JP3597483B2

JP3597483B2 - Surface acoustic wave device

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Publication number: JP3597483B2
Application number: JP2001079594A
Authority: JP
Inventors: 政則上田; 治川内; 剛遠藤; 理伊形; 研也橋本; 正恒山口
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1995-10-13
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2016-07-09
Also published as: JP2001251157A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に弾性表面波装置に関し、特にＧＨｚ帯域を含む高周波帯域において優れた通過帯域特性を有する弾性表面波装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
弾性表面波装置は、携帯電話等の小型・軽量かつ非常に高い周波数帯域で動作する無線通信装置の高周波回路において、フィルタあるいは共振器として広く使われている。かかる弾性表面波装置は一般に圧電単結晶あるいは多結晶基板上に形成されるが、電気機械結合係数ｋ２が大きく、従って表面波の励振効率が高く、また高周波帯域において表面波の伝搬損失が小さい基板材料として、特にＬｉＮｂＯ３単結晶の６４°回転Ｙカット板において表面波の伝搬方向をＸ方向とした６４°Ｙ−ＸＬｉＮｂＯ３基板（Ｋ．ＹａｍａｎｏｕｔｉａｎｄＫ．Ｓｈｉｂａｙａｍａ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．４３，ｎｏ．３，Ｍａｒｃｈ１９７２，ｐｐ．８５６）あるいはＬｉＴａＯ３単結晶の３６°回転Ｙカット板において表面波の伝搬方向をＸ方向として３６°Ｙ−ＸＬｉＴａＯ３基板が広く使われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらのカット角は、圧電結晶基板上に形成された電極の付加質量効果が無視できる場合に最適となるものであり、数百ＭＨｚ以下の低周波帯域では励起される弾性表面波の波長が長いため有効であっても、最近の携帯電話等で必要とされているＧＨｚ帯域近傍での動作においては、電極の厚さが励起される弾性波波長に対して無視できなくなり、必ずしも最適とはならない。このような高周波帯域での動作では、電極の付加質量の効果が顕著に現れる。
このような非常に短波長域の動作においては、圧電基板上の電極の厚さを増加させ、見かけ上の電気機械結合係数を増大させることにより、弾性表面波フィルタの通過帯域幅あるいは弾性表面波共振器の容量比γを小さくすることが可能であるが、このような構成では電極から基板内部に向かって放射されるバルク波が増大し、表面波の伝搬損失が増大してしまう問題が生じる。かかるバルク波をＳＳＢＷ（ｓｕｒｆａｃｅｓｋｉｍｍｉｎｇｂｕｌｋｗａｖｅ）と称し、またかかるＳＳＢＷを伴う表面波をＬＳＡＷ（Ｌｅａｋｙｓｕｒｆａｃｅａｃｏｕｓｔｉｃｗａｖｅ）と称する。厚い電極膜を使った弾性表面波フィルタにおけるＬＳＡＷの伝搬損失については、３６°Ｙ−ＸＬｉＴａＯ３および６４°Ｙ−ＸＬｉＮｂＯ３基板について、Ｐｌｅｓｓｋｙ他、あるいはＥｄｍｏｎｓｏｎ他により解析がなされている（Ｖ．Ｓ．ＰｌｅｓｓｋｙａｎｄＣ．Ｓ．Ｈａｒｔｍａｎｎ，Ｐｒｏｃ．１９９３ＩＥＥＥＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓＳｙｍｐ．，ｐｐ．１２３９ − １２４２；Ｐ．Ｊ．ＥｄｍｏｎｓｏｎａｎｄＣ．Ｋ．Ｃａｍｐｂｅｌｌ，Ｐｒｏｃ．１９９４ＩＥＥＥＵｌｔｒｏｓｏｎｉｃＳｙｍｐ．，ｐｐ７５ − ７９）。
【０００４】
ところで、このような従来の３６°Ｙ−ＸＬｉＴａＯ３あるいは６４°Ｙ−ＸＬｉＮｂＯ３等の、ＬＳＡＷを使う従来の弾性表面波フィルタでは、電極膜厚が薄い場合、表面波の音速値とバルク波の音速値とが接近し、その結果フィルタの通過帯域内にバルク波によるスプリアスピークが出現してしまう（Ｍ．Ｕｅｄａｅｔａｌ．，Ｐｒｏｃ．１９９４ＩＥＥＥＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＳｙｍｐ．，ｐｐ．１４３ − １４６）。
【０００５】
図２０は、上記Ｕｅｄａ他の文献による表面波フィルタにおいて、フィルタ通過帯域近傍に出現したバルク波によるスプリアスピークＡ，Ｂを示す。フィルタは３６°Ｙ−ＸＬｉＴａＯ３基板上に構成され、励振波長の３％に相当する０．４９μｍの厚さのＡｌ−Ｃｕ合金よりなる櫛形電極を形成されている。
【０００６】
図２０を参照するに、スプリアスピークＢは３３０ＭＨｚ近傍に形成された通過帯域外に生じているが、スプリアスピークＡは通過帯域内に生じており、その結果通過帯域特性にリップルが生じているのがわかる。
【０００７】
弾性表面波フィルタでは、表面波の音速は電極の付加質量、すなわち膜厚に依存するのに対し、ＳＳＢＷの音速は電極の膜厚に依存しないため、ＧＨｚ帯域のような高周波帯域での動作では、電極の膜厚が励振表面波波長に対して増加し、表面波の音速がバルク波に対して相対的に低下する。その結果、フィルタの通過帯域がスプリアスピークに対してシフトし、通過帯域特性が平坦化する。しかし、このように電極の膜厚が表面波波長に対して増大すると先にも説明したようにバルク放射によるＬＳＡＷの損失が増大してしまう。
【０００８】
また、特にＧＨｚ帯のような非常に高周波帯域で動作する弾性表面波フィルタにおいては、櫛形電極の抵抗を減少させるためにも電極にある程度の膜厚を確保する必要があるが、そうなると先に説明した損失の増大および角形比の劣化の問題が避けられない。
【０００９】
そこで、本発明は、このような従来の問題点を解決した、新規で有用な弾性表面波装置を提供することを概括的目的とする。
【００１０】
本発明のより具体的な目的は、電極の膜厚に対して最適化されたカット角で切り出された圧電単結晶基板を有し、通過帯域を、バルク波に起因するスプリアスを回避して設定した弾性表面波装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を、
請求項１に記載したように、
圧電基板と、前記圧電基板表面に形成されたＡｕを主成分とする電極パターンとよりなる通過帯域が８００ＭＨｚ台〜ＧＨｚ帯域の弾性表面波装置に用いられる弾性表面波装置において、
前記電極パターンは共振器を形成し、前記圧電基板表面にＬＳＡＷを励起し、前記電極パターンは励起された前記ＬＳＡＷの波長の０．００４〜０．０２１の範囲の厚さを有し、
前記圧電基板は、ＬｉＴａＯ_３単結晶を、Ｘ軸を中心に、Ｙ軸からＺ軸方向に３９°より大きく４６°以下の角度で回転させた方位を有するものであることを特徴とする弾性表面波装置により、または
請求項２に記載したように、
圧電基板と、前記圧電基板表面に形成されたＣｕを主成分とする電極パターンとよりなる通過帯域が８００ＭＨｚ台〜ＧＨｚ帯域の弾性表面波装置に用いられる弾性表面波装置において、
前記電極パターンは共振器を形成し、前記圧電基板表面にＬＳＡＷを励起し、前記電極パターンは励起された前記ＬＳＡＷの波長の０．００９〜０．０４５の範囲の厚さを有し、
前記圧電基板は、ＬｉＴａＯ_３単結晶を、Ｘ軸を中心に、Ｙ軸からＺ軸方向に３９°より大きく４６°以下の角度で回転させた方位を有するものであることを特徴とする弾性表面波装置により、解決する。
【００１２】
以下、本発明の作用を、図１〜３を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は、圧電結晶基板の切り出し角を説明する図である。
【００１４】
図１は、例えばＬｉＴａＯ３のような、結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚを有する圧電単結晶を、結晶軸Ｘの回りでＹ軸からＺ軸方向に回転角θだけ傾けた角度で切り出した状態を示す。このような圧電結晶基板をθ回転Ｙ−Ｘ基板と称する。
【００１５】
図２はＬｉＴａＯ３単結晶のθ回転Ｙ−Ｘ基板上に形成された共振器の挿入損失を、様々な切り出し角ないし回転角θについて示す。
【００１６】
先にも説明したように、従来よりＬｉＴａＯ３基板上に弾性表面波装置を形成する場合、３６°Ｙ−Ｘ基板が、またＬｉＮｂＯ３基板上に弾性表面波装置を形成する場合、６４°Ｙ−Ｘ基板が一般的に使われているが、これは基板表面上に形成される電極の付加質量効果が無視できる比較的長波長の表面波に対する伝搬損失が、これらの回転角で最小となることによる。例えば、中村他、信学技報，ＵＳ７７−４２参照。
【００１７】
図２中、黒丸で示した曲線は、ＬｉＴａＯ３の３６°Ｙ−Ｘ基板表面に、膜厚がゼロの仮想的な電極を均一に形成した場合のＬＳＡＷの伝搬損失を計算したもので、回転角θが３６°の場合に伝搬損失が最小になることがわかる。ただし、この計算では、Ｋｏｖａｃｓ他により報告された結晶の定数を使った（Ｇ．Ｋｏｖａｃｓ，ｅｔａｌ．，Ｐｒｏｃ．１９９０ＩＥＥＥＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＳｙｍｐ．ｐｐ．４３５ − ４３８）。
【００１８】
しかし、ＧＨｚ帯域のような短波長領域では、先にも説明したように、電極の厚さが励起される表面波の波長に対して無視できなくなり、電極の付加質量の効果が顕著に現れる。本発明の発明者は、かかる付加質量の効果により、図２の伝搬損失特性が矢印の方向に変化し、図２に白丸で示したように、最小の伝搬損失を与える回転角θが高角度側にずれることを見出した。ただし、図２中、白丸で示した曲線は、圧電基板上に一様にＡｌ電極を形成した場合で、しかも電極の膜厚が励起表面波の波長の１０％の場合を示す。
【００１９】
さらに、図３に、ＬｉＴａＯ３基板上にＡｌよりなるグレーティング電極を形成した場合の伝搬損失と回転角θの関係を示す。ただし、図３中、破線は電極膜厚ゼロの場合を、また実線は電極膜厚が励起表面波波長の１０％の場合を示す。明らかに、基板上に励起表面波の波長に対して有限な膜厚のグレーティングを形成した結果、伝搬損失が最小になる回転角が、高角度側にシフトしている。
【００２０】
すなわち、ＬｉＴａＯ３単結晶基板の回転角θを従来の３６°よりも高角度に設定することにより、ＧＨｚ帯域において表面波の減衰が少なく、Ｑが高い弾性表面波装置を形成することができる。また、このような高い周波数における電極の付加質量効果に伴い、図１８に示すフィルタの通過帯域の位置がスプリアスピークＡ，Ｂに対して低周波側にシフトするため、このような回転角の大きいＬｉＴａＯ３基板上に形成した弾性表面波装置では、スプリアスピークＡ，Ｂをフィルタの通過帯域から外すことが可能である。先にも説明したように、スプリアスピークＡ，Ｂはバルク波に起因するものであり、電極の付加質量の影響を受けない。
【００２１】
また、本発明では、通過帯域特性の角形比も回転角θにより変化し、特にＧＨｚ帯域では、従来使われている回転角θよりも高い角度で切り出されたＬｉＴａＯ３基板が優れた通過帯域幅および角形比を与えることが見出された。
図４，５は、それぞれかかるＬｉＴａＯ３基板上に形成した弾性表面波フィルタの周波数温度特性および最小挿入損失の温度特性を示す。ただし、弾性表面波フィルタは、後で説明する図７の構成のものを使い、様々な回転角θのＬｉＴａＯ３基板上に、電極膜厚が励振される弾性表面波の波長の１０％になるように形成した。
【００２２】
図４よりわかるように、フィルタは、基板の回転角、すなわちカット角θが３６°Ｙ，４０°Ｙ，４２°Ｙおよび４４°Ｙのいずれの場合にも、略同一の温度特性を示す。中心周波数が様々に変化しているのは、基板中の音速の違いと、試料作製条件のばらつきに起因するものであると考えられる。
【００２３】
また、図５よりわかるように、ＬｉＴａＯ３基板の回転角θを４０°Ｙ〜４４°Ｙの範囲に設定した場合、少なくとも通常の温度範囲、すなわち−３５°Ｃ〜８５°Ｃの範囲では、回転角θを従来の３６°Ｙに設定した場合よりも損失が減少する。特に、回転角θを４０°Ｙ〜４２°Ｙの範囲に設定した場合、最小挿入損失の変動幅も減少することがわかる。
【００２４】
また、図６はＬｉＮｂＯ３単結晶のθ回転Ｙ−Ｘ基板上に形成された共振器の挿入損失を、様々な切り出し角ないし回転角θについて示す。
【００２５】
図６中、破線で示した曲線は、ＬｉＮｂＯ３の６４°Ｙ−Ｘ基板表面に、膜厚がゼロの仮想的な電極を均一に形成した場合のＬＳＡＷの伝搬損失を計算したもので、回転角θが６４°の場合に伝搬損失が最小になることがわかる。ただし、この計算では、Ｗａｒｎｅｒ他により報告された結晶の定数を使った（Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍｅｒ．，４２，１９６７，ｐｐ．１２２３ − １２３１））。
【００２６】
しかし、ＧＨｚ帯域のような短波長領域では、先にも説明したように、電極の厚さが励起される表面波の波長に対して無視できなくなり、電極の付加質量の効果が顕著に現れる。本発明の発明者は、かかる付加質量の効果により、図６の伝搬損失特性が矢印の方向に変化し、図２，３に実線で示したように、最小の伝搬損失を与える回転角θが高角度側にずれることを見出した。ただし、図２中、実線で示した曲線は、電極の膜厚が励起表面波の波長の３％の場合を示す。
【００２７】
すなわち、ＬｉＮｂＯ３単結晶基板の回転角θを従来の６４°よりも高角度に設定することにより、ＧＨｚ帯域において表面波の減衰が少なく、Ｑが高い弾性表面波装置を形成することができる。
【００２８】
ＬｉＴａＯ３基板上に電極をＡｕで形成する場合には、電極の厚さは波長の０．４〜２．１％の範囲が、さらにＬｉＮｂＯ３基板上にＡｕで電極を形成する場合には、電極の厚さは波長の０．５〜１．７％の範囲に設定するのが好ましい。また、ＬｉＴａＯ３基板上にＣｕで電極を形成する場合には、波長の０．９〜４．５％の範囲に設定するのが、さらにＬｉＮｂＯ３基板上にＣｕで電極を形成する場合には、波長の１．２〜３．６％の範囲に設定するのが好ましい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、好ましい実施例について詳細に説明する。
【００３０】
図７（Ａ）は、本発明の第１実施例によるラダー型弾性表面波フィルタの構成を示す平面図、図７（Ｂ）はその等価回路図である。
【００３１】
図７（Ａ）を参照するに、弾性表面波フィルタはＬｉＴａＯ３またはＬｉＮｂＯ３単結晶の回転Ｙ板上に形成され、入力側電極が入力端子ＩＮに接続された第１の櫛形電極Ｒ１と、入力側電極が前記櫛形電極Ｒ１の出力側電極に接続され、さらに出力側電極が出力端子ＯＵＴに接続された第２の櫛形電極Ｒ１ ’と、入力側電極を櫛形電極Ｒ１の入力側電極に接続され、出力側電極を接地された第３の櫛形電極Ｒ２と、入力側電極を櫛形電極Ｒ１の出力側電極に接続され、出力側電極を接地された第４の櫛形電極Ｒ２ ’と、入力側電極を櫛形電極Ｒ１ ’の出力側電極に接続され、出力側電極を接地された第４の櫛形電極Ｒ２ ”とを含む。
【００３２】
各々の櫛形電極Ｒ１，Ｒ１ ’，Ｒ２，Ｒ２ ’，Ｒ２ ”において、入力側電極ｉは、通常の通り、Ｘ軸方向に伝搬する弾性表面波の経路と交差する第１の方向に互いに平行に延在する第１群の電極指を含み、また出力側電極ｏも、通常の通り、前記第１の方向とは反対の第２の方向に平行に延在する第２群の電極指を含み、第１群の電極指と第２群の電極指とは、交互に配設されている。さらに、各々の櫛形電極Ｒ１，Ｒ１ ’，Ｒ２，Ｒ２ ’，Ｒ２ ”には、Ｘ軸方向上の両側に、複数の平行な電極指を両端で短絡させた構成の反射器Ｒｅが形成されている。本実施例では、櫛形電極Ｒ１，Ｒ１ ’，Ｒ２，Ｒ２ ’，Ｒ２ ”はＡｌ−１％Ｃｕ合金より形成され、フィルタの通過帯域波長の１０％に相当する約０．４μｍの厚さに形成されている。
【００３３】
図７（Ｂ）は図６（Ａ）のフィルタの等価回路図を示す。
【００３４】
図７（Ｂ）を参照するに、櫛形電極Ｒ１およびＲ１ ’は直列接続され、さらに櫛形電極Ｒ２，Ｒ２ ’およびＲ２ ”が並列接続されている。
【００３５】
図８は図７（Ａ），（Ｂ）の弾性表面波フィルタについて実験的に得られた最小挿入損失を、ＬｉＴａＯ３単結晶基板１１の様々なカット角θについて示す。最小挿入損失は、表面波の伝搬損失とフィルタの整合損失の双方の効果を含むが、基板のカット角θは整合損失には実質的に寄与しない。
【００３６】
図８を参照するに、最小挿入損失は基板のカット角が増大するにつれて減少し、４２°近辺のカット角において最小となることがわかる。カット角が４２°を越えると最小挿入損失は再び増大する。従って、フィルタ挿入損失の観点からは、ＬｉＴａＯ３基板１１のカット角を３８°から４６°の範囲に設定することにより、フィルタの最小挿入損失を１．６ｄＢ以内に抑えることができる。
【００３７】
本発明では、またＬｉＴａＯ３単結晶基板のカット角は、弾性表面波フィルタの角形比にも影響することが見出された。
【００３８】
図９（Ａ）は角形比の定義を示す。
【００３９】
図９（Ａ）を参照するに、角形比は、通過帯域の最小挿入損失に対して１．５ｄＢの減衰を与える帯域幅ＢＷ２と、２０ｄＢの減衰を与える帯域幅ＢＷ１とを使い、ＢＷ１／ＢＷ２により与えられる。角形比が大きい程フィルタはブロードになり、選択比が劣化すると同時に通過帯域は幅が減少する。すなわち、角形比は出来る限り１に近づくように弾性表面波フィルタを設計するのが望ましい。
【００４０】
図９（Ｂ）は、図７（Ａ），（Ｂ）の弾性表面波フィルタについて実験的に得られた角形比を、圧電基板１１のカット角θの関数として示す。
【００４１】
図９（Ｂ）よりわかるように、角形比はカット角θが増加するにつれて１に近づき、θ＝４２°のカット角で最小値１．４７に達する。一方、カット角が４２°を越えて増大すると角形比も増大し、フィルタの選択性が劣化する。本発明による弾性表面波フィルタでは、最小挿入損失が１．６ｄＢ以下、また角形比が１．５５以下であることが望ましく、従って図９（Ｂ）より、ＬｉＴａＯ３基板のカット角θとしては、３９〜４６°の範囲、特に４０〜４４°の範囲が好ましいことがわかる。特に、カット角θを４２°に設定することにより、最小挿入損失を最小化でき、また角形比も最小化することができる。
【００４２】
図１０は、図７（Ａ），（Ｂ）弾性表面波フィルタについて実験的に得られた通過帯域特性を示す。図１０中、実線はＬｉＴａＯ３の４２°Ｙ−Ｘ基板を基板１１として使った場合を、また一点破線は同じＬｉＴａＯ３の３６°Ｙ−Ｘ基板を基板１１として使った場合を示す。
【００４３】
図１０を参照するに、通過帯域特性は８８０ＭＨｚに中心周波数を有し、約４０ＭＨｚの平坦な通過帯域で特徴づけられる。通過帯域外では減衰は急増するが、４２°Ｙ−Ｘ基板を使ったフィルタの方が、従来の３６°Ｙ−Ｘ基板を使ったものよりもより急峻な特性、従ってより優れた角形比を示すことがわかる。また、図１０では、フィルタの通過帯域外にＳＳＢＷに起因するスプリアスピークＡ，Ｂが観測される。
【００４４】
図１１は、ＬｉＴａＯ３のＹ回転Ｘ板基板表面に、弾性表面波の波長に対する厚さが７％の電極を形成した場合の電気機械結合係数ｋ２を、様々なカット角θについて計算した結果を示す。計算には、Ｋｏｖａｃｓ他（前出）により報告された結晶定数を使った。
【００４５】
図１１を参照するに、電気機械結合係数ｋ２はカット角の増大と共に減少する傾向を示すことがわかる。電気機械結合係数ｋ２は周知のように、圧電結晶中に圧電効果により蓄積されたエネルギの割合を示す量であり、この値が小さいと通過帯域幅が減少したり、通過帯域内にリップルが生じたりする問題が生じる。図１１より、カット角θはやはり４６°以下に設定するのが好ましいことがわかる。
【００４６】
図１２は、図７（Ａ），（Ｂ）のフィルタにおいて、様々なカット角で形成されたＬｉＴａＯ３のＹ回転−Ｘ伝搬基板１１上に形成された櫛形電極の厚さを変化させた場合の伝搬損失を計算した結果を示す。図１２の計算においても、先の計算と同様に、Ｋｏｖａｃｓ他の結晶定数を使った。
【００４７】
図１２よりわかるように、カット角が３８°以下の場合、損失は電極厚の増大とともに指数関数的に単調に増加するが、カット角が４０°を越えると損失が電極の厚さと共に減少を始め、特性曲線に極小点が現れるのがわかる。極小点を過ぎると損失は再び増大に転じる。特に、基板１１のカット角を、先に説明した好ましい角度である４０°から４６°の範囲に設定した場合、このような極小点は、波長に対する電極の厚さが３％以上のところに出現する。換言すると、本実施例のフィルタにおいて、電極を、波長で規格化した厚さが３％以上になるように形成するのが好ましい。一方、電極の厚さが過大になると、電極のエッチングによるパターニングが困難になったり、基板中の音速が電極の膜厚により敏感に変化するようになるため、電極は、厚さが波長に対して１５％以内になるように形成するのが好ましい。図１２より、ＡｌあるいはＡｌ−１％Ｃｕ合金を使った電極の場合、電極の厚さが波長の１５％を越えると、いずれのカット角においても伝搬損失が急増することがわかるが、これは電極からのバルク波の放射が優勢になることを示している。特にカット角が３９〜４６°の範囲では、電極の厚さは０．０７〜０．１５の範囲が、またカット角が４０から４４°の範囲では、電極の厚さは０．０５〜０．１０の範囲であるのが好ましい。
【００４８】
図１３は、図７（Ａ），（Ｂ）のフィルタにおいて、様々なカット角で形成されたＬｉＮｂＯ３のＹ回転−Ｘ板を基板１１として使い、基板１１上に形成された櫛形電極の厚さを励起弾性表面波の波長に対して変化させた場合の伝搬損失を計算した結果を示す。ただし、図１３の計算では、先のＷａｒｎｅｒ他の結晶定数を使っている。
【００４９】
図１３よりわかるように、伝搬損失は、電極膜厚の増大とともにいったん極小値をとった後、指数関数的に増加するが、従来使われていた６４°以下の回転角では、波長に対する電極膜厚が３．５％以下のところで伝搬損失が極小になることがわかる。しかし、この場合、電極膜厚がさらに増大し、励起弾性表面波の波長の４％を超えると、伝搬損失は急激に増大してしまう。一方、基板のカット角を６６°以上に設定すると、伝搬損失は、電極膜厚が励起弾性表面波の４％以上、すなわち電極の付加質量効果が顕著になる条件下で極小になる。換言すると、波長で規格化した電極膜厚が４％以上になるような、電極膜厚が励起弾性表面波の波長に対して無視できない条件下では、ＬｉＮｂＯ３基板のカット角を６６°以上に設定するのが望ましい。一方、電極の厚さが過大になると、電極のエッチングによるパターニングが困難になったり、基板中の音速が電極の膜厚により敏感に変化するようになるため、電極は、厚さが波長に対して１２％以内になるように形成するのが好ましい。これに伴い、ＬｉＮｂＯ３基板のカット角は６６°から７４°の範囲に設定するのが好ましい。
【００５０】
以上の各実施例において、電極組成はＡｌ−１％Ｃｕとしたが、純粋なＡｌでも同様な関係が成立する。また、ＬｉＴａＯ３基板上に電極を他の電極材料、例えばＡｕで形成する場合には、電極の厚さは波長の０．４〜２．１％の範囲が、さらにＬｉＮｂＯ３基板上にＡｕで電極を形成する場合には、電極の厚さは波長の０．５〜１．７％の範囲に設定するのが好ましい。また、ＬｉＴａＯ３基板上にＣｕで電極を形成する場合には、波長の０．９〜４．５％の範囲に設定するのが、さらにＬｉＮｂＯ３基板上にＣｕで電極を形成する場合には、波長の１．２〜３．６％の範囲に設定するのが好ましい。
【００５１】
図１４（Ａ）は、図７（Ａ）の弾性表面波フィルタの一変形例を、また図１４（Ｂ）はその等価回路図を示す。ただし、図１４（Ａ），（Ｂ）中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５２】
図１４（Ａ）を参照するに、弾性表面波フィルタは先の図７（Ａ）の実施例と同様に、ＬｉＴａＯ３またはＬｉＮｂＯ３単結晶の回転Ｙ板上に形成され、入力側電極が入力端子ＩＮに接続された第１の櫛形電極Ｒ１と、入力側電極が前記櫛形電極Ｒ１の出力側電極に接続され、さらに出力側電極が出力端子ＯＵＴに接続された第２の櫛形電極Ｒ１ ’と、入力側電極を櫛形電極Ｒ１の出力側電極に接続され、出力側電極を接地された第３の櫛形電極Ｒ２ ’と、入力側電極を櫛形電極Ｒ１ ’の出力側電極に接続され、出力側電極を接地された第４の櫛形電極Ｒ２とを含む。
【００５３】
図１４（Ｂ）を参照するに、櫛形電極Ｒ１およびＲ１ ’は直列接続され、さらに櫛形電極Ｒ２およびＲ２ ’が並列接続されている。ただし、櫛形電極Ｒ１，Ｒ１ ’，Ｒ２，Ｒ２ ’はそれぞれ振動子を形成し、櫛形電極Ｒ１ ’はＲ１の約１／２の容量を有する。一方、櫛形電極Ｒ２ ’は櫛形電極Ｒ２の約２倍の容量を有する。
【００５４】
このような構成の弾性表面波フィルタでも、基板にＬｉＴａＯ３を使った場合、回転角θを３８°以上４６°以下、より好ましくは４０°以上４６°以下、最も好ましくは約４２°に設定することにより、また基板にＬｉＮｂＯ３を使った場合、回転角θを６６°以上７４°以下、より好ましくは約６８°に設定することにより、基板上の電極の付加質量効果が顕著になるような周波数帯域で使った場合にも伝搬損失を最小化することが可能になる。
【００５５】
ところで、本実施例は上記のラダー型弾性表面波フィルタに限定されるものではなく、他のタイプの弾性表面波フィルタ、共振器あるいは伝搬遅延線にも適用可能である。例えば、図１４（Ａ），（Ｂ）のフィルタを変形して図１５に示す格子型フィルタを形成することができる。
【００５６】
図１６は、本発明の第２実施例による弾性表面波フィルタ３０の構成を示す。図１６を参照するに、弾性表面波フィルタ３０は先に説明したカット角が３８〜４６°のＹ回転ＸＬｉＴａＯ３板、またはカット角が６６〜７４°のＹ回転ＸＬｉＮｂＯ３板よりなる基板上に形成され、ＬｉＴａＯ３基板を使った場合、波長の３〜１５％の範囲の厚さを有する櫛形電極を形成されている。また、ＬｉＮｂＯ３基板を使う場合には、櫛形電極の厚さは波長の４〜１２％の範囲とされる。本実施例においても、表面波としてＬＳＡＷが励起され、励起された表面波はＸ軸方向に伝搬する。
【００５７】
弾性表面波フィルタは３０は、一対の櫛形電極Ｒｉｎ，Ｒｏｕｔを隣接して配設した構成を有し、さらにその外側に一対の反射器Ｒｅを配設している。かかる構成においても、図７（Ａ），（Ｂ）の装置と同様に基板のカット角および電極の膜厚を最適化することにより、損失を最小化し、角形比が向上した広い通過帯域特性を有するフィルタが得られる。
【００５８】
図１７は、本発明の第３実施例による弾性表面波共振器４０の構成を示す。
【００５９】
図１７を参照するに、弾性表面波共振器４０は、先に説明したカット角が３８〜４６°のＹ回転ＸＬｉＴａＯ３板、あるいはカット角が６６〜７４°のＹ回転ＸＬｉＮｂＯ３板よりなる基板１１上に形成され、ＬｉＴａＯ３基板を使った場合には、波長の３〜１５％の範囲の厚さを有する櫛形電極を形成されている。一方、ＬｉＮｂＯ３基板を使った場合には、波長の４〜１２％の範囲の厚さを有する櫛形電極を形成される。本実施例においても、表面波としてＬＳＡＷが励起され、励起された表面波はＸ軸方向に伝搬する。
【００６０】
弾性表面波フィルタ４０は、櫛形電極Ｒｏｕｔ、およびその両側に配設された櫛形電極Ｒｉｎとを有し、さらにその外側に一対の反射器Ｒｅを配設している。その際、櫛形電極Ｒｉｎは入力端子４１に接続され、一方櫛形電極Ｒｏｕｔは出力端子４２に接続される。
【００６１】
かかる構成により、図７（Ａ），（Ｂ）の装置と同様に基板のカット角および電極の膜厚を最適化することにより、損失が最小で、高いＱファクターを有する共振器が得られる。
【００６２】
図１８は、本発明の第４実施例による１ポート弾性表面波共振器５０の構成を示す。
【００６３】
図１８を参照するに、弾性表面波共振器５０は先に説明したカット角が３８〜４６°のＹ回転ＸＬｉＴａＯ３板、あるいはカット角が６６〜７４°のＹ回転ＸＬｉＮｂＯ３板よりなる基板１１上に形成され、ＬｉＴａＯ３を基板に使った場合には、基板１１上には波長の３〜１５％の範囲の厚さを有する櫛形電極が形成されている。一方、ＬｉＮｂＯ３基板を使った場合には、基板１１上には、波長の４〜１２％の範囲の厚さを有する櫛形電極が形成される。本実施例においても、表面波としてＬＳＡＷが励起され、励起された表面波はＸ軸方向に伝搬する。
【００６４】
弾性表面波共振器５０は、前記基板上に形成された単一の櫛形電極Ｒと、その両側に配設された一対の反射器Ｒｅとより構成され、前記櫛形電極Ｒを構成する一の側の電極は第１の端子５１に、また他の側の電極は第２の端子５２に接続される。
【００６５】
かかる構成により、図７（Ａ），（Ｂ）の装置と同様に基板のカット角および電極の膜厚を最適化することにより、損失が最小で、高いＱファクターを有する共振器が得られる。
【００６６】
図１９は、本発明の第５実施例による２ポート弾性表面波共振器６０の構成を示す。
【００６７】
図１９を参照するに、弾性表面波共振器６０は先に説明したカット角が３８〜４６°のＹ回転ＸＬｉＴａＯ３板、あるいはカット角が６６〜７４°のＹ回転ＸＬｉＮｂＯ３板よりなる基板１１上に形成され、ＬｉＴａＯ３を基板に使った場合には、基板１１上には波長の３〜１５％の範囲の厚さを有する櫛形電極が形成されている。一方、ＬｉＮｂＯ３基板を使った場合には、基板１１上には、波長の４〜１２％の範囲の厚さを有する櫛形電極が形成される。本実施例においても、表面波としてＬＳＡＷが励起され、励起された表面波はＸ軸方向に伝搬する。弾性表面波共振器６０は、それぞれ入力端子６１および出力端子６２に接続された一対の櫛形電極Ｒ１，Ｒ２を有し、さらにその外側に一対の反射器Ｒｅを配設している。共振器６０は、櫛形電極Ｒ１の第１の電極指群に接続された第１の端子６１と、櫛形電極Ｒ２の第１の電極指群に接続された第２の端子６２との間に電圧を印加することにより駆動される。なお、櫛形電極Ｒ１の第２の電極指群および櫛形電極Ｒ２の第２の電極指群は接地される。
【００６８】
かかる構成により、図７（Ａ），（Ｂ）の装置と同様に基板のカット角および電極の膜厚を最適化することにより、損失が最小で、高いＱファクターを有する共振器が得られる。
【００６９】
さらに本発明の弾性表面波装置は、先に説明した弾性表面波フィルタおよび弾性表面波共振器に限定されるものではなく、同様な構成を有する弾性表面波遅延線あるいは導波路にも有用である。
【００７０】
【発明の効果】
請求項１，２記載の本発明の特徴によれば、前記ＬｉＮｂＯ３基板あるいはＬｉＮｂＯ３基板のカット角を従来よりも高角度側に変化させ、さらに電極膜厚を励起されるＬＳＡＷの波長に対して最適化することにより、電極材料としてＡｕあるいはＣｕを使った場合にも、弾性表面波装置の損失を最小化し、帯域幅を向上させ、さらに角型比を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は圧電単結晶基板の切り出し角を説明する図である。
【図２】本発明の原理を説明する図である。
【図３】本発明の原理を説明する別の図である。
【図４】様々なカット角のＬｉＴａＯ３基板について、形成された弾性表面波フィルタの温度依存性、特に中心周波数の温度依存性を示す図である。
【図５】様々なカット角のＬｉＴａＯ３基板について、形成された弾性表面波フィルタの温度依存性、特に最小挿入損失の温度依存性を示す図である。
【図６】ＬｉＮｂＯ３基板上に形成された弾性表面波フィルタの伝搬損失を、基板のカット角の関数として示す図である。
【図７】（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ本発明の第１実施例による弾性表面波フィルタの構成を説明する図およびその等価回路図である。
【図８】図７の弾性表面波フィルタの最小挿入損失とフィルタを構成する圧電基板のカット角との関係を説明する図である。
【図９】（Ａ）はフィルタ通過帯域特性における角形比の定義を説明する図、（Ｂ）は角形比と基板カット角との関係を説明する図である。
【図１０】図７（Ａ），（Ｂ）に示したフィルタの通過帯域特性を説明する図である。
【図１１】図７（Ａ），（Ｂ）に示したフィルタにおける、ＬｉＴａＯ３基板を使った場合の基板カット角と電気機械結合係数との間の関係を説明する図である。
【図１２】図７（Ａ），（Ｂ）に示したフィルタにおいて、ＬｉＴａＯ３基板を使った場合の伝搬損失に対する電極膜厚の効果を、様々な基板カット角について示す図である。
【図１３】図７（Ａ），（Ｂ）に示したフィルタにおいて、ＬｉＮｂＯ３基板を使った場合の伝搬損失に対する電極膜厚の効果を、様々な基板カット角について示す図である。
【図１４】（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ本発明の第１実施例の一変形例による弾性表面波フィルタの構成を説明する図およびその等価回路図である。
【図１５】図１４の一変形例による弾性表面波フィルタの等価回路図である。
【図１６】本発明の第２実施例による弾性表面波フィルタの構成を示す図である。
【図１７】本発明の第３実施例による弾性表面波共振器の構成を示す図である。
【図１８】本発明第４実施例による１ポート弾性表面波共振器の構成を示す図である。
【図１９】本発明第５実施例による２ポート弾性表面波共振器の構成を示す図である。
【図２０】従来の弾性表面波装置の通過帯域特性の例を示す図である。
【符号の説明】
１０，３０，４０，５０，６０弾性表面波素子
１１圧電基板
３１，４１，５１，６１入力端子
３２，４２，５２，６２出力端子
Ｒ１，Ｒ１ ’，Ｒ２，Ｒ２ ’櫛形電極
Ｒｅ反射器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention generally relates to a surface acoustic wave device, and more particularly to a surface acoustic wave device having excellent pass band characteristics in a high frequency band including a GHz band.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A surface acoustic wave device is widely used as a filter or a resonator in a high-frequency circuit of a wireless communication device that operates in a very small and lightweight and very high frequency band, such as a mobile phone. Such a surface acoustic wave device is generally formed on a piezoelectric single crystal or polycrystalline substrate. However, the surface acoustic wave device has a large electromechanical coupling coefficient k2, and therefore has a high surface wave excitation efficiency and a small surface wave propagation loss in a high frequency band. As a material, in particular, a 64 ° YX LiNbO3 substrate (K. Yamaouti and K. Shibayama, J. Appl. Phys. Vol. 43) in which the propagation direction of a surface wave is an X direction in a 64 ° rotation Y-cut plate of LiNbO3 single crystal. No. 3, March 1972, pp. 856) or a 36 ° YX LiTaO3 substrate in which the propagation direction of a surface wave is the X direction in a 36 ° rotated Y-cut plate of LiTaO3 single crystal.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, these cut angles are optimal when the additional mass effect of the electrodes formed on the piezoelectric crystal substrate can be neglected, and the wavelength of the surface acoustic wave excited in a low frequency band of several hundred MHz or less. However, in the operation near the GHz band required by recent mobile phones and the like, the thickness of the electrode cannot be ignored with respect to the wavelength of the elastic wave to be excited. Not be. In the operation in such a high-frequency band, the effect of the additional mass of the electrode appears remarkably.
In such an operation in a very short wavelength range, the passband of the surface acoustic wave filter or the surface acoustic wave is increased by increasing the thickness of the electrode on the piezoelectric substrate and increasing the apparent electromechanical coupling coefficient. Although it is possible to reduce the capacitance ratio γ of the resonator, such a configuration causes a problem that the bulk wave radiated from the electrode toward the inside of the substrate increases and the propagation loss of the surface wave increases. . Such a bulk wave is called an SSBW (surface skimming bulk wave), and a surface wave accompanied by the SSBW is called an LSAW (leaky surface acoustic wave). The propagation loss of LSAW in a surface acoustic wave filter using a thick electrode film has been analyzed by 36. YX LiTaO3 and 64 ° YX LiNbO3 substrates by Pressky et al. Or Edmonson et al. (VS. Plessky and CS Hartmann, Proc.1993 IEEE Ultrasonics Symp., Pp.1239-1242; PJ Edmonson and C.K.
[0004]
By the way, in the conventional surface acoustic wave filter using LSAW, such as the conventional 36 ° YX LiTaO3 or 64 ° YX LiNbO3, when the electrode film thickness is small, the sound velocity value of the surface wave and the bulk wave The sound velocity value approaches, and as a result, a spurious peak due to a bulk wave appears in the pass band of the filter (M. Ueda et al., Proc. 1994 IEEE Ultrasonic Symp., Pp. 143-146).
[0005]
FIG. 20 shows spurious peaks A and B due to a bulk wave appearing near the filter pass band in the surface wave filter according to Ueda et al. The filter is formed on a 36 ° YX LiTaO 3 substrate, and has a comb-shaped electrode made of an Al—Cu alloy having a thickness of 0.49 μm corresponding to 3% of the excitation wavelength.
[0006]
Referring to FIG. 20, spurious peak B occurs outside the pass band formed near 330 MHz, while spurious peak A occurs within the pass band, and as a result, ripple occurs in the pass band characteristic. I understand.
[0007]
In the surface acoustic wave filter, the sound speed of the surface wave depends on the additional mass of the electrode, that is, the film thickness, whereas the sound speed of the SSBW does not depend on the film thickness of the electrode. The thickness of the electrode increases with respect to the excitation surface wave wavelength, and the speed of sound of the surface wave decreases relative to the bulk wave. As a result, the pass band of the filter shifts with respect to the spurious peak, and the pass band characteristics are flattened. However, when the film thickness of the electrode is increased with respect to the surface wave wavelength, the loss of the LSAW due to bulk radiation increases as described above.
[0008]
In particular, in a surface acoustic wave filter operating in a very high frequency band such as the GHz band, it is necessary to secure a certain thickness of the electrode in order to reduce the resistance of the comb-shaped electrode. The problems of increased loss and degraded squareness are inevitable.
[0009]
Accordingly, it is a general object of the present invention to provide a new and useful surface acoustic wave device that solves such a conventional problem.
[0010]
A more specific object of the present invention is to have a piezoelectric single crystal substrate cut out at a cut angle optimized for the film thickness of an electrode, and set a pass band while avoiding spurious components caused by bulk waves. To provide an improved surface acoustic wave device.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the above problems,
As described in claim 1,
In a surface acoustic wave device used for a piezoelectric substrate and a surface acoustic wave device having a pass band composed of an electrode pattern mainly composed of Au formed on the surface of the piezoelectric substrate and having a band of 800 MHz to GHz .
The electrode pattern forms a resonator, excites LSAW on the surface of the piezoelectric substrate, the electrode pattern has a thickness in the range of 0.004 to 0.021 of the wavelength of the excited LSAW,
The elastic surface is characterized in that the piezoelectric substrate has an orientation obtained by rotating the LiTaO ₃ single crystal at an angle of more than 39 ° and not more than 46 ° from the Y axis in the Z axis direction about the X axis. By a wave device or as described in claim 2,
In a surface acoustic wave device used for a piezoelectric substrate and a surface acoustic wave device having a pass band composed of an electrode pattern mainly composed of Cu formed on the surface of the piezoelectric substrate and having a frequency band of 800 MHz to GHz ,
The electrode pattern forms a resonator, excites LSAW on the surface of the piezoelectric substrate, the electrode pattern has a thickness in the range of 0.009 to 0.045 of the wavelength of the excited LSAW,
The elastic surface is characterized in that the piezoelectric substrate has an orientation obtained by rotating the LiTaO ₃ single crystal at an angle of more than 39 ° and not more than 46 ° from the Y axis in the Z axis direction about the X axis. The wave device solves this.
[0012]
Hereinafter, the operation of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0013]
FIG. 1 is a diagram illustrating a cut-out angle of a piezoelectric crystal substrate.
[0014]
FIG. 1 shows a state in which a piezoelectric single crystal having crystal axes X, Y, and Z, such as LiTaO 3, is cut out around the crystal axis X at an angle inclined by a rotation angle θ from the Y axis to the Z axis. . Such a piezoelectric crystal substrate is referred to as a θ-rotated YX substrate.
[0015]
FIG. 2 shows the insertion loss of a resonator formed on a θ-rotated YX substrate of LiTaO3 single crystal at various cut angles or rotation angles θ.
[0016]
As described above, when a surface acoustic wave device is conventionally formed on a LiTaO3 substrate, a 36 ° YX substrate is used, and when a surface acoustic wave device is formed on a LiNbO3 substrate, 64 ° YX is used. Substrates are commonly used because the propagation loss for relatively long wavelength surface waves where the added mass effect of the electrodes formed on the substrate surface is negligible is minimized at these rotation angles. . See, for example, Nakamura et al., IEICE Technical Report, US 77-42.
[0017]
In FIG. 2, a curve shown by a black circle is a calculation result of the LSAW propagation loss when a virtual electrode having a zero film thickness is uniformly formed on the surface of a 36 ° YX substrate of LiTaO 3. It can be seen that the propagation loss is minimized when θ is 36 °. However, in this calculation, the crystal constant reported by Kovacs et al. Was used (G. Kovacs, et al., Proc. 1990 IEEE Ultrasonic Symp. Pp. 435-438).
[0018]
However, in the short wavelength region such as the GHz band, as described above, the thickness of the electrode cannot be ignored with respect to the wavelength of the surface wave to be excited, and the effect of the additional mass of the electrode appears remarkably. According to the inventor of the present invention, due to the effect of the added mass, the propagation loss characteristic in FIG. 2 changes in the direction of the arrow, and as shown by a white circle in FIG. I found that it shifted to the side. In FIG. 2, the curve shown by a white circle shows a case where an Al electrode is uniformly formed on the piezoelectric substrate and the thickness of the electrode is 10% of the wavelength of the excitation surface wave.
[0019]
FIG. 3 shows the relationship between the propagation loss and the rotation angle θ when a grating electrode made of Al is formed on a LiTaO3 substrate. However, in FIG. 3, the broken line shows the case where the electrode film thickness is zero, and the solid line shows the case where the electrode film thickness is 10% of the excitation surface wave wavelength. Obviously, as a result of forming a grating having a finite thickness with respect to the wavelength of the excitation surface wave on the substrate, the rotation angle at which the propagation loss is minimized is shifted to a higher angle side.
[0020]
That is, by setting the rotation angle θ of the LiTaO3 single crystal substrate to be higher than the conventional angle of 36 °, a surface acoustic wave device having a low Q and a high Q in a GHz band can be formed. In addition, due to the additional mass effect of the electrode at such a high frequency, the position of the pass band of the filter illustrated in FIG. In the surface acoustic wave device formed on the LiTaO3 substrate, the spurious peaks A and B can be out of the pass band of the filter. As described above, the spurious peaks A and B are caused by bulk waves and are not affected by the additional mass of the electrode.
[0021]
Further, in the present invention, the squareness ratio of the passband characteristic also changes depending on the rotation angle θ, and particularly in the GHz band, the LiTaO3 substrate cut out at an angle higher than the conventionally used rotation angle θ has excellent passband width and excellent passband width. It has been found to give a squareness ratio.
4 and 5 show the temperature characteristics of the frequency and the minimum insertion loss of the surface acoustic wave filter formed on the LiTaO3 substrate, respectively. However, a surface acoustic wave filter having a configuration shown in FIG. 7 to be described later is used, and an electrode film thickness on a LiTaO 3 substrate having various rotation angles θ is set to 10% of the wavelength of the surface acoustic wave to be excited. Formed.
[0022]
As can be seen from FIG. 4, the filter exhibits substantially the same temperature characteristics when the rotation angle of the substrate, that is, the cut angle θ is 36 ° Y, 40 ° Y, 42 ° Y, and 44 ° Y. The various changes in the center frequency are considered to be due to the difference in the sound speed in the substrate and the variation in the sample preparation conditions.
[0023]
Further, as can be seen from FIG. 5, when the rotation angle θ of the LiTaO 3 substrate is set in the range of 40 ° Y to 44 ° Y, at least in the normal temperature range, that is, in the range of −35 ° C. to 85 ° C. The loss is reduced as compared with the case where the angle θ is set to 36 ° Y in the related art. In particular, when the rotation angle θ is set in the range of 40 ° Y to 42 ° Y, it can be seen that the fluctuation width of the minimum insertion loss also decreases.
[0024]
FIG. 6 shows the insertion loss of a resonator formed on a θ-rotated YX substrate of LiNbO 3 single crystal at various cut angles or rotation angles θ.
[0025]
In FIG. 6, a curve shown by a broken line is a calculation result of the LSAW propagation loss when a virtual electrode having a zero film thickness is uniformly formed on the surface of a 64 ° YX substrate of LiNbO 3. It can be seen that the propagation loss is minimized when θ is 64 °. However, in this calculation, the crystal constant reported by Warner et al. Was used (J. Acoustic. Soc. Amer., 42, 1967, pp. 1223-1231).
[0026]
However, in the short wavelength region such as the GHz band, as described above, the thickness of the electrode cannot be ignored with respect to the wavelength of the surface wave to be excited, and the effect of the additional mass of the electrode appears remarkably. According to the inventor of the present invention, due to the effect of the additional mass, the propagation loss characteristic in FIG. 6 changes in the direction of the arrow, and as shown by the solid line in FIGS. We found that it shifted to the high angle side. However, the curve shown by the solid line in FIG. 2 shows the case where the thickness of the electrode is 3% of the wavelength of the excitation surface wave.
[0027]
That is, by setting the rotation angle θ of the LiNbO 3 single crystal substrate to a higher angle than the conventional 64 °, a surface acoustic wave device having a low Q in the GHz band and a high Q can be formed.
[0028]
When an electrode is formed of Au on a LiTaO3 substrate, the thickness of the electrode is in the range of 0.4 to 2.1% of the wavelength, and when the electrode is formed of Au on a LiNbO3 substrate, the thickness of the electrode is reduced. The thickness is preferably set in the range of 0.5 to 1.7% of the wavelength. Further, when an electrode is formed of Cu on a LiTaO3 substrate, the wavelength is set in the range of 0.9% to 4.5%, and when an electrode is formed of Cu on a LiNbO3 substrate, the wavelength is set. Is preferably set in the range of 1.2 to 3.6% of the above.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments.
[0030]
FIG. 7A is a plan view showing the configuration of the ladder type surface acoustic wave filter according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 7B is an equivalent circuit diagram thereof.
[0031]
Referring to FIG. 7A, the surface acoustic wave filter is formed on a rotating Y plate of LiTaO3 or LiNbO3 single crystal, and a first comb-shaped electrode R1 whose input side electrode is connected to the input terminal IN; An electrode is connected to the output side electrode of the comb-shaped electrode R1, the output side electrode is connected to a second comb-shaped electrode R1 ′ connected to the output terminal OUT, and the input side electrode is connected to the input side electrode of the comb-shaped electrode R1; A third comb-shaped electrode R2 whose output side electrode is grounded, a fourth comb-shaped electrode R2 'whose input side electrode is connected to the output side electrode of the comb-shaped electrode R1 and whose output side electrode is grounded, and an input side electrode A fourth comb-shaped electrode R2 "connected to the output-side electrode of the comb-shaped electrode R1 'and having the output-side electrode grounded.
[0032]
In each of the comb-shaped electrodes R1, R1 ', R2, R2', R2 ", the input side electrode i is parallel to the first direction intersecting the path of the surface acoustic wave propagating in the X-axis direction as usual. The output electrode o also includes, as usual, a second group of electrode fingers extending parallel to a second direction opposite to the first direction. The electrode fingers of the first group and the electrode fingers of the second group are alternately arranged, and each of the comb-shaped electrodes R1, R1 ', R2, R2', R2 "has an X-axis direction. A reflector Re having a configuration in which a plurality of parallel electrode fingers are short-circuited at both ends is formed on both sides of the reflector Re. In this embodiment, the comb-shaped electrodes R1, R1 ', R2, R2', R2 "are formed of an Al-1% Cu alloy and have a thickness of about 0.4 [mu] m corresponding to 10% of the pass band wavelength of the filter. Have been.
[0033]
FIG. 7B shows an equivalent circuit diagram of the filter of FIG.
[0034]
Referring to FIG. 7B, the comb electrodes R1 and R1 'are connected in series, and further, the comb electrodes R2, R2' and R2 "are connected in parallel.
[0035]
FIG. 8 shows the minimum insertion loss experimentally obtained for the surface acoustic wave filters of FIGS. 7A and 7B for various cut angles θ of the LiTaO 3 single crystal substrate 11. The minimum insertion loss includes the effects of both the propagation loss of the surface wave and the matching loss of the filter, but the cut angle θ of the substrate does not substantially contribute to the matching loss.
[0036]
Referring to FIG. 8, it can be seen that the minimum insertion loss decreases as the cut angle of the substrate increases, and becomes minimum at a cut angle around 42 °. When the cut angle exceeds 42 °, the minimum insertion loss increases again. Therefore, from the viewpoint of filter insertion loss, by setting the cut angle of the LiTaO3 substrate 11 in the range of 38 ° to 46 °, the minimum insertion loss of the filter can be suppressed to within 1.6 dB.
[0037]
In the present invention, it has been found that the cut angle of the LiTaO3 single crystal substrate also affects the squareness ratio of the surface acoustic wave filter.
[0038]
FIG. 9A shows the definition of the squareness ratio.
[0039]
Referring to FIG. 9A, the squareness ratio is determined by using a bandwidth BW2 that provides 1.5 dB of attenuation and a bandwidth BW1 that provides 20 dB of attenuation with respect to the minimum insertion loss of the passband, and BW1 / BW2. Given by The larger the squareness ratio, the broader the filter, the lower the selectivity, and the narrower the passband at the same time. That is, it is desirable to design the surface acoustic wave filter so that the squareness ratio approaches 1 as much as possible.
[0040]
FIG. 9B shows the squareness ratio experimentally obtained for the surface acoustic wave filters of FIGS. 7A and 7B as a function of the cut angle θ of the piezoelectric substrate 11.
[0041]
As can be seen from FIG. 9B, the squareness ratio approaches 1 as the cut angle θ increases, and reaches a minimum value of 1.47 at a cut angle of θ = 42 °. On the other hand, when the cut angle increases beyond 42 °, the squareness ratio also increases, and the selectivity of the filter deteriorates. In the surface acoustic wave filter according to the present invention, the minimum insertion loss is desirably 1.6 dB or less, and the squareness ratio is desirably 1.55 or less. Therefore, from FIG. 9B, the cut angle θ of the LiTaO 3 substrate is 39. It can be seen that a range of -46 °, particularly a range of 40-44 ° is preferable. In particular, by setting the cut angle θ to 42 °, the minimum insertion loss can be minimized, and the squareness ratio can also be minimized.
[0042]
FIG. 10 shows experimentally obtained pass band characteristics of the surface acoustic wave filters of FIGS. 7A and 7B. In FIG. 10, the solid line shows the case where a 42 ° YX substrate of LiTaO 3 is used as the substrate 11, and the dashed line shows the case where the same 36 ° YX substrate of LiTaO 3 is used as the substrate 11.
[0043]
Referring to FIG. 10, the passband characteristic has a center frequency at 880 MHz and is characterized by a flat passband of about 40 MHz. Outside of the passband, the attenuation increases sharply, but the filter using the 42 ° YX board has steeper characteristics than the conventional 36 ° YX board, and therefore a better squareness ratio. It can be seen that In FIG. 10, spurious peaks A and B due to SSBW are observed outside the pass band of the filter.
[0044]
FIG. 11 shows the result of calculating the electromechanical coupling coefficient k2 for various cut angles θ when an electrode having a thickness of 7% with respect to the wavelength of the surface acoustic wave is formed on the surface of the Y-rotation X-plate substrate of LiTaO 3. . The calculations used the crystal constants reported by Kovacs et al. (Supra).
[0045]
Referring to FIG. 11, it can be seen that the electromechanical coupling coefficient k2 tends to decrease as the cut angle increases. As is well known, the electromechanical coupling coefficient k2 is a quantity indicating the ratio of energy stored in the piezoelectric crystal due to the piezoelectric effect. If this value is small, the pass band width decreases or ripple occurs in the pass band. Problems occur. FIG. 11 shows that the cut angle θ is preferably set to 46 ° or less.
[0046]
FIG. 12 shows a case where the thickness of the comb-shaped electrode formed on the Y rotation-X propagation substrate 11 of LiTaO3 formed at various cut angles in the filters of FIGS. The result of calculating the propagation loss is shown. In the calculation of FIG. 12, Kovacs et al. Crystal constants were used as in the previous calculation.
[0047]
As can be seen from FIG. 12, when the cut angle is less than 38 °, the loss increases monotonically exponentially with the increase in the electrode thickness, but when the cut angle exceeds 40 °, the loss decreases with the electrode thickness. At first, it can be seen that a minimum point appears on the characteristic curve. After the minimum, the losses begin to increase again. In particular, when the cut angle of the substrate 11 is set in the range of 40 ° to 46 °, which is the preferable angle described above, such a minimum point appears when the thickness of the electrode with respect to the wavelength is 3% or more. I do. In other words, in the filter of the present embodiment, it is preferable that the electrodes are formed so that the thickness normalized by the wavelength is 3% or more. On the other hand, if the thickness of the electrode is too large, it becomes difficult to pattern the electrode by etching, and the speed of sound in the substrate changes more sensitively to the film thickness of the electrode. It is preferable that the thickness be within 15%. FIG. 12 shows that in the case of an electrode using Al or an Al-1% Cu alloy, when the thickness of the electrode exceeds 15% of the wavelength, the propagation loss sharply increases at any cut angle. This shows that the emission of bulk waves from the electrodes becomes dominant. In particular, when the cut angle is in the range of 39 to 46 °, the electrode thickness is in the range of 0.07 to 0.15, and when the cut angle is in the range of 40 to 44 °, the electrode thickness is in the range of 0.05 to 0. It is preferably in the range of .10.
[0048]
FIG. 13 shows the thickness of the comb-shaped electrodes formed on the substrate 11 using the LiNbO3 Y rotation-X plates formed at various cut angles as the substrate 11 in the filters of FIGS. Shows the result of calculation of the propagation loss when is changed with respect to the wavelength of the excitation surface acoustic wave. In the calculation of FIG. 13, however, the above Warner et al. Crystal constant is used.
[0049]
As can be seen from FIG. 13, the propagation loss takes a minimum value once with the increase in the electrode film thickness, and then increases exponentially. It can be seen that the propagation loss is minimized when the thickness is less than 3.5%. However, in this case, when the electrode film thickness further increases and exceeds 4% of the wavelength of the pumped surface acoustic wave, the propagation loss sharply increases. On the other hand, when the cut angle of the substrate is set to 66 ° or more, the propagation loss becomes minimal when the electrode film thickness is 4% or more of the excited surface acoustic wave, that is, under the condition that the additional mass effect of the electrode becomes remarkable. In other words, under conditions where the electrode thickness is not negligible with respect to the wavelength of the excited surface acoustic wave such that the electrode thickness normalized by wavelength is 4% or more, the cut angle of the LiNbO3 substrate is set to 66 ° or more. It is desirable to do. On the other hand, if the thickness of the electrode is too large, it becomes difficult to pattern the electrode by etching, and the speed of sound in the substrate changes more sensitively to the film thickness of the electrode. It is preferable that the thickness be within 12%. Accordingly, the cut angle of the LiNbO3 substrate is preferably set in a range from 66 ° to 74 °.
[0050]
In each of the above embodiments, the electrode composition was Al-1% Cu, but the same relationship is established even with pure Al. When the electrode is formed on the LiTaO3 substrate with another electrode material, for example, Au, the thickness of the electrode ranges from 0.4 to 2.1% of the wavelength, and the electrode is formed on the LiNbO3 substrate with Au. When formed, the thickness of the electrode is preferably set in the range of 0.5 to 1.7% of the wavelength. Further, when an electrode is formed of Cu on a LiTaO3 substrate, the wavelength is set in the range of 0.9% to 4.5%, and when an electrode is formed of Cu on a LiNbO3 substrate, the wavelength is set. Is preferably set in the range of 1.2 to 3.6% of the above.
[0051]
FIG. 14A shows a modification of the surface acoustic wave filter of FIG. 7A, and FIG. 14B shows an equivalent circuit diagram thereof. However, in FIGS. 14A and 14B, the same reference numerals are given to the previously described portions, and description thereof will be omitted.
[0052]
Referring to FIG. 14A, the surface acoustic wave filter is formed on a rotating Y-plate of LiTaO3 or LiNbO3 single crystal and the input side electrode is connected to the input terminal IN, as in the embodiment of FIG. 7A. A first comb-shaped electrode R1 connected to the first comb-shaped electrode R1, an input-side electrode connected to an output-side electrode of the comb-shaped electrode R1, and an output-side electrode connected to an output terminal OUT; The side electrode is connected to the output electrode of the comb electrode R1, the output electrode is connected to the grounded third comb electrode R2 ′, and the input electrode is connected to the output electrode of the comb electrode R1 ′. And a fourth comb-shaped electrode R2 which is grounded.
[0053]
Referring to FIG. 14B, the comb-shaped electrodes R1 and R1 'are connected in series, and further, the comb-shaped electrodes R2 and R2' are connected in parallel. However, the comb-shaped electrodes R1, R1 ', R2, R2' each form a vibrator, and the comb-shaped electrode R1 'has a capacitance about 1/2 of that of R1. On the other hand, the comb-shaped electrode R2 'has approximately twice the capacity of the comb-shaped electrode R2.
[0054]
Even in the surface acoustic wave filter having such a configuration, when LiTaO3 is used for the substrate, the rotation angle θ should be set to 38 ° or more and 46 ° or less, more preferably 40 ° or more and 46 ° or less, and most preferably about 42 °. When LiNbO3 is used for the substrate, by setting the rotation angle θ to 66 ° or more and 74 ° or less, and more preferably to about 68 °, the frequency band in which the additional mass effect of the electrodes on the substrate becomes remarkable , It is possible to minimize the propagation loss.
[0055]
By the way, this embodiment is not limited to the ladder type surface acoustic wave filter described above, but can be applied to other types of surface acoustic wave filters, resonators or propagation delay lines. For example, the lattice filter shown in FIG. 15 can be formed by modifying the filters of FIGS. 14A and 14B.
[0056]
FIG. 16 shows a configuration of a surface acoustic wave filter 30 according to a second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 16, the surface acoustic wave filter 30 is formed on the above-described substrate made of the Y-rotation XLiTaO3 plate having a cut angle of 38 to 46 degrees or the Y-rotation XLiNbO3 plate having a cut angle of 66 to 74 degrees. When a LiTaO3 substrate is used, a comb electrode having a thickness in the range of 3 to 15% of the wavelength is formed. When a LiNbO3 substrate is used, the thickness of the comb-shaped electrode is in the range of 4 to 12% of the wavelength. Also in this embodiment, LSAW is excited as a surface wave, and the excited surface wave propagates in the X-axis direction.
[0057]
The surface acoustic wave filter 30 has a configuration in which a pair of comb-shaped electrodes Rin and Rout are disposed adjacent to each other, and a pair of reflectors Re is disposed outside the pair. Also in such a configuration, by optimizing the cut angle of the substrate and the film thickness of the electrode as in the apparatus of FIGS. 7A and 7B, the loss is minimized and the wide passband characteristic with improved squareness ratio is obtained. Is obtained.
[0058]
FIG. 17 shows a configuration of a surface acoustic wave resonator 40 according to a third embodiment of the present invention.
[0059]
Referring to FIG. 17, the surface acoustic wave resonator 40 is formed on the substrate 11 made of the Y-rotation XLiTaO3 plate having a cut angle of 38 to 46 degrees or the Y-rotation XLiNbO3 plate having a cut angle of 66 to 74 degrees. When a LiTaO3 substrate is used, a comb-shaped electrode having a thickness in the range of 3 to 15% of the wavelength is formed. On the other hand, when a LiNbO3 substrate is used, a comb-shaped electrode having a thickness in the range of 4 to 12% of the wavelength is formed. Also in this embodiment, LSAW is excited as a surface wave, and the excited surface wave propagates in the X-axis direction.
[0060]
The surface acoustic wave filter 40 has a comb-shaped electrode Rout and comb-shaped electrodes Rin provided on both sides thereof, and furthermore, a pair of reflectors Re is provided outside the comb-shaped electrode Rout. At that time, the comb-shaped electrode Rin is connected to the input terminal 41, while the comb-shaped electrode Rout is connected to the output terminal 42.
[0061]
By optimizing the cut angle of the substrate and the film thickness of the electrode in the same manner as in the devices shown in FIGS. 7A and 7B, a resonator having a minimum loss and a high Q factor can be obtained.
[0062]
FIG. 18 shows a configuration of a one-port surface acoustic wave resonator 50 according to a fourth embodiment of the present invention.
[0063]
Referring to FIG. 18, the surface acoustic wave resonator 50 is formed on the substrate 11 made of the Y-rotation XLiTaO3 plate having a cut angle of 38 to 46 degrees or the Y-rotation XLiNbO3 plate having a cut angle of 66 to 74 degrees. When LiTaO3 is used for the substrate, a comb-shaped electrode having a thickness in the range of 3 to 15% of the wavelength is formed on the substrate 11. On the other hand, when a LiNbO3 substrate is used, a comb-shaped electrode having a thickness in the range of 4 to 12% of the wavelength is formed on the substrate 11. Also in this embodiment, LSAW is excited as a surface wave, and the excited surface wave propagates in the X-axis direction.
[0064]
The surface acoustic wave resonator 50 includes a single comb-shaped electrode R formed on the substrate, and a pair of reflectors Re provided on both sides of the comb-shaped electrode R. Is connected to the first terminal 51, and the other electrode is connected to the second terminal 52.
[0065]
By optimizing the cut angle of the substrate and the film thickness of the electrode in the same manner as in the devices shown in FIGS. 7A and 7B, a resonator having a minimum loss and a high Q factor can be obtained.
[0066]
FIG. 19 shows a configuration of a two-port surface acoustic wave resonator 60 according to a fifth embodiment of the present invention.
[0067]
Referring to FIG. 19, the surface acoustic wave resonator 60 is formed on the substrate 11 made of the Y-rotation XLiTaO3 plate having a cut angle of 38 to 46 degrees or the Y-rotation XLiNbO3 plate having a cut angle of 66 to 74 degrees. When LiTaO3 is used for the substrate, a comb-shaped electrode having a thickness in the range of 3 to 15% of the wavelength is formed on the substrate 11. On the other hand, when a LiNbO3 substrate is used, a comb-shaped electrode having a thickness in the range of 4 to 12% of the wavelength is formed on the substrate 11. Also in this embodiment, LSAW is excited as a surface wave, and the excited surface wave propagates in the X-axis direction. The surface acoustic wave resonator 60 has a pair of comb-shaped electrodes R1 and R2 connected to an input terminal 61 and an output terminal 62, respectively, and further has a pair of reflectors Re provided outside thereof. The resonator 60 has a voltage between a first terminal 61 connected to the first electrode finger group of the comb-shaped electrode R1 and a second terminal 62 connected to the first electrode finger group of the comb-shaped electrode R2. Is driven by applying. The second electrode finger group of the comb-shaped electrode R1 and the second electrode finger group of the comb-shaped electrode R2 are grounded.
[0068]
By optimizing the cut angle of the substrate and the film thickness of the electrode in the same manner as in the devices shown in FIGS. 7A and 7B, a resonator having a minimum loss and a high Q factor can be obtained.
[0069]
Further, the surface acoustic wave device of the present invention is not limited to the surface acoustic wave filter and the surface acoustic wave resonator described above, but is also useful for a surface acoustic wave delay line or a waveguide having a similar configuration. .
[0070]
【The invention's effect】
According to the features of the present invention, the cut angle of the LiNbO3 substrate or the LiNbO3 substrate is changed to a higher angle side than before, and the electrode film thickness is optimized for the wavelength of the LSAW to be excited. Accordingly, even when Au or Cu is used as the electrode material, the loss of the surface acoustic wave device can be minimized, the bandwidth can be improved, and the squareness ratio can be further improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a cutting angle of a piezoelectric single crystal substrate.
FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of the present invention.
FIG. 3 is another diagram illustrating the principle of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing the temperature dependence of the formed surface acoustic wave filter, particularly the temperature dependence of the center frequency, for LiTaO3 substrates having various cut angles.
FIG. 5 is a diagram showing the temperature dependence of the formed surface acoustic wave filter, particularly the temperature dependence of the minimum insertion loss, for LiTaO3 substrates having various cut angles.
FIG. 6 is a diagram showing the propagation loss of a surface acoustic wave filter formed on a LiNbO3 substrate as a function of the cut angle of the substrate.
FIGS. 7A and 7B are a diagram illustrating a configuration of a surface acoustic wave filter according to a first embodiment of the present invention and an equivalent circuit diagram thereof, respectively.
8 is a diagram illustrating a relationship between a minimum insertion loss of the surface acoustic wave filter of FIG. 7 and a cut angle of a piezoelectric substrate forming the filter.
9A is a diagram illustrating a definition of a squareness ratio in a filter pass band characteristic, and FIG. 9B is a diagram illustrating a relationship between a squareness ratio and a substrate cut angle.
FIG. 10 is a diagram for explaining pass band characteristics of the filters shown in FIGS. 7A and 7B.
FIG. 11 is a diagram illustrating a relationship between a substrate cut angle and an electromechanical coupling coefficient when a LiTaO3 substrate is used in the filters illustrated in FIGS. 7A and 7B.
FIG. 12 is a diagram showing the effect of electrode thickness on propagation loss when using a LiTaO3 substrate in the filters shown in FIGS. 7A and 7B for various substrate cut angles.
FIG. 13 is a diagram showing the effect of the electrode film thickness on the propagation loss when using a LiNbO3 substrate in the filters shown in FIGS. 7A and 7B for various substrate cut angles.
FIGS. 14A and 14B are a diagram illustrating a configuration of a surface acoustic wave filter according to a modification of the first embodiment of the present invention, and an equivalent circuit diagram thereof.
FIG. 15 is an equivalent circuit diagram of a surface acoustic wave filter according to a modification of FIG.
FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration of a surface acoustic wave filter according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a diagram showing a configuration of a surface acoustic wave resonator according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a diagram showing a configuration of a one-port surface acoustic wave resonator according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a diagram showing a configuration of a two-port surface acoustic wave resonator according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a diagram illustrating an example of pass band characteristics of a conventional surface acoustic wave device.
[Explanation of symbols]
10, 30, 40, 50, 60 Surface acoustic wave element 11 Piezoelectric substrates 31, 41, 51, 61 Input terminals 32, 42, 52, 62 Output terminals R1, R1 ', R2, R2' Comb-shaped electrode Re reflector

Claims

In a surface acoustic wave device used for a piezoelectric substrate and a surface acoustic wave device having a pass band composed of an electrode pattern mainly composed of Au formed on the surface of the piezoelectric substrate and having a band of 800 MHz to GHz .
The electrode pattern constitutes a resonator, excites LSAW on the surface of the piezoelectric substrate, the electrode pattern has a thickness in the range of 0.004 to 0.021 of the wavelength of the excited LSAW,
The elastic surface is characterized in that the piezoelectric substrate has an orientation obtained by rotating the LiTaO ₃ single crystal at an angle of more than 39 ° and not more than 46 ° from the Y axis in the Z axis direction about the X axis. Wave device.

In a surface acoustic wave device used for a piezoelectric substrate and a surface acoustic wave device having a pass band composed of an electrode pattern mainly composed of Cu formed on the surface of the piezoelectric substrate and having a frequency band of 800 MHz to GHz ,
The electrode pattern constitutes a resonator, excites LSAW on the surface of the piezoelectric substrate, the electrode pattern has a thickness in the range of 0.009 to 0.045 of the wavelength of the excited LSAW,
The elastic surface is characterized in that the piezoelectric substrate has an orientation obtained by rotating the LiTaO ₃ single crystal at an angle of more than 39 ° and not more than 46 ° from the Y axis in the Z axis direction about the X axis. Wave device.