JP5709226B2 - 広帯域音響結合薄膜ｂａｗフィルタ - Google Patents

広帯域音響結合薄膜ｂａｗフィルタ Download PDF

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Description

本発明は、一般にバルク音響波（ＢＡＷ）フィルタに関する。具体的には、広帯域音響結合バルク音響波フィルタに関し、特には、ＧＨｚ周波数で動作し、薄膜技術及び圧電薄膜に基づく広帯域音響結合バルク音響波フィルタに関する。
以下のテキストで使用されるいくつかの主な概念をここで簡単に定義する。
横方向伝搬板波モード
圧電板（ウェハ又は薄膜層）に生じるバルク音響厚み振動は板内を横方向に（水平方向に）伝搬し得る。このように横方向に伝搬する波モードは板波モード又はラム波モードと呼ばれる（非特許文献１）。ここでは板波モードという語を使用する。波は横波長λxで伝搬し、横波数ｋxを有する。
異なるタイプの厚み振動が板波として伝搬し得る。このような振動タイプの例は、厚み伸長（ＴＥ）振動及び厚みすべり（ＴＳ）振動である（図１）。前者では、粒子変位が圧電板の厚さ方向（図１のｚ軸）であり、後者では、粒子変位が厚さ方向に対して直角方向である。板の厚さｔが波長λzの半分の整数倍に等しいとき、即ちｔ＝Ｎλz/２，λz＝ｖ/ｆ（ここで、Ｎは整数、ｖは圧電材料中の音響波の速度及びｆは動作周波数である）のとき、厚み共振が圧電板内に生じる。一次モードでは、Ｎ＝１であり、厚さｔ内に１半波長が収まる。
図１にいくつかのタイプの板波を示す。上から下に、一次の厚み伸長モードＴＥ１、二次の厚みすべりモードＴＳ２、一次の厚みすべりモードＴＳ１、屈曲モードである。伝搬は横方向で、横波長λxを有する。
横方向定在波共振
横方向伝搬板波は電極エッジなどの不連続部で反射され得る。従って、横方向に有限の構造においては、横方向定在波共振が生じ得る。横方向定在波共振は、有限構造の横寸法Ｗが横方向伝搬の波長λxの半分の整数倍（Ｗ=Ｎλx/２）に等しいときに生じる。整数Ｎは共振の次数を意味する。一次の共振では、構造の横方向長さ内に１半波長が存在する。
横方向定在波共振は任意の厚み振動モード（例えば、ＴＥモード又はＴＳモード）に対して生じ得る。
図２には、幅Ｗ及び厚さｔを有する横方向に有限の板内に生じる２つの一次横方向定在波共振がＴＥ１及びＴＳ２厚み振動モード（板波モード）に対して示されている。一次共振（図２Ａ及び２Ｃ）はλx＝２Ｗの横波長を有し、板の幅内で対称であるが、二次共振は横波長λx＝Ｗを有し（図２Ｂ及び２Ｄ）、板の幅内で非対称である。
分散図
横方向伝搬板波の横波数ｋxと周波数ｆとの関係は板波の分散と呼ばれ、分散図として表される。分散図において、負のx軸は多くの場合虚波数（エバネッセント波）に対応し、正のx軸は実波数（伝搬波）に対応する。
図３には計算された分散図が示されている。二次厚みすべり（ＴＳ２）及び一次厚み伸長（ＴＥ１）板波モードが示されている。
共振モードの電気的結合
圧電膜内の機械的振動により電界が発生する。この電界に対して共振器の電極間に電圧を生成するには、電極上の全電荷がゼロにならないようにする必要がある。
音響結合
機械的振動は一つの共振器構造から別の共振器構造に機械的に結合することができる。機械的結合はエバネッセント波又は伝搬波により起こり得る。
関連技術の概要
マイクロ音響及び薄膜技術に基づく共振器及びフィルタなどの高周波数（ＲＦ）コンポーネントは現在、携帯電話、無線ネットワーク、衛星測位などの無線通信用途に広く使用されている。それらに対応する集中素子を上回るそれらの利点は小型で多量生産性であることにある。ＲＦ装置用の２つの主なマイクロ音響技術は、表面音響波（ＳＡＷ）及びバルク音響波（ＢＡＷ）技術である。
この段落では、本発明の背景を与えるとともに本発明を先行技術から区別するために、既存のフィルタ技術を簡単に紹介する。
表面音響波装置
インターディジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）（金属薄膜ストリップのくし形構造 (図４参照) ）が、圧電基板（例えば石英、ＬｉＮｂＯ３又はＬｉＴａＯ３）上にパターン化される。ＩＤＴは、電気入力信号Ｖinを圧電効果により表面伝搬音響波に変換するのみならず、出力ポートの音響信号をピックアップし、電気信号に戻すために使用される。装置の動作周波数は、音響波の速度とＩＤＴ電極の寸法とによってｆ＝２ｐ/ｖで決まり、ここで、ｆは周波数、ｐはＩＤＴの周期及びｖは表面音響波の速度である。従って、音響波の速度を一定に維持する場合、高い動作周波数ほど小さいｐを必要とする。
バルク音響波装置
ＢＡＷ装置においては、電気入力信号を処理するために圧電ウェハ又は薄膜内部の音響振動が使用される。ソリッドマウントＢＡＷ共振器（ＳＭＲ）においては、高及び低音響インピーダンス（Ｚ）の交互の材料層からなる音響反射器が圧電薄膜内の振動を基板から分離し、音響漏洩を阻止するように作用する。メンブレン装置では、この分離が圧電共振器と基板との間に空隙を形成することによって達成されている。
厚み振動及び板波分散
上述したように、圧電層においては、励振周波数がスイープするにつれて、異なる厚み振動モード、例えば縦振動（厚み伸長振動とも呼ばれるｚ軸に平行な厚さ方向の振動）及びすべり振動（ｚ軸に直角方向の振動）が生じる。このような厚み振動は板波として横方向に伝搬し得る。板波の音響特性は分散曲線で記述することができ、板波の横方向（ｚ軸に直角方向）の波数ｋxは周波数ｆの関数として与えられる。
図３は、表１に示す薄膜積層体に対して計算された分散図を示す。圧電層の厚さが厚み振動の波長λzの約半分を含む一次縦（厚み伸長ＴＥ１）振動モード、及び粒子変位が厚さ方向に対して直角で圧電層の厚さが１音響波長λzを含む二次厚みすべり（ＴＳ２）モードに対する横方向伝搬板波の分散曲線が、その図に示されている。ＴＥ１板モードのオンセット周波数がＴＳ２板モードのオンセット周波数より高いこのタイプの分散は、タイプ１と呼ばれる（非特許文献２）。オンセットとは、板モードの分散曲線がｋx＝０軸（即ち周波数軸）と交差する点を意味する。タイプ１材料は、例えばＺｎＯを含む。窒化アルミニウムは本質的にタイプ２（ＴＳ２の方がＴＥ１よりオンセット周波数が高い）である。
薄膜積層体を正しく設計することによって、分散特性を調整し、分散タイプを変化させることができる。
表１は図３の分散曲線の計算に使用された薄膜の厚さを示す。
図３において、ｋxの正値は実波数（伝搬波）を示し、負値は虚波数（エバネッセント波）に対応する。横方向有限構造内に横方向定在波共振を生じさせるためには、音響エネルギーが共振器構造内で厚さ方向にも横方向にもトラップされなければならない。厚さ方向においては、基板からの分離（反射器又は空隙）がエネルギートラッピングを保証する。横方向では、エネルギートラップのためにエバネッセント波は共振器領域外に存在すべきである。エネルギートラッピングはタイプ１分散において実現するのが容易である。それゆえ、圧電材料としてＡｌＮを使用するとき、一般に反射器は分散をタイプ１に変換するように設計される。
横方向有限板共振器においては、共振器の幅Ｗが半波長の整数倍、即ちＷ＝Ｎλx/２に適合するとき、伝搬板波が横方向定在波共振を形成し得る。
ＢＡＷ装置における音響結合
フィルタは、ワンポート共振器を電気的に接続することによってはしご型又は格子型フィルタを形成することができる。別の可能性として、共振器を１つの共振器から別の共振器へ音響波が互いに結合するよう空間的に十分に近接配置することによって共振器間に機械的（音響）結合を形成することができる。このような装置は結合共振器フィルタ（ＣＲＦ）と呼ばれる。
ＢＡＷ装置において、積層圧電層間の垂直音響結合が積層結晶フィルタ（ＳＣＦ）及び垂直結合ＣＲＦに使用されている。ＳＣＦにおいては、２つの圧電層が中間電極により分離される。垂直結合ＣＲＦにおいては、圧電層間の結合強度を修正するために結合層が使用される。ＣＲＦは、ＳＭＲ又はメンブレン技術のいずれかを用いて製造することができる。
薄膜垂直結合ＣＲＦは比較的広帯域の周波数応答（１８５０ＭＨｚの中心周波数で８０ＭＨｚ、つまり中心周波数の４．３％）を与えることが確かめられている。それらは不平衡−平衡（バラン）変換も可能である。垂直結合ＣＲＦの欠点は、多数の層を必要とするとともに圧電層の厚さに対する応答が感度を持つ必要があることにある。これは製造プロセスを難しくし、その結果費用がかかることになる。
ＢＡＷ装置の横方向音響結合（ＬＣＲＦ）は、圧電層の上に互いに近接して配置された２つ以上の幅の狭い電極によって実現することができる。一つ以上の電極により形成される第１のポートへの電気入力信号は圧電効果によって機械振動に変換される。この振動はギャップを横切って一以上の電極からなる第２のポートに機械的に結合し、出力電気信号を生成する。この例の電極はインターディジタル（くし形）であるが、他の形状も可能である。結合強度は構造の音響特性及び電極間のギャップによって決まる。
ＬＣＲＦのバンドパス周波数応答は、一般に構造内に生じる２つの横方向定在波共振により形成される。一般に、パスバンドを形成する２つの共振のうちの一つは最低次（対称）の横方向定在波共振であり、この共振はＮ＝１であり、すべての電極が同相で振動する（図７参照）。第２の共振はどの電極も近傍電極とともに逆相で振動する共振であるのが好ましい（奇数共振モード）（図７参照）。横方向定在波共振間の周波数差がフィルタの達成可能な帯域幅を決定し、この周波数差は構造の音響特性と電極寸法及び電極間の音響結合強度とによって決まる。
先行技術は、バンドパス応答を形成するために一つの板波モード、例えばＴＥ１モードに対して生じる２つの横方向定在波共振を使用するＬＣＲＦ構造を開示する。また、先行技術では、構造内に存在する他の板波モード（例えばＴＳ２モード）の周波数の望ましくないスプリアス共振及びパスバンドを特定している（非特許文献３）。
垂直ＣＲＦより優れたＬＣＲＦの主な利点は、垂直ＣＲＦと対照的に、圧電層が一つのみで、層間結合が不要であるから、簡単な製造技術でよい点にある。また、動作周波数が電極寸法ではなく主として層の厚さで決まり、極めて狭い寸法要件が緩和されるので、高周波数での動作がＳＡＷコンポーネントの場合より容易になる。
B. A. Auld, Acoustic Fields and Waves in Solids, 2nd Edition, vol 2. Krieger Publishing Company, Malabar, Florida (1990). G. G. Fattinger, S. Marksteiner, J. Kaitila, and R. Aigner, "Optimization of acoustic dispersion for high performance thin film BAW resonators", in Proc. 2005 IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 1175-1178 (2005). Meltaus, J.; Pensala, T.; Kokkonen, K.; Jansman, A.; "Laterally coupled solidly mounted BAW resonators at 1.9 GHz,", in Proc. 2009 IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 847-850, 2009.
本発明は、薄膜技術及び圧電薄膜に基づくＧＨｚ周波数帯の広帯域音響結合バルク音響波（ＢＡＷ）フィルタに関する。
先行技術と比較して、本発明においては、フィルタパスバンドを形成する２つ以上の横方向定在波共振を生成するために１つだけでなく少なくとも２つの異なる板波モードを使用する。各板波モードは少なくとも一つの横方向定在波共振に寄与する。
本発明の特徴は、バンドパス応答を発生させるために横方向に伝搬する２つの異なる厚み振動モード（板波モード）、例えばすべり振動及び縦振動を一緒に使用することにある。構造の音響特性は、２つの板波モードが互いに所望の周波数距離に維持されるように設計するのが好ましい。両モードへの電気的結合を与えることができるようにすることも好ましい。
もっと正確に言うと、本発明は独立請求項に記載する内容により特徴づけられる。
本発明の一つの態様によれば、
音響フィルタに適した材料の積層体を備え、前記積層体は少なくとも一つの圧電層を含み、更に
幅及び間にギャップを有する少なくとも２つの共振器を備え、前記共振器は前記圧電層の異なる面上に電極を備え、前記圧電層の一つの面上の電極が少なくとも２つの共振器領域を形成するように分離され、前記圧電層の反対面上の電極が連続である、音響フィルタにおいて、
前記積層体の材料、幅及び分離された電極間のギャップが、全部で少なくとも２つの横方向定在波共振を有する少なくとも２つの異なる板波モードを当該音響フィルタ内で発生するように構成される。
特に、前記積層体の材料、幅及び分離された電極間のギャップは、少なくとも一つの横方向定在波共振にそれぞれ寄与する少なくとも２つの異なる音響板波モードを当該音響フィルタ内で発生するように構成される。
一実施形態によれば、前記圧電層の一つの面上の電極のみが少なくとも２つの共振器領域を形成するように分離され、前記圧電層の反対面上には連続電極が設けられる。
本発明の一つの態様によれば、
音響フィルタに適した材料の積層体を備え、前記積層体は少なくとも一つの圧電層を含み、更に
幅及び間にギャップを有する少なくとも２つの共振器を備え、前記共振器は前記圧電層の異なる面上に電極を備え、前記圧電層の両面上の電極が少なくとも２つの共振器領域を形成するように分離されている、音響フィルタにおいて、
前記積層体の材料、前記圧電層の一つの面上の電極の幅及び電極間のギャップ、並びに前記圧電層の反対面上の電極の幅及び電極間のギャップが、全部で少なくとも２つの横方向定在波共振を有する少なくとも２つの異なる板波モードを当該音響フィルタ内で発生するように構成される。
一つの態様によれば、前記電極の少なくとも２つは平衡電気ポートを提供するように電気的に接続される。
好ましくは、前記少なくとも２つの異なる音響板波モードは少なくとも一つの縦モード及び少なくとも一つのすべりモードを備える。
本発明の他の態様によれば、フィルタ構造内で、前記板波モードの双方に対して少なくとも１つの横方向定在波共振が生じる。従って、最も簡単な場合には、２つの横方向定在波共振がバンドパス応答に寄与する。更に、２つの異なる音響板波モードの一つに対して少なくとも２つの横方向共振モードが生じるとともに、２つの異なる音響板波モードの他の一つに対して少なくとも一つの横方向定在波共振が生じ、少なくとも３つの横方向定在波共振が発生する可能性がある。前記板波モードの双方に対して少なくとも２つの定在波共振が生じ、少なくとも４つの横方向共振を生じるようにするのが好ましい。
本発明の他の態様によれば、これらの横方向定在波共振の電気的結合及び周波数差が最適になるようにフィルタ構造が設計されるとき、（４極）バンドパス応答が得られる。
一実施形態によれば、ＴＳ２板波ブランチがＴＥ１ブランチに周波数的に十分に近づけられるため、ＴＳ２ブランチ内に生じる共振モードをＴＥ１モードと一緒にフィルタバンドパスのために使用することができる。ＢＡＷ共振器においては、すべりモードへの結合はほとんどない点に注意されたい。ＬＢＡＷ装置においては、幅の狭い電極間に生じる横方向電界のためにこの結合が存在する。従来のＬＢＡＷフィルタでは、すべりモードは電気的応答にスプリアスバンドとして現れ得る。本発明によれば、この応答をＴＥ１モードの応答と一緒に用いて極めて広いパスバンドを構成する。このパスバンドは、後でより詳細に説明されるように、２つの代わりに４つの共振モード（ＴＳ２ブランチの偶数及び奇数モード並びにＴＥ１ブランチの偶数及び奇数モード）からなる。
一つの態様によれば、本発明による音響波広帯域フィルタを製造する方法は、
音響広帯域フィルタのための構造設計及び材料を選択するステップ、及び
所望の中心周波数及び帯域幅を指定するステップ、
を備える方法において、
前記選択された構造設計及び材料を幅及び間にギャップを有する一組の共振器と一緒に使用して、全部で少なくとも２つの共振を有する少なくとも２つの異なる横方向伝搬厚み振動板波モードの結合を達成するような積層体を設計するステップ、及び
全部で少なくとも２つの共振を有する前記少なくとも２つの異なる横方向伝搬厚み振動板波モードを結合するように設計された前記フィルタ積層体を製造するステップであって、各モードは当該音響フィルタにおける少なくとも１つの横方向定在波共振に寄与するステップ、
を備える。
既存の技術に勝る本発明を使用する利点は、２つだけでなく３つ又は４つの横方向定在波共振を使用することによって、著しく広い電気的周波数帯域幅（ＢＷ）が得られる点にある。本発明の設計を使用する別の利点は、音響及び電気機械結合及び層の厚さに対する厳格な要件が垂直ＢＡＷ ＣＲＦに比較して緩和されるとともに、横方向寸法に対する厳格な要件がＳＡＷに比較して緩和され、製造公差及びコストの軽減がもたらされる点にある。第３の利点は、望ましくないスプリアス応答を除去できる点にある。２つの板波モードが周波数的に互いに近接し、それらの一つのみがバンドパス応答を形成する横方向定在波共振のために使用されるとき、他の板波モードは依然として横方向定在波共振を発生し、望ましくないスプリアス応答として現れ得る。本発明では、これまで望ましくないとみなされていたこれらの共振を利用してより広いパスバンドを生成する。
有限要素法（ＦＥＭ）シミュレーションによれば、ＡｌＮベースのＳＭＲ技術を利用して本発明の設計を使用すると、２ＧＨｚにおいて約１０％の相対ＢＷが得られる。これに対し、商業部品生産者による表面音響波（ＳＡＷ）及びＢＡＷ製品は２ＧＨｚにおいて僅かに約８０ＭＨｚ（４％）の帯域である。従って、本発明により得られるフィルタは市販のマイクロ音響フィルタで使用可能な周波数帯域幅の約２倍の帯域幅を有する。
追加の利点として、極めて広い周波数帯域幅、高周波数で動作可能であること（周波数は主として電極寸法ではなく膜厚で決まり、これはリソグラフィがＳＡＷコンポーネントの場合のように主な制限要因にならないことを意味する）、製造要件の軽減（例えば、電極間のギャップの幅）、比較的簡単な製造プロセス（競合する結合共振器ＢＡＷ技術に比較して圧電層が１つだけ）、小さいコンポーネントサイズ（例えばＳＡＷコンポーネントに比較して）、高い帯域外抑制（例えばラダーＢＡＷフィルタに比較して）及び音響設計の自由度が（１つの振動モードのみを使用する場合より）大きい、などがある。
これから本発明の設計を模範的な実施形態の説明と関連して以下に詳細に記載する。
横方向に伝搬する４つの異なる厚み振動を示す。 図２ａ−ｂは有限幅Ｗを有する板における一次厚み伸長振動モード（ＴＥ１板波モード）に対する２つの横方向定在波共振を示す。図２ｃ−ｄは有限幅Ｗを有する板における二次厚みすべり振動モード（ＴＳ２板波モード）に対する２つの横方向定在波共振を示す。 縦ＴＥ１モード及びすべりＴＳ２モードに対する模擬分散図を示す。 ２電極ＳＭＲ／ＬＣＲＦ構造の概略断面図を示す。 インターディジタルトランスデューサを示す。 メンブレン型ＬＣＲＦ共振器の概略断面図を示す。 薄膜積層体の模擬分散特性図と、ＴＥ１及びＴＳ２板波モード、並びに２電極構造に対するそれぞれの偶数及び奇数横方向共振の概略図を示す。 図７ａの偶数奇数モードを更に詳しく示す。 ２つの異なるＴＥ１及びＴＳ２板波モードに対して生じる４つの横方向定在波共振の組み合わせからなるバンドパス応答を示す。 模擬分散図を示す。
ここに記載するフィルタは図４に示すＳＭＲ ＬＣＲＦ構造に基づくものである。本例の電極は図５に示すようなインターディジタル（くし形）であるが、他の形状（例えば環状）も可能である。
図４はＺ方向に積層された２電極ＳＭＲ ＬＣＲＦ構造４０の概略図である。この構造の最上部に２つのポート４１及び４２が存在する。ポートは圧電層４３に固定される。圧電層の下に電極４４、音響反射器４５及び基板４６が存在する。周期ｐ（矢印５２で示す）を有するインターディジタル電極の実施形態が図５に５０で示されている。
図４及び図５は一般的な構造を示し、本発明を限定する意図はない。例えば、本発明では電極を入力及び出力に交互に接続する必要はなく、一つの電極が中間で接地又は非接地のフィンガを有することができる。また、電極接続は規則的にする必要はなく、つまり電極は必要に応じ任意にポートに接続することができる。３つ以上のポート、例えば１つの入力及び２つの出力（平衡出力用）、２つの入力及び１つの出力（平衡入力用）又は２つの入力及び２つの出力（平衡入力及び平衡出力用）にすることもできる。電極幅及びギャップ幅は電極構造内で変化させることができ、材料はＡｌＮ及びＷ/ＳｉＯ２に限定されない。いくつかの他の適切な圧電材料、例えばＺｎＯ．ＰＺＴを圧電材料として使用することもでき、反射器及び電極の材料もここで考察する材料に限定されない。
底部電極４４は電極４１及び４２に対応する個別電極４４ａ及び４４ｂ（図４には示さず）に分割することができる。前記個別電極の幅はそれらの対応電極の幅と同一にする必要はなく、それらの間のギャップも対応電極の間のギャップと同一にする必要はない。
図４に示すＳＭＲタイプの構造に加えて、他のタイプの構造、例えば図６に示すようなメンブレン構造も、音響特性が適切であれば、使用することができる。図６は電極６４の上の圧電層６３に固定された２つのポート６１及び６２を有するメンブレン構造を示す。ＳＭＲと対照的に、電極６４の下部に空隙６５が存在する。空隙の幅は、図６に示すように共振器６１，６２の共通幅と少なくとも同じ大きさにするのが好ましい。
現在のＬＣＲＦは、ＴＥモード、具体的にはＴＥ１モードで、動作するように設計されている。その理由は、多くの圧電薄膜材料は厚さ方向により強い電気機械結合を有する、つまり縦振動が圧電層の厚さを超える電気的励振に効率的に結合するためである。しかしながら、ＴＳ２モードによる強いスプリアスパスバンドで示されるように（非特許文献３参照）、ＬＣＲＦ構造の横方向トポロジのためにすべり振動モードに対しても強い結合が存在する。従って、ＴＳ２モードを使用して、垂直ＣＲＦなどの純粋に垂直方向のトポロジでは不可能な電気的周波数応答を生成することも実現可能になる。
本発明の実施形態によれば、バンドパス応答を形成するためにＴＥ１及びＴＳ２バルク振動モードの両方を使用する。これは、構造の横方向トポロジによって可能になる。これまでスプリアス応答と考えられていたＴＳ２パスバンドがＴＥ１パスバンドに融合され、ＴＥ１モード単独で得られるパスバンドの少なくとも２倍のパスバンドがもたらされる。本発明ではパスバンド（４極フィルタ応答）形成するために、２つの横方向定在波共振（ＴＥ１板モードの偶数及び奇数共振）の代わりに、４つの横方向定在波共振（ＴＥ１及びＴＳ２板モード両方の偶数及び奇数共振）を使用することができる。
１つだけの代わりに２つの（周波数的に）近接する音響板波モードを使用するため、２つだけの代わりに４つの横方向定在波共振がパスバンド（２つの音響板モードブランチ内の偶数及び奇数共振）を形成する。これはより広い帯域の生成及び製造公差の緩和を可能にする。これは、単一の広帯域応答を形成するために、全体として板波モードが所望の横方向定在波共振を適切な周波数でサポートする分散特性を達成するように共振器の寸法を設計し、さらに装置の材料を選択することによって可能になる。また、装置ジオメトリ（幾何学形状）は、所望の横方向定在波共振のすべてに対する電気機械結合が高くなるように、例えば細長い反復フィンガ状機構を使用するように設計される。
すべり振動に対する電気的結合は、異なる圧電対称性を有する材料で達成することができる。しかしながら、本発明では所望の結果を得るために、電界をすべり及び縦振動の両方に結合しなければならない。ここでは厚さ方向に強い電気機械結合を有する材料を横方向装置ジオメトリで使用する。別の可能性として、横方向及び厚さ方向の両方向に強い結合を有する材料、又は横方向に強い結合を有し、さらに垂直方向励振ジオメトリを有する材料がある。
図７は本発明の動作原理を示す。図３からの模擬分散曲線が、伝搬波型のＴＥ１及びＴＳ２板波モードに対して示されている。分散曲線に沿って移動すると、横方向定在波が前節で説明したように生じる。図７の例の電極構造は、両板波モードにおいて、２つの電極に対応する偶数及び奇数の横方向定在波共振がトラップされ、それらがパスバンド応答の形成に使用されるように設計される。
ＴＳ２板波モードに対しては、周波数が増加するにつれて波長が増加する。それゆえ、奇数共振は偶数共振より低い周波数で生じる。ＴＥ１板波モードに対しては、周波数の増加とともに波長が減少するので、奇数及び偶数共振の順位が逆になる。電極間の音響結合及び横方向定在波共振間の周波数差を正しく設計すると、広帯域周波数応答を得ることができる。得ることができる帯域幅は積層体の音響特性及び電極構造によって決まる。概算により、ＴＥ１板波モードのみを使用して達成し得るパスバンドに比べて３倍広いパスバンドを得ることができることが分かった（図８参照）。
図９は、電極領域内（青色、実線）及び電極外（赤色、破線）における板波分散の一例を示す。ｋ＝０の左側の値は虚数波ベクトル値を表し、ｋ＝０の右側の値は実数波ベクトル値を表す。電極内の音響波は電極領域内において、外部領域が図に緑／灰色でマークされた虚数波ベクトル（エバネッセント波）を有する周波数でトラップされる。ＴＥ１及びＴＳ２板波モードが電極領域及び外部領域の両方に対して示されている。
例えば、層数、層厚などに関する装置の最終設計規則は、材料、積層体及び最終的にはその分散に依存する。しかしながら、以下の記載において、所望の効果を発生させることができるものとして個別に又は組み合わせて考慮することができる一組の好ましい設計要件が与えられる。
上部電極によりもたらされる質量負荷は、使用する共振モードが横方向に伝搬する板波の周波数トラッピング領域内で誘起され得るように、つまり外部周波数領域分散曲線のエバネッセント部分により決まる周波数トラッピング領域が使用する共振モードを封入し得るように、十分小さくしなければならない。それゆえ、上部電極は、低密度の金属、例えばアルミニウム及び／又はλz/４未満の薄い厚さにしなければならない（ここで、λzは厚さ（ｚ）方向の縦音響波の波長である）。
ＴＳ２及びＴＥ１板波モードのｋx＝０における周波数（図９のｆb及びｆa）間の周波数差は、所望のパスバンド形状及び幅が達成されるようにしなければならない。
底部電極も上述の周波数差に影響を与える。底部電極は、周波数差｜ｆa−ｆb｜が所望値になるように設計するのと同時に、積層体の（シングルワイド共振器から測った）１−Ｄ電気機械結合係数ｋeffが小さな損失を補償するに十分な大きさになるように設計しなければならない。反射鏡積層体の層厚は通常λz/４未満にしなければならず（ここで、λzは厚さ方向の縦音響波の波長である）、これはすべり波も反射されるようにするために必要とされる。
電極幅は、横方向音響板波の１半波長λxが奇数共振周波数で電極に収まるようにするのが好ましい。
ギャップ幅は、ＴＥ１及びＴＳ２板波モードの両方による偶数横共振器の横波長λxが最大になるようにするのが好ましい。
電極の数は、所望の周波数帯域幅に達するように選択され、且つ構造がシステムインピーダンスに整合するように、即ち抵抗損が最小になるように電極の長さを維持しながらその静的キャパシタンスが整合に必要な値になるように選択される。
ＴＥ１及びＴＳ２以外の他の厚み振動モードを使用することもできる。その要件は、それらのモードが周波数的に適切に離れていること及び適切な横方向定在波共振が生成され得ることである。ＴＥ１及びＴＳ２モードは周波数的に他の次数にすることもできる。
一つの特定の非限定的な例は以下の通りである。インターディジタル電極構造は１１個のフィンガを有するものを使用した。電極の幅は１０μｍ、電極間ギャップは２μｍにした。電極は第１及び第２のポートに交互に接続した。薄膜層の厚さを表２に示す。
ＴＥ１及びＴＳ２板波モードの両方を使用して得られた１０ｄＢ帯域幅は約２２０ＭＨｚであり、１８５０ＭＨｚの中心周波数の１２％に相当し、現在の技術を上回る著しい向上が得られた。
本発明の所望の性能を達成するためには、縦及びすべり運動モードの両方への電気的結合が不可欠である。これは、主として適切な圧電材料及び装置ジオメトリの選択によって達成される。更に、任意のＳＭＲ応用においては反射器が縦波及びすべり波の両方を反射するのが好ましい。
また、正しい音響特性（分散）を選択することも重要である。所望の中心周波数をＴＥ１及びＴＳ２モードのオンセット周波数の間にしなければならない。更に、ＴＥ１及びＴＳ２モードが同じ構造でトラップされるようにＴＥ１及びＴＳ２モード間の周波数差を適正化しなければならない。ＴＥ１及びＴＳ２モード両方の損失を低くするためにＱ値も十分に高くしなければならない。
適切な電極設計の選択においては、偶数及び奇数定在波共振間の周波数差を、所望の帯域幅を与えるのに適切であるものとしなければならない。考慮しなければならない他のファクタは、製造公差が臨界的でないこと、ギャップが十分に広いこと、電極長さによる抵抗値が大きすぎないこと、及びコンポーネントサイズが目的の用途に対して十分に小さいことである。更に、パスバンドにノッチを生じる中間横方向定在波共振が存在しないようにすることも重要である。
本発明のフィルタは、その設計及び製造方法から理解することもできる。更に、新規な方法もここに与えられる。
少なくとも４つの横方向定在波共振をトラップする広帯域音響結合ＢＡＷフィルタを設計するために、２つの異なる厚み振動モード（板波モード）の電気機械結合が達成される構造及び関連材料が選択される。本実施形態においては、２つの厚み振動モード（板波モード）はＴＥ１及びＴＳ２であるが、本発明の範囲から外れることなく他の振動モードを選択することもできる。
次に、所望の中心周波数が２つの厚み振動モードの板波分散曲線のオンセット（ｋx＝０）周波数の間に位置し、２つの振動モードのオンセット（ｋx＝０）周波数間の周波数差が所望の帯域幅の約１/３になり、Ｑ及びｋeffが両モードに対して最大になり、縦波及びすべり波の両方が反射層で反射されるように積層体が設計される。
分散曲線から、２つの板波モードの分散曲線間の周波数差がほぼ所望の帯域幅である横波数ｋxを選択する。次に、この選択ｋx値によって奇数横方向定在波共振モードの波長を決定する。波長が分かると、電極の幅及びギャップを選択することができる。適切な幅及びギャップが容易に明らかにならない場合には、設計を小さいギャップから始め、そこから結合を弱めなければならないかを決定するのが望ましい。
所望のコンポーネントサイズ及び整合要件を知ることによって、電極の数を選択することができる。多数の電極は５０オームへのより容易な整合を可能にする。多数の電極は、弱く結合する横方向共振により生じるノッチの深さも低減し得る。この段階において、所望の設計要件が選択され、関連設計パラメータが見つけ出される。
必要に応じ、スカート部をもっと急勾配にするために並列又は直列共振器を設計することができ、その設計を整合が必要かどうかに関してチェックすることができる。パスバンドの形状は、必要に応じ、例えば同調インダクタを追加することによって修正することができる。その後、広帯域音響結合ＢＡＷフィルタはいつでも製造できる状態となる。
本発明を上記の特定の実施形態について説明したが、それらの実施形態は本発明の範囲を限定することを意図するものではない。本発明の範囲は広帯域バンドパス応答を生成するために縦モードに加えてすべりモードを使用するすべてのものに及ぶ。
両方の厚み板波モードに対する電気的結合は、一般に、上では具体的に列挙されていない材料の異なる組み合わせ及び励振ジオメトリによって達成することができる。横方向装置ジオメトリとの強い厚さ方向及び弱い横方向の電気機械結合を使用したが、これは一つの個別の例にすぎない。別の可能性として、縦方向装置ジオメトリとの強い厚さ方向及び強い横方向の電気機械結合、又は強い横方向及び弱い厚さ方向の電気機械結合を使用することもできる。
重要なことは、２つの代わりに（少なくとも）３つ、特に少なくとも４つの横方向定在波共振の新規な使用によって極めて広帯域のパスバンドが簡単な製造プロセスで達成可能であることにある。得られる広帯域はより幅の広い電極を使用するなどの設計の自由度の向上をもたらし、より多くの電極の５０オームへの整合が容易になる。更に、整合インダクタンス又は他の整合素子を使用する必要がある場合に、その必要性が小さくなる。また、帯域幅がそれを僅かに犠牲しても十分である場合には、ギャップ幅に関する要件が緩和され、これにより容易な製造が促進されることとなって、より良好な性能（より低い損失など）を達成することができる。
３共振システムでは、３つの共振のうち２つの共振は一つの板波モードに対して生じ、他の一つは別の板波モードに対して生じる。
一実施形態によれば、圧電層はそのｃ軸が垂直方向にある対称性群６ｍｍから選択される。
一実施形態によれば、圧電層はそのｃ軸が垂直方向に対して傾斜した方向にある対称性群６ｍｍから選択される。この場合には、垂直電界は縦音響波（例えばＴＥ１）及びすべり波（例えばＴＳ２）の両方に結合される。
一般的に言えば、圧電層の対称性群及び結晶方向は、縦音響モード（例えばＴＥ１）及び横音響モード（例えばＴＳ２）の両方で、垂直電界と固有の結合を形成するように選択することもできる。
音響フィルタは２つ以上の圧電層を積層構造で備えることもできる。この場合には、積層体に沿って、即ち垂直方向に定在波モードが生じる。
すべり振動との結合を提供するために、代替材料を使用することもできる。一つの例では、ＡｌＮ又はＺｎＮなどの６ｍｍ材料が使用され、ｃ軸が垂直方向から傾くように堆積され、垂直電界と垂直方向に伝搬するすべり音響振動との結合が与えられる。別の例では、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などの圧電材料の薄膜形態を使用する。別の例では、本質的に垂直電界と垂直方向に伝搬するすべり音響振動との結合を与える材料を使用する。

Claims (16)

  1. 音響フィルタに適した材料の積層体を備え、前記積層体は少なくとも２つの圧電層を含み、更に
    幅と間にギャップを有する少なくとも２つの共振器を備え、前記共振器は前記圧電層の異なる面上に電極を備え、前記圧電層の少なくとも一つの面上の電極は少なくとも２つの共振器領域を形成するように分離されている、
    音響フィルタにおいて、
    前記積層体の材料、幅及び分離された電極間のギャップが、少なくとも一つの横方向定在波共振にそれぞれ寄与する少なくとも２つの異なる音響板波モードを当該音響フィルタ内で発生するように構成され、
    前記音響フィルタは、積層体構造内に少なくとも２つの圧電層を備える、
    ことを特徴とする音響フィルタ。
  2. 前記圧電層の一つの面上の電極のみが少なくとも２つの共振器領域を形成するように分離され、前記圧電層の反対面上に連続電極が設けられている、請求項１に記載の音響フィルタ。
  3. 前記圧電層の両面上の電極が少なくとも２つの共振器領域を形成するように分離されている、請求項１に記載の音響フィルタ。
  4. 前記電極の少なくとも２つは平衡電気ポートを提供するように電気的に接続されている、請求項３に記載の音響フィルタ。
  5. 前記音響フィルタの構造は、前記音響フィルタ内において全部で少なくとも３つの横方向定在波共振を有する少なくとも２つの異なる板波モードをトラップするように構成されている、請求項１−４のいずれかに記載の音響フィルタ。
  6. 前記少なくとも３つの横方向定在波共振のうちの少なくとも２つが一つの板波モードに対して生じ、前記少なくとも３つの横方向定在波共振のうちの少なくとも１つが別の板波モードに対して生じる、請求項５に記載の音響フィルタ。
  7. 前記音響フィルタの構造は、前記音響フィルタ内において全部で少なくとも４つの横方向定在波共振を有する少なくとも２つの異なる板波モードをトラップするように構成されている、請求項１−６のいずれかに記載の音響フィルタ。
  8. 前記少なくとも２つの異なる音響板波モードは少なくとも１つの縦モード及び少なくとも１つのすべりモードを備える、請求項１−７のいずれかに記載の音響フィルタ。
  9. 前記圧電層は、それらのｃ軸が垂直方向にある対称性群６ｍｍから選択される、請求項１−８のいずれかに記載の音響フィルタ。
  10. 前記圧電層は、それらのｃ軸が垂直方向に対して傾斜した方向にある対称性群６ｍｍから選択される、請求項１−８のいずれかに記載の音響フィルタ。
  11. 垂直電界が縦音響波及びすべり波の両方に結合される、請求項１０に記載の音響フィルタ。
  12. 前記圧電層の対称性群及び結晶方向が、縦及びすべり音響厚みモードの両方で垂直電界と固有の結合を形成するように選択されている、請求項１−８のいずれかに記載の音響フィルタ。
  13. 前記圧電層はＡｌＮ又はＺｎＯから形成される、請求項１−１２のいずれかに記載の音響フィルタ。
  14. 音響広帯域フィルタのための構造設計及び材料を選択するステップ、及び
    所望の中心周波数及び帯域幅を指定するステップ、
    を備える、音響広帯域フィルタを製造する方法において、
    前記選択された構造設計及び材料を幅及びそれらの間のギャップを有する一組の共振器と一緒に使用して、全部で少なくとも２つの共振を有する少なくとも２つの異なる横方向伝搬厚み振動板波モードの結合を達成するような積層体を設計するステップ、及び
    全部で少なくとも２つの共振を有する前記少なくとも２つの異なる横方向伝搬厚み振動板波モードを結合するように設計された前記フィルタ積層体を製造するステップ、
    を備え、
    前記音響広帯域フィルタは、前記積層体構造内に少なくとも２つの圧電層を備える、
    ことを特徴とする音響広帯域フィルタの製造方法。
  15. 前記積層体を、前記指定された中心周波数が前記少なくとも２つの異なる板波モードのオンセット周波数の間に位置し、異なる２つの板モードの前記オンセット周波数の周波数差が前記所望の帯域幅の約１/３になるように設計するステップを備える、請求項１４に記載の製造方法。
  16. 請求項１４または１５に記載の方法で製造されたフィルタ。
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