JP2011176544A

JP2011176544A - 弾性境界波フィルタ装置

Info

Publication number: JP2011176544A
Application number: JP2010038390A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Sakai; 信行酒井
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2011-09-08
Anticipated expiration: 2030-02-24
Also published as: JP5526858B2

Abstract

【課題】小型化可能な弾性境界波フィルタ装置を提供する。
【解決手段】弾性境界波フィルタ装置１は、第１〜第３の媒質１１〜１３と、第１の媒質１１と第２の媒質１２との間に形成されている第１のＩＤＴ電極１４と、第２の媒質１２と第３の媒質１３との間に形成されている第２のＩＤＴ電極１５とを備えている。第１及び第２の媒質１１，１２のうちの少なくとも一方が圧電体により構成されていると共に、第２及び第３の媒質１２，１３のうちの少なくとも一方が圧電体により構成されている。第２の媒質１２の音速は、第１及び第３の媒質１１，１３のそれぞれの音速よりも遅い。第１のＩＤＴ電極１４により励振された弾性境界波が第２のＩＤＴ電極１５により電気信号に変換される。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性境界波フィルタ装置に関する。特には、本発明は、弾性境界波を励振させる第１のＩＤＴ電極と、第１のＩＤＴ電極により励振された弾性境界波を電気信号に変換する第２のＩＤＴ電極とを有する弾性境界波フィルタ装置に関する。

近年、携帯電話端末などの通信機器には、ＲＦフィルタとして弾性波フィルタ装置が広く用いられるようになってきている。

このような弾性波フィルタ装置としては、例えば、下記の特許文献１に記載されているような横結合共振子型弾性波フィルタ部を有する弾性表面波フィルタ装置や、下記の特許文献２に記載されているような縦結合共振子型弾性波フィルタ部やラダー型フィルタ部を有する弾性表面波フィルタ装置が知られている。

特開２０００−３２３９５３号公報特開２００１−２３０６５７号公報

しかしながら、横結合共振子型弾性波フィルタ部や縦結合共振子型弾性波フィルタ部では、圧電基板上に、複数のＩＤＴ電極を弾性波の伝搬方向または弾性波伝搬方向に垂直な方向に配列する必要がある。また、ラダー型フィルタ部では、少なくとも直列腕共振子と、並列腕共振子とが必要となるため、複数の共振子が必要となる。このため、従来の弾性波フィルタ装置は、小型化が困難であるという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化可能な弾性境界波フィルタ装置を提供することにある。

本発明に係る弾性境界波フィルタ装置は、第１の媒質と、第２の媒質と、第３の媒質と、第１のＩＤＴ電極と、第２のＩＤＴ電極とを備えている。第２の媒質は、第１の媒質の上に形成されている。第３の媒質は、第２の媒質の上に形成されている。第１のＩＤＴ電極は、第１の媒質と第２の媒質との間に形成されている。第２のＩＤＴ電極は、第２の媒質と第３の媒質との間に形成されている。第１及び第２の媒質のうちの少なくとも一方が圧電体により構成されていると共に、第２及び第３の媒質のうちの少なくとも一方が圧電体により構成されている。第２の媒質の音速は、第１及び第３の媒質のそれぞれの音速よりも遅い。第１のＩＤＴ電極により励振された弾性境界波が第２のＩＤＴ電極により電気信号に変換される。

本発明に係る弾性境界波フィルタ装置のある特定の局面では、弾性境界波フィルタ装置は、第１のＩＤＴ電極において異なる複数のモードが励振され、異なる複数のモードのうちの少なくとも２つが結合して通過帯域が形成されるように構成されている。

本発明に係る弾性境界波フィルタ装置の他の特定の局面では、弾性境界波フィルタ装置は、第１のＩＤＴ電極において０次モードと高次モードとが励振され、０次モードと高次モードとが結合して通過帯域が形成されるように構成されている。

本発明に係る弾性境界波フィルタ装置の別の特定の局面では、通過帯域は、高次モードのうちの１次モードと、０次モードとが結合することにより形成される。高次モードのなかでも、最も大きなエネルギーを有する１次モードを通過帯域の形成に用いることにより、フィルタ特性を向上することができる。

なお、第１のＩＤＴ電極において励振される弾性境界波の０次モードとは、振動の腹をひとつ有するモードをいう。０次モードは、基本モードとも呼ばれる。また、第１のＩＤＴ電極において励振される弾性境界波の高次モードとは、複数の振動の腹を有するモードをいう。高次モードの一種である１次モードは、振動の腹を２つ有するモードである。

本発明に係る弾性境界波フィルタ装置のさらに他の特定の局面では、第１のＩＤＴ電極と第２のＩＤＴ電極とが第２の媒質を介して対向している。

本発明に係る弾性境界波フィルタ装置のさらに別の特定の局面では、第１及び第３の媒質が圧電体からなる。

本発明に係る弾性境界波フィルタ装置のまた他の特定の局面では、第１及び第３の媒質が、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、水晶、酸化亜鉛または窒化アルミニウムからなり、第２の媒質が酸化ケイ素からなる。

本発明に係る弾性境界波フィルタ装置のまた別の特定の局面では、第２の媒質が圧電体からなる。

本発明に係る弾性境界波フィルタ装置のさらにまた他の特定の局面では、第２の媒質が酸化亜鉛または窒化アルミニウムからなり、第１及び第３の媒質が、窒化ケイ素、サファイアまたはダイヤモンドからなる。

本発明では、第１のＩＤＴ電極により励振された弾性境界波が第２のＩＤＴ電極により電気信号に変換されることにより、フィルタ特性が実現される。すなわち、積層方向において異なる位置に設けられている２つのＩＤＴ電極によってフィルタ特性が実現される。このため、例えば、横結合共振子型弾性波フィルタや縦結合共振子型弾性波フィルタ、ラダー型フィルタのように、複数のＩＤＴ電極または共振子を圧電基板上に配列する必要がない。従って、弾性境界波フィルタ装置を小型化することができる。

本発明を実施した一実施形態に係る弾性境界波フィルタ装置の模式的断面図である。なお、図１では、描画の便宜上、断面にハッチングを附していない。本発明を実施した一実施形態における第１及び第２の第１のＩＤＴ電極により励振された弾性境界波が第２のＩＤＴ電極により電気信号に変換される電極の模式的斜視図である。図３（ａ）は、第１の第１のＩＤＴ電極により励振された弾性境界波が第２のＩＤＴ電極により電気信号に変換される電極において励振される０次モードと１次モードとのインピーダンス特性を模式的に表すグラフである。図３（ｂ）は、第１のＩＤＴ電極において励振される０次モードと１次モードとの位相特性を模式的に表すグラフである。図３（ｃ）は、第１のＩＤＴ電極において励振される０次モードと１次モードとの結合により形成されるフィルタ特性を模式的に表すグラフである。なお、図３（ａ）及び（ｂ）において、実線が０次モードを示し、破線が１次モードを示している。本発明を実施した一実施形態に係る弾性境界波フィルタ装置のフィルタ特性を示すグラフである。本発明を実施した一実施形態における第２の媒質の厚みと、０次モードの共振周波数と１次モードの共振周波数との差と関係を示すグラフである。なお、縦軸は、０次モードの共振周波数で規格化した、０次モードの共振周波数と１次モードの共振周波数との差を表している。横軸は、弾性境界波の波長により規格化した、第２の媒質の厚みを表している。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について、図１に示す弾性境界波フィルタ装置１を例に挙げて説明する。但し、本発明に係る弾性境界波フィルタ装置は、弾性境界波フィルタ装置１に何ら限定されない。

図１に示すように、弾性境界波フィルタ装置１は、第１〜第３の媒質１１〜１３を備えている。第２の媒質１２は、第１の媒質１１の上に形成されている。第３の媒質１３は、第２の媒質１２の上に形成されている。

第１〜第３の媒質１１〜１３のそれぞれは、圧電体または誘電体からなる。圧電体としては、例えば、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、水晶、ＺｎＯなどの酸化亜鉛及び窒化アルミニウムが挙げられる。誘電体としては、ＳｉＯ_２などの酸化ケイ素、ＳｉＮなどの窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、サファイア、ダイヤモンドなどが挙げられる。

具体的には、第１及び第２の媒質１１，１２のうちの少なくとも一方が圧電体により形成されていると共に、第２及び第３の媒質１２，１３のうちの少なくとも一方が圧電体により形成されている。すなわち、
（１）第１〜第３の媒質１１〜１３のうち、第２の媒質１２が圧電体により形成されており、第１及び第３の媒質１１，１３のそれぞれが誘電体により形成されているか、
（２）第１〜第３の媒質１１〜１３のうち、第１及び第２の媒質１１，１２のそれぞれが圧電体により形成されており、第３の媒質１３が誘電体により形成されているか、
（３）第１〜第３の媒質１１〜１３のうち、第２及び第３の媒質１２，１３のそれぞれが圧電体により形成されており、第１の媒質１１が誘電体により形成されているか、
（４）第２の媒質１２が誘電体により形成されており、第１及び第３の媒質１１，１３のそれぞれが圧電体により形成されているか、
（５）第１〜第３の媒質１１〜１３のそれぞれが圧電体により形成されているか、
のいずれかである。

また、第２の媒質１２の音速は、第１の媒質１１の音速よりも遅く、かつ、第３の媒質１３の音速よりも遅い。このため、この音速条件と、上記（１）〜（５）の材料に関する条件との両方を満たす組み合わせの例としては、例えば、下記の（Ａ）〜（Ｃ）が挙げられる。

（Ａ）
第１の媒質１１：ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、水晶、ＺｎＯなどの酸化亜鉛または窒化アルミニウム、
第２の媒質１２：ＳｉＯ_２などの酸化ケイ素、
第３の媒質１３：ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、水晶、ＺｎＯなどの酸化亜鉛または窒化アルミニウム
（Ｂ）
第１の媒質１１：ＳｉＮなどの窒化ケイ素、サファイアまたはダイヤモンド、
第２の媒質１２：ＺｎＯなどの酸化亜鉛または窒化アルミニウム、
第３の媒質１３：ＳｉＮなどの窒化ケイ素、サファイアまたはダイヤモンド
（Ｃ）
第１の媒質１１：ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_３、
第２の媒質１２：ＺｎＯなどの酸化亜鉛、
第３の媒質１３：ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_３
なお、第１の媒質１１と第３の媒質１３とは、異なる材料からなるものであってもよいし、同一の材料からなるものであってもよい。

図１に示すように、第１の媒質１１と第２の媒質１２との間には、第１のＩＤＴ電極１４が形成されている。図２に示すように、第１のＩＤＴ電極１４は、互いに間挿し合っている一対のくし歯状電極１４ａ、１４ｂを備えている。第１のＩＤＴ電極１４には、交流電源１６が接続されている。この交流電源１６により第１のＩＤＴ電極１４に電圧が印加される。すなわち第１の電極１４は、入力側ＩＤＴ電極である。その結果、第１のＩＤＴ電極１４において弾性波が励振される。また、この第１のＩＤＴ電極１４は、弾性波伝搬方向の両側にリフレクタを備えていてもよい。ここで、上述の通り、第２の媒質１２の音速は、第１の媒質１１の音速よりも遅く、かつ、第３の媒質１３の音速よりも遅い。このため、第１のＩＤＴ電極１４において励振された弾性波は、弾性境界波として、第２の媒質１２に閉じ込められる。

図１に示すように、第２の媒質１２と第３の媒質１３との間には、第２のＩＤＴ電極１５が形成されている。図２に示すように、第２のＩＤＴ電極１５は、互いに間挿し合っている一対のくし歯状電極１５ａ、１５ｂを備えている。第２のＩＤＴ電極１５は、第１のＩＤＴ電極１４において励振された弾性境界波を電気信号に変換する。すなわち、第２のＩＤＴ電極１５は出力側ＩＤＴ電極である。この第２のＩＤＴ電極１５は、弾性波伝搬方向の両側にリフレクタを備えていてもよい。

本実施形態では、第１のＩＤＴ電極１４と第２のＩＤＴ電極１５とが第２の媒質１２を介して対向している。

次に、主として図３を参照しながら、本実施形態における弾性境界波及びフィルタ特性について説明する。

図３（ａ）は、第１のＩＤＴ電極において励振される０次モードと１次モードとのインピーダンス特性を模式的に表すグラフである。図３（ｂ）は、第１のＩＤＴ電極において励振される０次モードと１次モードとの位相特性を模式的に表すグラフである。図３（ｃ）は、第１のＩＤＴ電極において励振される０次モードと１次モードとの結合により形成されるフィルタ特性を模式的に表すグラフである。なお、図３（ａ）及び（ｂ）において、実線が０次モードを示し、破線が１次モードを示している。

本実施形態では、第１のＩＤＴ電極１４において、０次モード（基本モード）と、高次モードとが、厚み方向に励振される。具体的には、本実施形態では、図３（ａ）に示すように、基本モードである０次モードと、高次モードの一種である１次モードとが、厚み方向に励振される。

励振された０次モードの共振周波数と、励振された１次モードの共振周波数とは、比較的近接しており、かつ、図３（ｂ）に示すように、０次モードと１次モードとでは、共振特性の位相が反転している。すなわち、共振点及び反共振点のそれぞれにおける位相が反転している。このため、第２のＩＤＴ電極１５で取り出された０次モードと１次モードの出力信号の合成により、フィルタ特性が実現される。その結果、図３（ｃ）及び図４に示すように、通過帯域が形成される。なお、図４に示すグラフは、以下の条件のときのグラフである。

第１及び第３の媒質１１，１３：ＬｉＮｂＯ_３基板、第１及び第３の媒質１１，１３の厚み：１００μｍ、第１及び第３の媒質１１，１３の音速：４７００ｍ／秒、第２の媒質１２：ＳｉＯ_２層、第２の媒質１２の厚み：２μｍ、第２の媒質１２の音速：３６００ｍ／秒、第１のＩＤＴ電極１４及び第２のＩＤＴ電極１５：Ａｌ、第１のＩＤＴ電極１４及び第２のＩＤＴ電極１５の膜厚：０．３５μｍ、弾性境界波の波長：２μｍである。

このように、本実施形態では、第１のＩＤＴ電極１４と第２のＩＤＴ電極１５とによりフィルタ特性が実現されており、かつ、第１のＩＤＴ電極１４と第２のＩＤＴ電極１５とが厚さ方向において異なる位置に設けられている。すなわち、第１のＩＤＴ電極１４と第２のＩＤＴ電極１５とは、圧電基板の同一平面上に形成されていない。このため、例えば、ラダー型フィルタのように、圧電基板上に共振子を複数配列する必要がない。また、縦結合共振子型弾性波フィルタや横結合共振子型弾性波フィルタのように、圧電体上に複数のＩＤＴを配列する必要はない。さらに、縦結合共振子型弾性波フィルタとは異なり、トランスバーサルフィルタとしてのレスポンスが発生しない。このため、減衰量を改善するために、縦結合共振子型弾性波フィルタに直列または並列にトラップを構成する共振子を接続したり、フィルタを多段接続したりする必要もない。従って、弾性境界波フィルタ装置１を小型化することができる。

また、本実施形態では、第１のＩＤＴ電極１４と第２のＩＤＴ電極１５とが第２の媒質１２を介して対向するように設けられている。このため、弾性境界波フィルタ装置１をより小型化することができる。

なお、トランスバーサルフィルタとしてのレスポンスとは、入力側ＩＤＴ電極と出力側ＩＤＴ電極とが弾性波の伝搬路上に位置している場合に、原理的に発生するレスポンスのことである。このため、入力側ＩＤＴ電極である第１のＩＤＴ電極１４と出力側ＩＤＴ電極である第２のＩＤＴ電極１５とが弾性波の伝搬を介して直接結合していない本実施形態の弾性境界波フィルタ装置１においては、このトランスバーサルフィルタとしてのレスポンスは、原理上生じ得ない。

なお、０次モードの共振周波数と高次モードの共振周波数との差、及び０次モードと高次モードとの位相などを、０次モードと高次モードとが結合して通過帯域を形成するように調整する方法としては、例えば、第１〜第３の媒質１１〜１３の音速を変化させたり、第２の媒質１２の厚みを変化させたりする方法が挙げられる。具体的には、例えば、図５に示すように、第２の媒質１２の厚みを変化させることにより、０次モードの共振周波数と１次モードの共振周波数との差を調整することができる。

本実施形態では、０次モードと結合させる高次モードとして、高エネルギーの１次モードを選択したが、０次モードと、２次以上の高次モードとを結合させることにより通過帯域を形成してもよい。

本実施形態の弾性境界波フィルタ装置１の製造方法は、特に限定されない。以下に、弾性境界波フィルタ装置１の製造方法の一例を示す。

まず、圧電基板からなる第１の媒質１１の上に、スパッタリング法やＣＶＤ法などの適宜の薄膜形成法などを利用して、第１のＩＤＴ電極１４を形成する。

次に、第１の媒質１１の上に、第１のＩＤＴ電極１４を覆うように、第２の媒質１２を形成する。第２の媒質１２の形成方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法などにより第２の媒質１２を形成することができる。

次に、第２の媒質１２に第２のＩＤＴ電極１５用の溝を形成する。溝の形成は、例えば、公知のエッチング方法により行うことができる。その後、形成した溝中に第２のＩＤＴ電極１５を形成する。もしくは、第２の媒質１２の上に、第２のＩＤＴ電極１５を形成した後に、さらに第２の媒質１２と同一の材料からなる膜を形成し、表面を平坦化してもよい。

最後に、第３の媒質１３を、スパッタリング法やＣＶＤ法などにより形成することにより弾性境界波フィルタ装置１を完成させることができる。

なお、弾性境界波フィルタ装置１では、第１のＩＤＴ電極１４と第２のＩＤＴ電極１５とが第２の媒質１２に埋め込まれている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。例えば、第１のＩＤＴ電極は、第１の媒質に埋め込まれていてもよい。第２のＩＤＴ電極は、第３の媒質に埋め込まれていてもよい。

なお、本実施形態では、０次モードと１次モードとが結合する場合について説明したが、本発明は、これに限定されない。例えば、０次モードと、１次モード以外の他の高次モードとが結合することにより通過帯域が形成されていてもよいし、２種類の高次モードが結合することにより通過帯域が形成されていてもよい。

また、３種類以上のモードが励振され、３種類以上のモードが結合することにより通過帯域が形成されていてもよい。さらに、３種類以上のモードが励振され、それらのうちの２種以上のモードの結合により通過帯域が形成され、残りのモードによって減衰域が形成されていてもよい。

１…弾性境界波フィルタ装置
１１…第１の媒質
１２…第２の媒質
１３…第３の媒質
１４…第１のＩＤＴ電極
１５…第２のＩＤＴ電極
１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ…くし歯状電極
１６…交流電源

Claims

第１の媒質と、
前記第１の媒質の上に形成されている第２の媒質と、
前記第２の媒質の上に形成されている第３の媒質と、
前記第１の媒質と前記第２の媒質との間に形成されている第１のＩＤＴ電極と、
前記第２の媒質と前記第３の媒質との間に形成されている第２のＩＤＴ電極とを備え、
前記第１及び第２の媒質のうちの少なくとも一方が圧電体により構成されていると共に、前記第２及び第３の媒質のうちの少なくとも一方が圧電体により構成されており、
前記第２の媒質の音速は、前記第１及び第３の媒質のそれぞれの音速よりも遅く、
前記第１のＩＤＴ電極により励振された弾性境界波が前記第２のＩＤＴ電極により電気信号に変換される弾性境界波フィルタ装置。
前記第１のＩＤＴ電極において異なる複数のモードが励振され、前記異なる複数のモードのうちの少なくとも２つが結合して通過帯域が形成されるように構成されている、請求項１に記載の弾性境界波フィルタ装置。
前記第１のＩＤＴ電極において０次モードと高次モードとが励振され、前記０次モードと前記高次モードとが結合して通過帯域が形成されるように構成されている、請求項２に記載の弾性境界波フィルタ装置。
前記通過帯域は、前記高次モードのうちの１次モードと、前記０次モードとが結合することにより形成される、請求項３に記載の弾性境界波フィルタ装置。
前記第１のＩＤＴ電極と前記第２のＩＤＴ電極とが前記第２の媒質を介して対向している、請求項１〜４のいずれか一項に記載の弾性境界波フィルタ装置。
前記第１及び第３の媒質が圧電体からなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の弾性境界波フィルタ装置。
前記第１及び第３の媒質が、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、水晶、酸化亜鉛または窒化アルミニウムからなり、前記第２の媒質が酸化ケイ素からなる、請求項６に記載の弾性境界波フィルタ装置。
前記第２の媒質が圧電体からなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の弾性境界波フィルタ装置。
前記第２の媒質が酸化亜鉛または窒化アルミニウムからなり、前記第１及び第３の媒質が、窒化ケイ素、サファイアまたはダイヤモンドからなる、請求項８に記載の弾性境界波フィルタ装置。