JP3890740B2

JP3890740B2 - 弾性表面波導波路構造及びそれを用いたデバイス

Info

Publication number: JP3890740B2
Application number: JP11601898A
Authority: JP
Inventors: 和博廣田
Original assignee: Miyazaki Epson Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 1998-04-10
Filing date: 1998-04-10
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2018-04-10
Also published as: JPH11298286A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は弾性表面波（以下、ＳＡＷと称す）変換器および反射器などの弾性表面波導波路構造に関し、特にＩＤＴ電極、グレーティング反射器と並行して両側に電極指幅の異なるグレーティングを配した弾性表面波導波路構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高性能、小型、高生産性等の優れた特徴を有するＳＡＷフィルタが多くの通信分野で用いられ、ことに携帯電話等の普及の一翼を担っている。
図６は従来のＳＡＷデバイスの弾性表面波導波路として用いられるＩＤＴ電極２０とグレーティング電極２１との構成を示す平面図である。ＩＤＴ電極２０は、周知のように圧電基板上に表面波の伝搬方向に沿って幅L_Tの電極指を間隙S_TおいてピッチP₁（ P₁ = L_T + S_T ）にて配列し、交互に正負のバスバー２２ａ、２２ｂと電気的に接続する構造である。即ちＩＤＴ電極指２０の電極指周期LはピッチP₁の２倍L=2 P₁となる。
一方、グレーティング電極２１は、ＩＤＴ電極２０と同様に幅L_Rの電極指を間隙S_RおいてピッチP₂（ P₂= L_R + S_R ）にて配列し、一般的にはその両端をバスバー２２ｃ、２２ｄと電気的に接続する構造である。ただ、表面波を反射するという機能があれば十分であるため、バスバーを省略した電極指の配列のみで用いる場合もある。
【０００３】
図６に示したＩＤＴ電極２０及びグレーティング電極２１を伝搬する表面波を導波という観点から考察する。ＩＤＴ電極２０により励起された表面波は、励起された位置では電極指列と垂直方向に位相速度を持つ平面波に近いが、伝搬するにしたがい回折して広がり、平面波の波面はしだいに乱れてくる。ここで、ＩＤＴ電極２０の電極指はグレーティング電極２１の電極指と同様に電界短絡、質量負荷効果による反射及び速度変化の作用を有するので、グレーティング効果を記述するときは、ＩＤＴ電極２０、グレーティング電極２１共にグレーティングと云うことにする。
図６に示すＩＤＴ電極２０、グレーティング電極２１の構成がある長さ以上連続するか、あるいはグレーティング電極２１と同様なグレーティング電極（図示していない）をＩＤＴ電極２０を中心として対称に配置することにより、励起された表面波がグレーティング電極間を何度も往復するような状態であれば、ＩＤＴ電極２０とグレーティング電極２１とは導波路として機能し、導波モードが形成される場合がある。
【０００４】
この原因は、図６に示すグレーティング領域Ａとバスバー２２ａ、ｂ、ｃ及び２２ｄの領域Ｂとにおける表面波の位相速度の違いにより、Ａ、Ｂ両者の境界で表面波が全反射を起こすためであると考えることが出来る。このとき、領域Ａで示す導波路と直角方向の最低次対称モードの変位分布は、概略、図６中の破線αで示されたようになり導波路内部に表面波の振動エネルギーが閉じ込められることになる。
【０００５】
上記のような、導波状態、即ち表面波の振動エネルギーが閉じ込められる状態を形成するためには、いくつかの条件を充たする必要がある。橋本らが「有限厚金属グレーティングを斜め伝搬する弾性表面波の高速解析法」、電子情報通信学会技報、US95-47(1955-09)に示しているように、導波状態を形成するためには、ＩＤＴ電極２０の電極指の垂直方向（主伝搬方向）と表面波の伝搬方向とのなす角度が小さい範囲で、表面波の逆速度面（逆速度とは表面波の位相速度の逆数即ちSlownessを云う）が図７（ａ）に示すように進行方向に凸である場合には、図６に示す内側のグレーティング領域Ａにおける表面波の速度を外側の領域Ｂのそれよりも遅く、また、図７（ｂ）に示すように逆速度面が進行方向に凹である場合には、領域Ｂの速度の方を領域Ａのそれよりも遅くしなければならないことが示されている。
【０００６】
例えば、上記の条件が満たされない場合には、励振された表面波が回折のため領域Ｂの外側へ放射され、その変位分布は図６に示す実線βのようになり、表面波のエネルギーを領域Ａに閉じ込めることはできず、導波モードは形成されない。この放射による損失は、導波路が長いほど大きく、共振子であればＱ値の低下、フィルタであれば挿入損失の増加をもたらすことになる。
【０００７】
図６の領域Ａ、Ｂにおける伝搬速度の違いについてさらに詳しく述べる。前述したように橋本らは文献中で、逆速度面が進行方向に凸である場合、導波状態を形成するためには、外側領域Ｂの表面波の速度を領域Ａのそれより速くすればよいと述べている。例えば、バスバーの領域ＢがＩＤＴ電極２０、グレーティング電極２１の電極指と同じ膜厚のメタライズ膜にて構成した場合、バスバーの領域Ｂはグレーティング領域Ａよりも電極面積密度が大きくなるため、短絡効果および質量負荷効果が大きく、領域Ｂにおける伝搬速度が領域Ａのそれより遅くなるはずである。
ところが、電極パターンの膜厚がある厚さ以上となると、領域Ｂがグレーティングと同じメタライズ面であっても、グレーティング領域Ａの電極指端部における電気的及び機械的なエネルギー蓄積効果により領域Ａにおける表面波の伝搬速度が領域Ｂのそれより遅くなるため、図６の電極構成であっても表面波が導波されることが知られている。実際に、ST-cut水晶基板（逆速度面が凸）にアルミニウム（Ａｌ）電極を用いた場合では、０．３〜０．４％Ｌ（Ｌ=2P₁）という非常に薄い膜厚以上で、グレーティング領域Ａにおける伝搬速度の方が領域Ｂのそれより遅くなることが分かっている。ここで、ＬはＩＤＴ電極２０の周期であり、デバイスの中心周波数における表面波の波長とほぼ等しい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
逆に、表面波の逆速度面が凹となる基板材料を用いる場合、導波状態を形成するためには領域Ｂの速度をグレーティング領域Ａよりも遅くしなければならない。例えば、上記の橋本の文献中にも示されているように、主伝搬方向の逆速度面が凹となる代表的な圧電基板には３６゜ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ₃（または４２゜Ｙカット）があり、この基板は、携帯電話等のＲＦフィルタ用として数多く用いられている。これまでは比較的膜厚の薄い電極を用いてデバイスを構成していたが、インピーダンスを低く抑えロスを低減するために、電極膜厚h/Lが10％にも及ぶような厚い膜厚の共振器型表面波ＲＦフィルタが必要になり、実用化されつつある。
しかしながら、前述したように電極膜厚を厚くするとＡ＜Ｂとなり、凹の場合、導波状態を形成することができなくなってしまう。そのためフィルタの挿入損失が増大して所望の特性が得られないという不具合が生じる。このフィルタは無線機のフロントエンドに用いられるため挿入損失への要求は厳しく、挿入損失が大きいと無線機の感度を劣化させるという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、主伝搬方向の逆速度面が凹であるような基板において、従来のＩＤＴ電極構造では導波が出来ない膜厚でも導波を可能とし、回折による損失の増加を低減する弾性表面波導波路構造を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係る弾性表面波導波路構造及びそれを用いたデバイスの請求項１記載の発明は、３６°ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ₃、又は４２°ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ₃において、ＩＤＴ電極の開口の両外側に、開口部の電極指よりも幅広の電極指を有するグレーティング電極を配置し、且つ、ＩＤＴ電極の電極指ピッチＬで基準化した電極膜厚Ｈ／Ｌを４．５％より大きく設定することを特徴とする弾性表面波導波路構造及びそれを用いたデバイスである。請求項２記載の発明は、請求項１に記載の弾性表面波導波路のＩＤＴ電極の両側にグレーティング反射器を配置し、該グレーティング反射器の上下方向に、グレーティング反射器よりも幅広の電極指を有するグレーティング電極を配置したことを特徴とする弾性表面波導波路構造及びそれを用いたデバイスである。請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の弾性表面波導波路を用いて構成した共振子やフィルタなどの弾性表面波デバイスである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面に示した実施の形態に基づいて詳細に説明する。
本発明の理解を容易にするためグレーティング効果について少し説明する。図２は実験値を基に計算した３６゜Ｙ−Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ₃基板上のリーキータイプ表面波を用いて、ライン占有率η（η=L_T/( L_T +S_T)）の値をη=0.5とした場合の自由表面速度V_fに対する表面波の位相速度Vの比V/V_fと、電極膜厚h/Lとの関係を示す図である。グレーティング上の速度は、橋本らも示しているようにブラッグ周波数（各電極指からの反射波が同位相となる周波数）付近で分散を示すため、グレーティングが形成するストップバンド中央における速度Vg（平均的な速度）を破線Vgで示し、ストップバンド下端における速度Vg_L（最低速度）を点線Vg_Lで代表的に示してある。実線Vmは領域Ｂのメタライズ面における速度であり、周波数依存性はない。尚、同図においては、これらいずれの速度も自由表面速度V_fにより正規化した値となっている。
【００１１】
図２からも明らかのように膜厚h/L=0（膜厚は0であるが電気的には短絡）では、強い電気的短絡効果のためグレーティング電極上の速度より領域Ｂのメタライズ面の速度の方が遅くなる。しかし、膜厚h/Lが図中矢印で示す約4.5％を超えると、グレーティングの電極指のエネルギー蓄積効果が大きくなり、励起される周波数がストップバンド下端付近ではグレーティング領域Ａの速度の方が遅くなる。その結果として、グレーティング領域Ａでは導波できずに表面波のエネルギーが領域Ｂの外側に放射され損失が生ずることになる。
一般に、ストップバンド下端付近の共振を用いて表面波共振子や共振器型表面波フィルタを構成するため、このグレーティング領域Ａでの回折損失は、表面波共振子のＱ値の低下や前記フィルタの挿入損失の増加をもたらす。
【００１２】
グレーティングからの反射によりストップバンドが形成され、速度分散が起こることは前述した通りである。図３はこの速度分散の周波数依存性を３６゜Ｙ−ＸＬｉＴａＯ₃基板上に付着したアルミニウム合金電極の膜厚ｈ/Lが７％の場合について示したものである。縦軸は自由表面波速度V_fに対する表面波の速度Vの比V/V_f 、横軸は自由表面波速度V_fをＩＤＴ電極の周期で除した周波数f₀に対する表面波の周波数fの比f/f₀として、各々のライン占有率に対する速度変化を図示している。この図に示した横軸に並行な直線γはメタライズ面を伝搬する表面波の速度Vmに相当する。ライン占有率ηが0.5の場合を見ると、前述したように図中矢印δで示すストップバンド下端付近の周波数では、表面波の速度が直線γで示すメタライズ面における速度Vmより遅くなることを示している。
【００１３】
メタライズ面即ち、バスバーの領域の電極膜厚のみ厚くすることにより、領域Ｂの速度をさらに低下させることが出来るものの、成膜およびフォトリソグラフィーの工程が２度必要になり、製造コストを増加させるので好ましくない。
本発明は１回のフォトリソグラフィ工程にて製造可能な弾性表面波電極構造を提供するものである。
【００１４】
図１は本発明に係る導波路構造を示す平面図であり、圧電基板（図示しない）の主面上に表面波の伝搬方向に沿ってＩＤＴ電極２とグレーティング電極３を配置すると共にＩＤＴ電極２の開口部の両側にグレーティング電極４ａ、４ｂをＩＤＴ電極２、グレーティング電極３と近接して並置する。ＩＤＴ電極２は互いに間挿し合う複数本の電極指を有する一対のくし形電極により構成され、グレーティング電極３はほぼピッチで電極指が配置されたものである。
【００１５】
ＩＤＴ電極２、グレーティング電極３及びグレーティング電極４ａ、４ｂのそれぞれの隣接する電極指中央の間隔即ち電極指ピッチはほぼ等しくする。ＩＤＴ電極２、グレーティング電極３それぞれの電極指幅L_T、L_Rはほぼ等しくするが、グレーティング電極４ａ、４ｂの電極指幅L_Gは電極指幅L_T、L_Rより幅広に形成する。ＩＤＴ電極２、グレーティング３とグレーティング４ａ、４ｂのそれぞれの共通バスバー５ａ、５ｂをグレーティング領域Ａと領域Ｂの境界に設ける。このような構成とすることによりＩＤＴ電極２とグレーティング電極３とからなるグレーティング領域Ａとグレーティング電極４ａ、４ｂからなる領域Ｂのそれぞれの表面波の伝搬速度を異ならせることが可能となる。これにより表面波の逆速度面が凹となる圧電基板の場合であっても図中左端に示した変位分布曲線αに示すように導波が可能となる。
【００１６】
図３にライン占有率η=0.6と0.5の場合の速度分散を示したが、ライン占有率η=0.6速度はどの周波数においても占有率η=0.5の速度より遅い。即ち、図１に示す領域Ｂのライン占有率をグレーティング領域Ａのそれより大きくすれば、領域Ｂの表面波の伝搬速度を領域Ａのそれより遅くすることができて、リーキータイプ表面波の導波が可能であることを示している。
【００１７】
図４は本発明に係る弾性表面波導波路構造の他の実施例で、圧電基板上にＩＤＴ電極６とグレーティング電極７を配置し、ＩＤＴ電極６の開口部の両側にグレーティング８ａ、９ｂを並置する。ＩＤＴ電極６の電極指より図中上下方向に交互に電極指を延在し、またグレーティング電極７より上下方向に電極指を延在して、グレーティング８ａ、９ｂの電極指と接続し、それぞれの両端にバスバー９ａ、９ｂを形成した例である。この場合もＩＤＴ電極６、グレーティング７の電極指の幅はほぼ同じくするが、グレーティング電極９ａ、９ｂの電極指幅はＩＤＴ電極６の電極指幅より幅広に形成する。
【００１８】
図５は本発明に係る他の実施例でＩＤＴ電極１０、グレーティング電極１１の開口部の両側に並置したグレーティング電極１２ａ、１２ｂより構成される。ＩＤＴ電極１０、グレーティング電極１１とグレーティング電極１２ａ、１２ｂとの間にそれぞれバスバー１３ｂ、１３ｃを形成すると共にグレーティング電極１２ａ、１２ｂの両端にもバスバー１３ａ、１３ｄを形成した例である。グレーティング電極１２ａ、１２ｂの電極指幅をＩＤＴ電極１０、グレーティング電極１１の電極指はより幅広に形成することにより、領域Ｂの伝搬速度を領域Ａのそれより遅くすることができる。更に、バスバーを多用して電極指のオーミックロスを減少させることが可能である。
電極指の抵抗による影響、例えばＱ値の劣化等を避けるためには場合には、図１よりも図５を用いる方が望ましく、グレーティング領域Ａと領域Ｂとの間にメタライズ領域を少しでも配置したくない場合には図４の構造を用いれば良い。
【００１９】
図１、４、５に示した弾性表面波導波路構造を応用した例としは、ＳＡＷ共振器、ＳＡＷフィルタ等がある。ＳＡＷ共振子を構成する場合は図１、４、５に示したＩＤＴ部とグレーティング部を用いて、表面波の伝搬方向に沿ってグレーティング部、ＩＤＴ部、グレーティング部の順に近接して配置すればよい。
また、ＳＡＷフィルタを構成する場合は、図１、４、５に示したグレーティング部を表面波の伝搬方向に沿って２つ配置し、その間に複数のＩＤＴ部あるいは２つのＩＤＴ部と１つ以上のグレーティング部とを近接配置すればよい。このような配置により縦結合型多重モードＳＡＷフィルタを構成することができる。
なお、ＩＤＴ電極部のピッチとグレーティング部のピッチとはそれによって構成されるＳＡＷデバイスのＱ値が最大になるように適宜設定すればよいことは云うまでもない。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成したので、主伝搬方向の逆速度面が凹面となるような弾性表面波基板において膜厚を厚くした場合にも、全ての周波数範囲において導波が可能となり、低損失なフィルタを実現する上で著しい効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る弾性表面波導波路構造のＩＤＴ電極部、グレーティング電極部の構成を示す電極パターン図である。
【図２】 36°Y−X伝搬LiTaO₃基板上のメタライズ部の速度Vm、グレーティング電極を付着した場合のストップバンド中央における速度Vgとストップバンド下端における速度Vg_Lと膜厚h/Lとの関係を示す図である。
【図３】電極指占有率ηを変えた場合のストップバンド部の自由表面速度に対する表面波の速度比の周波数依存性を示す図である。
【図４】本発明に係る他の弾性表面波導波路構造のＩＤＴ電極部、グレーティング電極部の構成を示す電極パターン図である。
【図５】本発明に係る他の弾性表面波導波路構造のＩＤＴ電極部、グレーティング電極部の構成を示す電極パターン図である。
【図６】従来の弾性表面波導波路構造のＩＤＴ電極部、グレーティング電極部の構成を示す電極パターン図である。
【図７】表面波のＸ軸方向の逆速度面SXが（ａ）は凸である場合、（ｂ）は凹である場合の説明図である。
【符号の説明】
２、６、１０・・ＩＤＴ電極
３、７、１１・・グレーティング電極
４ａ、４ｂ、８ａ、８ｂ，１２ａ、１２ｂ・・グレーティング電極
５ａ、５ｂ、９ａ、９ｂ、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ・・バスバー
Ａ、Ｂ・・領域
α・・最低次の対称モードの変位分布
V・・表面波の速度
V_f・・自由表面波速度
Vg・・ストップバンド中央における速度（平均速度）
Vm・・メタライズ面の速度
Vg_L・・ストップバンド下端における速度
h/L・・膜厚
η・・ライン占有率
f・・表面波の周波数
f₀・・自由表面波速度V_fをＩＤＴ電極の周期で除した周波数
γ・・メタライズ面の速度Vmを示す
δ・・ストップバンド下端近傍

Claims

３６°ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ₃、又は４２°ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ₃において、ＩＤＴ電極の開口の両外側に、開口部の電極指よりも幅広の電極指を有するグレーティング電極を配置し、且つ、ＩＤＴ電極の電極指ピッチＬで基準化した電極膜厚Ｈ／Ｌを４．５％より大きく設定することを特徴とする弾性表面波導波路構造及びそれを用いたデバイス。
請求項１に記載のＩＤＴ電極の弾性表面波の伝搬方向の両側にグレーティング反射器を配置し、該グレーティング反射器の上下方向に、グレーティング反射器の電極指よりも幅広の電極指を有するグレーティング電極を配置したことを特徴とする弾性表面波導波路構造及びそれを用いたデバイス。
請求項１又は請求項２記載の弾性表面波導波路を用いて構成した共振子やフィルタなどの弾性表面波導波路構造及びそれを用いたデバイス。