JP5013227B2 - 圧電薄膜フィルタ - Google Patents

Description

本発明は圧電薄膜フィルタに関し、詳しくは、一対の電極の間に圧電薄膜が挟まれた振動部が基板から音響的に分離して支持されている圧電薄膜フィルタに関する。

従来、一対の電極の間に圧電薄膜が挟まれた振動部が基板から音響的に分離して支持されている圧電薄膜フィルタの特性を改善するため、種々の構成が提案されている。

例えば、特許文献１には、図２７の平面図に示すように、厚み方向から見た振動部１００の外形が非方形の不規則な形状となるように電極を形成することにより、横共振モードにより生じた不規則振動を抑制することが提案されている。

特許文献２には、図２８の平面図に示すように、厚み方向から見た振動部１１０の形状が略多角形となり、この略多角形の各辺が、三角波、矩形波、正弦波など、湾曲又は折れ曲がりを繰り返す波状となるように、電極１１４；１１６の外周１１４ａ；１１６ａ，１１６ｓ，１１６ｔを波状に形成することにより、スプリアスを抑制することが提案されている。

また、特許文献３には、図２９の平面図に示すように、フィルタを構成する全ての共振子のアスペクト比が各々異なるように設定して、フィルタのリップルを抑制することが提案されている。
特開２０００-３３２５６８号公報 国際公開第２００６／１２９５３２号パンフレット 米国特許出願公開第２００３／０２２７３６６号明細書

特許文献１のように振動部形状を非対称な形状にして、発生したラム波を振動部内で消散させる場合、損失が発生することが免れず、共振子の特性は劣る。よって、フィルタ特性において、挿入損失が大きくなり、フィルタの肩のキレの急峻性が劣る。

また、特許文献２のように振動部の縁取りを周期的な波状にして、発生したラム波を振動部内で消散させる場合、損失が発生することが免れず、共振子の特性は劣る。よって、フィルタ特性において、挿入損失が大きくなり、フィルタの肩のキレの急峻性が劣る。

また、特許文献３のように共振子のアスペクト比が各々異なるようにする場合、平面形状が矩形形状である共振子のスプリアスは非常に大きく、アスペクト比を変えた程度ではリップルを抑制することができない。

本発明は、かかる実情に鑑み、挿入損失や肩のキレの劣化を抑えるとともに、通過帯域内のリップルを抑制することができる圧電薄膜フィルタを提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した圧電薄膜フィルタを提供する。

圧電薄膜フィルタは、（ａ）１つの基板と、（ｂ）前記基板の一方主面に沿って一対の電極の間に圧電薄膜が配置されかつ前記基板から音響的に分離されている第１及び第２の振動部とを備える。圧電薄膜フィルタは、前記第１の振動部を含む第１の共振子と前記第２の振動部を含む第２の共振子とにより、フィルタが構成されている。前記第１の共振子は付加膜を含む。該付加膜は、厚み方向から見たときに、前記第１の振動部の外周の全長の半分以上を形成する一方の前記電極に接する外形を有し前記第１の振動領域の外側に配置され、ラム波によるスプリアス振動を抑制しエネルギー閉じ込めを達成する膜厚を有する。前記第２の共振子は、厚み方向から見たときに、前記第２の振動部の外形が多角形であり、該多角形の各辺が他のいずれの辺とも非平行である。

上記構成において、第１の振動部と付加膜とを含む第１の共振子は、共振周波数以下にスプリアスが残り、フィルタ通過帯域内でのリップルが大きい。不規則あるいは非対称な平面形状の第２の振動部を含む第２の共振子は、挿入損失が大きくなり、フィルタの肩のキレの急峻性が劣る。

上記構成によれば、第１の共振子と第２の共振子とを組み合わせることによって、挿入損失や肩のキレの劣化を抑えるとともに、通過帯域内のリップルを抑制することができる。

また、本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した圧電薄膜フィルタを提供する。

圧電薄膜フィルタは、（ａ）１つの基板と、（ｂ）前記基板の一方主面に沿って一対の電極の間に圧電薄膜が配置されかつ前記基板から音響的に分離されている第１及び第２の振動部とを備える。圧電薄膜フィルタは、前記第１の振動部を含む第１の共振子と前記第２の振動部を含む第２の共振子とによりフィルタが構成されている。前記第１の共振子は付加膜を含む。該付加膜は、厚み方向から見たときに、前記第１の振動部の外周の全長の半分以上を形成する一方の前記電極に接する外形を有し前記第１の振動領域の外側に配置され、ラム波によるスプリアス振動を抑制しエネルギー閉じ込めを達成する膜厚を有する。前記第２の共振子は、厚み方向から見たときに、前記第２の振動部の外形が略多角形であり、該略多角形の各辺が湾曲又は折れ曲がりを繰り返す波状である。

上記構成において、第１の振動部と付加膜とを含む第１の共振子は、共振周波数以下にスプリアスが残り、フィルタ通過帯域内でのリップルが大きい。波状に縁取られた第２の振動部を含む第２の共振子は、挿入損失が大きくなり、フィルタの肩のキレの急峻性が劣る。

上記構成によれば、第１の共振子と第２の共振子とを組み合わせることによって、挿入損失や肩のキレの劣化を抑えるとともに、通過帯域内のリップルを抑制することができる。

上記各構成の圧電薄膜フィルタは、具体的には、以下のように構成することができる。

好ましくは、前記第１の共振子は、特性インピーダンスが相対的に小さい。前記第２の共振子は、特性インピーダンスが相対的に大きい。

この場合、特性インピーダンスが相対的に小さい第１の共振子と、特性インピーダンスが相対的に大きい第２の共振子とを組み合わせることにより、特性がより優れた圧電薄膜フィルタを得ることが可能となる。

好ましくは、前記第１の共振子は、特性インピーダンスが相対的に小さい。前記第２の共振子は、特性インピーダンスが相対的に大きい。前記第２の共振子の少なくとも１つが、直列接続された複数の前記第１の共振子に置き換えられている。

この場合、少なくとも１つの第２の共振子を、第２の共振子よりもスプリアスが小さい第１の共振子に置き換えることにより、低挿入損失と急峻な肩のキレの両方を実現する圧電薄膜フィルタを得ることができる。また、共振子にかかる電力が小さくなるため、耐電力性に優れる。

好ましくは、前記第１の共振子は、共振周波数が相対的に低い。前記第２の共振子は、共振周波数が相対的に高い。

この場合、第１の共振子は共振周波数が相対的に高く、第２の共振子は共振周波数が相対的に低い場合よりも、特性がよい圧電薄膜フィルタが得られる。

好ましくは、前記付加膜と異なる材料で形成され、厚み方向から見たとき、前記第１の振動部及び前記第２の振動部の少なくとも一方に重なり、当該振動部の外縁の少なくとも一部分に沿って段差部が形成され、該段差部と当該振動部の前記外縁と間の厚さが他の部分の厚さよりも小さい段差形成膜をさらに備えている。

この場合、段差形成膜を備えることによって、スプリアスを改善することができる。

好ましくは、厚み方向から見たとき、フィルタを構成する共振子のうち特性インピーダンスが相対的に高い共振子の前記振動部のみに重なり、前記振動部の外縁の少なくとも一部分に沿って段差部が形成され、該段差部と前記振動部の前記外縁と間の厚さが他の部分の厚さよりも小さい段差形成膜をさらに備えている。

フィルタを構成する共振子は特性インピーダンスが高くなるとスプリアスが問題となるので、段差形成膜を備えることによって、スプリアスを改善することができる。

本発明の圧電薄膜フィルタは、挿入損失や肩のキレの劣化を抑えるとともに、通過帯域に内のリップルを抑制することができる。

圧電薄膜フィルタの回路図である。（実施例１） 圧電薄膜フィルタの断面図である。（実施例１） 圧電薄膜フィルタの透視図である。（実施例１） 共振特性を示すグラフである。（比較例Ａ、Ｂ） フィルタ特性を示すグラフである。（比較例１） フィルタ特性を示すグラフである。（比較例２） 圧電薄膜フィルタの回路図である。（実施例３） 共振子の配置を示すレイアウト図である。（実施例３） 共振子のスミスチャートである。（比較例４） 共振子の構成の説明図である。（実施例４） 圧電薄膜フィルタの回路図である。（参考例） 圧電薄膜フィルタのレイアウト図である。（参考例） 圧電薄膜フィルタの回路図である。（実施例４） 圧電薄膜フィルタのレイアウト図である。（実施例４） 共振子の透視図である。（実施例５） 共振子の透視図である。（実施例６） 圧電薄膜フィルタの回路図である。（実施例７） 圧電薄膜フィルタの断面図である。（実施例７） 共振子のスミスチャートである。（参考例１） 共振子のスミスチャートである。（参考例２） 圧電薄膜フィルタのレイアウト図である。（実施例７） 圧電薄膜フィルタのレイアウト図である。（実施例８） 圧電薄膜フィルタの断面図である。（実施例９） ＤＰＸの構成を示す回路図である。（実施例１０） ＤＰＸの構成を示す回路図である。（実施例１１） ＤＰＸの構成を示す回路図である。（実施例１２） 圧電薄膜フィルタの断面図である。（従来例１） 圧電薄膜フィルタの断面図である。（従来例２） 圧電薄膜フィルタの断面図である。（従来例３）

符号の説明

１０ 圧電薄膜フィルタ
１２ 基板
１２ａ 上面（一方主面）
１２ｋ，１２ｓ，１２ｔ 空洞
１３ 空隙
１４ 支持膜
１５，１５ｓ，１５ｔ 下部電極
１６ 圧電薄膜
１７，１７ｓ，１７ｔ 上部電極
１８，１９ 周波数調整膜（段差形成膜）
１８ａ，１９ａ 周縁部
１８ｋ，１８ｓ，１９ｓ 段差部
２０，２０ｓ，２０ｐ 振動部
２２ 付加膜
３０ 低音響インピーダンス層
３２ 低音響インピーダンス層
Ｓ１〜Ｓ４ 直列共振子
Ｐ１〜Ｐ３ 並列共振子

以下、本発明の実施の形態として実施例１〜１２について、図１〜図２６を参照しながら説明する。

＜実施例１＞ 実施例１の圧電薄膜フィルタ１０について、図１〜図６を参照しながら説明する。

実施例１の圧電薄膜フィルタ１０は、図１の回路図に示すよう、直列共振子Ｓ１と並列共振子Ｐ１とにより構成されるラダー（梯子）型フィルタを１段又は２段以上備える。すなわち、図１の１段を基本構成として、スペックを満たすように、必要に応じて複数段がカスケード接続される。また、共振子に直列にインダクタを接続してもよい。

直列共振子Ｓ１と並列共振子Ｐ１とは、図２の断面図に示すように構成されている。基板１２の一方主面である上面１２ａに、支持層１４、下部電極１５ｓ；１５ｐ、圧電薄膜１６、上部電極１７ｓ；１７ｐ、周波数調整膜１８；１９、付加膜２２が積層されている。上部電極１７ｓ；１７ｐと下部電極１５ｓ；１５ｐとの間に圧電薄膜１６が挟み込まれている振動部２０ｓ；２０ｐとその周囲は、空隙１３を介して基板１２から離れており、音響的に分離されている。共振子Ｓ１，Ｐ１は、振動部２０ｓ；２０ｐにおける圧電薄膜１６の厚み振動を利用する圧電薄膜共振子である。空隙１３は、基板１２の上面１２ａに犠牲層を形成し、その上に共振子Ｓ１，Ｐ１を形成した後、犠牲層を除去することによって、形成することができる。

圧電薄膜１５には、ＡｌＮやＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＰＺＴ、水晶、Ｔａ_２Ｏ_５などを用いる。上部電極１７ｓ；１７ｐ及び下部電極１５ｓ；１５ｐは、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕなどの導電材料の電極膜及びその多層膜である。

周波数調整膜１８；１９は、上部電極１７ｓ；１７ｐの上にのみ形成されており、所望の振動周波数を得るため、必要に応じて厚さが調整される。周波数調整膜１８；１９には、ＳｉＯ_２、ＳｉＮが望ましいが、他の絶縁材料や導電材料でも構わない。周波数調整膜１８；１９は、外周１８ｘ；１９ｘに沿って内側に段差部１８ｓ；１９ｓが形成されており、段差部１８ｓ；１９ｓよりも外側の周縁部１８ａ；１９ａは、他の部分よりも厚さが小さい。周縁部１８ａ；１９ａは、ラム波によるスプリアス振動を抑制するように最適な膜厚と幅に調整されている。

直列共振子Ｓ１と並列共振子Ｐ１とは、厚み方向から見た透視図である図３に示すように、上部電極１７ｓ；１７ｐ及び下部電極１５ｓ；１５ｐの構成が異なる。

すなわち、直列共振子Ｓ１の上部電極１７ｓと下部電極１５ｓとは、図３（ａ−１）に示すように、重なり合って振動部２０ｓの外周を構成する上部電極１７ｓと下部電極１５ｓとの外周の一部分が、湾曲又は折れ曲がりを繰り返す波状（例えば、三角波、矩形波、正弦波）に形成されている。振動部２０ｓの形状は、正方形・長方形などの矩形に限らず、略多角形や、真円以外の略楕円などの形状としてもよい。

図３（ａ−２）に示すように、振動部２０ｓの平面形状が不規則な多角形形状、すなわち各辺が他のいずれの辺とも非平行である多角形の場合には、振動部２０ｓの外周を構成する上部電極１７ｓと下部電極１５ｓとの外周の一部分を波状に形成しない。

上述した直列共振子Ｓ１のような構成を「タイプＡ」と呼ぶ。タイプＡの共振子は、第２の共振子である。

一方、並列共振子Ｐ１の上部電極１７ｐと下部電極１５ｐとは、図３（ｂ−１）及び（ｂ−２）に示すように、重なり合って振動部２０ｐの外周を構成する上部電極１７ｐと下部電極１５ｐとの外周の一部分は線状に形成されており、波状には形成されていない。

振動部２０ｐの形状は、レイアウトが容易になり、小型化が容易になるという点では、図３（ｂ−１）に示した長方形や、図３（ｂ−２）に示した正方形の矩形が望ましく、特に黄金比（約１：１．６の長短辺比）の長方形が望ましい。もっとも、振動部２０ｐの形状は矩形に限らず、多角形や円形、楕円形など、任意の形状にすることができる。

図３に示すように、振動部２０ｓ，２０ｐ及びその近傍部分では、下部電極１５ｓ，１５ｐが上部電極１７ｓ，１７ｐよりも広がっている。すなわち、振動部２０ｓ，２０ｐの外周の全長の半分以上が、上部電極１７ｓ，１７ｐの外周によって形成されている。振動部２０ｓ，２０ｐの周囲において、下部電極１５ｓ，１５ｐが上部電極１７ｓ，１７ｐよりも外側に広がる付加膜領域２１ｓ，２１ｐの幅は１０μｍ以上が好ましい。

並列共振子Ｐ１については、付加膜領域２１ｐに対応して、図２に示すように付加膜２２が配置されている。付加膜２２は、並列共振子Ｐ１の上部電極１７ｐ及び周波数調整膜１９の外周１７ｘ，１９ｘに接している。付加膜２２は、厚み方向から透視すると、振動部２０ｐに接して上部電極１７ｐの上にも形成され、振動部２０ｐの全周を取り囲むように形成してもよい。付加膜２２には絶縁膜を用いる。付加膜２２は、ラム波によるスプリアス振動を抑制し、かつエネルギー閉じ込めを達成するように、最適な膜厚に調整されている。付加膜は、厚み方向から透視したとき空隙の外側まで伸びているように形成すると、振動部で発生した熱を、付加膜を介して空隙の外側に効率よく伝達して、放熱性を高めることができる。

上述した並列共振子Ｐ１のような構成を「タイプＢ」と呼ぶ。タイプＢの共振子は、第１の共振子である。

図３において、周波数調整膜１８，１９の段差部１８ｓ，１９ｓを点線で示している。周波数調整膜１８，１９は、振動部２０ｓ，２０ｐと完全に重なるように形成されている。

タイプＡ、Ｂの共振子は、フォトリソプロセスに用いるフォトマスクにおいて、その形状を決めておき、各層を順に形成した後、タイプＢの共振子の部分に付加膜２２を形成するときに、タイプＡの共振子の部分については付加膜２２を形成しなければよい。タイプＡ、Ｂの共振子を組み合わせたフィルタは、タイプＢの共振子のみで構成したフィルタを製造する場合と同じ工程で製造することができ、特段の工程追加がない。

次の表１に、共振子の膜構成を示す。

すなわち、支持膜１４として厚さ１００ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成し、下部電極１５ｓ，１５ｐとして厚さＴｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉを順に成膜し、圧電薄膜１６としてＡｌＮ膜を形成し、上部電極１７ｓ、１７ｐとしてＴｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉを順に成膜し、周波数調整膜１８，１９として全体に厚さ１００ｎｍのＳｉＯ_２を積層した後、周縁部１８ａ，１９ａに対応して厚さ２０ｎｍ分をエッチングにより除去する。直列共振子Ｓ１と並列共振子Ｐ１は、下部電極１５ｓ，１５ｐのＰｔ及びＡｕの膜厚が異なる。

実施例１の圧電薄膜フィルタ１０では、特性インピーダンスが相対的に大きい共振子にタイプＡの共振子を用い、相対的に小さい共振子にタイプＢの共振子を用いる。

特性インピーダンスＺ（Ω）は、共振周波数ｆ_ｓ（Ｈｚ）、上部電極と下部電極が圧電薄膜を介して重なり合っている振動部により決定される共振子容量Ｃ_０（Ｆ）を用いて、次の式（１）によって求められる。
Ｚ＝１／（２×π×ｆ_ｓ×Ｃ_０） ・・・（１）

換言すると、共振子容量が相対的に小さい共振子にタイプＡの共振子を用い、相対的に大きい共振子にタイプＢの共振子を用いる。

大小を分ける基準値は動作周波数によって異なる。表１の２ＧＨｚ帯の共振子では、共振子容量では１．２ｐＦ、特性インピーダンスでは７０Ωが、大小を分ける基準値となる。

表１の直列共振子Ｓ１は、共振子容量が１．２ｐＦよりも小さく、特性インピーダンスは７０Ωよりも大きく、タイプＡの共振子であり、振動部２０ｓの平面形状は図３（ａ−２）に示した非対称な多角形である。並列共振子Ｐ１は、共振子容量が１．２ｐＦよりも大きく、特性インピーダンスは７０Ωよりも小さく、タイプＢの共振子であり、振動部２０ｐの平面形状は、図３（ｂ−２）に示した正方形である。

共振子容量が相対的に小さい共振子（直列共振子Ｓ１）にタイプＡの共振子を用い、相対的に大きい共振子（並列共振子Ｐ１）にタイプＢの共振子を用いることによって、通過帯域内のリップルが小さく、通過帯域全域にわたって挿入損失が小さいフィルタをコストアップなしに実現できる。

図４に、比較例Ａ、Ｂのフィルタの共振特性を示す。グラフは、インピーダンス曲線と、スミスチャートである。比較例Ａは１段のラダー型フィルタであり、直列共振子と並列共振子の両方に、共振子容量が同じであり、振動部の平面形状が図３（ａ−２）に示した非対称な多角形であるタイプＡの共振子を用いている。比較例Ｂは１段のラダー型フィルタであり、直列共振子と並列共振子の両方に、共振子容量が同じであり、振動部の平面形状が図３（ｂ−２）に示した正方形であるタイプＢの共振子を用いている。

図４から、タイプＡ，Ｂの共振子について、次のような特徴が分かる。

比較例Ａから、タイプＡの共振子は、共振・反共振点の近傍でのスプリアスが非常に小さい。比較例Ｂから、タイプＢの共振子は、共振子容量が小さい場合（０．８ｐＦ）には、共振周波数以下に大きなスプリアスがある。一方、共振子容量が大きい場合（１．６ｐＦ）には、共振・反共振点の近傍でのスプリアスが非常に小さい。タイプＢの共振子（比較例２）に比べて、タイプＡの共振子（比較例Ａ）は反共振Ｑ値が小さい。タイプＡ、Ｂの共振子は、実効的電気機械結合係数（すなわち、共振周波数と反共振周波数との差）がほぼ等しい。

共振子の共振抵抗と反共振抵抗の差が大きいほど、共振子のＱ値が高く、低挿入損失で、キレのよいフィルタを実現できる。また、共振子における共振・反共振点近傍のスプリアスはフィルタにおける通過帯域内のリップルとなるため、最小に抑える必要がある。

一方、共振子容量１．６ｐＦのタイプＢの共振子を用いてフィルタを構成することができれば、良好な特性を持ったフィルタを作製できるが、通過帯域外での減衰量といったスペックを満足するには、様々な大小の共振子容量値をもった共振子を組み合わせてフィルタを作製する必要がある。

図５は、共振子容量が１．６ｐＦの共振子を組み合わせて１段のラダー型フィルタを構成した比較例１のフィルタ特性を示す。図中、符号ＡはタイプＡの共振子のみを用いた場合（ケースＡ）、符号ＢはタイプＢの共振子のみを用いた場合（ケースＢ）、符号Ｃは並列共振子にタイプＡの共振子、直列共振子にタイプＢの共振子を用いた場合（ケースＣ）である。図５から、ケースＢ，Ｃのリップル、挿入損失は同程度であることが分かる。

図６は、共振子容量が０．８ｐＦの共振子を組み合わせて１段のラダー型フィルタを構成した比較例２のフィルタ特性を示す。符号ＡはタイプＡの共振子のみを用いた場合（ケースＡ）、符号ＢはタイプＢの共振子のみを用いた場合（ケースＢ）、符号Ｃは並列共振子にタイプＡの共振子、直列共振子にタイプＢの共振子を用いた場合（ケースＣ）である。図６から、ケースＣは最もリップルが小さく、挿入損失が小さいことが分かる。

図４及び図５より、反共振Ｑ値が大きいタイプＢの共振子を使ってフィルタを構成することで、最良のフィルタ特性が得られるわけではなく、スプリアス特性を考慮して、適宜、タイプＡの共振子を使うことによって、最良のフィルタ特性が得られることが分かる。

実施例１のように、共振子容量が基準値より小さい共振子（直列共振子Ｓ１）にタイプＡの共振子を用い、基準値より大きい共振子（並列共振子Ｐ１）にタイプＢの共振子を用いることによって、通過帯域内のリップルが小さく、通過帯域全域にわたって挿入損失が小さいフィルタをコストアップなしに実現できる。

＜実施例２＞ 実施例２のフィルタは、実施例１のフィルタと同様に、タイプＡ，Ｂの共振子を組み合わせて構成された１段又は複数段のラダー型フィルタである。

振動部の平面形状が図３（ａ−２）に示した非対称な多角形であるタイプＡの共振子と、振動部の平面形状が図３（ｂ−２）に示した正方形であるタイプＢの共振子を用いている。実施例１と同様に、共振子容量が基準値（１.２ｐＦ）より小さい直列共振子Ｓ１にタイプＡの共振子を用い、共振子容量が基準値（１.２ｐＦ）より大きい並列共振子Ｐ１にタイプＢの共振子を用いる。

実施例２のフィルタは、次の表２に示すように、共振子の膜構成が実施例１とは異なる。

実施例２は、実施例１と同様に、通過帯域内のリップルが小さく、通過帯域全域にわたって挿入損失が小さいフィルタをコストアップなしに実現できる上、実施例１の構造よりも共振子容量１ｐＦの共振子を作成するのに必要な面積が２７%削減されるため、素子の小型化が実現できる。また、励振領域の面積が小さくて済むため、振動部の中心で発生した熱が放熱膜部へ到達するまでの距離が短く、放熱性に優れ、耐電力性に優れる。

＜実施例３＞ 実施例３のフィルタについて、図７及び図８を参照しながら説明する。

図７の回路図に示すように、実施例３のフィルタは、直列共振子Ｓ１〜Ｓ４と並列共振子Ｐ１〜Ｐ３とにより構成された３段のラダー型フィルタである。実施例１のフィルタと同様に、タイプＡ，Ｂの共振子を組み合わせて３段のラダー型フィルタが構成されている。すなわち、振動部の平面形状が図３（ａ−２）に示した非対称な多角形であるタイプＡの共振子と、振動部の平面形状が図３（ｂ−２）に示した正方形であるタイプＢの共振子を用いている。

各共振子Ｓ１〜Ｓ４，Ｐ１〜Ｐ３は、図８のレイアウト図に示すように配置されている。共振子Ｓ１〜Ｓ４，Ｐ１〜Ｐ３の振動部形状は特に、正方形や黄金比（約１：１．６の長短辺比）を持った長方形で組み合わせると無駄な領域が省け、フィルタ全体の面積が小さくできる。

次の表３に示すように、フィルタを構成する共振子のうち、基準値（１．２ｐＦ）よりも共振子容量の小さい共振子Ｓ２及びＳ３にタイプＡの共振子を用い、基準値（１．２ｐＦ）よりも共振子容量の大きい共振子Ｓ１、Ｐ１〜Ｐ３にタイプＢの共振子を用いる。

タイプＡの共振子を採用するかどうか、タイプＡの共振子をいくつ用いるか、タイプＡの共振子をどの共振子容量の共振子に適用するかは、要求されるフィルタスペックにおけるリップル基準を満足するかどうかで判断する。つまり、なるべくタイプＡの共振子の数を減らしつつ、スペックを満足させることが望ましい。

共振子の膜構成、膜厚は、実施例１、２で示した表１、２に記載のものなどを用いる。

実施例３は、実施例１と同様に、通過帯域内のリップルが小さく、通過帯域全域にわたって挿入損失が小さいフィルタをコストアップなしに実現できる。

＜実施例４＞ 実施例４のフィルタについて、図９〜図１４を参照しながら説明する。

図９は、タイプＡの共振子の共振特性の関係を示すグラフである。共振子の容量が小さい場合（１．０ｐＦ）には、周波数調整膜に段差を形成してもスプリアスが大きくなるが、共振子の容量が大きい場合（２．０ｐＦ）には、スプリアスが小さくなる。

このように容量の大きい共振子ほどスプリアスが小さいという特徴を利用して、同じ容量となるように、図１０（ａ）に示す容量の小さいタイプＡの共振子Ｓを、図１０（ｂ）に示す容量の大きいタイプＢの共振子Ｓｘの直列接続に置き換えると、スプリアスが小さくなる。

この場合、共振子が増えることによってフィルタのサイズが大きくなるため、特に電力が最も集中する共振子についてのみ共振子の分割を行ってタイプＢの共振子を用い、他はフィルタのリップル特性がスペックを満足する範囲内まで、容量の小さい共振子に対してタイプＡの共振子を用いるとよい。

一例として、このような置き換えを、図１２にレイアウト図、図１３に回路図を示す参考例のフィルタに適用する。容量の小さい共振子Ｓ２を、図１３の回路図及び図１４のレイアウト図に示すように、直列接続した２つの共振子Ｓ２ｘに分割する。２分割することで、共振子１個あたりの消費電力は半分になる。

このフィルタは、ＤＰＸ（デュープレクサ）を構成するＴｘフィルタに用いる。膜構成は、実施例１の表１を用いる。実施例２の表２の膜構成を用いても構わない。

各共振子の容量と面積は、次の表４の通りである。

各共振子の容量と面積は、次の表５の通りである。共振子Ｓ２ｘの１つあたりの容量は２．２ｐＦである。

実施例４のフィルタは、フィルタ面積が増加し、コストアップにつながるが、共振子のＱ値が悪いタイプＡの共振子を用いずにフィルタを構成できるため、低挿入損失と急峻な肩のキレの両方を実現できる。また、共振子を分割することにより、共振子にかかる電力が小さくなるため、耐電力性に優れる。

＜実施例５＞ タイプＡの共振子の構成について、図１５を参照しながら説明する。

図１５は、タイプＡの共振子を膜厚方向に見た透視図である。タイプＡの共振子の上部電極１７と下部電極１５とが重なる振動部２０の平面形状は、図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、正方形、長方形、不規則な矩形とすることができるほか、図１５（ｃ）に示すように真円以外の略楕円形状、図１５（ｄ）及び（ｅ）に示すように五角形、六角形などの多角形とすることができる。なお、図中の破線は、周波数調整膜の段差部である。

このような構成のタイプＡの共振子は、共振・反共振点の近傍でのスプリアスが非常に小さい共振子特性が得られる。したがって、フィルタを構成する共振子のうち、フィルタのリップル特性がスペックを満足する範囲内まで、容量の小さい共振子に対して、図１５に示したような平面形状をもつタイプＡの共振子を用いると良い。

＜実施例６＞ タイプＡ又はタイプＢの共振子の周波数調整膜に形成する段差部の形状について、図１６を参照しながら説明する。

図１６は、タイプＢの共振子を厚み方向から見た透視図である。周波数調整膜は、上部電極１７と下部電極１５とが重なっている振動部２０に完全に重なるように形成され、周波数調整膜には破線で示した段差部が形成されている。周波数調整膜は、段差部より外側の厚みが他の部分よりも小さい。

段差部は、図１５（ａ）に示すように、周波数調整膜の外周を構成する全ての辺に沿って、あるいは、図１５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｆ）に示すように、周波数調整膜の外周を構成する辺のうちのいくつかの辺に沿って、連続的に形成しても、図１５（ｅ）、（ｇ）に示すように、周波数調整膜の外周を構成する辺に沿って部分的に形成してもよい。

タイプＡの共振子についても同様に、周波数調整膜の外周を構成する辺に沿って連続的又は部分的に段差部を形成する。

タイプＡ又はタイプＢの共振子の周波数調整膜に段差部を設けることによって、共振周波数以下のスプリアスが抑制できる。段差部が形成されたタイプＡ又はタイプＢの共振子は、フィルタのリップル特性がスペックを満足する範囲内まで用いると良い。

＜実施例７＞ 実施例７のフィルタについて、図１７〜図２１を参照しながら説明する。実施例７のフィルタは、全ての共振子について周波数調整膜に段差が形成されていない。

実施例７のフィルタは、実施例１〜６と同様に、図１７の回路図に示すように、直列共振子Ｓ１と並列共振子Ｐ１とにより構成されるラダー型フィルタを１段又は２段以上備える。

実施例１〜６と異なり、図１８の断面図に示すように、全ての共振子Ｓ１，Ｐ１に対して、周波数調整膜１８，１９に段差形成を行わない。すなわち、周波数調整膜１８，１９は、中心から外周まで同じ厚さである。

実施例７のフィルタの共振子の膜構成は、次の表６の通りである。

参考例１として、表３などに示した実施例３のフィルタの共振子をのうち、タイプＢの共振子について、周波数調整膜に段差を形成したときと段差を形成しなかったときの共振特性（計算値）を、図１９に示す。図１９より、共振子の容量が大きいものは、段差が形成されていなくても、共振周波数以下のスプリアスが小さいことが分かる。

また、参考例２として、実施例３のフィルタの共振子をのうち、タイプＡの共振子について、周波数調整膜に段差を形成したときと段差を形成しなかったときの共振特性（実測値）を図２０に示す。

実施例３のフィルタを構成する全ての共振子に対して周波数調整膜に段差を形成しない場合、図１９において破線で囲んで示すように、段差無し・容量１．１ｐＦのタイプＢの共振子の特性は共振周波数以下にスプリアスが多く、フィルタ通過域内のリップルが大きい。一方、図２０において破線で囲んで示すように、段差無し・容量１．１ｐＦのタイプＡの共振子の特性は、スプリアスが小さい。よって、容量１．１ｐＦの共振子に、タイプＡの段差なしの共振子を用いることで、リップルが低減できる。

実施例７のフィルタは、図２１のレイアウト図に示すように、全ての共振子に対して段差形成を行わない点以外は、実施例３と略同様に構成する。図中の（無し）は、段差形成を行わないことを示している。

実施例７では、通過帯域内のリップルが小さく、通過帯域全域にわたって挿入損失が小さいフィルタをコストアップなしに実現できる上、全部の共振子に対して周波数調整膜に段差形成を行わないため、段差形成の工程を削除でき、素子の低コスト化を実現できる。また、段差形成工程における、アライメントずれやエッチング量ずれといった、製造における精密なコントロールが必要な工程に起因する特性バラツキが低減でき、製造マージンが広がる。

＜実施例８＞ 実施例８のフィルタについて、図２２を参照しながら説明する。

実施例８のフィルタは、実施例３、７と略同様に構成されている。ただし、実施例３、７と異なり、図２２のレイアウト図に示すように、容量の小さいタイプＡの共振子Ｓ２，Ｓ３にのみ、周波数調整膜に段差を形成している。図中の（有り）は、段差形成を行うことを示している。図中の（無し）は、段差形成を行わないことを示している。

前述したように、タイプＢの共振子は、容量が小さいと、段差形成を行っても共振周波数以下のスプリアスが大きい。そこで、容量の小さいタイプＢの共振子をタイプＡの共振子に変えることで、フィルタ内リップルが抑制される。

一方、タイプＢの共振子は、容量が大きいと、段差形成を行わなくても共振周波数以下のスプリアスが小さいため、フィルタのリップルに大きな影響を与えないと考えられ、段差形成をしないほうが製造ばらつきによる特性バラツキが減る。

図２０を見ると、容量の小さいタイプＡの共振子は、段差形成をすることによって、共振周波数以下のスミスチャートが外周をはうような特性となり、明らかに損失が小さい（Ｑ値が大きい）ことが分かる。

よって、容量の小さいタイプＡの共振子にのみ段差形成を行うことで、大幅な特性改善が実現でき、実施例１と同様に、通過帯域内のリップルが小さく、通過帯域全域にわたって挿入損失が小さいフィルタをコストアップなしに実現できる。

＜実施例９＞ 共振子の振動部を基板から音響的に分離する構成について、図２３の断面図を参照しながら説明する。

図２３（ａ）〜（ｃ）は、上部電極１７と下部電極１５との間に圧電薄膜１６が挟まれている共振子の振動部と、基板１２との間に空間１３，１２ｓ，１２ｔを設けることによって、音響的に分離している例である。実施例１等のタイプＡの共振子と同様に、支持層１４、周波数調整膜１９、付加膜２２を備え、周波数調整膜１９には段差が形成されている。

図２３（ａ）は、空隙１３を介して基板１２から浮いた状態で、共振子の振動部が支持されている例である。空隙１３は、基板１２上に犠牲層を形成し、その後共振子を形成し、犠牲層を除去することにより形成できる。

図２３（ｂ）は、基板１２を貫通する空洞１２ｓの上に共振子の振動部が配置されている例である。空洞１２ｓは、共振子を形成した基板を裏側から、共振子とは反対側からエッチングすることにより形成できる。この場合、支持層１４はエッチングされない材料を用いる。

図２３（ｃ）は、基板１２に形成された非貫通の空洞（くぼみ）１２ｔの上に共振子の振動部が配置されている例である。基板１２に先に空洞１２ｔを形成しておき、空洞１２ｔに犠牲層を埋め込んだ状態で共振子を形成した後、犠牲層を除去する。

図２３（ｄ）〜（ｉ）は、共振子の振動部と基板１２との間に音響反射層を配置した例である。音響反射層は、音響インピーダンスが相対的に低い低音響インピーダンス層３０と、相対的に高い高音響インピーダンス層３２とが交互に配置されており、例えば音響インピーダンスが異なる材料を交互に積層することによって形成することができる。

図２３（ｄ−１）及び（ｄ−２）は、基板１２の全面に音響反射層が形成され、その上に共振子の振動部が形成されている例である。図２３（ｅ−１）及び（ｅ−２）は、基板１２の空洞（くぼみ）１２ｋの中に音響反射層が形成され、その上に共振子の振動部が形成されている例である。図２３（ｆ−１）及び（ｆ−２）は、基板１２の一部に音響反射層が形成され、その上に共振子の振動部が形成されている例である。

図２３（ｄ−１）、（ｅ−１）及び（ｆ−１）は、タイプＢの共振子に好適な構成であり、上部電極１７及び周波数調整膜１９の外周に接する付加膜２２が形成されている。

図２３（ｄ−２）、（ｅ−２）及び（ｆ−２）は、タイプＡの共振子に好適な構成であり、上部電極１７の上に配置された周波数調整膜１８の外周近傍部分の厚さを他の部分よりも大きくして段差部１８ｋを形成している。

＜実施例１０＞ 実施例１０では、実施例１から９に示した圧電共振子・フィルタ１０１〜１０９とインダクタＬ１〜Ｌ６とを用いて、ＤＰＸ（分波器）を図２４の回路図に示すように構成している。図に示す共振子１０１〜１０９は、実施例に示したＢＡＷ共振子を用いても良いし、一部ＳＡＷ共振子や弾性境界波共振子を使っても良い。

図２４に示すＤＰＸは、Ｔｘ端に不平衡信号（アンバランス信号）を入・出力できるように構成され、Ｒｘ端に縦結合型ＳＡＷフィルタ、縦結合型弾性境界波フィルタなどのように不平衡信号を平衡信号（バランス信号）に変換する機能を持ったフィルタ１１０を用いることで、Ｒｘ端は平衡信号を出力できる。Ｒｘフィルタに縦結合型ＢＡＷフィルタを持ってくるよりも、低コストで、バランス信号の品質に優れたＤＰＸが製造できる。

＜実施例１１＞ 実施例１１では、実施例１から９に示した圧電共振子・フィルタ２０１〜２１０とインダクタＬ１〜Ｌ６とを用いて、ＤＰＸ（分波器）を図２５の回路図に示すように構成している。図に示す共振子２０１〜２１０は、実施例に示したＢＡＷ共振子を用いても良いし、一部ＳＡＷ共振子や弾性境界波共振子を使っても良い。

図２５に示すＤＰＸは、Ｔｘ端に不平衡信号（アンバランス信号）を入・出力できるように構成され、Ｒｘ端に縦結合型ＳＡＷフィルタ、縦結合型弾性境界波フィルタなどのように不平衡信号を平衡信号（バランス信号）に変換する機能を持ったフィルタ２２０と実施例１から９に示した圧電共振子２０８〜２１０を用いることで、Ｒｘ端は平衡信号を出力できる。ＢＡＷフィルタはＳＡＷフィルタよりも低ロス、高Ｑな特徴を持っているため、実施例１０と同じく、低コストで、バランス信号の品質に優れたＤＰＸが製造できる上、実施例１０よりも低ロスで急峻なキレを持つＲｘフィルタ特性を待ったＤＰＸが製造できる。

＜実施例１２＞ 実施例１２では、実施例１から９に示した圧電共振子・フィルタ３０１〜３１０とインダクタＬ１〜Ｌ５とを用いて、ＤＰＸ（分波器）を図２６の回路図に示すように構成している。図に示す共振子３０１〜３１０は、実施例に示したＢＡＷ共振子を用いても良いし、一部の共振子３０８〜３１０にＳＡＷ共振子や弾性境界波共振子を使っても良い。

図２６に示すＤＰＸは、Ｔｘ端に不平衡（アンバランス信号）信号を入・出力できるように構成され、Ｒｘ端に縦結合型ＳＡＷフィルタ、縦結合型弾性境界波フィルタなどのように不平衡信号を平衡信号（バランス信号）に変換する機能を持ったフィルタ３３０を用いることで、Ｒｘ端は平衡信号を出力できる。Ｒｘフィルタに縦結合型ＢＡＷフィルタを持ってくるよりも、低コストで、バランス信号の品質に優れ、さらに出力のインピーダンス調整が行いやすいＤＰＸが製造できる。さらに、Ｒｘ端に回路に対して共振子を並列に入れることによって、静電気耐圧に優れた特性が得られ、特に共振子３０９，３１０にＢＡＷ共振子を用いた場合には最も優れた静電気耐圧特性を持つことができる。

図２６ではアンテナ端に回路に対して並列にインダククＬ１を配置し、ＴｘフィルタとＲｘフィルタの整合を調整しているが、並列インダクタＬ１の代わりにアンテナからＲｘフィルタヘの経路にストリップラインなどで形成した９０度位相器を配置しても良い。

＜まとめ＞ 以上に説明したように、特性インピーダンスが相対的に大きいタイプＡの共振子と、特性インピーダンスが相対的に小さいタイプＢの共振子とを組み合わせてフィルタを構成することにより、より良い特性の圧電薄膜フィルタを得ることができる。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することができる。

例えば、本発明は、ラダー型フィルタに限らず、ラティス型フィルタや多重モードフィルタなどにも適用することができる。

Claims (7)

1. １つの基板と、
   前記基板の一方主面に沿って一対の電極の間に圧電薄膜が配置されかつ前記基板から音響的に分離されている第１及び第２の振動部と、
   を備え、
   前記第１の振動部を含む第１の共振子と前記第２の振動部を含む第２の共振子とによりフィルタが構成されている、圧電薄膜フィルタにおいて、
   前記第１の共振子は付加膜を含み、該付加膜は、厚み方向から見たときに、前記第１の振動部の外周の全長の半分以上を形成する一方の前記電極に接する外形を有し前記第１の振動部の外側に配置され、ラム波によるスプリアス振動を抑制しエネルギー閉じ込めを達成する膜厚を有し、
   前記第２の共振子は、厚み方向から見たときに、前記第２の振動部の外形が多角形であり、該多角形の各辺が他のいずれの辺とも非平行であることを特徴とする、圧電薄膜フィルタ。
2. １つの基板と、
   前記基板の一方主面に沿って一対の電極の間に圧電薄膜が配置されかつ前記基板から音響的に分離されている第１及び第２の振動部と、
   を備え、
   前記第１の振動部を含む第１の共振子と前記第２の振動部を含む第２の共振子とによりフィルタが構成されている、圧電薄膜フィルタにおいて、
   前記第１の共振子は付加膜を含み、該付加膜は、厚み方向から見たときに、前記第１の振動部の外周の全長の半分以上を形成する一方の前記電極に接する外形を有し前記第１の振動領域の外側に配置され、ラム波によるスプリアス振動を抑制しエネルギー閉じ込めを達成する膜厚を有し、
   前記第２の共振子は、厚み方向から見たときに、前記第２の振動部の外形が略多角形であり、該略多角形の各辺が湾曲又は折れ曲がりを繰り返す波状であることを特徴とする、圧電薄膜フィルタ。
3. 前記第１の共振子は、特性インピーダンスが相対的に小さく、
   前記第２の共振子は、特性インピーダンスが相対的に大きいことを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧電薄膜フィルタ。
4. 前記第１の共振子は、特性インピーダンスが相対的に小さく、
   前記第２の共振子は、特性インピーダンスが相対的に大きく、
   前記第２の共振子の少なくとも１つが、直列接続された複数の前記第１の共振子に置き換えられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧電薄膜フィルタ。
5. 前記第１の共振子は、共振周波数が相対的に低く、
   前記第２の共振子は、共振周波数が相対的に高いことを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧電薄膜フィルタ。
6. 前記付加膜と異なる材料で形成され、厚み方向から見たとき、前記第１の振動部及び前記第２の振動部の少なくとも一方に重なり、当該振動部の外縁の少なくとも一部分に沿って段差部が形成され、該段差部と当該振動部の前記外縁と間の厚さが他の部分の厚さよりも小さい段差形成膜をさらに備えたことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の圧電薄膜フィルタ。
7. 厚み方向から見たとき、フィルタを構成する共振子のうち特性インピーダンスが相対的に高い共振子の前記振動部のみに重なり、前記振動部の外縁の少なくとも一部分に沿って段差部が形成され、該段差部と前記振動部の前記外縁と間の厚さが他の部分の厚さよりも小さい段差形成膜をさらに備えたことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の圧電薄膜フィルタ。

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