JP2008522514A - 高い帯域幅を伴う、音響表面波で作動する構成素子 - Google Patents

Abstract

本発明は、音響表面波で作動する構成素子の電極構造体の層構造に関する。この電極構造体はここで、音響インピーダンスＺ_ａ，ｄを有する誘電層（４）によって覆われている。電極構造体の層構造は第１の層システムを含み、当該第１の層システムは、第１の材料から成る少なくとも１つの第１の層（３１，３２）から成り、この第１の層内では音響インピーダンスは２Ｚ_ａ，ｄより小さく、層構造はさらに第２の層システムを含み、この第２の層システムは、第２の材料から成る少なくとも１つの第２の層（２１，２２、２３）から成り、この第２の層内では音響インピーダンスは値２Ｚ_ａ，ｄを上回る。この多層構造の全体高さに対する、前記第２の層システムの全体厚さの相対的な割合は１５％〜８５％の間である。

Description

本発明は、音響表面波で作動する構成素子、殊に高周波フィルタに関する。

高周波フィルタの帯域幅は、フィルタの中心周波数に対して少なくとも５％であるべきである。移動無線機器のフロントモジュール内で使用される、音響表面波で作動する構成素子の場合には、構成素子の電極構造体のパワーコンパチビリティないしは出力互換性（Leistungsvertraeglichkeit）も重要である。

ＡｌＭｇＣｕまたはＡｌＺｒＣｕおよびＴｉから成る層列を有する、パワーコンパチビリティのある電極構造体は、刊行物「High Power Durable Electrodes for GHz Band SAW Duplxers ( R.Takayama等著、Ultrasonics Symposium, 2000 IEEE,第１巻、pp.9〜13）から公知である。

ＥＰ０７３４１２０Ｂ１号およびＵＳ２００４／０１４０７３４Ａ１号からそれぞれ、表面波で作動する構成素子が公知である。この文献では、上部に電極構造体が配置されているピエゾ圧電基板の表面が、二酸化ケイ素から成る温度補償層によって覆われている。電極構造体は、ＡｌまたはＡｌ合金から成る層によって形成されている。しかしこのような構成素子は、特定の高周波使用に対しては不十分であり得る帯域幅を有している。

ＳｉＯ_２層によって覆われた電極構造体が主にＡｇを含有している、表面波で作動する別の構成素子は、文献ＵＳ２００３／０１３７３６７Ａ１号から公知である。

本発明の課題は、高いパワーコンパチビリティと高い帯域幅を有する、音響表面波で作動する構成素子を提供することである。

本発明の上述の課題は、請求項１に記載された特徴部分の構成を有する構成素子によって解消される。本発明の別の形態および有利な構成は、別の請求項に記載されている。

表面波で作動する構成素子はストリップ形状の、ピエゾ圧電基板上に周期的に配置された電極構造体を有している。この電極構造体は、電流集積区分と接続されている。同じ電圧と接続されている２つの電極構造体の中央の間の間隔は、各構成素子構造体において表面波の波長を定める。

音響表面波で作動する構成素子の帯域幅は、電極構造体の縁部での音響反射の強さないしは相応する音響インピーダンス亀裂に依存する。

材料の音響インピーダンスは、公式Ｚ_ａ＝（ρ ｃ）^１／２に基づいて定められる。ここでｃは剛性であり、ρは材料の密度である。接している２つの材料においてＺ_ａが異なっている場合に、２つの材料の間の境界面、例えば電極縁部で音響インピーダンス亀裂が生じる。

上部に電極構造体が配置された構成素子のピエゾ圧電基板の表面が、この電極構造体の材料（通常はアルミニウム）と類似の音響インピーダンスを有する誘電層（例えば二酸化ケイ素）によって覆われる場合には、不十分な音響反射が電極縁部で、すなわち電極構造体と誘電層の間の境界面で生じてしまう。

発明者は、音響表面波の反射強度が、電極構造体の材料によって影響されることに気付いた。電極縁部での音響インピーダンス亀裂ないし反射強度は殊に次のことによって高められる。すなわち、電極構造体の層構造において少なくとも１つの厚い層に、誘電層内の音響インピーダンスに対して格段に異なる音響インピーダンスが設定されることによって高められる。この層の厚さを適切に選択することによって、使用時に必要な音響反射強度を調整することができる。

ピエゾ圧電基板とこのピエゾ圧電基板上に配置された多層電極構造体を有する、音響表面波で作動する構成素子が提示される。この多層電極構造体は、音響インピーダンスＺ_ａ、ｄを有する誘電層によって覆われる。電極構造体の層構造は一方では第１の層システムを含み、他方では第２の層システムを含む。この第１の層システムは、音響インピーダンスＺ_ａ、１が２Ｚ_ａ、ｄよりも小さい、第１の材料から成る少なくとも１つの第１の層から成る。第２の層システムは、音響インピーダンスＺ_ａ、２が少なくとも２Ｚ_ａ、ｄである、第２の材料から成る少なくとも１つの第２の層から成る。多層構造体の全体高さに対する、第２の層システムの全体厚の相対的な割合は１５％〜８５％の間であり、有利には最大で６０％である。

第１の材料としては、例えばＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉまたはアルミニウム合金が適している。第２の材料としては、例えばＣｕ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕまたはこれらの金属の合金が適している。

構成素子内では有利には高周波フィルタが実現される。このフィルタは中心周波数および帯域幅によって特徴付けられる。

本発明では電極構造体は、大きな帯域幅の他に、高いパワーコンパチビィリティおよび長い寿命を特徴とする。

電極構造体の全体的な高さは有利には音響表面波の波長の５％〜１０％の間である。この波長は、実質的には、同じ電気的ポテンシャルと接続されているストリップ状の２つの電極構造体の間の中央間隔に等しい。

有利な形態では、第２の層システムは唯一の第２の層、有利にはＣｕ層またはＷ層から成る。この層は有利には最下層であるか、または多層構造体の下方層である。しかしこの第２の層は多層構造体の最上層を形成することもできる。この第２の層は択一的に、多層構造体内の別の箇所、有利には２つの第１の層の間に配置される。

第１の層システムは、有利にはＡｌまたはＡｌ合金から成る唯一の第１の層から成る。この第１の層システムは択一的に、複数の、有利には相互に別個にされた第１の層から成る。第１の層システムの異なる層は同じ材料、例えばＡｌから成ってもよい。第１の層システムの異なる層は相互に異なる材料から成ってもよい。

第２の層システム内には有利には同じ種類の複数の第２の層（例えばＣｕから成る）が設けられる。ある形態では、第２の層システム内に複数の、相互に異なる第２の層（例えばＣｕ層並びにＡｕ層が別の第２の層として）設けられる。

第１の層および第２の層が複数の場合には、第１の層は有利には、第２の層と交互の順番で配置される。第１（または第２）の層システムの種々異なる層は、相互に接していてもよい。

この多層構造の全体高さに対する、第２の層システムの相対的な全体厚さは、有利には２５％〜５０％である。

ある実施例では、ピエゾ圧電基板の方を向いている側の多層構造の層は、付着仲介層であり、例えばチタンから成る。

誘電層（例えば二酸化ケイ素または窒化ケイ素）は有利には温度補償層であり、その熱膨張係数は、ピエゾ圧電基板および／または電極構造体と反対の符号を有している。温度補償層は、構成素子構造体の膨張に対抗して作用し、この際に、温度変化時の構成素子コンポーネントの熱膨張によって構成素子の中心周波数が移動してしまうのを阻止する。

（ピエゾ圧電基板の表面から測定された）誘電層の高さは、有利には音響表面波の波長の２０％〜４０％である。

以下で、本発明を実施例および実施例に属する図に基づいてより詳細に説明する。図は概略的であり、縮尺通りではない表示に基づいて、本発明の種々異なる実施例を示している。同じ部分または同じ作用を有する部分には同じ参照番号が付与されている。

図１は、多層構造体の最下層として第１の層を有する電極構造体の層構造の例を示しており、
図２は、多層構造体の最上層として第１の層を有する電極構造体の層構造の例を示しており、
図３は、２つの第１の層の間に配置された第２の層を有する電極構造体の層構造の例を示しており、
図４は、相互に接している２つの第２の層を有した、図３に示された構成の別の形態を示しており、
図５は、ピエゾ圧電基板の方を向いている付着仲介層を有する電極構造体の層構造を示しており、
図６は、第１の層と第２の層が交互に配置されている電極構造体の層構造を示している。

図１には、本発明の電極構造体を有する部分的な構成素子が示されている。この電極構造体はピエゾ圧電基板１上に配置されており、下方に配置された第１の層３（例えばＡｌ層）から成り、この第１の層の上には第２の層（例えばＣｕ層）が配置されている。層２、３は積層体を構成している。

電極構造体は、誘電層４（有利には二酸化ケイ素）によって覆われている。誘電層４は、基板１の表面によって閉鎖されており、このようにして電極構造体２、３をカプセル封入する。

基板１はリチウムタンタル、リチウムニオブ、クオーツまたは他の適切なピエゾ圧電材料から成っていてもよい。基板は複数の層から成っていてもよい。この場合には、少なくとも基板の最上層はピエゾ圧電性である。

図２には、第２の層２が第１の層３の下に配置されている実施例が示されている。

図３に示された形態では、第２の層２は２つの第１の層３１、３２の間に配置されている。第１の層システムは第１の層３１、３２を含む。これらはそれぞれ（ここでは別の第１の層として構成されている）付着仲介層５１、５２と接している。付着仲介層５１は最下層３１と第２の層２の間に配置されている。付着仲介層５２は、最上層３２と第２の層の間に配置されている。

付着仲介層は、２つの層の間のより良好な結合のために用いられ、基本的に第１の層と第２の層の間、多層構造の最上層と誘電層の間または最下層（図５における第２の層ないし図３における第１の層）とピエゾ圧電基板１の間に配置される。

その音響速度に基づいて第１の層システムに割り当てられた付着仲介層５、５１、５２は有利にはＴｉから成る。付着仲介層５、５１、５２は、基本的に第２の層（例えばＰｔから成る）として選択され、第２の層システムに割り当てられてもよい。

図４には、相互に接している、異なる第２の材料から成る２つの第２の層２１、２２を有する形態が示されている。これらはともに第２の層を構成する。これらの層から成る結合体はここでは２つの第１の層３１、３２の間に配置されている。このような結合体の配置は、図１または図２に示された唯一の第２の層２の代わりにも可能である。

異なる第２の材料から成る２つの第２の層２１、２２は相互に、少なくとも１つの第１の層ないし付着仲介層によっても分けられる。

図３および６では２つの第１の層３１、３２が相互に別個にされている。これらの異なる第１の層は、有利には同じ第１の材料から成る。これらの異なる第１の層は択一的に、殊に順次連続する第１の層の場合には、異なる第１の材料から成り得る。２つの相互に別個にされた第１の層も、異なる材料（例えば異なるＡｌ合金）から成り得る。

図１から図４では第２の層２の相対的厚さまたは層２１、２２の全体の厚さは有利には、電極構造体の全体高さの２０％〜３０％の間である。図５には、第２の層２を有する形態が示されており、第２の層の高さの割合は、電極構造の全体高さにおいて４０％〜５０％の間である。

図６では、電極構造体の多層構造内に複数の第２の層２１、２２、２３および複数の第１の層３１、３２が設けられている。これらの層は交互に相互に重なって配置されている。

電極構造体の全体高さに対する、第２の層２１、２２、２３の全体厚さの割合は、１５％〜６０％の間である。ここでこの全体厚さは、これらの層の個々の層厚の総計に等しい。

第２の層２１、２２、２３（または第１の層３１、３２）は同じ厚さを有してもよい。多層構造内の第２（または第１）の層の異なる厚さも可能である。ある形態では、最下の第２の層２１は、その上に位置する別の第２の層２２、２３よりも厚い。

第１の層２、２１、２２、２３は本発明の全ての実施形態においてそれぞれ、誘電層４よりも格段に高い密度および／または剛性を有している。

図６に示された形態では、ピエゾ圧電基板１と最下の第２の層２１の間に、付着仲介層５が配置されている。

有利には、全ての相互に別個にされた第２の層２１、２２、２３は同じ第２の材料から成る。しかし、これらの層２１、２２、２３に対してそれぞれ異なる第２の材料が選択されることも可能である。

図示された形態の特徴を相互に組み合わせることができる。本発明は図示された部材の数または挙げられた材料に制限されるものではない。本発明は、表面波で作動する構成素子の特定の使用に制限されない。

多層構造体の最下層として第１の層を有する電極構造体の層構造の例を示す図 多層構造体の最上層として第１の層を有する電極構造体の層構造の例を示す図 ２つの第１の層の間に配置された第２の層を有する電極構造体の層構造の例を示す図 相互に接している２つの第２の層を有した、図３に示された構成の別の形態を示す図 ピエゾ圧電基板の方を向いている付着仲介層を有する電極構造体の層構造を示す図 第１の層と第２の層が交互に配置されている電極構造体の層構造を示す図

符号の説明

１ ピエゾ圧電基板、 ２、２１、２２、２３ 第２の層、 ３、３１、３２ 第１の層、 ４ 誘電層、 ５、５１、５２ 付着仲介層

Claims (16)

1. 音響表面波で作動する構成素子であって、当該構成素子は、
   ピエゾ圧電基板（１）と、当該ピエゾ圧電基板上に配置された、多層構造を有する電極構造体と、前記電極構造体を覆い、音響インピーダンスＺ_ａ，ｄを有する誘電層（４）とを含み、
   前記多層構造は第１の層システムを含み、当該第１の層システムは、第１の材料から成る少なくとも１つの第１の層（３１，３２、３）から成り、当該第１の層内では音響インピーダンスは２Ｚ_ａ，ｄより小さく、
   前記多層構造は第２の層システムを含み、当該第２の層システムは、第２の材料から成る少なくとも１つの第２の層（２１，２２、２）から成り、当該第２の層内では音響インピーダンスは値２Ｚ_ａ，ｄを上回り、
   前記多層構造の全体高さに対する、前記第２の層システムの全体厚さの相対的な割合は１５％〜８５％の間である、
   ことを特徴とする、音響表面波で作動する構成素子。
2. 前記多層構造の全体高さに対する、前記第２の層システムの全体厚さは２０％〜６０％の間である、請求項１記載の構成素子。
3. 前記多層構造の全体高さに関する、前記第２の層システムの全体厚さは２５％〜５０％の間である、請求項１記載の構成素子。
4. 前記誘電層（４）は、前記電極構造体によって覆われた面の外で、基板表面によって閉鎖されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の構成素子。
5. 前記第１の材料は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉまたはアルミニウム合金である、請求項１から４までのいずれか１項記載の構成素子。
6. 前記第２の材料はＣｕ、Ｔａ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕまたは銅合金である、請求項１から５までのいずれか１項記載の構成素子。
7. 前記第２の層システムは、唯一の第２の層（２１）から成る、請求項１から６までのいずれか１項記載の構成素子。
8. 前記第２の層（２１）は電極構造体の最下層である、請求項７記載の構成素子。
9. 前記第２の層（２３）は電極構造体の最上層である、請求項７記載の構成素子。
10. 前記第２の層システムは複数の第２の層（２１、２２、２３）を有しており、
    前記第２の層（２１、２２）は第１の層（３１）によって相互に別個にされている、請求項１から６までのいずれか１項記載の構成素子。
11. 前記第１の層システム（３１、３２）は、唯一の第１の層（３１）から成る、請求項１から１０までのいずれか１項記載の構成素子。
12. 前記第１の層システムは複数の第１の層（３１、３２）を有しており、
    ２つの第１の層（３１、３２）の間には第２の層（２３）が配置されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の構成素子。
13. 前記多層構造の、ピエゾ圧電基板（１）の方を向いている層は、付着仲介層（５）である、請求項１から１２までのいずれか１項記載の構成素子。
14. 前記付着仲介層はＴｉ層である、請求項１３記載の構成素子。
15. 前記電極構造体の全体高さは、音響表面波の波長の５％〜１０％の間である、請求項１〜１４までのいずれか１項記載の構成素子。
16. 前記誘電層（４）は、二酸化ケイ素または窒化ケイ素から成る層である、請求項１から１５までのいずれか１項記載の構成素子。

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