JP2015228638A - Variable frequency acoustic wave converter and electronic apparatus using the same - Google Patents
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本発明は弾性波変換器及びこれを用いた電子装置に関するもので、弾性波変換器を2個以上コリニヤ配置した構造の弾性波変換器であり、一方を入出力電極、他方に可変インピーダンスを接続し、そのインピーダンスを変化させて、その弾性波の伝搬速度を変化させることにより、中心周波数を変化させた弾性波変換器、及び厚さを変化させた傾斜型弾性波振動子の励振位置を変化させたことにより共振周波数を変化させた可変周波数共振器及びこの可変共振器を用いた電子装置に関するものである。 The present invention relates to an elastic wave converter and an electronic device using the same, and is an elastic wave converter having a structure in which two or more elastic wave converters are arranged in a collier, with one input / output electrode connected to the other and a variable impedance connected to the other. Then, by changing the impedance and changing the propagation speed of the elastic wave, the excitation position of the elastic wave transducer with the center frequency changed and the inclined elastic wave vibrator with the thickness changed is changed. The present invention relates to a variable frequency resonator in which the resonance frequency is changed by the operation and an electronic device using the variable resonator.
通常の弾性波変換器の励振強度、及び受信強度が最大となる中心周波数f0は、変換器の圧電振動子の厚さをHとしたとき、励振中心周波数は、f0=2v/H(V:速度)となるので、送受に変換器を用いた場合の中心周波数は変化しない。また、この振動子を共振器として用いる場合は、共振周波数はf0=2v/Hとなり、共振周波数は変化しない。従って、この変換器を用いたフィルター、この共振器を用いた共振器型のフィルタ、センサーデバイスでは、これらのデバイスの動作中心周波数は、振動子の膜厚と伝搬速度で決まるので、応用が制限される。The center frequency f 0 at which the excitation intensity and the reception intensity of the normal acoustic wave transducer are maximized is represented by f 0 = 2v / H (where the thickness of the piezoelectric vibrator of the transducer is H. V: speed), the center frequency when a converter is used for transmission and reception does not change. When this vibrator is used as a resonator, the resonance frequency is f 0 = 2v / H, and the resonance frequency does not change. Therefore, in the filter using this transducer, the resonator type filter using this resonator, and the sensor device, the operating center frequency of these devices is determined by the film thickness and propagation speed of the vibrator, so the application is limited. Is done.
一方、動作中心周波数を変える方法として、送受弾性波変換器全体に可変容量を付加する方法が提案されている。 On the other hand, as a method of changing the operation center frequency, a method of adding a variable capacitance to the entire transmitting / receiving elastic wave transducer has been proposed.
この方法は、可変周波数範囲が狭いこと、変換器の特性が大きく劣化すること、振動子のQが低下すること、中心周波数はほとんど変化しないことなど難点がある。 This method has drawbacks such that the variable frequency range is narrow, the characteristics of the converter are greatly deteriorated, the Q of the vibrator is lowered, and the center frequency hardly changes.
上記に示した如く、これまでの可変周波数弾性波変換器は、送受電極に直列或いは並列にインピーダンスを接続し、そのインピーダンスを変化させることにより動作中心周波数を変化させる方法を用いているため、圧電基板の電気機械結合係数の低下、Q特性の劣化、中心周波数がほとんど変化しないことなどの欠陥がある。 As described above, the conventional variable frequency acoustic wave transducers use a method of changing the operating center frequency by connecting impedance in series or parallel to the transmitting and receiving electrodes and changing the impedance. There are defects such as a decrease in the electromechanical coupling coefficient of the substrate, deterioration of the Q characteristic, and the center frequency hardly changing.
また、所望の中心動作周波数の変化を得るため、大きなインピーダンスの変化が必要である、などの欠陥がある。 In addition, there is a defect that a large change in impedance is necessary to obtain a desired change in the center operating frequency.
本発明は上述したごとき従来の可変周波数変換器の欠陥を除去すべくなされたものであって、デバイスの製造工程が簡易、かつ簡易な外部回路を用いることにより、大きな可変周波数範囲を得るものである。 The present invention has been made to eliminate the defects of the conventional variable frequency converter as described above, and the device manufacturing process is simple and a large variable frequency range is obtained by using a simple external circuit. is there.
本発明の弾性波変換器は、弾性波変換器を2個以上コリニヤに配置した構造の変換器において、一方を入出力電極、他方をインピーダンス素子を接続し、そのインピーダンスを変化させることにより、弾性波変換器中を伝搬する弾性波の速度を変化させることにより、中心周波数を変化させた弾性波変換器、及び励振電界と並列に可変インピーダンスを挿入し、厚さ方向に伝搬する面内の平均の伝搬速度を変化させることにより、共振中心周波数を変化させる方法、及び厚さを変化させた傾斜型弾性波共振の励振位置を変化させることにより共振周波数を変化させた可変周波数共振器を得ることができる。このような可変周波数変換器を用いることにより、、可変周波数共振器、フィルタ、可変周波数発振器、センサーなどが得られる。
図11は、付加したインピーダンスの変化により弾性波の速度が変化することを示す図である。挿入したインピーダンスに可変電圧を印加し、その電圧の変化によりインピーダンスが変化することにより、その伝搬速度を変化させる方法であり、この場合は、容量が零付近では、伝搬速度は、ほぼオープンの速度、4000m/s,容量が大きくなるにつれて、速度が低下し、無限大に近い値では、その速度は、短絡の速度、3900m/sまで低下することを示している。この容量の変化を用いて、弾性波変換器中を伝搬する速度を変化させることができる。
また、図1、図2、図3、図4の構造では、共振状態では、励振電極下では、その振動速度は、短絡の速度(Vs)であり、一方可変インピーダンス下の速度は、インピーダンス短絡の条件では、その振動速度は、短絡の速度(Vs)となるので、全体の共振速度は、(Vs+Vs)/2=Vsとなる。一方、インピーダンス開放の条件では、その振動速度は、開放の速度(Vf)となるので、全体の共振速度は(Vs+Vf)/2となる。したがって、インピーダンス短絡の条件では、共振周波数は、f0s=(Vs/λ0)、一方、インピーダンス開放の条件では、共振周波数は、f0f=(Vs+Vf)/2λ(H=λ/2)となる。
また、インピーダンスが、開放と短絡の中間の値ではf0sとf0fの中間の値が得られる。
また、図5、図6の構造では、共振状態では励振直下の伝搬速度は、短絡速度であるが、インピーダンスに接続された電極直下の速度はインピーダンス開放状態では、開放状態の速度となるので、共振状態で全体の共振速度は(Vs+Vf)/2となるので、インピーダンスの変化により、共振周波数が変化する。
また、図7、図8の構造では、共振状態では、励振電極を可変インピーダンスに接続した電極とすることにより、インピーダンスの変化により傾斜型共振器の最大励振電界の中心が、傾斜型電極上を移動し、共振状態は、最大電界の位置を中心に共振するので、可変インピーダンスの変化により、共振周波数が変化する弾性波共振器が得られる。また、図9、図10の構造では、インピーダンスの変化により、基板中の速度が変化するので、共振周波数を変化させた共振器が得られる
図12は、図2の構造の板波共振器のインピーダンスの変化に対する共振周波数のシフトを示す計算結果であり、電気機械結合係数k2=0.3の場合、約15%の周波数変化が得られていることが判る。The elastic wave transducer of the present invention is a transducer having a structure in which two or more elastic wave transducers are arranged in a collier. One is connected to an input / output electrode, the other is connected to an impedance element, and the impedance is changed. By changing the velocity of the elastic wave propagating in the wave converter, the elastic wave converter with the center frequency changed and the variable impedance inserted in parallel with the excitation electric field, the average in the plane propagating in the thickness direction To change the resonance center frequency by changing the propagation speed of the laser, and to obtain a variable frequency resonator in which the resonance frequency is changed by changing the excitation position of the inclined elastic wave resonance whose thickness is changed Can do. By using such a variable frequency converter, a variable frequency resonator, a filter, a variable frequency oscillator, a sensor, and the like can be obtained.
FIG. 11 is a diagram showing that the velocity of the elastic wave changes due to the change of the added impedance. This is a method of changing the propagation speed by applying a variable voltage to the inserted impedance and changing the impedance by changing the voltage. In this case, when the capacitance is near zero, the propagation speed is almost an open speed. 4000 m / s, the speed decreases as the capacity increases. At a value close to infinity, the speed decreases to a short-circuit speed of 3900 m / s. The change in capacitance can be used to change the speed of propagation through the acoustic wave converter.
1, 2, 3, and 4, in the resonance state, under the excitation electrode, the vibration speed is the short-circuit speed (Vs), while the speed under the variable impedance is the impedance short-circuit. Under this condition, the vibration speed is the short-circuit speed (Vs), and the overall resonance speed is (Vs + Vs) / 2 = Vs. On the other hand, under the condition of open impedance, the vibration speed is the open speed (Vf), and the overall resonance speed is (Vs + Vf) / 2. Therefore, the resonance frequency is f 0s = (Vs / λ 0 ) under the impedance short-circuit condition, while the resonance frequency is f 0f = (Vs + Vf) / 2λ (H = λ / 2) under the impedance release condition. Become.
Further, when the impedance is an intermediate value between open and short, an intermediate value between f0s and f0f is obtained.
In the structure of FIGS. 5 and 6, the propagation speed immediately under the excitation is the short-circuit speed in the resonance state, but the speed immediately below the electrode connected to the impedance is the speed in the open state in the impedance open state. Since the overall resonance speed is (Vs + Vf) / 2 in the resonance state, the resonance frequency changes due to a change in impedance.
7 and 8, in the resonance state, the excitation electrode is an electrode connected to a variable impedance, so that the center of the maximum excitation electric field of the gradient resonator is changed over the gradient electrode due to a change in impedance. Since the resonance state moves and resonates around the position of the maximum electric field, an elastic wave resonator whose resonance frequency changes due to a change in variable impedance is obtained. Further, in the structures of FIGS. 9 and 10, since the speed in the substrate changes due to the change of impedance, a resonator having a changed resonance frequency can be obtained. FIG. 12 shows the plate wave resonator having the structure of FIG. This is a calculation result showing the shift of the resonance frequency with respect to the change in impedance. It can be seen that when the electromechanical coupling coefficient k2 = 0.3, a frequency change of about 15% is obtained.
1…圧電基板或いは圧電薄膜、1−1…圧電基板、1−2…圧電薄膜、2…接地電極及びアース取り出し電極、2−1…アースすだれ電極,3…接地電極、4…送受電極に接続した電極、5…インピーダンスに接続した電極、6…電源、7…負荷インピーダンス、8…可変負荷インピーダンス、10…固定付加インピーダンス、11…傾斜型圧電基板或いは圧電薄膜基板、12…円筒型圧電基板或るいは圧電薄膜基板、13…基板、14…空隙、15…基板、16…反射器、17…反射器、18…全体の反射器、19…弾性波伝搬速度、20…開放の速度、21…短絡の速度、22…容量の変化、23…容量の減少方向DESCRIPTION OF
以下に、本発明を図面に示した実施例に基づいて説明する。
実施例の1は、図1のように、圧電基板上に圧電薄膜を付着させた弾性波共振器において、圧電基板及び圧電薄膜中を板の厚さ方向に伝搬する縦波、SH波を用いた薄膜共振器であり、圧電薄膜1−2の上下面に送受電極4とアース電極2を接続した弾性波振動子と圧電基板1−1の上下面にアース電極2と可変インピーダンスを接続した電極5からなる弾性波振動子をコリニヤに弾性的に結合した2層構造の弾性波薄膜共振器、及び圧電薄膜をインピーダンスに接続し、圧電基板を送受電極に接続した構造の共振器、及びこれらの共振器を多層に接続した構造の弾性波薄膜共振器、及びこれらの共振器を用いた電子装置が実施例の1である。
実施例の2は、図2のように、圧電基板上に圧電基板を付着させた弾性波共振器において、圧電板中を板の厚さ方向に伝搬する縦波、SH波を用いた板波共振器であり、圧電基板1−1の上下面にアース電極2と、圧電送受信電極4を接続した弾性波振動子と圧電基板1−1の上下面にアース電極2と可変インピーダンス8を接続した電極5からなる弾性波振動子をコリニヤに弾性的に結合した、2層構造の弾性波共振器、及びこれらの共振器を多層に接続した構造の弾性波共振器およびこの共振器を用いた電子装置が実施例の2である。
実施例の3は、図3のように、圧電薄膜中を薄膜の厚さ方向に伝搬する縦波、SH波を用いた薄膜共振器において、基板13の表面にギャップ14を介して、圧電薄膜1−2の上下面にアース電極2と、圧電送受信電極4を接続した弾性波薄膜振動子と圧電薄膜1−2の上下面にアース電極2と可変インピーダンス8を接続した電極5からなる弾性波振動子をコリニヤに弾性的に結合した2層構造の弾性波薄膜共振器、及びこれらの共振器を多層に接続した構造の弾性波薄膜共振器およびこの共振器を用いた電子装置が実施例の3である。
実施例の4は、図4のように、圧電薄膜中を薄膜の厚さ方向に伝搬する縦波、SH波を用いた薄膜共振器において、基板15の表面に付着した弾性波反射器表面上に送受電極電極に接続した圧電薄膜振動子と圧電薄膜1−2の上下面にアース電極2と可変インピーダンス8を接続した電極5からなる弾性波振動子をコリニヤに弾性的に結合した、2層構造の弾性波薄膜共振器、及びこれらの共振器を多層に接続した構造の弾性波薄膜共振器およびこの共振器を用いた電子装置が実施例の4である。
実施例の5は、図5,6のように、圧電板或いは圧電薄膜中を板の厚さ方向に伝搬するSH波、縦波を用いた板波共振器或いは薄膜共振器において、圧電基板或いは圧電薄膜1の上下面にアース電極2、及び送受信電極4を接続した電極とアース電極2と可変インピーダンスを接続した電極5を配置した構造の可変周波数弾性波共振器及びこれらの共振器を用いた電子装置が、実施例の5である。
実施例の6は、図7、8のように、圧電板或いは圧電薄膜中を板の厚さ方向に伝搬するSH波、縦波を用いた傾斜型圧電基板或いは傾斜型圧電薄膜を用いた板波共振器或いは薄膜共振器において、圧電基板或いは圧電薄膜11の上下面にアース電極2、及び送受信電極4を接続した電極とアース電極2と可変インピーダンスを接続した電極5を配置した構造の傾斜型板波共振器或いは傾斜型薄膜共振器とこれらの共振器を用いた電子装置が実施例の6である。
実施例の7は、図9のように、圧電板或いは圧電薄膜中を板の平行方向に伝搬するラム波、SH波を用いた板波共振器或いは薄膜共振器において、基板或いは薄膜の上下面に、正電極5と負電極2−1との間隔がλ/2,その電極幅がλ/4のすだれ状電極を2個コリニヤに配置し、取り出し電極2、4を入出力端子に接続し、一方の取り出し電極2,4を可変インピーダンス素子に接続した構造の弾性波共振器変換器及び共振器とこれらの変換器を用いた電子装置が実施例の7である。
実施例の8は、図10のように、圧電板或いは圧電薄膜中を板の平行方向に伝搬するラム波、SH波を板波共振器或いは薄膜共振器において、基板或いは薄膜の上下面に、正電極5と負電極2−1との間隔がλ/2,その電極幅がλ/4のすだれ状電極を取り出し電極2、4に接続したすだれ状電極とその両側に間隔がλ/2,その電極幅がλ/4のすだれ状電極2,5を可変インピーダンス素子に接続した反射器をコリニヤに配置した構造の弾性波共振器変換器及び共振器とこれらの変換器を用いた電子装置が、実施例の8である。
実施例の9は、許請求の範囲、第1項、第2項、第3項、第4項,第5項、第6項,第7項、第8項の共振器を振動子として用い、弾性体の両側にこれらの振動子を付着させた弾性波送受デバイスおよびこの出さ椅子を用いた電子装置が実施例の9である。
実施例の10は、実施例の9は、特許請求の範囲、第1項、第2項、第3項、第4項,第5項、第6項,第7項、第8項において、上記の電極及び金属膜としてAl,Cu,Mo、Au,Ag,W,Ti、或いはこれらの合金、また上記の圧電薄膜として、KNbO3,LiNbO3,LiTaO3,ZnO,SiO2,AlN,AlNSc,Ta2O5,PZT,強誘電体薄膜、電極上に誘電体膜として、SiO2,SiO,ZnO,LiNbO3,Ta2O5,PZT,ガラスの薄膜を付着させた構造の可変周波数変換器及びこれを用いた電子装置が、実施例の10である。
上記の可変周波数共振器は、λ/2共振をを基準としたが、λ/2のn倍の共振器及び(n±1/2)倍の共振器も本特許に含まれる。また、この共振器を振動子として用い、弾性体の両側にこの振動子を用いた遅延線、フィルター、可変周波数発振器、センサー、スペクトル拡散信号処理デバイスーも本特許に含まれる。In the following, the present invention will be described based on embodiments shown in the drawings.
In Example 1, as shown in FIG. 1, in an acoustic wave resonator in which a piezoelectric thin film is attached on a piezoelectric substrate, longitudinal waves and SH waves propagating in the thickness direction of the plate through the piezoelectric substrate and the piezoelectric thin film are used. The thin-film resonator includes an elastic wave vibrator in which the transmitting / receiving
In Example 2, as shown in FIG. 2, in an acoustic wave resonator in which a piezoelectric substrate is attached to a piezoelectric substrate, a plate wave using longitudinal waves and SH waves propagating in the thickness direction of the plate through the piezoelectric plate. It is a resonator, and the
In Example 3, as shown in FIG. 3, in a thin film resonator using longitudinal waves and SH waves propagating in the thickness direction of the thin film in the piezoelectric thin film, the piezoelectric thin film is formed through the
As shown in FIG. 4, the fourth embodiment is a thin film resonator using longitudinal waves and SH waves propagating in the thickness direction of the thin film in the piezoelectric thin film, on the surface of the elastic wave reflector attached to the surface of the substrate 15. A two-layer structure in which an elastic wave vibrator comprising a piezoelectric thin film vibrator connected to a transmission / reception electrode electrode and an
5 and 6, a plate wave resonator or thin film resonator using an SH wave or longitudinal wave propagating in the thickness direction of the piezoelectric plate or piezoelectric thin film as shown in FIGS. A variable frequency acoustic wave resonator having a structure in which an electrode connected to the
In Example 6, as shown in FIGS. 7 and 8, a plate using an inclined piezoelectric substrate or an inclined piezoelectric thin film using SH waves and longitudinal waves propagating in the thickness direction of the plate through the piezoelectric plate or piezoelectric thin film. In a wave resonator or a thin film resonator, an inclined type having a structure in which a
As shown in FIG. 9, the seventh embodiment is a plate wave resonator or thin film resonator using Lamb waves or SH waves propagating in the direction parallel to the piezoelectric plate or piezoelectric thin film. In addition, two interdigital electrodes having a spacing of λ / 2 between the
In Example 8, as shown in FIG. 10, Lamb waves and SH waves propagating in the parallel direction of the piezoelectric plate or piezoelectric thin film are applied to the upper and lower surfaces of the substrate or thin film in the plate wave resonator or thin film resonator. The gap between the
The ninth embodiment uses the resonator according to the claims, the first term, the second term, the third term, the fourth term, the fifth term, the sixth term, the seventh term, and the eighth term as a vibrator. An elastic wave transmitting / receiving device in which these vibrators are attached to both sides of an elastic body and an electronic apparatus using the extended chair are the ninth embodiment.
10 of the embodiment, 9 of the embodiment in the claims, 1st term, 2nd term, 3rd term, 4th term, 5th term, 6th term, 7th term, 8th term, Al, Cu, Mo, Au, Ag, W, Ti or an alloy thereof as the electrode and metal film, and KNbO3, LiNbO3, LiTaO3, ZnO, SiO2, AlN, AlNSc, Ta2O5, PZT as the piezoelectric thin film. , A ferroelectric thin film, a variable frequency converter having a structure in which a thin film of SiO2, SiO, ZnO, LiNbO3, Ta2O5, PZT, or glass is attached as a dielectric film on an electrode, and an electronic device using the same Of 10.
The above-described variable frequency resonator is based on λ / 2 resonance, but n times the resonator of λ / 2 and (n ± 1/2) times the resonator are also included in this patent. Further, a delay line, a filter, a variable frequency oscillator, a sensor, and a spread spectrum signal processing device using this resonator as a vibrator and using the vibrator on both sides of an elastic body are also included in this patent.
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