JP5360432B2 - 圧電デバイス - Google Patents

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Description

本発明は圧電デバイス、特にBAW共振子等の圧電共振子を備える圧電デバイスに関するものである。
従来、BAW共振子等、基板から音響的に分離された圧電振動部を有する圧電共振子が知られている。
この圧電共振子を備える圧電デバイスでは、圧電薄膜の分極のため、圧電共振子が電圧に対して線形に変位せずに、非線形に変位するという問題がある。その問題を解決する圧電デバイスとして、例えば特許文献1のものが知られている。特許文献1に記載の圧電デバイスは、図9のように、第1のBAW共振子172と第2のBAW共振子174が、第1の電気端子176と第2の電気端子178との間に互いに並列に接続されている。そして、第1のBAW共振子172の分極方向である矢印172Rと、第2のBAW共振子174の分極方向である矢印174Rは、第1の電気端子176からみて、互いに逆方向である。そのため、この圧電デバイスでは、分極方向に依存して生じる非線形効果をキャンセルすることができるとしている。
特開2007−6495号公報
一般的に、BAW共振子では厚み縦振動モードの共振特性を利用するが、本来の動作には不要である横振動モードにより、帯域内にリップルが発生する場合がある。一方、非線形効果を抑えるためにはインピーダンスが等しい圧電共振子を並列に接続することが好ましい。その場合には、各々の圧電共振子で発生するリップルの周波数や強度が同じになってしまう。そのため、リップルが強めあい、圧電共振子の特性が劣化するという問題が生じていた。
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、不要なリップルの発生を抑えることができる圧電デバイスを提供することを目的とする。
本発明に係る圧電デバイスは、圧電薄膜と、前記圧電薄膜の一方の主面に設けられた上部電極と、前記圧電薄膜の他方の主面に設けられた下部電極とを有し、入力端子と出力端子との間で直列または並列に、前記入力端子からみた前記圧電薄膜の分極方向が互いに逆になるように接続されている第1及び第2の圧電共振子とを備え、前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子とは、横モードの共振周波数が互いに異なるように形成されおり、前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子は、基板から音響的に分離されるように、前記上部電極及び前記下部電極が前記圧電薄膜を介して重なり合う部分で圧電振動部が構成されており、前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部の、主面の周辺部の少なくとも一部に音速変化膜が形成されており、前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部に形成されている音速変化膜は互いに線幅が異なることを特徴としている。
なお、音速変化膜は、互いに線幅が異なることに代えて、あるいは互いに線幅が異なることに加えて、互いに厚さが異なるようにしても良い。
また、音速変化膜は、互いに線幅が異なることに代えて、あるいは互いに線幅が異なることに加えて、互いに材質が異なるようにしても良い。
また、音速変化膜は、互いに線幅が異なることに代えて、あるいは互いに線幅が異なることに加えて、上面視したときに前記音速変化膜の取り囲む図形の面積が同じで、かつ、形状が異なるようにしても良い。

本発明のように、横振動モードの共振周波数が互いに異なるように形成されることにより、第1の圧電共振子と第2の圧電共振子は横振動モードによるリップルが互いに強めあうことがなく、良好な共振特性やフィルタ特性の圧電デバイスが得られる。
本発明に係る圧電デバイスを示す模式的な断面図である。(第1の実施形態) 本発明に係る圧電デバイスが入力端子と出力端子に接続されている回路の模式図である。(第1の実施形態) 本発明に係る圧電デバイスに用いられる圧電振動部と音速変化膜の模式的な平面図である。(第1の実施形態) 本発明に係る圧電デバイスを示す模式的な断面図である。(第2の実施形態) 本発明に係る圧電デバイスを示す模式的な断面図である。(第3の実施形態) 本発明に係る圧電デバイスを示す模式的な断面図である。(第4の実施形態) 実験例のシミュレーションに用いた圧電共振子を示す模式的な断面図である。 図7の圧電共振子の音速変化膜の線幅を変化させた場合の、インピーダンスと位相を示す図である。 従来の圧電デバイスを示す模式的な断面図である。
以下において、本発明を実施するための形態について説明する。
[第1の実施形態]
図1は、本発明に係る圧電デバイスを示す模式的な断面図である。圧電デバイス1は、第1の圧電共振子10と、第2の圧電共振子20と、基板2と、を備えている。
基板2は、第1の圧電共振子10と、第2の圧電共振子20とを支持するために設けられている。基板2の材質の例としては、Si系基板や、絶縁性セラミックや絶縁性樹脂等の絶縁性材料が挙げられる。
第1の圧電共振子10と第2の圧電共振子20は、基板2の一方の主面の上に形成されている。第1の圧電共振子10は、圧電薄膜3と、圧電薄膜3の一方の主面に設けられた上部電極13と、他方の主面に設けられた下部電極11と、を有している。本実施形態では、下部電極11は、上部電極13よりも大きい面積となるように形成されている。同様に、第2の圧電共振子20は、圧電薄膜3と、圧電薄膜3の一方の主面に設けられた上部電極23と、他方の主面に設けられた下部電極21と、を有している。
圧電振動部15は、上部電極13と下部電極11が圧電薄膜3を介して重なり合う部分で構成されている。圧電薄膜3の材質としては、例えばAlNが挙げられ、その分極方向は、圧電薄膜3の厚さ方向である。上部電極13と下部電極11に交流電圧が印加されると、厚み縦振動モードを利用した共振特性が得られる。この場合、圧電振動部15はエネルギー閉じ込め型の圧電振動部となる。圧電薄膜3の厚さは、例えば0.1μm〜10μmである。同様に、圧電振動部25は、上部電極23と下部電極21が圧電薄膜3を介して重なり合う部分で構成されている。
上部電極13、23及び下部電極11、21の材質は導電性材料であり、例えばW等の貴金属やAl等の卑金属が挙げられる。
圧電振動部15、25は、基板2から音響的に分離されるように設けられている。本実施形態では、圧電振動部15、25は、空洞部19、29により基板2から浮いている状態で形成されている。圧電薄膜3は、空洞部19、29の周囲で、基板2の一方の主面上に固定されている。なお、圧電振動部15、25は、空洞部19、29の代わりに、音響反射層により基板2から音響的に分離されていても良い。
なお、空洞部19、29は、例えば、ZnOによる犠牲層の形成後に、ウェットエッチングにより犠牲層を除去して形成される。また、圧電薄膜3、上部電極13、23、及び下部電極11、21は、例えば、スパッタリングにより薄膜を形成した後、フォトリソグラフィによりパターニングをして形成される。
図2は、本発明に係る圧電デバイスが入力端子と出力端子に接続されている回路の模式図である。図2(A)は並列の例であり、図2(B)は直列の例である。
図2(A)において、第1の圧電共振子10と第2の圧電共振子20とは、入力端子5と出力端子7との間で並列に接続されている。矢印10Rは、第1の圧電共振子10の圧電薄膜の分極方向を示している。また、矢印20Rは、第2の圧電共振子20の圧電薄膜の分極方向を示している。第1の圧電共振子10の分極方向10Rと第2の圧電共振子20の分極方向20Rは、入力端子5からみて互いに逆である。
同様に、図2(B)は直列の例であり、第1の圧電共振子10と第2の圧電共振子20とは、入力端子5と出力端子7との間で直列に接続されている。そして、第1の圧電共振子10の分極方向10Rと第2の圧電共振子20の分極方向20Rは、入力端子5からみて互いに逆である。
直列接続と並列接続を比較すると、同じインピーダンスの2つの圧電共振子を接続した場合には、並列接続のインピーダンスは直列接続の4倍となる。したがって、直列接続と並列接続で同じインピーダンスにする場合には、並列接続は直列接続の1/4の面積で良いため、並列接続の方が小型化できるという利点を有する。
本発明では、第1の圧電共振子10と第2の圧電共振子20とは、横振動モードの共振周波数が互いに異なるように形成されている。第1の圧電共振子10と第2の圧電共振子20には、厚み縦振動モードによる共振の他に、圧電薄膜3の面方向に伝搬する横振動モードによるリップルが発生し、このリップルが互いに強めあうという問題が生じていた。そのため、本発明のように、横振動モードの共振周波数が互いに異なるように形成されることにより、リップルが互いに強めあうことがなく、良好な共振特性やフィルタ特性の圧電デバイスが得られる。
第1の圧電共振子10と第2の圧電共振子20とは、厚み縦振動モードの共振周波数が等しいことが好ましい。この場合には、どちらもインピーダンスが等しくなり、リップルが互いに強めやすくなるため、発明の効果が顕著である。
図1のように、圧電振動部15の主面の周辺部の少なくとも一部には、音速変化膜17が形成されている。また、圧電振動部25の主面の周辺部の少なくとも一部には、音速変化膜27が形成されている。本実施形態では、音速変化膜17、27は帯状に形成されており、互いに線幅が異なる。そのため、第1の圧電共振子10と第2の圧電共振子20は、横振動モードの共振周波数が互いに異なり、横振動モードのリップルが互いに強めあうことを防いでいる。線幅を変える場合には、スパッタリングとフォトリソグラフィを用いる場合に、マスクパターンを変更するだけで良いので、簡単に製造することができる。
本実施形態において、音速変化膜17、27の材質は同じである。音速変化膜17、27の材質の例としては、上部電極13、23や下部電極21、21と同じ導電性材料が挙げられる。また、SiO2等の絶縁性材料であっても良い。
また、本実施形態では、音速変化膜17は、圧電振動部15の周縁に接するように形成されている。この場合には、横振動モードのリップルをより効果的に抑えることができる。音速変化膜27も同様である。
また、本実施形態では、音速変化膜17は、上部電極13上に形成されている。この場合には、音速変化膜17が形成しやすいという利点を有する。音速変化膜27も同様である。
図3は、本発明に係る圧電デバイスに用いられる圧電振動部15、25と音速変化膜17、27の模式的な平面図である。上部電極13上に形成されている音速変化膜17は、上部電極13の周縁に沿って閉じた帯状に形成されている。この場合には、横振動モードのリップルをより効果的に抑えることができる。音速変化膜27も同様である。
また、図3では、音速変化膜17、27は、上面視したときに音速変化膜17、27の取り囲む図形の面積が同じで、かつ、形状が異なるように形成されている。この場合には、それぞれの圧電振動部の圧電薄膜が同じ材質で厚さであれば、面積が同じであるので圧電振動部の厚み縦振動モードの共振周波数が等しくなり、本発明の効果が顕著になる。
また、図3では、音速変化膜17、27は、上面視したときに音速変化膜17、27の取り囲む図形が、平行な二辺がない多角形状に形成されている。この場合には、平行な二辺がないため、横振動モードの定在波が発生しにくいという利点を有する。
なお、本実施形態の圧電デバイスは2個の圧電振動子を備えているが、4個や6個等の偶数個の圧電共振子を備えていても良い。その場合、入力端子からみた分極方向の向きが正方向である圧電振動子の数と、逆方向である圧電振動子の数が同じであれば、本発明の効果を奏する。
また、本実施形態では、圧電薄膜3は第1の圧電共振子10と第2の圧電共振子20の間を一部が連なるように形成されているが、第1の圧電共振子10と第2の圧電共振子10で分離して別々に形成されていても良い。
また、本実施形態では、音速変化膜17、27は閉じた帯状であるが、圧電振動部15、25の、主面の周辺部の少なくとも一部に形成されていれば良い。例えば、閉じた帯状である音速変化膜17、27の一部に切り込みが形成されていても良いし、上部電極の一部の辺だけに形成されていても良い。
また、本実施形態では、音速変化膜17、27は上部電極13、23上に形成されているが、下部電極11、21の下に形成されていても良い。また、上部電極13、23と圧電薄膜3の間や、下部電極11、21と圧電薄膜3の間に形成されていても良い。
また、本実施形態では、音速変化膜17、27は圧電振動部15、25の周縁に接するように形成されているが、周縁を含むように形成されていても良い。
また、本実施形態では、上部電極13、23と下部電極11、21は単層構造であるが、例えば、導電成分を主成分とする電極層と下地層とが積層された積層構造であっても良い。
[第2の実施形態]
図4は、本発明に係る圧電デバイスを示す模式的な断面図である。第1の実施形態と共通する部分については記載を省略する。本実施形態では、音速変化膜17、27は互いに厚さが異なっている。そのため、横振動モードの共振周波数が互いに異なり、リップルが互いに強めあうことを防いでいる。
[第3の実施形態]
図5は、本発明に係る圧電デバイスを示す模式的な断面図である。本実施形態では、音速変化膜17、27は互いに材質が異なっている。例えば、W、Mo、Ru、Ir、Al、Cu、Au、Pt、SiO2、AlN、Al23、Si34などの各種の金属材料、絶縁体材料の中から異なる2つを選択する。そのため、横振動モードの共振周波数が互いに異なり、リップルが互いに強めあうことを防いでいる。
[第4の実施形態]
図6は、本発明に係る圧電デバイスを示す模式的な断面図である。本実施形態では、第1の圧電共振子10と第2の圧電共振子20のうち、一方の圧電共振子10の主面の周辺部の少なくとも一部に音速変化膜17が形成されている。この場合においても、横振動モードの共振周波数を互いに異ならせることが可能である。
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。
[実験例]
本発明の効果を、シミュレーションにより確認した。図7は、実験例のシミュレーションに用いる圧電共振子10を示す模式的な断面図である。上部電極13と下部電極11の形状は円形であり、圧電振動部15の周縁に沿って、音速変化膜27が閉じた帯状で形成されている圧電共振子を想定した。そして、音速変化膜27の線幅(図7中のX)を1〜3μmの幅で変化させた場合における、インピーダンスと位相の変化を確認した。なお、シミュレーションの条件は下記の通りである。
音速変化膜 材質 タングステン(W)
厚さ 100nm
上部電極 材質 タングステン(W)
厚さ 600nm
圧電層 材質 窒化アルミニウム(AlN)
厚さ 1600nm
下部電極 材質 タングステン(W)
厚さ 600nm
圧電共振子 面積 44000μm2
図8は、図7の圧電共振子の音速変化膜の線幅を変化させた場合の、インピーダンスと位相を示す図である。図8(A)は線幅が1μm、図8(B)は線幅が2μm、図8(C)は線幅が3μmの図である。
図8(A)〜(C)を比較すると、音速変化膜の線幅を変化させた場合には、通過帯域の周波数や、通過帯域外のインピーダンスはほとんど変化しない。一方、圧電共振子の通過帯域内のリップルの周波数や強度は、音速変化膜の線幅に応じて変化する。したがって、音速変化膜の線幅の異なる圧電共振子を組み合わせることにより、互いのリップルが重ならないようにすることが可能である。
1 圧電デバイス
2 基板
3 圧電薄膜
5 入力端子
7 出力端子
10 第1の圧電共振子
10R 矢印
11 下部電極
13 上部電極
15 圧電振動部
17 音速変化膜
19 空洞部
20 第2の圧電共振子
20R 矢印
21 下部電極
23 上部電極
25 圧電振動部
27 音速変化膜
29 空洞部
172 第1のBAW共振子
172R 矢印
174 第2のBAW共振子
174R 矢印
176 第1の電気端子
178 第2の電気端子

Claims (9)

  1. 圧電薄膜と、前記圧電薄膜の一方の主面に設けられた上部電極と、前記圧電薄膜の他方の主面に設けられた下部電極とを有し、入力端子と出力端子との間で直列または並列に、前記入力端子からみた前記圧電薄膜の分極方向が互いに逆になるように接続されている第1及び第2の圧電共振子とを備え、
    前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子とは、横モードの共振周波数が互いに異なるように形成されており、
    前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子は、基板から音響的に分離されるように、前記上部電極及び前記下部電極が前記圧電薄膜を介して重なり合う部分で圧電振動部が構成されており、
    前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部の、主面の周辺部の少なくとも一部に音速変化膜が形成されており、
    前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部に形成されている音速変化膜は互いに線幅が異なる圧電デバイス。
  2. 圧電薄膜と、前記圧電薄膜の一方の主面に設けられた上部電極と、前記圧電薄膜の他方の主面に設けられた下部電極とを有し、入力端子と出力端子との間で直列または並列に、前記入力端子からみた前記圧電薄膜の分極方向が互いに逆になるように接続されている第1及び第2の圧電共振子とを備え、
    前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子とは、横モードの共振周波数が互いに異なるように形成されており、
    前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子は、基板から音響的に分離されるように、前記上部電極及び前記下部電極が前記圧電薄膜を介して重なり合う部分で圧電振動部が構成されており、
    前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部の、主面の周辺部の少なくとも一部に音速変化膜が形成されており、
    前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部に形成されている音速変化膜は互いに厚さが異なる圧電デバイス。
  3. 圧電薄膜と、前記圧電薄膜の一方の主面に設けられた上部電極と、前記圧電薄膜の他方の主面に設けられた下部電極とを有し、入力端子と出力端子との間で直列または並列に、前記入力端子からみた前記圧電薄膜の分極方向が互いに逆になるように接続されている第1及び第2の圧電共振子とを備え、
    前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子とは、横モードの共振周波数が互いに異なるように形成されており、
    前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子は、基板から音響的に分離されるように、前記上部電極及び前記下部電極が前記圧電薄膜を介して重なり合う部分で圧電振動部が構成されており、
    前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部の、主面の周辺部の少なくとも一部に音速変化膜が形成されており、
    前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部に形成されている音速変化膜は互いに材質が異なる圧電デバイス。
  4. 圧電薄膜と、前記圧電薄膜の一方の主面に設けられた上部電極と、前記圧電薄膜の他方の主面に設けられた下部電極とを有し、入力端子と出力端子との間で直列または並列に、前記入力端子からみた前記圧電薄膜の分極方向が互いに逆になるように接続されている第1及び第2の圧電共振子とを備え、
    前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子とは、横モードの共振周波数が互いに異なるように形成されており、
    前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子は、基板から音響的に分離されるように、前記上部電極及び前記下部電極が前記圧電薄膜を介して重なり合う部分で圧電振動部が構成されており、
    前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部の、主面の周辺部の少なくとも一部に音速変化膜が形成されており、
    前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部に形成されている音速変化膜は、上面視したときに前記音速変化膜の取り囲む図形の面積が同じで、かつ、形状が異なるように形成されている圧電デバイス。
  5. 前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子は厚み縦モードの共振周波数が等しい、請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
  6. 前記音速変化膜は閉じた帯状である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
  7. 前記音速変化膜は前記圧電振動部の周縁に少なくとも一部が接するように形成されている、請求項のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
  8. 前記音速変化膜は前記上部電極上に形成されている、請求項のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
  9. 前記第1の圧電共振子と前記第2の圧電共振子のそれぞれの圧電振動部に形成されている音速変化膜は、上面視したときに前記音速変化膜の取り囲む図形が、平行な二辺がない多角形状に形成されている、請求項のいずれか1項に記載の圧電デバイス。
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