JP2010103720A - 弾性表面波デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】圧電基板に水晶基板を用い、ＳＨ波を利用した、端面反射波の影響が少なく、小型化したＳＡＷデバイスを提供する。
【解決手段】ＳＡＷデバイス１０は、水晶基板７１と、水晶基板上に形成されＡｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴ電極７２とを備え、水晶基板は、そのカット角θを結晶Ｘ軸を回転軸とした結晶Ｚ軸の回転角度とし、結晶＋Ｚ軸から結晶＋Ｙ軸側へ回転させる方向を前記カット角が負となる回転方向とした時に、カット角を結晶Ｚ軸より−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板であり、励振する弾性表面波の波長をλとした時、ＩＤＴ電極の波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とした励振波をＳＨ波としたＳＡＷデバイスであって、弾性表面波の伝搬方向と水晶基板の長辺方向の間のなす傾斜角θ_Eを０°＜θ_E＜３°とする。
【選択図】図９

Description

本発明は、水晶基板を用いた弾性表面波デバイスにおいて、端面反射波の影響を小さくした弾性表面波デバイスに関する。

近年、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：以下、ＳＡＷ）デバイスは移動体通信用端末や車載用機器等の部品として幅広く利用され、小型であること、Ｑ値が高いこと、周波数温度特性が優れていること等が強く要求されている。

これらの要求を実現するＳＡＷデバイスとして、ＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷデバイスがある。圧電基板のカット角θを結晶Ｘ軸を回転軸とした結晶Ｚ軸の回転角度とし、結晶＋Ｚ軸から結晶＋Ｙ軸側へ回転させる方向を前記カット角θが負となる回転方向とした時に、ＳＴカット水晶基板はＸＺ面を結晶Ｚ軸より４２．７５°回転した面（ＸＺ’面）を持つ水晶板のカット名であり、結晶Ｘ軸方向に伝搬するレイリー波と呼ばれる（Ｐ＋ＳＶ）波であるＳＡＷ（以下、ＳＴカット水晶ＳＡＷと称す）を利用する。ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスの用途は、発振素子として用いられるＳＡＷ共振子や、移動体通信端末のＲＦ段とＩＣ間に配置されるＩＦ用フィルタなど幅広く存在する。

しかしながら、前記ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスは、１次温度係数は零であるが、２次温度係数は−０．０３４（ｐｐｍ／℃^２）と比較的大きいので、使用温度範囲を拡大すると周波数変動量が極端に大きくなってしまうという問題があった。

そこでこの問題を解決する手法として、非特許文献１及び特許文献１に開示されたＳＡＷデバイスがある。このＳＡＷデバイスは、図１１に示すように回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より−５０°回転した付近に設定し、且つ、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対して垂直方向（Ｚ’軸方向）にしたことが特徴である。なお、前述のカット角をオイラー角で表示する場合は（０°，θ＋９０°，９０°）＝（０°，４０°，９０°）となる。

このＳＡＷデバイスは、圧電基板の表面直下を伝搬するＳＨ波をＩＤＴによって励起し、その振動エネルギーを電極直下に閉じ込めることを特徴としていて、周波数温度特性が３次曲線となり、使用温度範囲における周波数変動量が極めて少なくなるので良好な周波数温度特性が得られる。

しかしながら、前記ＳＨ波は基本的に基板内部に潜って進んでいく波である為、圧電基板表面に沿って伝搬するＳＴカット水晶ＳＡＷと比較してグレーティング反射器によるＳＡＷの反射効率が悪い。従って、小型で高ＱなＳＡＷデバイスを実現し難いという問題がある。また、前述の先行文献においてもＳＡＷの反射を利用しない遅延線としての応用については開示されているものの、ＳＡＷの反射を利用したデバイスへの応用は提案されておらず、発振素子やフィルタ素子としての実用化は困難であると言われていた。

この問題を解決すべく、特許文献２では、図１２に示すように回転Ｙカット水晶基板のカット角θを−５０°付近に設定し、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し垂直方向（Ｚ’軸方向）にした圧電基板１１１上に８００±２００対もの多対のＩＤＴ１１２を形成することにより、グレーティング反射器を利用せずＩＤＴ１１２自体の反射だけでＳＡＷエネルギーを閉じ込め高Ｑ化を図った所謂多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子が開示されている。

しかしながら、前記多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子はグレーティング反射器を設けたＳＡＷ共振子と比較して効率的なエネルギー閉じ込め効果が得られず、高いＱ値を得るのに必要なＩＤＴ対数が８００±２００対と非常に多くなってしまうので、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子よりもデバイスサイズが大きくなってしまい、近年の小型化の要求に応えることができないという問題があった。

また、特許文献２に開示されているＳＡＷ共振子においては、ＩＤＴにて励振されたＳＡＷの波長をλとした時、電極膜厚を２％λ以上、好ましくは４％λ以下にすることによりＱ値を高めることができるとされており、共振周波数２００ＭＨｚの場合、４％λ付近でＱ値が飽和に達するが、その時のＱ値は２００００程度しか得られずＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子と比較してもほぼ同等のＱ値しか得られない。この原因として、膜厚が２％λ以上４％λ以下の範囲ではＳＡＷが圧電基板表面に十分集まっていないので反射が効率良く利用できないことが考えられる。

そこで、本発明者は特許文献３にて、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを、結晶Ｘ軸を回転軸とした結晶Ｚ軸の回転角度とし、結晶＋Ｚ軸から結晶＋Ｙ軸側へ回転させる方向を前記カット角θが負となる回転方向とした時に結晶Ｚ軸より−６４．０°＜θ＜−４９．３°、好ましくは−６１．４°＜θ＜−５１．１°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板上に、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴを形成し、該ＩＤＴのＳＡＷの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２、好ましくは０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０としたＳＡＷデバイスを発明した。当該発明によれば、本来、圧電基板内部に潜って進んでいく波を基板表面に集中させてグレーティング反射器等によりＳＡＷの反射を効率良く利用することができるので、従来のＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスと比較して小型でＱ値が高く、且つ周波数温度特性に優れたＳＡＷデバイスが実現できる。

ところで、小型化されたＳＡＷデバイスは、弾性波が伝搬する基板の大きさを十分に長くとれない。このため、反射器の本数が制限され表面波の振動エネルギーが反射器間で十分に吸収されず、基板端面に達し、端面での反射によるスプリアスが発生することが知られている。

この反射波を抑制するため、反射器の両端に、振動エネルギー吸収のためのアブソーバを塗布して減衰させる方法や、電極の裏面を粗面加工して裏面からの反射を減衰させる方法がある。また特許文献４では、弾性表面波の主伝搬方向に垂直な方向と圧電性基板の端面のなす角度θを３°〜８°の範囲で反射波を抑制することが開示されている。
特公昭６２−０１６０５０号公報 特公平０１−０３４４１１号公報 国際公開第ＷＯ２００５／０９９０８９Ａ１号パンフレット 特開２０００−３４１０８３号公報 Meirion Lewis,"SurfaceSkimming Bulk Wave,SSBW", IEEE UltrasonicsSymp. Proc.,pp.744〜752 (1977)

しかしながら特許文献４に示すＳＡＷデバイスでは、角度θを３°〜８°の範囲に設定すると十分なスプリアス抑制効果が得られると記載されているが、角度θが増加するにしたがって、圧電基板の短辺方向の幅寸法が長くなり、デバイス全体の小型化が困難であるという問題がある。また、特許文献４の圧電基板は材質に一例としてニオブ酸リチウム単結晶を用いることが開示されているが、これ以外の材質については開示されていない。また特許文献３では基板端面の反射波については言及されておらず、反射波の抑制について検討の余地がある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、圧電基板に水晶基板を用いＳＨ波を利用したＳＡＷデバイスにおいて、端面反射波の影響を少なくし、小型化したＳＡＷデバイスを提供することを目的とする。

本発明は上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
〔適用例１〕圧電基板と、該圧電基板上に形成されＡｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴとを備え、前記圧電基板は、そのカット角θを結晶Ｘ軸を回転軸とした結晶Ｚ軸の回転角度とし、結晶＋Ｚ軸から結晶＋Ｙ軸側へ回転させる方向を前記カット角θが負となる回転方向として、−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板からなる回転Ｙカット水晶基板であり、励振する弾性表面波の波長をλとした時、前記ＩＤＴの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とした励振波をＳＨ波とした弾性表面波デバイスであって、
前記弾性表面波の伝搬方向と前記圧電基板の長辺方向のなす傾斜角θ_Eを０°＜θ_E＜３°とすることを特徴とした弾性表面波デバイス。

本発明は弾性表面波の伝搬方向と圧電基板の長辺方向のなす角度（傾斜角）θ_Eを０°＜θ_Eの範囲に設定しているので、等価抵抗値を低抵抗化し、水晶基板の端面からの反射波の影響を防止できる。またなす角度θ_Eを３°よりも小さく設定しているので水晶基板の短辺方向の長さを短く形成することができ、デバイスの小型化を図ることができる。

以下、本発明のＳＡＷデバイスの実施形態を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。まず本発明の元となった特願２００４−３１０４５２のＳＨ波型表面波について説明する。ＳＨ波型表面波は、図１（ａ）に示すように、圧電基板のカット角θを結晶Ｘ軸を回転軸とした結晶Ｚ軸の回転角度とし、結晶＋Ｚ軸から結晶＋Ｙ軸側へ回転させる方向を前記カット角θが負となる回転方向とした時に、Ｙカット水晶基板の回転角θを結晶Ｚ軸より約−５０°とし、結晶軸Ｘに対し９０°±５°方向に伝搬するＳＨ波型の表面波である。図１（ｂ）はＳＨ波型ＳＡＷ共振子であって、水晶基板１の主面上にＺ’軸方向に沿ってＩＤＴ電極２を配置すると共に、該ＩＤＴ電極２の両側にグレーティング反射器３ａ、３ｂを配設してＳＨ波型ＳＡＷ共振子を構成する。ＩＤＴ電極２は互いに間挿し合う複数の電極指を有する一対の櫛形電極より構成され、それぞれの櫛形電極よりリード電極を伸ばす。

ＩＤＴ電極２、グレーティング反射器３ａ、３ｂの電極材料はアルミニウム（Ａｌ）又はＡｌを主成分とする合金とし、ＩＤＴ電極２、グレーティング反射器３ａ、３ｂの電極膜厚ＨをＳＨ波型表面波の波長λで基準化したＨ／λを基準化電極膜厚、ＩＤＴ電極２を構成する電極指幅をＬ、電極指幅Ｌと電極指間のスペースＳとの和を（Ｌ＋Ｓ）としたとき、Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）をライン占有率ｍｒとし、特に記述しないときは、ｍｒ＝０．６０を用いる。

本発明においては、従来の欠点を鑑みて電極膜厚Ｈ／λを従来より大きく設定することで、ＳＡＷを圧電基板表面に集中させて、グレーティング反射器によりＳＡＷの反射を効率良く利用できるようにし、少ないＩＤＴ対数やグレーティング反射器本数でもＳＡＷエネルギーをＩＤＴ内に閉じ込めるようにしてデバイスサイズの小型化を図った。

図２は、図１に示すＳＨ波型ＳＡＷ共振子において、圧電基板１に−５１°回転Ｙカット９０°Ｘ伝搬水晶基板（オイラー角表示では（０°，３９°，９０°））を用い、共振周波数を３１５ＭＨｚ、電極膜厚Ｈ／λを０．０６、ＩＤＴ２の対数を１００対、グレーティング反射器３ａ、３ｂの本数を各々１００本とした場合のＳＨ型共振子の周波数温度特性（実線）を示した図である。また比較のために、圧電基板の大きさを同一にしたＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子の周波数温度特性を破線で示し併記している。

図２よりＳＨ波型ＳＡＷ共振子と従来のＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子とを比較すると、Ｑ値が１．８倍強、figure of meritが約２倍と大きい値が得られている。また、周波数温度特性については、頂点温度Ｔｐは常温である約＋２５℃が得られ、２次温度係数は従来の約０．６倍程度に小さくなるという非常に優れた効果が確認された。

更に、ＳＨ波型ＳＡＷ共振子は従来のＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子よりも良好なＱ値を保ちながら圧電基板のサイズを小型化できる。これは、ＳＨ波型ＳＡＷ共振子の電極膜厚Ｈ／λの増加に対するＩＤＴ又はグレーティング反射器でのＳＡＷの反射量の増加分が、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子と比較して著しく大きいことに起因する。即ち、ＳＨ波型ＳＡＷ共振子は電極膜厚Ｈ／λを大きくすることで、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子よりも少ないＩＤＴ対数又はグレーティング反射器本数で高いＱ値を実現可能である。

図３はＳＨ波型ＳＡＷ共振子における電極膜厚Ｈ／λとＱ値の関係を示したものであり、共振子設計条件は前述と同等である。同図より、０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲においてＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子のＱ値（＝１５０００）を上回る値が得られることが分かる。更に、０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲に設定することにより２００００以上もの高いＱ値が得られる。

また、特許文献２にある多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子とＳＨ波型ＳＡＷ共振子のＱ値を比較すると、特許文献２で得られているＱ値は共振周波数が２０７．５６１（ＭＨｚ）における値であり、これを本実施例で適用している共振周波数３１５（ＭＨｚ）に換算するとＱ値は１５０００程度となるから、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子とほぼ同等である。また、共振子のサイズを比較すると、特許文献２の多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子は８００±２００対もの対数が必要なのに対し、本発明ではＩＤＴとグレーティング反射器の両方で２００対分の大きさで十分であるので格段に小型化できる。従って、電極膜厚を０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲に設定し、グレーティング反射器を設けて効率良くＳＡＷを反射することで、特許文献２に開示されている多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子よりも小型で且つＱ値が高いＳＡＷデバイスを実現できる。

次に、図４はＳＨ波型ＳＡＷ共振子における電極膜厚Ｈ／λと２次温度係数の関係を示しており、共振子設計条件は前述と同等である。同図より、高いＱ値が得られる０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲においてＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子の２次温度係数−０．０３４（ｐｐｍ／℃^２）よりも良好な値が得られることが分かる。

以上より、電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲に設定することで、ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイス及び特許文献２に開示されているＳＡＷデバイスよりも小型でＱ値が高く、且つ周波数安定性に優れたＳＡＷデバイスを提供できることが確認された。

また、これまでカット角θを−５１°とした場合についてのみ示してきたが、ＳＨ波型ＳＡＷ共振子においてはカット角θを変えても膜厚依存性は大きく変化せず、−５１°から数度ずれたカット角においても電極膜厚を０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲に設定することで、良好なＱ値と２次温度係数が得られることを確認した。

ところで、本発明のＳＨ波型ＳＡＷ共振子は、非常に広い温度範囲では３次的な温度特性となるが、特定の狭い温度範囲では２次特性と見なすことができ、その頂点温度Ｔｐは電極膜厚やカット角によって変化する。従って、いくら周波数温度特性が優れていても頂点温度Ｔｐが使用温度範囲外となってしまうと周波数安定性は著しく劣化してしまうので、実用的な使用温度範囲（−５０℃〜＋１２５℃）において優れた周波数安定性を実現するには、２次温度係数だけでなく頂点温度Ｔｐについても詳細に検討する必要がある。

図５（ａ）は、本発明のＳＨ波型ＳＡＷ共振子においてカット角θを−５０．５°としたときの電極膜厚Ｈ／λと頂点温度Ｔｐの関係を示している。図５（ａ）から明らかなように、電極膜厚Ｈ／λを大きくすると頂点温度Ｔｐは下がり、電極膜厚Ｈ／λと頂点温度Ｔｐの関係は次の近似式で表わされる。

また、−５０°近傍のカット角においても切片を除けばおおよそ数式１が適用できる。

また、図５（ｂ）は、本発明のＳＡＷ共振子において電極膜厚Ｈ／λを０．０６とした時のカット角θと頂点温度Ｔｐの関係を示している。図５（ｂ）から明らかなように、カット角θの絶対値を小さくすると頂点温度Ｔｐは下がり、カット角θと頂点温度Ｔｐの関係は次の近似式で表わされる。

数式１及び数式２から電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とした時に頂点温度Ｔｐを実用的な使用温度範囲（−５０〜＋１２５℃）に設定するには、カット角θを−５９．９°≦θ≦−４８．９°の範囲に設定すれば良いことが分かる。

また、電極膜厚Ｈ／λとカット角θの双方を考慮する場合、頂点温度Ｔｐは数式１及び数式２から次の近似式で表わされる。

数式３より、頂点温度Ｔｐを使用温度範囲（−５０〜＋１２５℃）に設定するには、次式で表される範囲に電極膜厚Ｈ／λ及びカット角θを設定すれば良い。

このように、本発明ではカット角θが−５９．９°≦θ≦−４８．９°の範囲にある回転Ｙカット水晶基板を用い、ＳＡＷの伝搬方向がＸ軸に対してほぼ垂直方向として励振されるＳＨ波を用い、ＩＤＴ電極やグレーティング反射器の電極材料をＡｌまたはＡｌを主とした合金にて構成し、その電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とすることで、ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスより小型で、且つＱ値が大きく、且つ周波数安定性の優れているＳＡＷデバイスを実現できる。

ここで、より最適な条件について検討すると、電極膜厚Ｈ／λは図３よりＱ値として２０，０００以上が得られる０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲に設定するのが好ましい。また、頂点温度Ｔｐをより実用的な使用温度範囲（０°〜＋７０℃）に設定するためには、カット角θは−５５．７°≦θ≦−５０．２°の範囲に設定するのが好ましく、更には、数式３より得られる次式の範囲にカット角θ及び電極膜厚Ｈ／λを設定するのが好ましい。

以上では、図５（ａ）のカット角θを−５０．５°とした時の電極膜厚Ｈ／λと頂点温度Ｔｐの関係、及び図５（ｂ）の電極膜厚Ｈ／λを０．０６とした時のカット角θと頂点温度Ｔｐの関係から、頂点温度Ｔｐが実用的な使用温度範囲に入るような電極膜厚Ｈ／λとカット角θの関係式を導き出したが、更にカット角θの範囲を広げて実験を行ったところ、より詳細な条件を見出すことができたので以下説明する。

図６は、前記ＳＨ波型ＳＡＷ共振子において頂点温度Ｔｐ（℃）がＴｐ＝−５０，０，＋７０，＋１２５である時の水晶基板のカット角θと電極膜厚Ｈ／λの関係を示しており、各Ｔｐ特性の近似式は以下の通りである。

図６から、頂点温度Ｔｐ（℃）を実用的な範囲である−５０≦Ｔｐ≦＋１２５に設定するには、Ｔｐ＝−５０℃及びＴｐ＝＋１２５℃の曲線に囲まれた領域、即ち、−1.34082×10^−４×θ^３−2.34969×10^−２×θ^２−1.37506×θ−26.7895＜Ｈ／λ＜−1.02586×10^−４×θ^３−1.73238×10^−２×θ^２−0.977607×θ−18.3420となるようにカット角θ及び電極膜厚Ｈ／λを設定すれば良いことが分かる。また、この時の電極膜厚Ｈ／λの範囲は、従来のＳＴカット水晶デバイスより優れた特性が得られる０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、カット角θの範囲は図６の点Ａから点Ｂに示す範囲の−６４．０＜θ＜−４９．３とする必要がある。

更に、より最適な条件について検討すると、頂点温度Ｔｐ（℃）はより実用的な使用温度範囲である０≦Ｔｐ≦＋７０に設定するのが望ましい。Ｔｐ（℃）を前述の範囲に設定するには、図６に示すＴｐ＝０℃及びＴｐ＝＋７０℃の曲線に囲まれた領域、即ち、−1.44605×10^−４×θ^３−2.50690×10^−２×θ^２−1.45086×θ−27.9464＜Ｈ／λ＜−9.87591×10^−５×θ^３−1.70304×10^−２×θ^２−0.981173×θ−18.7946となるようにカット角θ及び電極膜厚Ｈ／λを設定すれば良い。また、電極膜厚Ｈ／λはＱ値が２０，０００以上得られる０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲にするのが望ましく、電極膜厚を前述の範囲とし、頂点温度Ｔｐ（℃）を０≦Ｔｐ≦＋７０の範囲内に設定するには、カット角θを図６の点Ｃから点Ｄに示す範囲の−６１．４＜θ＜−５１．１に設定する必要がある。

以上、詳細に検討した結果、カット角θが−６４．０°＜θ＜−４９．３°、好ましくは−６１．４°＜θ＜−５１．１°の範囲にある回転Ｙカット水晶基板を用い、表面波の伝搬方向がＸ軸に対してほぼ垂直方向として励振されるＳＨ波を用い、ＩＤＴ電極やグレーティング反射器の電極材料をＡｌまたはＡｌを主とした合金にて構成し、その電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２、好ましくは０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０とすることで、ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスよりＱ値が大きく優れた温度特性が得られると共に、頂点温度Ｔｐを実用的な使用温度範囲内に設定できることを見出した。

ところで、これまでＩＤＴのライン占有率ｍｒを０．６０と固定したときの例について説明してきたが、以下ではライン占有率を変数に含めた場合のＴｐ特性について検討した。図７は、電極膜厚とライン占有率の積（Ｈ／λ）×ｍｒと頂点温度Ｔｐの関係を示している。なお、縦軸は頂点温度Ｔｐ（℃）を、横軸は電極膜厚とライン占有率との積（Ｈ／λ）×ｍｒを示しており、このときの水晶基板のカット角θは−５１．５°としている。図７に示すように、電極膜厚とライン占有率の積（Ｈ／λ）×ｍｒの値を大きくする程、頂点温度Ｔｐは下がることが分かる。

次に、図８は頂点温度Ｔｐ（℃）がＴｐ＝−５０，０，＋７０，＋１２５である時の水晶基板のカット角θと電極膜厚とライン占有率の積（Ｈ／λ）×ｍｒの関係を示している。なお、各Ｔｐ特性の近似式は以下の通りである。

図８から、頂点温度Ｔｐ（℃）を実用的な範囲である−５０≦Ｔｐ≦＋１２５に設定するには、Ｔｐ＝−５０℃及びＴｐ＝＋１２５℃の曲線に囲まれた領域、即ち、−8.04489×10^−５×θ^３−1.40981×10^−２×θ^２−0.825038×θ−16.0737＜Ｈ／λ×ｍｒ＜−6.15517×10^−５×θ^３−1.03943×10^−２×θ^２−0.586564×θ−11.0052となるようにカット角θ及び電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒを設定すれば良いことが分かる。また、この時の電極膜厚Ｈ／λの範囲は従来のＳＴカット水晶デバイスより優れた特性が得られる０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とし、カット角θの範囲は−６４．０＜θ＜−４９．３とする必要がある。

また、頂点温度Ｔｐ（℃）をより実用的な使用温度範囲である０≦Ｔｐ≦＋７０に設定するには、図８に示すＴｐ＝０℃及びＴｐ＝＋７０℃の曲線に囲まれた領域、即ち、−8.67632×10^−５×θ^３−1.50414×10^−２×θ^２−0.870514×θ−16.7678＜Ｈ／λ×ｍｒ＜−5.92554×10^−５×θ^３−1.02183×10^−２×θ^２−0.588704×θ−11.2768となるようにカット角θ及び電極膜厚とライン占有率の積（Ｈ／λ）×ｍｒを設定すれば良い。また、この時の電極膜厚Ｈ／λはＱ値が２０，０００以上得られる０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０とするのが望ましく、電極膜厚を前述の範囲とし、且つ、頂点温度Ｔｐ（℃）を０≦Ｔｐ≦＋７０の範囲内に設定するには、カット角θは−６１．４＜θ＜−５１．１とするのが望ましい。

以上の種々のＳＡＷデバイスにおいて、圧電基板に回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より−６４．０°＜θ＜−４９．３°、好ましくは−６１．４°＜θ＜−５１．１°の範囲に設定し、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板を用い、電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２、好ましくは０．０５＜Ｈ／λ＜０．１０の範囲に設定すれば、本発明と同様な効果が得られることは明らかである。

また上述のＳＡＷデバイスにおいて、ＩＤＴやグレーティング反射器上にＳｉＯ_２等の保護膜やＡｌを陽極酸化した保護膜等を形成し、またＡｌ電極の上部あるいは下部に密着層あるいは耐電力向上等の目的で別の金属薄膜を形成した場合においても、本発明と同様の効果を得られることは明らかである。また、センサ装置やモジュール装置、発振回路等に本発明のＳＡＷデバイスが適用できることは言うまでもない。また、電圧制御ＳＡＷ発振器（ＶＣＳＯ）等に本発明のＳＡＷデバイスを用いれば、容量比γを小さくできるので周波数可変幅を大きくとれる。

また、本発明のＳＡＷデバイスは、ＳＡＷチップとパッケージをワイヤボンディングした構造以外でも良く、ＳＡＷチップの電極パッドとパッケージの端子とを金属バンプで接続したフリップチップボンディング（ＦＣＢ）構造や、配線基板上にＳＡＷチップをフリップチップボンディングしＳＡＷチップの周囲を樹脂封止したＣＳＰ（Chip Size Package）構造、或いは、ＳＡＷチップ上に金属膜や樹脂層を形成することによりパッケージや配線基板を不要としたＷＬＣＳＰ（Wafer Level Chip Size Package）構造等にしても良い。更には、水晶デバイスを水晶又はガラス基板で挟んで積層封止したＡＱＰ（All Quartz Package）構造としても良い。前記ＡＱＰ構造は、水晶又はガラス基板で挟んだだけの構造であるのでパッケージが不要で薄型化が可能であり、低融点ガラス封止や直接接合とすれば接着剤によるアウトガスが少なくなりエージング特性に優れた効果を奏する。

次に本発明のＳＡＷデバイス１０について以下説明する。図９は本発明に係るＳＨ波型のＳＡＷデバイスの構成を示す平面図である。圧電基板となる水晶基板７１は、図１（ａ）に示したように、圧電基板のカット角θを結晶Ｘ軸を回転軸とした結晶Ｚ軸の回転角度とし、結晶＋Ｚ軸から結晶＋Ｙ軸側へ回転させる方向を前記カット角θが負となる回転方向とした時に、Ｙカット水晶基板の回転角θを結晶軸Ｚより約−５０°とし、結晶軸Ｘに対し９０°±５°方向（Ｚ’軸方向）に伝搬するＳＨ波型表面波を励起する基板を用いる。そして水晶基板７１上にＩＤＴ電極（ＩＤＴ）７２およびグレーティング反射器７３ａ，７３ｂを配置し形成する方法は、アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金を蒸着あるいはスパッタリング等で付着させ、ホトリソグラフィ手法で形成している。このときＩＤＴ電極７２の弾性表面波の伝播方向Ｌ１は、水晶基板７１の長辺方向Ｌ２に対して所定角度に傾けている。ここで本発明ではＩＤＴ電極７２が励起する表面波、すなわち弾性表面波の伝播方向Ｌ１と水晶基板７１の長辺方向Ｌ２との間のなす角度を傾斜角θ_Eと定義する。

図１０は等価抵抗値Ｒ１の平均値（Ａｖｅ）及び標準偏差（σ）と、傾斜角θ_Eの関係を示すグラフである。横軸は傾斜角θ_E（°）を示し、左縦軸は等価抵抗値Ｒ１の平均値（Ω）、右縦軸は等価抵抗値Ｒ１に標準偏差（Ω）を示す。図示のように傾斜角θ_Eが０°のとき、すなわち弾性表面波の伝播方向Ｌ１と水晶基板７１の長辺方向Ｌ２とが平行の場合、等価抵抗値Ｒ１の平均値は約１６Ωであり、等価抵抗値Ｒ１の標準偏差は３．０Ωを示している。これは端面反射波がＩＤＴ電極７１で受信され等価抵抗値Ｒ１の特性が劣化し、抵抗値のばらつきが生じていることが考えられる。次に傾斜角θ_Eが２．０°のとき、等価抵抗値Ｒ１の平均値は約１５．６Ωであり、等価抵抗値Ｒ１の標準偏差は約０．５Ωを示している。また傾斜角θ_Eが３．０°のとき、等価抵抗値Ｒ１の平均値は約１５．７Ωであり、等価抵抗値Ｒ１の標準偏差は約０．５Ωを示している。グラフに示すように、傾斜角θ_Eが０°より大きい僅かな角度でも等価抵抗値Ｒ１の平均値及び標準偏差は、減少する傾向にあり、傾斜角θ_Eが１．５°以上では等価抵抗値Ｒ１の平均値は１５．６〜１５．７Ωの間で略飽和状態に達している。そして等価抵抗値Ｒ１の標準偏差も略０．５Ωを示し、抵抗値Ｒ１のばらつきが減少している。

そこで本発明の水晶基板７１上の配置するＩＤＴ電極７２およびグレーティング反射器７３ａ，７３ｂは、傾斜角θ_Eを０°＜θ_E＜３°の範囲で配置し形成している。

このように水晶基板７１にＩＤＴ電極７２と、その両側にグレーティング反射器７３ａ、７３ｂとを配置して、ＳＨ波型のＳＡＷデバイス１０を構成する。なおＩＤＴ電極７２は、互いに間挿し合う複数の電極指を有する一対の櫛形電極より形成され、それぞれの櫛形電極よりリード電極を伸ばして二端子とする。

また、水晶基板７１のカット角θ、電極材料、ＩＤＴ電極の基準化電極膜厚Ｈ／λ（λはＳＨ波型表面波の波長）、ライン占有率ｍｒ（電極指幅Ｌとスペース幅Ｓとの和に対する電極指幅Ｌの比）等は、前述した特願２００４−３１０４５２号に基づくものとする。

このような本発明のＳＨ波型のＳＡＷデバイスによれば、傾斜角θ_Eを０°＜θ_Eに設定することで、等価抵抗値が低抵抗化し、端面反射波がＩＤＴ電極に入力されることがなく、スプリアスの影響を防止できる。また傾斜角θ_Eを３°よりも小さく設定しているので、水晶基板の短辺方向の厚みを短く形成することができ、したがってデバイス全体の小型化を図ることができる。

（ａ）はＳＨ波型ＳＡＷ共振子の基板のカット角θと、電極の配置を示す図であり、（ｂ）はＳＨ波型共振子の構成を示す平面図である。 ＳＨ波型ＳＡＷ共振子と従来品（ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子）の周波数温度特性の比較である。 ＳＨ波型ＳＡＷ共振子の電極膜厚Ｈ／λとＱ値との関係を示す図である。 ＳＨ波型ＳＡＷ共振子の電極膜厚Ｈ／λと２次温度係数の関係を示す図である。 ＳＨ波型ＳＡＷ共振子の電極膜厚Ｈ／λと頂点温度Ｔｐの関係を（ａ）に、カット角θと頂点温度Ｔｐの関係を（ｂ）に示す。 ＳＨ波型ＳＡＷ共振子の頂点温度Ｔｐ（℃）がＴｐ＝−５０，０，＋７０，＋１２５であるときのカット角θと電極膜厚Ｈ／λの関係を示す。 ＳＨ波型ＳＡＷ共振子の電極膜厚とライン占有率の積（Ｈ／λ）×ｍｒと頂点温度Ｔｐの関係を示す。 ＳＨ波型ＳＡＷ共振子の頂点温度Ｔｐ（℃）がＴｐ＝−５０，０，＋７０，＋１２５であるときのカット角θと電極膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ×ｍｒの関係を示す。 本発明のＳＡＷデバイスの平面図である。 等価抵抗値と傾斜角θ_Eとの関係を示すグラフである。 −５０°回転Ｙカット９０°Ｘ伝搬水晶基板を説明する図である。 多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子を説明する図である。

符号の説明

１………圧電基板、２………ＩＤＴ、３ａ、３ｂ………グレーティング反射器、４ａ、４ｂ………入出力用パッド、５ａ、５ｂ………金属ワイヤ、６………パッケージ、１０………ＳＡＷデバイス、７１………水晶基板、７２………ＩＤＴ電極、７３………グレーティング反射器。

Claims (1)

1. 圧電基板と、該圧電基板上に形成されＡｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴとを備え、
   前記圧電基板は、そのカット角θを結晶Ｘ軸を回転軸とした結晶Ｚ軸の回転角度とし、結晶＋Ｚ軸から結晶＋Ｙ軸側へ回転させる方向を前記カット角θが負となる回転方向として、−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板からなる回転Ｙカット水晶基板であり、
   励振する弾性表面波の波長をλとした時、前記ＩＤＴの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２とした励振波をＳＨ波とした弾性表面波デバイスであって、
   前記弾性表面波の伝搬方向と前記圧電基板の長辺方向のなす傾斜角θ_Eを０°＜θ_E＜３°とすることを特徴とした弾性表面波デバイス。

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