JP4799596B2 - 弾性表面波装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気通信分野において携帯電話やセルラ電話等の移動体用通信機器に高周波素子として頻繁に使用される弾性表面波装置の電極構造に関する。

近年、電波を利用する電子機器のフィルタ，遅延線，発信機等の構成素子として多くの弾性表面波装置が用いられている。
特に小型・軽量かつフィルタとしての急峻遮断性能が高い弾性表面波装置は、移動体通信分野において、携帯端末装置のＲＦ段及びＩＦ段のフィルタとして多用されるようになってきており、低損失かつ通過帯域外の遮断特性が優れた、高い減衰特性と、広い帯域幅を有する弾性表面波装置が要求されている。

図１５に、従来の一般的な弾性表面波共振子Ｊ１の電極パターンの平面模式図を示す。
この図に示すように、従来の弾性表面波共振子は、入力端子電極５に接続した入力用櫛歯状電極１の電極指１ａと出力端子電極６に接続した出力用櫛歯状電極２の電極指２ａが互いに交差するように配設させ、これら入出力端子電極間に交番電界を印加し、圧電基板上に弾性表面波を発生させ励振させる構造としている。

また、上記１対の櫛歯状電極（Inter Digital Transducerのことで、以下、ＩＤＴ電極という）の両端側には、空間的周期構造の電極パターンにて励振させた弾性表面波のエネルギーを閉じ込める働きを有する梯子状の反射器４を配設するのが一般的である。

これまでに、弾性表面波装置には電極構成の観点から、ＩＤＴ電極を梯子型（ラダー型）回路に縦続接続したもの、ＩＤＴ電極を複数配設し電気信号を弾性表面波に変化し伝搬させるもの、ＩＤＴ電極を伝搬方向に併設し、その共振により信号を伝搬させる縦モード結合共振器型等の構成のもの等が実用化されているが、その中でもラダー型弾性表面波装置は、低損失でかつ良好な通過帯域近傍の遮断特性を有し、高周波化による電極微細化に伴う耐電力面での信頼性も高く、非常に有望視されている。

図１６は、一般的なラダー型弾性表面波装置Ｊ２の電極構造を模式的に示す平面図である。
このように、圧電基板１４上に、入出力端子電極５，６間に図１５に示した弾性表面波共振子Ｊ１を直列及び並列に接続したものである。
この弾性表面波装置（フィルタ）の場合、比帯域幅ＢＷ／ｆo（ＢＷ：通過帯域幅、ｆo：中心周波数）は、フィルタを構成する弾性表面波共振子の共振周波数と反共振周波数の差であるΔｆ（＝ｆａ−ｆｒ；ただし、ｆａ：反共振周波数、ｆｒ：共振周波数）を共振周波数で規格化したものでほぼ決定され、このΔｆは圧電基板の材料定数の一つである電気機械結合係数に大きく依存するので、所望の比帯域幅を得るには、適切な電気機械結合係数を有する圧電基板及び電極膜厚を選択しフィルタを作製する必要がある。
実願昭５２−１４９７６３号（実開昭５４−７５６２９号）のマイクロフィルム

近年、携帯電話システムの急激な変化に伴い、システム側の要求スペックもより厳しいものになり、広帯域でより矩形に近い肩部の急峻性を備えた弾性表面波装置が切望されている。このような弾性表面波装置の肩部の急峻性は、やはりΔｆで決まるため、これに対しても適切な電気機械結合係数を有する圧電基板や基板カット方位及び電極膜厚を選択しフィルタを設計することが望ましいが、通常は最適な組み合わせが存在せず、やむを得ず一般的な圧電基板を採用しているのが実状である。

そこで本発明は、圧電基板・カット方位及び電極膜厚を変えることなく、急峻な減衰特性を有する弾性表面波装置の電極構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の弾性表面波装置は、圧電基板上に、入力端子電極と、出力端子電極と、弾性表面波を発生させる励振電極とを形成した弾性表面波装置であって、前記励振電極は、櫛歯状浮き電極の電極指に、前記入力端子電極に接続された入力用櫛歯状電極の電極指、及び前記出力端子電極に接続された出力用櫛歯状電極の電極指のそれぞれが噛み合うように配設されており、前記入力用櫛歯状電極の電極指のうち前記出力用櫛歯状電極側の端部に位置する電極指と前記出力用櫛歯状電極の電極指のうち前記入力用櫛歯状電極側の端部に位置する電極指との間には、前記櫛歯状浮き電極の電極指である境界電極指が一本配置され、前記境界電極指は、一方端が前記櫛歯状浮き電極の電極指同士を接続するバスバー電極に接続されているとともに他方端が他の電極と接続されない状態とされ、前記励振電極の両端側には反射器が配置されていることを特徴とする。

また本発明の弾性表面波装置は、圧電基板上に、入力端子電極と、出力端子電極と、弾性表面波を発生させる励振電極とを形成した弾性表面波装置であって、前記励振電極は、櫛歯状浮き電極の電極指に、前記入力端子電極に接続された入力用櫛歯状電極の電極指、及び前記出力端子電極に接続された出力用櫛歯状電極の電極指のそれぞれが噛み合うように配設されており、前記入力用櫛歯状電極の電極指のうち前記出力用櫛歯状電極側の端部に位置する電極指と前記出力用櫛歯状電極の電極指のうち前記入力用櫛歯状電極側の端部に位置する電極指との間には、前記櫛歯状浮き電極の複数本の電極指が互いに噛み合うように配置され、前記櫛歯状浮き電極の複数本の電極指のうち、隣接する電極指同士は電気的に接続されていないことを特徴とする。

本発明の弾性表面波装置を構成する励振電極を、櫛歯状浮き電極の電極指に、入力端子電極に接続された入力用櫛歯状電極の電極指、及び出力端子電極に接続された出力用櫛歯状電極の電極指のそれぞれが噛み合うように構成したので、圧電基板・カット方位及び電極膜厚を変えることなく、急峻な減衰特性を有するラダー型弾性表面波装置（フィルタ）の電極構成を提供することができる。

また、励振電極が複数に分割されていることで、印加電圧が分圧され、結果として耐電力特性に優れることになり、さらに、電極のパターニング時に焦電効果等によって発生する静電気による電極破壊も極力防止でき、信頼性の高い弾性表面波装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本発明に係る弾性表面波共振子（弾性表面波装置）を構成する励振電極（以下、ＩＤＴ電極）の電極構造を模式的に示す平面図である。
このように、圧電基板上に、少なくとも、入力端子電極５と、出力端子電極６と、弾性表面波を発生させるＩＤＴ電極とを形成したものであるが、ＩＤＴ電極は、入力端子電極５に接続された入力用櫛歯状電極１の電極指１ａと、出力端子電極６に接続された出力用櫛歯状電極２の電極指２ａのそれぞれが、櫛歯状浮き電極３の電極指３ａに噛み合うように配設させて構成されている。

また、入力用櫛歯状電極１の端部に位置する電極指１ｂの中心と、この電極指の隣接する位置にある、櫛歯状浮き電極３の電極指３ｂの中心との間隔１４は、１／４λの長さであることが好ましい（ただし、λ：ＩＤＴ電極の周期長でほぼ弾性表面波の波長に等しい）。また、ＩＤＴ電極の両端側には周期構造を持つ電極パターンで構成した反射器４を配置させた方がエネルギーの漏洩が無く好ましい。なお、入力用櫛歯状電極１の電極指のうち出力用櫛歯状電極２側の端部に位置する電極指と出力用櫛歯状電極のうち、入力用櫛歯状電極１側の端部に位置する電極指との間に配置された櫛歯状浮き電極３の電極指３ｂを便宜上、境界電極指とも呼ぶ。また歯状浮き電極３の電極指同士を接続する部分を便宜上、バスバー電極とも呼ぶ。

図２に上記弾性表面波共振子におけるインピーダンスの周波数特性を示す。ここで、横軸に周波数、縦軸にインピーダンスの絶対値をとっている。この図に示すように、従来構造の弾性表面波共振子Ｊ１のインピーダンス特性１１に対して、本発明の構成の弾性表面波共振子Ｓ１のインピーダンス特性１０は、反共振周波数が低下し、共振周波数と反共振周波数の差であるΔｆが小さく、急峻なインピーダンスの周波数特性が実現している。

図３は、従来の弾性表面波共振子のＩＤＴ電極を、弾性表面波の伝搬方向における中央部で２分割するように、ショート電極の片方を切断する構造を示している。
なお、この構造を採用することによって、給電ポートである入出力端子電極５，６を図のように配置することも可能である。

また、図４は同様にＩＤＴ電極を伝搬方向に対して３分割した例、図５は同様にＩＤＴ電極を伝搬方向に対して４分割した例、また、図６は同様にＩＤＴ電極を伝搬方向に対して５分割した例である。このように分割をすることで、Δｆがそれぞれ変化し、より急峻なインピーダンスが得られる。なお、図示はあくまで模式的なものであり、電極指の数を正しく表現したものではなく、図示の電極指が１本の場合でも、各々分割された櫛歯状電極は必ず複数の電極指で構成されているものとする。

図７に本発明に係る弾性表面波共振子のＩＤＴ電極の分割数における、櫛歯状浮き電極の電極指と入出力用櫛歯状電極の電極指の組み合わせの数（以下、ＩＤＴ対数という）とΔｆとの関係を示す。図中の横軸にはＩＤＴ対数を示し、縦軸にはΔｆを示す。図中の曲線は、従来のＩＤＴ電極の場合と、本発明に係るＩＤＴ電極の２分割、３分割した場合を示している。このように、Δｆは従来の場合に比べ１／２、１／３になることが判明した。

このように、ＩＤＴ電極を分割することでΔｆが減少するが、その理由について以下に説明する。ＩＤＴ電極は、共振・反共振点以外の周波数領域では、通常キャパシタンスとして振舞う。これはＩＤＴ電極の持つ櫛歯状電極が、対向する２つの電極を持つコンデンサと等価であるためである。ここで、ショート電極の片側に一箇所切れ目を入れ、ＩＤＴ電極を２つに分割する場合を考えると、分割前の容量に対して直列に容量が増えていくことになり、端子間で見た場合に容量は逆に減少し、この静電容量に依存した反共振周波数が低周波側に移動することで、Δｆは小さくなる。

図８は、本発明の弾性表面波共振子Ｓ１を直列共振子に使用し、従来構成を並列共振子に使用し、それぞれ入出力端子電極５，６と接地端子電極７に接続させた場合のラダー型弾性表面波フィルタＳ２の電極構成を模式的に示したものである。このフィルタＳ２の周波数特性を図１１に示す。通過帯域の高域側の遮断特性において、従来の特性１３に比べて非常に急峻な特性１２が実現される。

図９は、本発明の弾性表面波共振子Ｓ１を並列共振子に使用し、従来構成の弾性表面波共振子を直列共振子に使用し、それぞれ入出力端子電極５，６と接地端子電極７に接続させた場合のラダー型弾性表面波フィルタＳ３の構成の上面図である。このフィルタの周波数特性を図１２に示す。通過帯域の低域側の遮断特性において、従来の特性１３に比べて非常に急峻な特性１２が実現できる。図８は、本発明の弾性表面波共振子Ｓ１を直並列共振子に使用し、それぞれ入出力端子電極５，６と接地端子電極７に接続させた場合のラダー型弾性表面波フィルタＳ４の構成の上面図である。このフィルタの周波数特性を図１３に示す。通過帯域の高域側・低域側の両方の遮断特性において、従来の特性１３に比べて非常に急峻な特性１２が実現できる。これらの発明を用いることにより、帯域近傍の減衰量のより大きいフィルタを実現できる。

また、本発明によれば、ＩＤＴ電極が複数に分割されていることで、印加電圧が分圧され、結果として耐電力特性に優れた弾性表面波装置を作製することができる。
また同様に、電極のパターニング時に焦電効果等によって発生する静電気による電極破壊も、電圧が分圧されるという理由で、発生しにくくなる。

次に、図１４に本発明に係る共振子Ｓ１における間隔１４（図１を参照）が変化した場合の共振子のインピーダンス特性を示す。図１の本発明の弾性表面波共振子における間隔１４の適正範囲は、図１４（ａ）に間隔１４が３／４λの場合、図１４（ｂ）に間隔１４が５／８λの場合、図１４（ｃ）に間隔１４が１／２λの場合、及び図１４（ｄ）に間隔１４が３／８λの場合のそれぞれについて示すが、特に間隔１４は７／１６λ〜９／１６λが好適でありリップルが減少することが判明した。さらに、間隔１４が１／２λではリップルが全くなくなり、最適であることが判明した。そして、間隔１４が７／１６λ〜９／１６λの範囲以外で弾性表面波共振子を作製すると、図１４（ａ），（ｂ），（ｄ）のように、共振点と反共振点との間にリップルが発生し、弾性表面波装置のフィルタ特性に悪影響を及ぼすことが判明した。

また、上記実施の形態では入力用櫛歯状電極の電極指が端部になる場合を示したが、出力用櫛歯状電極の電極指が端部なる場合も同様であり、図１４と同じ結果が得られ、好適範囲及び最適値は等しい。

以下に、本発明のより具体的な実施例について説明する。

ラダー型弾性表面波装置を構成する弾性表面波共振子は、ＩＤＴ電極の対数（電極指本数の１／２）が４０〜１２０対、電極指と電極指の交差幅が１０〜３０λ（λ：弾性表面波の波長に相当）で、λは直列と並列で違えてあるが、概略２μｍとした。ここで、反射電極本数は直列共振子、並列共振子とも２０本である。フィルタ構成の例は図８，９，１０に示す通りである。図８では直列共振子が２個、並列共振子が３個で構成される２．５段π型で、直列共振子に本発明に係る弾性表面波共振子を用いた例である。また、図９は並列共振子に本発明に係る弾性表面波共振子を用いた例であり、図１０は直並列共振子に本発明に係る弾性表面波共振子を用いた例である。

次に、本発明に係るラダー型弾性表面波装置を試作した実施例を説明する。

４２°ＹカットＬｉＴａＯ３単結晶基板上に、Ａｌ（９８ｗｔ％）−Ｃｕ（２ｗｔ％）合金による微細電極パターンを形成した。パターン作製には、縮小投影露光機（ステッパー）、およびＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置によりフォトリソグラフィを行なった。

まず、基板材料をアセトン・ＩＰＡ等によって超音波洗浄し、有機成分を落とした。
次にクリーンオーブンによって充分に基板乾燥を行なった後、電極の成膜を行なった。
電極成膜には、スパッタリング装置を使用し、Ａｌ−Ｃｕ合金を成膜した。電極膜厚は約２０００Åとした。次にレジストを約０．５μｍ厚みにスピンコートし、縮小投影露光装置（ステッパー）により、所望のパターニングを行なった。ステッパーには、パターニングの原版となるレチクルが必要であるが、これは、ステッパー自身の光学系にて像を１／５に縮小投影するため、実際のパターンの５倍のサイズでかまわない。このため、逆に従来のコンタクトアライナーに比べると、５倍の解像度が得られる。

次に、現像装置にて不要部分のレジストをアルカリ現像液で溶解させ、所望パターンを表出した後、ＲＩＥ装置により、Ａｌ−Ｃｕ合金から成る電極のエッチングを行ない、パターンニングを終了した。

この後、保護膜を作製する。ＳｉＯ₂ をスパッタリング装置にて成膜し、その後、フォトリソグラフィによってレジストのパターニングを行ない、ＲＩＥ装置等でワイヤーボンディング用窓開け部のエッチングを行ない、保護膜パターンを完成した。

次に、基板をダイシング線に沿ってダイシングし、チップごとに分割した。そして、各チップをダイボンド装置にてピックアップし、Ｓｉ樹脂を主成分とする樹脂でＳＭＤパッケージ内に接着した。この後約１６０℃の温度において乾燥・硬化した。ＳＭＤパッケージは３ｍｍ角の積層構造のものを用いた。次に、３０μφＡｕワイヤーをＳＭＤパッケージのパッド部とチップ上のＡｌパッド上にボールボンディングした後、リッドをパッケージにかぶせ、封止機にて溶接封止して完成した。なお、チップ上の接地用電極パターンは各々分離して配線し、Ａｕボールボンディングにてパッケージ上のグランドパッドにボンディングした。

図１１，１２，１３は、本発明を用いてフィルタを作製した場合の、周波数電気特性の例である。図１１は図８の直列共振子に本発明の弾性表面波共振子を用いた構成による弾性表面波装置の電気特性であり、図１２は図９の並列共振子に本発明の弾性表面波共振子を用いた構成による弾性表面波装置の電気特性であり、また、図１３は図１０の直並列共振子に本発明の弾性表面波共振子を用いた構成による弾性表面波装置の電気特性である。実際の測定にはネットワークアナライザを用いて、電力の通過特性の電気測定を行った。

これら図に示すように、例えば通過帯域の高域側近傍に減衰量を大きくとる場合、図８のような構成であると、図１１の特性１２に示すように良好な電気特性が得られた。
また、通過帯域の低域側近傍に減衰量を大きくとる場合、図９のような構成であると、図１２の特性１２に示すように良好な電気特性が得られた。さらに、通過帯域の高低域側近傍に減衰量を大きくとる場合、図１０のような構成であると、図１３の特性１２に示すように最適な電気特性が得られた。

本発明に係る弾性表面波共振子の電極構造を模式的に説明する平面図である。 弾性表面波共振子の電気特性を示す特性図である。 本発明に係る弾性表面波共振子の電極構造を模式的に説明する平面図である。 本発明に係る他の弾性表面波共振子の電極構造を模式的に説明する平面図である。 本発明に係る他の弾性表面波共振子の電極構造を模式的に説明する平面図である。 本発明に係る他の弾性表面波共振子の電極構造を模式的に説明する平面図である。 本発明の弾性表面波共振子におけるΔｆの変化を示すグラフである。 本発明の弾性表面波共振子を直列共振子に用いた弾性表面波装置の平面模式図である。 本発明の弾性表面波共振子を並列共振子に用いた弾性表面波装置の平面模式図である。 本発明の弾性表面波共振子を直列共振子と並列共振子の両方に用いた弾性表面波装置の平面模式図である。 本発明の弾性表面波共振子を直列共振子に用いた弾性表面波装置の特性を説明する線図である。 本発明の弾性表面波共振子を並列共振子に用いた弾性表面波装置の特性を説明する線図である。 本発明の弾性表面波共振子を直列共振子と並列共振子の両方に用いた弾性表面波装置の特性を説明する線図である。 入出力用櫛歯状電極の電極指端部と、櫛歯状浮き電極の電極指端部の中心間隔を変化させた場合のインピーダンス特性を示す線図である。 従来の弾性表面波共振子を模式的に説明する平面図である。 一般的なラダー型弾性表面波装置の電極構造を模式的に示す平面図である。

符号の説明

１：入力用櫛歯状電極
１ａ：入力用櫛歯状電極の電極指
１ｂ：入力用櫛歯状電極の電極指の端部
２：出力用櫛歯状電極
２ａ：出力用櫛歯状電極の電極指
３：櫛歯状浮き電極
３ａ：櫛歯状浮き電極の電極指
３ｂ：櫛歯状浮き電極の電極指の端部
４：反射器
５：入力端子電極
６：出力端子電極
７：接地端子電極
８：直列弾性表面波共振子
９：並列弾性表面波共振子
１０：本発明の弾性表面波共振子のインピーダンス特性例
１１：従来の弾性表面波共振子のインピーダンス特性例
１２：本発明の弾性表面波装置の電気特性例
１３：従来の弾性表面波装置の電気特性例
１４：圧電基板
Ｓ１：本発明に係る弾性表面波共振子（弾性表面波装置）
Ｓ２〜Ｓ４：本発明に係る弾性表面波装置

Claims (2)

1. 圧電基板と、前記圧電基板上に配置された入力端子電極、出力端子電極、および弾性表面波を発生させる励振電極を有する弾性表面波共振子と、を備えた弾性表面波装置であって、
   前記圧電基板は、４２°ＹカットＬｉＴａＯ_３単結晶基板からなり、
   前記励振電極は、Ａｌ−Ｃｕ合金からなり、
   前記励振電極は、櫛歯状浮き電極の電極指に、前記入力端子電極に接続された入力用櫛歯状電極の電極指、及び前記出力端子電極に接続された出力用櫛歯状電極の電極指のそれぞれが噛み合うように配設されており、
   前記入力用櫛歯状電極の電極指のうち前記出力用櫛歯状電極側の端部に位置する電極指と前記出力用櫛歯状電極の電極指のうち前記入力用櫛歯状電極側の端部に位置する電極指との間には、前記櫛歯状浮き電極の電極指である境界電極指が一本配置され、
   前記境界電極指は、一方端が前記櫛歯状浮き電極の電極指同士を接続するバスバー電極に接続されているとともに他方端が他の電極と接続されない状態とされ、
   前記弾性表面波共振子が、直列共振子および並列共振子の少なくとも一方に使用されてラダー型フィルタを構成していることを特徴とする弾性表面波装置。
2. 前記弾性表面波の波長をλとしたときに、前記入力用櫛歯状電極と前記櫛歯状浮き電極との間の間隔が（１／２）λであることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波装置。

Images