JP4216717B2 - バルク音響波共振器を用いるフィルタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、共振器ユニットと反射素子とを有する少なくとも１つのバルク音響波共振器を備えたフィルタ装置に関する。本発明は、フィルタ装置を備えた無線データ伝送システム、送信器、受信器、及び携帯無線装置にも関する。本発明は、バルク波共振器にも関する。

携帯無線機の分野における非常に速い発展及びコードレス電話の絶えず続く小型化は、個々の構成要素に関して、より厳しい条件を引き出す。他のシステムからのおそらく干渉する信号の数の増加から受信器を守るためには、高周波部分における高度な選択性が必要である。これは、例えば、制限された周波数帯のみ通ることを可能にし、この範囲の上及び下の全ての周波数を抑制するバンドパスフィルタにより達成される。

このようなフィルタは、例えば、バルク音響波共振器を有するバルク音響波フィルタであり得、前記バルク音響波共振器もバルク音響波（ＢＡＷ）フィルタと称される。バルク音響波共振器は、原理的に３つの構成要素から成る。第１構成要素は、前記音響波を生成し、圧電層を有する。前記圧電層の上及び下に付着された２つの電極は、第２構成要素に相当する。第３構成要素、即ち反射素子は、前記圧電層により生成される振動から基板を音響的に絶縁する（acoustically isolating）タスクを持つ。

前記圧電層の振動からの基板の音響的絶縁のための１つのオプションは、高い及び低い音響インピーダンスを持つ材料の幾つかのλ／４層を有する音響干渉フィルタにより形成される。この種のバルク音響波共振器は、例えば、米国特許5,646,583から既知である。

特にバルク音響波共振器を有するフィルタ装置の通過帯域において、前記基板からの前記バルク音響波共振器の適切な音響的な減結合（acoustic decoupling）が、前記バルク音響波共振器の良質を達成するために必要である。

従って、本発明の目的は、少なくとも１つの音響波共振器を持つフィルタ装置を提供することであり、前記フィルタ装置は、特に前記フィルタ装置の通過帯域において、圧電層の振動からの基板の効率的な音響的絶縁を示す。

この目的は、共振器ユニットと反射素子とを有する少なくとも１つの音響波共振器を備えたフィルタ装置により達成され、ここで前記反射素子は、それぞれ少なくとも２つの材料の混合物を有する幾つかの層を有し、各層内で、前記混合物の組成が、前記層の厚さに対して連続的に及び周期的に変化する。

この種のフィルタ装置は、バルク音響波フィルタ装置の通過帯域において、基板からの前記バルク音響波共振器の適切な音響的な減結合を示す。加えて、前記通過帯域の外側で、前記反射素子は、音響波の高い伝送を示し、従って前記バルク音響波フィルタ装置は、この領域において前記基板と適切に結合される。結果として、前記通過帯域の外側のより高い調波周波数は、非常に効率的に抑制され、前記フィルタ装置は、ここで不所望な共振を示さない。全体的に、この種のフィルタ装置は、明確に定義されたストップバンドを備える。

前記反射素子が、SiO₂及びTa₂O₅又はSiO₂及びSi₃N₄の混合物を有することは好ましい。

これらの材料及びこれらの材料の混合物は、全て良い電気絶縁性を持ち、容易に作成され、基板に付着されることができる。

本発明は、共振器ユニットと反射素子とを有する少なくとも１つのバルク音響波共振器を持つフィルタ装置を備えた送信器、受信器、携帯無線装置及び無線データ伝送システムにも関し、ここで前記反射素子は、それぞれ少なくとも２つの材料の混合物を有する複数の層を有し、各層内で、前記混合物の組成は、前記層の厚さに対して連続的に及び周期的に変化する。本発明は、共振器ユニットと反射素子とを有するバルク音響波共振器にも関し、ここで前記反射素子は、それぞれ少なくとも２つの材料の混合物を有する複数の層を有し、各層内で、前記混合物の組成は、前記層の厚さに対して連続的に及び周期的に変化する。

本発明は、５つの図と３つの実施例を参照して以後詳細に記述されるであろうが、しかしながら、本発明はこれらに制限されない。

図１によると、バルク音響波フィルタ装置は、例えば、セラミック材料、ガラスの平坦化層を持つセラミック材料、ガラスセラミック材料、ガラス材料、例えばシリコン、GaAs、InP、SiC若しくはGaNのような半導体材料、又はサファイアから成る基板1を有する。もし半導体材料が基板1として使用されるならば、例えば、SiO₂即ちガラスの保護層が付着されることもできる。反射素子2は、複数の層6、7、8を有する。反射素子2の層の総数は、好ましくは３と１２との間である。反射素子2の層6、7、8は、少なくとも２つの材料の混合物を有する。層6、7、8は、好ましくは、SiO₂及びTa₂O₅又はSiO₂及びSi₃N₄の混合物を有する。前記混合物がアモルファス混合物であれば有利である。１つの層内の組成は、図２に示されるように、層の厚さdを１周期として、層の厚さdの方向に対して連続的に及び周期的に、例えば正弦波状に変化する。各層の厚さdは、式、
d=(ν_Material1+ν_Material2)/(4f_c)
から導出され、ここでν_Material1は、前記混合物の第１材料の音速であり、ν_Material2は、前記混合物の第２材料の音速であり、f_cは、反射素子2の反射率が１００％であるべき前記バルク音響波フィルタ装置の動作周波数である。

それぞれ第１電極3と、圧電層4と、第２電極5とを有する共振器ユニットは、反射素子2上に配置される。

電極3及び5は、好ましくは、低い吸音性を持つ適切な導通材料から成る。

圧電層4のための材料として使用され得る材料の例は、La、Mn、Fe、Sb、Sr、Niのドーパント又はこれらのドーパントの組み合わせを含む及び含まないAlN、ZnO、Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃、Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃、Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃、Pb(Sc_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃、Pb(Zn_1/3Nb_2/3)_1-x-y(Mn_1/2Nb_1/2)_xTi_yO₃ (0≦x≦1, 0≦y≦1)、Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-PbTiO₃、Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄、K(Sr_1-xBa_x)₂Nb₅O₁₅ (0≦x≦1)、Na(Sr_1-xBa_x)₂Nb₅O₁₅ (0≦x≦1)、BaTiO₃、(K_1-xNa_x)₂NbO₃ (0≦x≦1)、KTaO₃、(Bi,Na,K,Pb,Ba)TiO₃、(Bi,Na)TiO₃、Bi₇Ti₄NbO₂₁、(K_1-xNa_x)NbO₃-(Bi,Na,K,Pb,Ba)TiO₃ (0≦x≦1)、a(Bi_xNa_1-x)TiO_3-b(KNbO_3-c)1/2(Bi₂O₃-Sc₂O₃) (0≦x≦1, a+b+c=1)、(Ba_aSr_bCa_c)Ti_xZr_1-xO₃ (0≦x≦1, a+b+c=1)、(Ba_aSr_bLa_c)Bi₄Ti₄O₁₅ (a+b+c=1)、Bi₄Ti₃O₁₂、LiNbO₃、La₃Ga_5.5Nb_0.5O₁₄、La₃Ga₅SiO₁₄、La₃Ga_5.5Ta_0.5O₁₄、及びPbZr_xTi_1-xO₃ (0≦x≦1)である。

有機若しくは無機材料又はこれらの材料の組み合わせの保護層は、当該フィルタ装置の上に付着され得る。使用され得る前記有機材料の例は、ポリベンゾシクロブテン又はポリイミドであり、前記無機材料の例は、Si₃N₄、SiO₂又はSi_xO_yN_z (0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦z≦1)である。代わりに、SiO₂の薄層が、当該フィルタ装置の１つ以上のバルク音響波共振器に、前記バルク音響波共振器の特有のディチューニングのために付着され得る。SiO₂の前記薄層が、バルク音響波共振器の第２電極5のみに付着されることは、好ましいかもしれない。SiO₂の前記薄層の層の厚さは、好ましくは１０ないし１００ｎｍになる。

組成が連続的に及び周期的に変化する混合物から成る層6、7、8を有する反射素子2の作成は、例えば、プラズマ増強化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）により行われることができる。

SiO₂及びTa₂O₅を有する層6、7、8の作成に対して、送り込まれる気体、例えばSi(OC₂H₅)₄、Ta(OC₂H₅)₅及びO₂の体積は、連続的に周期的に変化される。SiO₂及びSi₃N₄を有する層6、7、8の作成に対して、送り込まれる気体、例えばSiH₄、N₂O及びNH₃の体積は、連続的に周期的に変化される。

本発明によるフィルタ装置は、例えば、無線データ伝送システム、携帯無線装置、送信機又は受信器における信号フィルタリングのために使用されることができる。

実施の例を表す本発明の実施例は、下に記述される。

（比較例）
干渉層から成る反射素子2を持つバルク音響波共振器から成るフィルタ装置は、シリコンから成る基板1に付着される。この目的のために、互い違いになっているSiO₂及びTa₂O₅の７層を有する反射素子2が、基板1に付着される。基板1上の第１層6は、SiO₂を有する。SiO₂を有する層の厚さは、５２４ｎｍであり、Ta₂O₅を有する層の厚さは、４０９ｎｍであった。それぞれ第１電極3と、圧電層4と、第２電極5とを有する個々のバルク音響波共振器は、SiO₂を有する反射素子2の最上層8の上に配置される。第１電極3は、層の厚さが３００ｎｍのAlを有する。AlNの１３８１ｎｍの厚さの層は、圧電層4として各第１電極3に付着される。Alから成る厚さ１５０ｎｍの第２電極5は、各圧電層4上に配置される。前記個々のバルク音響波共振器は、周波数２．８５ＧＨｚに対するフィルタ装置が得られるような態様において基板1上に電気的に接続される。

図３は、当該フィルタ装置の前記反射素子2の反射挙動を示す。

反射素子2を持つバルク音響波共振器から成るフィルタ装置は、シリコンから成る基板1に付着される。この目的のために、１０層を有する反射素子2が、基板1に付着される。各層は、SiO₂及びTa₂O₅の混合物を有し、層6、7、8における各成分の分量は、周期を構成する層6、7、8の層の厚さdによって正弦波状に変化する。図２は、前記層の厚さに対する層6、7、8内の組成を示す。曲線9は、Ta₂O₅に対応し、曲線10は、SiO₂に対応する。各層6、7、8の層の厚さdは、４６６ｎｍであった。それぞれ第１電極3と、圧電層4と、第２電極5とを有する個々のバルク音響波共振器は、反射素子2の最上層8上に配置される。第１電極3は、層の厚さが２００ｎｍのAlを有する。AlNの１６７９ｎｍの厚さの層は、圧電層4として各第１電極3に付着される。Alから成る厚さ２００ｎｍの第２電極5は、各圧電層4上に配置される。前記個々のバルク音響波共振器は、周波数２．８５ＧＨｚに対するフィルタ装置が得られるような態様において基板1上に電気的に接続される。

図４は、当該フィルタ装置の反射素子2の反射挙動を示す。この種のフィルタ装置は、携帯無線装置の高周波部分における信号フィルタリングに使用された。

反射素子2を持つバルク音響波共振器から成るフィルタ装置は、シリコンから成る基板1に付着される。この目的のために、１０層を有する反射素子2が、基板1に付着される。各層は、SiO₂及びSi₃N₄の混合物を有し、層6、7、8における各成分の分量は、周期を構成する層の厚さdによって正弦波状に変化する。各層6、7、8の層の厚さdは、７４４ｎｍであった。それぞれ第１電極3と、圧電層4と、第２電極5とを有する個々のバルク音響波共振器は、反射素子2の最上層8上に配置される。第１電極3は、層の厚さが２００ｎｍのAlを有する。AlNの１６５０ｎｍの厚さの層は、圧電層4として各第１電極3に付着される。Alから成る厚さ２００ｎｍの第２電極5は、各圧電層4上に配置される。前記個々のバルク音響波共振器は、周波数２．８５ＧＨｚに対するフィルタ装置が得られるような態様において基板1上に電気的に接続される。

図５は、当該フィルタ装置の反射素子2の反射挙動を示す。この種のフィルタ装置は、携帯無線装置の高周波部分における信号フィルタリングに使用された。

バルク音響波共振器のフィルタ装置の構成の断面の表現である。 バルク音響波フィルタ装置の反射素子における少なくとも２つの材料を有する混合物の組成の周期的な変化を示す。 干渉層を有する反射素子の反射挙動を示す。 本発明による反射素子の反射挙動を示す。 本発明による反射素子の反射挙動を示す。

Claims (7)

1. 共振器ユニットと反射素子とを有する少なくとも１つのバルク音響波共振器を備えたフィルタ装置であって、前記反射素子は、それぞれ少なくとも２つの材料の混合物を有する幾つかの層を有し、
   − 前記混合物の組成が、各層内で層の厚さに対して連続的に変化し、
   − 前記混合物の組成が、複数の層を有する反射素子全体の層の厚さに対して周期的に変化する、
   フィルタ装置。
2. 前記反射素子が、SiO₂及びTa₂O₅又はSiO₂及びSi₃N₄の混合物を有することを特徴とする請求項１に記載のフィルタ装置。
3. 共振器ユニットと反射素子とを有する少なくとも１つのバルク音響波共振器を持つフィルタ装置を備えた携帯無線装置であって、前記反射素子は、それぞれ少なくとも２つの材料の混合物を有する幾つかの層を有し、
   − 前記混合物の組成が、各層内で層の厚さに対して連続的に変化し、
   − 前記混合物の組成が、複数の層を有する反射素子全体の層の厚さに対して周期的に変化する、
   携帯無線装置。
4. 共振器ユニットと反射素子とを有する少なくとも１つのバルク音響波共振器を持つフィルタ装置を備えた送信器であって、前記反射素子は、それぞれ少なくとも２つの材料の混合物を有する幾つかの層を有し、
   − 前記混合物の組成が、各層内で層の厚さに対して連続的に変化し、
   − 前記混合物の組成が、複数の層を有する反射素子全体の層の厚さに対して周期的に変化する、
   送信器。
5. 共振器ユニットと反射素子とを有する少なくとも１つのバルク音響波共振器を持つフィルタ装置を備えた受信器であって、前記反射素子は、それぞれ少なくとも２つの材料の混合物を有する幾つかの層を有し、
   − 前記混合物の組成が、各層内で層の厚さに対して連続的に変化し、
   − 前記混合物の組成が、複数の層を有する反射素子全体の層の厚さに対して周期的に変化する、
   受信器。
6. 共振器ユニットと反射素子とを有する少なくとも１つのバルク音響波共振器を持つフィルタ装置を備えた無線データ伝送システムであって、前記反射素子は、それぞれ少なくとも２つの材料の混合物を有する幾つかの層を有し、
   − 前記混合物の組成が、各層内で層の厚さに対して連続的に変化し、
   − 前記混合物の組成が、複数の層を有する反射素子全体の層の厚さに対して周期的に変化する、
   無線データ伝送システム。
7. 共振器ユニットと反射素子とを有するバルク音響波共振器であって、前記反射素子は、それぞれ少なくとも２つの材料の混合物を有する幾つかの層を有し、
   − 前記混合物の組成が、各層内で層の厚さに対して連続的に変化し、
   − 前記混合物の組成が、複数の層を有する反射素子全体の層の厚さに対して周期的に変化する、
   バルク音響波共振器。

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