JPS6141449B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、弾性表面波を利用した信号処理装置
に関するものである。

従来、弾性表面装置用基板材料としては、
LiNbO₃，Bi₁₂GeO₂₀，LiTaO₃，水晶等の圧電単
結晶、PZT系圧電セラミツクス、ZnO，AlN等の
圧電薄膜が用いられている。これらの中で、水晶
電気機械結合係数が小さいという欠点があるもの
の、温度安定性に優れるため特に高周波狭帯域素
子用として有用な材料になつている。（例えば、
いわゆるSTカツトと呼ばれる42３／４°回転Ｙ板では Ｘ軸方向に伝播する弾性表面波の遅延時間温度係
数は零となる）。しかし、最近では弾性表面波を
用いた高周波（300MHz〜1GHz）広帯域（比帯域
〓10％）素子のニーズが増えてきており、この号
目的のために基板材料としてLiTaO₃が注目され
ている。LiTaO₃は、電気機械結合係数がSTカツ
ト水晶の約７倍大きいため、比較的素子の比帯域
を広くとることができ、かつＸカツトの結晶でＹ
軸からの角度が100゜〜150゜の方向に伝播する弾
性表面波の遅延時間温度係数が20〜30ppm／℃
と比較的小さいとが知られている。

ところが、他の材料についても云えることであ
るが、LiTaO₃を高周波で用いる場合、弾性表面
波の励振、受信するために基板表面に設けたいわ
ゆるすだれ状電極の質量負荷効果が無視できなく
なる。質量負荷効果とは、電極による電気的な短
絡効果以外に、電極膜の存在そのものによつて、
弾性表面波の伝播速度が変化を受けるとができ
る。すなわち、高周波では弾性表面波のエネルギ
ーが極端に基板表面付近に集中している（例えば
約1GHzでは基板表面から約４μｍ以内に集中）
ため、膜を表面にのせることにより伝播特性が大
きな影響を受ける。この質量負荷効果による弾性
表面波の伝播速度の変化は、電極材料およびその
膜厚に依存するのみならず、周波数にも依存す
る。すなわち、伝播速度に周波数分散が生ずるこ
とになり、特に広帯域素子においては大きな障害
を生ずる。しかし、これまでLiTaO₃を基板に用
いた場合に、上記周波数分散性が小さくなるよう
な電極材料および膜厚に関しては知られていな
い。

本発明は、前記従来技術の難点を解消し、弾性
表面波の遅延時間温度係数が低く且つその伝播速
度の周波数分散が小さい弾性表面波装置の提供を
目的とするものである。

前記目的を達成するため、本発明による弾性表
面波装置は、実質的にＸカツトのタンタル酸リチ
ウム（LiTaO₃）を基板とし、弾性表面波を該基板
表面上においてＹ軸に対して100゜から150゜の間
に所定の角度θの方向に進行させるように電極を
構成し、Al膜を電極とし、且つ該Al膜の膜厚ｈ
と該弾性表面波ｋとの積hkの値を0.01〜0.2もし
くは0.8〜1.9の範囲にしたものである。

積hkの値は、図面第２図の点１，２，３およ
び４を結ぶ線により囲まれた領域１６もしくは点
７，８，９および１０を結ぶ線により囲まれた領
域１７にあり且つ前記角度θに対応する値である
ことが望ましい。また、積hkの値が図面第２図
の点５および６を結ぶ曲線１８上もしくは点１１
および８を結ぶ曲線１９上にあり前記角度θに対
応する値であるときに最も良好な結果が得られ
る。積hkの値が上記範囲外になると弾性表面波
の伝播速度の周波数分散が大きくなり、周波数が
10％変化したときの伝播速度変動幅が３ｍ／ｓを
越えるようになり、好ましくない。また、積hk
が0.01以下であると、高周波ではAl膜を極めて薄
くしなければならず実用的でない。なお、波数ｋ
はλを弾性表面波の波長とするとき、ｋ＝２π／
λにより示される。

Ｘカツトのタンタル酸リチウムにおいて、弾性
表面波の進行方向がＹ軸に対して100゜から150゜
の間にあるように電極を構成したのは、周知のよ
うにこのように構成することにより弾性表面波の
遅延時間温度係数が低い弾性表面波装置を得るこ
とができるからである。

電極膜を構成するAlは純粋のものでもよいこ
とは勿論であるが、不純物あるいは若干量の合金
元素を含有していても差支えない。

本発明の前記構成は、基板に温度特性が有好な
Ｘカツトタンタル酸リチウム（LiTaO₃）を用いた
場合、電極材料にAlを用い、その膜厚を適当に
選ぶことにより弾性表面波の伝播速度の周波数分
散を極めて小さくできるという本願発明者の新規
なる発見に基づくものである。

第１図は、ＸカツトLTaO₃基板において、表
面にAl膜を設けた場合に、Ｙ軸から角度112゜の
方向に伝播する（このとき遅延時間温度係数は極
小値をとる）弾性表面波の伝播速度のAl膜厚依
存性を計算した結果である。横軸はAlの膜厚ｈ
と弾性表面波の波数ｋの積hkで表わしてある。
弾性表面波の伝播速度v₀はhkに大きく依存する
が、hk＝0.06，1.3付近でそれぞれ極小、極大値
を示す。すなわち、この二点でｄｖ_０／ｄ（ｈｋ）＝０
となり 速度の分散は零になることがわかる。これは、例
えば波数k₀（＝２π／λ_０，λ_０：弾性表面波の中心波 長）を中心とした弾性表面波装置を考える場合、
Alの膜厚ｈを0.06／h₀、あるいは1.3／h₀付近に
選ぶことにより、伝播速度の周波数分散性を極め
て小さくできることを示している。電極材料とし
て、他にBe，Cr，Ni，Auについても検討した
が、このような特を示すのはAlだけであつた。

ＸカツトLiTaO₃において、良好な温度特性を
示すのは、前述のように伝播方向がＹ軸から角度
100゜〜150゜の範囲にある場合である。この範囲
内の伝播方向につき、角度θと、ｄｖ_０／ｄ（ｈｋ）＝
０とな るhkの値すなわち、伝播速度の周波数分散が零
となるhkの値との関係を第２図において実線１
８で示した。このように、伝播方向のの変化に対
応してhkの値を、0.01〜0.007あるいは、0.98〜
1.63の範囲で適当に選ぶことにより速度の周波数
分散を零にすることができる。

これまで、ｄｖ_０／ｄ（ｈｋ）＝０となるhkの値につ
いての み述べてきたが、通常の弾性表面波素子において
伝播速度の変動巾が±0.1％以内であれば無視す
ることができる。例えば、比較域10％の素子を考
えると、周波数あるいは波数ｋが10％変化したと
きに伝播速度の変動巾がほぼ±３ｍ／ｓ以内に入
つていれば実用上差しつかえない。このことは
hk｜ｄｖ_０／ｄ（ｈｋ）｜30ｍ／ｓであれば良いこと
を示し ている。第２図では、この条件を満たすhkの範
囲を、斜線の領域１６および１７で示してある。
領域１６は点１，２，３および４を順次結ぶ線に
より囲まれた領域であり、領域１７は点７，８，
９および１０を順次結ぶ線により囲まれた領域で
ある。このように、伝播方向の変化に対応して
Alの膜厚と弾性表面波の波数の積を0.01〜0.2あ
るいは0.8〜1.9の範囲で第２図に従つて適当に選
ぶことにより、速度の分散性を実用上問題ない程
度に小さくすることができる。狭帯域の素子で
は、実用的なhkの範囲をさらに広げることがで
きるが、ここでは比帯域が10％以上の素子を考え
ているので第２図の斜線の領域１６，１７が実用
的な領域になつている。

さらに、温度特性はあまり良好ではないがＹカ
ツトのLiTaO₃についても、Al電極で同様な特性
を見出している。例えば、Ｚ方向に伝播する弾性
面波に関しては、hk＝0.10および1.65でｄｖ_０／ｄ（ｈ
ｋ）＝ ０となる。またhk｜ｄｖ_０／ｄ（ｈｋ）｜30ｍ／ｓと
なるhk の範囲は0.01〜0.23，140〜1.92であつた。

以上、本発明による弾性表面波装置は弾性表面
波伝播速度の周波数分散が極めて低いという有利
な効果のあることを示したが、上記のように構成
した本発明による弾性表面波装置はAlからなる
電極の膜厚ｈのばらつきによる伝播速度の変動も
極めて低くすることができることは明らかであ
り、これも製造技術上有利な効果である。

以下、本発明を実施例を参照して詳細に説明す
る。

高周波広帯域素子として、帯域内にくし型の通
過特性をもつフイルタを作成した。基板２１には
ＸカツトLiTaO₃を用い、表面に通常のホトリソ
グラフイにより、第３図に示したようなすだれ状
極２３，２４，２５を形成した。弾性表面波２２
はＹ軸から角度112゜の方向に伝播するようにし
てある。すだれ状電極２３，２４，２５は、周期
５μｍ、交叉巾１mm、対数８対である。すだれ状
極２３と２４の中心間の距離は３mm、２４と２５
の中心間の距離ｘは1.7mmである。このような素
子は、電極２３で弾性表面波を励振し、電極２４
および２５で同時に受信した場合に、帯域内に多
くのくし型の通過特性をもついわゆるくし型フイ
ルタとなる。このとき、くし型のピークの周波数
間隔Δｆは で表わされる。ここで、ｘ；電極２４と２５の間
の距離、Ｎ；電極の対数、Ｌ；電極の周期、ｖ
_f；電極のない場所での弾性表面波の伝播速度、
ｖ_pff電極下での実効的な弾性表面波の伝播速度
である。この実施例ではｘ＝1.7mm，Ｎ＝８，Ｌ
＝５μｍ，ｖ_fｖ_pff＝3300m／ｓであるから、
Δｆは約2MHzである。このようなくし型フイル
タでは、帯域内にわたつて、Δｆが一定であるこ
とが要求される（例えば、これを周波数シンセサ
イザとして用いる場合この要求は非常に厳しくな
る）。

第４図は、電極材料をAlとしたときのくし型
フイルタの特性であり、第４図１）は膜厚ｈを
0.05μｍ、第４図２）は0.48μｍ、第４図３）は
1.1μｍとした場合である。膜厚ｈが0.48μｍの
場合（第４図２））には、帯域内で高周波側に近
づくとΔｆが順次大きい方にずれていて好ましく
ない。これは、本実施例の素子の中心波数k₀（＝
２π／Ｌ）と膜厚ｈの積hk₀が約0.6となつており、第 １図に示したように伝播速度v₀の分散性が大きく
なつているためである。すなわち、電極下での実
効的な伝播速度ｖ_pffが大きな周波数分散を示
し、高周波側に向かつて伝播速度が大きくなるた
め、(1)式で表わされるΔｆが高周波側で大きい方
にずれるのである。一方、Alの膜厚ｈが0.05μ
ｍ，1.1μｍのとき（第４図１）および第４図
３））は、帯域内でΔｆはほぼ一定となつて好ま
しい結果が得られている。これは、hk₀がそれぞ
れ約0.06、約1.4となつており、第１図に示した
ようにv₀の分散性が非常に小さくなつている（し
たがつてｖ_pffの分散性が小さい）ためである。

なお、第４図において、横軸は周波数ｆ（Ｍ
Hz）、縦軸は挿入損失（dB）である。第４図にお
いてΔｆ_L，Δｆ_M，Δｆ_Hはそれぞれ低周波側、
中心周波数付近、および高周波側における周波数
間隔である。

このように、実験結果は計算結果と良く一致し
ており、ＸカツトLiTaO₃における他の伝播方向
に関しても、第２図に示したhk₀の範囲で分散性
の小さい、良好な特性をもつ素子ができることは
明らかである。

以上説明したように、Ｘカツトのタンタル酸リ
チウム（LiTaO₃）を基板とし、Ｙ軸から所定の度
θ（但しθは100゜〜150゜とする）の方向に伝播
する弾性表面波を利用した弾性表面波装置におい
て、電極としてAl膜を用い、かつその膜厚ｈと
弾性表面波の波数ｋの積hkを弾性表面波の伝播
方向の変化に対応して、0.01〜0.2あるいは0.8〜
1.9の範囲にすることにより、良好な特を示す高
周波広帯域装置が得られることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図はＸカツトのタンタル酸リチウムからな
る基板において、Ｙ軸に対して112゜の方向に伝
播する弾性表面波の伝播速度v₀と、hk（Al電極
膜の厚さｈと弾性表面波の波数ｋとの積）との関
係を示すグラフ、第２図はＸカツトのタンタル酸
リチウムからなる基板表面上における弾性表面伝
播撰速度の周波数が小さいhkの値を弾性表面波
の進行方向との関連において示したグラフ、第３
図は本発明による弾性表面波装置の一実施例の構
造を示す説明図、第４図１）と第４図３）は本発
明による弾性表面波数装置の実施例におけるくし
型フイルタの特性を示すグラフ、第４図２）は従
来技術によるくし型フイルタの特性を示すグラフ
である。各図において、１６および１７は実用的
なhkの範囲、１８および１９は伝播速度の周波
数分散が零になるhkの値、２１は基板、２３，
２４および２５はすだれ状電極である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ Ｘカツトのタンタル酸リチウムを基板とし、
   該基板表面上においてＹ軸に対して100゜から150
   ゜の間の所定の角度θの方向に伝播する弾性表面
   波を利用した弾性表面波装置において、電極が
   Alからなり、且つ該Al膜の膜厚ｈと該弾性表面
   波の波数ｋの値との積hkの値が0.1〜0.2もしくは
   0.8〜1.9の範囲にあることを特徴とする弾性表面
   波装置。