JP6388029B2 - 縦結合共振子型弾性表面波フィルタ - Google Patents
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Description
本発明は、ＳＨ波を利用した縦結合共振子型弾性表面波フィルタに関する。
従来、共振子や帯域フィルタなどに弾性表面波装置が広く用いられている。下記の特許文献１には、ＳＨ波を利用した弾性波装置が開示されている。この弾性波装置では、支持基板上に、高音速層、低音速膜、圧電膜及びＩＤＴ電極がこの順序で積層されている。ＳＨ波のエネルギーを閉じ込めることができるので、Ｑ値を高めることができるとされている。
特許文献１に記載の弾性波装置では、ＳＨ波が閉じ込められるだけでなく、レイリー波（Ｐ＋ＳＶ波）も閉じ込められることになる。そのため、特許文献１に記載の積層構造を利用して、縦結合共振子型弾性表面波フィルタを作製すると、レイリー波に起因するスプリアスが大きく現れるという問題があった。
本発明の目的は、レイリー波スプリアスのレベルを小さくし得る、縦結合共振子型弾性表面波フィルタを提供することにある。
本発明に係る縦結合共振子型弾性表面波フィルタは、圧電膜を有する縦結合共振子型弾性表面波フィルタであって、前記圧電膜を伝搬する弾性波の音速よりも伝搬するバルク波音速が高速である高音速部材と、前記高音速部材上に積層されており、前記圧電膜を伝搬するバルク波の音速よりも、伝搬するバルク波音速が低速である低音速膜と、前記低音速膜上に積層された前記圧電膜と、前記圧電膜の一方面に形成されており、前記縦結合共振子型弾性表面波フィルタを構成するための複数のＩＤＴ電極とを備え、ＳＨ波を利用しており、前記複数のＩＤＴ電極のうち少なくとも１つのＩＤＴ電極において、レイリー波スプリアスを抑圧するようにデューティが当該ＩＤＴ電極の弾性波伝搬方向全長にわたり調整されている。
本発明に係る縦結合共振子型弾性表面波フィルタのある特定の局面では、前記少なくとも１つのＩＤＴ電極において、デューティが前記弾性波伝搬方向全長にわたり一様ではない。
本発明に係る縦結合共振子型弾性表面波フィルタの他の特定の局面では、前記少なくとも１つのＩＤＴ電極において、デューティが最大の部分と、デューティが最小の部分とのデューティの比率が、１．０４以上、２．５以下の範囲にある。
本発明に係る縦結合共振子型弾性表面波フィルタの別の特定の局面では、前記少なくとも１つのＩＤＴ電極が、前記複数のＩＤＴ電極の全てである。
本発明に係る縦結合共振子型弾性表面波フィルタの他の特定の局面では、前記高音速部材の前記低音速膜とは反対側の面に積層された支持基板がさらに備えられている。
本発明に係る縦結合共振子型弾性表面波フィルタのさらに他の特定の局面では、前記高音速部材が、伝搬するバルク波音速が前記圧電膜を伝搬する弾性波の音速よりも速い、高音速支持基板からなる。
本発明に係る縦結合共振子型弾性表面波フィルタによれば、ＳＨ波を利用してフィルタ特性を得るにあたり、レイリー波スプリアスのレベルを効果的に小さくすることが可能となる。従って、良好なフィルタ特性を得ることができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る縦結合共振子型弾性表面波フィルタの積層構造を示す略図的正面断面図であり、図１（ｂ）は、第１の実施形態で用いられている１つのＩＤＴ電極の拡大平面図である。
図１（ａ）に示すように、縦結合共振子型弾性表面波フィルタ１は、支持基板２を有する。支持基板２上に、高音速部材としての高音速膜３、低音速膜４及び圧電膜５がこの順序で積層されている。圧電膜５の上面には、縦結合共振子型弾性表面波フィルタを形成するための電極構造が形成されている。上記電極構造は圧電膜５の下面に形成されていてもよい。
上記電極構造を、図２に略図的平面図で示す。すなわち、第１〜第５のＩＤＴ電極６〜１０が弾性表面波伝搬方向に順に並べられている。第１〜第５のＩＤＴ電極６〜１０の弾性表面波伝搬方向両側に、反射器１１，１２が設けられている。従って、５ＩＤＴ型の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ１が構成されている。
なお、図２では、各ＩＤＴ電極６〜１０及び反射器１１，１２を、矩形のブロックの対角線同士を結んだ形状で略図的に示している。
上記支持基板２は、適宜の絶縁体または誘電体を用いて形成することができる。このような材料としては、サファイア、リチウムタンタレート、リチウムニオベイトもしくは水晶等の圧電体、アルミナ、マグネシア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイトもしくはフォルステライト等の各種セラミック、ガラス等の誘電体、シリコン、もしくは窒化ガリウム等の半導体、または樹脂等を用いることができる。
なお、本明細書において、高音速膜とは、圧電膜５を伝搬する表面波や境界波の弾性波よりも、該高音速膜中のバルク波の音速が高速となる膜を言うものとする。また、低音速膜とは、圧電膜５を伝搬するバルク波よりも、該低音速膜中のバルク波の音速が低速となる膜を言うものとする。また、ある構造上のＩＤＴ電極からは様々な音速の異なるモードの弾性波が励振されることになるが、圧電膜５を伝搬する弾性波とは、フィルタや共振子の特性を得るために利用する特定のモードの弾性波を示す。本実施形態では、弾性波としてＳＨ波を利用している。
上記高音速膜３は、弾性表面波を圧電膜５及び低音速膜４が積層されている部分に閉じ込め、高音速膜３より下の構造に漏れないように機能する。本実施形態では、高音速膜３は、窒化ケイ素からなる。もっとも、上記弾性表面波を閉じ込め得る限り、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸窒化ケイ素、ＤＬＣ膜またはダイヤモンド、前記材料を主成分とする媒質、前記材料の混合物を主成分とする媒質等のさまざまな高音速材料を用いることができる。弾性表面波を圧電膜５及び低音速膜４が積層されている部分に閉じ込めるには、高音速膜３の膜厚は厚いほど望ましい。より具体的には、高音速膜３の膜厚は、弾性表面波の波長λの０．５倍以上、さらには１．５倍以上であることが望ましい。
上記低音速膜４を構成する材料としては圧電膜５を伝搬するバルク波よりも低音速のバルク波音速を有する適宜の材料を用いることができる。このような材料としては、酸化ケイ素、ガラス、酸窒化ケイ素、酸化タンタル、また、酸化ケイ素にフッ素や炭素やホウ素を加えた化合物など、前記材料を主成分とした媒質を用いることができる。
本実施形態では、圧電膜５の下方に、低音速膜４及び高音速膜３が積層されているので、圧電膜５において後述のように励振された弾性表面波を閉じ込めることができる。すなわち弾性表面波のエネルギーが、高音速膜３より下の部分に漏洩し難い。
他方、縦結合共振子型弾性表面波フィルタ１では、ＩＤＴ電極６〜１０において、デューティが、弾性表面波伝搬方向全長にわたり、レイリー波の応答を抑圧し得るように調整されている。これを、ＩＤＴ電極６を代表して図１（ｂ）を参照して説明する。
第１のＩＤＴ電極６は、第１のバスバー２１と、第１のバスバー２１と平行に延ばされた第２のバスバー２２とを有する。第１のバスバー２１には、複数本の第１の電極指２３ａ〜２３ｇの一端が接続されている。また、第２のバスバー２２には、複数本の第２の電極指２４ａ〜２４ｆの一端が接続されている。複数本の第１の電極指２３ａ〜２３ｇ及び複数本の第２の電極指２４ａ〜２４ｆは間挿し合っている。弾性表面波伝搬方向は、第１の電極指２３ａ〜２３ｇ及び第２の電極指２４ａ〜２４ｆの延びる方向と直交する方向である。
上記ＩＤＴ電極６では、弾性表面波伝搬方向において、デューティが全長にわたり一様ではない。すなわち、第１の電極指２３ａ〜２３ｇは、その幅方向寸法が一様ではなく、異ならされている。第２の電極指２４ａ〜２４ｇについても一様ではない。言い換えれば、ＩＤＴ電極６の弾性表面波伝搬方向全長にわたり、デューティが変化している。
なお、ＩＤＴ電極の電極指の構成としては、第１のＩＤＴ電極６について説明したが、第２〜第５のＩＤＴ電極７〜１０においても、各ＩＤＴ電極の弾性表面波伝搬方向全長にわたり、デューティが一様ではないように構成されている。
図４は、上記実施形態におけるＩＤＴ電極６〜１０のデューティの弾性表面波伝搬方向の変化を示す。
上記効果を確かめるために、図３に示すデュプレクサ３１を作製した。デュプレクサ３１は、アンテナ端子３２に接続された共通接続端子３３を有する。アンテナ端子３２とグラウンド電位との間にインダクタンスＬが接続されている。共通接続端子３３と送信端子３４との間に、ラダー型フィルタ３５が接続されている。ラダー型フィルタ３５は、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５を有する。また、直列腕とグラウンド電位とを結ぶように第１〜第４の並列腕が形成されている。第１の並列腕には、第１の並列腕共振子Ｐ１が設けられている。第２〜第４の並列腕には、それぞれ、第２〜第４の並列腕共振子Ｐ２〜Ｐ４が設けられている。
上記直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ５及び並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ４は、いずれも弾性表面波共振子からなる。
他方、共通接続端子３３と受信端子３６との間には、受信フィルタが構成されている。この受信フィルタは、上記実施形態の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ１を有する。縦結合共振子型弾性表面波フィルタ１と共通接続端子３３との間に弾性表面波共振子からなる直列腕共振子Ｓ１１，Ｓ１２が接続されている。直列腕共振子Ｓ１１，Ｓ１２との間の接続点３７とグラウンド電位との間に、並列腕共振子Ｐ１１が接続されている。また、縦結合共振子型弾性表面波フィルタ１の出力端とグラウンド電位との間に並列腕共振子Ｐ１２が接続されている。
上記実施形態の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ１を以下の仕様で作製した。
支持基板２としては、Ｓｉ基板を用い、その厚みは２００μｍとした。高音速膜３としては、ＳｉＮ膜を用い、厚みは１３４５ｎｍとした。低音速膜４としては、ＳｉＯ２膜を用い、その厚みは６７０ｎｍとした。圧電膜５としては、カット角５０°のＬｉＴａＯ３基板を用い、その厚みは６００ｎｍとした。ＩＤＴ電極６〜１０及び反射器１１，１２の材料としては、下から順に、１２ｎｍの厚みのＴｉ層、１６２ｎｍの厚みのＣｕを１重量％含有するＡｌ合金層を積層したものを用いた。また、電極上に、保護膜として、２５ｎｍの厚みのＳｉＯ２膜を積層した。
第１〜第５のＩＤＴ電極６〜１０における電極指交叉幅＝４０μｍ
第１〜第５のＩＤＴ電極６〜１０においては、ＩＤＴ電極同士が隣り合う部分に狭ピッチ電極指部を有する。そして、デューティは、最小デューティが０．４５、最大デューティが０．５５となるように、弾性表面波伝搬方向において変化させた。より具体的には、図４に示すようにＩＤＴ電極６〜１０のデューティを弾性表面波伝搬方向において変化するように、デューティを変化させた。実施形態においては、第１〜第５のＩＤＴ電極６〜１０における電極指ピッチで定まる波長は下記の表１に示す通りとした。
第１〜第５のＩＤＴ電極６〜１０における電極指の対数は下記の表２に示す通りとした。
反射器１１，１２の電極指の本数は各７５本とした。また、反射器におけるデューティは０．５、波長は１．９８５μｍとした。
比較のために、第１〜第５のＩＤＴ電極において、デューティが０．５と一定であることを除いては、本実施形態の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ１と同様とした、比較例の縦結合共振子型弾性表面波フィルタを作製した。
上記実施形態及び比較例の縦結合共振子型弾性表面波フィルタを用いて、Ｂａｎｄ２５用のデュプレクサを作製した。Ｂａｎｄ２５における送信帯域は１８５０〜１９１５ＭＨｚであり、受信帯域は１９３０〜１９９０ＭＨｚである。
上記比較例及び実施形態の縦結合共振子型弾性表面波フィルタを用いたデュプレクサにおける受信フィルタの減衰量周波数特性を図５及び図６に示す。図５に示す比較例の受信波形では、通過帯域の０．７６倍の周波数位置に、矢印Ｒで示すレイリー波によるスプリアスが大きく現れていることがわかる。これに対して、図６に示す実施形態の受信波形では、レイリー波スプリアスが十分に抑圧されていることがわかる。より具体的には、実施形態によれば、レイリー波スプリアスのレベルが比較例に比べ４ｄＢ程度改善されている。この理由は以下の通りであると考えられる。狭ピッチ電極指の波長がメインの部分の電極指の波長の約０．７６倍であるために、通過帯域の０．７６倍付近にスプリアスが生じていると考えられる。これに対して、上記実施形態では第１〜第５のＩＤＴ電極６〜１０においてデューティを変化させているため、ＩＤＴ電極の波長を一定としたため、上記スプリアスが抑圧されていると考えられる。
上記のように、縦結合共振子型弾性表面波フィルタ１を用いることにより、レイリー波スプリアスのレベルを効果的に小さくし得ることがわかる。
また、本願発明者は、上記第１〜第５のＩＤＴ電極６〜１０における最大デューティと最小デューティとの比を種々変化させ、同様にしてレイリー波スプリアスのレベルを測定した。その結果を図７に示す。
なお、図７の縦軸のレイリー波スプリアスレベル（ｄＢ）とは、レイリー波スプリアスが生じている部分の減衰量（ｄＢ）を示し、値が大きいほどレイリー波スプリアスが小さいことを意味する。
図７から明らかなように、最大デューティと最小デューティとの比が大きくなるほどレイリー波スプリアスを効果的に抑圧することができる。上記実施形態では、最大デューティと最小デューティとの比は、０．５５／０．４５＝１．２２である。
また、上記レイリー波スプリアスレベルを１ｄＢ以上改善するには、最大デューティと最小デューティとの比を１．０４以上とすればよいことがわかる。従って、十分にレイリー波スプリアスのレベルを抑圧するには、上記最大デューティと最小デューティとの比は１．０４以上であることが望ましい。他方、レイリー波スプリアスのレベルをより効果的に抑圧するには、最大デューティと最小デューティとの比は大きい方が好ましい。しかしながら、デューティを変化させてＩＤＴ電極を作製するうえでは、最大デューティと最小デューティとの比が２．５を超えると製造が困難となる。従って、最大デューティと最小デューティとの比は１．０４以上、２．５以下であることが好ましい。
図８は、第２の実施形態の縦結合共振子型弾性表面波フィルタの積層構造を示す略図的正面断面図である。第２の実施形態の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ４１は、高音速支持基板４２を有する。高音速支持基板４２は、伝搬するバルク波音速が、圧電膜５を伝搬する弾性波の音速よりも高音速である。よって、高音速支持基板４２は、高音速膜３と同様の材料で形成することができる。このように、第１の実施形態の支持基板２を省略し、高音速膜３に代えて高音速支持基板４２を用いてもよい。
なお、上記実施形態では、５ＩＤＴ型の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ１，４１を説明したが、本発明は、３ＩＤＴ型や、５ＩＤＴ型よりも多くのＩＤＴ電極を有する縦結合共振子型弾性表面波フィルタにも適用することができる。
１…縦結合共振子型弾性表面波フィルタ
２…支持基板
３…高音速膜
４…低音速膜
５…圧電膜
６〜１０…第１〜第５のＩＤＴ電極
１１，１２…反射器
２１，２２…第１，第２のバスバー
２３ａ〜２３ｇ…第１の電極指
２４ａ〜２４ｆ…第２の電極指
３１…デュプレクサ
３２…アンテナ端子
３３…共通接続端子
３４…送信端子
３５…ラダー型フィルタ
３６…受信端子
３７…接続点
４１…縦結合共振子型弾性表面波フィルタ
４２…高音速支持基板
Ｐ１〜Ｐ４，Ｐ１１，Ｐ１２…並列腕共振子
Ｓ１〜Ｓ５，Ｓ１１，Ｓ１２…直列腕共振子
２…支持基板
３…高音速膜
４…低音速膜
５…圧電膜
６〜１０…第１〜第５のＩＤＴ電極
１１，１２…反射器
２１，２２…第１，第２のバスバー
２３ａ〜２３ｇ…第１の電極指
２４ａ〜２４ｆ…第２の電極指
３１…デュプレクサ
３２…アンテナ端子
３３…共通接続端子
３４…送信端子
３５…ラダー型フィルタ
３６…受信端子
３７…接続点
４１…縦結合共振子型弾性表面波フィルタ
４２…高音速支持基板
Ｐ１〜Ｐ４，Ｐ１１，Ｐ１２…並列腕共振子
Ｓ１〜Ｓ５，Ｓ１１，Ｓ１２…直列腕共振子
Claims (5)
- 圧電膜を有する縦結合共振子型弾性表面波フィルタであって、
前記圧電膜を伝搬する弾性波の音速よりも伝搬するバルク波音速が高速である高音速部材と、
前記高音速部材上に積層されており、前記圧電膜を伝搬するバルク波の音速よりも、伝搬するバルク波音速が低速である低音速膜と、
前記低音速膜上に積層された前記圧電膜と、
前記圧電膜の一方面に形成されており、前記縦結合共振子型弾性表面波フィルタを構成するための複数のＩＤＴ電極とを備え、ＳＨ波を利用しており、
前記複数のＩＤＴ電極のうち少なくとも１つのＩＤＴ電極において、レイリー波スプリアスを抑圧するようにデューティが当該ＩＤＴ電極の弾性波伝搬方向全長にわたり調整されており、
前記少なくとも１つのＩＤＴ電極において、デューティが最大の部分と、デューティが最小の部分とのデューティの比率が、１．０４以上、２．５以下の範囲にある、縦結合共振子型弾性表面波フィルタ。 - 前記少なくとも１つのＩＤＴ電極において、デューティが前記弾性波伝搬方向全長にわたり一様ではない、請求項１に記載の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ。
- 前記少なくとも１つのＩＤＴ電極が、前記複数のＩＤＴ電極の全てである、請求項１または２に記載の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ。
- 前記高音速部材の前記低音速膜とは反対側の面に積層された支持基板をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ。
- 前記高音速部材が、伝搬するバルク波音速が前記圧電膜を伝搬する弾性波の音速よりも速い、高音速支持基板からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の縦結合共振子型弾性表面波フィルタ。
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