JPWO2005036743A1 - 弾性境界波装置 - Google Patents

Abstract

良好な共振特性やフィルタ特性を得ることができ、かつ挿入損失を低減することができる弾性境界波装置を提供する。 第１の媒質層としてのＬｉＮｂＯ３基板２と、第２の媒質層としてのＳｉＯ２膜３との境界に、インターデジタル電極４及び／または反射器５，６が配置されている弾性境界波装置において、インターデジタル電極４及び／または反射器５，６のデューティ比をｄとしたときに、０．５４＜ｄ＜０．８９とされている、弾性境界波装置。

Description

本発明は、音速の異なる第１，第２の媒質層間の境界を伝搬する弾性境界波を利用した弾性境界波装置に関し、より詳細には、電極構造が改良された弾性境界波装置に関する。

レーリー波や第１漏洩波などの弾性表面波を利用した弾性表面波装置では、小型化及び軽量化を進めることができ、かつ調整が不要である。

従って、弾性表面波装置は、携帯電話用ＲＦフィルタもしくはＩＦフィルタ、ＶＣＯ用共振子またはテレビ用ＶＩＦフィルタなどに広く用いられている。

もっとも、弾性表面波は、媒質表面を伝搬する性質を有するため、媒質の表面状態の変化に敏感である。従って、弾性表面波が伝搬するチップでは、弾性表面波が伝搬するチップ表面を保護しなければならない。そのため、弾性表面波チップのチップ表面が空洞に臨むように、空洞が設けられたパッケージを用いて、弾性表面波装置を気密封止する必要があった。このようなパッケージは一般にコストが高くつき、かつパッケージの寸法が弾性表面波チップの寸法よりも大幅に大きくならざるを得なかった。

上記のような空洞を有するパッケージを不要とするデバイスとして、弾性境界波装置が提案されている。

図６は、従来の弾性境界波装置の一例を示す模式的部分切欠正面断面図である。弾性境界波装置１０１では、音速が異なる第１，第２の媒質層１０２，１０３が積層されている。第１，第２の媒質層１０２，１０３の境界Ａに、電気音響変換器としてのＩＤＴ１０４が配置されている。またＩＤＴ１０４の弾性境界波伝搬方向両側には、反射器（図示せず）が配置されている。

弾性境界波装置１０１では、ＩＤＴ１０４に入力信号を印加することにより、弾性境界波が励振される。弾性境界波は、図６の矢印Ｂで模式的に示すように、弾性境界波装置１０１の境界Ａ付近にエネルギーを集中させて伝搬する。

下記の非特許文献１には、このような弾性境界波装置の一例が示されている。ここでは、１２６°回転Ｙ板Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板上にＩＤＴが形成されており、さらにＩＤＴを覆うようにＬｉＴａＯ_３基板上にＳｉＯ_２膜が所定の厚みに形成されている。この構造では、ストンリー波と称されているＳＶ＋Ｐ型の弾性境界波が伝搬することが示されている。非特許文献１では、ＳｉＯ_２膜の厚みを１．０λ（但し、λは弾性境界波の波長）とした場合に、２％の電気機械結合係数が得られるとされている。

他方、下記の特許文献１には、１２６°回転Ｙ板Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板上にＡｌからなるＩＤＴを構成してなる構造を有する弾性境界波装置が開示されている。ここでは、インターデジタル電極の電極指の膜厚をＨ、電極指の幅をし、電極指間の間隔をＳとした場合、Ｌ＝Ｓ＝１μｍとされている。そして、上記ＩＤＴ上に、第２の媒質を構成する多結晶酸化珪素膜が形成されている。ここでは、インターデジタル電極のデューティ比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）は０．５とされている。
ＷＯ９８−５２２７９号公報 「Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｗａｖｅｓ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ Ａｌｏｎｇ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｂｅｔｗｅｅｎ ＳｉＯ２ ａｎｄ ＬｉＴａＯ３」ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｓｏｎｉｃｓ ａｎｄ ｕｌｔｒａｓｏｎ．，ＶＯＬ．ＳＵ−２５，Ｎｏ．６，１９７８ＩＥＥＥ

弾性境界波装置においても、弾性表面波装置と同様に、低損失であることが強く求められている。しかしながら、従来の弾性境界波装置では、この要求を十分に満たすことはできなかった。

本発明の目的は、従来技術の現状に鑑み、良好な共振特性やフィルタ特性を有し、かつ低損失である弾性境界波装置を提供することにある。

本発明は、第１の媒質層と、第２の媒質層と、第１，第２の媒質層間の境界に配置されたインターデジタル電極及び／または反射器とを備えた弾性境界波装置において、前記インターデジタル電極及び／または反射器のデューティ比をｄとしたときに、０．５４＜ｄ＜０．８９とされていることを特徴とする、弾性境界波装置である。

本発明に係る弾性境界波装置のある特定の局面では、上記第１の媒質層がＬｉＮｂＯ_３を主成分とする基板を用いて構成されている。

本発明に係る弾性境界波装置の他の特定の局面では、上記第２の媒質層が、ＳｉＯ_２を主成分とする誘電体を用いて構成されている。

本発明に係る弾性境界波装置では、インターデジタル電極及び／または反射器のデューティ比ｄが、０．５４より大きく０．８９未満とされている。そのため、後述の具体的な実験例から明らかなように、挿入損失の低減を図ることができる。

すなわち、本発明は、弾性境界波装置において、デューティ比を上記特定の範囲としたことにより、弾性境界波装置における損失の低減を果たしたことに特徴を有する。

図１は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の電極構造を示す模式的平面図である。 図２は、図１に示した弾性境界波装置の要部を示す表面断面図である。 図３は、弾性境界波装置のインターデジタル電極及び反射器のデューティ比を変化させた場合のインピーダンスの変化を示す図である。 図４は、図１に示した弾性境界波装置を複数用いて構成された４段π型のラダー型フィルタの回路構成を示す図である。 図５は、４段π型のラダー型フィルタにおける弾性境界波装置の電極指のデューティ比と、最小挿入損失との関係を示す図である。 図６は、従来の弾性境界波装置を説明するための模式的部分切欠正面断面図である。

符号の説明

１…弾性境界波装置
２…ＬｉＮｂＯ_３基板（第１の媒質層）
３…ＳｉＯ_２膜（第２の媒質層）
４…インターデジタル電極
５，６…反射器
１１…入力ポート
１２…出力ポート

以下、本発明の具体的な実施形態につき図面を参照しつつ説明することにより、本発明を明らかにする。

図１は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の電極構造を示す模式的断面図である。

弾性境界波装置１では、第１の媒質層として、矩形板状のＬｉＮｂＯ_３基板２が用いられている。ここでは、ＬｉＮｂＯ_３基板２は、１５°回転Ｙ板Ｘ伝搬のＬｉＮｂＯ_３基板を用いて構成されている。もっとも、本発明においては、他の回転角の回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＮｂＯ_３基板を用いてもよい。

ＬｉＮｂＯ_３基板２上には、図２に模式的断面図で示すように、第２の媒質層として、ＳｉＯ_２膜３が積層されている。なお、図１では、ＳｉＯ_２膜の図示は省略されて、ＳｉＯ_２膜３とＬｉＮｂＯ_３基板２との境界に配置された電極構造が示されている。すなわち、、ＬｉＮｂＯ_３基板２上には、インターデジタル電極４と、反射器５，６とが形成されている。インターデジタル電極４は、複数本の互いに間挿し合う電極指４ａ，４ｂを有する。ここでは、インターデジタル電極４は、交差幅が図示のように表面波伝搬方向において変化するように、交差幅重み付けされている。

なお、インターデジタル電極４が上記のように交差幅重み付けされているのは、横モードスプリアスを抑圧するためである。

また、インターデジタル電極４の表面波伝搬方向両側に、グレーティング反射器５，６が配置されている。反射器５，６は、複数本の電極指５ａ，６ａを両端で短絡した構造を有する。

本実施形態では、インターデジタル電極４及び反射器５，６のデューティ比が、０．５４より大きく、０．８９より小さくされているため、挿入損失の低減及び製造に際しての周波数ばらつきの低減が図られる。これを具体的な実験例に基づき説明する。本発明でのデューティ比とは、左右に隣接した電極指間のスペースの電極指中心間距離をＰ、電極指の幅をＬとしたときに、デューティ比＝Ｌ／Ｐで決定される値である。

インターデジタル電極４及び反射器５，６を、以下の薄膜形成法により形成した。すなわち、ＬｉＮｂＯ_３基板２上に、下地層として、蒸着法により厚さ０．００１λのＮｉＣｒ膜を形成した。なお、λは、上記インターデジタル電極４の電極指周期で規定される表面波の配置を示す。

上記ＮｉＣｒ膜上に、同じく蒸着法により厚さ０．４λのＡｕ膜を形成した。しかる後、リフトオフ法によりパターニングを行いインターデジタル電極４及び反射器５，６を形成した。

インターデジタル電極４における波長λは、３μｍとした。また、インターデジタル電極４における電極指の対数は５０対、反射器の電極指の本数は５０本、反射器における開口長Ａは３０λとした。

上記インターデジタル電極４及び反射器５，６を形成した後、ＳｉＯ_２膜３をＲＦマグネトロンスパッタ法により成膜した。成膜に際しての温度は２００±５０℃の範囲とし、ＳｉＯ_２膜の厚みは１．５λとした。

このようにして構成された弾性境界波装置１では、ＳＨ型の弾性境界波が励振され、かつ反射器５，６間で閉じ込められ、ＳＨ型の弾性境界波による共振特性を得ることができる。

上記弾性境界波装置１において、インターデジタル電極４におけるデューティ比を種々異ならせ、複数種の弾性境界波装置を作製した。このようにして得られ複数種の弾性境界波装置における上記デューティ比と、インピーダンス比との関係を求めた。結果を図３に示す。なお、インピーダンス比とは、共振特性における、反共振周波数におけるインピーダンスＺａと共振周波数におけるインピーダンスＺｒの比であり、２０・ｌｏｇ_１０｜Ｚａ／Ｚｒ｜［ｄＢ］である。インピーダンス比が大きい程特性は良好となる。

図３から明らかなように、デューティ比が０．５では、インピーダンス比は５７．７ｄＢであった。これに対して、デューティ比が０．５３〜０．８９の範囲では、インピーダンス比は５７．７ｄＢより大きくなることがわかる。すなわち、デューティ比を０．５３〜０．８９の範囲とすることにより、従来の弾性境界波装置よりも優れた共振特性の得られることがわかる。また、デューティ比が０．６９において、インピーダンス比は６２ｄＢと最良となることがわかる。

次に、図１に示した弾性境界波装置１を用い、４段π型ラダー型フィルタを構成した。すなわち、図４に回路図で示すように、入力ポート１１と出力ポート１２との間において、直列腕に直列腕共振子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を接続した。そして、直列腕共振子Ｓ１の直列腕共振子Ｓ２と接続されていない側の接続点とアース電位との間に、並列腕共振子Ｐ１を接続した。また、直列腕共振子Ｓ２と直列腕共振子Ｓ３との間の２つの接続点とアース電位との間に、それぞれ、並列腕共振子Ｐ２，Ｐ３を接続した。また、直列腕共振子Ｓ４の直列腕共振子Ｓ３と接続されていない側の接続点とアース電位との間に、それぞれ、並列腕共振子Ｐ４を接続した。

このようにして、４段π型のラダー型フィルタを構成したが、この直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４及び並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ４を、弾性境界波装置１を用いて構成した。もっとも、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４の共振周波数が、並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ４の反共振周波数とほぼ一致するように、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４を構成する弾性境界波装置１における電極指の周期λは、並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ４を構成する弾性境界波装置の電極指の周期λと若干異ならせた。

上記のようにして、４段π型ラダー型フィルタを構成したが、使用する弾性境界波装置のデューティ比を種々異ならせ、該ラダー型フィルタの最小挿入損失を測定した。結果を図５に示す。

図５から明らかなように、デューティ比が０．５の場合には、最小挿入損失は１．２２ｄＢであったのに対し、デューティ比が０．５３〜０．８９の範囲では、最小挿入損失は１．０８ｄＢ以下と小さくなることがわかる。すなわち、デューティ比を０．５３より大きく、０．８９未満とすることにより、挿入損失を効果的に低減し、上述したように良好な共振特性及びフィルタ特性の得られることがわかる。

携帯電話機の受信ブロックは、例えば、アンテナ側から、アンテナ、ＲＦトップフィルタ、ノイズアンプ、ＲＦ段間フィルタ、ミキサー、ＩＦフィルタ及びＩＦ−ＩＣの順でこれらの部品が設けられている。一般に、アンテナ側に近い部品の挿入損失ほど全体の特性への影響が大きい。例えば、設計条件にもよるが、ＲＦトップフィルタにおける０．１ｄＢの最小挿入損失の劣化と、ＩＦフィルタにおける５ｄＢにおける最小挿入損失の劣化は同程度の影響を、Ｃ／Ｎ比（キャリア ノイズ レシオ）に与える。従って、ＲＦトップフィルタやＲＦ段間フィルタにおいて、最小挿入損失を１．２２ｄＢから１．０８ｄＢへ、すなわち、０．１４ｄＢ改善した場合、受信ブロックの性能を著しく改善することができる。よって、上記ラダー型フィルタを、ＲＦトップフィルタやＲＦ段間フィルタとして用い、デューティ比を０．５３より大きく、０．８９未満とすることにより、該ラダー型フィルタを用いた携帯電話機の受信特性を飛躍的に改善し得ることがわかる。

なお、上記実施形態では、インターデジタル電極及び反射器５，６を構成する電極材料は、ＮｉＣｒからなる下地層上に、Ａｕ膜を積層することにより構成されていた。しかしながら、電極材料は、Ａｕを主体とするものに限定されず、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、ＺｎＯ及びＩＴＯなどの金属や合金、酸化物導体を用いてもよい。また、上記ＮｉＣｒなどの密着層を下地層として形成する必要も必ずしもない。すなわち、電極は単一の金属材料によってのみ構成されていてもよい。

また、第１の媒質層を構成する材料としても、ＬｉＮｂＯ_３基板２に限定されず、ＬｉＴａＯ_３基板、水晶基板、ランガサイト系基板などの他の圧電基板により構成されてもよい。さらに、第１の媒質層は、硝子などにより構成されてもよい。

また、第２の媒質層についても、ＳｉＯ_２膜に限定されず、Ａｌ膜、ＳｉＮ膜、多結晶Ｓｉ膜などの他の材料であってもよく、さらに第２の媒質層は必ずしも薄膜状とされる必要もない。

また、第１，第２の媒質層で構成される境界部分は、インターデジタル電極４や反射器５，６の電極指間の間隔に媒質が充填される構造である限り、特に限定されるものではない。

さらに、上記実施形態では、弾性境界波装置１において、インターデジタル電極４と反射器５，６とが設けられていたが、インターデジタル電極数や反射器の数は特に限定されない。すなわち、複数のインターデジタル電極を、一対の反射器の間に配置した縦結合型の弾性境界波フィルタが構成されていてもよく、また、複数の弾性境界波装置や弾性境界波フィルタが直列、並列あるいは縦続にされていてもよい。

Claims (3)

1. 第１の媒質層と、第２の媒質層と、第１，第２の媒質層間の境界に配置されたインターデジタル電極及び／または反射器とを備えた弾性境界波装置において、
   前記インターデジタル電極及び／または反射器のデューティ比をｄとしたときに、０．５４＜ｄ＜０．８９とされていることを特徴とする、弾性境界波装置。
2. 前記第１の媒質層がＬｉＮｂＯ_３を主成分とする基板からなる、請求項１に記載の弾性境界波装置。
3. 前記第２の媒質層が、ＳｉＯ_２を主成分とする誘電体からなる、請求項１または２に記載の弾性境界波装置。

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