JP2009225232A - 共振子フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の共振子に共通する振動空間を提供するキャビティを有する共振子フィルタにおいて、構造上の強度を確保するとともに、挿入損失を低減できる共振子構造を有する共振子フィルタを提供する。
【解決手段】共振子フィルタは、複数の積層共振体８１，８２，８３，８４，８５，８６の振動空間を提供するキャビティ２１を有する。積層共振体８２，８３を電気的に接続する配線電極９０は、積層共振体８２の上部電極の最大径Ｌ１と、積層共振体８３の上部電極の最大径Ｌ２とを直線的に結線する配線構造を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数の積層共振体に共通する振動空間を提供するキャビティを有する共振子フィルタに関し、特に、共振子間を接続する配線構造に関する。

無線周波数資源の有効利用の観点から、高周波フィルタには、急峻なスカート特性が要求される。特に、通過帯域では、挿入損失が小さくて、帯域外の抑圧は大きく、理想的には、抑圧無限大で、矩形のフィルタ特性が望まれる。このようなフィルタ特性を実現するフィルタデバイスとして、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）が知られている。一般的に、ＦＢＡＲは、基板とその基板上に形成される積層共振体とを有する共振子である。積層共振体は、圧電体膜とその圧電体膜を上下から挟む一対の上部電極及び下部電極を有しており、上部電極と下部電極との間に高周波信号が印加されると、積層共振体の膜厚が１／２波長に等しくなる共振周波数にて厚み縦方向に励振する。

積層共振体の厚み縦振動を確保するために、積層共振体の形成位置に対応して、振動空間を提供するキャビティを基板内部に形成する共振子構造が知られている。このようなキャビティ構造としては、基板裏面からエッチング等の微細加工により開口部を形成するダイヤフラム型構造と、犠牲層を用いて積層共振体を浮かすエアギャップ型構造などが知られている。所望の通過特性を有する共振子フィルタを形成するには、複数の共振子を組み合わせる必要があり、このような共振子フィルタのキャビティ形成方法として、例えば、それぞれの共振子に対応付けてキャビティを個別に形成する方法（特許文献１）と、複数の共振子に共通するキャビティを一括して形成する方法（特許文献２）とが知られている。
特開２００７−１２９７７６号公報 特開２００１−２４４７６号公報

しかし、それぞれの共振子に対応付けてキャビティを個別形成する方法では、共振子間に基板が介在する共振子構造となるので、共振子間に介在する基板によって、共振子の振動が妨げられてしまい、挿入損失が増大する上に、共振子間に介在する基板の占有スペースのために共振子フィルタの小型化が困難という課題がある。一方、複数の共振子に共通して振動空間を提供するキャビティを一括して形成する方法では、個別形成する方法よりも、キャビティの容積が相対的に大きくなるので、共振子フィルタの強度が低下するという課題がある。

そこで、本発明は、複数の共振子に共通する振動空間を提供するキャビティを有する共振子フィルタにおいて、構造上の強度を確保するとともに、挿入損失を低減できる共振子構造を有する共振子フィルタを提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる共振子フィルタは、第一の圧電体膜と、第一の圧電体膜の上部及び下部に形成される第一の電極対とを含む第一の積層共振体と、第二の圧電体膜と、第二の圧電体膜の上部及び下部に形成される第二の電極対とを含む第二の積層共振体と、第一及び第二の積層共振体に共通する振動空間を提供するキャビティを有する基板と、第一の積層共振体と第二の積層共振体とを電気的に接続する配線電極とを備える。配線電極は、第一の電極対の最大径と第二の電極対の最大径とを直線的に結線する配線構造を有する。斯かる配線構造によれば、共振子フィルタの機械的強度を確保しつつ、挿入損失の低減を抑制できる。また、配線電極の寄生容量を適度な範囲に調整できるので、通過帯域の特性劣化を抑制できる。なお、電極対とは、例えば、圧電体膜の上部及び下部のそれぞれに形成される上部電極及び下部電極から成る電極の対をいう。

本発明に係わる共振子フィルタは、基板内部から振動空間に突出し、第一及び第二の積層共振体の重みを支持する保護電極を更に備えてもよい。保護電極を追加することで、共振子フィルタの機械的強度を向上させることができる。

また、第一の電極対の中心点と第二の電極対の中心点との間の距離に対する配線電極の配線長の比率は、１０％未満が好ましい。本発明の実験によれば、配線電極の配線長を第一の電極対の中心点と第二の電極対の中心点との間の距離の１／１０程度に調整することで、挿入損失低減の効果がほぼ飽和領域に達することが確認できている。

本発明によれば、第一の電極対の最大径と第二の電極対の最大径とを直線的に結線する配線構造を有する配線電極を形成することで、構造上の強度を確保しつつ、挿入損失を低減することができる。

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。同一符号のデバイスは、同一のデバイスを示すものとして、重複する説明を省略する。また、図面は、模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率は、現実の共振子構造とは異なる。

図１は本実施形態に係わる共振子フィルタ１０の外観斜視図、図２は図１に示す共振子フィルタ１０の２−２線断面矢視図、図３は共振子フィルタ１０の分解斜視図である。これらの図面に示すように、共振子フィルタ１０は、基板２０のキャビティ２１上に所定の平面パターンにエッチング加工された下部電極３０、圧電体膜４０、上部電極５０、重石電極６０、及び嵩上げ電極７０の各デバイス層を順次積層して成る積層共振体８０を有するデバイス構造を有する。下部電極３０及び上部電極５０から成る電極対に高周波信号を印加すると、圧電体膜４０の逆圧電効果により圧電体膜４０は、その厚み方向に振動し、電気的共振特性を示す。更に圧電体膜４０に生じる弾性波又は振動は、圧電体膜４０の圧電効果により電気信号に変換される。この弾性波は、圧電体膜４０の厚み方向に主変位を有する厚み縦振動波であり、積層共振体８０の膜厚が略１／２波長に等しくなる共振周波数にて励振する。

基板２０の材質としては、適度な機械的強度を有し、且つエッチングなどの微細加工に適した材質であれば、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミックス基板、石英基板、ガラス基板などが好適である。基板２０には、積層共振体８０の厚み方向の自由振動を確保するために積層共振体８０の位置に対応して、キャビティ２１が形成されている。キャビティ２１の形成方法は、特に限定されるものではないが、例えば、深掘型反応性イオンエッチングを用いて基板底面に対して略垂直に深堀加工してもよく、或いは基板２０の材質に応じて、任意のドライエッチング又はウエットエッチングによりキャビティ２１を形成してもよい。なお、キャビティ２１は、ダイヤフラム型構造に限らず、エアギャップ型構造でもよい。

圧電体膜４０の材質としては、電気機械結合係数が大きく、伝搬損失及びパワーフロー角が小さく、遅延時間温度係数が小さく、伝搬速度の周波数分散性が少ない圧電材料が望ましく、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ₃），ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃），タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃），チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）等が好適である。また、下部電極３０及び上部電極５０の材質としては、圧電体膜４０が適度な配向性を形成し得る導電性材質、例えば、ルテニウム（Ｒｕ），アルミニウム（Ａｌ），モリブデン（Ｍｏ），チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ），金（Ａｕ），タングステン（Ｗ），タンタル（Ｔａ），又はこれら何れか２種以上を含む合金等が好適である。

尚、重石電極６０は、質量付加効果により、積層共振体８０の共振周波数を調整するためものであり、本発明に必須のものではない。また、積層共振体８０は、下部電極３０と上部電極５０とが圧電体膜４０を介して重なる位置に形成されるので、共振子フィルタ１０一つあたりに形成される積層共振体８０の個数は、下部電極３０及び上部電極５０の平面パターンに依存する。本実施形態では、後述のように、共振子フィルタ１０一つあたり合計６個の積層共振体８０が形成される例を示すが、その個数はフィルタ特性等に応じて変更し得る。

次に、図４を参照しながら共振子フィルタ１０の平面レイアウトについて説明する。同図は、各デバイス層の積層方向に垂直な平面にキャビティ２１、下部電極３０、及び上部電極５０を投影した平面レイアウト図である。説明の便宜上、圧電体膜４０、重石電極６０、及び嵩上げ電極７０の図示は省略されている点に留意されたい。下部電極３０は、相互に分離加工された二つの下部電極３０Ａ，３０Ｂから成り、それぞれの下部電極３０Ａ，３０Ｂは、キャビティ２１内部に位置している。上部電極５０は、相互に分離加工された四つの上部電極５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄから成り、それぞれの上部電極５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄの一部は、基板２１内部からキャビティ２１内部（振動空間）に延出している。そして、それぞれの下部電極３０Ａ，３０Ｂがそれぞれの上部電極５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄに重なる箇所に合計６個の積層共振体８１，８２，８３，８４，８５，８６が形成される。キャビティ２１は、複数の積層共振体８１，８２，８３，８４，８５，８６のそれぞれが厚み縦振動するために共有される振動空間である。

ここで、図５を参照しながら、共振子フィルタ１０の等価回路について説明する。共振子フィルタ１０は、複数の圧電共振子（直列腕共振子）１１，１２，１３，１４と、複数の圧電共振子（並列腕共振子）１５，１６とがラダー型に接続されて成る回路構成を有する。圧電共振子１１は、下部電極３０Ａと上部電極５０Ａとが重なる箇所に形成される積層共振体８１によって構成される。同様に、圧電共振子１２，１３，１４，１５，１６は、それぞれ、下部電極３０Ａと上部電極５０Ｂとが重なる箇所に形成される積層共振体８２、下部電極３０Ｂと上部電極５０Ｂとが重なる箇所に形成される積層共振体８３、下部電極３０Ｂと上部電極５０Ｃとが重なる箇所に形成される積層共振体８４、下部電極３０Ａと上部電極５０Ｄとが重なる箇所に形成される積層共振体８５、下部電極３０Ｂと上部電極５０Ｄとが重なる箇所に形成される積層共振体８６によって構成される。図５に示す等価回路から分かるように、上部電極５０Ｄは、グランドに接続しており、上部電極５０Ａ，５０Ｃの何れか一方は、共振子フィルタ１０の入力端子に接続し、他方は、共振子フィルタ１０の出力端子に接続している。

再度、図４を参照しながら、圧電共振子１２，１３を接続する配線電極９０の電極構造について説明する。上部電極５０Ｂは、積層共振体８２，８３のそれぞれの上部電極として機能するとともに、積層共振体８２，８３のそれぞれの上部電極同士を接続する配線電極９０としても機能する。共振子フィルタ１０の機械的強度を向上させつつ、挿入損失を低減するには、配線電極９０の配線幅を太くする（配線断面積を大きくする）とともに、その配線長を短くし、更に積層共振体８１，８２，８３，８４，８５，８６をできるだけ密集させてキャビティ開口面積（デバイス積層方向に垂直な平面に投影されたキャビティ２１の投影面積）を最小にするのが望ましい。配線電極９０の配線幅が太く、且つその配線長が短い程、その機械的強度は一層向上するとともに、配線抵抗値の低下により、挿入損失は低減する。ここで、配線電極９０の長さをＤ１、積層共振体８２の中心点Ｐと積層共振体８３の中心点Ｑとの間の距離をＤ０、圧電体膜４０の膜厚をＴ、Ｄ＝Ｄ１／Ｄ０としたとき、Ｄの値がＴ以下の場合、圧電共振子１１，１２の主振動が相互に干渉してしまい、フィルタ特性が低下してしまう。一方、Ｄの値が０．１以上の場合、配線電極９０の抵抗値増大により、共振子フィルタ１０の挿入損失が増大してしまうことが本発明者の実験から判明している。以上の考察を踏まえると、（１）式が成立するように配線電極９０の長さＤ１を調整するのが望ましい。

Ｔ＜Ｄ＜０．１ …（１）

但し、配線電極９０の配線幅が太くなる程、共振子フィルタ１０の機械的強度は増加する一方で、圧電共振子１１，１２間の寄生容量も増大するので、共振子フィルタ１０の帯域にリップル等が生じ、フィルタ特性を劣化させる要因になる。そこで、共振子フィルタ１０の機械的強度向上と、寄生容量の影響によるフィルタ特性の劣化抑制とを両立する観点から、積層共振体８２の上部電極の最大径Ｌ１と、積層共振体３８の上部電極の最大径Ｌ２とを直線的に結線するように配線電極９０を形成するのが望ましい。ここで、上部電極の最大径とは、上部電極の中心点を通る直線のうち、上部電極の輪郭と交わる二つの交点間の距離が最大となる直線の当該二つの交点間の距離をいう。例えば、上部電極が円形の場合、最大径は、上部電極の直径に等しくなる。上部電極が楕円の場合、最大径は、長軸に等しくなる。また、配線電極９０の配線領域は、積層共振体８２，８３のそれぞれの上部電極の最大径同士を結線する二つの直線で囲まれた領域になる。なお、上部電極５０の一部を配線電極９０として機能させる例を示したが、下部電極３０の一部を配線電極として機能させてもよい

共振子フィルタ１０の機械的強度を向上さるための手段として、共振子フィルタ１０の金属配線パターンに保護電極を追加形成するのが望ましい。保護電極とは、圧電体膜４０等の積層構造の重みを支える支持構造を有する電極である。保護電極として、例えば、基板２０内部からキャビティ２１内部（振動空間）に向けて延出する突起状（リブ状）の電極として、所定の金属配線パターン（例えば、上部電極５０又は下部電極４０）とともに一体成型されるものが望ましい。図４に示す例では、上部電極５０Ｂは、保護電極５０Ｂ−１を有し、上部電極５０Ｄは、突起状の保護電極５０Ｄ−１，５０Ｄ−２，５０Ｄ−３を有している。なお、上部電極５０に保護電極を一体形成する例を示したが、下部電極３０に保護電極を一体形成してもよい。

次に、図６乃至図７を参照しながら、Ｄ＜０．１の効果について言及する。
図６は共振子フィルタ１０の通過特性を示すグラフであり、横軸は周波数［ＧＨｚ］、縦軸は減衰量［ｄＢ］を示す。グラフ６０１は、Ｄ＝１０μｍ／９０μｍ＝０．１１のときの通過特性を示し、グラフ６０２は、Ｄ＝２０μｍ／１００μｍ＝０．２０のときの通過特性を示している。グラフ６０１，６０２を比較すると、Ｄの値が小さい程（Ｄ０に対するＤ１の比率が小さい程）、フィルタ損失が改善されていることが理解できる。一方、図７は、積層共振体８２，８３及び配線電極９０から構成される共振部のインピーダンス特性を示すグラフであり、横軸は周波数［ＧＨｚ］、縦軸はインピーダンス［Ω］を示す。グラフ７０１は、Ｄ＝１０μｍ／１００μｍ＝０．１（共振インピーダンス６．４Ω）のときの特性を示し、グラフ７０２は、Ｄ＝３０μｍ／１２０μｍ＝０．２５（共振インピーダンス６．７Ω）のときの特性を示し、グラフ７０３は、Ｄ＝５０μｍ／１４０μｍ（共振インピーダンス８．４Ω）のときの特性を示す。Ｄの値を０．３６から０．２５に変更するときの共振インピーダンスの改善効果に比べて、Ｄの値を０．２５から０．１０に変更するときの共振インピーダンスの改善効果が飽和していることが理解できる。この結果より、Ｄ＜０．１とすることで、挿入損失の増大を十分に抑制できるものと考えられる。

尚、配線電極９０の抵抗値は、Ｄの値だけでなく、配線電極９０の抵抗率及び電極膜厚にも依存する。図６乃至図７に示す各グラフは、上部電極５０の材質として白金を選択したときのものであるが、白金は電極材質の中では比較的抵抗率の高い材質であるので、抵抗率が低い電極材質（アルミニウム、金、ルテニウム、タングステンなど）においても、Ｄ＜０．１とすることによって、フィルタ損失を十分に改善できる。また、図６乃至図７に示す各グラフは、共振周波数４．５ＧＨｚのときのものである。共振周波数と電極膜厚は反比例の関係にあるので、電極膜厚は、共振周波数に応じて調整すればよい。

図８は本実形態に係わるデュプレクサ２００の回路図である。
デュプレクサ２００は、アンテナ（図示せず）に接続されるアンテナ端子ＡＮＴと、アンテナに送信信号を出力する送信回路（図示せず）に接続される送信信号端子ＴＸと、アンテナを介して受信した受信信号を入力する受信回路（図示せず）に接続される受信信号端子ＲＸと、送信信号を通過させるとともに受信信号を遮断する送信用フィルタ２０１と、受信信号を通過させるとともに送信信号を遮断する受信用フィルタ２０２とを備える。送信用フィルタ２０１と受信用フィルタ２０２の何れか一方又は両者は、共振子フィルタ１０を含む。

本実施形態によれば、配線電極９０は、積層共振体８２の上部電極の最大径Ｌ１と、積層共振体８３の上部電極の最大径Ｌ２とを直線的に結線する配線構造を有しているので、配線電極９０と基板２０との間の寄生容量を増大させることなく、適度な配線幅に形成できるので、共振子フィルタ１０の機械的強度を確保しつつ、通過帯域のフィルタ特性劣化を抑制できる。また、配線電極９０の配線長を短くし、積層共振体８１，８２，８３，８４，８５，８６をキャビティ２１内部に密集することが可能となるので、キャビティサイズを小さくして強度を高めながらも、挿入損失の低減にも効果的である。また、複数の積層共振体８１，８２，８３，８４，８５，８６の相互間に基板２０が介在することがないので、共振特性が向上する。

本実施形態に係わる共振子フィルタの外観斜視図である。 図１に示す共振子フィルタの２−２線断面矢視図である。 本実施形態に係わる共振子フィルタの分解斜視図である。 本実施形態に係わる共振子フィルタの平面レイアウト図である。 本実施形態に係わる共振子フィルタの等価回路図である。 本実施形態に係わる共振子フィルタの通過特性を示すグラフである。 本実施形態に係わる共振子フィルタのインピーダンス特性を示すグラフである。 本実形態に係わるデュプレクサの回路図である。

符号の説明

１０…共振子フィルタ ２０…基板 ２１…キャビティ ３０…下部電極 ４０…圧電体膜 ５０…上部電極 ６０…重石電極 ７０…嵩上げ電極 ８０…積層共振体 ９０…配線電極

Claims (3)

1. 第一の圧電体膜と、前記第一の圧電体膜の上部及び下部に形成される第一の電極対とを含む第一の積層共振体と、
   第二の圧電体膜と、前記第二の圧電体膜の上部及び下部に形成される第二の電極対とを含む第二の積層共振体と、
   前記第一及び第二の積層共振体に共通する振動空間を提供するキャビティを有する基板と、
   前記第一の積層共振体と前記第二の積層共振体とを電気的に接続する配線電極と、
   を備え、
   前記配線電極は、前記第一の電極対の最大径と前記第二の電極対の最大径とを直線的に結線する配線構造を有する、共振子フィルタ。
2. 請求項１に記載の共振子フィルタであって、
   前記基板内部から前記振動空間に突出し、前記第一及び第二の積層共振体の重みを支持する保護電極を更に備える、共振子フィルタ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の共振子フィルタであって、
   前記第一の電極対の中心点と前記第二の電極対の中心点との間の距離に対する前記配線電極の配線長の比率は１０％未満である、共振子フィルタ。

Images