JP4760911B2 - 弾性境界波装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば帯域フィルタなどに用いられる弾性境界波装置に関し、より詳細には、第１，第２の媒質間にＩＤＴ電極が設けられており、第１，第２の媒質の境界を伝搬する弾性境界波を利用した弾性境界波装置に関する。

従来、共振子や帯域フィルタとして、弾性表面波装置が広く用いられている。他方、近年、パッケージの小型化を図り得るため、弾性表面波装置に代わって、弾性境界波装置が注目されている。

例えば、下記の特許文献１には、図９に模式的断面図で示す構造を有する弾性境界波装置が開示されている。弾性境界波装置１０１は、第１の媒質１０２と、第２の媒質１０３とを積層した構造を有する。第１の媒質１０２として、ＬｉＮｂＯ_３基板が用いられており、第２の媒質１０３として、ＳｉＯ_２が用いられている。そして、第１，第２の媒質１０２，１０３間の境界に、ＡｕからなるＩＤＴ１０４が形成されている。

ＩＤＴ１０４として、密度が大きく、かつ音速の低い金属を用いることにより、ＩＤＴ１０４が設けられている部分、すなわち第１，第２の媒質１０２，１０３間の境界において振動エネルギーが集中され、弾性境界波が励振されている。
ＷＯ２００４／０７０９４６

しかしながら、特許文献１に記載の弾性境界波装置１０１では、温度特性、特に群遅延時間温度係数ＴＣＤの絶対値が比較的大きいという欠点があった。これを、より具体的に説明する。いま、特許文献１に記載のように、第１の媒質１０２が１５°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ_３基板からなり、第２の媒質１０３がＳｉＯ_２からなり、いずれも厚みを８λとし、ＩＤＴ電極１０４が０．０５λの厚みのＡｕ膜上に、０．０５λのＡｌ膜を積層した構造を有し、デューティが０．５とする。この構造について、計算により群遅延時間温度係数ＴＣＤを求めた。

計算は、「周期構造圧電性導波路の有限要素法解析」（電子通信学会論文誌Ｖｏｌ．Ｊ６８−Ｃ Ｎｏ１，１９８５／１，ｐｐ．２１−２７）に記載されている有限要素法を拡張し、半波長区間に１本のストリップを配置し、電気的に開放したストリップと短絡したストリップとの阻止域上端と阻止域下端における音速を求めた。開放ストリップ下端における音速をＶ_０１、上端における音速をＶ_０２とし、短絡ストリップの下端における音速をＶ_Ｓ１、上端における音速をＶ_Ｓ２とした。弾性境界波の振動は、ＩＤＴの上方１λの位置からＩＤＴの下方１λの位置までの間に大半のエネルギーを集中させて伝搬しているので、ＩＤＴ電極を挟んで上下方向に８λ、すなわちＩＤＴ電極＋４λからＩＤＴ電極−４λまでの領域を解析領域とし、かつ弾性境界波装置の表面及び裏面の境界条件は弾性的に固定とした。

次に、「モード結合理論による弾性表面波すだれ状電極の励振特性評価」電子情報通信学会技術研究報告，ＭＷ９０−６２，１９９０，ｐｐ．６９−７４）に記載されている方法に基づき、ＩＤＴ電極の電極指における境界波の反射量を表すκ_１２／ｋ_０と電気機械結合係数Ｋ^２とを求めた。なお、この文献で扱われている構造に比べると、上記構造では音速の周波数分散が大きいため、κ_１２／ｋ_０は周波数分散の影響を考慮して求めた。

また、群遅延時間温度係数ＴＣＤを、１５℃、２５℃及び３５℃における短絡ストリップの阻止域下端の位相速度Ｖ_１５℃、Ｖ_２５℃及びＶ_３５℃から、下記の式（１）により求めた。

式（１）において、α_Ｓは境界波伝搬方向におけるＬｉＮｂＯ_３基板の線膨張係数である。表１は、上記構造を伝搬する弾性境界波の特性を示す。なお、表１におけるΔＦは、デューティが＋０．０１変化したときの音速Ｖ_ｓｌから求めた周波数変化量である。

表１から明らかなように、この従来の弾性境界波装置では、κ_１２／ｋ_０は０．１５と大きすぎ、そのためか、ΔＦが−２４９９ｐｐｍと周波数変化量は非常に大きかった。

また、群遅延時間温度係数ＴＣＤが４２．１ｐｐｍ／℃と大きいことがわかる。

すなわち、ＡｕをＩＤＴ電極の材料として用い、弾性境界波のエネルギーを第１，第２の媒質間の界面に閉じ込めた構造では、群遅延時間温度係数ＴＣＤが悪化するという問題があった。

本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、第１，第２の媒質間に質量が大きな金属からなるＩＤＴ電極を配置して第１，第２の媒質間に弾性境界波のエネルギーを閉じ込めた構造において、さらに群遅延時間温度係数ＴＣＤの絶対値を小さくすることが可能とされている弾性境界波装置を提供することにある。

本発明は、群遅延時間温度係数ＴＣＤが正である第１の媒質と、前記第１の媒質上に積層されたＩＤＴ電極と、前記ＩＤＴ電極を覆うように前記第１の媒質に積層されており、群遅延時間温度係数ＴＣＤが負である第２の媒質とを備える、第２の媒質／ＩＤＴ電極／第１の媒質の積層構造を有する弾性境界波装置において、前記第２の媒質よりも音速が低い誘電体材料からなり、厚みが前記ＩＤＴ電極の厚みよりも薄くされている第３の媒質が、前記ＩＤＴ電極の少なくとも上面に設けられていることを特徴とする。

本発明に係る弾性境界波装置では、好ましくは、上記第３の媒質は、ＩＤＴ電極の上面だけでなく、前記ＩＤＴ電極の側面の少なくとも一部をも被覆するように設けられる。この場合には、閉じ込められる弾性境界波のエネルギー分布が第２の媒質側に、より効果的に広がり、それによって温度特性をより一層改善することができる。

また、本発明では、好ましくは、第１の媒質上にＩＤＴ電極が形成されており、該ＩＤＴ電極を覆うようにかつ第１の媒質の上面を覆うように上記第３の媒質が形成されている。この場合には、ＩＤＴ電極を第１の媒質上に形成した後に、薄膜形成法などにより第３の媒質を容易にかつ高精度に形成することができる。

好ましくは、上記ＩＤＴ電極が複数の金属層を積層した構造を有し、その場合、複数の金属層のうち第２の媒質側に配置されている金属層が、残りの金属層よりも軽い金属により構成される。第２の媒質側に配置される金属層を軽い金属で構成することにより、温度特性をより効果的に改善することができる。
（発明の効果）

本発明に係る弾性境界波装置では、群遅延時間温度係数ＴＣＤが正の第１の媒質と、群遅延時間温度係数ＴＣＤが負の第２の媒質とを用いて弾性境界波装置が構成されているので、両者の群遅延時間温度係数ＴＣＤが相殺し合い、群遅延時間温度係数ＴＣＤの絶対値を小さくすることができる。第１の媒質上にＩＤＴ電極が形成されており、ＩＤＴ電極を覆うように第１の媒質上に第２の媒質が積層されている構造では、ＩＤＴ電極の質量負荷により、群遅延時間温度係数ＴＣＤの絶対値が大きくなりがちとなる。

しかしながら、本発明では、第２の媒質よりも低音速の第３の媒質が、ＩＤＴ電極の少なくとも上面に設けられており、それによって、弾性境界波のエネルギー分布がＴＣＤが負の第２の媒質側に広がる。従って、温度特性、特にＴＣＤの絶対値を小さくすることが可能となる。

よって、本発明によれば、例えばＡｕなどの密度の大きな金属を用いてＩＤＴ電極が形成されている場合であっても、弾性境界波装置の温度特性の改善、特にＴＣＤの絶対値を効果的に小さくすることが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の要部を示す正面断面図である。 図２は、図１に示した実施形態の弾性境界波装置の電極構造を示す模式的平面図である。 図３は、第３の媒質を設けたことにより、弾性境界波のエネルギー分布が変化することを説明するための模式図である。 図４は、第３の媒質の厚みを変化させた場合の阻止域下端の弾性境界波の音速の変化を示す図である。 図５は、第３の媒質の厚みを変化させた場合のκ_１２／ｋ_０の変化を示す図である。 図６は、第３の媒質の膜厚を変化させた場合の群遅延時間温度係数ＴＣＤの変化を示す図である。 図７は、第３の媒質の膜厚を変化させた場合の弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ^２の変化を示す図である。 図８は、第１の実施形態の変形例に係る弾性境界波装置の要部を示す模式的正面断面図である。 図９は、従来の弾性境界波装置を説明するための模式的正面断面図である。

符号の説明

１…弾性境界波装置
２…第１の媒質
３…第２の媒質
４…ＩＤＴ電極
５…金属層
６…金属層
７…第３の媒質
７Ａ…第３の媒質
８，９…反射器

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１は本発明の第１の実施形態に係る弾性境界波装置の要部を示す模式的正面断面図である。

弾性境界波装置１は、第１の媒質２上に第２の媒質３を積層した構造を有する。第１の媒質２は、群遅延時間温度係数ＴＣＤが正の材料からなり、本実施形態では、１５°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ_３からなる。第２の媒質３は、群遅延時間温度係数ＴＣＤが負の適宜の誘電体もしくは絶縁体からなり、本実施形態では、ＳｉＯ_２により形成されている。第２の媒質を構成しているＳｉＯ_２の横波の音速は３７５７ｍ／秒であり、後述の第３の媒質７を構成しているＴａ_２Ｏ_５の横波の音速は１５８０ｍ／秒である。

また、第１の媒質２上には、ＩＤＴ電極４が形成されている。ＩＤＴ電極４は複数本の電極指を有する。

また、本実施形態では、ＩＤＴ電極４は、第１の媒質２上に積層された第１の金属層５と、第１の金属層５上に積層された第２の金属層６とを有する。すなわち、ＩＤＴ電極４は、複数の金属層を積層した構造を有する。第１の金属層５がＡｕからなり、第２の金属層６がＡｌからなる。すなわち、複数の金属層５，６のうち、第２の媒質３側に近い金属層６が、残りの金属層５よりも軽い金属で構成されている。

本実施形態では、上記ＩＤＴ電極４の上面を覆うように、第３の媒質７が形成されている。第３の媒質７は、第２の媒質３よりも横波が低音速の材料からなり、本実施形態では、第３の媒質７は、Ｔａ_２Ｏ_５からなる。

ＩＤＴ電極４を有する弾性境界波装置１の電極構造は特に限定されないが、本実施形態では、図２の模式的平面図で示すように、ＩＤＴ電極４の弾性境界波伝搬方向両側に反射器８，９が設けられた１ポート型の弾性境界波共振子を構成するように電極構造が形成されている。

本実施形態の弾性境界波装置１では、第１の媒質２の群遅延時間温度係数ＴＣＤが正であり、第２の媒質３の群遅延時間温度係数ＴＣＤが負である。従って、第１，第２の媒質２，３の温度特性が相殺し、群遅延時間温度係数ＴＣＤの絶対値が小さくされている。

しかしながら、弾性境界波のエネルギーを第１，第２の媒質２，３間の界面に閉じ込めるために、Ａｕからなる重い金属層を有するＩＤＴ電極４が形成されている。そのためか、群遅延時間温度係数ＴＣＤの改善効果は十分ではない。

しかしながら、上記第３の媒質７が、ＩＤＴ電極４の上面を覆うように、すなわち第２の媒質３側に配置されているため、群遅延時間温度係数ＴＣＤを効果的に改善することが可能とされている。これは、図３に弾性境界波装置１における境界波のエネルギー分布を模式的に示すように、閉じ込められる弾性境界波Ｕ２のエネルギー分布が、上記第３の媒質７を設けない場合には、ＩＤＴ電極４のＡｕからなる金属層よりも上方において、破線Ａで示す状態であったのが、上記第３の媒質７を設けたことにより、実線Ｂで示すように、第２の媒質３側にエネルギー分布が広がったことによると考えられる。

次に、上記実施形態の弾性境界波装置１により、群遅延時間温度係数ＴＣＤが改善されることを、より具体的な例に基づき説明する。

弾性境界波装置１の構造を、下記の表２に示す通りとして、前述した従来の弾性境界波装置１０１の場合と同様にして計算を行った。

すなわち、従来の弾性境界波装置１０１について、行った計算法を用いて、ＩＤＴ電極を電気的に開放したストリップと、短絡したストリップとの阻止域上端と阻止域下端における音速、ＩＤＴ電極４の電極指における境界波の反射量を表すκ_１２／ｋ_０と、電気機械結合係数Ｋ^２と、群遅延時間温度係数ＴＣＤとを求めた。ＴＣＤは、前述した式（１）により求めた。

図４〜図７は、上記計算結果を示す。すなわち、図４は、第３の媒質の厚みと、阻止域下端の音速Ｖ_ｓ１との関係を示し、図５は、第３の媒質の厚みと、κ_１２／ｋ_０との関係を示し、図６は第３の媒質の厚みと群遅延時間温度係数ＴＣＤとの関係を示し、図７は、第３の媒質の厚みと電気機械結合係数Ｋ^２との関係を示す。

図７から明らかなように、第３の媒質の厚みが厚くなると、弾性境界波の電気機械結合係数Ｋ^２が若干低下するものの、図６から明らかなように、第３の媒質の厚みが厚くなるにつれて、群遅延時間温度係数ＴＣＤの絶対値が十分に小さくされていることが分かる。また、図４，５から明らかなように、第３の媒質の厚みが厚くなると、音速は低下していくが、κ_１２／ｋ_０はほとんど変化していないことがわかる。

一般に、この種の弾性境界波装置において第１の媒質として用いられる圧電体は、その群遅延時間温度係数ＴＣＤが正であることが多い。これに対して、特許文献１に記載の弾性境界波装置１０１のように、負の群遅延時間温度係数ＴＣＤの材料により第２の媒質を構成することにより、群遅延時間温度係数ＴＣＤの絶対値を小さくすることができる。しかしながら、この方法だけでは、群遅延時間温度係数ＴＣＤの絶対値を十分に小さくすることはできなかった。これは、Ａｕなどの質量の大きな金属を用いてＩＤＴ電極を形成して弾性境界波のエネルギーを第１，第２の媒質間の界面に閉じ込めた構造では、ＩＤＴ電極の質量負荷により温度特性が悪化するためと考えられる。

これに対し、本実施形態によれば、上記低音速の第３の媒質をＩＤＴ電極の上面を覆うように設けたことにより、弾性境界波のエネルギー分布が、図３に示したように、界面から第２の媒質側に広がるため、それによって、温度特性が改善されているものと考えられる。

よって、本実施形態によれば、上記第３の媒質７を設けたことにより、周波数温度特性を効果的に改善することが可能となる。

なお、上記実施形態では、ＩＤＴ電極４の上面に第３の媒質７が設けられていたが、図８に示す変形例のように、ＩＤＴ電極４の上面だけでなく、ＩＤＴ電極４の側面の少なくとも一部をも覆うように、第３の媒質７Ａが形成されていても良い。この場合、図８に示すように、第１の媒質２上に形成されているＩＤＴ電極４を覆うように、かつ第１の媒質２の上面を覆うように第３の媒質７Ａを形成することが望ましい。すなわち、第１の媒質２上にＩＤＴ電極４を形成した後に、薄膜形成法などにより、第３の媒質７Ａを成膜することにより、容易に第３の媒質７Ａを形成することができるからである。

なお、図８に示すように、ＩＤＴ電極４は単一の金属層により形成されていてもよい。

また、ＩＤＴ電極を構成する金属材料としては、特に限定されないが、弾性境界波のエネルギーを界面に効果的に閉じ込め得るため、Ａｌよりも質量の大きな金属を用いることが望ましい。このような金属としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｆｅ、ＷまたはＴａなどが挙げられ、またこれらの金属を主体とする合金を用いてもよい。

さらに、図１に示した実施形態のように、ＩＤＴ電極４は複数の金属層を積層した構造を有していてもよい。その場合には、上記のようにＡｌよりも重い金属もしくは合金からなる金属層を有するようにＩＤＴ電極４を形成することが望ましい。また、Ａｌよりも重い金属もしくは合金からなる金属層に、Ａｌなどの相対的に質量の軽い金属層を積層した構造であってもよく、Ａｌよりも重い金属からなる複数の金属層を積層した構造であってもよい。

さらに、好ましくは、図１に示した実施形態のように、複数の金属層を積層した構造では、質量の小さい金属層６が第２の媒質３側に配置されることが望ましく、それによって、弾性境界波のエネルギー分布を第２の媒質３側に拡げることができ、温度特性をより一層改善することができる。

なお、ＩＤＴ電極においては、密着性や耐電力性を高めるために、Ｔｉ、Ｃｒ、ＮｉＣｒ、Ｎｉ、ＰｔまたはＰｄなどの金属もしくは合金からなる薄層がＩＤＴ電極と第１の媒質との間、ＩＤＴ電極と第３の媒質との間、ＩＤＴ電極を構成している複数の金属層間などに配置されてもよい。このような構造の場合には、このＩＤＴ電極のストリップにおける弾性境界波の反射作用を主として担う材料、多くはもっとも重い金属材料と、第１，第２の媒質の横波の音速を考慮すればよい。

なお、上記実施形態及び変形例では、第１の媒質がＬｉＮｂＯ_３、第２の媒質がＳｉＯ_２により構成されており、第３の媒質がＴａ_２Ｏ_５により構成されていたが、第１〜第３の媒質は、他の適宜の圧電体もしくは誘電体を用いて構成され得る。このような材料としては、Ｓｉ、ガラス、ＳａＣ、ＺｎＯ、ＰＺＴ系セラミックス、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＮｂＯ_３などを挙げることができる。

もっとも、第１の媒質２または第２の媒質３のうち一方は圧電材料で形成される必要がある。
また、第２の媒質３と第１の媒質２の少なくとも一方が積層構造であってもよい。さらに、第２の媒質３は、ＳｉＯ_２の上にＳｉＮが積層された構造であってもよい。

また、好ましくは、上記第３の媒質を構成する材料として、媒質とＩＤＴとの密着性を改善し得る材料、例えばＴｉＯ_２などを用いることが望ましい。また、第３の媒質を構成する材料としては、好ましくは、Ｔａ_２Ｏ_５のように、化学的に安定な材料を用いることが望ましく、それによって、電極への媒質の拡散による抵抗の増加を抑制することができる。

さらに、第１，第２の媒質が積層されている構造の表面に、弾性境界波装置の強度を高めたり、腐食性ガスの侵入を防止するための保護層を形成してもよい。場合によっては、弾性境界波装置１をパッケージに封入してもよい。上記保護層を構成する材料は特に限定されず、絶縁性材料や金属膜を用いることができる。絶縁材料としては、ポリイミドやエポキシ樹脂の有機系絶縁材料、あるいは酸化チタン、窒化アルミニウムもしくは酸化アルミニウムなどの無機系絶縁材料を挙げることができ、上記金属膜としては、Ａｕ膜、Ａｌ膜またはＷ膜などを挙げることができる。

また、本発明は、上述した反射器付きの共振子に限らず、縦結合型フィルタ、ラダー型フィルタ、縦結合共振子型フィルタ、横結合共振機型フィルタ、反射型ＳＰＵＤＴを用いたトランスバーサル型弾性境界波フィルタ、弾性境界波光スイッチ、弾性境界波光フィルタなどの弾性境界波を用いた様々なデバイスに広く用いることができる。

Claims (4)

1. 群遅延時間温度係数ＴＣＤが正である第１の媒質と、前記第１の媒質上に積層されたＩＤＴ電極と、前記ＩＤＴ電極を覆うように前記第１の媒質上に積層されており、群遅延時間温度係数ＴＣＤが負である第２の媒質とを備え、第２の媒質／ＩＤＴ電極／第１の媒質の積層構造を有する弾性境界波装置において、
   前記第２の媒質よりも横波の音速が低い誘電体材料からなり、厚みが前記ＩＤＴ電極の厚みよりも薄くされている第３の媒質が、前記ＩＤＴ電極の少なくとも上面に設けられていることを特徴とする、弾性境界波装置。
2. 前記第３の媒質が、前記ＩＤＴ電極の上面だけでなく、前記ＩＤＴ電極の側面の少なくとも一部をも覆うように設けられている、請求項１に記載の弾性境界波装置。
3. 前記第３の媒質が、前記第１の媒質上に形成されたＩＤＴ電極及び第１の媒質の上面を覆うように形成されている、請求項２に記載の弾性境界波装置。
4. 前記ＩＤＴ電極が複数の金属層を積層した構造を有し、複数の金属層のうち第２の媒質側に配置されている金属層が、残りの金属層よりも軽い金属からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。

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