JP3889351B2 - デュプレクサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜圧電共振子を含む圧電共振フィルタおよびこの圧電共振フィルタを含むデュプレクサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年飛躍的に普及してきた携帯電話等の移動体通信機器では、年々、小型化、および使用周波数の高周波化が進められている。そのため、移動体通信機器に使用される電子部品にも、小型化、および対応可能な周波数の高周波化が要望されている。
【０００３】
移動体通信機器には、１つのアンテナを送信と受信とに共用させるために送信信号の経路と受信信号の経路とを切り替えるデュプレクサを備えているものがある。このデュプレクサは、送信信号を通過させ、受信信号を遮断する送信用フィルタと、受信信号を通過させ、送信信号を遮断する受信用フィルタとを備えている。
【０００４】
近年、上記デュプレクサにおけるフィルタには、弾性表面波フィルタが用いられることがある。弾性表面波フィルタは、数ＧＨｚまでの周波数に対応でき、また、セラミックフィルタに比べて小型化が可能であるという特徴を有する。しかし、今後、移動体通信機器の使用周波数がさらに高周波となった場合、弾性表面波フィルタがそのような周波数に対応するには、現状では技術的課題が多い。
【０００５】
そこで、最近、薄膜バルクアコースティック共振子（Thin Film Bulk Acoustic Resonator）とも呼ばれる薄膜圧電共振子が注目されている（特許文献１−８および非特許文献１参照。）。この薄膜圧電共振子は、圧電薄膜の厚み方向の共振を利用した共振子である。薄膜圧電共振子では、圧電薄膜の厚みを変えることにより共振周波数を変えることができる。また、薄膜圧電共振子は、数ＧＨｚの周波数まで対応することが可能であると考えられる。なお、本出願において、「共振周波数」は、特に反共振周波数と対比させて使用する場合を除き、反共振周波数も含むものとする。
【０００６】
薄膜圧電共振子は、圧電薄膜と、この圧電薄膜の両面に配置された２つの電極と、これらを支持する基体とを備えている。基体には、圧電薄膜および２つの電極が配置された面とは反対側の面において開口する空洞が設けられている場合がある（特許文献１，２参照。）。あるいは、一方の電極と基体との間に空隙が設けられている場合もある（特許文献３参照。）。あるいは、上記空洞や空隙が設けられず、基体の上に音響多層膜を介して圧電薄膜および２つの電極が配置されている場合もある（非特許文献１参照。）。
【０００７】
共振子を用いたフィルタとしては、例えばラダー型フィルタがある。このラダー型フィルタは、基本構成として直列共振子と並列共振子とを含む。ラダー型フィルタは、必要に応じて、複数の基本構成部分が縦続接続されて構成される。
【０００８】
ところで、通常、薄膜圧電共振子では、何ら対策を講じない場合には、その共振周波数が温度の変化に応じて変化する。以下、この性質を共振周波数の温度特性と言う。この共振周波数の温度特性が発現するのは、ＺｎＯ、ＣｄＳ、ＡｌＮ等の、圧電薄膜に用いられる代表的な圧電材料の弾性定数が温度によって変化するためである。
【０００９】
例えば、圧電薄膜の材料としてＺｎＯを用いた薄膜圧電共振子では、その共振周波数の温度係数は、約−６０ｐｐｍ／℃である。なお、共振周波数の温度係数とは、温度変化に対する共振周波数の変化率を言う。
【００１０】
従来、薄膜圧電共振子における共振周波数の温度係数を零に近づける方法としては、薄膜圧電共振子に、圧電薄膜の材料の弾性定数の温度係数とは正負の符号が異なる弾性定数の温度係数を有する材料よりなる薄膜（以下、温度補償膜と言う。）を付加する方法が知られていた（特許文献１，２，４参照。）。なお、弾性定数の温度係数とは、温度変化に対する弾性定数の変化率を言う。温度補償膜の材料としては、例えばＳｉＯ２が用いられる。
【００１１】
温度補償膜を薄膜圧電共振子に付加すると、温度補償膜の厚みに応じて薄膜圧電共振子の共振周波数の温度係数が変化する。そこで、最適な厚みの温度補償膜を薄膜圧電共振子に付加することによって、薄膜圧電共振子の共振周波数の温度係数を零に近づけることができる。
【００１２】
なお、特許文献５には、基板の上に下地電極、圧電薄膜、上部電極が順に形成された構造を有する薄膜圧電振動子において、上部電極の引出し電極と圧電薄膜との間に、ＳｉＯ２等の絶縁材料よりなる膜を設ける技術が記載されている。この技術の目的は、上部電極の引出し電極と基板との間の容量を小さくすることである。
【００１３】
また、特許文献６には、基板の上に下部電極、圧電薄膜、上部電極が順に形成された構造を有する圧電薄膜共振子において、基板上にＳｉＯ２等の誘電体材料よりなる誘電体層を設けると共に、その誘電体層の実効的厚みを場所によって異ならせる技術が記載されている。この技術の目的は、下部電極および上部電極と基板との間の容量を小さくすることである。
【００１４】
また、特許文献７には、複数の薄膜共振器を含む格子フィルタにおいて、一部の共振器の上に、その共振器に対して質量負荷を与える膜を設ける技術が記載されている。上記膜は、共振器の共振周波数を所定量だけ変化させるものである。特許文献７には、上記膜の材料の一例として酸化シリコンが挙げられている。
【００１５】
また、特許文献８には、ＳｉＯ２よりなる薄膜を含む圧電薄膜共振子において、直列共振と並列共振の少なくとも一方を示す周波数を測定し、測定された周波数と基準周波数との差異を最小限にするために、上記薄膜の厚みを変更する技術が記載されている。
【００１６】
【特許文献１】
特開昭５８−１３７３１７号公報
【特許文献２】
特開昭５８−１５３４１２号公報
【特許文献３】
特開昭６０−１８９３０７号公報（第２−３頁、第３図、第４図）
【特許文献４】
特開昭６０−６８７１１号公報（第２−３頁、第３図、第４図）
【特許文献５】
特開昭５９−１４１８１３号公報（第２−３頁、第３図、第４図）
【特許文献６】
特開昭６０−１７１８２２号公報（第２頁、第３図、第４図）
【特許文献７】
特開平９−６４６８３号公報（第４−５頁、図４−５）
【特許文献８】
特表２００１−５０２１３６号公報（第１５頁、図６ａ）
【非特許文献１】
キヨシ・ナカムラ（Kiyoshi Nakamura）、外１名、「シン・フィルム・レゾネーターズ・アンド・フィルターズ（Thin Film Resonators and Filters）」、インターナショナル・シンポジウム・オン・アコースティック・ウェイブ・デバイスィズ・フォー・フューチャー・モバイル・コミュニケーション・システムズ（International Symposium on Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems）、２００１年３月５−７日、論文集ｐ．９３−９９
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ラダー型フィルタは、通過帯域の両側に配置される低周波側の減衰極および高周波側の減衰極を示す周波数特性を有している。並列共振子の共振周波数は低周波側の減衰極が現れる周波数と一致し、直列共振子の反共振周波数は高周波側の減衰極が現れる周波数と一致する。従って、直列共振子および並列共振子として薄膜圧電共振子を用いたフィルタでは、温度の変化に応じて薄膜圧電共振子の共振周波数が変化すると、温度の変化に応じてフィルタの通過帯域が変化するという問題点がある。
【００１８】
また、デュプレクサにおいては、温度の変化に応じて送信用フィルタの通過帯域や受信用フィルタの通過帯域が変化すると、以下のような問題が発生する。なお、以下の説明では、送信信号の周波数帯域は、受信信号の周波数帯域よりも低周波側に存在するものとする。この場合には、特に、送信用フィルタにおける高周波側の減衰極が現れる周波数と、受信用フィルタにおける低周波側の減衰極が現れる周波数の変化が問題となる。それは、これらの周波数の変化は、送信信号と受信信号とを分離するデュプレクサの性能を低下させるためである。
【００１９】
そこで、フィルタに含まれる複数の薄膜圧電共振子に対して、それぞれ最適な厚みの温度補償膜を付加することによって、各薄膜圧電共振子の共振周波数の温度係数を零に近づけることが考えられる。
【００２０】
しかしながら、上記温度補償膜としてよく用いられるＳｉＯ２の薄膜は、非晶質であるため圧電性を有していない。そのため、ＳｉＯ２よりなる温度補償膜を薄膜圧電共振子に付加した場合、温度補償膜の厚みを大きくするほど、共振子全体の電気機械結合係数が低下する。その結果、薄膜圧電共振子を含むフィルタの通過帯域幅が減少する。
【００２１】
従来、複数の薄膜圧電共振子を含むフィルタにおいて、温度補償膜を薄膜圧電共振子に付加する場合には、例えば、フィルタ全体にわたって温度補償膜を設けていた。この場合には、温度補償膜を設けることによるフィルタの通過帯域幅の減少を抑制することはできない。
【００２２】
特許文献４に記載されているように、基板上において、薄膜圧電共振子が配置された領域を含む一部の領域にのみ温度補償膜を設ける場合もある。この場合であっても、フィルタ中の複数の薄膜圧電共振子の全てに対して、均一な厚みの温度補償膜が設けられる。従って、この場合にも、温度補償膜を設けることによるフィルタの通過帯域幅の減少を抑制することはできない。
【００２３】
特許文献５に記載された技術では、ＳｉＯ２等の絶縁材料よりなる膜は、薄膜圧電振動子における振動部位以外の領域に設けられる。そのため、この膜は、温度補償膜として機能しない。
【００２４】
特許文献６に記載された技術では、誘電体層の実効的厚みを場所によって異ならせている。ただし、薄膜圧電共振子が配置された領域に設けられる誘電体層の厚みは均一である。誘電体層の材料としてＳｉＯ２を用いると、薄膜圧電共振子が配置された領域に設けられる誘電体層は温度補償膜として機能し得る。しかし、この技術を、複数の薄膜圧電共振子を含むフィルタに適用した場合には、複数の薄膜圧電共振子の全てに対して、均一な厚みの誘電体層が設けられる。従って、この場合には、誘電体層を設けることによるフィルタの通過帯域幅の減少を抑制することはできない。
【００２５】
特許文献７に記載された技術では、質量負荷を与える膜は、共振器の共振周波数を所定量だけ変化させるために設けられる。そのため、この膜の材料として酸化シリコンを用いたとしても、この膜の厚みを、共振器の共振周波数の温度係数を零に近づけるように最適化することはできない。
【００２６】
特許文献８に記載された技術では、薄膜の厚みは、測定された周波数と基準周波数との差異を最小限にするように設定される。そのため、この薄膜の材料としてＳｉＯ２を用いたとしても、この薄膜の厚みを、共振子の共振周波数の温度係数を零に近づけるように最適化することはできない。
【００２７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、通過帯域幅が減少することを抑制しながら、温度変化に伴う通過帯域の変化による不具合の発生を防止できるようにした圧電共振フィルタおよびこの圧電共振フィルタを含むデュプレクサを提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電共振フィルタは、それぞれ、圧電性を有する圧電薄膜と、圧電薄膜の両面に配置され、圧電薄膜に対して励振用電圧を印加するための２つの励振用電極とを有する複数の薄膜圧電共振子を備え、通過帯域の両側に配置される低周波側の減衰極および高周波側の減衰極を示す周波数特性を有している。本発明の圧電共振フィルタにおいて、低周波側の減衰極が現れる第１の周波数と高周波側の減衰極が現れる第２の周波数とでは、温度変化に対する周波数の変化率が異なっている。
【００２９】
本発明の圧電共振フィルタでは、第１の周波数と第２の周波数の一方における温度変化に対する周波数の変化率は、他方における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さくなる。
【００３０】
本発明の圧電共振フィルタは、複数の薄膜圧電共振子として、ラダー型のフィルタ回路を構成する直列共振子と並列共振子とを含んでいてもよい。並列共振子は低周波側の減衰極を発現させ、直列共振子は高周波側の減衰極を発現させる。直列共振子と並列共振子の少なくとも一方は、共振周波数の温度変化に対する変化率を零に近づけるための温度補償層を有し、直列共振子における温度補償層の厚みと並列共振子における温度補償層の厚みとは互いに異なっていてもよい。なお、本発明は、直列共振子における温度補償層の厚みと並列共振子における温度補償層の厚みの一方が零である場合も含む。
【００３１】
また、本発明の圧電共振フィルタにおいて、温度補償層は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）によって形成されていてもよい。また、本発明の圧電共振フィルタにおいて、複数の薄膜圧電共振子は、それぞれ、音響インピーダンスが異なる複数の層を含むと共に一方の励振用電極を挟んで圧電薄膜とは反対側に配置された音響多層膜を有していてもよい。音響多層膜の複数の層のうちの一部の層は、温度補償層の一部を兼ねていてもよい。
【００３２】
本発明の第１ないし第３のデュプレクサは、送信信号を通過させ、受信信号を遮断する送信用フィルタと、受信信号を通過させ、送信信号を遮断する受信用フィルタとを備え、アンテナに接続されるものである。送信用フィルタは、第１の通過帯域の両側に配置される第１の低周波側の減衰極および第１の高周波側の減衰極を示す周波数特性を有している。受信用フィルタは、第１の通過帯域とは異なる第２の通過帯域の両側に配置される第２の低周波側の減衰極および第２の高周波側の減衰極を示す周波数特性を有している。
【００３３】
本発明の第１のデュプレクサにおいて、送信用フィルタおよび受信用フィルタのうち、少なくとも送信用フィルタは、複数の薄膜圧電共振子を備えている。各薄膜圧電共振子は、それぞれ、圧電性を有する圧電薄膜と、圧電薄膜の両面に配置され、圧電薄膜に対して励振用電圧を印加するための２つの励振用電極とを有している。
【００３４】
本発明の第１のデュプレクサにおいて、第１の低周波側の減衰極が現れる周波数と第１の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、第２の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さい。
【００３５】
本発明の第１のデュプレクサにおいて、送信用フィルタは、複数の薄膜圧電共振子として、ラダー型のフィルタ回路を構成する直列共振子と並列共振子とを含んでいてもよい。並列共振子は第１の低周波側の減衰極を発現させ、直列共振子は第１の高周波側の減衰極を発現させる。直列共振子と並列共振子の少なくとも一方は、共振周波数の温度変化に対する変化率を零に近づけるための温度補償層を有し、直列共振子における温度補償層の厚みと並列共振子における温度補償層の厚みとは互いに異なっていてもよい。なお、本発明は、直列共振子における温度補償層の厚みと並列共振子における温度補償層の厚みの一方が零である場合も含む。
【００３６】
本発明の第２のデュプレクサにおいて、送信用フィルタおよび受信用フィルタのうち、少なくとも受信用フィルタは、複数の薄膜圧電共振子を備えている。各薄膜圧電共振子は、それぞれ、圧電性を有する圧電薄膜と、圧電薄膜の両面に配置され、圧電薄膜に対して励振用電圧を印加するための２つの励振用電極とを有している。
【００３７】
本発明の第２のデュプレクサにおいて、第２の低周波側の減衰極が現れる周波数と第２の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、第１の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さい。
【００３８】
本発明の第２のデュプレクサにおいて、受信用フィルタは、複数の薄膜圧電共振子として、ラダー型のフィルタ回路を構成する直列共振子と並列共振子とを含んでいてもよい。並列共振子は第２の低周波側の減衰極を発現させ、直列共振子は第２の高周波側の減衰極を発現させる。直列共振子と並列共振子の少なくとも一方は、共振周波数の温度変化に対する変化率を零に近づけるための温度補償層を有し、直列共振子における温度補償層の厚みと並列共振子における温度補償層の厚みとは互いに異なっていてもよい。なお、本発明は、直列共振子における温度補償層の厚みと並列共振子における温度補償層の厚みの一方が零である場合も含む。
【００３９】
本発明の第３のデュプレクサにおいて、送信用フィルタおよび受信用フィルタは、いずれも、複数の薄膜圧電共振子を備えている。各薄膜圧電共振子は、それぞれ、圧電性を有する圧電薄膜と、圧電薄膜の両面に配置され、圧電薄膜に対して励振用電圧を印加するための２つの励振用電極とを有している。
【００４０】
本発明の第３のデュプレクサにおいて、第１の低周波側の減衰極が現れる周波数と第１の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、第２の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さい。
【００４１】
また、本発明の第３のデュプレクサにおいて、第２の低周波側の減衰極が現れる周波数と第２の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、第１の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さい。
【００４２】
本発明の第３のデュプレクサにおいて、送信用フィルタは、複数の薄膜圧電共振子として、ラダー型のフィルタ回路を構成する第１の直列共振子と第１の並列共振子とを含んでいてもよい。第１の並列共振子は第１の低周波側の減衰極を発現させ、第１の直列共振子は第１の高周波側の減衰極を発現させる。第１の直列共振子と第１の並列共振子の少なくとも一方は、共振周波数の温度変化に対する変化率を零に近づけるための温度補償層を有し、第１の直列共振子における温度補償層の厚みと第１の並列共振子における温度補償層の厚みとは互いに異なっていてもよい。なお、本発明は、第１の直列共振子における温度補償層の厚みと第１の並列共振子における温度補償層の厚みの一方が零である場合も含む。
【００４３】
同様に、本発明の第３のデュプレクサにおいて、受信用フィルタは、複数の薄膜圧電共振子として、ラダー型のフィルタ回路を構成する第２の直列共振子と第２の並列共振子とを含んでいてもよい。第２の並列共振子は第２の低周波側の減衰極を発現させ、第２の直列共振子は第２の高周波側の減衰極を発現させる。第２の直列共振子と第２の並列共振子の少なくとも一方は、共振周波数の温度変化に対する変化率を零に近づけるための温度補償層を有し、第２の直列共振子における温度補償層の厚みと第２の並列共振子における温度補償層の厚みとは互いに異なっていてもよい。なお、本発明は、第２の直列共振子における温度補償層の厚みと第２の並列共振子における温度補償層の厚みの一方が零である場合も含む。
【００４４】
また、本発明の第１ないし第３のデュプレクサにおいて、温度補償層は二酸化ケイ素によって形成されていてもよい。また、本発明の第１ないし第３のデュプレクサにおいて、複数の薄膜圧電共振子は、それぞれ、音響インピーダンスが異なる複数の層を含むと共に一方の励振用電極を挟んで圧電薄膜とは反対側に配置された音響多層膜を有していてもよい。音響多層膜の複数の層のうちの一部の層は、温度補償層の一部を兼ねていてもよい。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。まず、図４を参照して、本発明の一実施の形態に係るデュプレクサの構成について説明する。図４は、本実施の形態に係るデュプレクサの回路図である。本実施の形態に係るデュプレクサ９０は、図示しないアンテナに接続されるアンテナ端子９１，９２と、アンテナに対して送信信号を出力する図示しない送信回路に接続される送信信号端子９３，９４と、アンテナからの受信信号を入力する図示しない受信回路に接続される受信信号端子９５，９６とを備えている。
【００４６】
デュプレクサ９０は、更に、送信信号を通過させ、受信信号を遮断する送信用フィルタ９７と、受信信号を通過させ、送信信号を遮断する受信用フィルタ９８とを備えている。フィルタ９７，９８は、それぞれ、２つの入力端子と２つの出力端子とを有している。
【００４７】
送信用フィルタ９７の２つの入力端子はそれぞれ送信信号端子９３，９４に接続されている。送信用フィルタ９７の２つの出力端子はそれぞれアンテナ端子９１，９２に接続されている。受信用フィルタ９８の一方の入力端子は４分の１波長位相変換器９９を介してアンテナ端子９１に接続され、他方の入力端子はアンテナ端子９２に接続されている。受信用フィルタ９８の２つの出力端子はそれぞれ受信信号端子９５，９６に接続されている。
【００４８】
送信回路から送られてきた送信信号は、送信用フィルタ９７を通過してアンテナに送られる。また、アンテナからの受信信号は、４分の１波長位相変換器９９を通過して、４分の１波長だけ位相がずれた信号に変換された後、受信用フィルタ９８を通過して図示しない受信回路に送られる。
【００４９】
後で詳しく説明するが、送信用フィルタ９７と受信用フィルタ９８は共に、本実施の形態に係る圧電共振フィルタによって構成されている。
【００５０】
図５は、本実施の形態に係るデュプレクサ９０の周波数特性の一例を示す特性図である。図５は、一定レベルの信号をデュプレクサ９０の送信用フィルタ９７または受信用フィルタ９８に入力させたときの、各フィルタ９７，９８の出力信号のレベルの周波数特性を表わしている。図５において、符号１１０は送信用フィルタ９７の出力信号のレベルの周波数特性を示し、符号１２０は受信用フィルタ９８の出力信号のレベルの周波数特性を示している。
【００５１】
この例では、送信用フィルタ９７は、所定の第１の通過帯域の両側に配置される第１の低周波側の減衰極１１１および第１の高周波側の減衰極１１２を示す周波数特性を有している。また、受信用フィルタ９８は、第１の通過帯域とは異なる第２の通過帯域の両側に配置される第２の低周波側の減衰極１２１および第２の高周波側の減衰極１２２を示す周波数特性を有している。この例では、第１の通過帯域は、第２の通過帯域よりも低周波側に位置している。
【００５２】
ここで、減衰極１１１，１１２，１２１，１２２が現れる周波数を、それぞれ、ｆ11，ｆ12，ｆ21，ｆ22で表わす。第１の通過帯域は周波数ｆ11と周波数ｆ12との間に存在する。しかし、第１の通過帯域は、必ずしも周波数ｆ11と周波数ｆ12との間の周波数領域と一致するわけではない。例えば、第１の通過帯域を、出力信号のレベルが最大値よりも３ｄＢの低下となる２つの周波数の間の帯域として規定すると、第１の通過帯域は周波数ｆ11と周波数ｆ12との間の周波数領域よりも狭くなる。同様に、第２の通過帯域は、周波数ｆ21と周波数ｆ22との間に存在するが、必ずしも周波数ｆ21と周波数ｆ22との間の周波数領域と一致するわけではない。
【００５３】
次に、図１および図２を参照して、本実施の形態に係る圧電共振フィルタ、すなわち送信用フィルタ９７および受信用フィルタ９８の回路構成について説明する。
【００５４】
図１は、送信用フィルタ９７の回路構成の一例を示す回路図である。この送信用フィルタ９７は、入力端４１Ｔと出力端４２Ｔとを有している。送信用フィルタ９７は、更に、それぞれ薄膜圧電共振子からなり、ラダー型のフィルタ回路を構成する第１ないし第４の直列共振子２１Ｔおよび第１および第２の並列共振子２２Ｔとを有している。第１の直列共振子２１Ｔの一端は入力端４１Ｔに接続されている。第１の直列共振子２１Ｔの他端は、第２の直列共振子２１Ｔの一端に接続されている。第２の直列共振子２１Ｔの他端は、第３の直列共振子２１Ｔの一端に接続されている。第３の直列共振子２１Ｔの他端は、第４の直列共振子２１Ｔの一端に接続されている。第４の直列共振子２１Ｔの他端は出力端４２Ｔに接続されている。
【００５５】
第１の並列共振子２２Ｔの一端は、第１および第２の直列共振子２１Ｔの接続点に接続されている。第１の並列共振子２２Ｔの他端は接地されている。第２の並列共振子２２Ｔの一端は、第３および第４の直列共振子２１Ｔの接続点に接続されている。第２の並列共振子２２Ｔの他端は接地されている。
【００５６】
図２は、受信用フィルタ９８の回路構成の一例を示す回路図である。この受信用フィルタ９８は、入力端４１Ｒと出力端４２Ｒとを有している。受信用フィルタ９８は、更に、それぞれ薄膜圧電共振子からなり、ラダー型のフィルタ回路を構成する第１および第２の直列共振子２１Ｒおよび第１ないし第４の並列共振子２２Ｒとを有している。第１の直列共振子２１Ｒの一端は入力端４１Ｒに接続されている。第１の直列共振子２１Ｒの他端は、第２の直列共振子２１Ｒの一端に接続されている。第２の直列共振子２１Ｒの他端は出力端４２Ｒに接続されている。
【００５７】
第１の並列共振子２２Ｒの一端は、第１の直列共振子２１Ｒの一端に接続されている。第２の並列共振子２２Ｒの一端は、第１の直列共振子２１Ｒの他端に接続されている。第３の並列共振子２２Ｒの一端は、第２の直列共振子２１Ｒの一端に接続されている。第４の並列共振子２２Ｒの一端は、第２の直列共振子２１Ｒの他端に接続されている。第１ないし第４の並列共振子２２Ｒの他端は接地されている。
【００５８】
なお、送信用フィルタ９７および受信用フィルタ９８の回路構成は、それぞれ図１、図２に示した構成に限られない。例えば、送信用フィルタ９７および受信用フィルタ９８の回路構成は、共に、図１に示した回路から第２および第４の直列共振子２１Ｔを除いた構成、または図１に示した回路から第１および第３の直列共振子２１Ｔを除いた構成であってもよい。
【００５９】
また、図１および図２に示した回路は、２つの基本構成部分を縦続接続して構成されている。しかし、送信用フィルタ９７および受信用フィルタ９８の回路構成は、１つの基本構成部分によって構成されてもよいし、３つ以上の基本構成部分を縦続接続して構成されていてもよい。
【００６０】
薄膜圧電共振子は、圧電性を有する圧電薄膜と、圧電薄膜の両面に配置され、圧電薄膜に対して励振用電圧を印加するための２つの励振用電極とを有している。なお、薄膜圧電共振子の具体的な構成については、後で詳しく説明する。
【００６１】
ここで、図３を参照して、本実施の形態に係る圧電共振フィルタの周波数特性について説明する。図３において（ａ）は直列共振子２１（符号２１は符号２１Ｔ，２１Ｒを代表する。）および並列共振子２２（符号２２は符号２２Ｔ，２２Ｒを代表する。）のインピーダンスの周波数特性を概念的に表している。（ａ）において、符号２５は直列共振子２１のインピーダンスの周波数特性を示し、符号２６は並列共振子２２のインピーダンスの周波数特性を示している。また、図３において（ｂ）は、一定レベルの信号を圧電共振フィルタに入力させたときの、圧電共振フィルタの出力信号のレベルの周波数特性を概念的に表している。
【００６２】
本実施の形態では、図３に示したように、直列共振子２１の共振周波数ｆrsと並列共振子２２の反共振周波数ｆapを、圧電共振フィルタの所望の通過帯域２７の中心周波数ｆ０に合わせている。並列共振子２２は低周波側の減衰極２９を発現させ、直列共振子２１は高周波側の減衰極２８を発現させる。すなわち、並列共振子２２の共振周波数ｆrpは低周波側の減衰極２９が現れる周波数と一致し、直列共振子２１の反共振周波数ｆasは高周波側の減衰極２８が現れる周波数と一致する。なお、図３では、圧電共振フィルタの通過帯域２７を、並列共振子２２の共振周波数ｆrpから、直列共振子２１の反共振周波数ｆasまでの周波数範囲として規定している。
【００６３】
図３から分かるように、圧電共振フィルタの通過帯域２７は、各共振子２１，２２の共振周波数（反共振周波数を含む。）に依存する。そのため、温度の変化に応じて各共振子２１，２２の共振周波数が変化すると、温度の変化に応じて圧電共振フィルタの通過帯域２７が変化する。
【００６４】
ここで、図６を参照して、共振子２１，２２を構成する薄膜圧電共振子の共振周波数の温度特性について説明する。図６は、薄膜圧電共振子のインピーダンスの周波数特性を概念的に表している。図６において、ｆrは共振周波数を表わし、ｆaは反共振周波数を表わしている。薄膜圧電共振子において、何ら対策を講じない場合には、温度の変化に応じて、周波数ｆr，ｆaが高周波側または低周波側に移動する。温度変化に対する共振周波数の変化率を、共振周波数の温度係数と言う。温度の上昇に応じて共振周波数が高周波側に移動する場合、共振周波数の温度係数は正の値となる。温度の上昇に応じて共振周波数が低周波側に移動する場合、共振周波数の温度係数は負の値となる。
【００６５】
共振周波数の温度係数は、薄膜圧電共振子の振動部分を構成する薄膜の材料の弾性定数の温度係数に依存する。以下、このことを詳しく説明する。薄膜中を伝搬する波の速度、すなわち音速をｖとし、波の波長をλとし、波の周波数をｆとすると、これらの間には次の式（１）で示される関係がある。
【００６６】
ｖ＝ｆλ …（１）
【００６７】
次に、薄膜の材料の弾性定数をｋとし、薄膜の材料の密度をρとする。これらと音速ｖとの間には、次の式（２）で示される関係がある。
【００６８】
ｖ＝√（ｋ／ρ） …（２）
【００６９】
式（１），（２）より、次の式（３）が得られる。
【００７０】
ｆ＝（１／λ）√（ｋ／ρ） …（３）
【００７１】
式（３）より、周波数ｆは、弾性定数ｋの平方根に比例することが分かる。一方、弾性定数には温度依存性がある。弾性定数の温度係数が正の値である場合、共振周波数の温度係数も正の値となる。逆に、弾性定数の温度係数が負の値である場合、共振周波数の温度係数も負の値となる。
【００７２】
弾性定数およびその温度係数は、物質固有の値である。例えば、特許文献２には、「弾性スチフネスＣ33 Ｅの温度係数の値がＺｎＯ、Ｓｉが負、ＳｉＯ２が正である」と記載されている。このように、ＺｎＯとＳｉＯ２では、弾性定数である弾性スチフネスＣ33 Ｅの温度係数の正負の符号が異なっている。従って、薄膜圧電共振子において、例えば圧電薄膜の材料がＺｎＯである場合には、ＳｉＯ２からなる温度補償層を設けることにより、薄膜圧電共振子の共振周波数の温度係数を零に近づけることができる。
【００７３】
なお、薄膜圧電共振子の共振周波数の温度特性は、薄膜の材料の弾性定数の温度依存性に起因して発現する他に、薄膜圧電共振子を構成する複数の膜の熱膨張係数の違いによっても発現し得る。
【００７４】
本実施の形態に係る圧電共振フィルタ、すなわち送信用フィルタ９７および受信用フィルタ９８では、直列共振子２１と並列共振子２２の少なくとも一方は、共振周波数の温度変化に対する変化率を零に近づけるための温度補償層を有している。この温度補償層は、圧電薄膜の材料の弾性定数の温度係数とは正負の符号が異なる弾性定数の温度係数を有する材料よりなる。本実施の形態では、直列共振子２１における温度補償層の厚みと並列共振子２２における温度補償層の厚みとは互いに異なっている。その結果、本実施の形態に係る圧電共振フィルタでは、低周波側の減衰極２９が現れる周波数と高周波側の減衰極２８が現れる周波数とで、温度変化に対する周波数の変化率が異なっている。なお、本実施の形態では、直列共振子２１における温度補償層の厚みと並列共振子２２における温度補償層の厚みの一方が零であってもよい。言い換えると、直列共振子２１と並列共振子２２の一方は温度補償層を有していなくてもよい。
【００７５】
次に、図７を参照して、本実施の形態における薄膜圧電共振子の構成の一例について説明する。図７は本例における薄膜圧電共振子の断面図である。図７に示した薄膜圧電共振子は、基体１１と、この基体１１の下面に隣接するように配置された下部バリア層１２と、基体１１の上面に隣接するように配置された上部バリア層１３と、上部バリア層１３の上面に隣接するように配置された温度補償層２０とを備えている。薄膜圧電共振子は、更に、温度補償層２０の上に配置された下部電極１４と、この下部電極１４の上に配置された圧電薄膜１５と、この圧電薄膜１５の上に配置された上部電極１６とを備えている。
【００７６】
基体１１は、薄膜圧電共振子における他の構成要素を支持するためのものである。基体１１には空洞１１ａが設けられている。基体１１には、例えばＳｉ基板が用いられる。
【００７７】
下部バリア層１２は、基体１１に空洞１１ａを形成するためのマスクとして用いられる。そのため、下部バリア層１２には、空洞１１ａに対応する位置に開口部１２ａが形成されている。下部バリア層１２の材料には、例えば窒化ケイ素（ＳｉＮＸ）が用いられる。
【００７８】
上部バリア層１３は、基体１１と温度補償層２０とを隔てる絶縁層である。上部バリア層１３の材料には、例えば窒化ケイ素（ＳｉＮＸ）が用いられる。
【００７９】
温度補償層２０は、圧電薄膜１５の材料の弾性定数の温度係数とは正負の符号が異なる弾性定数の温度係数を有する材料よりなる。温度補償層２０の材料としては、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が用いられる。なお、前述のように、本実施の形態では、直列共振子２１と並列共振子２２の一方は温度補償層２０を有していなくてもよい。
【００８０】
圧電薄膜１５は、圧電性を有する薄膜である。圧電薄膜１５の材料には、例えばＺｎＯが用いられる。下部電極１４および上部電極１６は、それぞれ、主として金属よりなる。下部電極１４の材料としては例えばＰｔが用いられ、上部電極１６の材料としては例えばＡｌが用いられる。
【００８１】
上部電極１６は、基体１１の空洞１１ａに対応する位置に配置されている。従って、下部電極１４と、上部電極１６は、圧電薄膜１５を介して対向している。
【００８２】
なお、図７に示した例では、基体１１に空洞１１ａを形成したが、基体１１の上面に窪みを形成し、上部バリア層１３と基体１１の間で空隙を形成するようにしてもよい。
【００８３】
また、図７に示した例では、上部バリア層１３の上に温度補償層２０を配置したが、温度補償層２０は、上部電極１６と圧電薄膜１５の間や、上部電極１６の上に配置してもよい。
【００８４】
次に、本実施の形態に係る圧電共振フィルタおよびデュプレクサ９０の作用について説明する。デュプレクサ９０において、送信用フィルタ９７は、送信信号を通過させ、受信信号を遮断し、受信用フィルタ９８は、受信信号を通過させ、送信信号を遮断する。送信用フィルタ９７は、所定の第１の通過帯域の両側に配置される第１の低周波側の減衰極１１１および第１の高周波側の減衰極１１２を示す周波数特性を有している。また、受信用フィルタ９８は、第１の通過帯域とは異なる第２の通過帯域の両側に配置される第２の低周波側の減衰極１２１および第２の高周波側の減衰極１２２を示す周波数特性を有している。
【００８５】
各フィルタ９７，９８は、ラダー型のフィルタ回路を構成する直列共振子２１と並列共振子２２とを有している。並列共振子２２は低周波側の減衰極を発現させ、直列共振子２１は高周波側の減衰極を発現させる。
【００８６】
各共振子２１，２２において、下部電極１４と上部電極１６には、高周波の励振用電圧が印加される。この励振用電圧は圧電薄膜１５に印加される。これにより、圧電薄膜１５のうち、下部電極１４と上部電極１６との間に配置された部分が励振され、この部分に厚み方向に進行する縦波が発生する。この部分は、励振用電圧の周波数が所定の共振周波数のときに共振する。
【００８７】
ところで、本実施の形態では、前述のように、直列共振子２１における温度補償層の厚み２０と並列共振子２２における温度補償層２０の厚みとは互いに異なっている。以下、デュプレクサ９０が図５に示した周波数特性を有する場合を例にとって、温度補償層２０の厚みについて詳しく説明する。
【００８８】
まず、送信用フィルタ９７では、直列共振子２１Ｔにおける温度補償層２０の厚みは、並列共振子２２Ｔにおける温度補償層２０の厚みよりも大きくなっている。直列共振子２１Ｔにおける温度補償層２０の厚みは、直列共振子２１Ｔの共振周波数の温度係数が零に近づくように設定される。並列共振子２２Ｔにおける温度補償層２０の厚みは、零であってもよい。その結果、送信用フィルタ９７では、低周波側の減衰極１１１が現れる周波数ｆ11と高周波側の減衰極１１２が現れる周波数ｆ12のうち、受信用フィルタ９８の通過帯域に近い方の周波数すなわち高周波側の減衰極１１２が現れる周波数ｆ12における温度係数の絶対値は、他方の周波数すなわち低周波側の減衰極１１１が現れる周波数ｆ11における温度係数の絶対値よりも小さくなっている。
【００８９】
一方、受信用フィルタ９８では、並列共振子２２Ｒにおける温度補償層２０の厚みは、直列共振子２１Ｒにおける温度補償層２０の厚みよりも大きくなっている。並列共振子２２Ｒにおける温度補償層２０の厚みは、並列共振子２２Ｒの共振周波数の温度係数が零に近づくように設定される。直列共振子２１Ｒにおける温度補償層２０の厚みは、零であってもよい。その結果、受信用フィルタ９８では、低周波側の減衰極１２１が現れる周波数ｆ21と高周波側の減衰極１２２が現れる周波数ｆ22のうち、送信用フィルタ９７の通過帯域に近い方の周波数すなわち低周波側の減衰極１２１が現れる周波数ｆ21における温度係数の絶対値は、他方の周波数すなわち高周波側の減衰極１２２が現れる周波数ｆ22における温度係数の絶対値よりも小さくなっている。
【００９０】
図５に示した周波数特性を有するデュプレクサ９０では、特に、送信用フィルタ９７における高周波側の減衰極１１２が現れる周波数ｆ12と、受信用フィルタ９８における低周波側の減衰極１２１が現れる周波数ｆ21の変化が問題となる。それは、これらの周波数の変化は、送信信号と受信信号とを分離するデュプレクサ９０の性能を低下させるためである。本実施の形態では、温度補償層２０を設けることによって、これらの周波数における温度係数の絶対値を小さくすることができる。
【００９１】
一方、送信用フィルタ９７における低周波側の減衰極１１１が現れる周波数ｆ11は、送信信号の周波数帯域の低周波側の端の周波数に対して、低周波側に、ある程度離れるように設定することが可能である。この場合には、周波数ｆ11における温度係数の絶対値がある程度大きくても、さほど問題にはならない。同様に、受信用フィルタ９８における高周波側の減衰極１２２が現れる周波数ｆ22は、受信信号の周波数帯域の高周波側の端の周波数に対して、高周波側に、ある程度離れるように設定することが可能である。この場合には、周波数ｆ22における温度係数の絶対値がある程度大きくても、さほど問題にはならない。
【００９２】
従って、本実施の形態において、送信用フィルタ９７の並列共振子２２Ｔにおける温度補償層２０の厚みや、受信用フィルタ９８の直列共振子２１Ｒにおける温度補償層２０の厚みを小さくしても、さほど問題にはならない。本実施の形態では、共振子２２Ｔ，２１Ｒにおける温度補償層２０の厚みを小さくすることによって、温度補償層２０に起因する共振子２２Ｔ，２１Ｒの電気機械結合係数の低下を抑制することができる。その結果、本実施の形態によれば、温度補償層２０に起因するフィルタ９７，９８の通過帯域幅の減少を抑制することができる。
【００９３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、デュプレクサ９０における送信用フィルタ９７および受信用フィルタ９８の通過帯域幅が減少することを抑制しながら、温度変化に伴う通過帯域の変化による不具合の発生を防止することができる。
【００９４】
次に、図７に示した構成の薄膜圧電共振子を含む圧電共振フィルタの製造方法の一例について説明する。本例では、基体１１として、表面が（１００）面となるように切断し、表面を研磨したＳｉ基板を用いた。そして、この基体１１の上面（表面）と下面（裏面）にそれぞれ、化学的気相成長（ＣＶＤ）法により、２００ｎｍの厚みの窒化ケイ素（ＳｉＮＸ）膜を形成した。基体１１の上面に形成された窒化ケイ素膜は上部バリア層１３となり、基体１１の下面に形成された窒化ケイ素膜は下部バリア層１２となる。
【００９５】
次に、下部バリア層１２に、反応性イオンエッチングを用いて、開口部１２ａを形成した。下部バリア層１２は、後にエッチングによって基体１１に空洞１１ａを形成するためのマスクとして用いられる。
【００９６】
次に、上部バリア層１３の上に、スパッタ法およびリフトオフ法を用いて、ＳｉＯ２よりなる温度補償層２０を形成した。本例におけるリフトオフ法は、フォトリソグラフィによって下地の上にマスクを形成する工程、下地およびマスクの全面にスパッタ法によって薄膜を形成する工程、およびマスクをリフトオフする工程を含む。
【００９７】
本例では、以下のようにして温度補償層２０を形成することによって、直列共振子２１における温度補償層２０の厚みを３００ｎｍとし、並列共振子２２における温度補償層２０の厚みを５０ｎｍとした。すなわち、本例では、まず、上部バリア層１３の上面全体に、スパッタ法によって５０ｎｍの厚みの第１のＳｉＯ２膜を形成した。次に、この第１のＳｉＯ２膜の上のうち、直列共振子２１が形成される領域に、リフトオフ法によって、２５０ｎｍの厚みの第２のＳｉＯ２膜を形成した。
【００９８】
次に、温度補償層２０の上に、真空蒸着法およびドライエッチング法により、Ｐｔよりなる１５０ｎｍの厚みの下部電極１４を形成した。
【００９９】
次に、下部電極１４の上に、スパッタ法により、ＺｎＯよりなる８００ｎｍの厚みの圧電薄膜１５を形成した。
【０１００】
次に、圧電薄膜１５の上に、スパッタ法およびウエットエッチング法を用いて、Ａｌよりなる上部電極１６を形成した。本例では、直列共振子２１の共振周波数と並列共振子２２の共振周波数とを異ならせるために、直列共振子２１における上部電極１６の厚みを３００ｎｍとし、並列共振子２２における上部電極１６の厚みを５２５ｎｍとした。
【０１０１】
圧電薄膜１５のうち、下部電極１４と上部電極１６との間に配置された部分が共振する部分である。
【０１０２】
次に、下部バリア層１２をマスクとし、ＫＯＨを用いて、下面（裏面）側より基体１１をエッチングして、空洞１１ａを形成した。（１００）面を有するように配向したＳｉ基板よりなる基体１１は、ＫＯＨにより異方性エッチングが施される。その結果、基体１１には、下側に向けて徐々に幅が広がる形状の空洞１１ａが形成された。
【０１０３】
本例では、ラダー型のフィルタ回路を構成する２つの直列共振子２１と２つの並列共振子２２を含む圧電共振フィルタを製造した。この圧電共振フィルタの回路構成は、図１に示した回路から第２および第４の直列共振子２１Ｔを除いた構成、または図１に示した回路から第１および第３の直列共振子２１Ｔを除いた構成となる。
【０１０４】
次に、上記の製造方法によって形成された圧電共振フィルタの周波数特性を測定した結果を図８に示す。図８において、実線は−２０℃における圧電共振フィルタの周波数特性を示し、破線は８０℃における圧電共振フィルタの周波数特性を示している。この測定結果では、低周波側の減衰極が現れる周波数における温度係数は−５５ｐｐｍ／℃となり、高周波側の減衰極が現れる周波数における温度係数は−４５ｐｐｍ／℃となった。このことから、本例によれば、低周波側の減衰極が現れる周波数と高周波側の減衰極が現れる周波数とで、温度係数を異ならせることができることが分かる。
【０１０５】
また、温度補償層２０を、上部バリア層１３と下部電極１４との間ではなく、上部電極１６と圧電薄膜１５の間や上部電極１６の上に配置し、他の条件は上記の例と同様にして製造した圧電共振フィルタについても周波数特性を測定した。その測定結果は、図８とほぼ同様となった。
【０１０６】
次に、図９を参照して、本実施の形態における薄膜圧電共振子の構成の他の例について説明する。図９に示した例では、薄膜圧電共振子は、基体１１と、この基体１１の上に配置された音響多層膜２３と、この音響多層膜２３の上に配置された下部電極１４と、この下部電極１４の上に配置された圧電薄膜１５と、この圧電薄膜１５の上に配置された温度補償層２０と、この温度補償層２０の上に配置された上部電極１６とを備えている。音響多層膜２３は、例えばＡｌＮのように音響インピーダンスの高い材料からなる層２３Ａと、例えばＳｉＯ２のように音響インピーダンスの低い材料からなる層２３Ｂとを交互に積層することによって構成されている。
【０１０７】
下部電極１４、圧電薄膜１５、温度補償層２０および上部電極１６の材料は、図７に示した構成の薄膜圧電共振子と同様である。
【０１０８】
図９に示した構成の薄膜圧電共振子において、層２３Ｂの材料として、ＳｉＯ２のように、圧電薄膜１５の材料の弾性定数の温度係数とは正負の符号が異なる弾性定数の温度係数を有する材料を用いた場合には、この層２３Ｂは、薄膜圧電共振子の共振周波数の温度係数を零に近づける機能を有する。この場合には、温度補償層２０の他に、層２３Ｂも温度補償層と見ることができる。すなわち、層２３Ｂは温度補償層の一部を兼ねていると言える。従って、図９に示した構成の薄膜圧電共振子を用いることにより、共振周波数の温度係数をより零に近づけることが可能になる。
【０１０９】
次に、図９に示した構成の薄膜圧電共振子を含む圧電共振フィルタの製造方法の一例について説明する。本例では、基体１１として、表面が（１００）面となるように切断し、表面を研磨したＳｉ基板を用いた。そして、この基体１１の上に、それぞれスパッタ法により、１．４μｍの厚みのＡｌＮ層と、０．８μｍの厚みのＳｉＯ２層とを交互に４層ずつ積層して、合計８層よりなる音響多層膜２３を形成した。
【０１１０】
次に、音響多層膜２３の上に、真空蒸着法およびドライエッチング法により、Ｐｔよりなる１５０ｎｍの厚みの下部電極１４を形成した。
【０１１１】
次に、下部電極１４の上に、スパッタ法により、ＺｎＯよりなる８００ｎｍの厚みの圧電薄膜１５を形成した。
【０１１２】
次に、圧電薄膜１５の上に、ＳｉＯ２よりなる温度補償層２０を形成した。本例では、直列共振子２１における温度補償層２０の厚みを３００ｎｍとし、並列共振子２２における温度補償層２０の厚みを５０ｎｍとした。この温度補償層２０の形成方法は、図７に示した構成の薄膜圧電共振子における温度補償層２０の形成方法と同様である。
【０１１３】
次に、温度補償層２０の上に、スパッタ法およびウエットエッチング法を用いて、Ａｌよりなる上部電極１６を形成した。本例では、直列共振子２１の共振周波数と並列共振子２２の共振周波数とを異ならせるために、直列共振子２１における上部電極１６の厚みを３００ｎｍとし、並列共振子２２における上部電極１６の厚みを５２５ｎｍとした。
【０１１４】
本例では、ラダー型のフィルタ回路を構成する２つの直列共振子２１と２つの並列共振子２２を含む圧電共振フィルタを製造した。この圧電共振フィルタの回路構成は、図１に示した回路から第２および第４の直列共振子２１Ｔを除いた構成、または図１に示した回路から第１および第３の直列共振子２１Ｔを除いた構成となる。
【０１１５】
次に、上記の製造方法によって形成された圧電共振フィルタの周波数特性を測定した。この測定結果では、低周波側の減衰極が現れる周波数における温度係数は−３４ｐｐｍ／℃となり、高周波側の減衰極が現れる周波数における温度係数は−２４ｐｐｍ／℃となった。このように、本例における測定結果では、図７に示した構成の薄膜圧電共振子を含む圧電共振フィルタにおける測定結果に比べて、温度係数の絶対値が小さくなっている。これは、本例では、音響多層膜２３中のＳｉＯ２層が温度補償層の一部を兼ねているためと考えられる。
【０１１６】
なお、図９では、圧電薄膜１５と上部電極１６の間に温度補償層２０を配置したが、温度補償層２０は上部電極１６の上に配置してもよい。温度補償層２０を上部電極１６の上に配置し、他の条件は上記の例と同様にして製造した圧電共振フィルタについても周波数特性を測定した。その測定結果は、図９に示した構成の場合とほぼ同様となった。
【０１１７】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明の圧電共振フィルタは、デュプレクサにおける送信用フィルタおよび受信用フィルタとして使用される場合に限らず、低周波側の減衰極が現れる周波数と高周波側の減衰極が現れる周波数の一方のみにおいて、温度変化に対する周波数の変化率を零に近づければよい場合に効果を発揮する。従って、本発明の圧電共振フィルタは、デュプレクサにおける送信用フィルタおよび受信用フィルタ以外の用途に用いられるものであってもよい。
【０１１８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし５のいずれかに記載のデュプレクサでは、送信用フィルタは、第１の低周波側の減衰極と第１の高周波側の減衰極とによって決められる第１の通過帯域を有している。また、受信用フィルタは、第２の低周波側の減衰極と第２の高周波側の減衰極とによって決められる第２の通過帯域を有している。第１の低周波側の減衰極が現れる周波数と第１の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、第２の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さい。従って、本発明によれば、送信用フィルタにおける通過帯域幅が減少することを抑制しながら、温度変化に伴う送信用フィルタにおける通過帯域の変化による不具合の発生を防止することが可能になるという効果を奏する。
【０１２１】
また、請求項５記載のデュプレクサでは、複数の薄膜圧電共振子は、それぞれ、音響インピーダンスが異なる複数の層を含むと共に一方の励振用電極を挟んで圧電薄膜とは反対側に配置された音響多層膜を有し、音響多層膜の複数の層のうちの一部の層は、温度補償層の一部を兼ねている。従って、本発明によれば、共振周波数の温度変化に対する変化率をより零に近づけることが可能になるという効果を奏する。
【０１２２】
また、請求項６ないし１０のいずれかに記載のデュプレクサでは、送信用フィルタは、第１の低周波側の減衰極と第１の高周波側の減衰極とによって決められる第１の通過帯域を有している。また、受信用フィルタは、第２の低周波側の減衰極と第２の高周波側の減衰極とによって決められる第２の通過帯域を有している。第２の低周波側の減衰極が現れる周波数と第２の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、第１の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さい。従って、本発明によれば、受信用フィルタにおける通過帯域幅が減少することを抑制しながら、温度変化に伴う受信用フィルタにおける通過帯域の変化による不具合の発生を防止することが可能になるという効果を奏する。
【０１２３】
また、請求項１０記載のデュプレクサでは、複数の薄膜圧電共振子は、それぞれ、音響インピーダンスが異なる複数の層を含むと共に一方の励振用電極を挟んで圧電薄膜とは反対側に配置された音響多層膜を有し、音響多層膜の複数の層のうちの一部の層は、温度補償層の一部を兼ねている。従って、本発明によれば、共振周波数の温度変化に対する変化率をより零に近づけることが可能になるという効果を奏する。
【０１２４】
また、請求項１１ないし１５のいずれかに記載のデュプレクサでは、送信用フィルタは、第１の低周波側の減衰極と第１の高周波側の減衰極とによって決められる第１の通過帯域を有している。また、受信用フィルタは、第２の低周波側の減衰極と第２の高周波側の減衰極とによって決められる第２の通過帯域を有している。第１の低周波側の減衰極が現れる周波数と第１の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、第２の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さい。また、第２の低周波側の減衰極が現れる周波数と第２の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、第１の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さい。従って、本発明によれば、送信用フィルタおよび受信用フィルタにおける各通過帯域幅が減少することを抑制しながら、温度変化に伴う各通過帯域の変化による不具合の発生を防止することが可能になるという効果を奏する。
【０１２５】
また、請求項１５記載のデュプレクサでは、複数の薄膜圧電共振子は、それぞれ、音響インピーダンスが異なる複数の層を含むと共に一方の励振用電極を挟んで圧電薄膜とは反対側に配置された音響多層膜を有し、音響多層膜の複数の層のうちの一部の層は、温度補償層の一部を兼ねている。従って、本発明によれば、共振周波数の温度変化に対する変化率をより零に近づけることが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るデュプレクサにおける送信用フィルタの回路構成の一例を示す回路図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るデュプレクサにおける受信用フィルタの回路構成の一例を示す回路図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る圧電共振フィルタの周波数特性を説明するための説明図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係るデュプレクサの回路図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係るデュプレクサの周波数特性の一例を示す特性図である。
【図６】本発明の一実施の形態における薄膜圧電共振子の共振周波数の温度特性について説明するための説明図である。
【図７】本発明の一実施の形態における薄膜圧電共振子の構成の一例を示す断面図である。
【図８】図７に示した薄膜圧電共振子を含む圧電共振フィルタの周波数特性の測定結果を示す特性図である。
【図９】本発明の一実施の形態における薄膜圧電共振子の構成の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１１…基体、１２…下部バリア層、１３…上部バリア層、１４…下部電極、１５…圧電薄膜、１６…上部電極、２１…直列共振子、２２…並列共振子、２０…温度補償層、９０…デュプレクサ、９７…送信用フィルタ、９８…受信用フィルタ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜圧電共振子を含む圧電共振フィルタおよびこの圧電共振フィルタを含むデュプレクサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年飛躍的に普及してきた携帯電話等の移動体通信機器では、年々、小型化、および使用周波数の高周波化が進められている。そのため、移動体通信機器に使用される電子部品にも、小型化、および対応可能な周波数の高周波化が要望されている。
【０００３】
移動体通信機器には、１つのアンテナを送信と受信とに共用させるために送信信号の経路と受信信号の経路とを切り替えるデュプレクサを備えているものがある。このデュプレクサは、送信信号を通過させ、受信信号を遮断する送信用フィルタと、受信信号を通過させ、送信信号を遮断する受信用フィルタとを備えている。
【０００４】
近年、上記デュプレクサにおけるフィルタには、弾性表面波フィルタが用いられることがある。弾性表面波フィルタは、数ＧＨｚまでの周波数に対応でき、また、セラミックフィルタに比べて小型化が可能であるという特徴を有する。しかし、今後、移動体通信機器の使用周波数がさらに高周波となった場合、弾性表面波フィルタがそのような周波数に対応するには、現状では技術的課題が多い。
【０００５】
そこで、最近、薄膜バルクアコースティック共振子（Thin Film Bulk Acoustic Resonator）とも呼ばれる薄膜圧電共振子が注目されている（特許文献１−８および非特許文献１参照。）。この薄膜圧電共振子は、圧電薄膜の厚み方向の共振を利用した共振子である。薄膜圧電共振子では、圧電薄膜の厚みを変えることにより共振周波数を変えることができる。また、薄膜圧電共振子は、数ＧＨｚの周波数まで対応することが可能であると考えられる。なお、本出願において、「共振周波数」は、特に反共振周波数と対比させて使用する場合を除き、反共振周波数も含むものとする。
【０００６】
薄膜圧電共振子は、圧電薄膜と、この圧電薄膜の両面に配置された２つの電極と、これらを支持する基体とを備えている。基体には、圧電薄膜および２つの電極が配置された面とは反対側の面において開口する空洞が設けられている場合がある（特許文献１，２参照。）。あるいは、一方の電極と基体との間に空隙が設けられている場合もある（特許文献３参照。）。あるいは、上記空洞や空隙が設けられず、基体の上に音響多層膜を介して圧電薄膜および２つの電極が配置されている場合もある（非特許文献１参照。）。
【０００７】
共振子を用いたフィルタとしては、例えばラダー型フィルタがある。このラダー型フィルタは、基本構成として直列共振子と並列共振子とを含む。ラダー型フィルタは、必要に応じて、複数の基本構成部分が縦続接続されて構成される。
【０００８】
ところで、通常、薄膜圧電共振子では、何ら対策を講じない場合には、その共振周波数が温度の変化に応じて変化する。以下、この性質を共振周波数の温度特性と言う。この共振周波数の温度特性が発現するのは、ＺｎＯ、ＣｄＳ、ＡｌＮ等の、圧電薄膜に用いられる代表的な圧電材料の弾性定数が温度によって変化するためである。
【０００９】
例えば、圧電薄膜の材料としてＺｎＯを用いた薄膜圧電共振子では、その共振周波数の温度係数は、約−６０ｐｐｍ／℃である。なお、共振周波数の温度係数とは、温度変化に対する共振周波数の変化率を言う。
【００１０】
従来、薄膜圧電共振子における共振周波数の温度係数を零に近づける方法としては、薄膜圧電共振子に、圧電薄膜の材料の弾性定数の温度係数とは正負の符号が異なる弾性定数の温度係数を有する材料よりなる薄膜（以下、温度補償膜と言う。）を付加する方法が知られていた（特許文献１，２，４参照。）。なお、弾性定数の温度係数とは、温度変化に対する弾性定数の変化率を言う。温度補償膜の材料としては、例えばＳｉＯ２が用いられる。
【００１１】
温度補償膜を薄膜圧電共振子に付加すると、温度補償膜の厚みに応じて薄膜圧電共振子の共振周波数の温度係数が変化する。そこで、最適な厚みの温度補償膜を薄膜圧電共振子に付加することによって、薄膜圧電共振子の共振周波数の温度係数を零に近づけることができる。
【００１２】
なお、特許文献５には、基板の上に下地電極、圧電薄膜、上部電極が順に形成された構造を有する薄膜圧電振動子において、上部電極の引出し電極と圧電薄膜との間に、ＳｉＯ２等の絶縁材料よりなる膜を設ける技術が記載されている。この技術の目的は、上部電極の引出し電極と基板との間の容量を小さくすることである。
【００１３】
また、特許文献６には、基板の上に下部電極、圧電薄膜、上部電極が順に形成された構造を有する圧電薄膜共振子において、基板上にＳｉＯ２等の誘電体材料よりなる誘電体層を設けると共に、その誘電体層の実効的厚みを場所によって異ならせる技術が記載されている。この技術の目的は、下部電極および上部電極と基板との間の容量を小さくすることである。
【００１４】
また、特許文献７には、複数の薄膜共振器を含む格子フィルタにおいて、一部の共振器の上に、その共振器に対して質量負荷を与える膜を設ける技術が記載されている。上記膜は、共振器の共振周波数を所定量だけ変化させるものである。特許文献７には、上記膜の材料の一例として酸化シリコンが挙げられている。
【００１５】
また、特許文献８には、ＳｉＯ２よりなる薄膜を含む圧電薄膜共振子において、直列共振と並列共振の少なくとも一方を示す周波数を測定し、測定された周波数と基準周波数との差異を最小限にするために、上記薄膜の厚みを変更する技術が記載されている。
【００１６】
【特許文献１】
特開昭５８−１３７３１７号公報
【特許文献２】
特開昭５８−１５３４１２号公報
【特許文献３】
特開昭６０−１８９３０７号公報（第２−３頁、第３図、第４図）
【特許文献４】
特開昭６０−６８７１１号公報（第２−３頁、第３図、第４図）
【特許文献５】
特開昭５９−１４１８１３号公報（第２−３頁、第３図、第４図）
【特許文献６】
特開昭６０−１７１８２２号公報（第２頁、第３図、第４図）
【特許文献７】
特開平９−６４６８３号公報（第４−５頁、図４−５）
【特許文献８】
特表２００１−５０２１３６号公報（第１５頁、図６ａ）
【非特許文献１】
キヨシ・ナカムラ（Kiyoshi Nakamura）、外１名、「シン・フィルム・レゾネーターズ・アンド・フィルターズ（Thin Film Resonators and Filters）」、インターナショナル・シンポジウム・オン・アコースティック・ウェイブ・デバイスィズ・フォー・フューチャー・モバイル・コミュニケーション・システムズ（International Symposium on Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems）、２００１年３月５−７日、論文集ｐ．９３−９９
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ラダー型フィルタは、通過帯域の両側に配置される低周波側の減衰極および高周波側の減衰極を示す周波数特性を有している。並列共振子の共振周波数は低周波側の減衰極が現れる周波数と一致し、直列共振子の反共振周波数は高周波側の減衰極が現れる周波数と一致する。従って、直列共振子および並列共振子として薄膜圧電共振子を用いたフィルタでは、温度の変化に応じて薄膜圧電共振子の共振周波数が変化すると、温度の変化に応じてフィルタの通過帯域が変化するという問題点がある。
【００１８】
また、デュプレクサにおいては、温度の変化に応じて送信用フィルタの通過帯域や受信用フィルタの通過帯域が変化すると、以下のような問題が発生する。なお、以下の説明では、送信信号の周波数帯域は、受信信号の周波数帯域よりも低周波側に存在するものとする。この場合には、特に、送信用フィルタにおける高周波側の減衰極が現れる周波数と、受信用フィルタにおける低周波側の減衰極が現れる周波数の変化が問題となる。それは、これらの周波数の変化は、送信信号と受信信号とを分離するデュプレクサの性能を低下させるためである。
【００１９】
そこで、フィルタに含まれる複数の薄膜圧電共振子に対して、それぞれ最適な厚みの温度補償膜を付加することによって、各薄膜圧電共振子の共振周波数の温度係数を零に近づけることが考えられる。
【００２０】
しかしながら、上記温度補償膜としてよく用いられるＳｉＯ２の薄膜は、非晶質であるため圧電性を有していない。そのため、ＳｉＯ２よりなる温度補償膜を薄膜圧電共振子に付加した場合、温度補償膜の厚みを大きくするほど、共振子全体の電気機械結合係数が低下する。その結果、薄膜圧電共振子を含むフィルタの通過帯域幅が減少する。
【００２１】
従来、複数の薄膜圧電共振子を含むフィルタにおいて、温度補償膜を薄膜圧電共振子に付加する場合には、例えば、フィルタ全体にわたって温度補償膜を設けていた。この場合には、温度補償膜を設けることによるフィルタの通過帯域幅の減少を抑制することはできない。
【００２２】
特許文献４に記載されているように、基板上において、薄膜圧電共振子が配置された領域を含む一部の領域にのみ温度補償膜を設ける場合もある。この場合であっても、フィルタ中の複数の薄膜圧電共振子の全てに対して、均一な厚みの温度補償膜が設けられる。従って、この場合にも、温度補償膜を設けることによるフィルタの通過帯域幅の減少を抑制することはできない。
【００２３】
特許文献５に記載された技術では、ＳｉＯ２等の絶縁材料よりなる膜は、薄膜圧電振動子における振動部位以外の領域に設けられる。そのため、この膜は、温度補償膜として機能しない。
【００２４】
特許文献６に記載された技術では、誘電体層の実効的厚みを場所によって異ならせている。ただし、薄膜圧電共振子が配置された領域に設けられる誘電体層の厚みは均一である。誘電体層の材料としてＳｉＯ２を用いると、薄膜圧電共振子が配置された領域に設けられる誘電体層は温度補償膜として機能し得る。しかし、この技術を、複数の薄膜圧電共振子を含むフィルタに適用した場合には、複数の薄膜圧電共振子の全てに対して、均一な厚みの誘電体層が設けられる。従って、この場合には、誘電体層を設けることによるフィルタの通過帯域幅の減少を抑制することはできない。
【００２５】
特許文献７に記載された技術では、質量負荷を与える膜は、共振器の共振周波数を所定量だけ変化させるために設けられる。そのため、この膜の材料として酸化シリコンを用いたとしても、この膜の厚みを、共振器の共振周波数の温度係数を零に近づけるように最適化することはできない。
【００２６】
特許文献８に記載された技術では、薄膜の厚みは、測定された周波数と基準周波数との差異を最小限にするように設定される。そのため、この薄膜の材料としてＳｉＯ２を用いたとしても、この薄膜の厚みを、共振子の共振周波数の温度係数を零に近づけるように最適化することはできない。
【００２７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、通過帯域幅が減少することを抑制しながら、温度変化に伴う通過帯域の変化による不具合の発生を防止できるようにした圧電共振フィルタおよびこの圧電共振フィルタを含むデュプレクサを提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電共振フィルタは、それぞれ、圧電性を有する圧電薄膜と、圧電薄膜の両面に配置され、圧電薄膜に対して励振用電圧を印加するための２つの励振用電極とを有する複数の薄膜圧電共振子を備え、通過帯域の両側に配置される低周波側の減衰極および高周波側の減衰極を示す周波数特性を有している。本発明の圧電共振フィルタにおいて、低周波側の減衰極が現れる第１の周波数と高周波側の減衰極が現れる第２の周波数とでは、温度変化に対する周波数の変化率が異なっている。
【００２９】
本発明の圧電共振フィルタでは、第１の周波数と第２の周波数の一方における温度変化に対する周波数の変化率は、他方における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さくなる。
【００３０】
本発明の圧電共振フィルタは、複数の薄膜圧電共振子として、ラダー型のフィルタ回路を構成する直列共振子と並列共振子とを含んでいてもよい。並列共振子は低周波側の減衰極を発現させ、直列共振子は高周波側の減衰極を発現させる。直列共振子と並列共振子の少なくとも一方は、共振周波数の温度変化に対する変化率を零に近づけるための温度補償層を有し、直列共振子における温度補償層の厚みと並列共振子における温度補償層の厚みとは互いに異なっていてもよい。なお、本発明は、直列共振子における温度補償層の厚みと並列共振子における温度補償層の厚みの一方が零である場合も含む。
【００３１】
また、本発明の圧電共振フィルタにおいて、温度補償層は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）によって形成されていてもよい。また、本発明の圧電共振フィルタにおいて、複数の薄膜圧電共振子は、それぞれ、音響インピーダンスが異なる複数の層を含むと共に一方の励振用電極を挟んで圧電薄膜とは反対側に配置された音響多層膜を有していてもよい。音響多層膜の複数の層のうちの一部の層は、温度補償層の一部を兼ねていてもよい。
【００３２】
本発明の第１ないし第３のデュプレクサは、送信信号を通過させ、受信信号を遮断する送信用フィルタと、受信信号を通過させ、送信信号を遮断する受信用フィルタとを備え、アンテナに接続されるものである。送信用フィルタは、第１の通過帯域の両側に配置される第１の低周波側の減衰極および第１の高周波側の減衰極を示す周波数特性を有している。受信用フィルタは、第１の通過帯域とは異なる第２の通過帯域の両側に配置される第２の低周波側の減衰極および第２の高周波側の減衰極を示す周波数特性を有している。
【００３３】
本発明の第１のデュプレクサにおいて、送信用フィルタおよび受信用フィルタのうち、少なくとも送信用フィルタは、複数の薄膜圧電共振子を備えている。各薄膜圧電共振子は、それぞれ、圧電性を有する圧電薄膜と、圧電薄膜の両面に配置され、圧電薄膜に対して励振用電圧を印加するための２つの励振用電極とを有している。
【００３４】
本発明の第１のデュプレクサにおいて、第１の低周波側の減衰極が現れる周波数と第１の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、第２の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さい。
【００３５】
本発明の第１のデュプレクサにおいて、送信用フィルタは、複数の薄膜圧電共振子として、ラダー型のフィルタ回路を構成する直列共振子と並列共振子とを含んでいてもよい。並列共振子は第１の低周波側の減衰極を発現させ、直列共振子は第１の高周波側の減衰極を発現させる。直列共振子と並列共振子の少なくとも一方は、共振周波数の温度変化に対する変化率を零に近づけるための温度補償層を有し、直列共振子における温度補償層の厚みと並列共振子における温度補償層の厚みとは互いに異なっていてもよい。なお、本発明は、直列共振子における温度補償層の厚みと並列共振子における温度補償層の厚みの一方が零である場合も含む。
【００３６】
本発明の第２のデュプレクサにおいて、送信用フィルタおよび受信用フィルタのうち、少なくとも受信用フィルタは、複数の薄膜圧電共振子を備えている。各薄膜圧電共振子は、それぞれ、圧電性を有する圧電薄膜と、圧電薄膜の両面に配置され、圧電薄膜に対して励振用電圧を印加するための２つの励振用電極とを有している。
【００３７】
本発明の第２のデュプレクサにおいて、第２の低周波側の減衰極が現れる周波数と第２の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、第１の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さい。
【００３８】
本発明の第２のデュプレクサにおいて、受信用フィルタは、複数の薄膜圧電共振子として、ラダー型のフィルタ回路を構成する直列共振子と並列共振子とを含んでいてもよい。並列共振子は第２の低周波側の減衰極を発現させ、直列共振子は第２の高周波側の減衰極を発現させる。直列共振子と並列共振子の少なくとも一方は、共振周波数の温度変化に対する変化率を零に近づけるための温度補償層を有し、直列共振子における温度補償層の厚みと並列共振子における温度補償層の厚みとは互いに異なっていてもよい。なお、本発明は、直列共振子における温度補償層の厚みと並列共振子における温度補償層の厚みの一方が零である場合も含む。
【００３９】
本発明の第３のデュプレクサにおいて、送信用フィルタおよび受信用フィルタは、いずれも、複数の薄膜圧電共振子を備えている。各薄膜圧電共振子は、それぞれ、圧電性を有する圧電薄膜と、圧電薄膜の両面に配置され、圧電薄膜に対して励振用電圧を印加するための２つの励振用電極とを有している。
【００４０】
本発明の第３のデュプレクサにおいて、第１の低周波側の減衰極が現れる周波数と第１の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、第２の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さい。
【００４１】
また、本発明の第３のデュプレクサにおいて、第２の低周波側の減衰極が現れる周波数と第２の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、第１の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さい。
【００４２】
本発明の第３のデュプレクサにおいて、送信用フィルタは、複数の薄膜圧電共振子として、ラダー型のフィルタ回路を構成する第１の直列共振子と第１の並列共振子とを含んでいてもよい。第１の並列共振子は第１の低周波側の減衰極を発現させ、第１の直列共振子は第１の高周波側の減衰極を発現させる。第１の直列共振子と第１の並列共振子の少なくとも一方は、共振周波数の温度変化に対する変化率を零に近づけるための温度補償層を有し、第１の直列共振子における温度補償層の厚みと第１の並列共振子における温度補償層の厚みとは互いに異なっていてもよい。なお、本発明は、第１の直列共振子における温度補償層の厚みと第１の並列共振子における温度補償層の厚みの一方が零である場合も含む。
【００４３】
同様に、本発明の第３のデュプレクサにおいて、受信用フィルタは、複数の薄膜圧電共振子として、ラダー型のフィルタ回路を構成する第２の直列共振子と第２の並列共振子とを含んでいてもよい。第２の並列共振子は第２の低周波側の減衰極を発現させ、第２の直列共振子は第２の高周波側の減衰極を発現させる。第２の直列共振子と第２の並列共振子の少なくとも一方は、共振周波数の温度変化に対する変化率を零に近づけるための温度補償層を有し、第２の直列共振子における温度補償層の厚みと第２の並列共振子における温度補償層の厚みとは互いに異なっていてもよい。なお、本発明は、第２の直列共振子における温度補償層の厚みと第２の並列共振子における温度補償層の厚みの一方が零である場合も含む。
【００４４】
また、本発明の第１ないし第３のデュプレクサにおいて、温度補償層は二酸化ケイ素によって形成されていてもよい。また、本発明の第１ないし第３のデュプレクサにおいて、複数の薄膜圧電共振子は、それぞれ、音響インピーダンスが異なる複数の層を含むと共に一方の励振用電極を挟んで圧電薄膜とは反対側に配置された音響多層膜を有していてもよい。音響多層膜の複数の層のうちの一部の層は、温度補償層の一部を兼ねていてもよい。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。まず、図４を参照して、本発明の一実施の形態に係るデュプレクサの構成について説明する。図４は、本実施の形態に係るデュプレクサの回路図である。本実施の形態に係るデュプレクサ９０は、図示しないアンテナに接続されるアンテナ端子９１，９２と、アンテナに対して送信信号を出力する図示しない送信回路に接続される送信信号端子９３，９４と、アンテナからの受信信号を入力する図示しない受信回路に接続される受信信号端子９５，９６とを備えている。
【００４６】
デュプレクサ９０は、更に、送信信号を通過させ、受信信号を遮断する送信用フィルタ９７と、受信信号を通過させ、送信信号を遮断する受信用フィルタ９８とを備えている。フィルタ９７，９８は、それぞれ、２つの入力端子と２つの出力端子とを有している。
【００４７】
送信用フィルタ９７の２つの入力端子はそれぞれ送信信号端子９３，９４に接続されている。送信用フィルタ９７の２つの出力端子はそれぞれアンテナ端子９１，９２に接続されている。受信用フィルタ９８の一方の入力端子は４分の１波長位相変換器９９を介してアンテナ端子９１に接続され、他方の入力端子はアンテナ端子９２に接続されている。受信用フィルタ９８の２つの出力端子はそれぞれ受信信号端子９５，９６に接続されている。
【００４８】
送信回路から送られてきた送信信号は、送信用フィルタ９７を通過してアンテナに送られる。また、アンテナからの受信信号は、４分の１波長位相変換器９９を通過して、４分の１波長だけ位相がずれた信号に変換された後、受信用フィルタ９８を通過して図示しない受信回路に送られる。
【００４９】
後で詳しく説明するが、送信用フィルタ９７と受信用フィルタ９８は共に、本実施の形態に係る圧電共振フィルタによって構成されている。
【００５０】
図５は、本実施の形態に係るデュプレクサ９０の周波数特性の一例を示す特性図である。図５は、一定レベルの信号をデュプレクサ９０の送信用フィルタ９７または受信用フィルタ９８に入力させたときの、各フィルタ９７，９８の出力信号のレベルの周波数特性を表わしている。図５において、符号１１０は送信用フィルタ９７の出力信号のレベルの周波数特性を示し、符号１２０は受信用フィルタ９８の出力信号のレベルの周波数特性を示している。
【００５１】
この例では、送信用フィルタ９７は、所定の第１の通過帯域の両側に配置される第１の低周波側の減衰極１１１および第１の高周波側の減衰極１１２を示す周波数特性を有している。また、受信用フィルタ９８は、第１の通過帯域とは異なる第２の通過帯域の両側に配置される第２の低周波側の減衰極１２１および第２の高周波側の減衰極１２２を示す周波数特性を有している。この例では、第１の通過帯域は、第２の通過帯域よりも低周波側に位置している。
【００５２】
ここで、減衰極１１１，１１２，１２１，１２２が現れる周波数を、それぞれ、ｆ11，ｆ12，ｆ21，ｆ22で表わす。第１の通過帯域は周波数ｆ11と周波数ｆ12との間に存在する。しかし、第１の通過帯域は、必ずしも周波数ｆ11と周波数ｆ12との間の周波数領域と一致するわけではない。例えば、第１の通過帯域を、出力信号のレベルが最大値よりも３ｄＢの低下となる２つの周波数の間の帯域として規定すると、第１の通過帯域は周波数ｆ11と周波数ｆ12との間の周波数領域よりも狭くなる。同様に、第２の通過帯域は、周波数ｆ21と周波数ｆ22との間に存在するが、必ずしも周波数ｆ21と周波数ｆ22との間の周波数領域と一致するわけではない。
【００５３】
次に、図１および図２を参照して、本実施の形態に係る圧電共振フィルタ、すなわち送信用フィルタ９７および受信用フィルタ９８の回路構成について説明する。
【００５４】
図１は、送信用フィルタ９７の回路構成の一例を示す回路図である。この送信用フィルタ９７は、入力端４１Ｔと出力端４２Ｔとを有している。送信用フィルタ９７は、更に、それぞれ薄膜圧電共振子からなり、ラダー型のフィルタ回路を構成する第１ないし第４の直列共振子２１Ｔおよび第１および第２の並列共振子２２Ｔとを有している。第１の直列共振子２１Ｔの一端は入力端４１Ｔに接続されている。第１の直列共振子２１Ｔの他端は、第２の直列共振子２１Ｔの一端に接続されている。第２の直列共振子２１Ｔの他端は、第３の直列共振子２１Ｔの一端に接続されている。第３の直列共振子２１Ｔの他端は、第４の直列共振子２１Ｔの一端に接続されている。第４の直列共振子２１Ｔの他端は出力端４２Ｔに接続されている。
【００５５】
第１の並列共振子２２Ｔの一端は、第１および第２の直列共振子２１Ｔの接続点に接続されている。第１の並列共振子２２Ｔの他端は接地されている。第２の並列共振子２２Ｔの一端は、第３および第４の直列共振子２１Ｔの接続点に接続されている。第２の並列共振子２２Ｔの他端は接地されている。
【００５６】
図２は、受信用フィルタ９８の回路構成の一例を示す回路図である。この受信用フィルタ９８は、入力端４１Ｒと出力端４２Ｒとを有している。受信用フィルタ９８は、更に、それぞれ薄膜圧電共振子からなり、ラダー型のフィルタ回路を構成する第１および第２の直列共振子２１Ｒおよび第１ないし第４の並列共振子２２Ｒとを有している。第１の直列共振子２１Ｒの一端は入力端４１Ｒに接続されている。第１の直列共振子２１Ｒの他端は、第２の直列共振子２１Ｒの一端に接続されている。第２の直列共振子２１Ｒの他端は出力端４２Ｒに接続されている。
【００５７】
第１の並列共振子２２Ｒの一端は、第１の直列共振子２１Ｒの一端に接続されている。第２の並列共振子２２Ｒの一端は、第１の直列共振子２１Ｒの他端に接続されている。第３の並列共振子２２Ｒの一端は、第２の直列共振子２１Ｒの一端に接続されている。第４の並列共振子２２Ｒの一端は、第２の直列共振子２１Ｒの他端に接続されている。第１ないし第４の並列共振子２２Ｒの他端は接地されている。
【００５８】
なお、送信用フィルタ９７および受信用フィルタ９８の回路構成は、それぞれ図１、図２に示した構成に限られない。例えば、送信用フィルタ９７および受信用フィルタ９８の回路構成は、共に、図１に示した回路から第２および第４の直列共振子２１Ｔを除いた構成、または図１に示した回路から第１および第３の直列共振子２１Ｔを除いた構成であってもよい。
【００５９】
また、図１および図２に示した回路は、２つの基本構成部分を縦続接続して構成されている。しかし、送信用フィルタ９７および受信用フィルタ９８の回路構成は、１つの基本構成部分によって構成されてもよいし、３つ以上の基本構成部分を縦続接続して構成されていてもよい。
【００６０】
薄膜圧電共振子は、圧電性を有する圧電薄膜と、圧電薄膜の両面に配置され、圧電薄膜に対して励振用電圧を印加するための２つの励振用電極とを有している。なお、薄膜圧電共振子の具体的な構成については、後で詳しく説明する。
【００６１】
ここで、図３を参照して、本実施の形態に係る圧電共振フィルタの周波数特性について説明する。図３において（ａ）は直列共振子２１（符号２１は符号２１Ｔ，２１Ｒを代表する。）および並列共振子２２（符号２２は符号２２Ｔ，２２Ｒを代表する。）のインピーダンスの周波数特性を概念的に表している。（ａ）において、符号２５は直列共振子２１のインピーダンスの周波数特性を示し、符号２６は並列共振子２２のインピーダンスの周波数特性を示している。また、図３において（ｂ）は、一定レベルの信号を圧電共振フィルタに入力させたときの、圧電共振フィルタの出力信号のレベルの周波数特性を概念的に表している。
【００６２】
本実施の形態では、図３に示したように、直列共振子２１の共振周波数ｆrsと並列共振子２２の反共振周波数ｆapを、圧電共振フィルタの所望の通過帯域２７の中心周波数ｆ０に合わせている。並列共振子２２は低周波側の減衰極２９を発現させ、直列共振子２１は高周波側の減衰極２８を発現させる。すなわち、並列共振子２２の共振周波数ｆrpは低周波側の減衰極２９が現れる周波数と一致し、直列共振子２１の反共振周波数ｆasは高周波側の減衰極２８が現れる周波数と一致する。なお、図３では、圧電共振フィルタの通過帯域２７を、並列共振子２２の共振周波数ｆrpから、直列共振子２１の反共振周波数ｆasまでの周波数範囲として規定している。
【００６３】
図３から分かるように、圧電共振フィルタの通過帯域２７は、各共振子２１，２２の共振周波数（反共振周波数を含む。）に依存する。そのため、温度の変化に応じて各共振子２１，２２の共振周波数が変化すると、温度の変化に応じて圧電共振フィルタの通過帯域２７が変化する。
【００６４】
ここで、図６を参照して、共振子２１，２２を構成する薄膜圧電共振子の共振周波数の温度特性について説明する。図６は、薄膜圧電共振子のインピーダンスの周波数特性を概念的に表している。図６において、ｆrは共振周波数を表わし、ｆaは反共振周波数を表わしている。薄膜圧電共振子において、何ら対策を講じない場合には、温度の変化に応じて、周波数ｆr，ｆaが高周波側または低周波側に移動する。温度変化に対する共振周波数の変化率を、共振周波数の温度係数と言う。温度の上昇に応じて共振周波数が高周波側に移動する場合、共振周波数の温度係数は正の値となる。温度の上昇に応じて共振周波数が低周波側に移動する場合、共振周波数の温度係数は負の値となる。
【００６５】
共振周波数の温度係数は、薄膜圧電共振子の振動部分を構成する薄膜の材料の弾性定数の温度係数に依存する。以下、このことを詳しく説明する。薄膜中を伝搬する波の速度、すなわち音速をｖとし、波の波長をλとし、波の周波数をｆとすると、これらの間には次の式（１）で示される関係がある。
【００６６】
ｖ＝ｆλ …（１）
【００６７】
次に、薄膜の材料の弾性定数をｋとし、薄膜の材料の密度をρとする。これらと音速ｖとの間には、次の式（２）で示される関係がある。
【００６８】
ｖ＝√（ｋ／ρ） …（２）
【００６９】
式（１），（２）より、次の式（３）が得られる。
【００７０】
ｆ＝（１／λ）√（ｋ／ρ） …（３）
【００７１】
式（３）より、周波数ｆは、弾性定数ｋの平方根に比例することが分かる。一方、弾性定数には温度依存性がある。弾性定数の温度係数が正の値である場合、共振周波数の温度係数も正の値となる。逆に、弾性定数の温度係数が負の値である場合、共振周波数の温度係数も負の値となる。
【００７２】
弾性定数およびその温度係数は、物質固有の値である。例えば、特許文献２には、「弾性スチフネスＣ33 Ｅの温度係数の値がＺｎＯ、Ｓｉが負、ＳｉＯ２が正である」と記載されている。このように、ＺｎＯとＳｉＯ２では、弾性定数である弾性スチフネスＣ33 Ｅの温度係数の正負の符号が異なっている。従って、薄膜圧電共振子において、例えば圧電薄膜の材料がＺｎＯである場合には、ＳｉＯ２からなる温度補償層を設けることにより、薄膜圧電共振子の共振周波数の温度係数を零に近づけることができる。
【００７３】
なお、薄膜圧電共振子の共振周波数の温度特性は、薄膜の材料の弾性定数の温度依存性に起因して発現する他に、薄膜圧電共振子を構成する複数の膜の熱膨張係数の違いによっても発現し得る。
【００７４】
本実施の形態に係る圧電共振フィルタ、すなわち送信用フィルタ９７および受信用フィルタ９８では、直列共振子２１と並列共振子２２の少なくとも一方は、共振周波数の温度変化に対する変化率を零に近づけるための温度補償層を有している。この温度補償層は、圧電薄膜の材料の弾性定数の温度係数とは正負の符号が異なる弾性定数の温度係数を有する材料よりなる。本実施の形態では、直列共振子２１における温度補償層の厚みと並列共振子２２における温度補償層の厚みとは互いに異なっている。その結果、本実施の形態に係る圧電共振フィルタでは、低周波側の減衰極２９が現れる周波数と高周波側の減衰極２８が現れる周波数とで、温度変化に対する周波数の変化率が異なっている。なお、本実施の形態では、直列共振子２１における温度補償層の厚みと並列共振子２２における温度補償層の厚みの一方が零であってもよい。言い換えると、直列共振子２１と並列共振子２２の一方は温度補償層を有していなくてもよい。
【００７５】
次に、図７を参照して、本実施の形態における薄膜圧電共振子の構成の一例について説明する。図７は本例における薄膜圧電共振子の断面図である。図７に示した薄膜圧電共振子は、基体１１と、この基体１１の下面に隣接するように配置された下部バリア層１２と、基体１１の上面に隣接するように配置された上部バリア層１３と、上部バリア層１３の上面に隣接するように配置された温度補償層２０とを備えている。薄膜圧電共振子は、更に、温度補償層２０の上に配置された下部電極１４と、この下部電極１４の上に配置された圧電薄膜１５と、この圧電薄膜１５の上に配置された上部電極１６とを備えている。
【００７６】
基体１１は、薄膜圧電共振子における他の構成要素を支持するためのものである。基体１１には空洞１１ａが設けられている。基体１１には、例えばＳｉ基板が用いられる。
【００７７】
下部バリア層１２は、基体１１に空洞１１ａを形成するためのマスクとして用いられる。そのため、下部バリア層１２には、空洞１１ａに対応する位置に開口部１２ａが形成されている。下部バリア層１２の材料には、例えば窒化ケイ素（ＳｉＮＸ）が用いられる。
【００７８】
上部バリア層１３は、基体１１と温度補償層２０とを隔てる絶縁層である。上部バリア層１３の材料には、例えば窒化ケイ素（ＳｉＮＸ）が用いられる。
【００７９】
温度補償層２０は、圧電薄膜１５の材料の弾性定数の温度係数とは正負の符号が異なる弾性定数の温度係数を有する材料よりなる。温度補償層２０の材料としては、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が用いられる。なお、前述のように、本実施の形態では、直列共振子２１と並列共振子２２の一方は温度補償層２０を有していなくてもよい。
【００８０】
圧電薄膜１５は、圧電性を有する薄膜である。圧電薄膜１５の材料には、例えばＺｎＯが用いられる。下部電極１４および上部電極１６は、それぞれ、主として金属よりなる。下部電極１４の材料としては例えばＰｔが用いられ、上部電極１６の材料としては例えばＡｌが用いられる。
【００８１】
上部電極１６は、基体１１の空洞１１ａに対応する位置に配置されている。従って、下部電極１４と、上部電極１６は、圧電薄膜１５を介して対向している。
【００８２】
なお、図７に示した例では、基体１１に空洞１１ａを形成したが、基体１１の上面に窪みを形成し、上部バリア層１３と基体１１の間で空隙を形成するようにしてもよい。
【００８３】
また、図７に示した例では、上部バリア層１３の上に温度補償層２０を配置したが、温度補償層２０は、上部電極１６と圧電薄膜１５の間や、上部電極１６の上に配置してもよい。
【００８４】
次に、本実施の形態に係る圧電共振フィルタおよびデュプレクサ９０の作用について説明する。デュプレクサ９０において、送信用フィルタ９７は、送信信号を通過させ、受信信号を遮断し、受信用フィルタ９８は、受信信号を通過させ、送信信号を遮断する。送信用フィルタ９７は、所定の第１の通過帯域の両側に配置される第１の低周波側の減衰極１１１および第１の高周波側の減衰極１１２を示す周波数特性を有している。また、受信用フィルタ９８は、第１の通過帯域とは異なる第２の通過帯域の両側に配置される第２の低周波側の減衰極１２１および第２の高周波側の減衰極１２２を示す周波数特性を有している。
【００８５】
各フィルタ９７，９８は、ラダー型のフィルタ回路を構成する直列共振子２１と並列共振子２２とを有している。並列共振子２２は低周波側の減衰極を発現させ、直列共振子２１は高周波側の減衰極を発現させる。
【００８６】
各共振子２１，２２において、下部電極１４と上部電極１６には、高周波の励振用電圧が印加される。この励振用電圧は圧電薄膜１５に印加される。これにより、圧電薄膜１５のうち、下部電極１４と上部電極１６との間に配置された部分が励振され、この部分に厚み方向に進行する縦波が発生する。この部分は、励振用電圧の周波数が所定の共振周波数のときに共振する。
【００８７】
ところで、本実施の形態では、前述のように、直列共振子２１における温度補償層の厚み２０と並列共振子２２における温度補償層２０の厚みとは互いに異なっている。以下、デュプレクサ９０が図５に示した周波数特性を有する場合を例にとって、温度補償層２０の厚みについて詳しく説明する。
【００８８】
まず、送信用フィルタ９７では、直列共振子２１Ｔにおける温度補償層２０の厚みは、並列共振子２２Ｔにおける温度補償層２０の厚みよりも大きくなっている。直列共振子２１Ｔにおける温度補償層２０の厚みは、直列共振子２１Ｔの共振周波数の温度係数が零に近づくように設定される。並列共振子２２Ｔにおける温度補償層２０の厚みは、零であってもよい。その結果、送信用フィルタ９７では、低周波側の減衰極１１１が現れる周波数ｆ11と高周波側の減衰極１１２が現れる周波数ｆ12のうち、受信用フィルタ９８の通過帯域に近い方の周波数すなわち高周波側の減衰極１１２が現れる周波数ｆ12における温度係数の絶対値は、他方の周波数すなわち低周波側の減衰極１１１が現れる周波数ｆ11における温度係数の絶対値よりも小さくなっている。
【００８９】
一方、受信用フィルタ９８では、並列共振子２２Ｒにおける温度補償層２０の厚みは、直列共振子２１Ｒにおける温度補償層２０の厚みよりも大きくなっている。並列共振子２２Ｒにおける温度補償層２０の厚みは、並列共振子２２Ｒの共振周波数の温度係数が零に近づくように設定される。直列共振子２１Ｒにおける温度補償層２０の厚みは、零であってもよい。その結果、受信用フィルタ９８では、低周波側の減衰極１２１が現れる周波数ｆ21と高周波側の減衰極１２２が現れる周波数ｆ22のうち、送信用フィルタ９７の通過帯域に近い方の周波数すなわち低周波側の減衰極１２１が現れる周波数ｆ21における温度係数の絶対値は、他方の周波数すなわち高周波側の減衰極１２２が現れる周波数ｆ22における温度係数の絶対値よりも小さくなっている。
【００９０】
図５に示した周波数特性を有するデュプレクサ９０では、特に、送信用フィルタ９７における高周波側の減衰極１１２が現れる周波数ｆ12と、受信用フィルタ９８における低周波側の減衰極１２１が現れる周波数ｆ21の変化が問題となる。それは、これらの周波数の変化は、送信信号と受信信号とを分離するデュプレクサ９０の性能を低下させるためである。本実施の形態では、温度補償層２０を設けることによって、これらの周波数における温度係数の絶対値を小さくすることができる。
【００９１】
一方、送信用フィルタ９７における低周波側の減衰極１１１が現れる周波数ｆ11は、送信信号の周波数帯域の低周波側の端の周波数に対して、低周波側に、ある程度離れるように設定することが可能である。この場合には、周波数ｆ11における温度係数の絶対値がある程度大きくても、さほど問題にはならない。同様に、受信用フィルタ９８における高周波側の減衰極１２２が現れる周波数ｆ22は、受信信号の周波数帯域の高周波側の端の周波数に対して、高周波側に、ある程度離れるように設定することが可能である。この場合には、周波数ｆ22における温度係数の絶対値がある程度大きくても、さほど問題にはならない。
【００９２】
従って、本実施の形態において、送信用フィルタ９７の並列共振子２２Ｔにおける温度補償層２０の厚みや、受信用フィルタ９８の直列共振子２１Ｒにおける温度補償層２０の厚みを小さくしても、さほど問題にはならない。本実施の形態では、共振子２２Ｔ，２１Ｒにおける温度補償層２０の厚みを小さくすることによって、温度補償層２０に起因する共振子２２Ｔ，２１Ｒの電気機械結合係数の低下を抑制することができる。その結果、本実施の形態によれば、温度補償層２０に起因するフィルタ９７，９８の通過帯域幅の減少を抑制することができる。
【００９３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、デュプレクサ９０における送信用フィルタ９７および受信用フィルタ９８の通過帯域幅が減少することを抑制しながら、温度変化に伴う通過帯域の変化による不具合の発生を防止することができる。
【００９４】
次に、図７に示した構成の薄膜圧電共振子を含む圧電共振フィルタの製造方法の一例について説明する。本例では、基体１１として、表面が（１００）面となるように切断し、表面を研磨したＳｉ基板を用いた。そして、この基体１１の上面（表面）と下面（裏面）にそれぞれ、化学的気相成長（ＣＶＤ）法により、２００ｎｍの厚みの窒化ケイ素（ＳｉＮＸ）膜を形成した。基体１１の上面に形成された窒化ケイ素膜は上部バリア層１３となり、基体１１の下面に形成された窒化ケイ素膜は下部バリア層１２となる。
【００９５】
次に、下部バリア層１２に、反応性イオンエッチングを用いて、開口部１２ａを形成した。下部バリア層１２は、後にエッチングによって基体１１に空洞１１ａを形成するためのマスクとして用いられる。
【００９６】
次に、上部バリア層１３の上に、スパッタ法およびリフトオフ法を用いて、ＳｉＯ２よりなる温度補償層２０を形成した。本例におけるリフトオフ法は、フォトリソグラフィによって下地の上にマスクを形成する工程、下地およびマスクの全面にスパッタ法によって薄膜を形成する工程、およびマスクをリフトオフする工程を含む。
【００９７】
本例では、以下のようにして温度補償層２０を形成することによって、直列共振子２１における温度補償層２０の厚みを３００ｎｍとし、並列共振子２２における温度補償層２０の厚みを５０ｎｍとした。すなわち、本例では、まず、上部バリア層１３の上面全体に、スパッタ法によって５０ｎｍの厚みの第１のＳｉＯ２膜を形成した。次に、この第１のＳｉＯ２膜の上のうち、直列共振子２１が形成される領域に、リフトオフ法によって、２５０ｎｍの厚みの第２のＳｉＯ２膜を形成した。
【００９８】
次に、温度補償層２０の上に、真空蒸着法およびドライエッチング法により、Ｐｔよりなる１５０ｎｍの厚みの下部電極１４を形成した。
【００９９】
次に、下部電極１４の上に、スパッタ法により、ＺｎＯよりなる８００ｎｍの厚みの圧電薄膜１５を形成した。
【０１００】
次に、圧電薄膜１５の上に、スパッタ法およびウエットエッチング法を用いて、Ａｌよりなる上部電極１６を形成した。本例では、直列共振子２１の共振周波数と並列共振子２２の共振周波数とを異ならせるために、直列共振子２１における上部電極１６の厚みを３００ｎｍとし、並列共振子２２における上部電極１６の厚みを５２５ｎｍとした。
【０１０１】
圧電薄膜１５のうち、下部電極１４と上部電極１６との間に配置された部分が共振する部分である。
【０１０２】
次に、下部バリア層１２をマスクとし、ＫＯＨを用いて、下面（裏面）側より基体１１をエッチングして、空洞１１ａを形成した。（１００）面を有するように配向したＳｉ基板よりなる基体１１は、ＫＯＨにより異方性エッチングが施される。その結果、基体１１には、下側に向けて徐々に幅が広がる形状の空洞１１ａが形成された。
【０１０３】
本例では、ラダー型のフィルタ回路を構成する２つの直列共振子２１と２つの並列共振子２２を含む圧電共振フィルタを製造した。この圧電共振フィルタの回路構成は、図１に示した回路から第２および第４の直列共振子２１Ｔを除いた構成、または図１に示した回路から第１および第３の直列共振子２１Ｔを除いた構成となる。
【０１０４】
次に、上記の製造方法によって形成された圧電共振フィルタの周波数特性を測定した結果を図８に示す。図８において、実線は−２０℃における圧電共振フィルタの周波数特性を示し、破線は８０℃における圧電共振フィルタの周波数特性を示している。この測定結果では、低周波側の減衰極が現れる周波数における温度係数は−５５ｐｐｍ／℃となり、高周波側の減衰極が現れる周波数における温度係数は−４５ｐｐｍ／℃となった。このことから、本例によれば、低周波側の減衰極が現れる周波数と高周波側の減衰極が現れる周波数とで、温度係数を異ならせることができることが分かる。
【０１０５】
また、温度補償層２０を、上部バリア層１３と下部電極１４との間ではなく、上部電極１６と圧電薄膜１５の間や上部電極１６の上に配置し、他の条件は上記の例と同様にして製造した圧電共振フィルタについても周波数特性を測定した。その測定結果は、図８とほぼ同様となった。
【０１０６】
次に、図９を参照して、本実施の形態における薄膜圧電共振子の構成の他の例について説明する。図９に示した例では、薄膜圧電共振子は、基体１１と、この基体１１の上に配置された音響多層膜２３と、この音響多層膜２３の上に配置された下部電極１４と、この下部電極１４の上に配置された圧電薄膜１５と、この圧電薄膜１５の上に配置された温度補償層２０と、この温度補償層２０の上に配置された上部電極１６とを備えている。音響多層膜２３は、例えばＡｌＮのように音響インピーダンスの高い材料からなる層２３Ａと、例えばＳｉＯ２のように音響インピーダンスの低い材料からなる層２３Ｂとを交互に積層することによって構成されている。
【０１０７】
下部電極１４、圧電薄膜１５、温度補償層２０および上部電極１６の材料は、図７に示した構成の薄膜圧電共振子と同様である。
【０１０８】
図９に示した構成の薄膜圧電共振子において、層２３Ｂの材料として、ＳｉＯ２のように、圧電薄膜１５の材料の弾性定数の温度係数とは正負の符号が異なる弾性定数の温度係数を有する材料を用いた場合には、この層２３Ｂは、薄膜圧電共振子の共振周波数の温度係数を零に近づける機能を有する。この場合には、温度補償層２０の他に、層２３Ｂも温度補償層と見ることができる。すなわち、層２３Ｂは温度補償層の一部を兼ねていると言える。従って、図９に示した構成の薄膜圧電共振子を用いることにより、共振周波数の温度係数をより零に近づけることが可能になる。
【０１０９】
次に、図９に示した構成の薄膜圧電共振子を含む圧電共振フィルタの製造方法の一例について説明する。本例では、基体１１として、表面が（１００）面となるように切断し、表面を研磨したＳｉ基板を用いた。そして、この基体１１の上に、それぞれスパッタ法により、１．４μｍの厚みのＡｌＮ層と、０．８μｍの厚みのＳｉＯ２層とを交互に４層ずつ積層して、合計８層よりなる音響多層膜２３を形成した。
【０１１０】
次に、音響多層膜２３の上に、真空蒸着法およびドライエッチング法により、Ｐｔよりなる１５０ｎｍの厚みの下部電極１４を形成した。
【０１１１】
次に、下部電極１４の上に、スパッタ法により、ＺｎＯよりなる８００ｎｍの厚みの圧電薄膜１５を形成した。
【０１１２】
次に、圧電薄膜１５の上に、ＳｉＯ２よりなる温度補償層２０を形成した。本例では、直列共振子２１における温度補償層２０の厚みを３００ｎｍとし、並列共振子２２における温度補償層２０の厚みを５０ｎｍとした。この温度補償層２０の形成方法は、図７に示した構成の薄膜圧電共振子における温度補償層２０の形成方法と同様である。
【０１１３】
次に、温度補償層２０の上に、スパッタ法およびウエットエッチング法を用いて、Ａｌよりなる上部電極１６を形成した。本例では、直列共振子２１の共振周波数と並列共振子２２の共振周波数とを異ならせるために、直列共振子２１における上部電極１６の厚みを３００ｎｍとし、並列共振子２２における上部電極１６の厚みを５２５ｎｍとした。
【０１１４】
本例では、ラダー型のフィルタ回路を構成する２つの直列共振子２１と２つの並列共振子２２を含む圧電共振フィルタを製造した。この圧電共振フィルタの回路構成は、図１に示した回路から第２および第４の直列共振子２１Ｔを除いた構成、または図１に示した回路から第１および第３の直列共振子２１Ｔを除いた構成となる。
【０１１５】
次に、上記の製造方法によって形成された圧電共振フィルタの周波数特性を測定した。この測定結果では、低周波側の減衰極が現れる周波数における温度係数は−３４ｐｐｍ／℃となり、高周波側の減衰極が現れる周波数における温度係数は−２４ｐｐｍ／℃となった。このように、本例における測定結果では、図７に示した構成の薄膜圧電共振子を含む圧電共振フィルタにおける測定結果に比べて、温度係数の絶対値が小さくなっている。これは、本例では、音響多層膜２３中のＳｉＯ２層が温度補償層の一部を兼ねているためと考えられる。
【０１１６】
なお、図９では、圧電薄膜１５と上部電極１６の間に温度補償層２０を配置したが、温度補償層２０は上部電極１６の上に配置してもよい。温度補償層２０を上部電極１６の上に配置し、他の条件は上記の例と同様にして製造した圧電共振フィルタについても周波数特性を測定した。その測定結果は、図９に示した構成の場合とほぼ同様となった。
【０１１７】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明の圧電共振フィルタは、デュプレクサにおける送信用フィルタおよび受信用フィルタとして使用される場合に限らず、低周波側の減衰極が現れる周波数と高周波側の減衰極が現れる周波数の一方のみにおいて、温度変化に対する周波数の変化率を零に近づければよい場合に効果を発揮する。従って、本発明の圧電共振フィルタは、デュプレクサにおける送信用フィルタおよび受信用フィルタ以外の用途に用いられるものであってもよい。
【０１１８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし５のいずれかに記載のデュプレクサでは、送信用フィルタは、第１の低周波側の減衰極と第１の高周波側の減衰極とによって決められる第１の通過帯域を有している。また、受信用フィルタは、第２の低周波側の減衰極と第２の高周波側の減衰極とによって決められる第２の通過帯域を有している。第１の低周波側の減衰極が現れる周波数と第１の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、第２の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さい。従って、本発明によれば、送信用フィルタにおける通過帯域幅が減少することを抑制しながら、温度変化に伴う送信用フィルタにおける通過帯域の変化による不具合の発生を防止することが可能になるという効果を奏する。
【０１２１】
また、請求項５記載のデュプレクサでは、複数の薄膜圧電共振子は、それぞれ、音響インピーダンスが異なる複数の層を含むと共に一方の励振用電極を挟んで圧電薄膜とは反対側に配置された音響多層膜を有し、音響多層膜の複数の層のうちの一部の層は、温度補償層の一部を兼ねている。従って、本発明によれば、共振周波数の温度変化に対する変化率をより零に近づけることが可能になるという効果を奏する。
【０１２２】
また、請求項６ないし１０のいずれかに記載のデュプレクサでは、送信用フィルタは、第１の低周波側の減衰極と第１の高周波側の減衰極とによって決められる第１の通過帯域を有している。また、受信用フィルタは、第２の低周波側の減衰極と第２の高周波側の減衰極とによって決められる第２の通過帯域を有している。第２の低周波側の減衰極が現れる周波数と第２の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、第１の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さい。従って、本発明によれば、受信用フィルタにおける通過帯域幅が減少することを抑制しながら、温度変化に伴う受信用フィルタにおける通過帯域の変化による不具合の発生を防止することが可能になるという効果を奏する。
【０１２３】
また、請求項１０記載のデュプレクサでは、複数の薄膜圧電共振子は、それぞれ、音響インピーダンスが異なる複数の層を含むと共に一方の励振用電極を挟んで圧電薄膜とは反対側に配置された音響多層膜を有し、音響多層膜の複数の層のうちの一部の層は、温度補償層の一部を兼ねている。従って、本発明によれば、共振周波数の温度変化に対する変化率をより零に近づけることが可能になるという効果を奏する。
【０１２４】
また、請求項１１ないし１５のいずれかに記載のデュプレクサでは、送信用フィルタは、第１の低周波側の減衰極と第１の高周波側の減衰極とによって決められる第１の通過帯域を有している。また、受信用フィルタは、第２の低周波側の減衰極と第２の高周波側の減衰極とによって決められる第２の通過帯域を有している。第１の低周波側の減衰極が現れる周波数と第１の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、第２の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さい。また、第２の低周波側の減衰極が現れる周波数と第２の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、第１の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さい。従って、本発明によれば、送信用フィルタおよび受信用フィルタにおける各通過帯域幅が減少することを抑制しながら、温度変化に伴う各通過帯域の変化による不具合の発生を防止することが可能になるという効果を奏する。
【０１２５】
また、請求項１５記載のデュプレクサでは、複数の薄膜圧電共振子は、それぞれ、音響インピーダンスが異なる複数の層を含むと共に一方の励振用電極を挟んで圧電薄膜とは反対側に配置された音響多層膜を有し、音響多層膜の複数の層のうちの一部の層は、温度補償層の一部を兼ねている。従って、本発明によれば、共振周波数の温度変化に対する変化率をより零に近づけることが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るデュプレクサにおける送信用フィルタの回路構成の一例を示す回路図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るデュプレクサにおける受信用フィルタの回路構成の一例を示す回路図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る圧電共振フィルタの周波数特性を説明するための説明図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係るデュプレクサの回路図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係るデュプレクサの周波数特性の一例を示す特性図である。
【図６】本発明の一実施の形態における薄膜圧電共振子の共振周波数の温度特性について説明するための説明図である。
【図７】本発明の一実施の形態における薄膜圧電共振子の構成の一例を示す断面図である。
【図８】図７に示した薄膜圧電共振子を含む圧電共振フィルタの周波数特性の測定結果を示す特性図である。
【図９】本発明の一実施の形態における薄膜圧電共振子の構成の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１１…基体、１２…下部バリア層、１３…上部バリア層、１４…下部電極、１５…圧電薄膜、１６…上部電極、２１…直列共振子、２２…並列共振子、２０…温度補償層、９０…デュプレクサ、９７…送信用フィルタ、９８…受信用フィルタ。
Claims (15)
- 送信信号を通過させ、受信信号を遮断する送信用フィルタと、受信信号を通過させ、送信信号を遮断する受信用フィルタとを備え、アンテナに接続されるデュプレクサであって、
前記送信用フィルタは、第１の通過帯域の両側に配置される第１の低周波側の減衰極および第１の高周波側の減衰極を示す周波数特性を有し、
前記受信用フィルタは、前記第１の通過帯域とは異なる第２の通過帯域の両側に配置される第２の低周波側の減衰極および第２の高周波側の減衰極を示す周波数特性を有し、
前記送信用フィルタおよび前記受信用フィルタのうち、少なくとも送信用フィルタは、複数の薄膜圧電共振子を備え、各薄膜圧電共振子は、それぞれ、圧電性を有する圧電薄膜と、前記圧電薄膜の両面に配置され、前記圧電薄膜に対して励振用電圧を印加するための２つの励振用電極とを有し、
前記第１の低周波側の減衰極が現れる周波数と前記第１の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、前記第２の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さいことを特徴とするデュプレクサ。 - 前記送信用フィルタは、前記複数の薄膜圧電共振子として、ラダー型のフィルタ回路を構成する直列共振子と並列共振子とを含み、前記並列共振子は前記第１の低周波側の減衰極を発現させ、前記直列共振子は前記第１の高周波側の減衰極を発現させ、前記直列共振子と並列共振子の少なくとも一方は、共振周波数の温度変化に対する変化率を零に近づけるための温度補償層を有し、前記直列共振子における前記温度補償層の厚みと前記並列共振子における前記温度補償層の厚みとは互いに異なっていることを特徴とする請求項１記載のデュプレクサ。
- 前記温度補償層は二酸化ケイ素によって形成されていることを特徴とする請求項２記載のデュプレクサ。
- 前記複数の薄膜圧電共振子は、それぞれ、音響インピーダンスが異なる複数の層を含むと共に一方の励振用電極を挟んで前記圧電薄膜とは反対側に配置された音響多層膜を有していることを特徴とする請求項２または３記載のデュプレクサ。
- 前記音響多層膜の複数の層のうちの一部の層は、前記温度補償層の一部を兼ねていることを特徴とする請求項４記載のデュプレクサ。
- 送信信号を通過させ、受信信号を遮断する送信用フィルタと、受信信号を通過させ、送信信号を遮断する受信用フィルタとを備え、アンテナに接続されるデュプレクサであって、
前記送信用フィルタは、第１の通過帯域の両側に配置される第１の低周波側の減衰極および第１の高周波側の減衰極を示す周波数特性を有し、
前記受信用フィルタは、前記第１の通過帯域とは異なる第２の通過帯域の両側に配置される第２の低周波側の減衰極および第２の高周波側の減衰極を示す周波数特性を有し、
前記送信用フィルタおよび前記受信用フィルタのうち、少なくとも受信用フィルタは、複数の薄膜圧電共振子を備え、各薄膜圧電共振子は、それぞれ、圧電性を有する圧電薄膜と、前記圧電薄膜の両面に配置され、前記圧電薄膜に対して励振用電圧を印加するための２つの励振用電極とを有し、
前記第２の低周波側の減衰極が現れる周波数と前記第２の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、前記第１の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さいことを特徴とするデュプレクサ。 - 前記受信用フィルタは、前記複数の薄膜圧電共振子として、ラダー型のフィルタ回路を構成する直列共振子と並列共振子とを含み、前記並列共振子は前記第２の低周波側の減衰極を発現させ、前記直列共振子は前記第２の高周波側の減衰極を発現させ、前記直列共振子と並列共振子の少なくとも一方は、共振周波数の温度変化に対する変化率を零に近づけるための温度補償層を有し、前記直列共振子における前記温度補償層の厚みと前記並列共振子における前記温度補償層の厚みとは互いに異なっていることを特徴とする請求項６記載のデュプレクサ。
- 前記温度補償層は二酸化ケイ素によって形成されていることを特徴とする請求項７記載のデュプレクサ。
- 前記複数の薄膜圧電共振子は、それぞれ、音響インピーダンスが異なる複数の層を含むと共に一方の励振用電極を挟んで前記圧電薄膜とは反対側に配置された音響多層膜を有していることを特徴とする請求項７または８記載のデュプレクサ。
- 前記音響多層膜の複数の層のうちの一部の層は、前記温度補償層の一部を兼ねていることを特徴とする請求項９記載のデュプレクサ。
- 送信信号を通過させ、受信信号を遮断する送信用フィルタと、受信信号を通過させ、送信信号を遮断する受信用フィルタとを備え、アンテナに接続されるデュプレクサであって、
前記送信用フィルタは、第１の通過帯域の両側に配置される第１の低周波側の減衰極および第１の高周波側の減衰極を示す周波数特性を有し、
前記受信用フィルタは、前記第１の通過帯域とは異なる第２の通過帯域の両側に配置される第２の低周波側の減衰極および第２の高周波側の減衰極を示す周波数特性を有し、
前記送信用フィルタおよび前記受信用フィルタは、いずれも、複数の薄膜圧電共振子を備え、各薄膜圧電共振子は、それぞれ、圧電性を有する圧電薄膜と、前記圧電薄膜の両面に配置され、前記圧電薄膜に対して励振用電圧を印加するための２つの励振用電極とを有し、
前記第１の低周波側の減衰極が現れる周波数と前記第１の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、前記第２の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さく、
前記第２の低周波側の減衰極が現れる周波数と前記第２の高周波側の減衰極が現れる周波数のうち、前記第１の通過帯域に近い方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率は、他方の周波数における温度変化に対する周波数の変化率よりも小さいことを特徴とするデュプレクサ。 - 前記送信用フィルタは、前記複数の薄膜圧電共振子として、ラダー型のフィルタ回路を構成する第１の直列共振子と第１の並列共振子とを含み、前記第１の並列共振子は前記第１の低周波側の減衰極を発現させ、前記第１の直列共振子は前記第１の高周波側の減衰極を発現させ、前記第１の直列共振子と第１の並列共振子の少なくとも一方は、共振周波数の温度変化に対する変化率を零に近づけるための温度補償層を有し、前記第１の直列共振子における前記温度補償層の厚みと前記第１の並列共振子における前記温度補償層の厚みとは互いに異なっており、
前記受信用フィルタは、前記複数の薄膜圧電共振子として、ラダー型のフィルタ回路を構成する第２の直列共振子と第２の並列共振子とを含み、前記第２の並列共振子は前記第２の低周波側の減衰極を発現させ、前記第２の直列共振子は前記第２の高周波側の減衰極を発現させ、前記第２の直列共振子と第２の並列共振子の少なくとも一方は、共振周波数の温度変化に対する変化率を零に近づけるための温度補償層を有し、前記第２の直列共振子における前記温度補償層の厚みと前記第２の並列共振子における前記温度補償層の厚みとは互いに異なっていることを特徴とする請求項１１記載のデュプレクサ。 - 前記温度補償層は二酸化ケイ素によって形成されていることを特徴とする請求項１２記載のデュプレクサ。
- 前記複数の薄膜圧電共振子は、それぞれ、音響インピーダンスが異なる複数の層を含むと共に一方の励振用電極を挟んで前記圧電薄膜とは反対側に配置された音響多層膜を有していることを特徴とする請求項１２または１３記載のデュプレクサ。
- 前記音響多層膜の複数の層のうちの一部の層は、前記温度補償層の一部を兼ねていることを特徴とする請求項１４記載のデュプレクサ。
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