JP2008206139A - 二重モード圧電フィルタ、その製造方法、およびそれを用いた高周波回路部品および通信機器 - Google Patents

二重モード圧電フィルタ、その製造方法、およびそれを用いた高周波回路部品および通信機器 Download PDF

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Abstract

【課題】低損失、且つ平坦な帯域を持ったフィルタ特性を有する二重モード圧電フィルタを提供する。
【解決手段】基板上に形成された高域遮断型の圧電薄膜からなる圧電体層１と、圧電体層の一方の主面上に間隙を設けて形成された第１電極２および第２電極３と、圧電体層の他方の主面上に、第１電極、第２電極、および間隙と対向して形成された第３電極４と、間隙または平面形状における間隙に対応する位置に形成された電極間質量負荷材料部５とを備える。第１電極の密度をρ１、厚みをｈ１、第２電極の密度をρ２、厚みをｈ２、電極間質量負荷材料部の密度をρａ、厚みをｈａとしたとき、（ρ１×ｈ１）≦（ρａ×ｈａ）、および（ρ２×ｈ２）≦（ρａ×ｈａ）の関係を満足する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二重モード圧電フィルタに関し、より特定的には、２つのモードの結合度を改善し、通過帯域内の損失を低減するフィルタ構造に関する。
従来、携帯電話などの無線通信機器に搭載されるフィルタには、誘電体フィルタ、積層フィルタ、弾性波フィルタなどがある。弾性波フィルタでは、バルク波の複数モードを利用した水晶フィルタ（ＭＣＦ：モノリシック クリスタル フィルタ）や弾性表面波フィルタ（ＳＡＷフィルタ）などが知られている。しかし、近年、更なる小型化、高性能化、高周波化が要求されており、それを実現するデバイスとして、圧電薄膜のバルク波を利用した圧電フィルタ（ＦＢＡＲフィルタ）が開発されている。また、圧電フィルタには、複数のモードを多重することによって実現される多重モード圧電フィルタも提案されている。
上記ＭＣＦにおける複数モードを利用した従来例の構成が特許文献１に開示されている。図１８Ａは、特許文献１に開示されたＭＣＦの構成を示す模式的平面図、図１８Ｂは断面図である。このＭＣＦは、圧電基板５１を用いて超薄板の振動部５２とその周辺の振動部５２を保持する厚肉の環状囲繞部５３を一体的に形成し、圧電基板５１の上面に幅Ｗ、長さＬの２個の電極５４ａ、５４ｂを間隙ｇをおいて配置し、裏面に全面電極５５を付着した二重モードフィルタの構造を有する。電極５４ａ、５４ｂからは、周辺の厚肉端部に向けリード電極５６が延在し、端部にボンディングパット用電極５７が設けられている。凹陥部側では、全面電極５５がリード電極も兼ねている。
例えば、電極５４ａを入力電極、電極５４ｂを出力電極とし、電極５４ａと全面電極５５間、および電極５４ｂと全面電極５５間にそれぞれ電位を加えることで音響共振を発生させる。音響共振の結果生ずる１次モードと２次モードの２つのモードを結合させることで、フィルタを構成している。また、電極膜厚を薄膜化し、フィルタの通過帯域を広げた場合に発生するスプリアスを抑制するため、振動部の中央の寸法をＡ＝（Ａ１＋Ａ２）／２、それと垂直方向の寸法をＢとした場合、Ａ／（２Ｗ＋ｇ）を１．４から１．８、Ｂ／Ｌを１．３から１．７の範囲に設定する。
また、上記ＭＣＦにおける複数モードを利用した別の従来例の構成が、特許文献２に開示されている。図１９は特許文献２に開示されたＭＣＦの構成を示す断面図である。このＭＣＦは、圧電基板６１の一方の主面上に第１、第２電極６２、６３を所定の間隙をおいて配置すると共に、他方の主面上に第１、第２電極６２、６３と対向して第３、第４電極６４、６５を配設して構成された二重モードフィルタである。従来、一方の主面上の電極は全面電極とする構成がとられていたが、２つの振動モードの内、対称モードのＣＩ値（共振時の等価抵抗）が反共振モードのそれより劣化し、歩留まりが悪化するため、圧電基板６１の一方の主面の２つの電極６２、６３上に該２つの電極に比べ十分に大きな金属膜６６を付着させることにより、劣化を抑制する。
また、特許文献３には、圧電薄膜に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を使用し、厚み縦振動基本波を主振動とする二重モード圧電フィルタの構成が開示されている。図２０は、特許文献３に開示された二重モード圧電フィルタの構成を示す断面図である。この二重モード圧電フィルタは、窒化アルミニウムからなる圧電板７１上に、入力用電極８１、出力用電極８２が形成された構造が、珪素からなる支持基板８６上に支持されている。支持基板８６と圧電板７１の間には、接地用電極８３および窒化珪素膜８４が介在し、圧電板７１の主面表側には酸化珪素膜８５が形成されている。この構造により、対称モードであるｓ＿０モードと斜対称モードであるａ＿０モードを生じさせ、帯域通過フィルタを実現する。
また、圧電板７１の両主面にほぼ同じ厚みの誘電体膜を設けた積層構造であり、二つの振動モードの共振周波数は安定した特性であるため、帯域幅などが安定したフィルタ特性を得ることができる。
次に、圧電薄膜に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を使用し、厚み縦振動基本波を主振動とする場合の従来例の二重モード圧電フィルタの特性について説明する。図２１の（ａ）は、ＡｌＮ膜を利用し、かつ厚み縦振動基本波を主振動とした従来例の二重モード圧電フィルタの構造、（ｂ）は、発生する２つの振動モード（対称モード、斜対称モード）の分布を示す。
二重モード圧電フィルタ９０は、基板９５上の一面に形成された下部電極９４と、下部電極９４上に形成されたＡｌＮからなる圧電薄膜９１と、圧電薄膜９１上に形成された２つの上部電極９２、９３からなる。また、基板９５内には、２つの上部電極９２、９３の領域を覆うように空洞部９６が構成されている。
上部電極９２と、上部電極９２に対向する下部電極９４の一部と、それらに挟まれた圧電薄膜９１の一部により第１の振動部が構成され、上部電極９３と、上部電極９３に対向する下部電極９４の一部と、それらに挟まれた圧電薄膜９１の一部により第２の振動部が構成される。２つの振動部は、それぞれの上部電極９２、９３間に間隙が設けられることで、分離されている。また、２つの振動部は共通の空洞部により振動が確保されているため、図２１の（ｂ）に示すような、対称モード、斜対称モードの２つの振動モードが発生する。
また、図２２Ａ〜図２２Ｃは、図２１に示した従来例の二重モード圧電フィルタの解析を行った結果を示す。図２２Ａは、横軸を平面方向の波数、縦軸を周波数とし、各周波数における平面方向の波数分布を示している。横軸では、中心を０とし、右側が実数の波数、左側が虚数の波数を示している。波数が０となる周波数では、平面方向に伝搬しないため、厚み縦振動の共振周波数を示している。また、実数の波数となる周波数では、積極的に平面方向に伝搬し、虚数の波数となる周波数では、減衰しながら伝搬することを示している。この曲線は、一般的に分散曲線と呼ばれている。
また、共振周波数に対して、高周波領域において波数が虚数となる場合に高域遮断型と呼ばれ、低周波領域において波数が虚数となる場合に低域遮断型と呼ばれる。高域遮断型の圧電材料として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やＰＺＴ等があり、低域遮断型の圧電材料として、ＺｎＯ、水晶等がある。また、圧電薄膜の分極方向を変えることによっても、高域遮断型と低域遮断型を制御することができる。更に、図２２Ｂは、横軸を周波数、縦軸をアドミタンスの虚部とし、図２１に示した対称モード、斜対称モードそれぞれのアドミタンス特性Ｔ０，Ｓ０を示している。図２２Ｃは、横軸を周波数、縦軸を挿入損失とし、フィルタ特性を示している。但し、挿入損失は、上端を０として、下方になるほど損失が大きくなるように示されている。
図２２Ａにおいて、Ｃ１は第１の振動部と第２の振動部の分散曲線を示しており、Ｃ２は、上部電極９２、９３の無い圧電薄膜９１と下部電極９４のみの場合の分散曲線を示している。Ｃ１、Ｃ２どちらも高域遮断型を示している。ここで、厚み縦振動を主振動とする場合、その共振周波数は、各層の厚みと密度に依存し、厚み×密度が大きいと共振周波数が低域側に移動する。このことは質量負荷効果と一般的に呼ばれており、Ｃ１の方が、上部電極９２、９３の質量負荷効果分だけ低域側に移動している。このとき、Ｃ１の共振周波数、すなわち平面方向の波数が０となる周波数付近では、Ｃ２の特性は実数の波数を示している。したがって、第１の振動部、または第２の振動部で励振された振動は、上部電極のない領域に積極的に伝搬するため、振動は平面方向の外側に漏れることになる。その結果、図２２Ｂに示すように、２つの振動モードの特性は劣化し、さらに、図２２Ｃに示すように、挿入損失の大きいフィルタ特性となってしまう。
次に、圧電薄膜に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を使用し、厚み縦振動基本波を主振動とする場合の従来例の二重モード圧電フィルタの他の構成、ならびにその特性について、図２３を参照して説明する。図２３の（ａ）は二重モード圧電フィルタの構造を示し、図２３の（ｂ）は、発生する２つの振動モード（対称モード、斜対称モード）の分布を示す。この圧電フィルタは、特に、図２１に示した圧電フィルタの場合のような振動エネルギーの漏れを改善するエネルギー閉じ込めの構成を有する。
二重モード圧電フィルタ１００は、基板９５上の一面に形成された下部電極９４と、下部電極９４上に形成されたＡｌＮからなる圧電薄膜９１と、圧電薄膜９１上に形成された２つの上部電極９２、９３を有する。基板９５内には、２つの上部電極９２、９３の領域を覆うように空洞部９６が構成される。さらに、上部電極９２、９３の平面方向の外側には、質量負荷材料部９７ａ、９７ｂが設けられる。なお、この明細書の記載において、質量負荷材料部を、上述の質量負荷効果を与える要素として定義する。
ここで、上部電極９２の密度をρ１、厚みをｈ１、上部電極９３の密度をρ２、厚みをｈ２とし、質量負荷材料部９７ａ、９７ｂの密度をρｔ、ｈｔとした場合、質量負荷材料部９７ａ、９７ｂの密度と厚みは、（ρ１×ｈ１）＜（ρｔ×ｈｔ）、および（ρ２×ｈ２）＜（ρｔ×ｈｔ）となるように設定される。
上部電極９２と、上部電極９２に対向する下部電極９４の一部と、それらに挟まれた圧電薄膜９１の一部により第１の振動部が構成され、上部電極９３と、上部電極９３に対向する下部電極９４の一部と、それらに挟まれた圧電薄膜９１の一部により第２の振動部が構成される。２つの振動部は、それぞれの上部電極９２、９３間に間隙が設けられることで、分離されている。また、２つの振動部は共通の空洞部９６により振動が確保され、さらに、外側の領域に質量負荷材料部９７ａ、９７ｂが設けられたことで、第１の振動部、第２の振動部内に振動エネルギーが閉じ込められ、図２３に示すような対称モード、斜対称モードの２つの振動モードが発生する。
図２４Ａ〜図２４Ｃは、図２３に示した従来例の二重モード圧電フィルタの解析を行った結果を示す。図２４Ａは、図２２Ａと同様に、横軸を平面方向の波数、縦軸を周波数とし、各周波数における平面方向の波数分布を示している。図２４Ｂは、図２２Ｂと同様に、横軸を周波数、縦軸をアドミタンスの虚部とし、図２３に示した対称モード、斜対称モードそれぞれのアドミタンス特性Ｔ１、Ｓ１を示している。図２４Ｃは、図２２Ｃと同様に、横軸を周波数、縦軸を挿入損失とし、フィルタ特性を示している。
図２４Ａにおいて、Ｃ１は第１の振動部と第２の振動部の分散曲線を示している。Ｃ２は、上部電極９２、９３の無い圧電薄膜９１と下部電極９４のみの場合、すなわち、上部電極９２、９３間の領域の分散曲線を示している。Ｃ３は、質量負荷材料部９７ａ、９７ｂが構成された領域の分散曲線を示している。Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３のいずれも高域遮断型を示している。ここで、質量負荷材料部９７ａ、９７ｂの密度と厚みを大きくすることで、Ｃ３はＣ１よりも低域側に移動している。すなわち、Ｃ１の共振周波数付近では、Ｃ３の特性は虚数の波数を示しているため、第１の振動部、または第２の振動部で励振された振動は、質量負荷材料部９７ａ、９７ｂが構成される領域において減衰して伝搬するため、平面方向の外側への漏れを低減することができる。このため、図２４Ｂに示すように、２つの振動モードの特性は改善され、さらに、図２４Ｃに示すように、フィルタ特性も改善される。
特開平１０−１６３８０４号公報 特開２００５−２６９２４１号公報 特開２００４−１４７２４６号公報
図２３に示した構造は、高域遮断型の圧電薄膜を利用した場合に特有の振動エネルギー漏れを低減し、フィルタ特性を改善している。しかし、図２４Ｃに示すように、通過帯域内が平坦になっていないため、利用が困難である。これは、図２４Ｂに示す、対称モードＴ１と斜対称モードＳ１のアドミタンスを所望の周波数帯において逆符号とすることで、損失無く通過させることができるが、図２３の構造では、対称モードＴ１の共振周波数ｆｔｒと斜対称モードＳ１の反共振周波数ｆｓａが大きく離れているため、それらの周波数間で同符号になっていることが原因である。
本発明は、通過帯域内の損失が低く、かつ平坦な特性を有する二重モード圧電フィルタを提供することを目的とする。
本発明の第１の構成の二重モード圧電フィルタは、基板上に形成された高域遮断型の圧電薄膜からなる圧電体層と、前記圧電体層の一方の主面上に間隙を設けて形成された第１電極、および第２電極と、前記圧電体層の他方の主面上に、前記第１電極、前記第２電極、および前記間隙と対向して形成された第３電極とを備える。そして、上記課題を解決するために、前記間隙または平面形状における前記間隙に対応する位置に形成された電極間質量負荷材料部を更に備え、前記第１電極の密度をρ１、厚みをｈ１、前記第２電極の密度をρ２、厚みをｈ２、前記電極間質量負荷材料部の密度をρａ、厚みをｈａとしたとき、（ρ１×ｈ１）≦（ρａ×ｈａ）、および（ρ２×ｈ２）≦（ρａ×ｈａ）の関係を満足する。
本発明の第２の構成の二重モード圧電フィルタは、基板上に形成された高域遮断型の圧電薄膜からなる圧電体層と、前記圧電体層の一方の主面上に第１の間隙を設けて形成された第１電極、および第２電極と、前記圧電体層の他方の主面上に第２の間隙を設けて形成された第４電極、および第５電極とを備える。前記第１電極と前記第４電極は前記圧電体層を挟んで対向して配置され、前記第２電極と前記第５電極は前記圧電体層を挟んで対向して配置され、前記第１の間隙と前記第２の間隙は前記圧電体層を挟んで対向して設けられる。上記課題を解決するために、前記第１の間隙、または前記第２の間隙に形成された電極間質量負荷材料部を更に備え、前記第１電極の密度をρ１、厚みをｈ１、前記第２電極の密度をρ２、厚みをｈ２、前記第４電極の密度をρ４、厚みをｈ４、前記第５電極の密度をρ５、厚みをｈ５、前記電極間質量負荷材料部の密度をρａ、厚みをｈａとしたとき、（ρ１×ｈ１＋ρ４×ｈ４）≦（ρａ×ｈａ）、および（ρ２×ｈ２＋ρ５×ｈ５）≦（ρａ×ｈａ）の関係を満足する。
本発明の二重モード圧電フィルタの製造方法は、高域遮断型の圧電薄膜からなる圧電体層の一方の主面上に間隙を設けて第１電極、および第２電極を形成する工程と、前記圧電体層の他方の主面上に、少なくとも前記第１電極及び前記第２電極と対向するように第３電極を形成する工程と、前記間隙または平面形状における前記間隙に対応する位置に電極間質量負荷材料部を形成する工程とを備える。前記第１電極の密度をρ１、厚みをｈ１、前記第２電極の密度をρ２、厚みをｈ２、前記電極間質量負荷材料部の密度をρａ、厚みをｈａとしたとき、（ρ１×ｈ１）≦（ρａ×ｈａ）、および（ρ２×ｈ２）≦（ρａ×ｈａ）の関係を満足するように各値を設定する。
上記構成の二重モード圧電フィルタによれば、圧電薄膜の一部を第１電極と第３電極により挟んで構成される第１の振動部、および圧電薄膜の別の一部を第２電極と第３電極により挟んで構成される第２の振動部についての、各々の共振周波数に対して、第１と第２の振動部間に配置され、電極間質量負荷材料部を含むことにより構成される第３の振動部の共振周波数を低域側に移動させることができる。それにより、対称モードの共振周波数と斜対称モードの反共振周波数を略一致、もしくは、対称モードの共振周波数より斜対称モードの反共振周波数を大きくすることができ、低損失、且つ平坦な通過帯域を持った二重モード圧電フィルタを提供することができる。
本発明は上記構成を基本として、以下のような種々の態様をとることができる。
本発明の第１の構成の二重モード圧電フィルタにおいて、前記電極間質量負荷材料部は、前記間隙に対向させて、前記第３電極の両主面上のいずれかに形成することができる。
また、本発明の第１の構成の二重モード圧電フィルタにおいて、前記第１電極と前記第３電極と前記圧電体層からなる第１の振動領域の共振周波数をｆｒ１、前記第２電極と前記第３電極と前記圧電体層からなる第２の振動領域の共振周波数をｆｒ２、前記電極間質量負荷材料部と前記第３電極と前記圧電体層からなる第３の振動領域の共振周波数をｆｒ３としたとき、ｆｒ３が、ｆｒ１およびｆｒ２より低いことが好ましい。
また第２の構成の二重モード圧電フィルタにおいて、前記第１電極と前記第４電極と前記圧電体層からなる第１の振動領域の共振周波数をｆｒ１、前記第２電極と前記第５電極と前記圧電体層からなる第２の振動領域の共振周波数をｆｒ２、前記電極間質量負荷材料部と前記圧電体層からなる第３の振動領域の共振周波数をｆｒ３としたとき、ｆｒ３が、ｆｒ１およびｆｒ２より低いことが好ましい。
また、第１または第２の構成の二重モード圧電フィルタにおいて、好ましくは、前記電極間質量負荷材料部は絶縁性材料からなる層を含み、前記電極間質量負荷材料部を挟む前記第１電極と前記第２電極、または前記第４電極と前記第５電極とが、前記絶縁性材料からなる層により電気的に絶縁されている。
また、前記電極間質量負荷材料部は前記絶縁性材料と導電性材料を含む多層膜からなり、前記導電性材料は、前記絶縁性材料を介して、前記第１電極および前記第２電極、または前記第４電極および前記第５電極とは電気的に絶縁されている。
また、好ましくは、前記絶縁性材料は、酸化珪素（ＳｉＯ2）、窒化珪素（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、または珪素（Ｓｉ）を主成分とする。
また、好ましくは、前記間隙を形成する前記第１電極と前記第２電極の間の電極間隔は、前記間隙で発生する振動の波長の１／２の長さよりも小さい。
また、好ましくは、前記圧電体層、前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極、及び前記電極間質量負荷材料部からなる振動領域の下に、空洞部、または低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層を交互に積層してなる音響ミラー層が形成される。
また、好ましくは、高域遮断型の前記圧電体層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）またはＰＺＴを主成分とする。
また、好ましくは、前記圧電体層の一方の主面上には、前記第１電極と前記第２電極の平面方向の外側に前記第１電極と前記第２電極の領域を囲うように形成された外側質量負荷材料部を備え、前記外側質量負荷材料部の密度をρｔ、厚みをｈｔとしたとき、（ρ１×ｈ１）≦（ρｔ×ｈｔ）、および（ρ２×ｈ２）≦（ρｔ×ｈｔ）の関係を満足する。
上記いずれかの構成の二重モード圧電フィルタを用いて、高周波回路部品を構成し、またその高周波回路部品を用いて通信機器を構成することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る二重モード圧電フィルタの共振部の構造例を示した断面図である。図２は、図１に示した共振部に対する支持構造を含む二重モード圧電フィルタを示した断面図である。図３は、図１に示した二重モード圧電フィルタの配線を含めた構造例を示した上面図である。
本実施形態に係る二重モード圧電フィルタの共振部構造は、図１に示すように、高域遮断型の圧電薄膜からなる圧電体層１上に入出力電極となる第１電極２と第２電極３が形成され、第１電極２と第２電極３間の間隙には、電極間質量負荷材料部を構成する第１質量負荷材料部５が形成されている。さらに、圧電体層１を挟んで、第１電極２、第２電極３、第１質量負荷材料部５に対向し、接地電極となる第３電極４が形成されている。第１電極２と第２電極３は、入出力電極として働くため、第１電極２と第２電極３の電気的な絶縁を確保するため、第１質量負荷材料部５は絶縁性材料により形成される。
以上の構成の共振部が、図２に示すように、基板６の上に支持されることにより、本実施形態に係る二重モード圧電フィルタが構成されている。基板６には、第１電極２、第２電極３、およびその間の領域を覆うように空洞部７が形成されている。
図３にのみ図示されているが、圧電体層１上に、第１電極２の引き出し配線８および端子電極９と、第２電極３の引き出し配線１０および端子電極１１が形成されている。また、基板６上に、第３電極４の引き出し配線１２ａ、１２ｂと端子電極１３ａ、１３ｂが形成されている。
圧電体層１は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、またはＰＺＴ等の高域遮断形の分散特性を有した圧電材料で形成される。第１電極２、第２電極３および第３電極４は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、またはタングステン（Ｗ）等の導電性材料で形成される。第１質量負荷材料部５は、例えば酸化珪素（ＳｉＯ2）、窒化珪素（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、または珪素（Ｓｉ）等の絶縁性材料で形成される。
上記構成により、圧電体層１に高域遮断型の分散特性を有する圧電材料を使用し、発生する２つの振動モード（対称モード、斜対称モード）の結合を改善するため、第１電極２と第２電極３が形成された２つの振動領域の質量負荷効果よりも第１電極２と第２電極３間の領域の質量負荷効果を大きくする。すなわち、第１電極２と第３電極４と圧電体層１からなる第１の振動領域の厚み縦振動の共振周波数をｆｒ１、第２電極３と第３電極４と圧電体層１からなる第２の振動領域の厚み縦振動の共振周波数をｆｒ２、第１質量負荷材料部５と第３電極４と圧電体層１からなる第３の振動領域の厚み縦振動の共振周波数をｆｒ３としたとき、ｆｒ１およびｆｒ２よりもｆｒ３を低くする。
質量負荷効果は、各膜の密度をρ、厚みをｈとしたとき、（ρ×ｈ）で決まる。従って、第１電極２と、第２電極３と、第１質量負荷材料部５が形成される領域において、対向する第３電極４の膜厚が均一である場合、第１質量負荷材料部５の（ρ×ｈ）の値と、第１電極２の（ρ×ｈ）および第２電極３の（ρ×ｈ）の値の関係を、適切に設定する。すなわち、第１電極２の密度をρ１、厚みをｈ１、第２電極３の密度をρ２、厚みをｈ２、電極間質量負荷材料部５の密度をρａ、厚みをｈａとしたとき、下記の関係を満足させる。
（ρ１×ｈ１）≦（ρａ×ｈａ）、および（ρ２×ｈ２）≦（ρａ×ｈａ）
この二重モードフィルタでは、第１電極２および第２電極３と、第３電極４との間に電圧を印加することにより、発生する厚み縦振動基本波を主振動とする対称モードと斜対称モードの２つの振動モードを利用する。その振動を確保するためには、振動確保部を共通とする必要がある。図２に示すように、基板６内には、空洞部７が形成され、その空洞部７は、第１電極２と第２電極３と第１質量負荷材料部５が構成される領域を覆うように構成される。空洞部７の形成には、犠牲層エッチングプロセス、微細加工法を用いた基板裏面からのエッチングプロセス、圧電薄膜を他基板に貼り付ける転写プロセス等を用いることができるが、どのプロセスを選択するかは、本発明の効果に実用上の影響を与えることはない。
また、図４に示すように、第１電極２および第２電極３の平面方向の外側の圧電体層１上に、さらに第２質量負荷材料部１４ａ、１４ｂを外側質量負荷材料部として形成し、発生する２つの振動モードを所望の第１電極２、第２電極３、および第１質量負荷材料部５が形成される領域に閉じ込めることが望ましい。その場合、第２質量負荷材料部１４ａ、１４ｂの密度をρｔ、厚みをｈｔとしたとき、、下記の関係を満足させる。
（ρ１×ｈ１）≦（ρｔ×ｈｔ）、および（ρ２×ｈ２）≦（ρｔ×ｈｔ）
ここで、本実施形態に係る二重モード圧電フィルタの動作原理について説明する。図５Ａ〜図５Ｃに、図４に示した本実施形態に係る二重モード圧電フィルタと、図２３に示した従来例の閉じ込め型二重モード圧電フィルタの解析結果が比較して示される。図５Ａには、横軸を平面方向の波数、縦軸を周波数として、各周波数における平面方向の波数分布、すなわち、分散曲線Ｐ１〜Ｐ４が示される。横軸では、中心を０とし、右側が実数の波数、左側が虚数の波数を示している。したがって、波数が０となる周波数では、平面方向に伝搬しないため、厚み縦振動の共振周波数を示している。また、実数の波数となる周波数では、積極的に平面方向に伝搬し、虚数の波数となる周波数では、減衰しながら伝搬することを示している。また、共振周波数に対して、高周波領域において波数が虚数となる場合に高域遮断型と呼ばれ、低周波領域において波数が虚数となる場合に低域遮断型と呼ばれる。
図５Ａにおいて、Ｐ１は、第１電極２と第３電極４とそれらに挟まれた圧電体層１からなる第１の振動部、および第２電極３と第３電極４とそれらに挟まれた圧電体層１からなる第２の振動部の分散曲線を示す。Ｐ２は、第１質量負荷材料部５と第３電極４とそれらに挟まれた圧電体層１からなる第３の振動部の分散曲線を示す。Ｐ３は、第２質量負荷材料部１４ａ、１４ｂと第３電極４とそれらに挟まれた圧電体層１からなる第４の振動部の分散曲線を示す。また、Ｐ４は、第３の振動部において第１質量負荷材料部５が無い場合、すなわち図２３に示す従来例の二重モード圧電フィルタにおける第１電極と第２電極間の間隙における分散曲線を示す。分散曲線Ｐ１〜Ｐ４はどれも高域遮断型を示している。ここで、第１質量負荷材料部５を配置することで、質量負荷効果により、Ｐ４よりもＰ２の方が、更にはＰ１よりもＰ２の方が低域側に移動していることがわかる。
図５Ｂ、図５Ｃは、横軸を周波数、縦軸をアドミタンスの虚部とし、対称モードのアドミタンス特性と斜対称モードのアドミタンス特性を示している。図５Ｂは、従来例の二重モード圧電フィルタにおける、対称モードのアドミタンス特性Ｔ１と斜対称モードのアドミタンス特性Ｓ１を示す。図５Ｃは図４に示した本実施形態の二重モード圧電フィルタにおける対称モードのアドミタンス特性Ｔ２と斜対称モードのアドミタンス特性Ｓ２を示す。
上記のように第１電極２と第２電極３間の領域における分散曲線Ｐ２をＰ１よりも低域側に移動させることにより、図５Ｃに示すように、対称モードの共振周波数と斜対称モードの反共振周波数を近接させて、略一致させることができる。
図５Ｄは、横軸を周波数、縦軸を挿入損失とし、フィルタ特性を示す。図５Ｄにおいて、Ｆ１は従来例の二重モード圧電フィルタのフィルタ特性を示す。Ｆ２は図４に示した本実施形態の二重モード圧電フィルタのフィルタ特性を示す。上記のように、対称モードの共振周波数と斜対称モードの反共振周波数を略一致させることで、低損失、且つ通過帯域内にリップルの無い平坦な特性を実現することができる。
尚、以上の説明では、振動を確保するため、二重モード圧電フィルタの支持構造として、基板６内に空洞部７を形成した構造について説明したが、音響ミラー構造を設けることにより、空洞部７を形成しない構造とすることも可能である。すなわち、図６に示すように、基板６上に音響ミラー１７を形成して、二重モード圧電フィルタの支持構造とする。これにより、上記の例と同様に低損失、且つ平坦な帯域を持ったフィルタ特性を得ることができる。この構造では、基板６と第３電極４の間に音響ミラー１７を配置する。音響ミラー１７は、厚み縦振動の共振周波数から算出される１／４波長膜厚の低音響インピーダンス層１５ａ、１５ｂと、高音響インピーダンス層１６ａ、１６ｂを交互に配置して構成される。
また、図７に示すような構造により、第２質量負荷材料部１４ａ、１４ｂを形成することもできる。すなわち、第１電極２、および第２電極３上の平面方向に最も外側の領域に、第２質量負荷材料部１４ａ、１４ｂを配置する。この構造によれば、第１電極２における第２質量負荷材料部１４ａが配置されない領域に比べて、第２質量負荷材料部１４ａが配置された領域の方が質量負荷効果が大きい。また、第２電極３における第２質量負荷材料部１４ｂが配置されない領域よりも、第２質量負荷材料部１４ｂが配置された領域の方が質量負荷効果が大きい。これにより、上記の例と同様に所望の第１の振動部、第２の振動部および第３の振動部に振動エネルギーを閉じ込めることができ、更には、第１質量負荷材料部５の効果により、低損失、且つ平坦な帯域を持ったフィルタ特性を得ることができる。
さらに、図８、図９に示すような構造により、第１質量負荷材料部５の上に導電性材料からなる第３質量負荷材料部１８、もしくは絶縁性材料からなる第４質量負荷材料部１９を形成して、２層構造を含む多層構造とすることもできる。
図８に示すように、第１質量負荷材料部５の膜厚を、第１電極２および第２電極３よりも大きくすることで、導電性の第３質量負荷材料部１８を第１電極２および第２電極３と電気的に絶縁する。また、図９に示すように、第１質量負荷材料部５ａの膜厚が第１電極２および第２電極３の膜厚よりも小さくても、第４質量負荷材料部１９が絶縁性の材料であるため、第１電極２と第２電極３は電気的に絶縁される。
ここで、図８においては、第３電極４が第１から第３の振動部において共通の膜厚である場合、第１質量負荷材料部５の（ρ×ｈ）と第３質量負荷材料部１８の（ρ×ｈ）を足し合わせた値は、第１電極２の（ρ×ｈ）および第２電極３の（ρ×ｈ）のそれぞれの値以上に設定される。また、図９においては、第３電極４が第１から第３の振動部において共通の膜厚である場合、第１質量負荷材料部５ａの（ρ×ｈ）と第４質量負荷材料部１９の（ρ×ｈ）を足し合わせた値は、第１電極２の（ρ×ｈ）および第２電極３の（ρ×ｈ）のそれぞれの値以上に設定される。これにより、上記の例と同様に低損失、且つ平坦な帯域を持ったフィルタ特性を得ることができる。また、第３質量負荷材料部１８、および第４質量負荷材料部１９の密度ρを、第１質量負荷材料部５あるいは５ａの密度よりも大きくすると、第１質量負荷材料部５あるいは５ａのみで構成するよりも全体の膜厚を低くすることができる。
（第２の実施形態）
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る二重モード圧電フィルタの共振部の構造例を示した断面図である。
この共振部では、高域遮断型の圧電体層１上に入出力電極となる第１電極２と第２電極３がその間に間隙を設けて形成され、圧電体層１を挟んで、第１電極２、第２電極３、および第１電極２と第２電極３間の間隙に対向して、接地電極となる第３電極４が形成される。更に、圧電体層１と第３電極４を挟んで上記間隙に対向した領域に、第５質量負荷材料部２０が形成される。第１電極２と第２電極３は、平面方向に空間的に離間されているため、第１電極２と第２電極３は、電気的に絶縁される。第５質量負荷材料部２０は、絶縁性材料で構成される。
実際には、図１０に示す共振部構造は、第１の実施形態に係る図２の構造と同様に、基板上に形成され、その基板内には空洞部が形成されて、本実施形態に係る二重モード圧電フィルタが構成されている。また、第１の実施形態に係る図３の構造と同様に、圧電体層１上に、第１電極２の引き出し配線と端子電極が形成され、第２電極３の引き出し配線と端子電極が形成され、また、基板上に、第３電極４の引き出し配線と端子電極が形成される。
第１電極２、第２電極３および第３電極４は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）等の導電性材料で形成される。第５質量負荷材料部２０は、例えば酸化珪素（ＳｉＯ2）、窒化珪素（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、珪素（Ｓｉ）等の絶縁性材料で形成される。圧電体層１は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＰＺＴ等の高域遮断形の分散特性を有した圧電材料で形成される。
第１の実施形態と同様、圧電体層１に高域遮断型の分散特性を有する圧電材料を使用し、発生する２つの振動モード（対称モード、斜対称モード）の結合を改善するため、第１電極２と第２電極３が形成される２つの振動領域の質量負荷効果よりも第１電極２と第２電極３間の領域の質量負荷効果を大きくする。即ち、第１電極２と、第２電極３と第５質量負荷材料部２０が形成される領域において、対向する第３電極４の膜厚が均一である場合、第５質量負荷材料部２０の（ρ×ｈ）を、第１電極２の（ρ×ｈ）および第２電極３の（ρ×ｈ）のそれぞれの値以上に設定する。
この二重モードフィルタでは、第１電極２および第２電極３と第３電極４の間に電圧を印加することにより発生する、厚み縦振動基本波を主振動とする対称モードと斜対称モードの２つの振動モードを利用する。その振動を確保するためには、振動確保部は共通とする必要がある。したがって、第１の実施形態の図２と同様、基板内には空洞部が形成され、その空洞部は、第１電極２と第２電極３と第５質量負荷材料部２０が構成される領域を覆うように構成される。空洞部の形成には、犠牲層エッチングプロセス、微細加工法を用いた基板裏面からのエッチングプロセス、圧電薄膜を他基板に貼り付ける転写プロセス等を用いることができるが、どのプロセスを選択するかにより本発明の効果が実質的な影響を受けることはない。
第１の実施形態の図４と同様、圧電体層１上の第１電極２および第２電極３の平面方向の外側に、さらに第２質量負荷材料部１４ａ、１４ｂを形成し、発生する２つの振動モードの振動エネルギーを所望の第１電極２、第２電極３、および第５質量負荷材料部２０が形成された領域に閉じ込めることが望ましい。
以上のように、第１の実施形態の動作原理と同様に、本実施形態の二重モード圧電フィルタは、低損失、且つ平坦な帯域を持ったフィルタ特性を得ることができる。
尚、第１の実施形態の二重モード圧電フィルタと同様に、空洞部に代えて、図６に示したように、基板と第３電極４の間に音響ミラーを配置して、支持ならびに厚み縦振動を確保してもよい。
また、第３電極４は接地電極として使用されるため、図１１に示すように、第５質量負荷材料部２０は、導電性の第６質量負荷材料部２１に代えてもよい。第６質量負荷材料部２１は、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）等の導電性材料で形成される。
また、図１２に示すように、絶縁性の第５質量負荷材料部２０もしくは、導電性の第６質量負荷材料部２１に代えて、接地電極となる第３電極４と圧電体層１の間に、第７質量負荷材料部２２を設けることもできる。
さらに、第１の実施形態のように、第５から７質量負荷材料部２０、２１、２２は、異なる絶縁性材料、もしくは絶縁性材料と導電性材料の多層膜構造としても構わない。
（第３の実施形態）
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る二重モード圧電フィルタの共振部の構造例を示した断面図である。
この共振部では、高域遮断型の圧電体層１上に第１電極２と第２電極３がその間に第１間隙を設けて形成され、圧電体層１を挟んで、第４電極２３と第５電極２４がその間に第２間隙を設けて形成される。圧電体層１を挟んで、第１電極２と第４電極２３が対向し、第２電極３と第５電極２４が対向し、第１間隙と第２間隙が対向して配置される。更に、第１間隙には、第８質量負荷材料部２５が形成される。第８質量負荷材料部２５は、絶縁性材料で構成されるため、第１電極２と第２電極３は電気的に絶縁される。また、第４電極２３と第５電極２４は平面方向に空間的に離間されるため、電気的に絶縁される。
実際には、図１３に示す共振部構造は、第１の実施形態に係る図２の構造と同様に、基板上に形成され、その基板内には空洞部が形成され、本実施形態に係る二重モード圧電フィルタが構成されている。また、第１の実施形態に係る図３の構造と同様に、圧電体層１上に、第１電極２の引き出し配線と、端子電極が形成され、第２電極３の引き出し配線と端子電極が形成され、また、基板上に、第４電極２３の引き出し配線と端子電極が形成され、第５電極２４の引き出し配線と端子電極が形成される。
第１電極２、第２電極３、第４電極２３、および第５電極２４は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）等の導電性材料で形成される。第８質量負荷材料部２５は、例えば酸化珪素（ＳｉＯ2）、窒化珪素（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、珪素（Ｓｉ）等の絶縁性材料で形成される。圧電体層１は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＰＺＴ等の高域遮断形の分散特性を有した圧電材料で形成される。
第１の実施形態と同様、圧電体層１に高域遮断型の分散特性を有する圧電材料を使用し、発生する２つの振動モード（対称モード、斜対称モード）の結合を改善するため、第１電極２と第２電極３が形成される２つの振動領域の質量負荷効果よりも第１電極２と第２電極３間の領域の質量負荷効果を大きくする。
ここで、第１の実施形態に係る二重モード圧電フィルタにおける第３電極４に対応する電極は、本実施形態では第４電極２３と第５電極２４に分割され、第８質量負荷材料部２５に対向する領域において電極がない構造となっている。したがって、第８質量負荷材料部２５の（ρ×ｈ）の値と、第１電極２の（ρ×ｈ）と第４電極２３の（ρ×ｈ）を足し合わせた値、および第２電極３の（ρ×ｈ）と第５電極２４の（ρ×ｈ）を足し合わせた値との関係を、適切に設定する。すなわち、第１電極２の密度をρ１、厚みをｈ１、第２電極３の密度をρ２、厚みをｈ２、第４電極２３の密度をρ４、厚みをｈ４、第５電極２４の密度をρ５、厚みをｈ５、第８質量負荷材料部２５の密度をρａ、厚みをｈａとしたとき、下記の関係を満足させる。
（ρ１×ｈ１＋ρ４×ｈ４）≦（ρａ×ｈａ）、および
（ρ２×ｈ２＋ρ５×ｈ５）≦（ρａ×ｈａ）
この二重モードフィルタでは、第１電極２と第４電極２３および第２電極３と第５電極２４の間に電圧を印加することにより発生する厚み縦振動基本波を主振動とする対称モードと斜対称モードの２つの振動モードを利用する。その振動を確保するためには、振動確保部は共通とする必要がある。第１の実施形態の図２と同様、基板内には、空洞部が形成され、その空洞部は、第１電極２と第２電極３と第８質量負荷材料部２５が構成される領域を覆うように構成される。空洞部の形成には、犠牲層エッチングプロセス、微細加工法を用いた基板裏面からのエッチングプロセス、圧電薄膜を他基板に貼り付ける転写プロセス等を用いることができるが、どのプロセスを選択するによって本発明の効果が実質的な影響を受けることはない。
第１の実施形態の図４と同様、圧電体層１上の第１電極２および第２電極３の平面方向の外側に、さらに第２質量負荷材料部１４ａ、１４ｂを形成し、発生する２つの振動モードの振動エネルギーを所望の第１電極２、第２電極３、および第８質量負荷材料部２５が形成された領域に閉じ込めることが望ましい。
以上のように、第１の実施形態の動作原理と同様に、本実施形態の二重モード圧電フィルタは、低損失、且つ平坦な帯域を持ったフィルタ特性を得ることができる。
尚、第１の実施形態の二重モード圧電フィルタと同様に、空洞部に代えて、図６に示したように、基板と第４電極２３、第５電極２４の間に音響ミラーを配置して、支持ならびに厚み縦振動を確保してもよい。
また、図１４に示すように、第８質量負荷材料部２５を、第４電極２３と第５電極２４間の第２間隙に形成してもよい。
また、第１の実施形態のように、第８質量負荷材料部２５は、異なる絶縁性材料、もしくは絶縁性材料と導電性材料の多層膜構造としても構わない。
また、第１電極２を入力（出力）電極とし、第２電極３を出力（入力）電極とし、第４電極２３と第５電極２４を図示した他の領域で接続し、接地電極として、２端子型フィルタを構成することもできる。
また、第１電極２を第１の入力（出力）電極とし、第２電極３を第１の出力（入力）電極とし、第４電極２３を第２の入力（出力）電極とし、第５電極２４を第２の出力（入力）電極として、４端子型フィルタ（平衡−平衡型フィルタ）としても構わない。
また、第１電極２、第２電極３、第４電極２３、第５電極２４の内、いずれか一つを接地電極として３端子型フィルタ（平衡−不平衡変換型フィルタ）としても構わない。
（第４の実施形態）
図１５Ａ〜図１５Ｃは、本発明の第１から第３の実施形態に係る二重モード圧電フィルタにおいて、第３の振動部の平面方向の長さを変化させた場合の計算結果を示す。ここで、第３の振動部の平面方向の長さとは、第１電極２と第２電極３の間隙の長さ、すなわち電極間隔に相当する。従って、以下の説明では「電極間隔」を用いる。また、第３の振動部の平面方向とは、電極間隔の方向を意味する。図１５Ａには分散曲線を示し、図１５Ｂにはフィルタ特性を示し、図１５Ｃには電極間隔に対する帯域幅の変化を示す。
図１５Ａにおいて、Ｐ１は第１および第２の振動部の分散曲線、Ｐ２は第３の振動部の分散曲線を示している。この分散曲線が示す特性は、平面方向の長さに影響を受けないものであるため、電極間隔を変化させても、分散曲線自体は変化しない。また、点Ｘは第１および第２の振動部における厚み縦振動の共振周波数を示し、点Ｙはその周波数において第３の振動部に発生する振動の平面方向の波数を示している。すなわち、フィルタの通過帯域は一般的に第１および第２の振動部の共振周波数付近で形成されるため、通過帯域の周波数において第３の振動部に発生する振動の平面方向の波長λｙは、点Ｙの波数をｋｙとしたとき、２π／ｋｙで表される。
図１５Ｂにおいて、Ｄ１からＤ４は波長λｙに対する電極間隔の比を異ならせた場合のフィルタ特性（周波数に対する挿入損失）を示す。それぞれＤ１は比が０．１２５λｙ、Ｄ２は０．２５λｙ、Ｄ３は０．５λｙ、Ｄ４はλｙと等しい場合の結果である。ここで、電極間隔が大きくなるほど、フィルタの通過帯域が狭くなっていることがわかる。これは、発生する２つのモードの結合が劣化するためである。
図１５Ｃでは、横軸を電極間隔を波長で規格化した値とし、縦軸をフィルタの帯域幅（−３ｄＢ）を中心周波数で規格化した値としている。同図から、フィルタの帯域幅（−３ｄＢ）は、電極間隔が０．５λｙよりも大きい場合に極端に小さくなっていることが判る。すなわち、十分な通過帯域を持ったフィルタを実現するには、電極間隔を０．５λｙよりも小さくすることが望ましい。
（第５の実施形態）
図１６は、本発明の第５の実施形態に係る高周波回路部品の一例であるアンテナ共用器のブロック図を示す。同図のアンテナ共用器３７は、送信端子３１、受信端子３２、およびアンテナ端子３３を有する。送信端子３１と受信端子３２間には、送信フィルタ３４、移相回路３５、および受信フィルタ３６が順に配置されている。送信フィルタ３４と移相回路３５間にアンテナ端子３３が接続されている。送信フィルタ３４および受信フィルタ３６の少なくとも一方として、上記いずれかの実施形態に係る二重モード圧電フィルタが具備される。
また、図１７に示すように、本発明の各実施形態における二重モード圧電フィルタは、通信機器４７に用いることができる。同図の通信機器４７では、送信端子４１から入った信号がベースバンド部４２を通り、パワーアンプ４３で信号が増幅され、送信フィルタ３４を通りフィルタリングされ、アンテナ４４から電波が送信される。また、アンテナ４４から受信した信号は、受信フィルタ３６を通りフィルタリングされ、ＬＮＡ４５により増幅され、ベースバンド部４２を通り受信端子４６に伝達される。送信フィルタ３４および受信フィルタ３６の少なくとも一方として、上記いずれかの実施形態に係る二重モード圧電フィルタが具備される。
以上のように、本発明に係る二重モード圧電フィルタは、低損失、且つ帯域が平坦であるフィルタ特性を持ち、低損失特性を備えた高周波フィルタや共用器などの高周波回路部品、低損失フィルタを備えた低消費電力で通話品質に優れた通信機器に有用である。
本発明に係る二重モード圧電フィルタは、低損失、且つ帯域が平坦であるフィルタ特性を持ち、低損失特性を備えた高周波フィルタや共用器などの高周波回路部品、低損失フィルタを備えた低消費電力で通話品質に優れた通信機器に有用である。
本発明の第１の実施形態に係る二重モード圧電フィルタの共振部の構造例を示した断面図 同二重モード圧電フィルタの支持構造を含めた断面図 同二重モード圧電フィルタの配線を含めた上面図 同二重モード圧電フィルタのエネルギー閉じ込めを実現する構成を示す断面図 本発明の第１の実施形態に係る二重モード圧電フィルタにおける各振動部の分散特性を示す図 従来例の二重モード圧電フィルタにおける対称モードおよび斜対称モードのアドミタンス特性を示す図 本発明の第１の実施形態に係る二重モード圧電フィルタにおける対称モードおよび斜対称モードのアドミタンス特性を示す図 同二重モード圧電フィルタにおけるフィルタ特性を示す図 同二重モード圧電フィルタの他の支持構造を含めた断面図 同二重モード圧電フィルタのエネルギー閉じ込めを実現する他の構成を示す断面図 同二重モード圧電フィルタの共振部における質量負荷材料部を多層膜とした構造例を示した断面図 同二重モード圧電フィルタの共振部における質量負荷材料部を多層膜とした他の構造例を示した断面図 本発明の第２の実施形態に係る二重モード圧電フィルタの共振部の構造例を示した断面図 同二重モード圧電フィルタの共振部における質量負荷材料部の材料を代えた他の構造例を示した断面図 同二重モード圧電フィルタの共振部における質量負荷材料部が形成される位置を代えた他の構造例を示した断面図 本発明の第３の実施形態に係る４端子を備える二重モード圧電フィルタの共振部の構造例を示した断面図 同二重モード圧電フィルタの共振部における質量負荷材料部の位置を代えた他の構造例を示した断面図 本発明の第４の実施形態に係る二重モード圧電フィルタにおける各振動部の分散特性を示す図 同二重モード圧電フィルタにおけるフィルタ特性を示す図 同二重モード圧電フィルタにおける帯域の変化を示す図 本発明の二重モード圧電フィルタを具備した共用器の構成例を示すブロック図 本発明の二重モード圧電フィルタを具備した通信機器の構成例を示すブロック図 従来例の二重モードを利用したＭＣＦ（モノリシック・クリスタル・フィルタ）の構成を示す上面図、 同ＭＣＦの断面図 従来例の二重モードを利用したＭＣＦの他の構成を示す断面図 従来例の圧電薄膜にＡｌＮを利用した二重モード圧電フィルタの構成を示す断面図 従来例の高域遮断型の圧電薄膜を利用した二重モード圧電フィルタの構成及び振動分布を示す図 従来例の同二重モード圧電フィルタにおける各振動部の分散特性を示す図 従来例の同二重モード圧電フィルタにおける対称モードおよび斜対称モードのアドミタンス特性を示す図 従来例の同二重モード圧電フィルタにおけるフィルタ特性を示す図 従来例の高域遮断型の圧電薄膜を利用した二重モード圧電フィルタのエネルギー閉じ込めを実現する他の構成及び振動分布を示す図 従来例のエネルギー閉じ込めを実現する二重モード圧電フィルタにおける各振動部の分散特性を示す図 従来例のエネルギー閉じ込めを実現する二重モード圧電フィルタにおける対称モードおよび斜対称モードのアドミタンス特性を示す図 従来例のエネルギー閉じ込めを実現する二重モード圧電フィルタにおけるフィルタ特性を示す図
符号の説明
１ 高域遮断型の圧電薄膜
２ 第１電極
３ 第２電極
４ 第３電極
５、５ａ 第１質量負荷材料部
６ 基板
７ 空洞部
８、１０、１２ 配線電極
９、１１、１３ 端子電極
１４ａ、１４ｂ 第２質量負荷材料部
１５ 低音響インピーダンス層
１６ 高音響インピーダンス層
１７ 音響ミラー
１８〜２２ 第３〜第７質量負荷材料部
２３ 第４電極
２４ 第５電極
２５ 第８質量負荷材料部
３１ 送信端子
３２ 受信端子
３３ アンテナ端子
３４ 送信フィルタ
３５ 移相回路
３６ 受信フィルタ
３７ アンテナ共用器
４１ 送信端子
４２ ベースバンド部
４３ パワーアンプ
４４ アンテナ
４５ ＬＮＡ
４６ 受信端子
５１ 圧電基板
５２ 振動部
５３ 環状囲繞部
５４ 電極
５５ 全面電極
５６ リード電極
５７ ボンディングパット用電極
６１ 水晶基板
６２、６３、６４、６５ 電極
６６ 金属薄膜
７１ 圧電板
８１ 入力用電極
８２ 出力用電極
８３ 接地用電極
８４ 窒化珪素膜
８５ 酸化珪素膜
８６ 支持基板
９０、１００ 二重モード圧電フィルタ
９１ 圧電薄膜
９２、９３ 上部電極
９４ 下部電極
９５ 基板
９６ 空洞部
９７ａ、９７ｂ 質量負荷材料部

Claims (22)

  1. 基板上に形成された高域遮断型の圧電薄膜からなる圧電体層と、
    前記圧電体層の一方の主面上に間隙を設けて形成された第１電極、および第２電極と、
    前記圧電体層の他方の主面上に、前記第１電極、前記第２電極、および前記間隙と対向して形成された第３電極とを備えた二重モード圧電フィルタにおいて、
    前記間隙または平面形状における前記間隙に対応する位置に形成された電極間質量負荷材料部を更に備え、
    前記第１電極の密度をρ１、厚みをｈ１、前記第２電極の密度をρ２、厚みをｈ２、前記電極間質量負荷材料部の密度をρａ、厚みをｈａとしたとき、
    （ρ１×ｈ１）≦（ρａ×ｈａ）、および（ρ２×ｈ２）≦（ρａ×ｈａ）
    の関係を満足することを特徴とする二重モード圧電フィルタ。
  2. 前記電極間質量負荷材料部は、前記間隙に対向し、前記第３電極の両主面上のいずれかに形成されている請求項１に記載の二重モード圧電フィルタ。
  3. 前記第１電極と前記第３電極と前記圧電体層からなる第１の振動領域の共振周波数をｆｒ１、
    前記第２電極と前記第３電極と前記圧電体層からなる第２の振動領域の共振周波数をｆｒ２、
    前記電極間質量負荷材料部と前記第３電極と前記圧電体層からなる第３の振動領域の共振周波数をｆｒ３としたとき、
    ｆｒ３が、ｆｒ１およびｆｒ２より低い請求項１に記載の二重モード圧電フィルタ。
  4. 前記電極間質量負荷材料部は絶縁性材料からなる層を含み、前記電極間質量負荷材料部を挟む前記第１電極と前記第２電極とが、前記絶縁性材料からなる層により電気的に絶縁されている請求項１に記載の二重モード圧電フィルタ。
  5. 前記電極間質量負荷材料部は前記絶縁性材料と導電性材料を含む多層膜からなり、
    前記導電性材料は、前記絶縁性材料を介して、前記第１電極および前記第２電極とは電気的に絶縁されている請求項４に記載の二重モード圧電フィルタ。
  6. 前記絶縁性材料は、酸化珪素（ＳｉＯ2）、窒化珪素（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、または珪素（Ｓｉ）を主成分とする請求項４に記載の二重モード圧電フィルタ。
  7. 前記間隙を形成する前記第１電極と前記第２電極の間の電極間隔は、前記間隙で発生する振動の波長の１／２の長さよりも小さい請求項１に記載の二重モードフィルタ。
  8. 前記圧電体層、前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極、及び前記電極間質量負荷材料部からなる振動領域の下に空洞部、または低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層を交互に積層してなる音響ミラー層が形成された請求項１に記載の二重モード圧電フィルタ。
  9. 高域遮断型の前記圧電体層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）またはＰＺＴを主成分とする請求項１に記載の二重モード圧電フィルタ。
  10. 前記圧電体層の一方の主面上には、前記第１電極と前記第２電極の平面方向の外側に前記第１電極と前記第２電極の領域を囲うように形成された外側質量負荷材料部を備え、
    前記外側質量負荷材料部の密度をρｔ、厚みをｈｔとしたとき、
    （ρ１×ｈ１）≦（ρｔ×ｈｔ）、および（ρ２×ｈ２）≦（ρｔ×ｈｔ）
    の関係を満足する請求項１に記載の二重モード圧電フィルタ。
  11. 基板上に形成された高域遮断型の圧電薄膜からなる圧電体層と、
    前記圧電体層の一方の主面上に第１の間隙を設けて形成された第１電極、および第２電極と、
    前記圧電体層の他方の主面上に第２の間隙を設けて形成された第４電極、および第５電極とを備え、
    前記第１電極と前記第４電極は前記圧電体層を挟んで対向して配置され、
    前記第２電極と前記第５電極は前記圧電体層を挟んで対向して配置され、
    前記第１の間隙と前記第２の間隙は前記圧電体層を挟んで対向して設けられた二重モード圧電フィルタにおいて、
    前記第１の間隙、または前記第２の間隙に形成された電極間質量負荷材料部を更に備え、
    前記第１電極の密度をρ１、厚みをｈ１、前記第２電極の密度をρ２、厚みをｈ２、前記第４電極の密度をρ４、厚みをｈ４、前記第５電極の密度をρ５、厚みをｈ５、前記電極間質量負荷材料部の密度をρａ、厚みをｈａとしたとき、
    （ρ１×ｈ１＋ρ４×ｈ４）≦（ρａ×ｈａ）、および
    （ρ２×ｈ２＋ρ５×ｈ５）≦（ρａ×ｈａ）
    の関係を満足することを特徴とする二重モード圧電フィルタ。
  12. 前記第１電極と前記第４電極と前記圧電体層からなる第１の振動領域の共振周波数をｆｒ１、
    前記第２電極と前記第５電極と前記圧電体層からなる第２の振動領域の共振周波数をｆｒ２、
    前記電極間質量負荷材料部と前記圧電体層からなる第３の振動領域の共振周波数をｆｒ３としたとき、
    ｆｒ３が、ｆｒ１およびｆｒ２より低い請求項１１に記載の二重モード圧電フィルタ。
  13. 前記電極間質量負荷材料部は絶縁性材料からなる層を含み、前記電極間質量負荷材料部を挟む前記第１電極と前記第２電極、または前記第４電極と前記第５電極とが、前記絶縁性材料からなる層により電気的に絶縁されている請求項１１に記載の二重モード圧電フィルタ。
  14. 前記電極間質量負荷材料部は前記絶縁性材料と導電性材料を含む多層膜からなり、
    前記導電性材料は、前記絶縁性材料を介して、前記第１電極および前記第２電極、または前記第４電極および前記第５電極とは電気的に絶縁されている請求項１３に記載の二重モード圧電フィルタ。
  15. 前記絶縁性材料は、酸化珪素（ＳｉＯ2）、窒化珪素（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、または珪素（Ｓｉ）を主成分とする請求項１３に記載の二重モード圧電フィルタ。
  16. 前記間隙を形成する前記第１電極と前記第２電極の間の電極間隔は、前記間隙で発生する振動の波長の１／２の長さよりも小さい請求項１１に記載の二重モードフィルタ。
  17. 前記圧電体層、前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極、及び前記電極間質量負荷材料部からなる振動領域の下に空洞部、または低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層を交互に積層してなる音響ミラー層が形成された請求項１１に記載の二重モード圧電フィルタ。
  18. 高域遮断型の前記圧電体層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）またはＰＺＴを主成分とする請求項１１に記載の二重モード圧電フィルタ。
  19. 前記圧電体層の一方の主面上には、前記第１電極と前記第２電極の平面方向の外側に前記第１電極と前記第２電極の領域を囲うように形成された外側質量負荷材料部を備え、
    前記外側質量負荷材料部の密度をρｔ、厚みをｈｔとしたとき、
    （ρ１×ｈ１）≦（ρｔ×ｈｔ）、および（ρ２×ｈ２）≦（ρｔ×ｈｔ）
    の関係を満足する請求項１１に記載の二重モード圧電フィルタ。
  20. 高域遮断型の圧電薄膜からなる圧電体層の一方の主面上に間隙を設けて第１電極、および第２電極を形成する工程と、
    前記圧電体層の他方の主面上に、少なくとも前記第１電極及び前記第２電極と対向するように第３電極を形成する工程と、
    前記間隙または平面形状における前記間隙に対応する位置に電極間質量負荷材料部を形成する工程とを備え、
    前記第１電極の密度をρ１、厚みをｈ１、前記第２電極の密度をρ２、厚みをｈ２、前記電極間質量負荷材料部の密度をρｂ、厚みをｈａとしたとき、
    （ρ１×ｈ１）≦（ρａ×ｈａ）、および（ρ２×ｈ２）≦（ρａ×ｈａ）
    の関係を満足するように各値を設定することを特徴とする二重モード圧電フィルタの製造方法。
  21. 二重モード圧電フィルタを少なくとも一つ備え、
    前記二重モード圧電フィルタは、請求項１または１１に記載の二重モード圧電フィルタである高周波回路部品。
  22. アンテナ、送信回路および受信回路を備えた通信機器であって、
    前記アンテナと前記送信回路または前記受信回路との接続部、もしくは、前記送信回路および前記受信回路の少なくともいずれか一方に、請求項２１に記載の高周波回路部品を備えた通信機器。
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