JP2020141382A - 弾性表面波共振子 - Google Patents

Abstract

【課題】弾性表面波共振子において、ＣＩ値の上昇を抑えながら使用温度領域における周波数変動を小さくする。【解決手段】水晶基板０をＸ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）、Ｚ軸（光軸）で規定される３次元結晶の水晶体から（０°，θ°（１４８≦θ≦１５２），０°）のオイラー角で回転させて得られるＳＴカットの水晶板としている。またＺ軸（光軸）を前記オイラー角にて回転させて得られるＺ´軸を回転軸として、Ｘ軸（電気軸）をψ°回転させて得られるＸ´軸方向を弾性波の伝播方向としている。さらにＩＤＴ電極の膜厚をｈ、ＩＤＴ電極１１における配列周期をλとしたときにｈ／λは、２．８≦ｈ／λ×１００≦５．５を満たす値に設定している。【選択図】図１

Description

本発明は、水晶基板上にＩＤＴ（Inter Digital Transducer）を設置した弾性表面波共振子に関する。

近年、移動体通信用の共振器やフィルタには、低挿入損失、小型の利点をもつＳＡＷ（Surface Acoustic Wave:弾性表面波）共振子が多用されるようになってきた。弾性表面波共振子は、一般に、単結晶の圧電基板と、この圧電基板上に形成された互いに交差する櫛歯状のＩＤＴ電極（インターデジタルトランスデューサ電極）より構成される。

このような弾性表面波共振子は、圧電基板として、従来ＳＴカットの水晶基板を用いているものがある。ＳＴカットの水晶基板は、二次関数の周波数温度特性曲線を持つため、弾性表面波共振子においても二次関数の周波数温度特性曲線を示すことになる。この点、従来のＳＴカットの水晶基板を用いた弾性表面波共振子では、共振子の使用規格となる温度範囲（−４０℃〜＋１２５℃）で使用するときに温度変動の影響を受けて周波数変動が−２００ｐｐｍ程度生じてしまうことになる。

このため例えば弾性表面波共振子を周波数規格が２５０ｐｐｍ程度の狭偏差ＶＣＳＯ（電圧制御弾性表面波発振器）に適用する場合において、温度による周波数変動を除いたとき、弾性表面波共振子側にて許容される周波数偏差の範囲が３０〜４０ｐｐｍ程度と非常に小さくなってしまう。このため、この狭い周波数偏差の規格に合わせて共振子の製造を行うと歩留まりが多くなってしまう問題があった。

特許文献１には、ＳＴカットの水晶基板上に形成された弾性表面波装置において、弾性表面波の伝播方向と、水晶のＸ軸（電気軸）との間の角度ψを２０〜３０°に設定することで周波数温度変化を抑制する技術が記載されている。また特許文献２には、ＳＴカットの水晶基板において、弾性表面波の伝播方向と、水晶のＸ軸（電気軸）との間の角度ψを０．５〜１．５°とすることで周波数温度変化を抑制する技術が記載されている。また特許文献３には、オイラー角においてθ＝１１３°〜１３５°のＳＴカット水晶基板において、弾性表面波の伝播方向と、水晶のＸ軸（電気軸）との間の角度ψ＝４３±５°とすることで温度特性を改善する技術が記載されている。

しかしながら近年では、弾性表面波共振子のさらなる精度の向上が求められていることから、より狭い周波数規格を求められることも想定されるため、弾性波共振子の温度特性のさらなる改善が求められていた。また弾性表面波共振子の周波数温度特性の改善と共に等価直列抵抗であるＣＩ（Crystal Impedance）値については、上昇を抑制して、振動が励起されやすい状態を維持する必要がある。

特開平６−１６４３０５号公報 特開平７−１５４１９３号公報 特開２００３−３２０４５号公報

本発明はこのような事情の下になされたものであり、弾性表面波共振子において、ＣＩ値の上昇を抑えながら使用温度領域における周波数変動を小さくする技術を提供することにある。

本発明の弾性表面波共振子は、電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光軸をＺ軸とする三次元の結晶方位を持つ水晶から、右手系のオイラー角（０°，θ°，０°）で規定される姿勢で切り出された水晶基板と、
前記Ｚ軸を前記オイラー角にて回転して得られる軸をＺ´軸としたときに前記Ｘ軸をＺ´軸周りに右手系でψ°回転させたＸ´軸方向が弾性波の伝播方向になるように、前記水晶基板上に前記伝播方向と交差する方向に伸び、当該伝播方向に沿って互いに平行に並べられた複数本の電極指を含むＩＤＴ電極と、を備え、
前記θは、１４８≦θ≦１５２であり、前記ψは３０≦ψ≦４０であることと、
前記電極指の膜厚をｈ、前記電極指の配列周期をλとしたときに２．８≦（ｈ／λ）×１００≦５．５となるように設定されたことと、を特徴とする。

本発明の弾性表面波共振子は、水晶基板を（０°，θ°（１４８≦θ≦１５２），０°）のオイラー角で回転させて得られるＳＴカットの水晶板としている。またＺ軸（光軸）を前記オイラー角にて回転させて得られるＺ´軸を回転軸として、Ｘ軸（電気軸）をψ°（３０≦ψ≦４０）回転させて得られるＸ´軸方向を弾性波の伝播方向としている。さらにＩＤＴ電極の膜厚をｈ、ＩＤＴ電極における配列周期をλとしたときにｈ／λは、２．８≦（ｈ／λ）×１００≦５．５を満たす値に設定している。これらの設計変数の選択により、ＣＩ値の上昇を抑えながら使用温度領域における周波数変動を小さくすることができる。

本発明の実施の形態に係る弾性表面波共振子の一例を示す平面図である。 前記弾性表面波共振子の断面図である。 水晶基板のカット方向を示す説明図である。 弾性表面波共振子における弾性波の伝播方向に対するＣＩ値の変化を示すグラフ図である。 弾性表面波共振子の環境温度に対する周波数変動量を示すグラフ図である。 実施例及び従来例における環境温度に対する周波数変動量を示すグラフ図である。

本発明の実施の形態に係る弾性表面波共振子について、平面図である図１及び図１中に示すＩ−Ｉ´位置における断面図である図２を参照して説明する。図１、図２に示すように、弾性表面波共振子は、水晶基板１０を備えている。水晶基板１０のカット方向に係る説明図である図３に示すように、水晶は電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光軸をＺ軸とする３次元の結晶方位を持っている。本例の水晶基板１０はこれらＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を右手系のオイラー角（０°，θ°（１４８≦θ≦１５２），０°）で回転させて得られる、所謂ＳＴカットの水晶板として切り出される。

図１に示すようにこの水晶基板１０の表面には、ＩＤＴ電極１１と、ＩＤＴ電極１１を挟むように配置された反射器１２と、が形成され、これら反射器１２とＩＤＴ電極１１とが並ぶ方向に弾性波が形成される。そして本発明においては、前記Ｚ軸を既述のＳＴカットのオイラー角（０°，θ°，０°）で回転させて得られる軸をＺ´軸としたときに、水晶基板１０上の弾性波の伝播方向が、Ｚ´軸を回転軸として水晶体の電気軸（Ｘ軸）を右手系でψ°（３０≦ψ≦４０）回転させて得られるＸ´軸方向、例えばψ°＝４０°になるように設定されている（図１、図３）。

次いでＩＤＴ電極１１及び反射器１２について説明する。水晶基板１０の表面には、Ｘ´軸方向に反射器１２、ＩＤＴ電極１１、反射器１２がこの順に並べて設けられている。ＩＤＴ電極１１には、一対のバスバー２１、２２及び対となる複数の電極指２３、２４が設けられている。バスバー２１、２２は、弾性波の伝播方向（Ｘ´軸方向）に沿って各々伸びると共に、前記Ｘ´軸と交差する方向に互いに離間するように配置されている。一方側のバスバー２１から対向するバスバー２２に向かって伸びる電極指２３と、他方側のバスバー２２から対向するバスバー２１に向かって伸びる電極指２４と、が互いに交差するように配置されている。言い替えると、複数の電極指２３、２４は、弾性波の伝播方向（Ｘ´軸方向）と交差する方向（本例では直交する方向）に伸び、互いに並行に並べられてＩＤＴ電極１１を構成している。
また反射器１２は、電極指２３、２４と平行に配置された複数のストライプ電極３３の両端部を短絡させた構造となっている。

これらのＩＤＴ電極１１及び反射器１２は、例えばアルミニウムを主体として金属膜として構成される（金属膜に含まれるアルミニウムが９０重量％以上）。ＩＤＴ電極１１及び反射器１２は、水晶基板１０上に金属膜を成膜し、次いでこの金属膜上に積層したマスク層を介してこれらのＩＤＴ電極１１反射器１２外の領域をエッチングするフォトリソグラフィー法により形成される場合を例示できる。図２に示すように、このＩＤＴ電極１１及び反射器１２の膜厚をｈ、ＩＤＴ電極１１における配列周期をλとしたときにｈ／λは、２．８≦（ｈ／λ）×１００≦５．５を満たす値、例えばｈ／λ＝４．２％に設定されている。さらにＩＤＴ電極１１の一方のバスバー２１は入力ポート４１に接続されている。またＩＤＴ電極１１の他方のバスバー２２は、出力ポート４２に接続されている。

このような弾性表面波共振子においては、入力ポート４１から周波数信号を入力すると、ＩＤＴ電極１１にて電気信号が電気−機械変換されて弾性表面波が発生し、Ｘ´軸方向に沿って伝播していく。そして左右の反射器１２にて反射される。このようにして、両端の反射器１２の間を反射しながらＩＤＴ電極１１が設けられた領域を伝播する弾性表面波は、入力ポート４１に入力される周波数信号が所定の周波数となったときに共振して共振モードが励起され、出力ポート４２から出力される。

ここで従来の弾性表面波共振子は、例えば−４０℃〜＋１２５℃の使用温度領域において２００ｐｐｍ程度の周波数変動が生じていた。そのため例えば周波数規格が２５０ｐｐｍ程度のＶＣＳＯ（Voltage Controlled SAW Oscillators）などを作成しようとしたときに、温度による周波数変動を除くと弾性表面波共振子に許容される周波数変動量が３０〜４０ｐｐｍしか確保できない。そのため弾性表面波共振子の規格が厳しくなり弾性表面波共振子の製造にあたって歩留まりが大きくなってしまうことがあった。
また周波数変動量を小さくすることができたとしても、弾性表面波共振子のＣＩ値が高くなってしまうと、弾性表面波共振子の性能が悪くなる。従ってＣＩ値の上昇を抑制しながら、周波数変動量の小さい弾性表面波共振子が好ましく、ＣＩ値は、８０Ω以下に抑制することが好ましい。

そこで本発明においては、水晶基板１０における弾性波の伝播方向と、ＩＤＴ電極１１における配列周期λとＩＤＴ電極１１の膜厚ｈとにより設定されるｈ／λを調節することによりＣＩ値の上昇を抑制しながら、周波数変動量を抑制することを試みた。

後述の実施例に示すように弾性表面波の伝播方向をＸ軸方向からＺ´軸周りにψ°（３０≦ψ≦４０）回転させた範囲とすることで弾性表面波共振子のＣＩ値の上昇を抑制することができると確認できた。
ＳＴカットの水晶基板１０においては、後述するように上に凸となる周波数温度特性曲線を示す。そのため周波数変動量の頂点温度が使用温度領域の中心温度（４２．５℃）から外れることにより、使用温度領域の両端値（−４０℃、＋１２５℃）付近の周波数変動量が大きくなる傾向がある。

後述の検証試験に示すように配列周期λと電極の膜厚ｈとを調節したところｈ／λの値が３．６％から５．５％の間で常温にて周波数温度特性曲線の頂点温度が常温付近（使用温度領域の中心温度（４２．５℃）付近）になると推測され、使用温度領域における周波数変動量を小さくすることができると推測された。これらの試験結果を踏まえ、ψ°を４０°、ｈ／λ＝４．２％に設定した弾性表面波共振子を用いて−４０℃〜１２５℃における周波数変動量を測定したところ、周波数変動量が１００ｐｐｍ程度まで小さくなることを確認できた。

上述の実施の形態によれば、水晶基板１０上にＩＤＴ電極１１と反射器１２とを設けた弾性表面波共振子において、水晶基板１０をＸ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）、Ｚ軸（光軸）で規定される３次元結晶の水晶体から（０°，θ°（１４８≦θ≦１５２），０°）のオイラー角で回転させて得られるＳＴカットの水晶板としている。またＺ軸（光軸）を前記オイラー角にて回転させて得られるＺ´軸を回転軸として、Ｘ軸（電気軸）をψ°回転させて得られるＸ´軸方向を弾性波の伝播方向としている。さらにＩＤＴ電極１１及び反射器１２の膜厚をｈ、ＩＤＴ電極１１における配列周期をλとしたときにｈ／λは、２．８≦（ｈ／λ）×１００≦５．５を満たす値に設定している。そのため弾性表面波共振子の使用温度領域（−４０℃〜１２５℃）における周波数変動量を小さくすることができる。また温度変動に対する周波数変動量を小さく抑えながら弾性表面波共振子のＣＩ値の上昇を抑制（８０Ω以下）できる。

ここで、バスバー２１、２２から電極指２３、２４が伸び出す方向は、弾性波の伝播方向（Ｘ´軸方向）と直交する方向に限定されない場合がある。例えばパワーフローと呼ばれる、電極指２３、２４の並び方向から角度を持って弾性波が伝播する場合を考慮すると、電極指２３、２４が伸び出す方向は、前記直交方向に対してプラスマイナス５°の範囲内で傾けて設けられる場合もある。この場合には、Ｘ´軸方向が弾性波の伝播方向からプラスマイナス５°の範囲内で傾くこととなる。

［検証試験］
実施の形態に示した水晶基板１０上にＩＤＴ電極１１及び反射器１２を設けた弾性表面波共振子において、弾性波の伝播方向（Ｘ´軸方向）と、Ｘ軸方向との間の角度ψを夫々、０°、１０°、２０°、３０°４０°、４２°、４３°、４４°、４５°及び５０°に設定した時の弾性表面波共振子のＣＩ値を測定した。図４は、この結果を示し、横軸に角度ψ（°）、縦軸にＣＩ値を示すグラフ図である。なお図４中においては、ＩＤＴ電極１１の配列周期λとしたときのＩＤＴ電極１１及び反射器１２の膜厚毎に凡例を区別して示し、角度ψに応じたＣＩ値の変化傾向の範囲を併記している。

図４に示すようにψ＝２０程度においてＣＩ値が高くなり、ψ＝３０〜４０においてＣＩ値は低くなっているが、ψ＝４０を超えるとＣＩ値が上昇していた。この結果によればψ＝３０〜４０とすることでＣＩ値を低く抑えることができると言える。またψ＝３０〜４０においてｈを３．６λ％に設定したときに特にＣＩ値を抑制できていることが確認できている。

次いでψ°を４０°に設定した弾性表面波共振子においてＩＤＴ電極１１及び反射器１２の膜厚ｈを１．８λ％、２．７λ％、３．６λ％、５．５λ％及び７．６λ％に夫々設定して、環境温度変化に対する周波数変動量を調べた。図５はこの結果を示し、ｈ／λ（％）の設定値毎の環境温度に対する周波数変動量を示すグラフ図である。なお図５に付した曲線（１）、曲線（２）、曲線（３）、曲線（４）及び曲線（５）は、夫々膜厚ｈの値を１．８λ％、２．７λ％、３．６λ％、５．５λ％及び７．６λ％に設定した例における周波数温度特性曲線である。

図５に示すように膜厚ｈを３．６λ％以下に設定した例においては、周波数温度特性曲線の頂点温度は常温（２５℃）よりも高温側に位置している。また膜厚ｈを５．５λ％、７．６λ％とした例においては、周波数温度特性曲線の頂点温度は常温（２５℃）よりも低温側に位置している。従って膜厚ｈを３．６λ％から５．５λ％の間の値に設定することで周波数温度特性曲線の頂点温度を常温近辺に位置させることができる。このように周波数温度特性曲線の頂点温度を弾性表面波共振子の使用温度領域（−４０℃から＋１２５℃）の中央値（４２．５℃）に近い値とすることで使用温度領域の両端値（−４０℃、１２５℃）における周波数変動値を小さく抑えることができる。従って弾性表面波共振子の使用温度領域の両端における周波数変動を小さく抑えることができる。

さらにψを４０、膜厚ｈを４．２λ％に設定した実施例における環境温度に対する周波数変動量と、従来例の弾性表面波共振子（ψ＝０、ｈ＝３．６λ％）における環境温度に対する周波数変動量と、を測定した。なお従来例では、ＳＴカットにて膜厚比、カット角θ（３．６λ％、１４９°）に設定して温度特性の最適化を図った。図６は、この結果を示し実施例及び従来例における環境温度に対する周波数変動量を示すグラフ図である。

図６に示すように従来例では、使用温度領域の両端における周波数変動が大きく従来例における周波数変動値は、１７０ｐｐｍ程度であった。これに対して実施例では、周波数変動値を９０ｐｐｍ程度に抑制することができていた。
従って本発明の弾性表面波共振子によれば弾性表面波共振子の使用の温度範囲（−４０〜＋１２５℃）における周波数変動量を従来の弾性表面波共振子よりも狭くすることができ、温度特性が優れていると言える。

１０ 水晶基板
１１ ＩＤＴ電極
１２ 反射器

Claims (2)

1. 電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光軸をＺ軸とする三次元の結晶方位を持つ水晶から、右手系のオイラー角（０°，θ°，０°）で規定される姿勢で切り出された水晶基板と、
   前記Ｚ軸を前記オイラー角にて回転して得られる軸をＺ´軸としたときに前記Ｘ軸をＺ´軸周りに右手系でψ°回転させたＸ´軸方向が弾性波の伝播方向になるように、前記水晶基板上に前記伝播方向と交差する方向に伸び、当該伝播方向に沿って互いに平行に並べられたアルミニウムを主体として構成された複数本の電極指を含むＩＤＴ電極と、を備え、
   前記θは、１４８≦θ≦１５２であり、前記ψは３０≦ψ≦４０であることと、
   前記電極指の膜厚をｈ、前記電極指の配列周期をλとしたときに２．８≦（ｈ／λ）×１００≦５．５となるように設定されたことと、を特徴とする弾性表面波共振子
2. ＣＩ値が８０Ω未満である請求項１に記載の弾性表面波共振子。

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