JPS63198410A - 表面横波共振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は表面弾性波装置に関し、特に表面横波共振器に
関するものである。

〔従来技術とその問題点〕

一般に表面弾性波装置には２種類のものがある。

１つは表面音響波（ＳＩＶ）装置とよばれるものである
。ＳＡＷ装置はフィルタ、発振器または共振器として働
らく。もう一つは、表面スキミングバルク−ａνｅ）装
置と呼ばれるものである。

一般に、弾性波は３つの振動モード、すなわち縦（圧縮
）モード、垂直（剪断）モード、水平または横（剪断）
モードに分類される。表面音響波（これはレイリー波と
呼ばれる）では、縦、および垂直（剪断）モードが存在
する０表面スキミングバルク波では水平（剪断）モード
が存在する。

ＳＡ−または５ＳＢＮを用いる装置はたとえば、Ｐ、　
Ｃｒｏ−ｓｓ　ａｎｄ　Ｓ、　Ｅｌｌｉｏｔｔ　’５ｕ
ｒｆａｃｅ−Ａｃｏｕｓｔｆｃ−Ｗａｖｅ　Ｒｅ５ｏ−
ｎａｔｏｒｓ、　’悼Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ
　Ｊｏｕｒｎａｌ、　９（Ｄｅｃｅｍｂｅｒ。

１９８１）およびＴ／　Ｌｕｋａｓｚｅｋ　ａｎｄ＾、
　Ｂａ１ｌａｔｏ、’Ｍｆｃｒｏ−ｗａｖｅ　Ｆｒｅｑ
ｕｅｎｃｙ　５ｏｕｒｃｅｓ　Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ　Ｓ
ｈａｌｌｏｗ　ＢｕｌｋＡｃｏｕｓｔｉｃ　Ｈａｖｅ　
Ｄｅｖｉｃｅｓ、”　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｊｏｕｒｎ
ａｌ、７７（Ｍａｒｃｈ、　１９８５）に開示、図示さ
れている。

第３Ａ図に最もよく示されているように、遅延線１２の
ような従来の表面音響波装置は、入力変換器１８および
出力変換器２０が配置される少なくとも１つの表面を有
する水晶のような圧電基板１４を含む。

基板１４は通常、単結晶水晶やその他の低損失圧電材料
で、約５ＣＩ１１の直径および約５１１ＩＩＩ＋の厚さ
を有する。通常用いられる圧電材料はニオブ化リチウム
である。基板１４の表面は鏡面仕上げされる。各変換器
１８．２０は、一般にインターディジタル変換器（ＩＤ
Ｔ）と呼ばれる複数本の平行金属バー（指）を有する。

一般にアルミニウムで製造されるＩＤＴは従来の半導体
製造技術によって基板１４の表面に被着される。各バー
（指）は、１波長の％、すなわちλ／２　（ここでλ＝
　ｖ　／　ｆ　）だけ隣りの指から離隔している。ここ
で、“ｆ”は励振周波数、“ｖ″は表面波速度、“λ”
は波長である。各指は約５０〜５００ｎｉ＋の厚さを有
している。

周波数ｒの交流電圧を入力（送信）　ＩＤＴに印加し、
隣接指間に電場を発生させる。入力ＩＤＴに直接隣接し
た圧電基板中の電気機械的相互作用によって圧力場が発
生する。この圧力場によって生じた振動波がＩＤＴから
表面波として伝播する。この表面波は第２組の離れた受
信ＩＤＴによて検出できる。表面波の検出は、受信表面
波が受信ＩＤＴの指の間に電場を発生し、検知できる電
圧を発生する逆のプロセスによって実行される。

ＳＡＷ装置が共振器である場合は、ＩＤＴに加えて複数
の反射器を含む。各反射器は変換器のそれに製造できる
。ＵＨＦ領域（３０〜３０００ＭＨ２）用に製造された
ＳＡＷ共振器において、谷溝の幅（溝が用いられるとき
）は０．２〜２０μｍの範囲で変化し、隣接溝は同じ寸
法の幅だけ離れている。

反射器ＩＤＴの動作帯域、すなわち周波数帯域は、溝が
用いられるときはその溝の周期性と深さの双方によって
決定される。表面音響波はそれが基板の縁のような急激
な表面不連続に会うとき一般に反射器および垂直波に分
解するから、金属バー（または溝）の設計は非常に重要
である。ＳＡＷは十分な数の反射器（通常、１０００）
に出会うように、金属バー（溝）は十分に小さく（すな
わちバーについては低い高さ、または溝については浅い
深さ）なければならず、それによって特定の周波数でＳ
ＡＷのコヒーレント反射が発生する。４１１危して、反
射器はそれ程大きく　（すなわちバーについては高くま
たは溝については深く）できない、　　ＳＡＷがその特
定の周波数で反射器アレイを完全に伝播できないからで
ある。

ＳＡＷ装置には利点と欠点がある。最大の利点はそのエ
ネルギを基板１４の表面１６に維持または捕捉する固有
の性質である。第３Ｂ図に最もよく示されているように
、レイリー波エネルギの大部分は、表面１６から測定さ
れた最上の１波長内に存在する。

この現象は、レイリー波の２つのモード、すなわち、縦
および垂直（剪断）モードが相互に相殺するから、基板
１４の母体に回折しない、すなわち表面１６から拡散し
ていかないという事実による。こうして、ＳＡ−は水平
方向に伝播し、そのエネルギを表面近くに維持する。

最大の欠点は、高いＱ（Ｑ値）特性が共振器のような装
置に望まれるとき、製造上の困難さがともなうというこ
とである。Ｑ値は、装置に蓄えられたエネルギと特定の
周波数でのその装置の平均パワー損失の比である。この
値は測定の単位がない、共振器がＩＧＨｚより高い周波
数で用いられる場合は、指に対する所要金属化χは非常
に小さくなって、このような微妙な被着をなす半導体技
術はまだ完成されていない。加えてこのような薄い金属
化による装置損失と、公知の材料から製造された基板内
のＳＡＨの粘性損失とは極端に太き（なる。

第２Ａ図に最もよく示されているように、表面スキミン
グバルク波装置３０も、少なくとも１つの表面３４を有
する圧電基板３２を有する。°入力ＥＤＴ変換器３６お
よび出力ＩＤＴ変換器３８が表面３４上に備えられてい
る。第２Ｂ図に示された５ＳＢＷ装置は遅延線である。

レイリー波を伝播する代りに、変換器３６は横波（剪断
波）（第２Ａ図に最もよく示されるように、基板３２の
表面３４に平行だけでな（、伝播の方向に直交する波）
を発射するだろう。

５ＳＢ−装置の最大の欠点は、基板３２の表面３４に沿
うて伝播しない横（剪断）波の固有の性質にある。

横（剪断）波は表面３４に関して角度をなして伝播する
。このような伝播が妨害されない場合、波は結局のとこ
ろ基板３２の母体に全部回折する。このような伝播特性
を有するから、第２Ｂ図に最もよく示されているように
、波のエネルギは最上の１波長内に維持されない、結局
、出力変換器３８によって検出されたエネルギの量は入
力変換器３６によって送られたものよりずっと小さくな
る。このような回折は、自由基板表面とＩＤＴの間の界
面のような不連続で特にやっかいである、したがって、
変換器間の距離は、５ＳＢ１１４が用いる多（の利用分
野での制約となる。

５ＳＢ−装置の最大の利点は、伝播する表面スキミング
バルク波が高速度で伝播することが可能となる固有の特
性である。この高速特性（これは表面音響波より６０％
も高くなる）は、フィルタおよび遅延線としての利用度
を高める。別のこれまた重要な利点は、低材料減衰（こ
れは一般に“低損失”状態といわれる）の固有特性であ
る。材料減衰は一般に、基板の原子および分子の加熱に
よって失なわれたエネルギ部分として定義される。さら
に、基板の材料減衰は基板の結晶構造にも関係する。

特定の基板がＳＡＷ、　５ＳＢＨのいずれに適している
かどうかは当業者には周知の事実である。したがって、
最適の５ＳＢＩ＋特性を有する基板、たとえばＳＴカッ
ト水晶が材料減衰を最小化することは周知である。

こうして、５ＳＢＷ装置の低損失特性によって５ＳＢＷ
装置内に大きなパワーが存在することが可能となる。

表面スキミングバルク波の行程の深さは、基板の表面に
非常に近接して伝播する表面音響波の深さより深いから
大パワーを５ＳＢＴ１４装置内で用いることができる。

パワーは、基板の母体内の粒子の運動が基板の表面での
粒子運動より大きいという事実に関連する。

ＳＡＷ、　５ＳＢＷ装置の双方における他の形の損失に
は変換、回折損失が含まれる。変換損失（これは一般に
無視できる）はＩＤＴ変換器による、電気エネルギから
振動エネルギへの変換（またはその逆）におけるエネル
ギ損失に関連する０回折損失（これは５ＳＢＷ装置にお
いて非常に重要である）は伝播波の基板母体への回折に
関係する。

（発明の目的〕 従って本発明の目的は、基板表面にエネルギをトラップ
した高速・低損失の表面波共振器により上記の欠点を解
消することである。

〔発明の概要〕

理想の表面弾性波装置はＩＧＨ２以上の周波数で動作可
能でなければならない、また、理想の表面弾性波装置は
また高いＱ特性を有するべきである。

したがって、このような理想の表面弾性波装置は表面音
響波装置、表面スキミングバルク波装置の双方の特性を
有しなければならない、また理想の表面弾性波装置はこ
のようなＳＡＷ、　５ＳＢ−装置の欠点を有してはなら
ない。

特に、理想の表面弾性波装置はＳＡＷ装置に存在する高
Ｑ特性を有する共振器である。たとえば、理想の表面弾
性波装置の伝播波のエネルギは基板表面の近くで維持さ
れる。ＩＧＨｚ以上の周波数で動作できるＳＡＷ共振器
を製造する際の欠点を除くために、５ＳＢ−装置の低損
失、高速度性が理想の表面弾性波装置内に実現される。

たとえば、水晶５ＳＢＩ４装置の横（剪断）波は、波が
水晶の対応するカットに沿って伝播するとき、表面音響
波より約６０％速い。したがって、同じ処理形状につい
て、６０％高い周波数が横（剪断）波が用いられるとき
に得られる。表面音響波の速度は通常、電磁波より５桁
遅い（たとえば３０００ｍ／秒）から、表面弾性波装置
で伝播できる速度を最大にするのが望ましい。

同じ周波数で、横（剪断）波を用いる基板の材料損失も
表面音響波を用いる装置の材料損失よりも低い。こうし
て、本発明の術語、すなわち、表面したがって、本発明
は、少なくとも１つの表面を有する圧電基板を含む表面
横波共振器（前記基板は横波の伝播が可能な結晶構造を
含む）を与える。共振器はまた、基板表面の上に配置さ
れた周期摂動変換セットを含む（この変換セットは外部
源からの電磁エネルギを横波に変換する）。共振器はさ
らに、周期摂動変換セットから離れた基板表面上に配置
された周期摂動受信セットも含む（受信セットは横波を
最終の電磁エネルギへ変換する）、さらに、共振器は基
板表面に隣接した横波を維持するための表面トラップ周
期摂動中央セットを有する。中央セットは変換セットと
受信セットの中間に配置される。さらに、共振器は横波
を反射する少なくとも２セットの反射周期摂動を有し、
各反射周期摂動セットは、中央セットから遠い方に変換
セットおよび受信セットのそれぞれに隣接して配置され
る。

好適実施例では、中央セットの表面トラップ１周期摂動
は、基板表面に直接隣接した横波の１〜３波長内に横波
を維持する品に用いられる。また、周期摂動は細長いバ
一部材で基板表面上に従来の半導体製造技術によって基
板表面上に被着される。

特に、周期摂動の２つの隣接したバーは、約１〜２０μ
の範囲の中心間距離を有する。さらに、各細長バ一部材
は約３０〜３００ｎｍの範囲の一定の高さを有する。別
の実施例では、反射セットの周期摂動は細長溝である。

〔発明の実施例〕

第１図および第４図には、本発明の一実施例の表面横波
共振器５０が示されている。共振器５０は表面５４を有
する圧電基板５２を含む。表面５４上には、送信変換器
（ＩＤＴ）　５０および受信変換器５日が配置されてい
る。共振器５０はまた、変換器５６と変換器５８の間に
配置された中央格子領域６０を含む。共振器５０は、変
換器５６．５８にそれぞれ隣接して配置された一対の格
子領域６２．６４を含む。

特に、好適実施例における基板５２は、回転Ｙ切断水晶
、たとえば３８．４＠回転Ｙ切断水晶である。

さらに、基板５２は約２０ミル（約０．５ｍｍ）の厚さ
を有する。さらに、基板５２の表面は研磨されている。

変換器５６．５８、および格子領域６０．６２．６４の
各々は複数個の平行金属バー（指）からなる。通常アル
ミニウムからできているこれらの指は単一の半導体製造
工程で基板５４上に被着される。また、これらの指は基
板５２の結晶Ｘ軸に平行に整列される。

隣接した指間の中心間距離は約０．４〜４０μＩである
。好適実施例では、中央格子領域６０の２つの隣接した
指の中心間距離は約３．８６μｍで、変換器５６．５８
および外側格子領域６２．６４の各々の隣接した２つの
指の中心間距離は約４．０μｍである。また、各指の高
さは約３０〜３００ｎｍである。指の個々の幅は、当該
周波数（１００ＭＨｚ〜５Ｇｔｌｚの範囲の）について
増減できる。指の幅と当該周波数は反比例の関係にある
。この関係は当業者にとっては周知のことである。たと
えば、上記した周波数について、格子領域６０．６２．
６４の指の幅と、変換器５６．５８０指の幅は０．２ミ
クロン〜２０ミクロンの範囲で変化できる。好適実施例
においては、中央領域６０には約３２本の指、各外部領
域６２．６４の各々には約７００〜８００本の指が存在
する。

動作時、変換器５６の指の間に電場が生成されるように
交流電圧が送信変換器５６に供給される。次に変換器５
６の直下の圧電基板５２内の電気機械的作用によって圧
力場が発生する。水晶基板の特定の結晶構造のために、
この圧力場は横振動波を含む。

横振動波はまた、横または水平（剪断）波、表面スキミ
ングバルク波またはシャローバルク音響波と呼ばれる。

横ｙ波は受信変換器５８に向かうて伝播する。これらの
振動波は変換器５８の指の間に電場を生成し、測定可能
な電圧を発生する。

横波は、第２Ｂ図に最もよく示されているように、それ
が送信変換器５６から受信変換器５８へ伝播するときに
、基板５２の母体に回折する固有の特性を有する。伝播
横波を最大化または“トラップ”するために、中央格子
領域６０が備えられる。中央領域６０の指は、基板５２
の表面５４の直下で横波を最上の１から３波長に維持す
るのに用いられる。第５図に最もよく示されているよう
に、伝播横波を最上の１〜３波長内にトラップするとき
は、伝播波のエネルギは回折されず、受信変換器５８に
よって検出されるエネルギの量は最大化される。

横（剪断）波を第１基板の表面にトラップすることは、
剪断速度が第１基板のそれより小さい案内層が存在する
ことによって達成される。この案内層は第１基板表面の
直上に配置される。このようなトラップされた剪断波は
一般にラブ（Ｌｏｖｅ）モードと呼ばれる。　（Ｍａｔ
ｔｈｅｗｓによる“５ｕｒｆａｃｅＷａｖｅ　Ｆｉｌｔ
ｅｒｓ”のｐ、ｐ、３３〜３８　（１９７７）参照）０
本発明においては、変換器５６．５８および領域６０．
６２．６４のアルミニウム指は、基板５２内を伝播して
いる横波を減速することによってこのようなラブモード
を発生し、それによって横波を基板５２の表面５４に直
接隣接する領域にトラップする。このようなラブモード
の浸透の深さはアルミニウム指の高さの関数である。ま
た、アルミニウム指の高さは横波への圧電結合の強さに
も影響する。こうして、各型式の装置に対して、装置の
Ｑ値を最大にし、装置挿入（変換）損失を最小にする特
定の金属指軍が存在する。

外側領域６２．６４の金属指については、それらは主に
、横波を共振周波数で基板５２の中心にコヒーレントに
反射するのに用いられる。伝播波を反射するのに指また
は他の摂動を用いることは技術的に周知である（たとえ
ば、前記“５ｕｒｆａｃｅ−＾ｃｏｕｓ−ｔｉｃ−Ｗａ
ｖｅ　Ｒｅ５ｏｎａｔｏｒｓ”参照）、外側領域６２お
よび６４の金属指は表面トラッピング効果にも影響する
。

また、中央領域６０の金属指は無視できる程小さい反射
特性を有している。同様に、変換器５６．５８の指はま
た変換の主機能に加えてトラッピング、反射両方のため
に用いられる。

表面音響装置と表面スキミングバルク波装置の双方の属
性を利用すると、装置５０の共振周波数は同様の金属形
状を有する従来のＳＡ−装置のそれより高くなる。次に
、装置５０は従来のＳＡ−装置に比較して高いＱ値を持
つことができる。また、装置５０は、大きなパワー（こ
れは横波の伝播路の増大した深さによる）で動作可能で
、それによって所定レベルの循環パワーに対して低いパ
ワー密度でよい、増大したパワー現象は金属バー内の粒
子運動（これまた横（剪断）方向にある）の結果のこと
もある。金属バーおよび基板が同じ方向に振動する場合
は、金属バーはストレスによる損傷を受けにくい、また
、装置１２の金属擾乱が少なくなる。

すなわち表面での原子運動が小さくなり、装置の劣化が
遅らされる。また、装置５０は従来のＳＡＷ装置に比べ
ＧＨｚ帯での安定度がより優れる。

第６図には、共振器５０の別の実施例の横断面図が示さ
れている。この横波共振器は好適実施例の共振器５０に
偵ているから、この共振器の対応要素は数字“１”を加
えて指示される（たとえば、基板は１５２で表わされる
）、共振器１５０では、中央格子領域１６０と同様、変
換器１５６．１５８は従来の半導体製造法によって被着
される金属指からなる。

しかし、格子領域１６２．１６４は金属指の代りに溝を
有する。領域１６２．１６４の溝は従来の半導体製造法
によってエッチされる。溝のある形状をもつと、共振器
１５０は共振器１５０よりずっと高いＱ値をもつことに
なる（溝は入射波のほとんど１００％を反射するから）
。

その他に種々の修正がなしうることは当業者に明らかで
あろう。たとえば、共振器５０．１５０の両方とも、２
ボート装置すなわち２つの変換器を示す。単一ボートま
たは多ポート装置は、単一ボート装置に対して単一変換
器または、“ｎボート装置”に対して“ｎ′個の変換器
を備えることによって製造できる。単一ボート装置は第
７図に示されている。共振器５０の要素に対応ず要素は
数字”２”を付加することによって指示される。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によれば、表面音響波装置
と表面スキミングバルク波装置の双方の特徴が得られる
から、高いＱ値と高い動作周波数が得られる。さらに、
波の伝播路が太（なるので伝播パワーも増加できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の表面横波共振器の簡単化し
た透視図、第２Ａ図は従来技術の表面スキミングバルク
波装置の簡単化した透視図、第２Ｂ図は第２Ａ図の装置
の簡単化した波形図、第３Ａ図は従来技術の表面音響波
装置の簡単化した透視図、第３Ｂ図は第ＺＡ図の装置の
簡単化した波形図、第４図は第１図の共振器の簡単化し
た断面図、第５図は第１、第４図の共振器の簡単化した
波形図、第６図は第１図の共振器の別の実施例の単純化
した断面図、第７図は本発明のさらに他の実施例の簡単
化した透視図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、横波を伝播させる結晶構造を有し、少くとも１つの
   表面を有する圧電基板と、 外部電源から入力した電磁エネルギーを前記横波に変換
   するために前記表面上に配置された少くとも１セットの
   変換周期摂動と、 前記横波を反射しかつ前記横波を前記表面に隣接して維
   持するための少くとも１セットの表面トラッピング及び
   反射周期摂動とから成る表面横波共振器。 ２、前記表面トラッピング及び反射周期摂動が、前記横
   波を実質的に前記表面直下で前記横波の１〜３波長以内
   に維持するようにした第１項記載の表面横波共振器。 ３、横波を伝播させる結晶構造を有し、少くとも１つの
   表面を有する圧電基板と、 外部電源から入力した電磁エネルギーを前記横波に変換
   するために前記表面上に配置された周期摂動から成る変
   換セットと、 前記横波を電磁エネルギーに変換するために、前記表面
   上の前記変換セットから離れた位置に設けられた周期摂
   動から成る受信セットと、前記変換セットと前記受信セ
   ットの間の前記表面上に配置され、前記横波を前記表面
   に隣接して維持するための表面トラッピング周期摂動か
   ら成る中央セットと、 前記変換セットと受信セットの各々に対して、前記中央
   セットから遠い方の前記表面上に設けられ、前記横波を
   反射するための少くとも２セットの反射周期摂動とから
   成る表面横波共振器。 ４、前記中央セットが前記横波を実質的に前記表面直下
   で前記横波の１〜３波長以内に維持するようにした第３
   項記載の表面横波共振器。