JP2008530874A - 高周波弾性波装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、無指向性の弾性波反射器(32)上の圧電膜(41)と、圧電膜の表面上に設けてあり、弾性波鏡の禁制帯内の波を励振すべく用いられる励振及び／又は受容手段(43, 44)とを備える弾性波装置に関する。

Description

本発明は共振システム、フィルタ、遅延線等を形成するのにエレクトロニクスに主に使用される弾性波伝播装置の分野に関する。

そのような装置は、現在、数ギガヘルツまでの高周波の分野に特に使用される。そのような装置は通信の分野、テレビの分野、携帯電話の分野、センサの分野、および製品ラベリングタグの分野での応用が特に見いだされている。

２つのタイプの弾性波（音響波）装置が区別される。すなわち、表面弾性波装置（ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ ｄｅｖｉｃｅ、ＳＡＷ）及び大量弾性波装置（ｂｕｌｋ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ ｄｅｖｉｃｅ、ＢＡＷ）である。

図１は、遅延線を形成する従来の表面弾性波装置の例を示している。この装置は圧電性の基板１上に形成される。可能な場合、これは、より厚い基板上に形成された一又は複数の薄い圧電膜上に形成される。弾性波はそれぞれ導伝指４及び５を備える２つの交互嵌合する櫛２及び３から基板中を伝達する。時間変化する信号又は交流の信号が櫛２と３との間に印加される場合、この信号は圧電効果により基板１中を伝播する表面弾性波に変換される。基板中を伝播する弾性波は、波が走る距離に対応する遅れを有するそれぞれの金属指９及び１０を備える２つの交互嵌合する受容櫛７及び８の組立体により集められる。例えば、信号は電気インピーダンス１１に亘って集められる。

そのような弾性波装置は、上述のような高周波用部品(遅延線、フィルタ、共鳴器など)をよく形成すべくなされている。それらは、比較的複雑なフィルタを形成することさえ可能である。
アービィ, J. H. ら（Irby, J. H., et al.）、「弾性波誘導分布ブラッグ反射器（ＡＤＢＲ）についてのデルタＮ２及びカッパの計算（Calculation of DeltaN2 and Kappa for an Acoustically Induced Distribution Bragg Reflector (ADBR)）」、ＩＥＥＥジャーナル：量子エレクトロニクス（IEEE Journal of Quantum Electronics）、ＩＥＥＥ Ｉｎｃ． ニューヨーク、アメリカ合衆国、第３４巻、第２号、１９９８年２月（１９９８−０２）、２１３−２２４ページ、ＸＰ０００７３７２３０、ＩＳＳＮ：００１８−９１９７

しかしながら、それらの操作周波数が増加すると、そのような装置は実用的な実施上の問題を提起する。実際、櫛２及び３並びに櫛７及び８の歯ピッチＰは、関係Ｐ＝λ／Ｎにより弾性波の波長λを決定する。ここで、Ｎ≧２で一般に２に等しい。現在用いられている材料においては、表面波の伝播速度Ｖは５０００ｍ／ｓ程度である。例えば、２．５ＧＨｚの周波数ｆにおいて、波長は２μｍ（λ＝Ｖ／ｆ）である。すなわち、櫛歯のピッチは１μｍ程度でなければならない。これは、０．５μｍの距離だけ離間した、０．５μｍ程度の幅の金属指であることを意味する。一方で、リソグラフィーの理由から、及び他方で、電気的損失の理由から、更に導伝性櫛を小型化することは実際上困難である。表面弾性波装置は、このように、実際には１乃至３ＧＨｚ程度の操作周波数に制限される。

他のタイプの弾性波装置は大量弾性波の特性を利用する。伝播媒体が薄膜である場合、一般に、バルク波は薄膜の厚さを横切って利用される。この目的には、電極はこの薄膜の両側に配置される。そのような装置は、３ＧＨｚ超の周波数で作動できるが、特にメンブラン（ｍｅｍｂｒａｎｅ）が用いられる場合、設計するのはしばしば難しい。

ノキア・モバイルフォン株式会社（Nokia Mobile Phones Limited）の米国特許第５８７３１５４号明細書は、特定の大量弾性波装置の構造について述べている。詳細には、ここで添付の図２を考慮すべきである。それは前記特許の図３と同様である。例えば、ガラス製の基板２０上に、ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）原理に基づく弾性波鏡を形成する多層膜２１が示されている。また、それは、交互に積み重なった複数の膜２２乃至２６を備える多層膜を示しており、上部膜２６は導伝膜である。圧電膜２８が弾性波鏡上に形成されている。圧電膜は電極２９で覆われ、電極２６及び２９の間の共鳴で励振できるようになしてある。この構造において、弾性波鏡２１は、圧電膜２８中で発生した振動が基板２０中に反射し返されるのを避けるようになしてある。圧電膜２８中で形成される波は従来のバルク波である。前記特許の図４は、伝播速度が、長手方向の波で６０００ｍ／ｓ程度であり、厚み方向の波で２７２０ｍ／ｓ程度であることを示している。したがって、この装置では、弾性波鏡（弾性波反射器、音響反射器）２１は、圧電膜２８中に現れるバルク波の特徴を変更すべくなされていない。弾性波鏡は、単に圧電膜２８と基板２０との間の振動が孤立するようにのみ意図されている。

本発明の目的は、既存の表面弾性波装置から欠点をなくし種々の応用を可能とする弾性波装置を提供することにある。

本発明のより詳細な目的は、かなり高い周波数で動作できる弾性波装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、例えば表面弾性波装置で従来より用いられている型の交互嵌合する導伝指櫛を有する表面構造により簡便に励振できる弾性波装置を提供することにある。

これらの目的を解決するために、本発明は、弾性波装置において、無指向性の弾性波反射器上の圧電膜と、圧電膜の表面上にあり、弾性波反射器の帯域内の波を励振することができる励振及び／又は受容手段とを備えることを特徴とする装置を提供する。

本発明の一実施形態によれば、励振／受容手段は交互嵌合した導伝性の櫛である。

本発明の一実施形態によれば、無指向性の弾性波反射器は、高い弾性波インピーダンスの膜と低い弾性波インピーダンスの膜とを交互に積み重ねて形成されている。

本発明は、上記の装置の、特にフィルタ、共振器又は遅延線としての使用を提供する。

本発明は、また、弾性波反射器上に圧電膜を有する弾性波装置を画定する方法において、所定の基板上に弾性波反射器を形成する所定の一対の材料について、分散曲線を算出するステップと、一対の材料が所望の周波数帯に帯域を有する無指向性の反射器を形成するように、一対の材料の各材料の膜厚の合計値Ｄを選択するステップと、反射器が無指向性を維持し、且つ圧電膜が反射器の周波数帯域内に弾性波振動モードを有するように、圧電膜の厚さを選択するステップとを含むことを特徴とする方法を提供する。

添付図面を参照して、特定の実施例の以下の非制限的説明で詳細に本発明の以上の他の物、特徴、および利点について議論する。

図３は本発明に係る弾性波装置の実施形態を示している。この装置は、複数の膜３２乃至４０の組立体で形成された弾性波鏡（弾性波反射器、音響反射器）３１を上部に据える基板３０を備える。偶数の参照符号の膜は第１の材料であり、奇数の参照符号の膜は第２の材料である。２つの材料は明確に異なる弾性波インピーダンスを有する。例えば、シリコン基板３０と、タングステン膜及びアルミニウム膜を交互に積み重ねて形成した鏡とが使用されてよい。弾性波鏡上に、例えば、窒化アルミニウム、ＡｌＮ、で作られた、又は酸化亜鉛、ＺｎＯ、で作られた圧電膜４１が配置される。圧電膜４１上には、例えば、表面励振手段（ｓｕｒｆａｃｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｍｅａｎｓ）が配置される。これは、例えば、交互嵌合した歯を有する２つの励振櫛４３と、図１に関連して述べたものと類似の弾性波遅延線を形成しており、交互嵌合した歯を有する２つの励振櫛４４とである。

そのような構造において、発明者は以下のことを示した。すなわち、以下に議論する、ある寸法及び振動数の条件が関係する場合、圧電膜４１中を伝播する波はもはや表面弾性波（ＳＡＷ）でも大量弾性波（ＢＡＷ）でもない。それらは誘導波と呼ばれる特定の性質の波である。膜面内を伝播するそのような誘導波の速度は、かなり高く選択してよい。例えば、表面弾性波の速度より５乃至１０倍速くてよい。更に、そのような誘導弾性波は、従来の表面弾性波と同様に、交互嵌合した導伝性の櫛のシステムにより、表面で励振され、受容されることができる。したがって、表面弾性波に対して現在用いられているものと同様の部品が、本発明に係る構造においても形成することができる。

そのような装置の利点は明白である。弾性波が従来の表面弾性波よりｎ倍速く伝播されるので、与えられたピッチの励振ネットワークにおける周波数のｎ倍高い周波数で波を伝播できる。したがって、ｎ＝６の場合、所定の周波数で作動すべく現在使用されている励振又は受容装置は、６倍高い周波数で作動できる。２ギガヘルツ程度の周波数に適合する表面励振／受容システムは、交互嵌合した櫛の歯ピッチを変更せずに、１２ギガヘルツの周波数で用いることができる。

どんな公知の鏡でも、基板で形成する組立体が無指向性の周波数帯域を示せば、弾性波鏡として使用することができる。

無指向性の鏡を画定するモードを、図４に関連して述べる。例えば同じ厚さのアルミニウム膜及び厚さのタングステン膜を交互に積み重ねた所定の多層膜に対して、図４に示す分散曲線が計算される(例えばＤ．ブリア及びＢ．ダファリ＝ルハニ（D. Bria and B. Djafari-Rouhani）物理レビュー（Phys. Rev.）Ｅ６６、０５６６０９、２００２年を参照）。分散曲線は、ハッチングにより、振動モードが多層膜のピッチＤと波長λとの間の比率に応じて構造（鏡及び基板）中に存在できるすべての領域を示している。ピッチは、鏡を形成している各材料の膜の厚さの合計である。ＶＬ及びＶＴと示した２つの直線は、基板(この例ではシリコン)のそれぞれ断面方向及び長手方向の弾性波の速度を示している。空白の領域は、伝播が禁制である領域を示している。図説した構造の場合、１．２乃至２．４ＧＨｚ・μｍの（周波数）×（厚さ）積の範囲において（例えば、ピッチＤ＝０．４μｍのとき、周波数帯域は３乃至６ＧＨｚに広がっている）、どのような波長であっても、伝播モードは可能でないことが分かる。この範囲では、構造は、発生する全部の波を反射する。それは無指向性の弾性波鏡である。分散曲線の制限周波数は多層膜構造のピッチＤに比例していることに注意されるべきである。したがって、一旦、曲線ネットワークが所定の鏡の膜のピッチに対して決定されれば、膜のピッチを比例して増加させることにより、異なる帯域を選択できる。

そして、考慮されている周波数帯で振動できるように、圧電膜４１の厚さは選択されなければならない。実際、鏡の上に１層加えた場合、複数の付加的なデフォルトモードが追加される。これらのいくつかが帯域にある場合、それらは、基板中に逃げることなく必ず膜内に誘導される。例えば、８００ｎｍ程度に厚みを有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の圧電膜においては、帯域中に単一のデフォルトモードが得られる。モード遮断周波数（ｍｏｄｅ ｃｕｔ−ｏｆｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）は４ＧＨｚ程度になる。

３．５７μｍの櫛ピッチにおいて、装置の表面に平行な弾性波伝播速度は３００００ｍ／ｓ程度である。この速度はタンタル酸リチウム基板における通常の表面波の速度の７倍速い。

伝播の損失は実質的に表面波装置のそれと同様である。更に、得られる結合係数（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）は３％程度である。すなわち、固体ＡｌＮ材料での表面波の場合の実質的に３０倍である。

ＡｌＮが圧電膜として好ましい材料として示されたが、任意の現在用いられている圧電材料、例えばＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ₃ 、ＫＮｂＯ₃ を用いてよい。

もちろん、本発明は当業者が想起する様々な変更と修正を有していてよい。特に、不動態化やカプセル化の目的のために装置の上に一又は複数の薄膜を加えることができる。さらに、この圧電膜中に弾性波のエネルギーを閉じ込めるために圧電膜上に第２の弾性波鏡を配置してよい。

簡略化した表面弾性波遅延線の斜視図である。 米国特許第５８７３１５４号明細書で述べられているように基板から孤立した大量弾性波装置の断面図である、。 本発明に係る大量弾性波装置の構造を示す図である。 本発明に係る構造の特性的分散曲線を示す図である。

Claims (7)

1. 弾性波装置において、
   無指向性の弾性波反射器(32)上の圧電膜(41)と、
   圧電膜の表面上にあり、弾性波反射器の帯域内の波を励振することができる励振及び／又は受容手段(43, 44)と
   を備えることを特徴とする装置。
2. 励振／受容手段(43, 44)は交互嵌合した導伝性の櫛であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 無指向性の弾性波反射器(32)は、高い弾性波インピーダンスの膜と低い弾性波インピーダンスの膜とを交互に積み重ねて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 請求項１に記載の装置のフィルタとしての使用。
5. 請求項１に記載の装置の共振器としての使用。
6. 請求項１に記載の装置の遅延線としての使用。
7. 弾性波反射器上に圧電膜を有する弾性波装置を画定する方法において、
   所定の基板上に弾性波反射器を形成する所定の一対の材料について、分散曲線を算出するステップと、
   一対の材料が所望の周波数帯に帯域を有する無指向性の反射器を形成するように、一対の材料の各材料の膜厚の合計値を選択するステップと、
   反射器が無指向性を維持し、且つ圧電膜が反射器の周波数帯域内に弾性波振動モードを有するように、圧電膜の厚さを選択するステップと
   を含むことを特徴とする方法。

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