JP3229336B2 - 表面がマイクロ機械加工された音響波ピエゾ電気結晶 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明はピエゾ電気装置、特にバルクな表面音響波ピ
エゾ電気共振器に関する。

［発明の背景］ ピエゾ電気装置は種々のタイプの結晶共振器と結晶フ
ィルタを含むことが知られている。これらのピエゾ電気
装置はセルラ電話、ページャ、２方向無線、無線データ
装置のような電子通信装置において普通に見られる。ス
ペクトルの割当てが一杯になり、利用可能な低い周波数
帯域が混雑するようになると、通信装置がさらに高い無
線周波数（RF）で動作する必要性が生じる。同様にこれ
らの装置で使用される結晶共振器とフィルタはさらに高
い中間周波数（IF）で動作する必要がある。

IF周波数は現在、10.7乃至120メガヘルツ（MHz）（1
7.9、45、73.35、109.65、114MHzは幾つかのより普通の
IF周波数である）までの２方向無線、セルラ電話、ペー
ジャで使用されている。典型的にバルク音響波（BAW）
結晶装置はこれらのIF応用で使用される。バルク音響波
結晶は基本周波数モードまたはさらに高いオーバートー
ン周波数モード（即ち３番目のオーバートーン、５番目
のオーバートーン等）で動作することができる。廉価の
基本モード水晶装置は約50MHzまで適切に構成されてい
る。この周波数を超えると、基本モード装置の価格は非
常に増加する。それ故、オーバートーンモードが典型的
に使用される。

IF結晶の動作のオーバートーンモードは多くの欠点を
有する。オーバートーンモードで結晶を動作すると動作
インピーダンスが上昇する。また、オーバートーン動作
用に設計されているフィルタは通常、終端ポートにイン
ダクタを必要とし、これは無線装置の価格と外来の信号
感度の視点から望ましくない。また、オーバートーンモ
ードは基本モードのものよりも非常に高い整合終端イン
ピーダンスを必要とし、これは無線感度の視点からは望
ましくない。さらにオーバートーンモード結晶フィルタ
で実現可能な帯域幅は基本モード結晶フィルタで可能な
帯域幅よりも非常に狭い。多数の顧客の広帯域幅フィル
タに対する要求はオーバートーンモードのバルク音響波
結晶により満たされない。

バルク音響波結晶の基本モード周波数を増加する一般
的な方法は機械的ラッピングにより結晶ブランクの表面
から水晶材料を除去することである。しかしながら、水
晶ブランクは高い周波数で非常に薄くなるので、機械的
ラッピングプロセスは実際的な限定を有する。結晶ブラ
ンクのこの非常に薄いプロフィールは材料処理問題と、
破損を生じ、これは生産性を劣化し、価格を上昇させ
る。

この限界を解決し、改良するため、今日“逆メサ”結
晶ブランク技術として知られている技術が水晶技術で使
用されている。この方法では、機械的にラップされたブ
ランクが与えられ、逆メサブランクの周辺は改良された
処理およびプロセスを行うために所定の厚さにされ、一
方、結晶ブランクの中心は結晶ブランクの中央の水晶材
料を除去することにより周波数を上昇される。形成され
た構造は逆メサに似ている。逆メサプロセスは低容量技
術であり、これはプロセス中に表面品質を徐々に劣化す
る傾向がある。

逆メサの概念は高周波数結晶ブランクに対する必要性
を実現するが、今日の既知の技術により実際に実行する
には幾つかの重大な欠点がある。大量の逆メサを大量生
産する装置の価格は高価である。ブランクの中心の所定
量の材料を除去するのに費やす時間は大きく、それ故高
価である。典型的に、メサの薄くされた水晶表面は平面
性と平行性が許容できないものであり、性能を劣化する
付加的な欠点を有する。さらに、通常掃引された水晶で
ある特別の等級の水晶材料を使用することが必要であ
る。バルク音響波逆メサ結晶の製造におけるこれらの制
限のために、これらの装置は産業上広く受入れられてい
ない。

ピエゾ電気装置はまたRF周波数でも使用され、800MHz
から1.5GHzまでの周波数範囲で２方向無線およびセルラ
電話で現在使用されている。典型的に、表面音響波（SA
W）技術はこれらの非常に高い周波数の装置を製造する
ために使用されている。しかしながら、これらの装置は
BAW装置よりも不適切な温度性能を受ける。さらに、SAW
装置の寸法は周波数に反比例し、即ち周波数が低くなる
程、より大きい装置が要求される。

基本周波数および100MHzを超えるオーバートーン周波
数で動作することを可能にする音響波装置の必要性が存
在する。また低価格で、高い生産性で、処理に対して頑
丈であり、特別注文による装置なしに容易に製造可能で
ある音響波装置が必要とされる。

［図面の簡単な説明］ 図１は、本発明にしたがってマイクロ機械加工された
ピエゾ電気共振器の断面の簡単な斜視図を示している。

図２は、本発明にしたがってピエゾ電気共振器の同位
相構造の断面図を示している。

図３は、本発明にしたがって図２で示されているよう
に構成された共振器の周波数応答特性のグラフを示して
いる。

図４は、本発明にしたがってピエゾ電気共振器の逆位
相構造の断面図を示している。

図５は、本発明にしたがって図４で示されているよう
に構成された共振器の周波数応答特性のグラフを示して
いる。

［好ましい実施例の詳細な説明］ 本発明はマイクロ機械加工されたリッジを形成するよ
うにピエゾ電気基体の表面へ切込まれたエッチングチャ
ンネルを有する高周波数音響波ピエゾ電気共振器を提供
する。リッジはAC電界をリッジ上に配置された上部およ
び下部電極に与えることにより振動させられる。電極が
電気的に付勢されたとき、実質上垂直の電界が基体の上
部表面に実質上垂直な上部および下部電極の間の各リッ
ジ内で発生され、ピエゾ電気歪みを生じさせ、これは基
体に垂直に方向付けされる音響波を発生する。本発明で
は表面音響波を発生することも可能である。リッジは基
体の表面から突出してカンチレバー構造にされ、リッジ
の垂直の高さはリッジの振動周波数を実質上限定する。
リッジは廉価で高い生産性のフォトリソグラフおよび、
通常入手可能な装置を使用するエッチング技術により容
易に製造される。リッジは100MHzを超える周波数を発生
するのに十分小さく作られることができる。

図１は、本発明にしたがった音響波ピエゾ電気共振器
10の断面の簡単な斜視図を示している。上部表面16と下
部表面18により限定されている予め定められた厚さ14を
有するピエゾ電気基体12が設けられている。複数の隆起
したリッジ20はピエゾ電気基体12の上部表面16と一体化
され、そこから上方に突出する。スペース22は隆起した
リッジ20間に位置されている。隆起したリッジ20は基体
の上部表面16にあるベース24と、高さ28を限定する上部
26とを有する。リッジ20の高さ28は共振器10の動作周波
数を実質上限定する。示されているように、リッジも幅
34を有する。各リッジ20はその上部26に配置された対応
する上部電極30を有する。各スペース22はその上に位置
する対応する下部電極32を有する。この構造では、上部
電極30と下部電極32は実質上対向していない。

幅と間隔はまた周波数に影響しないが、リッジの高さ
は本発明の臨界的な設計パラメータの１つであることが
認識されるであろう。装置の周波数は実質上リッジの高
さにより駆動されるので、基体の面積または長さは装置
の周波数の限定には重要ではない。対照的に、表面音響
波（SAW）装置は低周波数ではさらに大きいサイズの基
体を有することが必要とされる。それ故、本発明は隆起
したリッジの高さがリッジ幅またはリッジ間の空間より
も大きいSAW装置よりも優れた基体サイズの利点を与え
る。

本発明では、リッジが方形のエッジを有する均一な寸
法である必要はない。リッジは丸形、角形、または不規
則な形のような異なる形態であってもよい。互いに平行
なリッジが同一幅または間に等しい間隔を有する必要も
ない。さらに、以下説明するように、リッジは正確に同
じ高さである必要はない。

しかしながら、好ましい実施形態では、リッジの高さ
および幅は実質上同じであり、均一な形態であることが
望ましく、それによって同様の動作周波数が各リッジ内
に維持される。また、隆起したリッジは相互に実質上平
行であり、隆起したリッジ間の間隔は実質上周期的であ
ることが好ましい。これは容易な製造と、可能なスプリ
アス動作周波数モードの減少が得られる利点がある。

図１で表されているように、リッジの方形エッジ形状
要素の使用はスプリアスモードを減少し、上部および下
部電極の金属被覆用の自然のマスクを与える。上方から
メッキするとき、上部および下部電極は同時に付着され
ることができる。幾つかのケースでは、正方形エッジの
形状は、上部および下部電極を短絡するリッジの側面に
幾らか金属を付着することを可能にすることが発見され
た。この問題は好ましい実施形態でアルミニウムメッキ
を使用して解決される。リッジの側面に付着されたアル
ミニウムは非常に薄い層であり、これを空気中の酸素に
自然露出すると、迅速にアルミニウムを酸化させ、短絡
のない絶縁体を形成する。代わりに、アルミニウムは酸
素プラズマのような濃厚な酸化環境に露出されることが
でき、それによってリッジの側面の存在する電気的短絡
をさらに迅速に開路させる。僅かにダブテール形状の要
素は電極に付着するための良好なマスキングを与える
が、これは再現性のある製造には困難であり、前述した
ように必要ではない。

図２は本発明の第１の実施形態の断面図を示してい
る。この実施形態では、上部電極30は電気的に共通に接
続され、下部電極32は電気的に共通に接続されている。
バイアス（＋および−）が上部電極30と下部電極32の間
に与えられたとき、電極30と電極32が実質上対向してい
なくても、実質的に垂直な電界38が電極30と電極32の間
のリッジ20内に実質上設定される。技術的に知られてい
るように、電界は高い誘電定数の区域に集中される。水
晶、リチウムニオブ酸塩、リチウムタンタル酸塩、PZT
等のピエゾ電気材料は大気または真空よりも高い誘電定
数を有する。それ故、下部電極32は上部電極30から実質
上対向していなくても、垂直の電界38は上部電極30の下
でリッジ20内に主として現れる。

垂直の電界38はリッジ20内にピエゾ電気歪み40を与え
る。例えば、ATカット角度の水晶ピエゾ電気基体では、
発生しているピエゾ電気歪みは実質上厚さが剪断された
モードである。しかし、その他の歪みは異なる基体の方
向付けにより存在することができる。本発明は種々の基
体材料と、角度と、厚み剪断、外部、厚さがツイスト、
屈曲等の電子機械モードで動作するが、これらに限定さ
れない。さらに多数の異なるタイプのピエゾ電気材料と
角度のカットが技術で知られており、これは本発明のリ
ッジを駆動するため適切な励起を与えることができる。
これらはATカット水晶、BTカット水晶、STカット水晶、
Ｘカット163゜リチウムニオブ酸塩、リチウムタンタル
酸塩、適切に偏極されたPZTを含んでいるが、これらに
限定されない。

その他の既知または新たに得られたカットが特定の温
度性能に対してはさらに最適である可能性があることが
認識されよう。これらの選択された材料では、電極30、
32がAC信号によりピエゾ電気的に駆動されたとき、図２
で示されているように隆起したリッジ20は実質上同位相
振動モードで駆動される（即ち全てのリッジは一致して
運動する）。全ての電極間で共有された従来技術のSAW
装置で生成される単一の表面横方向波とは違って、各リ
ッジ20の振動は垂直なバルク音響波36を基体に駆動す
る。図２は各リッジ20の高さ28により限定されている約
1/2波長で振動する各リッジ20を示しているが、これは
必要条件とされてはいない。リッジ20は基体12の厚さ14
に基づいて多数の波長のバルク波36を基体12に発生す
る。本発明は基本モードならびに偶数および奇数のオー
バートーンモード（即ち、第２、第３、第４、第５等）
で駆動されることができる。

カンチレバー状リッジ構造により、駆動されたピエゾ
電気モードは屈曲モードに結合されることができること
が認識されよう。例えば（図２で示されているように）
リッジの幅方向に平行な、厚み剪断モードでリッジを駆
動すると自然に屈曲モードに結合する。リッジの形状フ
ァクターはこのようなハイブリッドモードをサポートす
るか、または一方のモードを消去しようとするために変
更されることができる。さらに、基体の方向付けは上部
表面の垂線を中心とする任意の角度で回転されることが
でき、それによってリッジの幅方向に平行、リッジの幅
方向に垂直、またはその間の任意の角度で厚み剪断モー
ドで駆動される。

この実施形態の垂直バルク音響波36は同位相であり、
基体12の下部表面18の境界に定在波を設定する。本発明
は任意の基体の厚さ14で動作する。しかしながら反射の
可能性があるのでこれらのバルク音響波36をサポートす
るために、基体12の厚さ14はリッジの高さ28のほぼ整数
倍であることが好ましい。パッケージにおいて下部表面
18に基体12を取付けることが望ましい場合、バルクな波
36は制動され、対応してリッジ振動のＱを下げることを
認識しなければならない。

実際に、特に装置が大きいウェハアレイプロセスで製
造されるとき、基体の厚さを正確に制御することは困難
である。それ故、多数の高調波モードが基体のバルク波
共振により現れる。

図３は第１の実施形態の装置のインピーダンス対周波
数応答のグラフを示している。装置は、厚さ約20ミル
（0.5mm）、リッジの高さ約３ミクロン、リッジの幅約
３ミクロン、スペース約５ミクロンの容易に入手可能な
STカット水晶ウェハで製造された。認められるように、
多重周波数モードが存在し、約3MHzのインターバルで生
じる。モードは約195MHzを中心として約150MHzから約30
0MHzまで延在する。無線通信装置におけるこの装置の使
用は適切な濾波が行われなければ周波数ホッピングを生
成する。

図４は本発明の好ましい実施形態を示しており、ここ
では各リッジ20により発生される垂直のバルク音響波36
は実質上基体本体内で消去される。波36は基体への深さ
の関数として減衰し、リッジ間の間隔にも依存する。基
体12の本体内の波36の消去により、エネルギがリッジ内
に維持され、リッジ振動のＱを低下するために基体12中
でエネルギは損失されない。図４の装置は異なる方法で
バイアスされた電極を有する点を除いて、図２の装置と
同一構造を有する。

好ましい実施形態では、上部電極30は交互に第１、第
２のバイアス接続（＋と−）に接続されている。第１、
第２の接続は、小さい電界（図示せず）が上部電極間に
直接延在するようにバイアスされる。しかしながら、そ
の電界38は大気または真空におけるピエゾ電気基体のさ
らに高い誘電定数により、上部電極30下の各リッジ20内
で主として垂直に延在する。

この実施形態では、下部電極32を有することは必要で
はない。しかしながら下部電極の使用はリッジ20内に電
界38を有効に集中する。下部電極32は浮遊状態に維持さ
れるか、または接地されることができる。この好ましい
実施形態は使用において有効に大きな自由度と下部電極
32への電気接続とを可能にする。これは製造を非常に容
易にする。

好ましい実施形態の電界強度は第１の実施形態の電界
強度の半分であることを認識するであろう。さらに、リ
ッジ間の間隔が短くなる程、上部電極間の結合および入
力キャパシタンスは高くなる。しかしながら、好ましい
実施形態は第１の実施形態よりも非常にクリーンな周波
数応答を与える。これは第１および第２の接続がAC信号
により駆動されるとき隆起したリッジが実質上逆位相モ
ードで振動する結果である（即ちリッジは隣接するリッ
ジと約180゜の位相で振動する）。

各リッジの高さは実質上動作周波数を限定する。しか
しながら、本発明では、リッジの高さ、幅、間隔に依存
する周波数を有する音響波を発生することも可能であ
る。好ましい実施形態では、各リッジ20は基体12の本体
中へ垂直なバルク音響波36を発生する。各リッジからの
バルク音響波36は隣接するリッジと逆位相であり、それ
によって基体12内で消去される。この場合、実質上全て
の音響エネルギは局部化された共振としてリッジ20中ま
たはその近くで平衡された状態を維持され、基体12の本
体で失われるエネルギは非常に少ない。これはバルク波
が基体の底部表面から反射することを防止し、それ故、
単一の共振モードを与える。さらに、この実施形態はリ
ッジ振動特性が基体12内のバルク波36を消去するので、
基体12の厚さ14または設置に感応することがなく、それ
によって実質上底部表面にエネルギが現れない利点を有
する。

図５は図４の好ましい実施形態の装置のインピーダン
ス対周波数応答特性のグラフを示している。この装置は
直ちに入手できるためにSTカット水晶ウェハ上に製造さ
れた。しかしながら、例えばATカット水晶またはＹカッ
トリチウムニオブ酸塩のようなその他のウェハカットお
よび包囲が最適な温度性能および／または結合に好まし
いことが認識されよう。この実施形態では、使用される
ウェハは、厚さ約20ミル（0.5mm）、リッジの高さ約３
ミクロン、リッジの幅約３ミクロン、間隔約６ミクロン
である。認められるように、約199MHzで生じる単一周波
数モードが存在し、これは図３の第１の実施形態の周波
数応答特性で存在する多数の周波数にわたって改良して
いる。

前述の装置は数百の個々のリッジ共振器を与えること
ができ、そのうちの幾つかは直列またはシャント（並
列）接続で結合されることができる。したがって多数の
進歩した装置が実現されることができる。第１に、個々
の共振器は異なる幅または形状ファクターで設計される
ことができ、それによってその共振器の周波数を適切に
調節し、またはレーザ侵食またはメッキのような既知の
技術を使用して個々に調整される。有効に、これらの共
振器のグルーピングはラダーネットワークで接続される
ことができ、それによって既知の設計技術を使用して特
定の濾波機能を行うことができる。代わりに、共振器の
周波数は所望の周波数範囲をカバーするように設計され
る。これらの共振器は並列接続されてその所望の周波数
範囲のフィルタを与えることができる。非常に広い周波
数範囲がこの方法で得られることが予想される。対応し
て、PZTのようなピエゾ電気セラミックの基体には幅方
向に沿ってポーリングが設けられ、上部および下部電極
は基体のポーリングと直交するポーリングをリッジに与
えるために使用される。この構造では、基体は幅が膨張
モードで駆動され、リッジは長さが膨張モード（即ち小
型のローゼン（Rosen）変成器）で駆動される。変成器
はその後、直列または並列構造で接続され、それによっ
て広範囲の変成比を与える。

さらに、本発明は感度の高いセンサ応用において簡単
な共振器の実施形態で使用される。さらに大きく異なる
周波数の共振器およびフィルタは１以上の無線装置用の
RF、IF、および局部発振器機能を行うようにモノリシッ
クに製造されることができる。従来のバルク音響共振器
と比較して、本発明は１つの小さいモノリシックな結晶
基体において異なる周波数を有する幾つかの共振器およ
び／またはフィルタの製造を可能にする。前述の実施形
態は、必要なときに簡単なマスク変化とそれに続くワイ
ヤ結合接続以外の処理を変化せずに有効に得られること
ができる。また、本発明は、高周波数のバルク音響波ピ
エゾ電気装置のアレイを実質上同時に製造することを可
能にし、これは大量生産に関して有効である。

本発明の１実施形態では、本発明にしたがって送信機
と受信機の少なくとも一方と、ピエゾ電気共振器を含む
発振器とを有する無線通信装置が与えられる。特に、無
線通信装置はマイクロ制御装置の制御下で動作する受信
機を具備する。通信装置は受信機に結合されたIF発振器
を含んでいる。IF発振器は本発明の原理を使用して音響
波ピエゾ電気共振器を具備している。

高周波数音響波ピエゾ電気共振器を製造する方法を以
下説明する。一般的に、高周波のバルク音響波ピエゾ電
気結晶製造プロセスの第１の主要なステップは研磨され
たピエゾ電気基体を準備することにより開始する。第２
のステップは金属層とフォトレジスト層を付着するステ
ップを含んでいる。第３のステップは予め定められたパ
ターンを通してフォトレジスト層を露出し、フォトレジ
スト層を現像するステップを含んでいる。第４のステッ
プは金属マスクを形成するために金属層をエッチング
し、フォトレジストを除去するステップを含んでいる。
第５のステップは予め定められた距離まで金属マスク間
のピエゾ電気材料をエッチングし、基体中にエッチング
された空間を生成し、マイクロ機械加工されたリッジを
残すステップを含んでいる。好ましくはこのステップは
反応イオンエッチングを使用して実行され、それによっ
てリッジの方形形状ファクターを与える。第６のステッ
プは装置に電気接続を行うステップを含んでいる。

好ましくは、付加的なプロセスステップが付加され
る。第７のステップは金属マスクを剥離するステップを
含んでいる。第８のステップは選択的にアルミニウムを
付着して上部電極と下部電極を同時に形成し、装置に電
気接続を行うステップを含んでいる。第９のステップは
酸化環境にアルミニウムを露出してリッジの側面に沿っ
た短絡分を電気的に開路する。より好ましくは、パッケ
ージングステップが含まれ、それにおいては装置は真空
で密封されているリッジにより、密封してパッケージさ
れる。

本発明の種々の実施形態を示し説明したが、種々の変
形および置換が前述の実施形態の再構成および組合わせ
と共に本発明の技術的範囲を逸脱することなく当業者に
行われることが理解されよう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヤング、ジャシ アメリカ合衆国、イリノイ州 60173、 シャウムブルク、イー・アルゴンクイ ン・ロード 1200、アパートメント １ ジェイ (72)発明者 ファン、ジン アメリカ合衆国、イリノイ州 60195、 ホフマン・エステイツ、マコーマック・ ドライブ 1600 (72)発明者 マットソン、ジョン アメリカ合衆国、イリノイ州 60067、 パラタイン、ステアリング・アベニュー 925、アパートメント 209 (56)参考文献 特開 昭53−71593（ＪＰ，Ａ) 英国特許2106346（ＧＢ，Ｂ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03H 9/19 H03H 9/02 H03H 9/205 H03H 9/56

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上部表面および下部表面により限定された
   厚さを有するピエゾ電気基体と、間隔を有してピエゾ電
   気基体の上部表面と一体に形成され、基体の上部表面に
   おけるベースとリッジの高さを限定する上部とを有する
   複数の隆起したリッジと、 対応する隆起したリッジの上部にそれぞれ配置された複
   数の上部電極と、 隆起したリッジ間のスペース内のピエゾ電気基体の上部
   表面に配置され、上部電極と実質上対向していない複数
   の下部電極とを具備し、 上部電極は１つおきに互いに接続された第１および第２
   の接続を有し、この第１および第２の接続間にAC信号を
   供給して駆動するとき、隆起したリッジは実質上隣接す
   るリッジ間で逆位相で振動し、ピエゾ電気基体中に垂直
   方向の音響波を発生することを特徴とする音響波ピエゾ
   電気装置。
2. 【請求項２】隆起したリッジは実質上相互に平行であ
   り、隆起したリッジ間の間隔は実質上周期的である請求
   項１記載のピエゾ電気装置。
3. 【請求項３】第１および第２の接続間にAC信号を供給し
   て駆動するとき、上部電極と下部電極との間で基体の上
   部表面に実質上垂直な電界が発生され、音響波を発生す
   るピエゾ電気歪みを生成する請求項１記載のピエゾ電気
   装置。
4. 【請求項４】下部電極は浮遊状態と接地されている状態
   とを選択しうる電気的接続を有する請求項１記載のピエ
   ゾ電気装置。
5. 【請求項５】ピエゾ電気基体は水晶からなり、隆起した
   リッジはAC信号により駆動されたとき屈曲モードに結合
   された実質上厚み剪断モードで駆動される請求項１記載
   のピエゾ電気装置。
6. 【請求項６】個々の隆起したリッジは異なる共振周波数
   であり、フィルタが形成されるように電気的に並列に接
   続される請求項１記載のピエゾ電気装置。
7. 【請求項７】複数の隆起したリッジは実質上並列であ
   り、隆起したリッジ間の間隔は周期的であり、リッジの
   高さは装置の動作周波数を実質上限定している請求項１
   記載のピエゾ電気装置。