°，θ，ψ）の水晶板となる。

そして、実施形態の水晶板１２は、Ｚ’軸を回転中心とした回転角ψが０°〜９０°の水晶板である。なお、Ｚ’軸を中心とした回転角ψは、水晶結晶がＺ’軸を中心にどちらの方向に回転させても対称であるので、±（０°〜９０°）とすることができる。すなわち、０°≦｜ψ｜≦９０°である。また、Ｘ軸を中心とした回転角θは、発明者らの実験によると、０°≦θ≦１８０°とするのがよい。より望ましくは、９５°≦θ≦１５５°、３３°≦｜ψ｜≦４６°、すなわちオイラー角が（０°，９５°≦θ≦１５５°，３３°≦｜ψ｜≦４６°）の水晶板を用いることがより望ましい。

弾性表面波素子片１０のＩＤＴ１４は、一対の櫛型電極２２（２２ａ、２２ｂ）からなる。各櫛型電極２２は、それぞれの一端をバスバー２４（２４ａ、２４ｂ）に接続した複数の電極指２６ａ、２６ｂを備えている。各電極指２６（２６ａ、２６ｂ）は、水晶板１２のＹ”軸に沿って形成してある。そして、ＩＤＴ１４は、すだれ状をなしている。すなわち、ＩＤＴ１４は、各櫛型電極２２の櫛歯に相当する電極指２６が噛み合うように交互に、かつ平行に等間隔で配置してある。そして、ＩＤＴ１４は、櫛型電極２２ａと櫛型電極２２ｂとの間に信号電圧が印加されることにより、所定周波数の弾性表面波を水晶板１２の表層部に発生させる。この弾性表面波は、電極指２６に直交した水晶板１２のＸ’軸に沿って伝播する。

各反射器１６は、両端が相互に連結された複数の導体ストリップ２８からなり、格子状をなしている。これらの一対の反射器１６とＩＤＴ１４とは、実施形態の場合、アルミニウムまたはアルミニウム合金の薄膜から形成してある。すなわち、ＩＤＴ１４と反射器１６とは、水晶ウエハの表面に蒸着やスパッタリングなどによって成膜されたアルミニウムまたはアルミニウム合金の薄膜を、所定の形状にフォトエッチングすることにより形成される。また、ＩＤＴ１４は、図１に図示しない接続パッドに電気的に接続してある。

各櫛型電極２２ａ、２２ｂのそれぞれの電極指２６ａ、２６ｂは、図２に一部断面図として示したように、形成間隔（ピッチ）がｐとなっている。そして、ＩＤＴ１４によって水晶基板１２に生成される弾性表面波の波長λは、周知のように電極指２６の形成ピッチｐに依存する。また、ＩＤＴ１４は、実施形態の場合、各電極指２６の厚み（電極膜厚）によって、電極指２６ａ、２６ｂからなる電極指の対数が異なっている。これは、主共振Ｓ_０とスプリアスＳ_１との周波数偏差は、電極膜厚Ｈと電極指の対数とに依存していることによる。

発明者らの研究によると、電極指２６の電極膜厚をＨ、弾性表面波の波長をλとすると、膜厚比をＨ／λとした場合、電極指２６の対数と、スプリアスＳ_１の主共振Ｓ_０からの周波数偏差量は、図４に示したようになる。図４は、横軸が電極指２６の対数であり、縦軸がｐｐｍで示したスプリアスＳ_１の主共振Ｓ_０からの周波数偏差量である。なお、ｆ_０は主共振Ｓ_０の周波数、ΔｆはスプリアスＳ_１の周波数をｆ_Ｓとした場合、Δｆ＝ｆ_Ｓ−ｆ_０である。また、図４の実線の曲線ＡはＨ／λ＝０．０９（＝９％）であり、１点鎖線の曲線ＢはＨ／λ＝０．１０（＝１０％）であり、２点鎖線の曲線ＣはＨ／λ＝０．１１（＝１１％）である。そして、用いた水晶板１２は、オイラー角で（０°、１２３°，４２°）水晶板であって、ＩＤＴ１４の電極指２６の幅をＢ（図２参照）、電極間のピッチをｐ／２とした場合、η＝Ｂ／（ｐ／２）＝０．７である。そして、電極間ピッチｐ／２は４．８９μｍである。また、ＩＤＴ１４は、アルミニウムによって形成してある。

図４に示されているように、スプリアスＳ_１による影響を小さくするために、上記の周波数偏差量Δｆ／ｆ_０を５００ｐｐｍ以上とするには、Ｈ／λ＝０．０９の場合、電極指２６を１４０対以下にする必要があり、Ｈ／λ＝０．１０の場合１３０対以下、Ｈ／λ＝０．１１の場合８０対以下にする必要がある。これにより、スプリアスＳ_１の周波数を主共振Ｓ_０の周波数から５００ｐｐｍ以上離すことができ、スプリアスＳ_１の影響の小さい高精度な弾性表面波素子片１０とすることができる。

そして０．０９≦Ｈ／λ≦０．１１の範囲では、スプリアス周波数を主共振周波数から５００ｐｐｍ以上離すことのできるＩＤＴの電極指の対数を図４に基づいて求めると、図５に示したようになる。図５は膜厚比とＩＤＴ対数の上限値との関係を示す図である。ここで図５は、横軸が膜厚比Ｈ／λであり、縦軸がＩＤＴ対数の上限値Ｎｍａｘである。この図５は、図４に示すＨ／λ＝０．０９（曲線Ａ）、０．１０（曲線Ｂ）および０．１１（曲線Ｃ）のときに、スプリアス周波数を主共振周波数から５００ｐｐｍ以上離すことのできるＩＤＴ対数の上限値Ｎｍａｘをプロットし、このプロットした点から近似式を求めて記載したものである。この近似式は、Ｎｍａｘ＝−２０００００×（Ｈ／λ）^２＋３７０００×（Ｈ／λ）−１５７０となっている。

図５に示されているように、スプリアス周波数を主共振周波数から５００ｐｐｍ以上離すことのできるＩＤＴの対数Ｎは、近似式よりも小さなＩＤＴ対数となる。すなわち、このＩＤＴの対数Ｎは、Ｎ≦−２０００００×（Ｈ／λ）^２＋３７０００×（Ｈ／λ）−１５７０の関係を満たしていればよい。これにより、弾性表面波素子片が０．０９≦Ｈ／λ≦０．１１、かつ、Ｎ≦−２０００００×（Ｈ／λ）^２＋３７０００×（Ｈ／λ）−１５７０の関係を満たしていれば、スプリアスＳ_１の周波数を主共振Ｓ_０の周波数から５００ｐｐｍ以上離すことができる。

図６は、本発明の実施の形態に係る弾性表面波装置の一例を示す断面図であって、ＳＡＷ共振子の断面図である。図６において、ＳＡＷ共振子３０は、セラミックなどからなるパッケージ本体３２を有する。パッケージ本体３２は、上端が開口した箱型に形成してあり、パッケージ本体３２の底面に弾性表面波素子片１０が接着剤を介して固定してある。弾性表面波素子片１０は、ＩＤＴ１４の両側に、ＩＤＴ１４に電気的に接続した接続パッド３４が設けてある。これらの接続パッド３４は、ボンディングワイヤ３６を介してパッケージ本体３２に設けた電極３８に接続してある。そして、ＳＡＷ共振子３０は、弾性表面波素子片１０を収容したパッケージ本体３２の上端に、セラミックやガラス、金属などからなる蓋体４０を配置し、図示しない封止材によってパッケージ本体３２が気密に封止してある。

実施の形態に係る弾性表面波素子片を模式的に示した平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った一部断面図である。 実施の形態に係る水晶板のカット角を説明する図である。 実施の形態に係る弾性表面波素子片の電極指の対数とスプリアス周波数の主共振周波数からの偏差量との関係を示す図である。 膜厚比とＩＤＴ対数の上限値との関係を示す図である。 実施の形態に係る弾性表面波装置の一例を示す断面図である。 弾性表面波素子片の周波数特性を示す図である。

符号の説明

１０………弾性表面波素子片、１２………水晶板、１４………ＩＤＴ、１６………反射器、２２ａ、２２ｂ………櫛型電極、２６ａ、２６ｂ………電極指、３０………弾性表面波装置（ＳＡＷ共振子）。

Claims (3)

1. 圧電基板の表面にすだれ状電極が設けてある弾性表面波素子片であって、
   前記圧電基板は、オイラー角表示で（０°，θ，０°≦｜ψ｜≦９０°）の水晶板からなり、
   前記水晶板に生成された弾性表面波の波長をλ、前記すだれ状電極を構成している電極指の膜厚をＨ、前記電極指の対数をＮとした場合、
   ０．０９≦Ｈ／λ≦０．１１、かつ、
   Ｎ≦−２０００００×（Ｈ／λ）^２＋３７０００×（Ｈ／λ）−１５７０
   の関係を満たすことを特徴とする弾性表面波素子片。
2. 前記水晶板がオイラー角表示で（０°，９５°≦θ≦１５５°，３３°≦｜ψ｜≦４６°）であることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子片。
3. 請求項１または２に記載の弾性表面波素子片を備えていることを特徴とする弾性表面波装置。

Images