JP4218672B2 - Piezoelectric resonator, piezoelectric filter, communication device - Google Patents
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Description
本発明は、フィルタや発振子や通信装置などに使用されて、VHF帯、UHF帯、さらにそれ以上の超高周波帯において厚み縦振動してフィルタ機能を発揮できる圧電共振子、圧電フィルタ、およびそれらを用いたデュプレクサや、通信装置に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric resonator, a piezoelectric filter, and a piezoelectric filter that are used in a filter, an oscillator, a communication device, and the like and can exhibit a filter function by vibrating in thickness and longitudinal in a VHF band, a UHF band, and a higher frequency band. The present invention relates to a duplexer using communication and a communication device.
近年、携帯電話等の通信装置の高周波数(RF、特にGHz帯以上)段に使用されるフィルタが、優れた各特性を有する圧電共振子を用いて開発されてきた。上記の各特性とは、小型かつ軽量であり、耐振性や耐衝撃性に優れ、製品のバラツキが少なく信頼性に富んでおり、回路の無調整化が図れるため実装の自動化、簡略化が図れ、その上、高周波化を図っても、製造が容易なことである。 In recent years, a filter used in a high frequency (RF, particularly GHz band or higher) stage of a communication device such as a mobile phone has been developed using a piezoelectric resonator having excellent characteristics. Each of the above characteristics is small and lightweight, excellent in vibration resistance and shock resistance, low product variation and high reliability, and it is possible to automate and simplify mounting because circuit adjustment is not required. In addition, even if the frequency is increased, the manufacturing is easy.
圧電共振子としては、開口部若しくは凹部を有する基板と、前記基板の開口部若しくは凹部上に形成されている絶縁薄膜からなるダイヤフラムと、該絶縁薄膜上に形成されている、1層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極及び下部電極を対向させて挟む構造の振動部とを有する構造のものが挙げられる(例えば、特許文献1を参照)。このような圧電共振子では、圧電共振子の圧電体を薄膜にしたことにより、高周波限界を数100MHz〜数1000MHzまで広げることができる。 The piezoelectric resonator includes a substrate having an opening or a recess, a diaphragm made of an insulating thin film formed on the opening or the recess of the substrate, and one or more piezoelectric layers formed on the insulating thin film. The thing of the structure which has the vibration part of the structure which sandwiches the upper and lower surfaces of the thin film part which has a thin film at least with a pair of upper electrode and lower electrode facing each other is mentioned (for example, refer patent document 1). In such a piezoelectric resonator, since the piezoelectric body of the piezoelectric resonator is made into a thin film, the high frequency limit can be extended to several hundred MHz to several thousand MHz.
このような圧電共振子においては、不要振動を低減するために電極寸法を所定の範囲内に制限する必要がある。また、振動エネルギーを上記の振動部に閉じ込めるため、ダイヤフラムの寸法に対して電極寸法を小さくする必要もある。このため、大きな電力を加えると、上記電力は、寸法が小さい振動部に集中し、比較的大きな熱を上記振動部に発生させることになる。
しかしながら、上記従来では、振動部を形成するダイヤフラムは薄膜状であって熱容量が小さいので、発生した熱が放熱されにくく、熱の多くは振動部に蓄積されて、振動部の温度上昇を招来する。振動部の温度上昇は、振動部の破壊などの影響を及ぼす恐れがあり、動作安定性が劣化するという問題を生じている。 However, in the above-described conventional case, the diaphragm forming the vibration part is thin and has a small heat capacity, so that the generated heat is difficult to dissipate, and most of the heat is accumulated in the vibration part, leading to an increase in temperature of the vibration part. . The rise in temperature of the vibration part may affect the destruction of the vibration part, which causes a problem that the operation stability deteriorates.
本発明の圧電共振子は、以上の課題を解決するために、開口部若しくは凹部を有する基板と、前記開口部若しくは凹部上に形成されている、1層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極及び下部電極を対向させて挟む構造の振動部とを有する圧電共振子において、振動部の厚み方向視の形状が長さの異なる辺を有する多角形であり、かつ、少なくとも振動部の最も長い辺が、前記圧電薄膜における前記開口部若しくは凹部の端部に沿って形成され、前記端部と、前記端部から最も離れた前記振動部の点との距離よりも、前記振動部の最も長い辺の長さが長いことを特徴としている。 In order to solve the above problems, a piezoelectric resonator according to the present invention is provided on a substrate having an opening or a recess and a thin film portion having one or more piezoelectric thin films formed on the opening or the recess. In a piezoelectric resonator having a vibrating portion having a structure in which at least a pair of upper and lower electrodes are sandwiched between the lower surface, the shape of the vibrating portion as viewed in the thickness direction is a polygon having sides with different lengths, and At least the longest side of the vibration part is formed along the end of the opening or recess in the piezoelectric thin film, and the distance between the end and the point of the vibration part farthest from the end, The longest side of the vibrating part is long .
上記構成によれば、振動部の厚み方向視の形状が長さの異なる辺を有する多角形である振動部の少なくとも最も長い辺を、開口部若しくは凹部の端部に沿って、かつ、前記端部と、前記端部から最も離れた前記振動部の点との距離よりも、前記振動部の最も長い辺の長さが長く形成したから、振動部の放熱性を改善できて、大きな電力を加えても共振特性の劣化を回避でき、動作安定性を向上できる。 According to the above configuration, at least the longest side of the vibration part that is a polygon having sides with different lengths as viewed in the thickness direction of the vibration part, along the end of the opening or the recess , and the end Since the length of the longest side of the vibration part is longer than the distance between the part and the point of the vibration part farthest from the end, the heat dissipation of the vibration part can be improved and a large amount of power can be generated. Even if it adds, degradation of a resonance characteristic can be avoided and operational stability can be improved.
上記圧電共振子では、前記振動部の最も長い辺と前記開口部若しくは凹部の端部との距離が振動部の振動波長の約1/2倍であることが好ましい。 In the piezoelectric resonator, it is preferable that the distance between the longest side of the vibration part and the end of the opening or the recess is about ½ times the vibration wavelength of the vibration part.
上記圧電共振子においては、前記振動部の全ての辺が開口部若しくは凹部の端部に沿って形成され、且つ前記振動部の全ての辺と前記開口部若しくは凹部の端部との距離が振動部の振動波長の約1/2倍であってもよい。 In the piezoelectric resonator, all the sides of the vibrating part are formed along the end of the opening or the recess, and the distance between all the sides of the vibrating part and the end of the opening or the recess is vibrated. It may be about ½ times the vibration wavelength of the part.
上記圧電共振子では、前記振動部の開口部若しくは凹部の端部に沿って形成された全ての辺の長さの和Wと、前記振動部における開口部若しくは凹部の端部から最も離れた点と、開口部若しくは凹部との距離Lが、L/W≦0.8を満たすことが望ましい。 In the piezoelectric resonator, the sum W of the lengths of all sides formed along the end of the opening or the recess of the vibration unit and the point farthest from the end of the opening or the recess of the vibration unit It is desirable that the distance L between the opening and the recess satisfies L / W ≦ 0.8.
上記圧電共振子では、前記振動部分の厚み方向視の形状が、二等辺三角形であってもよい。上記圧電共振子においては、前記圧電薄膜がZnO若しくはAlNを主成分としてもよい。 In the piezoelectric resonator, the shape of the vibrating portion as viewed in the thickness direction may be an isosceles triangle. In the piezoelectric resonator, the piezoelectric thin film may contain ZnO or AlN as a main component.
本発明の圧電フィルタは、以上の課題を解決するために、上記の何れかに記載の圧電共振子を有することを特徴としている。上記圧電フィルタでは、圧電共振子をラダー構成とすることが好ましい。 In order to solve the above problems, a piezoelectric filter of the present invention is characterized by having the piezoelectric resonator described in any of the above. In the piezoelectric filter, it is preferable that the piezoelectric resonator has a ladder configuration.
本発明のデュプレクサは、以上の課題を解決するために、上記の何れかに記載の圧電共振子を有することを特徴としている。本発明の通信装置は、以上の課題を解決するために、上記の何れかに記載の圧電共振子を有することを特徴としている。 In order to solve the above problems, a duplexer of the present invention is characterized by having the piezoelectric resonator described in any of the above. In order to solve the above problems, a communication device of the present invention is characterized by having the piezoelectric resonator described in any of the above.
上記の圧電フィルタ、デュプレクサ、および通信装置では、放熱性に優れて動作安定性が改善された圧電共振子を有しているので、経時的な動作を安定化できて、耐久性を向上できる。 The above-described piezoelectric filter, duplexer, and communication device have a piezoelectric resonator that has excellent heat dissipation and improved operational stability, so that operation over time can be stabilized and durability can be improved.
本発明の圧電共振子は、以上のように、開口部若しくは凹部上に形成されている、1層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極及び下部電極を対向させて挟む構造の振動部とを有する圧電共振子において、振動部の厚み方向視の形状が長さの異なる辺を有する多角形であり、かつ、少なくとも振動部の最も長い辺が、開口部若しくは凹部の端部に沿って形成されている構成である。 As described above, the piezoelectric resonator of the present invention has at least a pair of upper and lower electrodes facing the upper and lower surfaces of a thin film portion having one or more piezoelectric thin films formed on an opening or a recess. In the piezoelectric resonator having the sandwiching vibration part, the shape of the vibration part as viewed in the thickness direction is a polygon having sides having different lengths, and at least the longest side of the vibration part is an opening or a recess. It is the structure formed along the edge part.
上記構成によれば、振動部の厚み方向視の形状が長さの異なる辺を有する多角形である振動部の少なくとも最も長い辺を、開口部若しくは凹部の端部に沿って形成したから、振動部の放熱性を改善できて、大きな電力を加えても共振特性の劣化を回避でき、動作安定性を向上できるという効果を奏する。 According to the above configuration, at least the longest side of the vibrating part, which is a polygon having sides with different lengths as viewed in the thickness direction of the vibrating part, is formed along the end of the opening or the recess. It is possible to improve the heat dissipation of the part, to avoid deterioration of the resonance characteristics even when a large amount of power is applied, and to improve the operational stability.
本発明の実施の各形態について図1ないし図17に基づいて説明すれば、以下の通りである。 Each embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 17 as follows.
〔実施の第一形態〕
本発明に係る実施の第一形態の圧電共振子について、その製造方法により説明すると、図1および図2に示すように、面方位が(1 0 0)のシリコンからなる、略長方形板状の支持基板10の両面に熱酸化やスパッタリング等により、二酸化シリコン(SiO2)膜11、12をそれぞれ形成する。
[First embodiment]
The piezoelectric resonator according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to its manufacturing method. As shown in FIGS. 1 and 2, the surface orientation is made of silicon having a plane orientation of (1 0 0). Silicon dioxide (SiO 2 )
続いて、一方の面(裏面)側のSiO2 膜12に、(1 1 0)方向に平行な辺を有する方形の窓12aを形成し、この窓12aを備えたSiO2膜12をマスクとして、TMAH液(テトラメチルアンモニウム水溶液)中で、約90℃で支持基板10のシリコンに対してエッチングを行う。
Subsequently, the SiO 2 film 12 on one surface (back surface) side, (1 1 0) direction to form a
このTMAH液は、エッチレートの結晶方位依存性が大きいので、エッチングの進行と共に、支持基板10の表面方向である(1 0 0)面10bと約55°の角度をなす(1 1 1)面10aが現れ、支持基板10に、その厚さ方向に貫通する開口部が形成される。
Since this TMAH liquid has a large crystal orientation dependence of the etch rate, the (1 1 1) plane forms an angle of about 55 ° with the (1 0 0)
上記エッチングは、表面側のSiO2 膜11に達すると停止する。このようにエッチングが、SiO2膜11のところで完全に停止するため、スムースな(平滑な)共振子面が得られ、共振子全体の厚さもより正確に設定できる。なお、本実施の第一形態では、上記の製造段階において残存しているSiO2膜12は、最終的には除去されているが、残してもよい。
The etching stops when it reaches the SiO 2
このとき、さらに、支持基板10に対して反対面側のSiO2 膜11上に、アルミナ(Al2O3 )膜や、窒化アルミニウム(AlN)膜を真空蒸着またはスパッタリングにより形成して二層以上の積層体としてもよい。よって、上記ダイヤフラム11aは、(1 1 1)面10aにより形成される支持基板10の開口部(空洞部)に面することになる。
At this time, an alumina (Al 2 O 3 ) film or an aluminum nitride (AlN) film is further formed on the SiO 2
上記ダイヤフラム11aでは、SiO2 膜11が、一般に正の共振周波数温度特性を有し、かつ、圧縮応力を発生するものである一方、Al2O3 膜が、一般に負の共振周波数温度特性を備え、かつ、引っ張り応力を発生するものである。このようなダイヤフラム11aを形成する絶縁体には、放熱性を向上させるために熱伝導率の高いものが好ましい。
In the
続いて、上記ダイヤフラム11a上に、Alからなる下部電極14、酸化亜鉛(ZnO)や窒化アルミニウム(AlN)などからなる圧電薄膜15、およびAlからなる上部電極16を順次真空蒸着またはスパッタリングおよびエッチングにより形成する。上記圧電薄膜15は、負の共振周波数温度特性を備え、かつ、圧縮応力を発生するものである。
Subsequently, a
上記下部電極14は、帯状に形成され、下部電極14の長手方向が、支持基板10の長手方向端部を基部14aとして、ダイヤフラム11aの中央部を先端部14bにするように形成されている。
The
また、下部電極14では、下部電極14の両側部に位置する開口部11aの一部、およびその一部の周辺部を覆うように、上記両側部から下部電極14の幅方向にそれぞれ延びる翼部14cがそれぞれ形成されている。よって、下部電極14は、ダイヤフラム11a上およびその周辺部近傍では略十字形状ともいえる。
Further, in the
一方、上部電極16は、帯状に形成され、上部電極16の長手方向が、前記下部電極14の基部14aに対して反対側となる、支持基板10の長手方向端部を基部16aと、基部16aから延びて、ダイヤフラム11aの中央部に達する先端部16bとを有するように形成されている。
On the other hand, the
また、上部電極16の先端部16bにおいては、下部電極14の先端部14bと対面するとともに、上部電極16の両側部に位置する開口部11aの一部、およびその一部の周辺部を覆うように、上記両側部から上部電極16の幅方向にそれぞれ延びるようにそれぞれ形成されている。よって、上部電極16は、ダイヤフラム11a上およびその周辺部近傍では略T字形状ともいえる。
Further, the
さらに、下部電極14の両翼部14cと、上部電極16の先端部16bとは、圧電薄膜15を挟んで互いに対面しない位置に配されている。このような配置により、振動部11b以外での不要な振動を回避しながら、振動部の強度を向上できる。
Further, both the
このような圧電共振子では、共振周波数が2GHzの場合、SiO2 膜11、下部電極14、圧電薄膜15、および上部電極16の合計厚さを3μm程度に設定できる。
In such a piezoelectric resonator, when the resonance frequency is 2 GHz, the total thickness of the SiO 2 film 11, the
上記圧電共振子では、振動モード(例えば2次モード)に応じて、SiO2 膜11の厚さ、下部電極14の面積、圧電薄膜15の厚さ、および上部電極16の面積が設定されている。また、SiO2膜11上にAl2 O3 膜をさらに形成した多層構造とすることにより、上記圧電共振子においては、共振周波数の温度係数(ppm/℃)をほぼゼロに設定することを容易化できる。
In the piezoelectric resonator, the thickness of the SiO 2 film 11, the area of the
その上、上記圧電共振子では、下部電極14、圧電薄膜15、および上部電極16は、圧電薄膜共振子がエネルギー閉じ込め型となるように設定されていることが好ましい。これにより、振動エネルギーが支持基板10中にダイヤフラムに沿って漏れることを防止して、Qの高い共振を生じさせることが可能となる。
In addition, in the piezoelectric resonator, the
このように上記圧電共振子は、絶縁膜(支持膜)であるSiO2 膜11の厚さを非常に薄くできることから、基本あるいは低次(例えば2次)のオーバトーンで、100MHz以上の高周波で動作する圧電共振子を実現できる。さらに、上記圧電共振子においては、各膜の温度特性や内部応力を互いに相殺するように設定できるから、温度変化や内部応力による悪影響を回避できる。 As described above, since the thickness of the SiO 2 film 11 as the insulating film (support film) can be very thin, the piezoelectric resonator has a basic or low-order (for example, secondary) overtone and a high frequency of 100 MHz or more. An operating piezoelectric resonator can be realized. Furthermore, in the piezoelectric resonator, since the temperature characteristics and internal stress of each film can be set to cancel each other, adverse effects due to temperature changes and internal stress can be avoided.
また、圧電共振子は、そのダイヤフラム寸法を数百μm以下と非常に小さくでき、半導体集積回路内に組み込むことが可能である。さらに、上記圧電共振子は、数GHzでも弾性表面波装置(SAWデバイス)のようなサブミクロンのパターニングが不要であり、製造を容易化、簡便化できる。 In addition, the piezoelectric resonator can have a very small diaphragm size of several hundred μm or less, and can be incorporated in a semiconductor integrated circuit. Further, the piezoelectric resonator does not require sub-micron patterning like a surface acoustic wave device (SAW device) even at several GHz, and can be easily and easily manufactured.
そして、本発明の圧電共振子においては、振動部11b上を除く、圧電薄膜15、上部電極16上に、開口部11aを覆うように、略ロの字状に、放熱膜18が、例えばSiといった絶縁体により形成されている。よって、放熱膜18には、振動部11b上を除くための窓部18aが放熱膜18のほぼ中央部に形成されている。
In the piezoelectric resonator of the present invention, the
上記構成では、放熱膜18を設けたことにより、振動部11bから支持基板10への放熱性が向上して、耐電力性を改善でき、経時的な動作安定性を高めることが可能となる。
In the above configuration, by providing the
上記放熱膜18としては、上記Siに限定されるものではなく、他に、AlN、ダイヤモンドなどの絶縁体、Cu、A1、Au、Agなどの金属膜若しくはCu、Al、Au、Agを主成分とする合金といった導電体を挙げることができる。
The
上記放熱体18では、放熱性を改善できる点から熱伝導率は高い方が望ましいが、150W/(m・K)以上の熱伝導率を有するものであればよい。上述した各物質の熱伝導率(単位はW/(m・K))は、Si=168、AlN=150、ダイヤモンド=1600、Cu=403、Al=236、Au=319、Ag=428である。放熱膜18として、最適な材料は、熱伝導率だけの観点から見れば、熱伝導率が他の物質より大幅に高いことから、ダイヤモンドであるが、作りやすさ、コストを加味すると、Cu、Al、Siあたりが好適である。
The
ただし、放熱膜18にCuやAl等の金属膜を用い、かつ放熱膜18が下部電極14および上部電極16と電気的に接している場合、下部電極14と上部電極16との間の短絡を回避するために、下部電極14に接する放熱膜18と、上部電極16と接する放熱膜18とを互いに離して形成する。
However, when a metal film such as Cu or Al is used for the
また、振動部11bと放熱膜18のギャップは、図3に示すように、狭い(小さい)ほどよいが、振動部11bの振動への悪影響を防止するために、振動部11bの振動波長(λ)の1/2程度に設定することが好ましい。上記ギャップとは、放熱膜18の窓部18aの内周部と振動部11bの外縁部との間の、振動部11bを形成する各膜14、15、16の表面方向での距離である。
Further, as shown in FIG. 3, the narrower (smaller) gap is better as the gap between the
図3においては、ギャップが0μmの時の温度をT0とし、各ギャップを設けたときの温度をTとしており、T/T0が小さいほど放熱性が高いことを示している。なお、図3ないし図6では、放熱膜18の素材として、Siを用いた例を挙げている。
In FIG. 3, the temperature when the gap is 0 μm is T0, the temperature when each gap is provided is T, and the smaller the T / T0, the higher the heat dissipation. 3 to 6 show examples in which Si is used as the material of the
さらに、放熱膜18のパターン幅は、図4に示すように、放熱膜18ができるかぎりダイヤフラム11a全体を覆うように、広く、大きく設定されていることが好ましい。図4においては、放熱膜18がダイヤフラム11a全体をちょうど覆うときを、ベタと記載し、その温度をT0としている。ベタのときより放熱膜のパターン幅が小さいときの温度をTとしており、T/T0が小さいほど放熱性が高いことを示している。
Furthermore, as shown in FIG. 4, it is preferable that the pattern width of the
その上、放熱膜18は、図5に示すように、ダイヤフラム11aからその表面方向外向きにはみ出していないとき放熱性が劣化することから、放熱膜18の形成時の製造バラツキを考慮してダイヤフラム11aからその表面方向外向きにはみ出すように設定されている方が好ましい。図5では、縦(Y)軸は発熱温度比を示し、その基準ははみ出し量が0μmのときの温度を示している。
In addition, as shown in FIG. 5, since the heat dissipation performance deteriorates when the
また、放熱膜18の膜厚は、図6に示すように、放熱性に関しては厚いほど良いが、5μmを超えて厚くしても、放熱効果が飽和して放熱性の効果向上があまり見られず、放熱膜18にSiを用いた場合、1以上、より好ましくは2μm以上、5μm以下が望ましい。図6では、縦(Y)軸は発熱温度比を示し、その基準は、膜厚が0μmのときの温度(T0)を示している。
Further, as shown in FIG. 6, the thickness of the
図7(a)ないし(c)に示すように、本発明に係る圧電共振子1は、L型や、π型や、T型のラダー構成の本発明に係る圧電フィルタに用いてもよく、さらにそれらの段数を増やした変形例に好適に用いることができる。
As shown in FIGS. 7A to 7C, the
上記ラダー構成の圧電フィルタにおいては、それぞれ減衰極となる各圧電共振子1の反共振周波数と共振周波数との間に形成される通過域を高選択度なものにできる。よって、上記ラダー構成の圧電フィルタは、上記通過域の両側に、上記各減衰極を含む、急峻な減衰特性を有する阻止域をそれぞれ備えることになる。その上、連続使用時の発熱にも耐えて、経時的な安定性も改善されている。
In the piezoelectric filter having the ladder configuration, a pass band formed between the anti-resonance frequency and the resonance frequency of each
このような本発明の圧電フィルタは、図8に示すように、デュプレクサ20に使用できる。デュプレクサ20は、送信側の圧電フィルタと、受信側の圧電フィルタとをそれぞれ備え、送信側と受信側との各通過域が互いに近いものであり、急峻な減衰特性を有し、熱的安定性にも優れた本発明の圧電フィルタが好適に使用される。
Such a piezoelectric filter of the present invention can be used for a
なお、上記実施の第一形態では、支持基板10を厚さ方向に貫通する開口部を備えた例を挙げたが、上記に限定されず、図9に示すように、上記開口部に代えて、支持基板10をその厚さ方向に貫通しない凹部10cを支持基板10に設け、上記凹部10c上にダイヤフラム11aを形成してもよい。
In the first embodiment, an example in which an opening that penetrates the
〔実施の第二形態〕
次に、本発明の実施の第二形態について、図7ないし図12に基づき説明する。なお、以下の、実施の各形態においては、上記実施の第一形態と同様な機能を有する部材については、同一の部材番号を付与してそれらの説明を省いた。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In each of the following embodiments, members having the same functions as those in the first embodiment are assigned the same member numbers and are not described.
本実施の第二形態に係る圧電共振子では、図10および図11に示すように、上記実施の第一形態と相違する点は、放熱膜18を省き(後述するように併用も可)、ダイヤフラムや振動部の形状を、ダイヤフラム11c、および振動部11dにおける、厚さ方向視の形状を、長細い形状、例えば二等辺三角形(多角形にした変形も含む)とし、振動部11dの長手方向に沿った長辺の一つを、ダイヤフラム11cのエッジに沿うように設定されている。
In the piezoelectric resonator according to the second embodiment, as shown in FIGS. 10 and 11, the difference from the first embodiment is that the
上記振動部11dの形状では、長辺W1、W2は、振動部11dの振動波長(λ)の20倍以上、短辺W3は振動波長(λ)の5倍以下が望ましい。このような構成では、後述するように、振動部11dと支持基板10との間での熱抵抗を小さく、つまり放熱性を改善できる。
In the shape of the
このとき、ダイヤフラム11cは、振動部11dの振動に対する影響を回避するために、上記振動部11dと対面するエッジと振動部11dとの距離を有して(例えば、振動部11dの振動波長(λ)の1/2程度が望ましい)形成されている。このような振動部11dの形状は、下部電極14を台形板状に形成し、上部電極16を略平行四辺形状とし、下部電極14と上部電極16との対面位置を調整することにより可能である。
At this time, the
これにより、上記構成では、振動部11dの形状に沿って、ダイヤフラム11cの形状を形成することにより、ダイヤフラム11cのエッジと近接する振動部11dの長さ(W1+W2+W3)が長くなり、放熱性を向上できる。また、振動部11dを長細い形状とすることによって、伝熱経路の距離Lが短くなり、放熱し易くなる。さらに、振動部11dの形状を長細い形状とすると、圧電共振子のスプリアス振動を低減できるため、スプリアス低減による特性改善と放熱性向上とを両立できる。
Thus, in the above configuration, by forming the shape of the
本発明の他の圧電フィルタでは、上記の圧電共振子を2素子、図7(a)に示すL型ラダー構造に配置されている。このとき、各圧電共振子の各振動部11dは、それらの長手方向が互いに略平行に配置されていることが小型化の点で望ましい。さらに、各圧電共振子の各振動部11dは、それらの中心を結ぶ仮想線の中心位置を対称点として、点対称となっていることが小型化の点で好ましい。
In another piezoelectric filter of the present invention, the above-described piezoelectric resonator is arranged in two elements in an L-type ladder structure shown in FIG. At this time, it is desirable in terms of miniaturization that the vibrating
次に、熱伝導の理論について説明する。図12に示す個体のA面からB面に伝わる熱量Qは、以下の式で表される。
Q=λ・W・t・(TA−TB)/L …(1)
λ:熱伝導率
W:伝熱経路断面の幅
t:伝熱経路断面の厚さ
TA:A面の温度(K)
TB:B面の温度(K)
L:伝熱経路の距離
熱の伝わり難さを示す熱抵抗Rは、以下の式で表される。
R=L/(λ・W・t) …(2)
この式(2)から、λ・W・tが大きいほど、Lが小さいほど、放熱量Qは大きくなる(熱抵抗は小さくなる)ことが分かる。本実施の第二形態では、λ:ダイヤフラムの熱伝導率、W:図10のW1+W2+W3、t:ダイヤフラムの厚さ、L:図10に示すL(振動部11dにおける、厚み方向視の形状の中心とダイヤフラム11cのエッジとの距離)をそれぞれ示す。
Next, the theory of heat conduction will be described. The amount of heat Q transmitted from the A surface to the B surface of the individual shown in FIG. 12 is expressed by the following equation.
Q = λ · W · t · (TA−TB) / L (1)
λ: Thermal conductivity W: Width of heat transfer path cross section t: Heat transfer path cross section thickness TA: Temperature of surface A (K)
TB: B surface temperature (K)
L: Thermal resistance R indicating the difficulty of heat transfer through the heat transfer path is expressed by the following equation.
R = L / (λ · W · t) (2)
From this equation (2), it can be seen that the larger the λ · W · t and the smaller the L, the larger the heat dissipation amount Q (the smaller the thermal resistance). In the second embodiment, λ: the thermal conductivity of the diaphragm, W: W1 + W2 + W3 in FIG. 10, t: the thickness of the diaphragm, L: L shown in FIG. 10 (the center of the shape in the thickness direction in the vibrating
また、式(1)より、λ=Q・L/{W・t・(TA−TB)}となり、ラムダの単位は、λ=W・m/(m2・K)=W/(m・K)になる。 Further, from equation (1), λ = Q · L / {W · t · (TA−TB)}, and the unit of lambda is λ = W · m / (m 2 · K) = W / (m · K).
本実施の第二形態においては、振動部11dの最も長い辺と、ダイヤフラム11cのエッジとの距離は、下限がゼロ、理想では振動部11dの振動阻害を回避できる1/2λになる。ただし、上限値は設計上の目標値であり、実際には製造プロセスにばらつきがある。前記の上限値にプロセスマージンを上乗せする必要がある。
In the second embodiment, the distance between the longest side of the
上記距離の設定の理由は以下のとおりである。放熱性の観点から見ると、振動部11dの最も長い辺と、ダイヤフラム11cのエッジとの距離はできる限り短い(ゼロが理想)ほうがよい。ただし、距離をゼロにすると、振動部11dの振動のほうに影響が出て、特性が劣化する。特性の観点から見ると、振動部11dの最も長い辺と、ダイヤフラム11cのエッジとの距離はある程度離した方がよい。(特性と放熱性はトレードオフの関係)特性に影響が出なくなる距離は1/2λである。
The reason for setting the distance is as follows. From the viewpoint of heat dissipation, the distance between the longest side of the
また、振動部11dの最も長い辺と、ダイヤフラム11cのエッジとの距離の理想は、放熱性と振動特性の両面を考慮して、1/2λであるが、実際の製造マージンでは、精度良く作ることができず、上記距離は設定値に対してかなりずれる。そこで「約」1/2λとしている。参考までに、プロセスマージンは、ウエットエッチング加工の場合:〜35μm、ドライエッチング加工の場合:〜20μmである。
The ideal distance between the longest side of the
例えば、条件が、1.9GHz帯、2倍波、膜構成「上部電極(Al:0.18μm)/圧電薄膜としてのZnO膜(1.6μm)/下部電極(Al:0.18μm)/AlN膜(1.8μm)/SiO2膜(0.6μm)」の場合、λ=4.3μmで、35μm=8.1λ、20μm=4.7λになる。つまり、理想の1/2λ=2.15μmに対して、35μm=8.1λ、20μm=4.7λのマージンがある。振動波長λは、周波数帯、膜構成、使用材料、利用する振動波の次数(基本波、2倍波…)などによって異なる。一方、プロセスマージンが周波数によらず一定である。(ただし、加工方法が変わるとマージンは変わる。)周波数帯が高くなると、その分ずれは大きくなる。 For example, the condition is 1.9 GHz band, double wave, film configuration “upper electrode (Al: 0.18 μm) / ZnO film (1.6 μm) as piezoelectric thin film / lower electrode (Al: 0.18 μm) / AlN In the case of “film (1.8 μm) / SiO 2 film (0.6 μm)”, λ = 4.3 μm, 35 μm = 8.1λ, and 20 μm = 4.7λ. That is, there is a margin of 35 μm = 8.1λ and 20 μm = 4.7λ with respect to the ideal 1 / 2λ = 2.15 μm. The vibration wavelength λ varies depending on the frequency band, the film configuration, the material used, the order of the vibration wave to be used (fundamental wave, second harmonic wave, etc.), and the like. On the other hand, the process margin is constant regardless of the frequency. (However, the margin changes as the processing method changes.) As the frequency band increases, the shift increases.
漏れた・振動の振幅は、振動波長の1/2λ離れると小さくなる。振動部分から1/2λ離れたところに固定端(ダイヤフラム11cのエッジ)を置くと、振動への影響は小さく、特性の劣化も小さくなる。また、振動部11dをダイヤフラム11cのエッジ(固定端)や他の振動部11dなどから離しすぎると、放熱性が悪化すると共に、その振動特性に対するそれらの影響は軽減ないしは無くなるとしてもその寸法が大型化する。
The amplitude of leakage / vibration becomes smaller as the vibration wavelength becomes 1 / 2λ away. If the fixed end (the edge of the
このような構成とすることで、放熱性を十分に得ることができるが、これと合わせて、実施の第一形態のように、振動部11dを除く、圧電薄膜15、上部電極16上に放熱膜を形成してもよく、これによって、放熱性がさらによくなる。
With such a configuration, sufficient heat dissipation can be obtained, but in combination with this, heat is radiated on the piezoelectric
〔実施の第三形態〕
本実施の第三形態では、図13および図14に示すように、厚み方向視に長方形状に形成された、1つのダイヤフラム11eに、圧電共振子2素子によるL型ラダー構造の圧電フィルタが構成されている。このとき、振動部11fは、上記の実施の第二形態と同様に二等辺三角形に形成され、かつ、振動部11fの一つの長辺がダイヤフラム11eのエッジに沿うように、それぞれ配置されている。
[Third embodiment]
In the third embodiment, as shown in FIGS. 13 and 14, a piezoelectric filter having an L-type ladder structure including two piezoelectric resonators is formed on one
これにより、本実施の第三形態の圧電共振子および圧電フィルタでは、実施の第二形態と同様な効果を奏すると共に、圧電共振子毎にダイヤフラムをそれぞれ形成する場合と比べて、素子全体の面積を小さくでき、小型化を図れる。 Thereby, in the piezoelectric resonator and the piezoelectric filter of the third embodiment, the same effect as in the second embodiment is obtained, and the area of the entire element is compared with the case where a diaphragm is formed for each piezoelectric resonator. Can be reduced, and downsizing can be achieved.
次に、図13に示す、LとWとの比(L/W)と発熱温度(温度比)との関係を調べた。その結果を図15に示した。上記Lは、ダイヤフラム11eに対面する振動部11fの長辺を底とする、振動部11fの高さ、つまり、振動部11fにおける、ダイヤフラム11eのエッジから最も遠いポイントと上記エッジとの距離に相当するものである。上記Wは、ダイヤフラム11eに対面する振動部11fの長辺の長さである。なお、図15の温度比とL/Wのグラフにおいては、L/Wが1.19(正三角形に近い形状)のときを基準として、このときの温度に対する比を温度比としている。
Next, the relationship between the L / W ratio (L / W) and the heat generation temperature (temperature ratio) shown in FIG. 13 was examined. The results are shown in FIG. The L corresponds to the height of the
図15から明らかなように、L/Wが小さいほど、温度は低くなり、L/Wが0.8以下になると、発熱温度の低下が大きくなっていることが分かる。 As can be seen from FIG. 15, the smaller the L / W is, the lower the temperature is. When L / W is 0.8 or less, the exothermic temperature decreases greatly.
〔実施の第四形態〕
本実施の第四形態では、図16および図17に示すように、上記実施の第三形態と同様に1つのダイヤフラム11gが設けられ、そのダイヤフラム11g上に、上記実施の第三形態に示した、2つの各振動部11fに相当する、各振動部11hが形成され、上記ダイヤフラム11gは、各振動部11hの外方に面した各辺に沿うように形成されている。
[Fourth embodiment]
In the fourth embodiment, as shown in FIGS. 16 and 17, one
よって、本実施の第四形態では、上記実施の第二および第三形態と同様に、放熱性を向上しながら、小型化を図ることが可能となる。 Therefore, in the fourth embodiment, as in the second and third embodiments, it is possible to reduce the size while improving the heat dissipation.
〔実施の第五形態〕
本実施の第五形態では、図18に示すように、上記実施の第三形態と同様なダイヤフラム11eが二つ並んで支持基板10に設けられ、それらのダイヤフラム11e上に、上記実施の第三形態に示した、2つの各振動部11f、つまり2つの圧電共振子がそれぞれ形成されている。上記各ダイヤフラム11eは、各振動部11fの長手方向に対してほぼ直交する方向に沿うように並んで形成されている。
[Fifth embodiment]
In the fifth embodiment, as shown in FIG. 18, two
これにより、本実施の第五形態においては、4つの各振動部11fを用い、各圧電共振子1a、1b、および各圧電共振子1c、1dとを互いに直列に接続したから、L型ラダーの圧電フィルタを二段重ねた、圧電フィルタが形成されることになる。
Thus, in the fifth embodiment, since each of the four vibrating
このような本実施の第五形態では、圧電共振子1aに入力端子となる下部電極14aが形成され、各圧電共振子1a、1b、1cの共通端子となる上部電極16aが設けられ、圧電共振子1bのGND端子となる下部電極14bが形成されている。さらに、各圧電共振子1c、1dの共通端子で出力端子となる下部電極14cが設けられ、圧電共振子1dのGND端子となる上部電極16bが形成されている。
In the fifth embodiment, the
よって、本実施の第五形態では、上記実施の第二ないし第四形態と同様に、放熱性を向上しながら、小型化を図ることが可能となる。 Therefore, in the fifth embodiment, as in the second to fourth embodiments, it is possible to reduce the size while improving the heat dissipation.
また、上記の実施の第一ないし第五形態の圧電共振子、およびそれを用いた圧電フィルタは、図8に示したデュプレクサ20に好適に使用できる。なお、上記では、本実施の第一形態と、本実施の第二ないし第五形態とは、個々に説明したが、本実施の第一形態と、本実施の第二ないし第五形態とをそれぞれ組み合わせてもよい。
The piezoelectric resonators according to the first to fifth embodiments and the piezoelectric filter using the same can be suitably used for the
次に、本発明の圧電共振子、圧電フィルタを用いた通信装置について図19に基づき説明すると、図19に示すように、上記通信装置200は、受信を行うレシーバ側(Rx側)として、アンテナ201、アンテナ共用部/RFTopフィルタ202、アンプ203、Rx段間フィルタ204、ミキサ205、1stIFフィルタ206、ミキサ207、2ndIFフィルタ208、1st+2ndローカルシンセサイザ211、TCXO(temperature compensated crystal oscillator(温度補償型水晶発振器))212、デバイダ213、ローカルフィルタ214を備えて構成されている。Rx段間フィルタ204からミキサ205へは、図19に二本線で示したように、バランス性を確保するために各平衡信号にて送信することが好ましい。
Next, a communication device using the piezoelectric resonator and the piezoelectric filter of the present invention will be described with reference to FIG. 19. As shown in FIG. 19, the
また、上記通信装置200は、送信を行うトランシーバ側(Tx側)として、上記アンテナ201および上記アンテナ共用部/RFTopフィルタ202を共用するとともに、TxIFフィルタ221、ミキサ222、Tx段間フィルタ223、アンプ224、カプラ225、アイソレータ226、APC(automatic power control (自動出力制御))227を備えて構成されている。
In addition, the
そして、上記のアンテナ共用部/RFTopフィルタ202、Rx段間フィルタ204、1stIFフィルタ206、TxIFフィルタ221、Tx段間フィルタ223には、上述した本実施の第一ないし第五形態に記載の圧電共振子や圧電フィルタが好適に利用できる。
Further, the above-described antenna sharing unit /
本発明の圧電共振子は、以上の課題を解決するために、開口部若しくは凹部を有する基板と、前記開口部若しくは凹部上に形成されている、1層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の上下面を少なくとも一対の上部電極及び下部電極を対向させて挟む構造の振動部とを有する圧電共振子において、前記振動部を除く位置で、かつ、前記上部電極および前記薄膜部の少なくとも一方の上に、放熱膜を形成したことを特徴としている。 In order to solve the above problems, a piezoelectric resonator according to the present invention is provided on a substrate having an opening or a recess and a thin film portion having one or more piezoelectric thin films formed on the opening or the recess. In a piezoelectric resonator having a lower surface sandwiching at least a pair of upper electrode and lower electrode, and at a position excluding the vibrating portion and on at least one of the upper electrode and the thin film portion The heat dissipation film is formed.
上記構成によれば、放熱膜を設けることにより、圧電共振子の不要振動を低減できると同時に、大きな電力を加えても共振特性の劣化を回避できるように、放熱性・耐電力性を向上でき、動作安定性を改善できる。 According to the above configuration, by providing the heat dissipation film, unnecessary vibration of the piezoelectric resonator can be reduced, and at the same time, heat dissipation and power durability can be improved so that deterioration of the resonance characteristics can be avoided even when large power is applied. , Can improve the operational stability.
上記圧電共振子では、前記放熱膜は、熱伝導率が約150W/(m・K)以上であることが望ましい。 In the piezoelectric resonator, the heat dissipation film preferably has a thermal conductivity of about 150 W / (m · K) or more.
上記圧電共振子においては、前記放熱膜は、Si、AlN、ダイヤモンドなどの絶縁材料からなっていてもよい。 In the piezoelectric resonator, the heat dissipation film may be made of an insulating material such as Si, AlN, or diamond.
上記圧電共振子では、前記放熱膜は、Cu、A1、Au、Agなどの金属材料若しくはCu、Al、Au、Agを主成分とする合金からなっていてもよい。 In the piezoelectric resonator, the heat dissipation film may be made of a metal material such as Cu, A1, Au, or Ag, or an alloy containing Cu, Al, Au, or Ag as a main component.
上記圧電共振子においては、前記放熱膜と振動部との間の距離が、振動部の振動波長の約1/2倍であることが好ましい。 In the piezoelectric resonator, it is preferable that a distance between the heat dissipation film and the vibration part is about ½ times a vibration wavelength of the vibration part.
上記圧電共振子では、前記振動部を除いて、前記開口部若しくは凹部全体が、前記放熱膜で覆われていてもよい。 In the piezoelectric resonator, the opening or the entire recess may be covered with the heat dissipation film except for the vibrating portion.
上記圧電共振子においては、前記開口部若しくは凹部の周囲が、前記放熱膜で覆われていることが望ましい。 In the piezoelectric resonator, it is preferable that the periphery of the opening or the recess is covered with the heat dissipation film.
上記圧電共振子では、前記振動部の厚み方向視の形状が長さの異なる辺を有する多角形であり、かつ、少なくとも振動部の最も長い辺が開口部若しくは凹部の端部に沿って形成されていることが好ましい。 In the piezoelectric resonator, the shape of the vibrating portion as viewed in the thickness direction is a polygon having sides with different lengths, and at least the longest side of the vibrating portion is formed along the end of the opening or the recess. It is preferable.
上記圧電共振子においては、前記振動部の最も長い辺の長さが、前記振動部における開口部若しくは凹部の前記端部から最も離れた点と、前記端部との距離よりも長いことが望ましい。 In the above piezoelectric resonator, the length of the longest side of the vibrating portion, and a point farthest from said end of the opening or recess in the vibrating section, longer desirable than the distance between said end portion .
上記圧電共振子では、前記振動部の最も長い辺と前記開口部若しくは凹部の端部との距離が振動部の振動波長の約1/2倍であることが好ましい。 In the piezoelectric resonator, it is preferable that the distance between the longest side of the vibration part and the end of the opening or the recess is about ½ times the vibration wavelength of the vibration part.
上記圧電共振子においては、前記振動部の全ての辺が開口部若しくは凹部の端部に沿って形成され、かつ前記振動部の全ての辺と前記開口部若しくは凹部の端部との距離が振動部の振動波長の約1/2倍であってもよい。 In the piezoelectric resonator, all the sides of the vibrating part are formed along the end of the opening or the recess, and the distance between all the sides of the vibrating part and the end of the opening or the recess vibrates. It may be about ½ times the vibration wavelength of the part.
上記圧電共振子では、前記振動部の開口部若しくは凹部の端部に沿って形成された全ての辺の長さの和Wと、前記振動部における開口部若しくは凹部の端部から最も離れた点と、開口部若しくは凹部との距離Lが、L/W≦0.8を満たすことが望ましい。 In the piezoelectric resonator, the sum W of the lengths of all sides formed along the end of the opening or the recess of the vibration unit and the point farthest from the end of the opening or the recess of the vibration unit It is desirable that the distance L between the opening and the recess satisfies L / W ≦ 0.8.
上記圧電共振子においては、前記振動部分の厚み方向視の形状は、その長手方向が振動部の振動波長の20倍以上、短手方向が振動波長の5倍以下であることが好ましい。 In the piezoelectric resonator, it is preferable that the shape of the vibrating portion viewed in the thickness direction is 20 times or more the vibration wavelength of the vibration portion in the longitudinal direction and 5 times or less the vibration wavelength in the short direction.
上記圧電共振子では、前記振動部分の厚み方向視の形状が、二等辺三角形であってもよい。 In the piezoelectric resonator, the shape of the vibrating portion as viewed in the thickness direction may be an isosceles triangle.
本発明の圧電共振子は、以上のように、開口部若しくは凹部上に形成されている、1層以上の圧電薄膜を有する薄膜部の振動部と上部電極と下部電極とを有する圧電共振子において、前記振動部を除く位置で、かつ、前記上部電極および前記薄膜部の少なくとも一方の上に、放熱膜を形成した構成である。 As described above, the piezoelectric resonator of the present invention is a piezoelectric resonator having a vibrating portion, an upper electrode, and a lower electrode of a thin film portion having one or more piezoelectric thin films formed on an opening or a recess. The heat dissipation film is formed at a position excluding the vibration part and on at least one of the upper electrode and the thin film part.
それゆえ、上記構成は、放熱膜を設けることにより、圧電共振子の不要振動を低減できると同時に、大きな電力を加えても共振特性の劣化を回避できるように、放熱性・耐電力性を向上でき、動作安定性を改善できるという効果を奏する。 Therefore, the above configuration improves heat dissipation and power durability so that unnecessary vibration of the piezoelectric resonator can be reduced by providing a heat dissipation film, and at the same time, deterioration of resonance characteristics can be avoided even when large power is applied. And the operational stability can be improved.
10 支持基板
11b 振動部
14 下部電極
15 圧電薄膜
16 上部電極
18 放熱膜
DESCRIPTION OF
Claims (10)
振動部の厚み方向視の形状が長さの異なる辺を有する多角形であり、かつ、少なくとも振動部の最も長い辺が、前記圧電薄膜における前記開口部若しくは凹部の端部に沿って形成され、
前記端部と、前記端部から最も離れた前記振動部の点との距離よりも、前記振動部の最も長い辺の長さが長いことを特徴とする、圧電共振子。 A structure having a substrate having an opening or a recess and an upper and lower surfaces of a thin film portion having one or more piezoelectric thin films formed on the opening or the recess, with at least a pair of upper and lower electrodes facing each other. In a piezoelectric resonator having a vibrating part,
The shape in the thickness direction of the vibration part is a polygon having sides with different lengths, and at least the longest side of the vibration part is formed along the end of the opening or the recess in the piezoelectric thin film ,
The length of the longest side of the vibration part is longer than the distance between the end part and the point of the vibration part farthest from the end part .
振動部の厚み方向視の形状が長さの異なる辺を有する多角形であり、かつ、少なくとも振動部の最も長い辺が開口部若しくは凹部の端部に沿って形成され、
前記振動部の開口部若しくは凹部の端部に沿って形成された全ての辺の長さの和Wと、前記振動部における開口部若しくは凹部の端部から最も離れた点と、開口部若しくは凹部との距離Lが、L/W≦0.8を満たすことを特徴とする、圧電共振子。 A structure having a substrate having an opening or a recess and an upper and lower surfaces of a thin film portion having one or more piezoelectric thin films formed on the opening or the recess, with at least a pair of upper and lower electrodes facing each other. In a piezoelectric resonator having a vibrating part,
The shape in the thickness direction view of the vibration part is a polygon having sides with different lengths, and at least the longest side of the vibration part is formed along the end of the opening or the recess,
The sum W of the lengths of all sides formed along the end of the opening or recess of the vibration part, the point farthest from the end of the opening or recess in the vibration part, and the opening or recess The piezoelectric resonator is characterized in that the distance L between and satisfies L / W ≦ 0.8.
振動部の厚み方向視の形状が長さの異なる辺を有する多角形であり、かつ、少なくとも振動部の最も長い辺が開口部若しくは凹部の端部に沿って形成され、
前記振動部分の厚み方向視の形状が、二等辺三角形であることを特徴とする、圧電共振子。 A structure having a substrate having an opening or a recess and an upper and lower surfaces of a thin film portion having one or more piezoelectric thin films formed on the opening or the recess, with at least a pair of upper and lower electrodes facing each other. In a piezoelectric resonator having a vibrating part,
The shape in the thickness direction view of the vibration part is a polygon having sides with different lengths, and at least the longest side of the vibration part is formed along the end of the opening or the recess,
The piezoelectric resonator according to claim 1, wherein a shape of the vibrating portion as viewed in the thickness direction is an isosceles triangle.
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