JP7456799B2 - フィルタおよびマルチプレクサ - Google Patents
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Description
本発明は、フィルタおよびマルチプレクサに関し、例えば弾性波共振器を有するフィルタおよびマルチプレクサに関する。
携帯電話等の無線端末の高周波回路用のフィルタおよびマルチプレクサとして、圧電薄膜共振器または弾性表面波共振器等の弾性波共振器が用いられている（例えば特許文献１、２）。圧電薄膜共振器は、圧電膜を挟み下部電極と上部電極が対向する構造を有している。弾性表面波共振器は、圧電基板上に一対の櫛型電極を有している。フィルタとして、直列共振器と並列共振器を有するラダー型フィルタが知られている。
ＨＰＵＥ（High Power User Equipment）の対応、およびＣＡ（Carrier Aggregation）の対応により、フィルタには高耐電力化が求められている。弾性波共振器では反共振周波数と共振周波数との間の周波数に消費電力に相当するモーショナル腕（Motional arm）電流密度のピークが存在する。弾性波共振器の温度が上昇すると、周波数温度係数に対応してモーショナル腕電流密度のピークの周波数が変化する。モーショナル腕電流密度のピークの周波数がフィルタの通過帯域内に位置すると弾性波共振器の消費電力が大きくなる。これにより、弾性波共振器の温度が上昇し弾性波共振器が破壊されうる。よって、耐電力性能が劣化してしまう。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、耐電力性能を向上させることを目的とする。
本発明は、一端が入力端子と出力端子との間を接続する経路に接続され、他端がグランドに接続され、弾性波を励振し、全ての並列共振器が負の周波数温度係数を有する複数の並列共振器と、前記経路に設けられ、弾性波を励振し、全ての直列共振器が正の周波数温度係数を有する複数の直列共振器と、を備えるフィルタである。
上記構成において、前記複数の直列共振器は１ｐｐｍ／Ｋ以上の周波数温度係数を有する構成とすることができる。
本発明は、一端が入力端子と出力端子との間を接続する経路に接続され、他端がグランドに接続され、弾性波を励振し、全ての並列共振器が負の周波数温度係数を有する複数の並列共振器と、前記経路に設けられ、弾性波を励振し、全ての直列共振器が負の周波数温度係数を有し、一部の直列共振器のみが前記複数の並列共振器および前記一部の直列共振器以外の残りの直列共振器の全てより絶対値の小さい負の周波数温度係数を有する複数の直列共振器と、を備えるフィルタである。
上記構成において、前記一部の直列共振器は、前記複数の直列共振器のうち前記経路内において最も前記入力端子に近い直列共振器を含む構成とすることができる。
上記構成において、前記一部の直列共振器は、前記複数の直列共振器のうち共振周波数が最も低い直列共振器を含む構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の並列共振器および前記複数の直列共振器は、下部電極と前記下部電極上に設けられた圧電膜と前記圧電膜上に設けられた上部電極とを各々備える圧電薄膜共振器であり、前記複数の直列共振器は前記圧電膜の少なくとも一部を挟み前記下部電極と前記上部電極とが平面視において重なる共振領域内に弾性率の温度係数の符号が前記圧電膜の弾性率の温度係数の符号と反対の温度補償膜を備える構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の並列共振器および前記複数の直列共振器は、下部電極と前記下部電極上に設けられた圧電膜と前記圧電膜上に設けられた上部電極とを各々備える圧電薄膜共振器であり、前記一部の直列共振器は前記圧電膜の少なくとも一部を挟み前記下部電極と前記上部電極とが平面視において重なる共振領域内に弾性率の温度係数の符号が前記圧電膜の弾性率の温度係数の符号と反対の温度補償膜を備える構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の並列共振器および前記複数の直列共振器は、下部電極と前記下部電極上に設けられた圧電膜と前記圧電膜上に設けられた上部電極とを各々備える圧電薄膜共振器であり、前記一部の直列共振器は前記圧電膜の少なくとも一部を挟み前記下部電極と前記上部電極とが平面視において重なる共振領域内に弾性率の温度係数の符号が前記圧電膜の弾性率の温度係数の符号と反対の温度補償膜を備える構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の並列共振器は共振領域内に温度補償膜を備えない構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の並列共振器は共振領域内に温度補償膜を備え、前記複数の直列共振器の共振領域内の温度補償膜は、前記複数の並列共振器の共振領域内の温度補償膜より厚い構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の並列共振器は共振領域内に温度補償膜を備え、前記一部の直列共振器の共振領域内の温度補償膜は、前記複数の並列共振器の共振領域内の温度補償膜より厚い構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の並列共振器は共振領域内に温度補償膜を備え、前記一部の直列共振器の共振領域内の温度補償膜は、前記複数の並列共振器の共振領域内の温度補償膜より厚い構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の並列共振器および前記複数の直列共振器は、圧電基板と前記圧電基板上に設けられた一対の櫛型電極とを備える弾性波共振器であり、前記複数の直列共振器は前記一対の櫛型電極を覆うように前記圧電基板上に設けられ、弾性率の温度係数の符号が前記圧電基板の弾性率の温度係数の符号と反対の温度補償膜を備える構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の並列共振器および前記複数の直列共振器は、圧電基板と前記圧電基板上に設けられた一対の櫛型電極とを備える弾性波共振器であり、前記一部の直列共振器は前記一対の櫛型電極を覆うように前記圧電基板上に設けられ、弾性率の温度係数の符号が前記圧電基板の弾性率の温度係数の符号と反対の温度補償膜を備える構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の並列共振器および前記複数の直列共振器は、圧電基板と前記圧電基板上に設けられた一対の櫛型電極とを備える弾性波共振器であり、前記一部の直列共振器は前記一対の櫛型電極を覆うように前記圧電基板上に設けられ、弾性率の温度係数の符号が前記圧電基板の弾性率の温度係数の符号と反対の温度補償膜を備える構成とすることができる。
本発明は、上記フィルタを含むマルチプレクサである。
本発明によれば、耐電力性能を向上させることができる。
以下、図面を参照し実施例について説明する。
図１は、比較例および実施例に係るフィルタの回路図である。図１に示すように、フィルタ１００では、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に直列共振器Ｓ１からＳ４が直列に接続されている。入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に並列共振器Ｐ１からＰ４が並列に接続されている。すなわち、１または複数の直列共振器Ｓ１～Ｓ４は入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間の直列経路に設けられ、並列共振器Ｐ１からＰ４の一端は直列経路に接続され、他端はグランド端子に接続されている。直列共振器Ｓ１～Ｓ４および並列共振器Ｐ１～Ｐ４は弾性波共振器である。すなわち、直列共振器Ｓ１～Ｓ４および並列共振器Ｐ１～Ｐ４は弾性波を励振する弾性波共振器である。直列共振器Ｓ１～Ｓ４の個数および並列共振器Ｐ１～Ｐ４の個数は任意に設定できる。
［比較例１］
図２（ａ）は、比較例１に係るフィルタの通過特性Ｓ２１を示す図、図２（ｂ）は、直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図２（ｃ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。図２（ｂ）における並列共振器のＳ２１は並列共振器をシャント接続した場合の通過特性Ｓ２１である。モーショナル腕電流密度は主に弾性波の振動に寄与する電流密度であり、同じ電力の高周波信号が通過した場合の消費電力に対応する。すなわち、モーショナル腕電流密度のピークの周波数は消費電力のピークの周波数に相当する。
図２（ａ）は、比較例１に係るフィルタの通過特性Ｓ２１を示す図、図２（ｂ）は、直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図２（ｃ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。図２（ｂ）における並列共振器のＳ２１は並列共振器をシャント接続した場合の通過特性Ｓ２１である。モーショナル腕電流密度は主に弾性波の振動に寄与する電流密度であり、同じ電力の高周波信号が通過した場合の消費電力に対応する。すなわち、モーショナル腕電流密度のピークの周波数は消費電力のピークの周波数に相当する。
図２（ｂ）および図２（ｃ）における破線は、フィルタ１００に大電力の高周波信号（通過帯域Ｐａｓｓ内の信号）を通過させる（すなわち、入力端子Ｔｉｎに高周波信号を印加する）前であり、弾性波共振器の温度がほぼ室温における特性である。実線はフィルタ１００に大電力の高周波信号を通過させた（すなわち、入力端子Ｔｉｎに高周波信号を印加した）ときの特性である。
図２（ａ）に示すように、フィルタ１００のＳ２１は、通過帯域Ｐａｓｓの損失が小さく、通過帯域Ｐａｓｓ外の減衰量が大きい。フィルタ１００は入力端子Ｔｉｎに入力した高周波信号のうち通過帯域Ｐａｓｓ内の信号を出力端子Ｔｏｕｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。フィルタ１００が例えば無線端末の送信信号を濾過する送信フィルタの場合、通過帯域Ｐａｓｓは例えば無線端末の送信帯域を含む。フィルタ１００に入力される大電力の送信信号は通過帯域Ｐａｓｓ内の周波数を有する。フィルタ１００に入力する通過帯域Ｐａｓｓ外の高周波信号は妨害波であり小電力である。
図２（ｂ）に示すように、比較例１では、フィルタ１００に大電力の高周波信号を印加する前では、フィルタ１００はほぼ室温である。室温における直列共振器Ｓ１～Ｓ４の共振周波数ｆｓｒは互いにほぼ同じであり、反共振周波数ｆｓａは互いにほぼ同じである。共振周波数ｆｓｒにおいてＳ２１は最も大きく、反共振周波数ｆｓａにおいてＳ２１は最も小さい。Ｓ２１が－１０ｄＢとなる周波数をｆｓｏとする。
並列共振器Ｐ１～Ｐ４の共振周波数ｆｐｒは互いにほぼ同じであり、反共振周波数ｆｐａは互いにほぼ同じである。共振周波数ｆｐｒにおいてＳ２１は最も小さく、反共振周波数ｆｐａにおいてＳ２１は最も大きい。Ｓ２１が－１０ｄＢとなる周波数をｆｐｏとする。
弾性波共振器の周波数温度係数（ＴＣＦ：Temperature Coefficient FrequencyＦＣ）は一般的に負である。大電力の高周波信号を印加する（すなわち入力端子Ｔｉｎに大電力の高周波信号を入力させる）と、フィルタ１００の温度が上昇する。これにより、直列共振器Ｓ１～Ｓ４の共振周波数ｆｓｒ´、反共振周波数ｆｓａ´およびＳ２１が－１０ｄＢとなる周波数ｆｓｏ´は、高周波信号の印加前におけるｆｓｒ、ｆｓａおよびｆｓｏよりそれぞれ低くなる。並列共振器Ｐ１～Ｐ４の共振周波数ｆｐｒ´、反共振周波数ｆｐａ´およびＳ２１が－１０ｄＢとなる周波数をｆｐｏ´は、室温におけるｆｐｒ、ｆｐａおよびｆｐｏよりそれぞれ低くなる。
図２（ｃ）に示すように、高周波信号の印加前の室温における直列共振器Ｓ１～Ｓ４のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈはｆｓｒとｆｓａとの間に位置する。並列共振器Ｐ１～Ｐ４のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｌはｆｐｒとｆｐａとの間に位置する。高周波信号の印加前の室温では。ｆｈは通過帯域Ｐａｓｓより高く、ｆｌは通過帯域Ｐａｓｓより低い。これにより、通過帯域Ｐａｓｓ内の周波数を有する小電力の高周波信号がフィルタ１００を通過しても直列共振器Ｓ１～Ｓ４および並列共振器Ｐ１～Ｐ４のいずれの共振器においても消費電力は小さい。
通過帯域Ｐａｓｓ内の周波数を有する大電力の高周波信号がフィルタ１００を通過すると、フィルタ１００の温度が上昇する。直列共振器Ｓ１～Ｓ４および並列共振器Ｐ１～Ｐ４の温度が上昇すると、直列共振器Ｓ１～Ｓ４のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ´および並列共振器Ｐ１～Ｐ４のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｌ´は、室温におけるｆｈおよびｆｌよりそれぞれ低くなる。
直列共振器Ｓ１～Ｓ４の温度が上昇すると、ｆｈ´が通過帯域Ｐａｓｓに近づく。通過帯域Ｐａｓｓ内の周波数を有する大電力の高周波信号がフィルタ１００を通過すると、直列共振器Ｓ１～Ｓ４内で消費される電力が大きくなる。このため、直列共振器Ｓ１～Ｓ４の温度がさらに上昇する。このため、ｆｈ´がよりＰａｓｓに近づき、場合によって、図２（ｃ）のように、ｆｈ´がＰａｓｓ内に移動する。これにより、直列共振器Ｓ１～Ｓ４の温度がさらに上昇し、直列共振器Ｓ１～Ｓ４が破壊される。
並列共振器Ｐ１～Ｐ４は、温度が上昇してもｆｌ´はｆｌより低くなる。このため、通過帯域Ｐａｓｓ内の周波数を有する大電力の高周波信号がフィルタ１００を通過しても、並列共振器Ｐ１～Ｐ４の消費電力が大きくなることを抑制できる。
弾性波共振器の周波数温度係数を０に近づけるため、後述のように、温度補償膜を設けることが考えられる。しかしながら、温度補償膜を設けると弾性波共振器の特性が劣化する。例えば圧電薄膜共振器に温度補償膜を設けると、電気機械結合係数が劣化する。このように、弾性波共振器の周波数温度係数を０に近づけようとすると弾性波共振器の特性が劣化する。このため、直列共振器Ｓ１～Ｓ４と並列共振器Ｐ１～Ｐ４の周波数温度係数を０または正とすると、フィルタ特性が劣化してしまう。
［実施例１］
図３（ａ）は、実施例１に係るフィルタの直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図３（ｂ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。
図３（ａ）は、実施例１に係るフィルタの直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図３（ｂ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。
図３（ａ）に示すように、実施例１では、直列共振器Ｓ１～Ｓ４は正の周波数温度係数を有する。これにより、大電力の高周波信号が印加され、フィルタの温度が室温より高くなると、直列共振器Ｓ１～Ｓ４の共振周波数ｆｓｒ´、反共振周波数ｆｓａ´および周波数ｆｓｏ´はｆｓｒ、ｆｓａおよびｆｓｏより高くなる。並列共振器Ｐ１～Ｐ４の周波数温度係数は比較例１の図２（ｂ）と同じ負である。
図３（ｂ）に示すように、室温より高い温度では、直列共振器Ｓ１～Ｓ４のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ´は室温のｆｈより高くなる。これにより、大電力の高周波信号がフィルタ１００に印加されても直列共振器Ｓ１～Ｓ４のモーショナル腕電流密度のピークの周波数は通過帯域Ｐａｓｓ内に移動することを抑制できる。並列共振器Ｐ１～Ｐ４のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｌ´は比較例１の図２（ｃ）と同様に、温度が高くなるとｆｌより低くなる。よって、ｆｌ´が通過帯域Ｐａｓｓ内に移動することを抑制できる。
実施例１によれば、並列共振器Ｐ１～Ｐ４の全ては負の周波数温度係数を有し、直列共振器Ｓ１～Ｓ４の全ては正の周波数温度係数を有する。これにより、直列共振器Ｓ１～Ｓ４のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ´が通過帯域Ｐａｓｓ内に移動することを抑制でき、耐電力性能を向上できる。また、直列共振器Ｓ１～Ｓ４は、温度補償膜を設けるため特性が劣化する可能性がある。並列共振器Ｐ１～Ｐ４は、温度補償膜を設けないまたは温度補償膜が薄いため特性の劣化を抑制できる。よって、フィルタの特性劣化を抑制できる。直列共振器Ｓ１～Ｓ４の周波数温度係数は０でもよい。直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち半分以上の直列共振器が正の周波数温度係数を有してもよい。
共振周波数、反共振周波数およびＳ２１が－１０ｄＢとなる周波数の周波数温度係数は、ほぼ同じである。このため、弾性波共振器の周波数温度係数として、共振周波数、反共振周波数およびＳ２１が－１０ｄＢとなる周波数のいずれの周波数温度係数を用いてもよい。
直列共振器Ｓ１～Ｓ４の周波数温度係数は＋１ｐｐｍ／Ｋ以上が好ましく、＋２ｐｐｍ／Ｋ以上がより好ましい。電気機械結合係数等の特性の劣化を抑制するため、周波数温度係数は＋１５ｐｐｍ／Ｋ以下が好ましい。並列共振器Ｐ１～Ｐ４の周波数温度係数は－２ｐｐｍ／Ｋ以下が好ましく、－５ｐｐｍ／Ｋ以下がより好ましい。特性の劣化を抑制するため、直列共振器Ｓ１～Ｓ４の周波数温度係数の絶対値は、並列共振器Ｐ１～Ｐ４の周波数温度係数の最も小さい絶対値以下が好ましく、並列共振器Ｐ１～Ｐ４の周波数温度係数の最も小さい絶対値の１／２以下がより好ましい。
［実施例１の変形例１］
図４（ａ）は、実施例１の変形例１に係るフィルタの直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図４（ｂ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。
図４（ａ）は、実施例１の変形例１に係るフィルタの直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図４（ｂ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。
図４（ａ）に示すように、実施例１の変形例１では、直列共振器Ｓ１～Ｓ４は負の周波数温度係数を有する。直列共振器Ｓ１～Ｓ４の周波数温度係数の絶対値は、並列共振器Ｐ１～Ｐ４の周波数温度係数の絶対値より小さい。これにより、直列共振器Ｓ１～Ｓ４における室温と高温との共振周波数の差ｆｓｒ－ｆｓｒ´、反共振周波数の差ｆｓａ－ｆｓａ´および周波数の差ｆｓｏ－ｆｓｏ´は、並列共振器Ｐ１～Ｐ４における室温と高温との差ｆｐｒ－ｆｐｒ´、ｆｐａ-ｆｐａ´およびｆｒｏ－ｆｒｏ´よりそれぞれ小さい。
図４（ｂ）に示すように、大電力の高周波信号が印加され、フィルタ１００の温度が室温より高くなっても、直列共振器Ｓ１～Ｓ４のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ´は通過帯域Ｐａｓｓ内に移動することを抑制できる。並列共振器Ｐ１～Ｐ４のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｌ´は比較例１の図２（ｃ）と同様に、温度が高くなるとｆｌより低くなる。よって、ｆｌ´が通過帯域Ｐａｓｓ内に移動することを抑制できる。
並列共振器Ｐ１～Ｐ４の全ては負の周波数温度係数を有し、直列共振器Ｓ１～Ｓ４の全ては並列共振器Ｐ１～Ｐ４のうち周波数温度係数の絶対値が最も小さい並列共振器より絶対値の小さい負の周波数温度係数を有する。これにより、直列共振器Ｓ１～Ｓ４のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ´が通過帯域Ｐａｓｓ内に移動することを抑制でき、耐電力性能を向上できる。また、直列共振器Ｓ１～Ｓ４の温度補償膜は実施例１より薄くてもよいため特性の劣化をより抑制できる。よって、フィルタの特性劣化をより抑制できる。直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち半分以上の直列共振器が並列共振器Ｐ１～Ｐ４のうち周波数温度係数の絶対値が最も小さい並列共振器より絶対値の小さい負の周波数温度係数を有してもよい。
直列共振器Ｓ１～Ｓ４の周波数温度係数は－５ｐｐｍ／Ｋ以上が好ましく、－２ｐｐｍ／Ｋ以上がより好ましい。並列共振器Ｐ１～Ｐ４の周波数温度係数は－５ｐｐｍ／Ｋ以下が好ましく、－１０ｐｐｍ／Ｋ以下がより好ましい。直列共振器Ｓ１～Ｓ４の周波数温度係数の絶対値は、並列共振器Ｐ１～Ｐ４の周波数温度係数の最も小さい絶対値の１／２以下が好ましく、１／３以下がより好ましい。
［比較例２］
図５（ａ）は、比較例２に係るフィルタの直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図５（ｂ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、通過帯域Ｐａｓｓの高周波端付近のみを示している。以降の図も同様である。
図５（ａ）は、比較例２に係るフィルタの直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図５（ｂ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、通過帯域Ｐａｓｓの高周波端付近のみを示している。以降の図も同様である。
図５（ａ）に示すように、直列共振器Ｓ１の室温における共振周波数ｆｓｒ１、反共振周波数ｆｓａ１およびＳ２１が－１０ｄＢとなる周波数ｆｓｏ１は、直列共振器Ｓ２～Ｓ４の室温における共振周波数ｆｓｒ２、反共振周波数ｆｓａ２およびＳ２１が－１０ｄＢとなる周波数ｆｓｏ２とそれぞれ略同じである。
図５（ｂ）に示すように、直列共振器Ｓ１のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ１は、直列共振器Ｓ２～Ｓ４のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ２と略同じである。
フィルタ１００に大電力の高周波信号を通過させると、フィルタ１００の温度が上昇する。直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち最も入力端子Ｔｉｎに近い直列共振器Ｓ１には最も大きな高周波電力が加わる。直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち直列共振器Ｓ１の温度が最も高くなる。
このため、図５（ａ）のように、フィルタ１００に大電力の高周波信号を通過させると、直列共振器Ｓ１の共振周波数ｆｓｒ１´、反共振周波数ｆｓａ１´およびＳ２１が－１０ｄＢとなる周波数ｆｓｏ１´は、直列共振器Ｓ２～Ｓ４の共振周波数ｆｓｒ２´、反共振周波数ｆｓａ２´およびＳ２１が－１０ｄＢとなる周波数ｆｓｏ２´より低くなる。
図５（ｂ）のように、直列共振器Ｓ１のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ１´は直列共振器Ｓ２～Ｓ４のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ２´より低くなる。これにより、直列共振器Ｓ１のモーショナル腕電流密度のピークが大きくなり直列共振器Ｓ１が破壊される可能性がある。
［実施例２］
図６（ａ）は、実施例２に係るフィルタの直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図６（ｂ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。
図６（ａ）は、実施例２に係るフィルタの直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図６（ｂ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。
図６（ａ）に示すように、実施例２では、直列共振器Ｓ１の周波数温度係数を正とし、直列共振器Ｓ２～Ｓ４の周波数温度係数を比較例２と同様の負とする。フィルタ１００に大電力の高周波信号を通過させると、フィルタ１００の温度が上昇し、直列共振器Ｓ１の共振周波数ｆｓｒ１´、反共振周波数ｆｓａ１´および周波数ｆｓｏ１´はｆｓｒ１、ｆｓａ１およびｆｓｏ１より高くなる。直列共振器Ｓ２～Ｓ４の共振周波数ｆｓｒ２´、反共振周波数ｆｓａ２´および周波数ｆｓｏ２´の変化は比較例２の図５（ａ）と同様に小さい。
図６（ｂ）に示すように、フィルタ１００に大電力の高周波信号を通過させると、直列共振器Ｓ１のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ１´はｆｈ１より高くなる。直列共振器Ｓ２～Ｓ４のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ２´の変化は比較例２の図５（ｂ）と同様に小さい。これにより、直列共振器Ｓ１～Ｓ４の消費電力が抑制され直列共振器Ｓ１～Ｓ４の破壊が抑制される。
直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち直列共振器Ｓ２～Ｓ４は、温度補償膜を設けないまたは温度補償膜が薄いため特性の劣化を抑制できる。
実施例２によれば、並列共振器Ｐ１～Ｐ４の全ては負の周波数温度係数を有し、複数の直列共振器Ｓ１～Ｓ４の一部の直列共振器Ｓ２～Ｓ４は負の周波数温度係数を有し、直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち少なくとも１つの直列共振器Ｓ１は０または正の周波数温度係数を有する。これにより、直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち消費電力が問題となる直列共振器Ｓ１のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ´が通過帯域Ｐａｓｓ内に移動することを抑制でき、耐電力性能を向上できる。また、直列共振器Ｓ２～Ｓ４および並列共振器Ｐ1～Ｐ４は、温度補償膜を設けないまたは温度補償膜が薄いため特性の劣化を抑制できる。よって、フィルタの特性劣化を抑制できる。
入力端子Ｔｉｎに最も近い直列共振器Ｓ１は、最も大電力の高周波信号が通過する。よって、最も温度が高くなりやすい。そこで、周波数温度係数が０または正の直列共振器は、複数の直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち直列経路内において最も入力端子Ｔｉｎに近い直列共振器Ｓ１を含む。これにより、耐電力性能を向上できる。周波数温度係数が０または正の直列共振器は、直列共振器Ｓ１～Ｓ４のなかで、大電力の高周波信号が印加されたときに最も温度が上昇する直列共振器を含めばよく、直列共振器Ｓ１以外の直列共振器でもよい。
［実施例２の変形例１］
図７（ａ）は、実施例２の変形例１に係るフィルタの直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図７（ｂ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。
図７（ａ）は、実施例２の変形例１に係るフィルタの直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図７（ｂ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。
図７（ａ）に示すように、実施例２の変形例１では、直列共振器Ｓ１～Ｓ４は負の周波数温度係数を有する。直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち直列共振器の周波数温度係数の絶対値は、並列共振器Ｐ１～Ｐ４の周波数温度係数の絶対値および直列共振器Ｓ２～Ｓ４の周波数温度係数の絶対値より小さい。フィルタ１００に大電力の高周波信号を通過させると、フィルタ１００の温度が上昇し、直列共振器Ｓ１の共振周波数ｆｓｒ１´、反共振周波数ｆｓａ１´および周波数ｆｓｏ１´はｆｓｒ１、ｆｓａ１およびｆｓｏ１より低くなる。直列共振器Ｓ１の周波数温度係数の絶対値が比較例２より小さい。このため、ｆｓｒ１´、ｆｓａ１´およびｆｓｏ１´の変化は比較例２の直列共振器Ｓ１より小さい。
図７（ｂ）に示すように、フィルタ１００に大電力の高周波信号を通過させると、直列共振器Ｓ１のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ１´はｆｈ１より低くなる。直列共振器Ｓ１のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ１´の変化は比較例２の図５（ｂ）の周波数ｆｈ１´の変化より小さい。これにより、ｆｈ１´が通過帯域Ｐａｓｓ内に移動することを抑制できる。よって、直列共振器Ｓ１の消費電力が抑制され直列共振器Ｓ１の破壊が抑制される。
直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち直列共振器Ｓ２～Ｓ４は、温度補償膜を設けないまたは温度補償膜が薄いため特性の劣化を抑制できる。
実施例２の変形例１によれば、並列共振器Ｐ１～Ｐ４の全ては負の周波数温度係数を有し、直列共振器Ｓ１～Ｓ４の全ては負の周波数温度係数を有し、直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち少なくとも１との直列共振器Ｓ１の周波数温度係数の絶対値は、並列共振器Ｐ１～Ｐ４および直列共振器Ｓ１以外の直列共振器Ｓ２～Ｓ４の全ての周波数温度係数の絶対値より小さい。これにより、実施例２と同様に、耐電力性能を向上できる。また、フィルタの特性劣化を抑制できる。
実施例２と同様に、周波数温度係数の絶対値が他の直列共振器より小さい直列共振器は、複数の直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち直列経路内において最も入力端子Ｔｉｎに近い直列共振器Ｓ１を含む。これにより、耐電力性能を向上できる。周波数温度係数の絶対値が他の直列共振器より小さい直列共振器は、直列共振器Ｓ１～Ｓ４のなかで、大電力の高周波信号が印加されたときに最も温度が上昇する直列共振器を含めばよく、直列共振器Ｓ１以外の直列共振器でもよい。
［比較例３］
図８（ａ）は、比較例３に係るフィルタの直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図８（ｂ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。
図８（ａ）は、比較例３に係るフィルタの直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図８（ｂ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。
図８（ａ）に示すように、直列共振器Ｓ１の室温における共振周波数ｆｓｒ１、反共振周波数ｆｓａ１およびＳ２１が－１０ｄＢとなる周波数ｆｓｏ１は、直列共振器Ｓ２～Ｓ４の室温における共振周波数ｆｓｒ２、反共振周波数ｆｓａ２およびＳ２１が－１０ｄＢとなる周波数ｆｓｏ２よりそれぞれ低い。
図８（ｂ）に示すように、直列共振器Ｓ１のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ１は、直列共振器Ｓ２～Ｓ４のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ２より低い。
フィルタ１００に大電力の高周波信号を通過させると、フィルタ１００の温度が上昇する。直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち最もｆｓｒ１、ｆｓａ２およびｆｓｏ１が低い直列共振器Ｓ１はモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ１が最も低い。このため、直列共振器Ｓ１の消費電力が大きく、直列共振器Ｓ１の温度は直列共振器Ｓ２～Ｓ４より高くなる。
このため、図８（ａ）のように、フィルタ１００に大電力の高周波信号を通過させると、直列共振器Ｓ１の共振周波数ｆｓｒ１´、反共振周波数ｆｓａ１´およびＳ２１が－１０ｄＢとなる周波数ｆｓｏ１´は、直列共振器Ｓ２～Ｓ４の共振周波数ｆｓｒ２´、反共振周波数ｆｓａ２´およびＳ２１が－１０ｄＢとなる周波数ｆｓｏ２´より周波数変化が大きくなる。
図８（ｂ）のように、直列共振器Ｓ１のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ１´は直列共振器Ｓ２～Ｓ４のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ２´より周波数変化が大きくなる。これにより、直列共振器Ｓ１の消費電力がさらに大きくなり直列共振器Ｓ１が破壊される可能性がある。
［実施例３］
図９（ａ）は、実施例３に係るフィルタの直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図９（ｂ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。
図９（ａ）は、実施例３に係るフィルタの直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図９（ｂ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。
図９（ａ）に示すように、実施例３では、直列共振器Ｓ１の周波数温度係数を正とし、直列共振器Ｓ２～Ｓ４の周波数温度係数を比較例３と同様の負とする。フィルタ１００に高周波信号を通過させると、フィルタ１００の温度が上昇し、直列共振器Ｓ１の共振周波数ｆｓｒ１´、反共振周波数ｆｓａ１´および周波数ｆｓｏ１´はｆｓｒ１、ｆｓａ１およびｆｓｏ１より高くなる。直列共振器Ｓ２～Ｓ４の共振周波数ｆｓｒ２´、反共振周波数ｆｓａ２´および周波数ｆｓｏ２´の変化は比較例３の図８（ａ）と同様に小さい。
図９（ｂ）に示すように、フィルタ１００に大電力の高周波信号を通過させると、直列共振器Ｓ１のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ１´はｆｈ１より高くなる。直列共振器Ｓ２～Ｓ４のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ２´の変化は比較例３の図８（ｂ）と同様に小さい。これにより、直列共振器Ｓ１～Ｓ４の消費電力が抑制され直列共振器Ｓ１～Ｓ４の破壊が抑制される。
直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち直列共振器Ｓ２～Ｓ４は、温度補償膜を設けないまたは温度補償膜が薄いため特性の劣化を抑制できる。
実施例３によれば、並列共振器Ｐ１～Ｐ４の全ては負の周波数温度係数を有し、複数の直列共振器Ｓ１～Ｓ４の一部の直列共振器Ｓ２～Ｓ４は負の周波数温度係数を有し、直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち共振周波数が最も低い直列共振器Ｓ１は０または正の周波数温度係数を有する。これにより、直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち消費電力が問題となる直列共振器Ｓ１のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ´が通過帯域Ｐａｓｓ内に移動することを抑制でき、耐電力性能を向上できる。また、直列共振器Ｓ２～Ｓ４および並列共振器Ｐ1～Ｐ４は、温度補償膜を設けないまたは温度補償膜が薄いため特性の劣化を抑制できる。よって、フィルタの特性劣化を抑制できる。直列共振器Ｓ１が最も共振周波数が低い直列共振器は、直列共振器Ｓ２～Ｓ４のいずれかの直列共振器でもよい。
［実施例３の変形例１］
図１０（ａ）は、実施例３の変形例１に係るフィルタの直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図１０（ｂ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。
図１０（ａ）は、実施例３の変形例１に係るフィルタの直列共振器および並列共振器の通過特性Ｓ２１を示す図、図１０（ｂ）は、直列共振器および並列共振器のモーショナル腕電流密度を示す図である。
図１０（ａ）に示すように、実施例３の変形例１では、直列共振器Ｓ１～Ｓ４は負の周波数温度係数を有する。直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち直列共振器Ｓ１の周波数温度係数の絶対値は、並列共振器Ｐ１～Ｐ４の周波数温度係数の絶対値および直列共振器Ｓ２～Ｓ４の周波数温度係数の絶対値より小さい。フィルタ１００に大電力の高周波信号を通過させると、フィルタ１００の温度が上昇し、直列共振器Ｓ１の共振周波数ｆｓｒ１´、反共振周波数ｆｓａ１´および周波数ｆｓｏ１´はｆｓｒ１、ｆｓａ１およびｆｓｏ１より低くなる。直列共振器Ｓ１の周波数温度係数の絶対値が比較例３より小さい。このため、ｆｓｒ１´、ｆｓａ１´およびｆｓｏ１´の変化は比較例３の直列共振器Ｓ１より小さい。
図１０（ｂ）に示すように、フィルタ１００に大電力の高周波信号を通過させると、直列共振器Ｓ１のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ１´はｆｈ１より低くなる。直列共振器Ｓ１のモーショナル腕電流密度のピークの周波数ｆｈ１´の変化は比較例３の図８（ｂ）の周波数ｆｈ１´の変化より小さい。これにより、ｆｈ１´が通過帯域Ｐａｓｓ内に移動することを抑制できる。これにより、直列共振器Ｓ１の消費電力が抑制され直列共振器Ｓ１の破壊が抑制される。
直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち直列共振器Ｓ２～Ｓ４は、温度補償膜を設けないまたは温度補償膜が薄いため特性の劣化を抑制できる。
実施例３の変形例１によれば、並列共振器Ｐ１～Ｐ４の全ては負の周波数温度係数を有し、複数の直列共振器Ｓ１～Ｓ４の一部の直列共振器Ｓ２～Ｓ４は負の周波数温度係数を有し、直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち共振周波数が最も低い直列共振器Ｓ１は、周波数温度係数の絶対値が並列共振器Ｐ１～Ｐ４および直列共振器Ｓ２～Ｓ４の周波数温度係数の絶対値より小さい。これにより、実施例３と同様に、耐電力性能を向上できる。また、フィルタの特性劣化を抑制できる。直列共振器Ｓ１が最も共振周波数が低い直列共振器は、直列共振器Ｓ２～Ｓ４のいずれかの直列共振器でもよい。
実施例１から３のように、１または複数の並列共振器Ｐ１～Ｐ４の少なくとも１つの並列共振器は負の周波数温度係数を有し、１または複数の直列共振器Ｓ１～Ｓ４の少なくとも１つの直列共振器は０または正の周波数温度係数を有すればよい。
実施例１から３の変形例１のように、１または複数の並列共振器Ｐ１～Ｐ４のうち少なくとも１つの並列共振器は負の周波数温度係数を有し、１または複数の直列共振器Ｓ１～Ｓ４のうち少なくとも１つの直列共振器は並列共振器Ｐ１～Ｐ４のうち負の周波数温度係数を有する並列共振器の中において周波数温度係数の絶対値が最も小さい並列共振器より絶対値の小さい負の周波数温度係数を有すればよい。
［実施例４］
実施例４は、実施例１から３およびその変形例に用いる弾性波共振器として圧電薄膜共振器を用いる例である。
実施例４は、実施例１から３およびその変形例に用いる弾性波共振器として圧電薄膜共振器を用いる例である。
図１１（ａ）は実施例４における圧電薄膜共振器の平面図、図１１（ｂ）は、共振領域内の温度補償膜の平面図、図１１（ｃ）および図１１（ｄ）は、それぞれ弾性波共振器Ｒ１およびＲ２における図１１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。
図１１（ｃ）の弾性波共振器Ｒ１は、実施例１およびその変形例１における直列共振器Ｓ１～Ｓ４、実施例２、３およびそれらの変形例１における直列共振器Ｓ１に相当する。図１１（ｄ）の弾性波共振器Ｒ２は、実施例１およびその変形例１における並列共振器Ｐ１～Ｐ４、実施例２、３およびそれらの変形例１における直列共振器Ｓ２～Ｓ４に相当する。
図１１（ａ）および図１１（ｃ）を参照し、弾性波共振器Ｒ１について説明する。基板１０および空隙３０上に、下部電極１２が設けられている。基板１０は例えばシリコン（Ｓｉ）基板であり、下部電極１２は例えばルテニウム（Ｒｕ）膜である。下部電極１２上に、圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４は例えばＣ軸方向を主軸とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする。圧電膜１４は下部圧電膜１４ａと下部圧電膜１４ａ上に設けられた上部圧電膜１４ｂとを備えている。
下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に温度補償膜２６が設けられている。温度補償膜２６は例えば酸化シリコン膜である。圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。上部電極１６は例えばルテニウム膜である。積層膜１８は、下部電極１２、圧電膜１４、上部電極１６および温度補償膜を含む。
共振領域５０は、圧電膜１４の少なくとも一部を挟み下部電極１２と上部電極１６が平面視において重なる領域で規定される。下部電極１２と上部電極１６は弾性波を励振する電極である。共振領域５０の平面形状は略楕円形である。共振領域５０は、厚み縦振動モードまたは厚みすべり振動モード等の弾性波が共振する領域である。
図１１（ｂ）に示すように、温度補償膜２６（クロスハッチングの領域）は、共振領域５０内に設けられている。温度補償膜２６は共振領域５０の少なくとも一部に設けられていればよいが、温度補償効果を高めるため、共振領域５０の略全面に設けられていることが好ましく、例えば共振領域５０内の温度補償膜２６の面積は共振領域５０の面積の５０％以上が好ましく、８０％以上がより好ましい。
共振領域５０における、下部圧電膜１４ａ、上部圧電膜１４ｂおよび温度補償膜２６の厚さをそれぞれ、Ｔ１１、Ｔ１２およびＴ２とする。
図１１（ｄ）に示すように、弾性波共振器Ｒ２には温度補償膜２６は設けられてない。その他の構成は弾性波共振器Ｒ１と同じであり、説明を省略する。
基板１０としては、シリコン基板以外に、サファイア基板、スピネル基板、アルミナ基板、石英基板、ガラス基板、セラミック基板またはＧａＡｓ基板等を用いることができる。下部電極１２および上部電極１６としては、Ｒｕ以外にもクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはイリジウム（Ｉｒ）等の単層膜またはこれらの積層膜を用いることができる。
圧電膜１４は、窒化アルミニウム以外にも、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）等を用いることができる。また、例えば、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、共振特性の向上または圧電性の向上のため他の元素を含んでもよい。例えば、添加元素として、Ｓｃ（スカンジウム）、２族元素と４族元素との２つの元素、または２族元素と５族元素との２つの元素を用いることにより、圧電膜１４の圧電性が向上する。このため、圧電薄膜共振器の実効的電気機械結合係数を向上できる。２族元素は、例えばＣａ（カルシウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）またはＺｎ（亜鉛）である。４族元素は、例えばＴｉ、Ｚｒ（ジルコニウム）またはＨｆ（ハフニウム）である。５族元素は、例えばＴａ、Ｎｂ（ニオブ）またはＶ（バナジウム）である。さらに、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、Ｂ（ボロン）を含んでもよい。
温度補償膜２６の弾性率の温度係数の符号は、圧電膜１４の弾性率の温度係数の符号と反対である。これにより、周波数温度係数を０に近づけることができる。温度補償膜２６に用いる酸化シリコン膜は意図的に不純物を含まなくてもよいし、意図的に不純物を含んでもよい。例えば酸化シリコン膜に弗素等の元素を添加することで、温度補償効果をより向上させることができる。
温度補償膜２６は、共振領域５０における積層膜１８内に設けられていればよい。すなわち、温度補償膜２６は、下部電極１２内、下部電極１２と圧電膜１４との間、圧電膜１４内、圧電膜１４と上部電極１６との間および上部電極１６内の少なくとも一部に設けられていればよい。
図１１（ｃ）のように、空隙３０上に共振領域５０の積層膜１８が設けられる構造では、共振領域５０内の積層膜１８で発生した熱が基板１０等に放出しにくい。図１１（ｃ）のように、圧電膜１４の端面をテラス状にすると放熱性が向上する。しかし、圧電膜１４の端面をテラス状としただけでは大幅な放熱性は期待できない。このため、共振領域５０内の積層膜１８の温度が上昇し易い。
２．５ＧＨｚ帯および３．５ＧＨｚ帯のフィルタに用いられる圧電薄膜共振器を作製し、温度補償膜２６の厚さを変え周波数温度係数を測定した。サンプルの作製条件は以下である。
２．５ＧＨｚ帯用圧電薄膜共振器
下部電極１２：厚さが１４５ｎｍのルテニウム膜
圧電膜１４：厚さ（Ｔ１１＋Ｔ１２）が８１０ｎｍの窒化アルミニウム膜
上部電極１６：厚さが１３０ｎｍのルテニウム膜
温度補償膜２６：厚さがＴ２の酸化シリコン膜
３．５ＧＨｚ帯用圧電薄膜共振器
下部電極１２：厚さが１００ｎｍのルテニウム膜
圧電膜１４：厚さ（Ｔ１１＋Ｔ１２）が５２０ｎｍの窒化アルミニウム膜
上部電極１６：厚さが１００ｎｍがルテニウム膜
温度補償膜２６：厚さがＴ２の酸化シリコン膜
２．５ＧＨｚ帯用圧電薄膜共振器
下部電極１２：厚さが１４５ｎｍのルテニウム膜
圧電膜１４：厚さ（Ｔ１１＋Ｔ１２）が８１０ｎｍの窒化アルミニウム膜
上部電極１６：厚さが１３０ｎｍのルテニウム膜
温度補償膜２６：厚さがＴ２の酸化シリコン膜
３．５ＧＨｚ帯用圧電薄膜共振器
下部電極１２：厚さが１００ｎｍのルテニウム膜
圧電膜１４：厚さ（Ｔ１１＋Ｔ１２）が５２０ｎｍの窒化アルミニウム膜
上部電極１６：厚さが１００ｎｍがルテニウム膜
温度補償膜２６：厚さがＴ２の酸化シリコン膜
図１２は、実施例４におけるＴ２／（Ｔ１１＋Ｔ１２）に対する周波数温度係数を示す図である。図１２に示すように、２．５ＧＨｚおよび３．５ＧＨｚ用の圧電薄膜共振器は、いずれも圧電膜１４の合計の厚さに対する温度補償膜２６の厚さ（Ｔ２／（Ｔ１１＋Ｔ１２））が大きくなると、周波数温度係数ＴＣＦが大きくなる。Ｔ２／（Ｔ１１＋Ｔ１２）が約８％において周波数温度係数はほぼ０となる。
実施例１から３では、弾性波共振器Ｒ１においてＴ２／（Ｔ１１＋Ｔ１２）を８％以上とし、例えば１２％以下とする。２．５ＧＨｚ用および３．５ＧＨｚ用の圧電薄膜共振器では例えばＴ２をそれぞれ８０ｎｍおよび６５ｎｍとする。これにより、弾性波共振器Ｒ１の周波数温度係数を正にできる。弾性波共振器Ｒ２では、例えば下部電極１２、圧電膜１４および上部電極１６の厚さおよび材料を上記作製条件と同じとし、温度補償膜２６を設けない。
実施例１の変形例１から実施例３の変形例１では、弾性波共振器Ｒ１のＴ２／（Ｔ１１＋Ｔ１２）を８％より小さくし、例えば５％以上とする。これにより、弾性波共振器Ｒ１の周波数温度係数は負となる。弾性波共振器Ｒ１の周波数温度係数の絶対値は弾性波共振器Ｒ２の周波数温度係数の絶対値より小さくなる。
弾性波共振器Ｒ２のように、温度補償膜２６を備えると、周波数温度係数を０付近の負、０または正とすることができる。しかし、電気機械結合係数が低くなる。これにより、フィルタ１００の帯域幅狭くなる。そこで、弾性波共振器Ｒ２には温度補償膜２６を設けない。これにより、耐電力性能を向上しかつ帯域幅を広くできる。
［実施例４の変形例１］
図１３（ａ）は、実施例４の変形例１における温度補償膜の平面図、図１３（ｂ）は、弾性波共振器Ｒ１の断面図、図１３（ｃ）は、挿入膜の平面図、図１３（ｄ）は、弾性波共振器Ｒ２の断面図である。
図１３（ａ）は、実施例４の変形例１における温度補償膜の平面図、図１３（ｂ）は、弾性波共振器Ｒ１の断面図、図１３（ｃ）は、挿入膜の平面図、図１３（ｄ）は、弾性波共振器Ｒ２の断面図である。
図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、実施例４の変形例１では、弾性波共振器Ｒ１の構造は実施例４と同じであり説明を省略する。
図１３（ｃ）および図１３（ｄ）に示すように、弾性波共振器Ｒ２では、圧電膜１４は下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとを含む。共振領域５０の外周を含み外周に沿った外周領域５２の下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に挿入膜２８が設けられている。挿入膜２８は中央領域５４を囲むように設けられ、中央領域５４には設けられていない。
挿入膜２８は、例えば酸化シリコン膜であり、例えばアルミニウム膜、金膜、銅膜、チタン膜、白金膜、タンタル膜、クロム膜を用いることができる。挿入膜２８により、共振領域５０から共振領域５０の外に弾性波が漏洩することを抑制でき、損失を抑制（Ｑ値を向上）できる。挿入膜２８のヤング率は例えば圧電膜１４のヤング率より小さい。挿入膜２８は下部電極１２と上部電極１６との間に設けられていればよい。すなわち、挿入膜２８は、下部電極１２と圧電膜１４との間、圧電膜１４内および圧電膜１４と上部電極１６との間の少なくとも一部に設けられていればよい。
実施例４の変形例１では、実施例４に加え弾性波共振器Ｒ２の損失を抑制させることができる。
［実施例４の変形例２］
図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、実施例４の変形例２における温度補償膜および挿入膜の平面図、図１４（ｃ）および図１４（ｄ）は、弾性波共振器Ｒ１およびＲ２の断面図である。
図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、実施例４の変形例２における温度補償膜および挿入膜の平面図、図１４（ｃ）および図１４（ｄ）は、弾性波共振器Ｒ１およびＲ２の断面図である。
図１４（ａ）から図１４（ｃ）に示すように、弾性波共振器Ｒ１では、下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に温度補償膜２６および挿入膜２８が設けられている。挿入膜２８の材料および形状は実施例４の変形例１の弾性波共振器Ｒ２と同じである。挿入膜２８を設けることで弾性波共振器Ｒ２のＱ値を向上させることができる。
図１４（ｄ）のように、実施例４の変形例２では、弾性波共振器Ｒ２の構造は実施例４と同じであり説明を省略する。
実施例４の変形例２では、実施例４に加え弾性波共振器Ｒ１の損失を抑制させることができる。
［実施例４の変形例３］
図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、実施例４の変形例３における弾性波共振器Ｒ１およびＲ２の断面図である。
図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、実施例４の変形例３における弾性波共振器Ｒ１およびＲ２の断面図である。
図１５（ａ）に示すように、実施例４の変形例３では、弾性波共振器Ｒ１の構造は実施例４と同じであり説明を省略する。
図１５（ｂ）に示すように、弾性波共振器Ｒ２では、下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に温度補償膜２６が設けられている。弾性波共振器Ｒ２の厚さＴ２´は弾性波共振器Ｒ１の厚さＴ２より薄い。これにより、弾性波共振器Ｒ２の周波数温度係数は弾性波共振器Ｒ１の周波数温度係数より低くなる（負側となる）。
実施例４の変形例３では、弾性波共振器Ｒ２に温度補償膜２６を設けることで、フィルタ１００の周波数温度係数を０に近づけることができる。弾性波共振器Ｒ２の温度補償膜２６の厚さＴ２´がＴ２より薄いことで、弾性波共振器Ｒ２の電気機械結合係数は弾性波共振器Ｒ１より高くできる。よって、フィルタ１００の周波数温度係数を０に近づけ、耐電力性能を向上させ、かつ帯域幅を広くすることができる。
［実施例４の変形例４］
図１６（ａ）および図１６（ｂ）は、実施例４の変形例４における弾性波共振器Ｒ１およびＲ２の断面図である。
図１６（ａ）および図１６（ｂ）は、実施例４の変形例４における弾性波共振器Ｒ１およびＲ２の断面図である。
図１６（ａ）に示すように、実施例４の変形例４では弾性波共振器Ｒ１は実施例４の変形例２と同じ構造であり説明を省略する。
図１６（ｂ）に示すように、実施例４の変形例４では弾性波共振器Ｒ２は実施例４の変形例１と同じ構造であり説明を省略する。
実施例４の変形例４では、弾性波共振器Ｒ１は温度補償膜２６および挿入膜２８を備え、弾性波共振器Ｒ２は温度補償膜２６を備えず挿入膜２８を備える。これにより、実施例４に加え弾性波共振器Ｒ１およびＲ１の損失を抑制させることができる。
［実施例４の変形例５］
図１７（ａ）および図１７（ｂ）は、実施例４の変形例５における弾性波共振器Ｒ１およびＲ２の断面図である。
図１７（ａ）および図１７（ｂ）は、実施例４の変形例５における弾性波共振器Ｒ１およびＲ２の断面図である。
図１７（ａ）に示すように、実施例４の変形例５では弾性波共振器Ｒ１は実施例４の変形例２と同じ構造であり説明を省略する。
図１７（ｂ）に示すように、実施例４の変形例５では実施例４の変形例３の弾性波共振器Ｒ２に挿入膜２８が設けられている。
実施例４の変形例５では、実施例４の変形例３と同様に弾性波共振器Ｒ２の温度補償膜２６の厚さＴ２´は、弾性波共振器Ｒ１の温度補償膜２６の厚さＴ２より小さい。実施例４の変形例４と同様に弾性波共振器Ｒ１およびＲ２はいずれも温度補償膜２６および挿入膜２８を備えている。これにより、実施例４の変形例４に加え弾性波共振器Ｒ１およびＲ１の損失を抑制させることができる。
［実施例４の変形例６］
図１８（ａ）および図１８（ｂ）は、実施例４の変形例６における弾性波共振器Ｒ１およびＲ２の断面図である。
図１８（ａ）および図１８（ｂ）は、実施例４の変形例６における弾性波共振器Ｒ１およびＲ２の断面図である。
図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示すように、実施例４の変形例６の弾性波共振器Ｒ１およびＲ２では、基板１０の上面は略平坦であり、基板１０と下部電極１２との間にドーム状の空隙３０が設けられている。その他の構成は実施例４と同じであり説明を省略する。
実施例４の変形例６のように、実施例４およびその変形例において、空隙３０は基板１０と下部電極１２との間に設けられていてもよい。基板１０の上面に空隙３０となる凹部が設けられ、下部電極１２の下面は略平坦でもよい。
［実施例４の変形例７］
図１９（ａ）および図１９（ｂ）は、実施例４の変形例７における弾性波共振器Ｒ１およびＲ２の断面図である。
図１９（ａ）および図１９（ｂ）は、実施例４の変形例７における弾性波共振器Ｒ１およびＲ２の断面図である。
図１９（ａ）および図１９（ｂ）に示すように、実施例４の変形例７の弾性波共振器Ｒ１およびＲ２では、共振領域５０の下部電極１２下に音響反射膜３１が形成されている。音響反射膜３１は、音響インピーダンスの低い膜３１ａと音響インピーダンスの高い膜３１ｂとが交互に設けられている。膜３１ａおよび３１ｂの膜厚は例えばそれぞれほぼλ／４（λは弾性波の波長）である。膜３１ａと膜３１ｂの積層数は任意に設定できる。音響反射膜３１は、音響特性の異なる少なくとも２種類の層が間隔をあけて積層されていればよい。また、基板１０が音響反射膜３１の音響特性の異なる少なくとも２種類の層のうちの１層であってもよい。例えば、音響反射膜３１は、基板１０中に音響インピーダンスの異なる膜が一層設けられている構成でもよい。その他の構成は、実施例４と同じであり説明を省略する。
実施例４およびその変形例１から６において、空隙３０の代わりに音響反射膜３１を形成してもよい。
実施例４およびその変形例１から６のように、弾性波共振器Ｒ１およびＲ２は、共振領域５０において空隙３０が基板１０と下部電極１２との間に形成されているＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）でもよい。また、実施例４の変形例７のように、弾性波共振器Ｒ１およびＲ２は、共振領域５０において下部電極１２下に圧電膜１４を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜３１を備えるＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）でもよい。共振領域５０を含む音響反射層は、空隙３０または音響反射膜３１を含めばよい。
音響反射層が空隙３０のとき、共振領域５０の積層膜１８において発生した熱は放出されにくい。よって、一部または全部の直列共振器において、モーショナル腕電流密度のピークが通過帯域内に移動し易い。そこで、一部または全部の直列共振器の周波数温度係数を並列共振器の周波数温度係数より正側とすることが好ましい。共振領域５０の平面形状が楕円形状の例を説明したが、共振領域５０の平面形状は、多角形状等任意に選択できる。
実施例４およびその変形例のように、並列共振器Ｐ１～Ｐ４および直列共振器Ｓ１は圧電薄膜共振器である。直列共振器Ｓ１は共振領域５０内に温度補償膜を備える。これにより、直列共振器Ｓ１の周波数温度係数を、０に近い負、０または正とすることができる。
実施例４、その変形例１、２、４、６および７のように、並列共振器Ｐ１～Ｐ４は、共振領域５０内に温度補償膜を備えなくてもよい。
実施例４の変形例３および５のように、並列共振器Ｐ１～Ｐ４は共振領域５０内に温度補償膜２６を備え、直列共振器Ｓ１の共振領域５０内の温度補償膜２６は、並列共振器Ｐ１～Ｐ４の共振領域５０内の温度補償膜２６より厚くてもよい。
［実施例５］
実施例５は、実施例１から４およびその変形例に用いる弾性波共振器として弾性表面波共振器または弾性境界波共振器を用いる例である。
実施例５は、実施例１から４およびその変形例に用いる弾性波共振器として弾性表面波共振器または弾性境界波共振器を用いる例である。
図２０（ａ）は、実施例５における弾性波共振器の平面図、図２０（ｂ）および図２０（ｃ）は、弾性波共振器Ｒ１およびＲ２における図２０（ａ）のＡ－Ａ断面図である。電極指の配列方向をＸ方向、電極指の延伸方向をＹ方向、支持基板および圧電基板の積層方向をＺ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、圧電基板の結晶方位のＸ軸方向およびＹ軸方向とは必ずしも対応しない。圧電基板が回転ＹカットＸ伝搬基板の場合、Ｘ方向は結晶方位のＸ軸方向となる。
図２０（ａ）から図２０（ｃ）に示すように、弾性波共振器Ｒ１およびＲ２では、圧電基板３２上に弾性波共振器４０が設けられている。弾性波共振器４０はＩＤＴ（Inter Digital Transducer）４２および反射器４４を有する。反射器４４はＩＤＴ４２のＸ方向の両側に設けられている。ＩＤＴ４２および反射器４４は、圧電基板３２上の金属膜３３により形成される。
ＩＤＴ４２は、対向する一対の櫛型電極３８を備える。櫛型電極３８は、複数の電極指３６と、複数の電極指３６が接続されたバスバー３７と、を備える。一対の櫛型電極３８の電極指３６が交差する領域が交差領域である。交差領域のＹ方向の長さが開口長である。一対の櫛型電極３８は、交差領域の少なくとも一部において電極指３６がほぼ互い違いとなるように、対向して設けられている。交差領域において複数の電極指３６が励振する弾性波は、主にＸ方向に伝搬する。一対の櫛型電極３８のうち一方の櫛型電極３８の電極指３６のピッチがほぼ弾性波の波長λとなる。反射器４４は、ＩＤＴ４２の電極指３６が励振した弾性波（弾性表面波）を反射する。これにより弾性波はＩＤＴ４２の交差領域内に閉じ込められる。
圧電基板３２上にＩＤＴ４２および反射器４４を覆うように温度補償膜３４が設けられている。温度補償膜３４は例えば酸化シリコン膜である。温度補償膜３４の弾性率の温度係数の符号は圧電基板３２の弾性率の温度係数の符号と反対である。これにより、弾性波共振器Ｒ１およびＲ２の周波数温度係数を小さくできる。
圧電基板３２は、単結晶基板であり、例えばタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）基板またはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板であり、例えば回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板または回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板である。圧電基板３２は、例えばサファイア基板、スピネル基板、シリコン基板またはアルミナ基板等の支持基板上に接合されていてもよい。
金属膜３３は、例えばＡｌ（アルミニウム）またはＣｕ（銅）を主成分とする膜である。電極指３６と圧電基板３２との間にＴｉ（チタン）膜またはＣｒ（クロム）膜等の密着膜が設けられていてもよい。密着膜は電極指３６より薄い。
圧電基板３２を（０°，９０°，０°）のタンタル酸リチウム基板とし、金属膜３３を白金膜とする。このとき、弾性波共振器Ｒ１の金属膜３３の厚さＴ３を０．０５λ（λは弾性境界波の波長）以下とすると周波数温度係数が０または正となる。弾性波共振器Ｒ２の金属膜３３の厚さＴ３´を０．０５λより大きくすると周波数温度係数が負となる。このように、金属膜３３の厚さを変えることで周波数温度係数を変化させることができる。周波数温度係数は、温度補償膜の厚さにより設定することもできる。また、弾性波共振器Ｒ２は温度補償膜を備えてなくてもよい。
実施例５によれば、並列共振器Ｐ１～Ｐ４および直列共振器Ｓ１～Ｓ４は、圧電基板３２と圧電基板３２上に設けられた一対の櫛型電極３８とを備える弾性波共振器であり、直列共振器Ｓ１は一対の櫛型電極３８を覆うように圧電基板３２上に設けられた温度補償膜３４を有する。これにより、直列共振器Ｓ１～Ｓ４および並列共振器Ｐ１～Ｐ４として弾性表面波共振器、弾性境界波共振器またはラム波共振器を用いることができる。
［実施例６］
図２１は、実施例６に係るデュプレクサの回路図である。図２１に示すように、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ６０が接続されている。共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ６２が接続されている。送信フィルタ６０は、送信端子Ｔｘから入力された信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Ａｎｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ６２は、共通端子Ａｎｔから入力された信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。送信フィルタ６０および受信フィルタ６２の少なくとも一方を実施例１から５およびその変形例のフィルタとすることができる。送信フィルタ６０には大電力の高周波信号が印加される。そこで、送信フィルタ６０に実施例１から５およびその変形例のフィルタを用いることが好ましい。
図２１は、実施例６に係るデュプレクサの回路図である。図２１に示すように、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ６０が接続されている。共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ６２が接続されている。送信フィルタ６０は、送信端子Ｔｘから入力された信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Ａｎｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ６２は、共通端子Ａｎｔから入力された信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。送信フィルタ６０および受信フィルタ６２の少なくとも一方を実施例１から５およびその変形例のフィルタとすることができる。送信フィルタ６０には大電力の高周波信号が印加される。そこで、送信フィルタ６０に実施例１から５およびその変形例のフィルタを用いることが好ましい。
マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したがトリプレクサまたはクワッドプレクサでもよい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 基板
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
１８ 積層膜
２６ 温度補償膜
２８ 挿入膜
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
３２ 圧電基板
３３ 金属膜
３４ 温度補償膜
３６ 電極指
３８ 櫛型電極
５０ 共振領域
６０ 送信フィルタ
６２ 受信フィルタ
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
１８ 積層膜
２６ 温度補償膜
２８ 挿入膜
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
３２ 圧電基板
３３ 金属膜
３４ 温度補償膜
３６ 電極指
３８ 櫛型電極
５０ 共振領域
６０ 送信フィルタ
６２ 受信フィルタ
Claims (13)
- 一端が入力端子と出力端子との間を接続する経路に接続され、他端がグランドに接続され、弾性波を励振し、全ての並列共振器が負の周波数温度係数を有する複数の並列共振器と、
前記経路に設けられ、弾性波を励振し、全ての直列共振器が正の周波数温度係数を有する複数の直列共振器と、
を備えるフィルタ。 - 前記複数の直列共振器は１ｐｐｍ／Ｋ以上の周波数温度係数を有する請求項１に記載のフィルタ。
- 一端が入力端子と出力端子との間を接続する経路に接続され、他端がグランドに接続され、弾性波を励振し、全ての並列共振器が負の周波数温度係数を有する複数の並列共振器と、
前記経路に設けられ、弾性波を励振し、全ての直列共振器が負の周波数温度係数を有し、一部の直列共振器のみが前記複数の並列共振器および前記一部の直列共振器以外の残りの直列共振器の全てより絶対値の小さい負の周波数温度係数を有する複数の直列共振器と、
を備えるフィルタ。 - 前記一部の直列共振器は、前記複数の直列共振器のうち前記経路内において最も前記入力端子に近い直列共振器を含む請求項３に記載のフィルタ。
- 前記一部の直列共振器は、前記複数の直列共振器のうち共振周波数が最も低い直列共振器を含む請求項３に記載のフィルタ。
- 前記複数の並列共振器および前記複数の直列共振器は、下部電極と前記下部電極上に設けられた圧電膜と前記圧電膜上に設けられた上部電極とを各々備える圧電薄膜共振器であり、
前記複数の直列共振器は前記圧電膜の少なくとも一部を挟み前記下部電極と前記上部電極とが平面視において重なる共振領域内に弾性率の温度係数の符号が前記圧電膜の弾性率の温度係数の符号と反対の温度補償膜を備える請求項１または２に記載のフィルタ。 - 前記複数の並列共振器および前記複数の直列共振器は、下部電極と前記下部電極上に設けられた圧電膜と前記圧電膜上に設けられた上部電極とを各々備える圧電薄膜共振器であり、
前記一部の直列共振器は前記圧電膜の少なくとも一部を挟み前記下部電極と前記上部電極とが平面視において重なる共振領域内に弾性率の温度係数の符号が前記圧電膜の弾性率の温度係数の符号と反対の温度補償膜を備える請求項３から５のいずれか一項に記載のフィルタ。 - 前記複数の並列共振器は共振領域内に温度補償膜を備えない請求項６または７に記載のフィルタ。
- 前記複数の並列共振器は共振領域内に温度補償膜を備え、
前記複数の直列共振器の共振領域内の温度補償膜は、前記複数の並列共振器の共振領域内の温度補償膜より厚い請求項６に記載のフィルタ。 - 前記複数の並列共振器は共振領域内に温度補償膜を備え、
前記一部の直列共振器の共振領域内の温度補償膜は、前記複数の並列共振器の共振領域内の温度補償膜より厚い請求項７に記載のフィルタ。 - 前記複数の並列共振器および前記複数の直列共振器は、圧電基板と前記圧電基板上に設けられた一対の櫛型電極とを備える弾性波共振器であり、
前記複数の直列共振器は前記一対の櫛型電極を覆うように前記圧電基板上に設けられ、弾性率の温度係数の符号が前記圧電基板の弾性率の温度係数の符号と反対の温度補償膜を備える請求項１または２に記載のフィルタ。 - 前記複数の並列共振器および前記複数の直列共振器は、圧電基板と前記圧電基板上に設けられた一対の櫛型電極とを備える弾性波共振器であり、
前記一部の直列共振器は前記一対の櫛型電極を覆うように前記圧電基板上に設けられ、弾性率の温度係数の符号が前記圧電基板の弾性率の温度係数の符号と反対の温度補償膜を備える請求項３から５のいずれか一項に記載のフィルタ。 - 請求項１から１２のいずれか一項に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。
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