JP4316632B2 - 弾性表面波装置及び分波器 - Google Patents

Description

本発明は弾性表面波装置及び分波器に関し、特に圧電基板が支持基板上に接合された弾性表面波装置及び分波器に関する。

近年、移動体通信システムの発展に伴って携帯電話、携帯情報端末等が急速に普及している。例えば、携帯電話端末においては、８００ＭＨｚ〜１．０ＧＨｚ帯および１．５ＧＨｚ〜２．０ＧＨｚ帯といった高周波帯が使用されている。このような分野においては、弾性表面波フィルタ等の弾性表面波装置及び分波器が用いられている。

弾性波表面波装置に用いられるＬｉＴａＯ_３（タンタル酸リチウム）やＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）等の圧電基板は電気機械結合係数が大きいものの、共振（または反共振）周波数の温度依存性が大きい。一方、水晶等は共振（または反共振）周波数の温度依存性は小さいものの電気機械結合係数が小さい。

そこで、特許文献１から特許文献３においては、サファイア基板上にＬｉＴａＯ_３圧電基板を接合し、圧電基板上にＩＤＴ（ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）等の電極パターンを形成することにより弾性表面波装置を形成する技術が開示されている。
特開２００４−１８６８６８号公報 特開２００５−２５２５５０号公報 特開２００４−３４３３５９号公報

特許文献１及び特許文献２において、ＬｉＴａＯ_３圧電基板（ＬＴ基板）は、弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸に対し、Ｙ軸からＺ軸方向に４２°回転した方位を圧電基板表面の法線方向としている（これを４２°カット基板という）。これは、ＬＴ基板を用いる弾性表面波装置では、伝搬損失が小さいことから４２°カット基板が主に用いられているためである。しかしながら、特許文献１から特許文献３の弾性表面波装置においては、共振器の共振特性やフィルタの通過帯域中にリップルが発生する。

本発明は、上記課題に鑑み、支持基板上にＬｉＴａＯ_３圧電基板を接合した弾性表面波装置において、リップルを抑制することを目的とする

本発明は、支持基板と、前記支持基板上に接合され、主面の法線方向がＸ軸を中心にＹ軸からＺ軸方向に４３°〜５３°回転した方向であるＬｉＴａＯ_３圧電基板と、前記圧電基板上に形成された電極パターンと、を具備し、前記支持基板と前記圧電基板との接合界面は平坦であり、前記電極パターンはＩＤＴであり、前記支持基板はサファイア基板であることを特徴とする弾性表面波装置である。本発明によれば、バルク波の不要応答によりリップルが発生し易い構造において、バルク波に起因したリップルを抑制することができる。

上記構成において、前記圧電基板は、主面の法線方向がＸ軸を中心にＹ軸からＺ軸方向に４３°〜５２°回転した方向である構成とすることができる。この構成によれば、リップルの発生をより抑制することができる。

上記構成において、前記圧電基板は、主面の法線方向がＸ軸を中心にＹ軸からＺ軸方向に４６°〜５０°回転した方向である構成とすることができる。この構成によれば、リップルの発生をより抑制することができる。

上記構成において、前記圧電基板は、主面の法線方向がＸ軸を中心にＹ軸からＺ軸方向に４３°〜４８°回転した方向である構成とすることができる。

上記構成において、前記支持基板と前記圧電基板との接合界面にアモルファス接合領域を有している構成とすることができる。この構成によれば、バルク波の不要応答によりリップルが発生し易い構造において、リップルの発生を抑制することができる。

上記構成において、前記弾性表面波装置から構成されるフィルタを形成することができる。この構成によれば、フィルタの通過帯域に発生するリップルを抑制することができる。

上記構成において、共通端子と、前記共通端子にそれぞれ接続された第１フィルタ及び第２フィルタを具備し、記第１フィルタ及び前記第２フィルタの少なくとも一方は上記フィルタである構成とすることができる。

本発明によれば、支持基板上に接合されたＬｉＴａＯ_３圧電基板の主面の法線方向を選択することにより、バルク波に起因したリップルを抑制することができる。

以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。

図１はサファイア基板１０（支持基板）上にＬｉＴａＯ_３圧電基板（以下ＬＴ基板）２０を接合した弾性表面波共振器の斜視図である。膜厚が２５０μｍのサファイア基板１０上に、膜厚が４０μｍのＬＴ基板２０が接合されＬＴ／サファイア基板１５が形成されている。ＬＴ／サファイア基板１５の形成は特許文献２及び特許文献３と同じ方法を用い行う。特許文献２に記載されているように、サファイア基板１０とＬＴ基板２０との接合は、接合界面に０．３ｎｍ〜２．５ｎｍ程度のアモルファス領域１２を備えている。サファイア基板１０とＬＴ基板２０との界面は、上記アモルファス領域１２が形成されている程度の凹凸はあるものの、実質的には平坦な界面である。

ＬＴ基板２０上にはＡｌ（アルミニウム）等からなる電極パターン２２として電極ＩＤＴ及び反射器Ｒ０が形成されている。Ｘ軸が弾性表面波の伝搬方向であり、ＩＤＴのＸ軸方向の両側に反射器Ｒ０が設けられている。ＩＤＴには入力端子Ｉｎおよび出力端子Ｏｕｔが設けられ、共振器２５として機能する。弾性表面波の波長は約４μｍである。ＬＴ基板２０の主面２１の法線方向がＮ方向である。特許文献１から特許文献３の例では、Ｎ方向を弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心にＹ軸からＺ軸に４２°回転した方向としている。このように、４２°ＹカットＬＴ／サファイア基板を用いている。

図２（ａ）は、比較例１として、４２°ＹカットＬＴ／サファイア基板を用いた共振器２５を直列共振器とした場合の通過特性を示す図であり、図２（ｂ）は共振点付近の拡大図である。図２（ａ）より反共振点よりやや高周波数の９３５ＭＨｚあたりにリップルが観測される。また、図２（ｂ）を参照に、共振点よりやや低周波側の９０５ＭＨｚあたりにリップルが観測される。

図３（ａ）は、比較例１である４２°ＹカットＬＴ／サファイア基板を用いた共振器２５を並列共振器とした場合の通過特性を示す図であり、図３（ｂ）は反共振点付近の拡大図である。図３（ｂ）より反共振点のやや低周波側の８８０ＭＨｚ及び高周波側の９１０ＭＨｚ近傍にリップルが観測される。

図２（ａ）から図３（ｂ）のリップルはＬＴ基板２０内のバルク波が原因である。図４は図１に図示した共振器２５の断面模式図である。ＬＴ基板２０とサファイア基板１０との結合強度を保つためには、接合界面は、実質的に平坦である。接合界面を凹凸を設けると、接合強度は低下してしまうためである。一方、接合界面が平坦な場合、ＬＴ基板２０の厚さは１０λ（弾性表面波の波長）と薄いため、図４のように、ＬＴ基板２０とサファイア基板１０との間で反射したバルク波が伝搬してしまう。このバルク波による不要応答が図２（ａ）から図３（ｂ）においてリップルとして観測される。

図５は、図２（ａ）から図３（ｂ）で示した比較例１の共振器２５の通過特性に基づき、ラダー型フィルタを構成する直列共振器及び並列共振器のアドミッタンス特性を模式的に描いた図である。フィルタの通過帯域内に不要応答１及び不要応答２が生じている。ＬＴ基板２０とサファイア基板１０との界面を荒くすると界面で反射されるバルク波は散乱されるため、図５の不要応答を抑制することができる。しかしながら、前述のように、ＬＴ基板２０とサファイア基板１０との接合強度を保つためには、接合界面は平坦とすることが好ましい。

本発明においては、以上の課題を解決するため、ＬＴ基板２０の主面の法線方向が、弾性表面波の伝搬方向であるＸ軸を中心にＹ軸からＺ軸に回転した角（ＬＴカット角）を変更し、図５の不要応答２の大きさをシミュレーションした。図６は、ＬＴ基板２０の膜厚を７λ、１０λ、１５λ、２０λ(λは弾性表面波の波長）について、ＬＴカット角を３８°〜５４°まで変化させた時の不要応答を４２°ＬＴカット角の不要応答で規格化した図である。なお、電極パターン２２はＡｌであり膜厚を０．１λとしている。

ＬＴカット角が４３°から５２°では、ＬＴ基板２０の膜厚がいずれの場合も規格化不要応答は１以下である。すなわち、一般的に用いられるＬＴカット角が４２°の場合より不要応答を小さくすることができる。４３°から５３°ではＬＴ基板２０の膜厚が７λ及び１０λでは規格化不要応答を１以下にすることができる。さらに、ＬＴカット角が４６°から５０°では、規格化不要応答は０．２程度以下であり、ほぼ一定である。以上より、ＬＴカット角は、４３°から５３°であり、好ましくは４３°から５２°、より好ましくは４６°から５０°である。

なお、弾性表面波は表面を主に伝搬するため、電極パターン２２の膜厚は弾性表面波を用いた共振器の通過特性に影響する。一方、図４に示したバルク波の不要応答は電極パターン２２の膜厚に影響されない。以下に説明する。ＬＴ基板２０表面上に電極パターン２２が設けられているとインピーダンスが非常に小さい。一方、ＬＴ基板２０上に電極パターン２２が設けられていないとインピーダンスは非常に大きい。ＬＴ基板２０表面のインピーダンス差の大きい電極パターン２２の境界において、バルク波がＬＴ基板２０内に放出される。このバルク波はＬＴ基板２０とサファイア基板１０との境界で反射される。この反射されたバルク波がＬＴ基板２０表面において電極パターン２２に吸収され、不要応答となる。このように、バルク波はＬＴ基板２０内を伝搬するだけのため、電極パターン２２の膜厚は不要応答の大きさにほとんど影響しない。

また、図６より、ＬＴ基板２０の膜厚が変化すると、不要応答の大きさは変化するものの、不要応答のＬＴカット角依存性はＬＴ基板２０の膜厚にほとんどよらない。このように、好ましいＬＴカット角の範囲はＬＴ基板２０の膜厚にはほとんど依存しない。

図７はＬＴ基板２０の表面を伝搬するリーキ弾性表面波の深さ方向の変位分布である。リーキ弾性表面波の変位は深さが１λ（弾性表面波の波長）以下に集中している。よって、ＬＴ基板２０の膜厚は１λ以上が好ましい。また、ＬＴ基板２０の厚さが１００λより厚くなると、支持基板を設ける意味が小さいため、ＬＴ基板２０の厚さは１００λ以下であることが好ましい。

実施例２は９００ＭＨｚに通過帯域を有するラダー型フィルタの例である。図８を参照に、ラダー型フィルタ２８は直列共振器Ｓ１からＳ３並びに並列共振器Ｐ１及びＰ２から構成されている。ＬＴ／サファイア基板１５上に、入力端子Ｉｎと出力端子Ｏｕｔ間に直列共振器Ｓ１からＳ３が直列に接続されている。直列共振器Ｓ１とＳ２との間のノードとグランドとの間に並列共振器Ｐ１が、直列共振器Ｓ２とＳ３との間のノードとグランドとの間に並列共振器Ｐ２が接続されている。

図９（ａ）は、ＬＴカット角が４２°（比較例２）及び４８°（実施例２）のＬＴ／サファイア基板１５を用いて作製した通過帯域が８８０〜９１５ＭＨｚのラダー型フィルタの通過特性を示した図である。図９（ｂ）は通過帯域付近の拡大図である。図９（ｂ）を参照に、比較例２では、８８３ＭＨｚ及び９１５ＭＨｚ近傍にリップル１及びリップル２が発生している。リップル２は非常に大きく通過帯域の高周波側の肩は大きく崩れている。リップル１は並列共振器に現れるリップルが影響し、リップル２は直列共振器及び並列共振器に現れるリップルが影響しているものと考えられる。これに対し、実施例２では、リップル１及びリップル２はほとんど観測されない。このように、ＬＴカット角を変更することによりラダー型フィルタ２８の通過帯域内のリップルを抑制することができた。

実施例３は１９００ＭＨｚに通過帯域を有するラダー型フィルタの例である。図１０（ａ）は、ＬＴカット角が４２°（比較例３）及び４６°（実施例３）のＬＴ／サファイア基板１５を用いて作製した通過帯域が１９００ＭＨｚ近傍のラダー型フィルタの通過特性を示した図である。図１０（ｂ）は通過帯域付近の拡大図である。図１０（ｂ）を参照に、比較例３では、１９１５ＭＨｚにリップル３が生じている。比較例３では並列共振器に起因するリップルは通過帯域外に生じている。これにより、通過帯域内には、直列共振器に影響されたリップル３が観測される。一方、実施例３においてリップル３は抑制されている。

実施例２および実施例３によれば、ＬＴ基板２０のＬＴカット角を４３〜５３°とすることにより、フィルタの通過帯域内に生じるリップルを抑制することができる。これは、ラダー型フィルタ２８を構成する共振器のバルク波に起因する不要応答を抑制し、共振特性におけるリップルを抑制できたためである。実施例２及び実施例３はラダー型フィルタの例であったが多重モードフィルタ等のフィルタであっても、バルク波の不要応答に起因するリップル等を抑制することができる。

図１１に示す実施例４は実施例２または実施例３に係るフィルタ２８を用いた分波器の例である。送信フィルタである第１フィルタ３０が共通端子Ａｎｔと第１端子Ｔ１との間、受信フィルタである第２フィルタ４０が共通端子Ａｎｔと第２端子Ｔ２との間に接続されている。このような分波器において、第１フィルタ３０及び第２フィルタ４０の少なくとも一方を実施例２または実施例３に係るフィルタ２８とすることができる。これにより、分波器５０において通過帯域内のリップルを抑制することができる。

第１フィルタ３０及び第２フィルタ４０はラダー型フィルタ以外にも多重モード型フィルタであってもよい。例えば送信側の第１フィルタ３０をラダー型フィルタ、受信側の第２フィルタ４０をＤＭＳ（２重モードＳＡＷ）フィルタとすることもできる。さらに、第１フィルタ３０と第２フィルタ４０とでは、ＬＴカット角が異なる基板を用いても良い。

実施例１から実施例４においては、支持基板としてサファイア基板１０を例に説明したが、支持基板は、周波数温度特性を抑制する材料であればよい。つまり、線熱膨張係数がＬｉＴａＯ_３よりも小さい材料であればよい。例えばガラス、シリコンを用いることができる。支持基板の材料に限られず、図４において示したバルク波は同様の振る舞いをする。よって、これらの支持基板においても、図６の結果を適用することができる。しかしながら、サファイアはヤング率が大きく、支持基板としてより好ましい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

図１は比較例１及び実施例１に係る共振器の斜視模式図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は比較例１に係る共振器を直列共振器としたときの通過特性を示す図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は比較例１に係る共振器を並列共振器としたときの通過特性を示す図である。 図４は比較例１において不要応答の原因となるバルク波を示す模式図である。 図５は比較例１の並列共振器及び直列共振器のアドミッタンスを示す模式図である。 図６はＬＴカット角に対する規格化不要応答を示す図である。 図７は規格化変位に対する深さを示す図である。 図８は比較例２、実施例２、比較例３及び実施例３に係るフィルタを示す斜視図である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は比較例２及び実施例２に係るフィルタの通過特性を示す図である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は比較例３及び実施例３に係るフィルタの通過特性を示す図である。 図１１は実施例４に係る分波器のブロック図である。

符号の説明

１０ サファイア基板
１２ アモルファス領域
１５ ＬＴ／サファイア基板
２０ ＬＴ基板
２１ 主面
２２ 電極パターン
２８ ラダー型フィルタ
３０ 第１フィルタ
４０ 第２フィルタ
５０ 分波器

Claims (7)

1. 支持基板と、
   前記支持基板上に接合され、主面の法線方向がＸ軸を中心にＹ軸からＺ軸方向に４３°〜５３°回転した方向であるＬｉＴａＯ_３圧電基板と、
   前記圧電基板上に形成された電極パターンと、を具備し、
   前記支持基板と前記圧電基板との接合界面は平坦であり、
   前記電極パターンはＩＤＴであり、
   前記支持基板はサファイア基板であることを特徴とする弾性表面波装置。
2. 前記圧電基板は、主面の法線方向がＸ軸を中心にＹ軸からＺ軸方向に４３°〜５２°回転した方向であることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波装置。
3. 前記圧電基板は、主面の法線方向がＸ軸を中心にＹ軸からＺ軸方向に４６°〜５０°回転した方向であることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波装置。
4. 前記圧電基板は、主面の法線方向がＸ軸を中心にＹ軸からＺ軸方向に４３°〜４８°回転した方向であることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波装置。
5. 前記支持基板と前記圧電基板との接合界面にアモルファス接合領域を有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の弾性表面波装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項記載の前記弾性表面波装置から構成されることを特徴とするフィルタ。
7. 共通端子と、
   前記共通端子にそれぞれ接続された第１フィルタ及び第２フィルタを具備し、
   前記第１フィルタ及び前記第２フィルタの少なくとも一方は請求項６に記載のフィルタであることを特徴とする分波器。

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