JP2010178543A - Thin-film resonator - Google Patents

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Takahiko Yanagiya
隆彦 柳谷
Naoki Morisato
直希 守里
Masami Matsukawa
真美 松川
Yoshiaki Watanabe
好章 渡辺
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Nagoya Institute of Technology NUC
Doshisha Co Ltd
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Nagoya Institute of Technology NUC
Doshisha Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin-film resonator that excites lateral waves while at the same time suppressing the excitation of longitudinal waves at a predetermined frequency. <P>SOLUTION: The thin-film resonator 10 is such that n layers (n is a natural number of 3 or above) of piezoelectric layers (first piezoelectric layer 111, second piezoelectric layer 112, third piezoelectric layer...) are provided between a first electrode 121 and a second electrode 122. A polarization vector B in each piezoelectric layer is oriented to tilt about a normal line 13 of a plane α parallel to the thin-film resonator. The projection of the polarization vector P in each piezoelectric layer on the normal line 13 is in the same direction. The projections on the plane α of the polarization vectors P in odd-numberth piezoelectric layers counted from the first electrode 121 side orient in the opposite direction from the projections on the plane α of the polarization vectors P in the even-numberth piezoelectric layers counted from the first electrode 121 side. Due to this structure, excitation of a lateral wave having the largest intensity occurs at a different frequency from that of excitation of a longitudinal wave having the largest intensity, and hence excitation of longitudinal waves can be suppressed when lateral waves are excited. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、横波の機械的振動を交流電圧に変換し、あるいは交流電圧を横波の機械的振動に変換するすべりモード型の薄膜共振子に関する。   The present invention relates to a sliding mode type thin film resonator that converts a mechanical vibration of a transverse wave into an alternating voltage or converts an alternating voltage into a mechanical vibration of a transverse wave.

すべりモード薄膜共振子は横波の音波を発信・受信する素子として用いられる。このような素子を用いて、例えば、液体試料から析出する固体の量の時間変化を測定することができる。この測定では、液体試料が入った容器の壁に横波の音波を発信し、それにより生じる壁の横波振動を受信してその振動周波数を求める。ここで、横波は固体中のみを伝播し、液体中(及び気体中)では伝播しないため、壁(固体)の振動のみを捉えることができる。そして、容器の壁に析出する固体の量の変化に対応して、受信した横波振動の周波数が(わずかに)変化するため、その周波数の変化が固体の析出量の変化を反映した値となる。   The sliding mode thin film resonator is used as an element for transmitting / receiving a shear wave. Using such an element, for example, it is possible to measure a temporal change in the amount of solid deposited from a liquid sample. In this measurement, a transverse wave is transmitted to the wall of the container containing the liquid sample, and the resulting transverse wave vibration is received to determine the vibration frequency. Here, since the transverse wave propagates only in the solid and does not propagate in the liquid (and in the gas), only the vibration of the wall (solid) can be captured. Then, since the frequency of the received transverse wave vibration changes (slightly) in response to the change in the amount of solid deposited on the container wall, the change in frequency becomes a value reflecting the change in the amount of solid deposited. .

特許文献1には、横波を発信・受信する薄膜共振子の例として、図1に示した薄膜共振子(トランスデューサ)90が記載されている。この薄膜共振子90は、第1電極921と第2電極922の間に第1圧電体層911と第2圧電体層912の2層を有する。第1圧電体層911の第1分極ベクトルP1と第2圧電体層912の第2分極ベクトルP2はそれぞれトランスデューサ面(第1圧電体層911及び第2圧電体層912に平行な面)αの法線93に対して傾斜するように配向している。そして、第1分極ベクトルP1と第2分極ベクトルP2のトランスデューサ面αへの射影P1SとP2Sは逆方向であり、第1分極ベクトルと第2分極ベクトルの法線93への射影P1LとP2Lは同方向である。第1圧電体層911及び第2圧電体層912には、機械的振動と交流電圧の間の変換効率が高いウルツ鉱型構造(「ウルツ鉱構造」、「ウルツ鉱型結晶構造」とも呼ばれる)を有する圧電体を好適に用いることができる。ウルツ鉱型構造を有する圧電体では、分極ベクトルの方向は結晶軸のc軸方向である。 Patent Document 1 describes a thin film resonator (transducer) 90 shown in FIG. 1 as an example of a thin film resonator that transmits and receives a transverse wave. The thin film resonator 90 has two layers of a first piezoelectric layer 911 and a second piezoelectric layer 912 between a first electrode 921 and a second electrode 922. The first polarization vector P 1 of the first piezoelectric layer 911 and the second polarization vector P 2 of the second piezoelectric layer 912 are respectively transducer surfaces (surfaces parallel to the first piezoelectric layer 911 and the second piezoelectric layer 912). It is oriented so as to be inclined with respect to the normal line 93 of α. The projections P 1S and P 2S of the first polarization vector P 1 and the second polarization vector P 2 onto the transducer surface α are in opposite directions, and the projection P onto the normal line 93 of the first polarization vector and the second polarization vector. 1L and P2L are in the same direction. The first piezoelectric layer 911 and the second piezoelectric layer 912 have a wurtzite structure with high conversion efficiency between mechanical vibration and AC voltage (also called “wurtzite structure” or “wurtzite crystal structure”). A piezoelectric body having the above can be suitably used. In a piezoelectric body having a wurtzite structure, the direction of the polarization vector is the c-axis direction of the crystal axis.

特開2008-182515号公報JP 2008-182515 A

特許文献1に記載の薄膜共振子では、所定の共振周波数を持つ横波の音波が励振されるのと同時に、その横波と同じ共振周波数を持つ縦波が励振される。このような特性は、例えば被測定物内部で様々な方向に走る亀裂等を検出する非破壊検査の振動源のように、同じ周波数の縦波と横波を同時に利用する場合には有益である。しかし、上述の固体析出量の測定のように横波のみを用いたい場合には、横波と同じ振動数を持つ縦波がノイズの原因となるため好ましくない。固体析出量測定の例では、薄膜共振子が、容器の壁の横波振動に加えて、その横波と同じ周波数で容器内の液体及び容器の壁を伝播する縦波振動を受信することから、受信信号はそれら2つの振動が重畳されたものになり、固体に関する情報だけを抽出することが困難になる。   In the thin film resonator described in Patent Document 1, a transverse wave having a predetermined resonance frequency is excited, and simultaneously, a longitudinal wave having the same resonance frequency as the transverse wave is excited. Such a characteristic is useful when a longitudinal wave and a transverse wave of the same frequency are used simultaneously, such as a vibration source for nondestructive inspection that detects cracks running in various directions inside the object to be measured. However, when it is desired to use only a transverse wave as in the measurement of the solid precipitation amount, a longitudinal wave having the same frequency as the transverse wave causes noise, which is not preferable. In the example of solid precipitation measurement, in addition to the transverse wave vibration of the container wall, the thin film resonator receives the longitudinal wave vibration that propagates the liquid in the container and the container wall at the same frequency as the transverse wave. The signal is a superposition of these two vibrations, making it difficult to extract only information about the solid.

本発明が解決しようとする課題は、所定の周波数において、縦波の励振を抑制しつつ横波を励振する薄膜共振子を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a thin film resonator that excites a transverse wave while suppressing excitation of a longitudinal wave at a predetermined frequency.

上記課題を解決するために成された本発明に係る薄膜共振子は、
第1電極と第2電極の間にn層(nは3以上の自然数)の圧電体層が設けられた薄膜共振子であって、
各圧電体層における分極ベクトルが前記薄膜共振子に平行な面の法線に対して傾斜するように配向しており、
各圧電体層における分極ベクトルの前記法線への射影が同方向であり、
第1電極側から数えて奇数番目の圧電体層における分極ベクトルの前記面への射影が、第1電極側から数えて偶数番目の圧電体層における分極ベクトルの前記面への射影と逆方向である、
ことを特徴とする。
The thin film resonator according to the present invention, which has been made to solve the above problems,
A thin film resonator in which an n layer (n is a natural number of 3 or more) piezoelectric layer is provided between a first electrode and a second electrode,
Oriented so that the polarization vector in each piezoelectric layer is inclined with respect to the normal of the plane parallel to the thin film resonator,
The projection of the polarization vector in each piezoelectric layer onto the normal is in the same direction,
The projection of the polarization vector in the odd-numbered piezoelectric layer counted from the first electrode side onto the surface is opposite to the projection of the polarization vector in the even-numbered piezoelectric layer counted from the first electrode side onto the surface. is there,
It is characterized by that.

本発明に係る薄膜共振子によれば、横波の強度が最大になる共振周波数Fpが、縦波の強度が最大になる共振周波数Fsと異なる値をとるため、周波数Fpにおいて、縦波の励振を抑制しつつ横波を励振することができる。以下、その理由を説明する。 According to the thin film resonator according to the present invention, the resonant frequency F p for the strength of the transverse wave is maximum is to take the strength of the longitudinal wave is different from the resonant frequency F s that maximizes the value, at the frequency F p, the longitudinal wave The transverse wave can be excited while suppressing the excitation of. The reason will be described below.

本発明に係る薄膜共振子では、各圧電体層における分極ベクトルの前記法線への射影が同方向であるため、第1電極と第2電極の間に交流電圧が印加された時、又は外部から縦波の振動が与えられた時に、法線方向には、全ての圧電体層が同位相で振動する。そのため、縦波はn層の圧電体層の積層体全体(全膜厚dtotal)に亘って1/2波長の振動が形成される、即ち波長λLが2dtotalである1次モードの強度が最大になる。 In the thin film resonator according to the present invention, since the projection of the polarization vector in each piezoelectric layer to the normal line is in the same direction, when an AC voltage is applied between the first electrode and the second electrode, or externally When a longitudinal wave vibration is applied, all piezoelectric layers vibrate in the same phase in the normal direction. Therefore, the longitudinal wave generates a half-wave vibration over the entire laminate ( total film thickness d total ) of n piezoelectric layers, that is, the intensity of the first-order mode in which the wavelength λ L is 2d total. Is maximized.

一方、奇数番目の圧電体層における分極ベクトルの前記面(トランスデューサ面)への射影と偶数番目の圧電体層における分極ベクトルのトランスデューサ面への射影が逆方向であるため、第1電極と第2電極の間に交流電圧が印加された時、又は外部から横波の振動が与えられた時に、トランスデューサ面に平行な方向には、奇数番目の圧電体層と偶数番目の圧電体層が逆方向に振動する。そのため、横波は積層体全体に亘ってn/2波長の振動が形成される、即ち波長λSが(2/n)dtotalであるn次モードの強度が最大になる。 On the other hand, since the projection of the polarization vector in the odd-numbered piezoelectric layer onto the surface (transducer surface) and the projection of the polarization vector in the even-numbered piezoelectric layer onto the transducer surface are in opposite directions, the first electrode and the second electrode When an AC voltage is applied between the electrodes, or when a lateral wave vibration is applied from the outside, the odd-numbered piezoelectric layers and the even-numbered piezoelectric layers are reversed in the direction parallel to the transducer surface. Vibrate. For this reason, the transverse wave has an n / 2 wavelength vibration over the entire laminated body, that is, the intensity of the nth mode in which the wavelength λ S is (2 / n) d total is maximized.

圧電体層内での縦波の音速VLは圧電体層内での横波の音速VSのおよそ2倍である。そのため、最大強度の縦波の周波数fL及び最大強度の横波の周波数fSを音速VSで表すと、
fL=VLL≒2VS/(2dtotal)=VS/dtotal …(1)
fS=VSS≒VS/((2/n)dtotal)=(n/2)VS/dtotal …(2)
fS≒(n/2)fL …(3)
となる。即ち、n=2の場合にはfLとfSがほぼ等しくなるのに対して、nが3以上の自然数である場合にはfLとfSが異なる値をとる。従って、本発明のように3層以上の圧電体層を用いることにより、最大強度の励振が生じる周波数が異なることとなる。言い換えれば、本発明に係る薄膜共振子では、所定の周波数fSにおいて、該薄膜共振子における最大強度の縦波が生じることなく、最大強度の横波が励振される。
The longitudinal wave sound velocity V L in the piezoelectric layer is approximately twice the transverse wave sound velocity V S in the piezoelectric layer. Therefore, when the frequency f L of the longitudinal wave with the maximum intensity and the frequency f S of the transverse wave with the maximum intensity are represented by the sound velocity V S ,
f L = V L / λ L ≒ 2V S / (2d total ) = V S / d total … (1)
f S = V S / λ S ≈V S / ((2 / n) d total ) = (n / 2) V S / d total … (2)
f S ≒ (n / 2) f L ... (3)
It becomes. That is, when n = 2, f L and f S are substantially equal, but when n is a natural number of 3 or more, f L and f S take different values. Therefore, by using three or more piezoelectric layers as in the present invention, the frequency at which the excitation with the maximum intensity occurs is different. In other words, in the thin film resonator according to the present invention, the maximum intensity transverse wave is excited at the predetermined frequency f S without generating the maximum intensity longitudinal wave in the thin film resonator.

上記のように、縦波の共振周波数と横波の共振周波数は共に全膜厚dtotal及び圧電体層内での音速により定まる。すなわち、縦波と横波の周波数は、個々の圧電体層の厚さdk(kは1〜nの自然数)や分極ベクトルと法線の成す角度θkにはほとんど依存しない。そのため、最大強度の縦波が生じることなく最大強度の横波を励振するという目的を達する限りにおいては、圧電体層毎に厚さdkや角度θkが異なってもよい。しかし、厚さdkや角度θkが圧電体層毎に異なると、縦波及び横波において、最大強度の振動モード以外の振動モードも生じてしまう。そのため、厚さdkや角度θkは全ての層において同一であることが望ましい。 As described above, the resonance frequency of the longitudinal wave and the resonance frequency of the transverse wave are both determined by the total film thickness d total and the speed of sound in the piezoelectric layer. That is, the frequency of the longitudinal wave and the transverse wave hardly depends on the thickness d k (k is a natural number of 1 to n) of each piezoelectric layer and the angle θ k formed by the polarization vector and the normal line. Therefore, the thickness d k and the angle θ k may be different for each piezoelectric layer as long as the purpose of exciting the maximum intensity transverse wave without generating the maximum intensity longitudinal wave is achieved. However, if the thickness d k and the angle θ k are different for each piezoelectric layer, vibration modes other than the vibration mode having the maximum intensity are also generated in the longitudinal wave and the transverse wave. Therefore, it is desirable that the thickness d k and the angle θ k are the same in all layers.

各圧電体層の材料は、圧電体であれば特に限定されないが、機械的振動と交流電圧の間の変換効率が高いウルツ鉱型構造を有する圧電体であることが望ましい。ウルツ鉱型構造を有する圧電体には、酸化亜鉛(ZnO)や窒化アルミニウム(AlN)等がある。   The material of each piezoelectric layer is not particularly limited as long as it is a piezoelectric body, but is desirably a piezoelectric body having a wurtzite structure with high conversion efficiency between mechanical vibration and AC voltage. Examples of the piezoelectric body having a wurtzite structure include zinc oxide (ZnO) and aluminum nitride (AlN).

本発明に係る薄膜共振子を製造する際には通常、基板(第1電極若しくは第2電極、又はそれらとは別の基板)の上に1層目の圧電体層を作製し、その上に2層目以降の圧電体層を順に作製する。この場合、k番目(kは2〜n)の圧電体層は、その直下にある(k-1)番目の圧電体層における結晶成長の方向の影響を受けて、結晶軸の方向が所定の方向からずれる場合がある。このように結晶軸の方向がずれると、それにより分極ベクトルも所定の方向からずれてしまう。そこで、本発明に係る薄膜共振子には、隣接する2つの圧電体層の間に、一方の圧電体層の結晶軸の向きが他方の圧電体層の結晶の向きに影響を及ぼすことを防ぐ緩衝層を設けることができる。例えば、各圧電体層の材料に酸化亜鉛を用いた場合には、緩衝層の材料には二酸化珪素(SiO2)を用いることができる。また、緩衝層の材料が結晶性を有すると、その結晶軸の方向が圧電体層の結晶軸の方向に影響を与えたり、薄膜共振子の使用時に不要な振動を発生させたりする可能性があるため、緩衝層にはアモルファスを用いることが望ましい。アモルファスの緩衝層の材料には、例えば、アルミナ、二酸化チタン、酸化ホウ素、カーボン、その他のガラス材料やアモルファス合金を用いることができる。 When manufacturing a thin film resonator according to the present invention, a first piezoelectric layer is usually formed on a substrate (first electrode or second electrode, or a substrate different from the substrate), and the first piezoelectric layer is formed thereon. Second and subsequent piezoelectric layers are sequentially formed. In this case, the k-th (k is 2 to n) piezoelectric layer is affected by the crystal growth direction in the (k-1) -th piezoelectric layer directly below it, so that the crystal axis direction is predetermined. May deviate from direction. If the direction of the crystal axis is shifted in this way, the polarization vector is also shifted from a predetermined direction. Therefore, the thin film resonator according to the present invention prevents the orientation of the crystal axis of one piezoelectric layer from affecting the orientation of the crystal of the other piezoelectric layer between two adjacent piezoelectric layers. A buffer layer can be provided. For example, when zinc oxide is used as the material of each piezoelectric layer, silicon dioxide (SiO 2 ) can be used as the material of the buffer layer. Also, if the material of the buffer layer has crystallinity, the direction of the crystal axis may affect the direction of the crystal axis of the piezoelectric layer, or unnecessary vibration may be generated when the thin film resonator is used. For this reason, it is desirable to use amorphous for the buffer layer. As the material of the amorphous buffer layer, for example, alumina, titanium dioxide, boron oxide, carbon, other glass materials or amorphous alloys can be used.

本発明に係る薄膜共振子によれば、所定の周波数において、該薄膜共振子における最大強度の縦波が生じることを防いで縦波の励振を抑制しつつ、最大強度の横波を励振することができる。   According to the thin film resonator according to the present invention, it is possible to excite the maximum intensity transverse wave while suppressing the excitation of the longitudinal wave by preventing the occurrence of the maximum intensity longitudinal wave in the thin film resonator at a predetermined frequency. it can.

従来の薄膜共振子90を示す縦断面図。The longitudinal cross-sectional view which shows the conventional thin film resonator 90. FIG. 本発明の一実施例である薄膜共振子10を示す縦断面図。1 is a longitudinal sectional view showing a thin film resonator 10 according to an embodiment of the present invention. 本実施例の薄膜共振子10内に生じる縦波及び横波を模式的に示す図。The figure which shows typically the longitudinal wave and transverse wave which arise in the thin film resonator 10 of a present Example. ウルツ鉱型構造を持つ物質の結晶構造を示す模式図。The schematic diagram which shows the crystal structure of the substance which has a wurtzite structure. (a)ZnO、(b)AlN、(c)LiNbO3における分極ベクトルの傾斜角ψと電気機械結合定数k15'の関係を示すグラフ(参考のために、傾斜角ψと縦波の振動に寄与する電気機械結合定数k33'の関係を併せて示した)。(a) ZnO, (b) AlN, (c) LiNbO 3 is a graph showing the relationship between the tilt angle ψ of the polarization vector and the electromechanical coupling constant k 15 ′ (for reference, the tilt angle ψ and longitudinal wave vibration The relationship of the contributing electromechanical coupling constant k 33 'is also shown). 隣接する2つの圧電体層の間に緩衝層を設ける例(薄膜共振子10A)を示す縦断面図。The longitudinal cross-sectional view which shows the example (thin film resonator 10A) which provides a buffer layer between two adjacent piezoelectric material layers. 圧電体層の作製に用いるRFマグネトロンスパッタ装置30を示す概略図。Schematic which shows the RF magnetron sputtering apparatus 30 used for preparation of a piezoelectric material layer. 本実施例の薄膜共振子10Aの製造方法を示す縦断面図。The longitudinal cross-sectional view which shows the manufacturing method of 10 A of thin film resonators of a present Example. 本実施例で作製された薄膜共振子10Aにおける第1圧電体層111及び第2圧電体層112に対して行われたX線回折測定の結果を示す極点図。The pole figure which shows the result of the X-ray diffraction measurement performed with respect to the 1st piezoelectric material layer 111 and the 2nd piezoelectric material layer 112 in the thin film resonator 10A produced in the present Example. 本実施例で作製された薄膜共振子10Aの横波及び縦波に対する変換損失の測定結果を示すグラフ。The graph which shows the measurement result of the conversion loss with respect to the transverse wave and longitudinal wave of 10 A of thin film resonators produced by the present Example. 本発明の他の実施例を示す縦断面図。The longitudinal cross-sectional view which shows the other Example of this invention. n=6である薄膜共振子50の横波及び縦波に対する変換損失の測定結果を示すグラフ。The graph which shows the measurement result of the conversion loss with respect to the transverse wave and longitudinal wave of the thin film resonator 50 which is n = 6. n=4及び20並びに比較例であるn=1及び2の場合における薄膜共振子の横波及び縦波に対する変換損失の計算結果を示すグラフ。The graph which shows the calculation result of the conversion loss with respect to the transverse wave and longitudinal wave of a thin film resonator in the case of n = 4 and 20, and n = 1 and 2 which are comparative examples.

本発明に係る薄膜共振子の一実施例を、図2〜図11を用いて説明する。   An embodiment of the thin film resonator according to the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施例の薄膜共振子10は、図2に示すように、第1電極121と第2電極122の間に4層の圧電体層(第1電極121側から順に第1圧電体層111、第2圧電体層112、第3圧電体層113、第4圧電体層114)が設けられたものである。第1圧電体層111〜第4圧電体層114の分極ベクトルP1〜P4はいずれも、圧電体層に平行な面αの法線13に対して傾斜する(法線13に対して平行でも垂直でもない)ように配向している。また、分極ベクトルP1〜P4の法線13への射影P1L〜P4Lは全て同方向になっている。一方、分極ベクトルP1〜P4の面αへの射影P1s〜P4sは、第1電極121側から数えて奇数番目の圧電体層(即ち第1圧電体層111及び第3圧電体層113)におけるもの(P1s, P3s)と、偶数番目の圧電体層(第2圧電体層112及び第4圧電体層114)におけるもの(P2s, P4s)が逆方向になっている。本実施例では、第1圧電体層111〜第4圧電体層114の厚みをd1〜d4とし、それら4層の厚みの合計をdtotalとする。 As shown in FIG. 2, the thin-film resonator 10 of this example includes four piezoelectric layers (first piezoelectric layer 111, in order from the first electrode 121 side) between the first electrode 121 and the second electrode 122. A second piezoelectric layer 112, a third piezoelectric layer 113, and a fourth piezoelectric layer 114) are provided. The polarization vectors P 1 to P 4 of the first piezoelectric layer 111 to the fourth piezoelectric layer 114 are all inclined with respect to the normal 13 of the plane α parallel to the piezoelectric layer (parallel to the normal 13). But not vertical). Further, the projections P 1L to P 4L of the polarization vectors P 1 to P 4 onto the normal line 13 are all in the same direction. On the other hand, the projections P 1s to P 4s of the polarization vectors P 1 to P 4 onto the plane α are odd-numbered piezoelectric layers counted from the first electrode 121 side (that is, the first piezoelectric layer 111 and the third piezoelectric layer). 113) (P 1s , P 3s ) and those in the even-numbered piezoelectric layers (second piezoelectric layer 112 and fourth piezoelectric layer 114) (P 2s , P 4s ) are in opposite directions. . In this embodiment, the thicknesses of the first piezoelectric layer 111 to the fourth piezoelectric layer 114 are d 1 to d 4, and the total thickness of these four layers is d total .

薄膜共振子10の動作を、図3を用いて説明する。第1電極121と第2電極122の間に交流電圧が印加されると、第1圧電体層111及び第2圧電体層112には、縦波の生成に寄与する法線方向の圧縮振動(縦波振動)と、横波の生成に寄与するトランスデューサ面に平行な方向のすべり振動(横波振動)の両方の振動が生じる。   The operation of the thin film resonator 10 will be described with reference to FIG. When an AC voltage is applied between the first electrode 121 and the second electrode 122, the first piezoelectric layer 111 and the second piezoelectric layer 112 are compressed in the normal direction, which contributes to the generation of longitudinal waves ( Both vibration (longitudinal wave vibration) and sliding vibration (transverse wave vibration) in the direction parallel to the transducer surface that contribute to the generation of the transverse wave are generated.

縦波振動については、法線13への射影P1L〜P4Lが全て同方向であるため、全ての圧電体層が同位相で振動する(図3(a))。それにより、第1圧電体層111の上面と第4圧電体層114の下面は180°異なる位相を持つ。従って、縦波は奇数次の振動モードを持つ。奇数次の振動モードのうち強度が最大になるのは1次モードである。1次モードの縦波振動の波長λLは2dtotalである。 Regarding the longitudinal wave vibration, since the projections P 1L to P 4L onto the normal line 13 are all in the same direction, all the piezoelectric layers vibrate in the same phase (FIG. 3A). Accordingly, the upper surface of the first piezoelectric layer 111 and the lower surface of the fourth piezoelectric layer 114 have a phase that is 180 ° different. Therefore, the longitudinal wave has an odd-order vibration mode. It is the primary mode that has the maximum intensity among the odd-order vibration modes. The wavelength λ L of the longitudinal wave vibration in the primary mode is 2d total .

一方、横波振動については、分極ベクトルP1〜P4の面αへの射影が奇数番目の圧電体層と偶数番目の圧電体層で逆方向になるため、奇数番目の圧電体層と偶数番目の圧電体層が逆位相で振動する(図3(b))。それにより、奇数番目の圧電体層の上面と偶数番目の圧電体層の下面が同じ位相を持ち、奇数番目の圧電体層の下面と偶数番目の圧電体層の上面が同じ位相を持つ。従って、横波は圧電体層2層分の厚みの整数倍を1波長とする振動モードを持つ。このような振動モードのうち強度が最大になるのは、圧電体層2層分の厚み(の1倍)を1波長とする振動モードであり、本実施例では4次モードである。4次モードの横波振動の波長λSは0.5dtotalである。 On the other hand, for the transverse wave vibration, the projection of the polarization vectors P 1 to P 4 onto the plane α is reversed between the odd-numbered piezoelectric layer and the even-numbered piezoelectric layer, so the odd-numbered piezoelectric layer and the even-numbered piezoelectric layer The piezoelectric layer vibrates in the opposite phase (FIG. 3B). Accordingly, the upper surface of the odd-numbered piezoelectric layer and the lower surface of the even-numbered piezoelectric layer have the same phase, and the lower surface of the odd-numbered piezoelectric layer and the upper surface of the even-numbered piezoelectric layer have the same phase. Therefore, the transverse wave has a vibration mode in which an integral multiple of the thickness of two piezoelectric layers is one wavelength. Among such vibration modes, the intensity is maximized in a vibration mode in which the thickness (one time) of two piezoelectric layers is one wavelength, which is a quartic mode in this embodiment. The wavelength λ S of the fourth-order mode transverse wave vibration is 0.5d total .

前述のように、圧電体層内での縦波の音速VLは圧電体層内での横波の音速VSのおよそ2倍であるため、1次モードの縦波振動の周波数fL及び4次モードの横波振動の周波数fSは、
fL=VLL≒2VS/(2dtotal)=VS/dtotal …(4)
fS=VSS=VS/(0.5dtotal)=2VS/dtotal …(5)
∴fS≒2fL …(6)
となる。即ち、周波数fSは周波数fLと異なる値(周波数fLの2倍)を持つため、本実施例の薄膜共振子10では、周波数fSにおいて、最大強度の縦波が生じることを防いで縦波の励振を抑制しつつ、最大強度の横波を励振することができる。
As described above, since the acoustic velocity V L of the longitudinal wave in the piezoelectric layer is approximately twice the acoustic velocity V S of the transverse wave in the piezoelectric layer, the frequencies f L and 4 of the longitudinal wave vibration of the primary mode are 4 The frequency f S of the transverse wave vibration of the next mode is
f L = V L / λ L ≒ 2V S / (2d total ) = V S / d total … (4)
f S = V S / λ S = V S /(0.5d total ) = 2V S / d total … (5)
∴f S ≒ 2f L (6)
It becomes. That is, to have a frequency f S is different from the frequency f L value (twice the frequency f L), in the thin film resonator 10 of the present embodiment, at a frequency f S, prevents the longitudinal wave of the maximum intensity occurs It is possible to excite a transverse wave having the maximum intensity while suppressing the excitation of the longitudinal wave.

また、本実施例の薄膜共振子10は、圧電体層が2層のみの場合と比較すると、同じ周波数の横波を励振するために用いる積層体の厚みをより大きくすることができる。これにより、機械的強度及び耐電圧性を高めることができると共に、電極の面積、即ち横波の音波を発信・受信する面積を大きくすることができる。電極の面積を大きくすることができる理由は以下の通りである。薄膜共振子は、音波の発信・受信のいずれの場合にも交流回路に接続され、交流回路内においてコンデンサとして作用する。そのため、交流回路内でインピーダンス整合をとるために、薄膜共振子のリアクタンスは所定の値(通常は50Ω)にする必要がある。コンデンサのリアクタンスXcは電極間の距離dに比例し、電極の面積Sに反比例する(Xc∝d/S)ため、距離dを大きくする、即ち積層体の厚みを大きくすることができることにより、電極の面積Sを大きくすることができる。   Further, in the thin film resonator 10 of the present embodiment, the thickness of the stacked body used for exciting the transverse wave of the same frequency can be made larger than in the case where there are only two piezoelectric layers. As a result, the mechanical strength and the voltage resistance can be increased, and the area of the electrode, that is, the area for transmitting / receiving the transverse wave can be increased. The reason why the area of the electrode can be increased is as follows. The thin film resonator is connected to an AC circuit in both cases of transmission and reception of sound waves, and acts as a capacitor in the AC circuit. Therefore, in order to achieve impedance matching in the AC circuit, the reactance of the thin film resonator needs to be a predetermined value (usually 50Ω). Since the reactance Xc of the capacitor is proportional to the distance d between the electrodes and inversely proportional to the area S of the electrode (XcSd / S), the distance d can be increased, that is, the thickness of the laminate can be increased. The area S can be increased.

第1圧電体層111〜第4圧電体層114の材料は、圧電体であれば特に限定されないが、機械的振動と交流電圧の間の変換効率が高い、ZnOやAlN等のウルツ鉱型構造を有するものが望ましい。ウルツ鉱型構造を有する圧電体は、図4に示すように、六方晶の単位格子を持ち、An+から成る層(A層)とBn-から成る層(B層)が交互に積層し、B層はその上下にある2枚のA層から等距離の位置よりもc軸の1方向にずれた位置に配置される。この結晶構造により、ウルツ鉱型構造を有する圧電体は外部電界が印加されなくともc軸に平行な方向に自発分極(極性)を持つ。 The material of the first piezoelectric layer 111 to the fourth piezoelectric layer 114 is not particularly limited as long as it is a piezoelectric body, but a wurtzite structure such as ZnO or AlN that has high conversion efficiency between mechanical vibration and AC voltage. It is desirable to have As shown in FIG. 4, the piezoelectric body having a wurtzite structure has a hexagonal unit cell, and is composed of alternating layers of A n + (A layer) and B n− (B layer). The B layer is disposed at a position shifted in one direction of the c-axis from a position equidistant from the two A layers above and below the B layer. Due to this crystal structure, a piezoelectric body having a wurtzite structure has spontaneous polarization (polarity) in a direction parallel to the c-axis even when no external electric field is applied.

第1電極121及び第2電極122の材料にはアルミニウムや金等の通常の電極材料を用いることができる。   As the material of the first electrode 121 and the second electrode 122, a normal electrode material such as aluminum or gold can be used.

分極ベクトルの傾斜角ψ(法線13に対する角度で定義)は特に限定されないが、横波の振動に寄与する電気機械結合定数k15'ができるだけ大きくなるように定めることが望ましい。図5に示すように、ZnOではψ=28°において、AlNではψ=30°において、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)ではψ=168°において、電気機械結合定数k15'が最大となる。ここで、LiNbO3は、(ウルツ鉱型構造以外の)三方晶系イルメナイト構造に類似した構造を有する圧電体である。 The inclination angle ψ of the polarization vector (defined by the angle with respect to the normal 13) is not particularly limited, but it is desirable to determine the electromechanical coupling constant k 15 ′ contributing to the vibration of the transverse wave as large as possible. As shown in FIG. 5, the electromechanical coupling constant k 15 ′ is maximized at ψ = 28 ° for ZnO, at ψ = 30 ° for AlN, and at ψ = 168 ° for lithium niobate (LiNbO 3 ). Here, LiNbO 3 is a piezoelectric body having a structure similar to a trigonal ilmenite structure (other than the wurtzite structure).

次に、薄膜共振子10の変形例である薄膜共振子10Aについて説明する。薄膜共振子10Aは、図6に示すように、第1圧電体層111と第2圧電体層112の間に第1緩衝層141を有する。第1緩衝層141は、薄膜共振子10を製造する際に、第1圧電体層111と第2圧電体層112の一方を作製した後に他方を作製しても、一方の圧電体層の(分極ベクトルの方向を左右する)結晶軸の方向の影響を受けることなく他方の圧電体層を作製するためのものである。同様に、第2圧電体層112と第3圧電体層113の間に第2緩衝層142を、第3圧電体層113と第4圧電体層114の間に第3緩衝層143を、それぞれ有する。   Next, a thin film resonator 10A that is a modification of the thin film resonator 10 will be described. As illustrated in FIG. 6, the thin film resonator 10 </ b> A includes a first buffer layer 141 between the first piezoelectric layer 111 and the second piezoelectric layer 112. When the first buffer layer 141 is manufactured, when one of the first piezoelectric layer 111 and the second piezoelectric layer 112 is manufactured after the first piezoelectric layer 111 is manufactured, This is for producing the other piezoelectric layer without being influenced by the direction of the crystal axis (which affects the direction of the polarization vector). Similarly, a second buffer layer 142 is provided between the second piezoelectric layer 112 and the third piezoelectric layer 113, and a third buffer layer 143 is provided between the third piezoelectric layer 113 and the fourth piezoelectric layer 114, respectively. Have.

薄膜共振子10Aの製造方法の一例を、図7及び図8を参照しつつ説明する。ここでは、第1圧電体層111〜第4圧電体層114の材料にZnOを、第1緩衝層141〜第3緩衝層143にSiO2のアモルファスを、第1電極121及び第2電極122の材料にアルミニウムを用いた場合を例とする。 An example of a method for manufacturing the thin film resonator 10A will be described with reference to FIGS. Here, ZnO is used as the material of the first piezoelectric layer 111 to the fourth piezoelectric layer 114, the amorphous SiO 2 is used for the first buffer layer 141 to the third buffer layer 143, and the first electrode 121 and the second electrode 122 are formed. The case where aluminum is used as an example is taken as an example.

まず、第1圧電体層111〜第4圧電体層114の作製に用いるRFマグネトロンスパッタ装置30(図7)について説明する。RFマグネトロンスパッタ装置30は、一対の板状の陽極31(上側)及び陰極32(下側)を有し、陰極32の下側にマグネトロン回路33を有する。陽極31と陰極32の間には、陽極31及び陰極32に対して傾斜した方向に基板21を固定可能な基板台34が設けられている。本実施例では、基板台34は陽極31及び陰極32に対して80°傾斜した固定面341を持つ。また、基板台34にはヒータ及び冷却水の循環パイプ(図示せず)が内蔵されており、それらによって基板21の温度を調節することができる。陰極32の上には、成膜材料から成るターゲットTが載置される。基板台34の上端と陽極31の下面は接しており、基板台34の下端とターゲットTの上面は3mm離れている。基板台34の上端と下端の距離は45mmである。これら各部は、真空容器(図示せず)内に配置されている。   First, the RF magnetron sputtering apparatus 30 (FIG. 7) used for producing the first piezoelectric layer 111 to the fourth piezoelectric layer 114 will be described. The RF magnetron sputtering apparatus 30 has a pair of plate-like anodes 31 (upper side) and a cathode 32 (lower side), and has a magnetron circuit 33 below the cathode 32. Between the anode 31 and the cathode 32, a substrate table 34 is provided that can fix the substrate 21 in a direction inclined with respect to the anode 31 and the cathode 32. In the present embodiment, the substrate table 34 has a fixed surface 341 inclined by 80 ° with respect to the anode 31 and the cathode 32. Further, a heater and a cooling water circulation pipe (not shown) are built in the substrate stand 34, and the temperature of the substrate 21 can be adjusted by them. A target T made of a film forming material is placed on the cathode 32. The upper end of the substrate table 34 and the lower surface of the anode 31 are in contact with each other, and the lower end of the substrate table 34 and the upper surface of the target T are separated by 3 mm. The distance between the upper end and the lower end of the substrate base 34 is 45 mm. These parts are arranged in a vacuum vessel (not shown).

薄膜共振子10Aは以下のように作製する。まず、長辺45mm×短辺25mm×厚み1mmの石英製の基板21の上に、アルミニウムを蒸着することにより第1電極121を作製する(図8(a))。次に、基板21を、第1電極121を下側に向け、長辺を上下方向に向けて基板台34の固定面341に固定すると共に、ZnOから成るターゲットTを陰極32の上に載置する(図7)。そして、真空室内を排気したうえで、真空室内の圧力が1.0Paになるようにアルゴンと酸素の混合ガスを混合比3:1で真空室内に導入する。この状態で、基板21の温度を400℃に維持しつつ、マグネトロン回路33に200Wの高周波電力を投入することにより、ZnOのターゲットTを1時間スパッタする。これにより、スパッタされたZnOの粒子が第1電極121の表面に堆積し、ZnOから成る第1圧電体層111が形成される(b)。ここで、固定面341が陽極31及び陰極32に対して傾斜していることにより、第1圧電体層111を構成するZnOにおけるc軸の方向(分極ベクトルの方向)は、その層に対して傾斜する。   The thin film resonator 10A is manufactured as follows. First, the first electrode 121 is fabricated by vapor-depositing aluminum on a quartz substrate 21 having a long side of 45 mm, a short side of 25 mm, and a thickness of 1 mm (FIG. 8A). Next, the substrate 21 is fixed to the fixing surface 341 of the substrate table 34 with the first electrode 121 facing down and the long side facing up and down, and the target T made of ZnO is placed on the cathode 32. (FIG. 7). Then, after evacuating the vacuum chamber, a mixed gas of argon and oxygen is introduced into the vacuum chamber at a mixing ratio of 3: 1 so that the pressure in the vacuum chamber becomes 1.0 Pa. In this state, the ZnO target T is sputtered for 1 hour by applying 200 W of high frequency power to the magnetron circuit 33 while maintaining the temperature of the substrate 21 at 400 ° C. Thereby, the sputtered ZnO particles are deposited on the surface of the first electrode 121, and the first piezoelectric layer 111 made of ZnO is formed (b). Here, since the fixed surface 341 is inclined with respect to the anode 31 and the cathode 32, the direction of the c-axis (direction of the polarization vector) in ZnO constituting the first piezoelectric layer 111 is relative to that layer. Tilt.

次に、いったん真空室内の真空を破り、ターゲットTをZnOからSiO2に交換する。そして、真空室内を排気したうえで、真空室内の圧力が1.0Paになるようにアルゴンと酸素の混合ガスを混合比1:1で真空室内に導入する。この状態で、基板21の温度を100℃に維持しつつ、マグネトロン回路33に200Wの高周波電力を投入することにより、SiO2のターゲットTを10分間スパッタする。これにより、第1圧電体層111の表面に、SiO2のアモルファスから成る第1緩衝層141が形成される(c)。 Next, the vacuum in the vacuum chamber is once broken, and the target T is exchanged from ZnO to SiO 2 . Then, after evacuating the vacuum chamber, a mixed gas of argon and oxygen is introduced into the vacuum chamber at a mixing ratio of 1: 1 so that the pressure in the vacuum chamber becomes 1.0 Pa. In this state, while maintaining the temperature of the substrate 21 at 100 ° C., 200 W high frequency power is applied to the magnetron circuit 33 to sputter the SiO 2 target T for 10 minutes. As a result, the first buffer layer 141 made of amorphous SiO 2 is formed on the surface of the first piezoelectric layer 111 (c).

続いて、真空室内の真空を破り、ターゲットTをSiO2からZnOに交換する。それと共に、基板21を、固定面341に垂直な軸342の周りに180°回転させる(d)。そして、第1圧電体層111を製造した時と同じ条件でZnOのターゲットTをスパッタすることにより、第1緩衝層141の表面に第2圧電体層112を作製する(e)。ここで、上述のように基板21を軸342の周りに180°回転させたこと、及び第1緩衝層141が存在することにより、第2圧電体層112を構成するZnOにおけるc軸(分極ベクトル)は、第2圧電体層112に平行な成分が第1圧電体層111の場合と逆の方向を向く。 Subsequently, the vacuum in the vacuum chamber is broken, and the target T is exchanged from SiO 2 to ZnO. At the same time, the substrate 21 is rotated 180 ° around an axis 342 perpendicular to the fixed surface 341 (d). Then, a second piezoelectric layer 112 is formed on the surface of the first buffer layer 141 by sputtering a ZnO target T under the same conditions as those for manufacturing the first piezoelectric layer 111 (e). Here, the c-axis (polarization vector) in ZnO constituting the second piezoelectric layer 112 is obtained by rotating the substrate 21 around the axis 342 as described above and the presence of the first buffer layer 141. ), The component parallel to the second piezoelectric layer 112 faces in the opposite direction to that of the first piezoelectric layer 111.

以後、第2緩衝層142、第3圧電体層113、第3緩衝層143、第4圧電体層114の順に作製する。ここで、第3圧電体層113及び第4圧電体層114は第2圧電体層112と同様の方法により、第2緩衝層142及び第3緩衝層143は第1緩衝層141と同様の方法により、それぞれ作製することができる。最後に、第4圧電体層114の上に、アルミニウムを蒸着して第2電極122を作製する(f)ことにより、薄膜共振子10Aが得られる。   Thereafter, the second buffer layer 142, the third piezoelectric layer 113, the third buffer layer 143, and the fourth piezoelectric layer 114 are formed in this order. Here, the third piezoelectric layer 113 and the fourth piezoelectric layer 114 are the same method as the second piezoelectric layer 112, and the second buffer layer 142 and the third buffer layer 143 are the same method as the first buffer layer 141. Respectively. Finally, aluminum is vapor-deposited on the fourth piezoelectric layer 114 to produce the second electrode 122 (f), whereby the thin film resonator 10A is obtained.

上記方法を用いて作製された薄膜共振子10Aにつき、各種の測定を行った。まず、第1圧電体層111及び第2圧電体層112につき、X線回折測定を行い、ZnOの結晶の(0002)面に関する極点図を作成した(図9)。(0002)面はc軸(即ち分極ベクトル)に垂直な面である。この極点図によれば、X線回折の検出値は、第1圧電体層111及び第2圧電体層112共に、仰角ψに関しては25°付近を中心として、約7°の半値全幅で分布している。このことは、第1圧電体層111、第2圧電体層112共に分極ベクトルが法線13に対して約25°傾斜していることを示している。一方、方位角φは第1圧電体層111と第2圧電体層112でほぼ180°対称になっている。このことは、第1圧電体層111と第2圧電体層112で分極ベクトルの面αへの射影が逆になっていることを示している。   Various measurements were performed on the thin film resonator 10A manufactured using the above method. First, X-ray diffraction measurement was performed on the first piezoelectric layer 111 and the second piezoelectric layer 112, and a pole figure relating to the (0002) plane of the ZnO crystal was created (FIG. 9). The (0002) plane is a plane perpendicular to the c-axis (that is, the polarization vector). According to this pole figure, the detected values of X-ray diffraction are distributed with a full width at half maximum of about 7 ° centered around 25 ° with respect to the elevation angle ψ in both the first piezoelectric layer 111 and the second piezoelectric layer 112. ing. This indicates that the polarization vectors of both the first piezoelectric layer 111 and the second piezoelectric layer 112 are inclined by about 25 ° with respect to the normal line 13. On the other hand, the azimuth angle φ is approximately 180 ° symmetrical between the first piezoelectric layer 111 and the second piezoelectric layer 112. This indicates that the projection of the polarization vector onto the plane α is reversed between the first piezoelectric layer 111 and the second piezoelectric layer 112.

第1圧電体層111〜第4圧電体層114の各層における、傾斜角ψ、ψの半値全幅Δψ及び厚みdは以下の表の通りであった。
第1緩衝層141、第2緩衝層142及び第3緩衝層143の厚みは、順に0.13μm、0.12μm及び0.13μmであった。
The full width at half maximum Δψ and the thickness d of the inclination angles ψ and ψ in each of the first piezoelectric layer 111 to the fourth piezoelectric layer 114 are as shown in the following table.
The thicknesses of the first buffer layer 141, the second buffer layer 142, and the third buffer layer 143 were 0.13 μm, 0.12 μm, and 0.13 μm in this order.

また、横波及び縦波に関する変換損失をそれぞれ測定したところ、図10に示すように、横波については280MHz、縦波については147MHzにおいて変換損失が最小、即ち励振の強度が最大になった。この結果は、上述の(5)の関係をほぼ満たしている。一方、横波の励振強度が最大になる周波数であるfS=280MHzにおいて横波及び縦波の変換損失を比較すると、前者は約5dB、後者は約22dBであった。これは、周波数fSにおいて、横波では入力されたエネルギーの約30%が出力されるのに対して、縦波では入力エネルギーの約0.6%しか出力されないことを意味する。従って、作製された薄膜共振子10Aは、周波数fSにおいて、縦波の影響をほとんど受けることなく横波の発信・受信を行うことができる。 Further, when the conversion loss relating to the transverse wave and the longitudinal wave was measured, as shown in FIG. 10, the conversion loss was minimum, that is, the excitation intensity was maximized at 280 MHz for the transverse wave and 147 MHz for the longitudinal wave. This result almost satisfies the above-mentioned relationship (5). On the other hand, when the conversion loss of the transverse wave and the longitudinal wave is compared at f S = 280 MHz, which is the frequency at which the excitation intensity of the transverse wave is maximum, the former is about 5 dB and the latter is about 22 dB. This means that at frequency f S , about 30% of the input energy is output in the transverse wave, whereas only about 0.6% of the input energy is output in the longitudinal wave. Therefore, the manufactured thin film resonator 10A can transmit and receive a transverse wave at the frequency f S with almost no influence of the longitudinal wave.

ここまでは圧電体層が4層の場合を例として説明したが、圧電体層は3層又は5層以上であってもよい。図11(a)に示した薄膜共振子40は、第1電極421と第2電極422の間に、第1電極421側から順に第1圧電体層411、第2圧電体層412及び第3圧電体層413の3層が設けられたものである。また、図11(b)に示した薄膜共振子50は、第1電極521と第2電極522の間に、第1電極521側から順に第1圧電体層511、第2圧電体層512、...第n圧電体層51nのn層(5層以上)が設けられたものである。これらの例の薄膜共振子においてはいずれも、薄膜共振子10の場合と同様に、分極ベクトルは全て圧電体層に平行な面αの法線に対して傾斜している。また、やはり薄膜共振子10の場合と同様に、前記法線への分極ベクトルの射影は全て同方向である一方、面αへの分極ベクトルの射影は、奇数番目の圧電体層におけるものと偶数番目の圧電体層におけるものが逆方向になっている。   Up to this point, the case where there are four piezoelectric layers has been described as an example, but the number of piezoelectric layers may be three or five or more. In the thin film resonator 40 shown in FIG. 11A, a first piezoelectric layer 411, a second piezoelectric layer 412, and a third piezoelectric layer are sequentially arranged between the first electrode 421 and the second electrode 422 from the first electrode 421 side. Three layers of the piezoelectric layer 413 are provided. In addition, the thin film resonator 50 illustrated in FIG. 11B includes a first piezoelectric layer 511, a second piezoelectric layer 512, and a first piezoelectric layer 511 in order from the first electrode 521 side between the first electrode 521 and the second electrode 522. ... n layers (5 layers or more) of the nth piezoelectric layer 51n are provided. In any of the thin film resonators of these examples, as in the case of the thin film resonator 10, all the polarization vectors are inclined with respect to the normal of the plane α parallel to the piezoelectric layer. Similarly to the case of the thin film resonator 10, the projections of the polarization vectors onto the normal line are all in the same direction, while the projections of the polarization vectors onto the plane α are the same as those in the odd-numbered piezoelectric layers. The one in the second piezoelectric layer is in the opposite direction.

薄膜共振子40及び薄膜共振子50においては、薄膜共振子10の場合と同様に、縦波振動は全ての圧電体層の厚みの和dtotalを1/2波長とする1次モードの強度が最大になり、横波振動は圧電体層2層分の厚みを1波長とするn次モードの強度が最大になる。これら最大強度の縦波の周波数fLはVS/dtotal、横波の周波数fSは(n/2)VS/dtotalである(上記(1)(2)式)。薄膜共振子40及び薄膜共振子50においてはいずれもnが3よりも大きいため、fLとfSは異なる値をとる。 In the thin film resonator 40 and the thin film resonator 50, as in the case of the thin film resonator 10, the longitudinal wave vibration has the intensity of the first-order mode in which the sum d total of the thicknesses of all the piezoelectric layers is 1/2 wavelength. The maximum of the transverse wave vibration is the intensity of the nth-order mode in which the thickness of two piezoelectric layers is one wavelength. The frequency f L of the longitudinal wave having the maximum intensity is V S / d total and the frequency f S of the transverse wave is (n / 2) V S / d total (the above formulas (1) and (2)). In both the thin film resonator 40 and the thin film resonator 50, since n is larger than 3, f L and f S take different values.

薄膜共振子40及び薄膜共振子50においても、隣接する圧電体層の間に緩衝層を設けることができる。   Also in the thin film resonator 40 and the thin film resonator 50, a buffer layer can be provided between adjacent piezoelectric layers.

ZnOから成る圧電体層を6層(n=6)有する薄膜共振子50を作製し、横波及び縦波に関する変換損失をそれぞれ測定した。各圧電体層の厚み及び分極ベクトルの傾斜角は前述の圧電体層が4層である場合の測定の際と同様(圧電体層の積層体全体の厚みdtotalは「4層」の場合の1.5倍)である。その結果、図12に示すように、横波の励振強度が最大(変換損失が最小)になる周波数fSは280MHzであるのに対して、縦波の励振強度が最大になる周波数fLは84MHzであった。これは、上述の(3)式の関係をほぼ満たしている(fS≒3fL:n=6の時)。圧電体層を増加させることにより、fSとfLの差を大きくすることができる。 A thin film resonator 50 having six piezoelectric layers (n = 6) made of ZnO was manufactured, and conversion loss with respect to a transverse wave and a longitudinal wave was measured. The thickness of each piezoelectric layer and the inclination angle of the polarization vector are the same as those measured when the piezoelectric layer has four layers (the total thickness d total of the piezoelectric layers is “four layers”). 1.5 times). As a result, as shown in FIG. 12, the frequency f S at which the excitation intensity of the transverse wave is maximum (conversion loss is minimum) is 280 MHz, whereas the frequency f L at which the excitation intensity of the longitudinal wave is maximum is 84 MHz. Met. This substantially satisfies the relationship of the above-mentioned expression (3) (when f S ≈3f L : n = 6). By increasing the piezoelectric layer, the difference between f S and f L can be increased.

次に、n=4及び20並びに比較例であるn=1及び2の場合における薄膜共振子の横波及び縦波に対する変換損失を計算した結果を、図13を用いて説明する。この計算では、圧電体層の材料をZnOとし、分極ベクトルと法線13の成す角度を25°、各圧電体層の厚みを全て5.54μmと、電気機械結合定数k15'を0.23と、k33'を0.15とした。図中に縦の破線で示したように、横波と縦波が同じ周波数で最大の励振強度を持つのに対して、n=4及び20の場合には、横波が最大の励振強度を持つ周波数fS(図中の縦破線)において、縦波は励振強度が最大にはならない。特に、n=20の場合には、周波数fSにおいて、縦波は変換損失が60dBを超えており、ほとんど無視することができる。なお、比較例であるn=1の場合にも、最大の励振強度を持つ周波数が縦波と横波で相違するが、周波数fSにおける縦波の変換損失はn=4及び20の場合よりも小さい。 Next, the result of calculating the conversion loss for the transverse wave and the longitudinal wave of the thin film resonator in the case of n = 4 and 20 and the comparative example n = 1 and 2 will be described with reference to FIG. In this calculation, the material of the piezoelectric layer is ZnO, the angle between the polarization vector and the normal 13 is 25 °, the thickness of each piezoelectric layer is 5.54 μm, the electromechanical coupling constant k 15 ′ is 0.23, k 33 'was set to 0.15. As indicated by the vertical dashed line in the figure, the transverse wave and longitudinal wave have the maximum excitation intensity at the same frequency, whereas when n = 4 and 20, the frequency at which the transverse wave has the maximum excitation intensity. In f S (vertical broken line in the figure), the longitudinal wave does not have the maximum excitation intensity. In particular, when n = 20, the longitudinal wave has a conversion loss exceeding 60 dB at the frequency f S and can be almost ignored. Note that even in the case of n = 1 as a comparative example, the frequency having the maximum excitation intensity is different between the longitudinal wave and the transverse wave, but the conversion loss of the longitudinal wave at the frequency f S is higher than that in the case of n = 4 and 20. small.

ここまでは最大強度の横波が励振される周波数において縦波の励振を抑制する(縦波は利用しない)という観点で説明したが、本発明に係る薄膜共振子においては、最大強度の横波と、それとは周波数が異なる最大強度の縦波を共に利用してもよい。   Up to this point, it has been described from the viewpoint of suppressing the excitation of the longitudinal wave at the frequency at which the transverse wave of the maximum intensity is excited (the longitudinal wave is not used), but in the thin film resonator according to the present invention, Alternatively, a longitudinal wave having a maximum intensity with a different frequency may be used together.

10、10A、40、50、90…薄膜共振子
111、411、511、911…第1圧電体層
112、412、512、912…第2圧電体層
113、413、513…第3圧電体層
114、514…第4圧電体層
51n…第n圧電体層
121、421、521、921…第1電極
122、422、522、922…第2電極
13、93…面αの法線
141…第1緩衝層
142…第2緩衝層
143…第3緩衝層
21…基板
31…陽極
32…陰極
33…マグネトロン回路
34…基板台
341…固定面
342…固定面341に垂直な軸
10, 10A, 40, 50, 90 ... thin film resonators 111, 411, 511, 911 ... first piezoelectric layers 112, 412, 512, 912 ... second piezoelectric layers 113, 413, 513 ... third piezoelectric layers 114, 514 ... 4th piezoelectric layer 51n ... nth piezoelectric layer 121, 421, 521, 921 ... 1st electrode 122, 422, 522, 922 ... 2nd electrode 13, 93 ... normal 141 of surface (alpha) ... 1st DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Buffer layer 142 ... 2nd buffer layer 143 ... 3rd buffer layer 21 ... Substrate 31 ... Anode 32 ... Cathode 33 ... Magnetron circuit 34 ... Substrate stand 341 ... Fixed surface 342 ... Axis perpendicular to fixed surface 341

Claims (7)

第1電極と第2電極の間にn層(nは3以上の自然数)の圧電体層が設けられた薄膜共振子であって、
各圧電体層における分極ベクトルが前記薄膜共振子に平行な面の法線に対して傾斜するように配向しており、
各圧電体層における分極ベクトルの前記法線への射影が同方向であり、
第1電極側から数えて奇数番目の圧電体層における分極ベクトルの前記面への射影が、第1電極側から数えて偶数番目の圧電体層における分極ベクトルの前記面への射影と逆方向である、
ことを特徴とする薄膜共振子。
A thin film resonator in which an n layer (n is a natural number of 3 or more) piezoelectric layer is provided between a first electrode and a second electrode,
Oriented so that the polarization vector in each piezoelectric layer is inclined with respect to the normal of the plane parallel to the thin film resonator,
The projection of the polarization vector in each piezoelectric layer onto the normal is in the same direction,
The projection of the polarization vector in the odd-numbered piezoelectric layer counted from the first electrode side onto the surface is opposite to the projection of the polarization vector in the even-numbered piezoelectric layer counted from the first electrode side onto the surface. is there,
A thin film resonator characterized by that.
各圧電体層の厚さが同一であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜共振子。   2. The thin film resonator according to claim 1, wherein each piezoelectric layer has the same thickness. 各圧電体層の分極ベクトルと前記法線の成す角度が同一であることを特徴とする請求項1又は2に記載の薄膜共振子。   3. The thin film resonator according to claim 1, wherein a polarization vector of each piezoelectric layer and an angle formed by the normal line are the same. 4. 各圧電体層の材料がウルツ鉱型構造を有するものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の薄膜共振子。   4. The thin film resonator according to claim 1, wherein the material of each piezoelectric layer has a wurtzite structure. 隣接する2つの圧電体層の間に、一方の圧電体層の結晶軸の向きが他方の圧電体層の結晶軸の向きに影響を及ぼすことを防ぐ緩衝層を備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の薄膜共振子。   The buffer layer for preventing the direction of the crystal axis of one piezoelectric layer from affecting the direction of the crystal axis of the other piezoelectric layer is provided between two adjacent piezoelectric layers. The thin film resonator according to any one of 1 to 4. 前記隣接する2つの圧電体層の材料が酸化亜鉛であり、前記緩衝層の材料が二酸化珪素であることを特徴とする請求項5に記載の薄膜共振子。   6. The thin film resonator according to claim 5, wherein the material of the two adjacent piezoelectric layers is zinc oxide, and the material of the buffer layer is silicon dioxide. 前記緩衝層がアモルファスであることを特徴とする請求項5又は6に記載の薄膜共振子。   The thin film resonator according to claim 5 or 6, wherein the buffer layer is amorphous.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014121025A (en) * 2012-12-18 2014-06-30 Taiyo Yuden Co Ltd Piezoelectric thin film resonator
JP2014229690A (en) * 2013-05-21 2014-12-08 独立行政法人産業技術総合研究所 Piezoelectric element and method for manufacturing the same
JP2018190800A (en) * 2017-04-28 2018-11-29 学校法人早稲田大学 Transformer and rectenna employing the same
WO2021241696A1 (en) * 2020-05-28 2021-12-02 学校法人早稲田大学 Frequency filter

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