JP5360515B2 - バルク弾性波共振子 - Google Patents

Description

本発明は、バルク弾性波共振子に関し、詳しくは、バルク弾性波（ＢＡＷ）を用いたバルク弾性波共振子に関する。

従来、バルク弾性波共振子（以下、「ＢＡＷ共振子」ともいう。）に可動部を設けて周波数を変調することが提案されている。

例えば特許文献１には、図１１の断面図に示すように、ＭＥＭＳ技術によりスイッチング素子２を作製し、基板１に形成されたＢＡＷ共振子の上面電極９に、コンタクト・パッド８を押し当てたり離したりする構成が開示されている。コンタクト・パッド８が上面電極９から離れているときには、電極厚みは相対的に薄いため、共振子の共振周波数及び反共振周波数は相対的に高く、コンタクト・パッド８が上面電極９に接しているときには、電極厚みは相対的に厚いため、共振子の共振周波数及び反共振周波数は相対的に低い。

特許文献２には、共振体上にチューニング層を設け、チューニング層を挟む電極間に電圧を印加することによりチューニング層の厚みを変化させて、共振子の共振周波数をシフトさせる構成が開示されている。

特許文献３には、共振子の下部にエアギャップを介して対向する電極を設け、この電極に電圧を印加することにより共振子の梁部を曲げ、共振子の共振周波数をシフトさせる構成が開示されている。

特表２０１０−５１６２１３号公報 特開２００８− ５４４３号公報 特表２００５−５２８０１０号公報

特許文献１の場合、ある程度の厚みをもったＢＡＷ共振子のさらに上部に可動部を形成するため、構造が複雑であり、かつ、作製プロセスの難易度が高い。特に可動部を静電力で駆動する場合には、作製プロセスの難易度が増す。

特許文献２の場合、絶縁性の弾性体であるチューニング層の厚みを変化させるだけなので、仮に周波数がシフトするとしても、そのシフト量は極めて小さい。

特許文献３の場合、振動が伝搬する振動領域の電極や圧電膜の厚みは変化せず、振動領域の応力のみが変化するだけなので、周波数がシフトするとしても、そのシフト量は極めて小さい。

本発明は、かかる実情に鑑み、作製が容易であり、周波数を切り換えることができるバルク弾性波共振子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バルク弾性波共振子を提供する。

バルク弾性波共振子は、（ａ）基板と、（ｂ）一対の電極の間に圧電膜が挟まれ、膜厚方向に透視したときに前記圧電膜を介して前記電極同士が重なり合う振動領域が形成されている共振子部と、（ｃ）前記共振子部の一方の前記電極が前記基板の主面に対向している状態で前記基板と前記共振子部とを接続し、前記共振子部の前記一方の前記電極が前記基板の前記主面に対して接離する方向に移動できるように弾性変形する支持部と、（ｄ）前記共振子部の前記一方の前記電極と前記基板の前記主面との間に配置され、前記共振子部の前記振動領域に対向し、前記基板の前記主面との間に間隔を設けて前記基板に固定されたメンブレンと、（ｅ）前記共振子部及び前記基板に、それぞれ、前記振動領域及び前記メンブレンに隣接して形成され、前記共振子部の前記一方の前記電極が前記基板の前記主面に対して接離するように、前記基板に対して前記共振子部を移動させる駆動部とを備える。前記駆動部が前記共振子部の前記一方の前記電極を前記基板の前記主面に接近させたときに、前記共振子部の前記振動領域が前記メンブレンに接する。前記駆動部が前記共振子の前記一方の前記電極を前記基板の前記主面から離反させたときに、前記共振子部の前記振動領域が前記メンブレンから離れる。

上記構成において、共振子部の振動領域がメンブレンに接しているときと、共振子部の振動領域がメンブレンから離反しているときとで、共振周波数及び反共振周波数が変わる。

上記構成によれば、基板と共振子部との間に、メンブレンを形成するため、作製が容易である。

好ましくは、前記駆動部は、前記共振子部及び前記基板にそれぞれ形成され、互いに対向する駆動電極を含み、前記駆動電極間に電圧を印加したときに発生する静電力により、前記基板に対して前記共振子部を移動させる。

この場合、静電駆動構造とすることで、駆動部の構造が低背、簡略となる。

好ましくは、前記メンブレンは、音響インピーダンスが３０×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）以上の金属を主成分とする材料で形成される。

この場合、音響インピーダンスが３０×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）以上であるＭｏ（モリブデン）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ(ロジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｒｅ（レニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）などを主成分とする硬い材料でメンブレンを形成するため、周波数変調した際も、共振子の弾性ロスが少なく、特性の良い共振特性が得られる。

好ましくは、前記メンブレンは金属膜である。前記駆動部が前記共振子部の前記一方の前記電極を前記基板の前記主面に接近させたときに、前記メンブレンの前記金属膜に、前記共振子部の前記一方の前記電極と電位差がある直流電圧が印加される。

この場合、メンブレンと共振子部の電極との密着性が改善する。例えば振動や衝撃が加わっても密着状態をより確実に保つことができるので、周波数変調した際の共振周波数及び反共振周波数の値がより安定する。

さらに、本発明は、上記いずれかの構成のバルク弾性波共振子を備えたフィルタを提供する。

本発明のバルク弾性波共振子は、作製が容易であり、周波数を切り換えることができる。

図１は、本発明の実施例１における、ＢＡＷ共振子の平面図である。 図２は、本発明の実施例１において、図１の線Ａ−Ａに沿って切断した断面図である。 図３は、本発明の実施例１において、図１の線Ｂ−Ｂに沿って切断した要部断面図である。 図４は、本発明の実施例１における、ＢＡＷ共振子の製造工程を示す断面図である。 図５は、本発明の実施例１における、ＢＡＷ共振子の製造工程を示す断面図である。 図６は、本発明の実施例１における、ＢＡＷ共振子の製造工程を示す断面図である。 図７は、本発明の実施例１における、ＢＡＷ共振子のフィルタ特性を示すグラフである。 図８は、本発明の実施例２における、ＢＡＷ共振子の断面図である。 図９は、本発明の実施例３における、フィルタの電気回路図である。 図１０は、本発明の実施例３における、フィルタ特性を示すグラフである。 図１１は、従来例のＢＡＷ共振子の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図１０を参照しながら説明する。

＜実施例１＞ 実施例１のＢＡＷ共振子（バルク弾性波共振子）１０について、図１〜図７を参照しながら説明する。

図１は、ＢＡＷ共振子の平面図である。図２は、図１の線Ａ−Ａに沿って切断した断面図である。図３は、図１の線Ｂ−Ｂに沿って切断した要部断面図である。

図１〜図３に示すように、ＢＡＷ共振子１０は、共振子部２０が、弾性変形可能な支持部２２，２４，２５，２６によって基板３０から浮いた状態で支持されている。

図２に示すように、共振子部２０は、一対の電極１４，１６の間に圧電膜１２が挟まれており、膜厚方向に透視したときに圧電膜１２を介して電極１４，１６同士が重なり合う振動領域１５が形成されている。共振子部２０の一方の電極である下部電極１４が基板３０の主面である上面３０ａに対向しており、共振子部２０の下面２０ｂには、下部電極１４の両側に駆動電極１３が形成されている。

基板３０の上面３０ａには、メンブレン４０と、メンブレン支持部４１と、ストッパー４２と、駆動電極４４とが形成されている。

メンブレン４０は、膜状の部材である。メンブレン４０は矩形形状であり、対向する一対の辺が、基板３０の上面３０ａに形成されたメンブレン支持部４１に固定されている。メンブレン４０は、基板３０の上面３０ａとの間に間隔を設けて固定され、共振子部２０の振動領域１５に対向している。

メンブレン４０の両側に、ストッパー４２と、駆動電極４４とが形成されている。ストッパー４２は、基板３０の上面３０ａから突出する突起部であり、メンブレン４０よりも若干低くなるように形成されている。駆動電極４４は、基板３０の上面３０ａに形成され、ストッパー４２よりも低い。

共振子部２０の駆動電極１３と、基板３０の駆動電極４４とは、互いに対向し、模式的に示した配線５２，５４によって、駆動電源５０に電気的に接続される。

図３に示すように、支持部２２は、一端が共振子部２０に固定され、他端が基板３０に固定された断面門型の弾性変形可能な支持梁である。他の支持部２４，２５，２６（図１参照）も、支持部２２と同じ構成であり、一端が共振子部２０に固定され、他端が基板３０に固定された断面門型の弾性変形可能な支持梁である。

図１に示すように、中央の支持部２２は、共振子部２０の上部電極１６又は下部電極１４と、基板３０の上面３０ａに形成された入力電極６０又は出力電極６２との間をそれぞれ接続する配線により形成されている。図１において左下及び右下の支持部２６は、共振子部２０の駆動電極１３と、基板３０の上面３０ａに形成されたグランド電極６６との間を接続するグランド配線の一部により形成されている。図１において左上の支持部２４は、基板３０の上面３０ａに形成されたダミー電極６８に接続されるダミー配線により形成されている。図１において右上の支持部２５は、基板３０の上面３０ａに形成された入力電極６０に接続されるダミー配線により形成されている。

なお、共振部を支持する支持部の一部又は全部を、配線以外によって形成しても構わない。

ＢＡＷ共振子１０は、駆動電極１３，４４間に駆動電圧を印加する／印加しないにより、次のように、異なる周波数特性を得ることができる。

駆動電極１３，４４の間に駆動電圧が印加されていないときは、図３（ａ）に示すように、共振子部２０は基板３０から浮いた状態で支持される。このとき、共振子部２０の振動領域１５内を伝搬するバルク弾性波により、通常のＢＡＷ共振子と同様の周波数特性が得られる。

駆動電極１３，４４の間に駆動電圧が印加されると、駆動電極１３，４４の間に静電力が発生する。共振子部２０は弾性変形可能な支持部２２，２４，２５，２６により支持されているため、駆動電極１３，４４の間の静電力により、支持部２２，２４，２５，２６が弾性変形し、共振子部２０は基板３０側に引き寄せられ、共振子部２０はストッパー４２に当接する所定位置まで移動する。ストッパー４２はメンブレン４０よりも若干低いため、共振子部２０の下部電極１４がメンブレン４０を押し下げ、共振子部２０の下部電極１４はメンブレン４０に密着する。このとき、共振子部２０の振動領域１５内を伝搬するバルク弾性波はメンブレン４０にも伝搬するため、駆動電極１３，４４の間に駆動電圧が印加されていないときよりも、共振及び反共振周波数が低くなる。

共振及び反共振周波数をシフトさせるだけなら、メンブレン４０の材料は金属、絶縁物のいずれでもよい。共振及び反共振周波数をシフトさせたときにも良好な共振子特性を維持するためには、共振子の弾性ロスが少なくなるように、メンブレン４０を硬い材料で形成すればよい。硬い材料ほど音響インピーダンスが大きいので、例えば音響インピーダンスが３０×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）以上であるＭｏ（モリブデン）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ(ロジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｒｅ（レニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）などを主成分とする材料で形成すればよい。

駆動電極１３，４４間に駆動電圧を印加することを停止すると、共振子部２０を基板３０側に引き寄せる静電力が無くなるため、弾性変形した支持部２２，２４，２５，２６が元の形状に戻り、共振子部２０は基板３０から浮いた状態に復帰する。

＜作製例＞ 次に、ＢＡＷ共振子の作製例について、図４〜図６の断面図を参照しながら説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板３１上に厚さ１μｍのＳｉＮ膜３２を成膜した基板３０を準備し、ＳｉＮ膜３２上に、厚さ１０ｎｍのＴｉ膜、厚さ１０ｎｍのＰｔ膜、厚さ３００ｎｍのＡｕ膜を順に成膜して、ストッパー用の下地電極層３４と駆動電極４４とを形成する。なお、下地電極層３４及び駆動電極４４は、図示したように、ＳｉＮ膜３２の上面と下地電極層３４及び駆動電極４４の上面とが揃うように埋め込んでもよい。

次いで、図４（ｂ）に示すように、厚さ０．８μｍのＺｎＯを成膜、パターニングして、開口部８０ａ，８０ｂを有する犠牲層８０を形成する。

次いで、図４（ｃ）に示すように、犠牲層８０の開口部８０ａ，８０ｂに、厚さ１０ｎｍのＴｉ、厚さ１０ｎｍのＰｔ、厚さ８００ｎｍのＡｕを順に埋め込んで、ストッパー４２と、メンブレン支持部４１とを形成する。

次いで、図４（ｄ）に示すように、Ｗ膜を、スパッタ成膜、パターニングして、メンブレン４０を形成する。

次いで、図４（ｅ）に示すように、駆動時のメンブレン押し下げ代を確保するため、ストッパー４２の上部のみに、厚さ０．２μｍのＺｎＯの犠牲層８２を形成する。

次いで、図５（ｆ）に示すように、厚さ１．０μｍのＺｎＯ膜を成膜、パターニングして、犠牲層８４を形成する。

次いで、図５（ｇ）に示すように、厚さ０．３μｍのＭｏ膜を成膜、パターニングして、共振子部２０の下部電極１４及び駆動電極１３を形成する。

次いで、図５（ｈ）に示すように、圧電材料として厚さ１．５μｍのＡｌＮ膜を成膜、パターニングして、圧電膜１２を形成する。

次いで、図６（ｉ）に示すように、厚さ０．３μｍのＭｏ膜を成膜、パターニングして、共振子部２０の上部電極１６を形成する。

次いで、図６（ｊ）に示すように、共振子部２０を支持する支持部及び配線として、Ａｕメッキによるエアブリッジパターン１８を形成する。なお、基板３０との間に空間のあるエアブリッジとなるように、形成途中にはＡｕメッキパターンと基板との間に図示しないレジスト（メッキパターン形成後に除去）を用いる。

次いで、図６（ｋ）に示すように、犠牲層８０，８２，８４であるＺｎＯをウェットエッチング（酢酸＋リン酸＋水）で除去することで、メンブレン４０の上下と、共振子部２０の下部に、空気が存在する空間９０を形成する。

作製したＢＡＷ共振子は、共振子部２０の下部電極１４とメンブレン４０との間９２の寸法が１．０μｍとなり、基板３０に形成されたストッパー４２と共振子部２０との間の寸法が１．２μｍとなり、基板３０に形成された駆動電極４４と共振子部２０に形成された駆動電極１３との間９６の寸法が１．８μｍとなる。

作製したＢＡＷ共振子は、駆動電極１３，４４間に印加する駆動電圧が０Ｖのときは、通常のＢＡＷ共振子として動作する。駆動電極１３，４４間に印加する駆動電圧が４０Ｖのときは、駆動電極１３，４４間の静電引力により共振子部２０全体が基板３０側へ引き付けられ、共振子部２０の下部電極１４がメンブレン４０と接触した状態となり、ＢＡＷ共振子の共振周波数は低周波側にシフトする。

図７は、メンブレン４０の膜厚が異なる作製例についてインピーダンス特性をシミュレーションしたグラフである。数値を付した曲線は、駆動電極１３，４４間に駆動電圧を印加したときの特性であり、数値はメンブレン４０の膜厚である。「なし」と付した曲線は、駆動電極１３，４４間に駆動電圧を印加しないときの特性である。例えばメンブレン４０の膜厚が０．２μｍの共振子の共振周波数は、駆動電圧を印加しない時２．０１４ＧＨｚから、駆動電圧を印加することで、１．６０８ＧＨｚに変化する。またメンブレン４０の膜厚が０．４μｍの共振子の共振周波数は、駆動電圧を印加しない時２．０１４ＧＨｚから、駆動電圧を印加することで、１．４４３ＧＨｚに変化する。

図７から、メンブレン４０の膜厚が大きくなるほど、駆動電圧を印加したときの共振周波数も反共振周波数も低くなることが分かる。

ＢＡＷ共振子１０は、メンブレン４０を基板３０に固定して、共振子となる共振子部２０の方を可動する構成であるため、基板３０の近くに可動構造を形成することができる。特に静電駆動構造とすることにより、共振子部２０を移動させる駆動部の構造が低背、簡略となり、ギャップなどの精度においても安定な構造にすることが可能となる。ＢＡＷ共振子１０は、構造、及び製造プロセス的にも簡略化すると同時に占有面積も小さくできるため、低コスト化が図れる。

＜実施例２＞ 図８は、実施例２のＢＡＷ共振子１０ａの構成を示す断面図である。

図８に模式的に示すように、実施例２のＢＡＷ共振子１０ａは、実施例１のＢＡＷ共振子１０の構成に、メンブレン４０を基板３０の駆動電極４４及び配線５４を介して駆動電源５０と接続する配線５６を追加している。メンブレン４０は、導電性を有する部材、例えば金属膜で形成する。

駆動電極１３，４４間に駆動電圧を印加するときに、同時にメンブレン４０にも駆動電圧を印加し、メンブレン４０と、図示しない高抵抗を介してグランドに接続された共振子部２０の下部電極１４との間に電位差を設ける。

これにより、メンブレン４０と共振子部２０の下部電極１４との間に静電力が発生し、メンブレン４０は共振子部２０の下部電極１４に押し当てられるため、実施例１に比べ、メンブレン４０と共振子部２０の下部電極１４との密着性が改善され、周波数変調した際の共振周波数及び反共振周波数の値がより安定する。実施例１に比べると、例えば振動や衝撃が加わっても、メンブレン４０と共振子部２０の下部電極１４とはより離れにくいため、密着状態をより確実に保つことができので、周波数のシフト動作がより安定する。

＜実施例３＞ 実施例３のフィルタについて、図９及び図１０を参照しながら説明する。

図９は、フィルタ回路の構成図である。図９に示すように、実施例３のフィルタ１１は、入力端子７０と出力端子７８の間に、直列腕共振子７２と、並列腕共振子７４とが梯子型に接続されている。直列腕共振子７２及び並列腕共振子７４は、メンブレン４０のＷ膜の厚さ以外は、実施例１の作製例と同じであるＢＡＷ共振子である。

最適なフィルタ特性を得るためには、直列腕共振子７２の共振周波数と並列腕共振子７４の反共振周波数を一致させる必要がある。そのための最適なメンブレン４０のＷ膜の厚みは、次の表１のようにする。

「駆動電圧印加前」は、各ＢＡＷ共振子の駆動電極間に駆動電圧を印加していない状態のときを示す。「駆動電圧印加後」は、各ＢＡＷ共振子の駆動電極間に駆動電圧を印加している状態のときを示す。

例えば、直列腕共振子のメンブレン厚みが０．２μｍのときには、並列腕共振子のメンブレン厚みを０．２２５μｍとすることで、直列腕共振子の共振周波数と並列腕共振子の反共振周波数をともに１６０８ＭＨｚにすることができる。

なお、駆動前の直列腕共振子と並列腕共振子との共振周波数の差は、共振子部の上部電極の膜厚を調整することにより実現する。

図１０は、メンブレンのＷ膜の厚みを、表１に示した値にしたときのフィルタ特性をシミュレーションしたグラフである。数値を付した曲線は、フィルタ１１の各ＢＡＷ共振子７２，７４の駆動電極間に駆動電圧を印加したときの特性であり、数値は直列腕共振子７２のメンブレンのＷ膜の厚さである。「なし」と付した曲線は、各ＢＡＷ共振子の駆動電極間に駆動電圧を印加しないときの特性である。例えば、直列腕共振子７２のメンブレンのＷ膜厚が０．２μｍでかつ並列共振子７４のメンブレンのＷ膜厚が０．２２５μｍのフィルタ１１においては、信号の通過帯域は駆動電圧を印加しないときの２ＧＨｚ帯から、駆動電圧を印加することで１．６ＧＨｚ帯にシフトする。また直列腕共振子７２のメンブレンのＷ膜厚が０．４μｍでかつ並列共振子７４のメンブレンのＷ膜厚が０．４４７μｍのフィルタ１１においては、信号の通過帯域は駆動電圧を印加しないときの２ＧＨｚ帯から、駆動電圧を印加することで１．４５ＧＨｚ帯にシフトする。

図１０から、メンブレンのＷ膜の膜厚を変えることで、通過帯域のシフト量を調整できることが分かる。

＜まとめ＞ 以上に説明したＢＡＷ共振子は、作製が容易であり、周波数を切り換えることができる。

なお、本発明は、上記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可能である。

例えば、下部電極を被覆する被覆層を共振子部に設け、被覆層がメンブレンに接する構成としてもよい。

駆動部は、駆動電極間の静電力を利用するものに限らず、例えば熱変形などを利用するものであってもよい。また、駆動部が動作していないときに共振子部の振動領域がメンブレンに接し、駆動部が動作すると共振子部がメンブレンから離れる構成としてもよい。

１０，１０ａ ＢＡＷ共振子
１１ フィルタ
１２ 圧電膜
１３ 駆動電極（駆動部）
１４ 下部電極
１５ 振動領域
１６ 上部電極
２０ 共振子部
２２，２４，２５，２６ 支持部
３０ 基板
３０ａ 上面
４０ メンブレン
４１ メンブレン支持部
４２ ストッパー
４４ 駆動電極（駆動部）
５０ 駆動電源
５２，５４，５６ 配線
６０ 入力電極
６２ 出力電極
６４ 駆動電極
６６ グランンド電極
６８，６９ ダミー電極
７０ 入力端子
７２ 直列腕共振子
７４ 並列腕共振子
７８ 出力端子
８０，８２，８４ 犠牲層
９０ 空間

Claims (5)

1. 基板と、
   一対の電極の間に圧電膜が挟まれ、膜厚方向に透視したときに前記圧電膜を介して前記電極同士が重なり合う振動領域が形成されている共振子部と、
   前記共振子部の一方の前記電極が前記基板の主面に対向している状態で前記基板と前記共振子部とを接続し、前記共振子部の前記一方の前記電極が前記基板の前記主面に対して接離する方向に移動できるように弾性変形する支持部と、
   前記共振子部の前記一方の前記電極と前記基板の前記主面との間に配置され、前記共振子部の前記振動領域に対向し、前記基板の前記主面との間に間隔を設けて前記基板に固定されたメンブレンと、
   前記共振子部及び前記基板に、それぞれ、前記振動領域及び前記メンブレンに隣接して形成され、前記共振子部の前記一方の前記電極が前記基板の前記主面に対して接離するように、前記基板に対して前記共振子部を移動させる駆動部とを備え、
   前記駆動部が前記共振子部の前記一方の前記電極を前記基板の前記主面に接近させたときに、前記共振子部の前記振動領域が前記メンブレンに接し、
   前記駆動部が前記共振子の前記一方の前記電極を前記基板の前記主面から離反させたときに、前記共振子部の前記振動領域が前記メンブレンから離れることを特徴とする、バルク弾性波共振子。
2. 前記駆動部は、前記共振子部及び前記基板にそれぞれ形成され、互いに対向する駆動電極を含み、前記駆動電極間に電圧を印加したときに発生する静電力により、前記基板に対して前記共振子部を移動させることを特徴とする、請求項１に記載のバルク弾性波共振子。
3. 前記メンブレンは、音響インピーダンスが３０×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）以上の金属を主成分とする材料で形成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のバルク弾性波共振子。
4. 前記メンブレンは金属膜であり、
   前記駆動部が前記共振子部の前記一方の前記電極を前記基板の前記主面に接近させたときに、前記メンブレンの前記金属膜に、前記共振子部の前記一方の前記電極と電位差がある直流電圧が印加されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一つに記載のバルク弾性波共振子。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載のバルク弾性波共振子を備えたことを特徴とするフィルタ。

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