JPWO2006062082A1 - 薄膜弾性波共振子 - Google Patents

Abstract

上部電極（５０）は、円形状に形成された第１の電極部（５１）と、第１の電極部（５１）の外側に扇形状で形成された第２の電極部（５２）及び第３の電極部（５３）とで構成される。第１〜第３の電極部（５１〜５３）は、相互に絶縁領域を介して電気的に分離されている。下部電極（３０）は、円形状に形成された第４の電極部（３１）と、第４の電極部（３１）の外側に扇形状で形成された第５の電極部（３２）及び第６の電極部（３３）とで構成される。第４〜第６の電極部（３１〜３３）も同様に、相互に絶縁領域を介して電気的に分離されている。さらに、第４の電極部（３１）、第５の電極部（３２）及び第６の電極部（３３）が、圧電体（４０）を介してそれぞれ第１の電極部（５１）、第２の電極部（５２）及び第３の電極部（５３）と対向する位置に設けられる。

Description

本発明は、薄膜弾性波共振子に関し、より特定的には、単一の共振子でバンドパスフィルタを構成することが可能、且つバランス−アンバランス変換を実現する薄膜弾性波共振子、及び当該薄膜弾性波共振子を用いたフィルタや通信機器に関する。

携帯機器等の電子機器に内蔵される部品は、より小型化及び軽量化されることが要求されている。例えば、携帯機器に使用されるフィルタには、小型化が要求されると共に、周波数特性の精密な調整が可能であることが要求される。これらの要求を満たすフィルタの１つとして、薄膜弾性波共振子を用いたフィルタが知られている（特許文献１を参照）。

以下、図２３を参照して、従来の薄膜弾性波共振子を説明する。
図２３（ａ）は、従来の薄膜弾性波共振子５００の基本構造を示した断面図である。薄膜弾性波共振子５００は、圧電体５０１を上部電極部５０２と下部電極部５０３とで挟んだ構造である。この薄膜弾性波共振子５００は、キャビティ５０４が形成された半導体基板５０５の上に載置されて使用される。キャビティ５０４は、微細加工法を用いて、半導体基板５０５の裏面から部分的にエッチングすることによって形成可能である。この薄膜弾性波共振子５００は、上部電極部５０２及び下部電極部５０３によって、厚さ方向に電界が印加され、厚さ方向の振動を生じる。次に、薄膜弾性波共振子５００の動作説明を、無限平板の厚み縦振動を用いて行う。

図２３（ｂ）は、従来の薄膜弾性波共振子５００の動作を説明するための概略的な斜視図である。薄膜弾性波共振子５００は、上部電極部５０２と下部電極部５０３との間に電界が加えられると、圧電体５０１で電気エネルギーが機械エネルギーに変換される。誘起された機械振動は厚さ方向伸び振動であり、電界と同じ方向に伸び縮みを行う。一般に、薄膜弾性波共振子５００は、圧電体５０１の厚さ方向の共振振動を利用し、厚さが半波長に等しくなる周波数の共振で動作する。図２３（ａ）に示したキャビティ５０４は、この圧電体５０１の厚み縦振動を確保するために利用される。

この薄膜弾性波共振子５００の等価回路は、図２３（ｄ）に示すように、直列共振と並列共振とを合わせ持った等価回路となる。この等価回路は、コンデンサＣ１、インダクタＬ１及び抵抗Ｒ１からなる直列共振部と、直列共振部に並列接続されたコンデンサＣ０とで構成される。この回路構成によって、等価回路のアドミッタンス周波数特性は、図２３（ｃ）に示すように、共振周波数ｆｒでアドミッタンスが極大となり、反共振周波数ｆａでアドミッタンスが極小となる。ここで、共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとは、次の関係にある。
ｆｒ＝１／｛２π√（Ｌ１×Ｃ１）｝
ｆａ＝ｆｒ√（１＋Ｃ１／Ｃ０）

このようなアドミッタンス周波数特性を有する薄膜弾性波共振子５００をフィルタとして応用した場合、圧電体５０１の共振振動を利用するため、小型で低損失のフィルタを実現することが可能となる。２つの薄膜弾性波共振子を直列と並列に接続すれば（図２４（ａ））、バンドパスフィルタを容易に構成することができる（図２４（ｂ））。

なお、実際には、薄膜弾性波共振子は必ず基板に固定されているため、振動部で生じる厚み縦振動の全てが主共振振動として励振されるわけではなく、一部の振動が基板に漏れてしまう。この基板への振動漏れ（不要振動）は、本来圧電体内部で振動の励振に使用されるエネルギーの一部が損失として扱われることを意味する。そこで、エネルギー損失の低減を図った発明が、特許文献２等で開示されている。
また、高周波帯を利用する通信機器では、各種電子部品を接続する基板上の伝送線路（配線）に雑音が発生するため、バランス型（差動型）伝送線路を採用する対策が採られている。ここで、バランス型伝送線路とは、同振幅かつ逆位相の２つの信号を取り扱う平行伝送線路である。これに伴い、薄膜弾性波共振子又は薄膜弾性波共振子を利用したバンドパスフィルタには、バランス−アンバランス変換機能の付加が求められている。バランス変換型の薄膜弾性波共振子については、圧電体を共通にするように２つの薄膜弾性波共振子を隣接して配置し、振動部で発生した横モード振動の伝搬（結合）を利用した構造が、しばしば採用されている。薄膜弾性波共振子は、基本的に厚さが半波長に等しくなる周波数の共振で動作するため、上下電極間で、位相差が理想的に１８０度となり、バランス変換を実現することは公知である。
特開昭６０−６８７１１号公報 特許第２６４４８５５号明細書

上述した特許文献２に開示されている発明では、上部電極を弾性波の伝搬方向と直角な方向に分離して振動部で発生した横モード振動の伝搬を防止することで、振動部から基板への振動漏れを抑えている。従って、薄膜弾性波共振子単体での良好なフィルタ特性が期待できる。

しかしながら、特許文献２に開示の薄膜弾性波共振子を用いて、ある程度広い通過帯域幅を持ったバンドパスフィルタを構成する場合、上述したように独立した２つの薄膜弾性波共振子が必要不可欠となる（図２４（ａ））。このため、フィルタの半導体チップ占有面積が大きくなりコストが高くなるという問題がある。
また、複数の薄膜弾性波共振子を隣接して配置した場合、薄膜弾性波共振子間のモード結合度が低いためにエネルギー損失が大きいという問題がある。
また、従来の薄膜弾性波共振子を横方向に隣接して配置したバランス−アンバランス変換型薄膜弾性波共振子は、同様に結合度が低いためエネルギー損失が大きく、且つバンドパスフィルタ機能も同時に実現するのは困難であった。

それ故に、本発明の目的は、薄膜弾性波共振子間のモード結合度を向上させてエネルギー損失の低減を図り、かつ、広い通過帯域を有するバンドパスフィルタを、単体で実現させ、且つバランス−アンバランス変換を実現させた薄膜弾性波共振子を提供することである。

本発明は、所定の周波数で振動する薄膜弾性波共振子、その薄膜弾性波共振子を用いたフィルタ及び通信機器に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明の薄膜弾性波共振子は、圧電体と、圧電体の一方面上に形成された第１の電極部と、第１の電極部の外側に第１の電極部と絶縁された位置で、圧電体の一方面上に形成された第２の電極部と、第１の電極部の外側に第１の電極部及び第２の電極部と絶縁された位置で、圧電体の一方面上に形成された第３の電極部と、圧電体の一方面と対向する他方面上に形成された第４の電極部と、第４の電極部の外側に第４の電極部と絶縁された位置で、圧電体の他方面上に形成された第５の電極部と、第４の電極部の外側に第４の電極部及び第５の電極部と絶縁された位置で、圧電体の他方面上に形成された第６の電極部と、基板を少なくとも構成に含み圧電体及び第１〜第６の電極部で形成される構成を支持する支持部とを備える。そして、この構成による薄膜弾性波共振子は、第１の電極部又は第４の電極部に電気信号が入力され、第２の電極部と第６の電極部又は第３の電極部と第５の電極部から電気信号が出力されるか、或いは第２の電極部と第６の電極部又は第３の電極部と第５の電極部に電気信号が入力され、第１の電極部と第４の電極部との間から電気信号が出力されることを特徴とする。

各電極部は、第１の電極部の面積と第４の電極部の面積とが略等しく、かつ、第２の電極部の面積と第５の電極部の面積とが略等しく、かつ、第３の電極部の面積と第６の電極部の面積とが略等しく形成される。また、第２の電極部と第５の電極部とが、及び第３の電極部と第６の電極部とが、それぞれ圧電体を介して対称的な位置に設けられる。好ましい電極部の形状は、第１及び第４の電極部が円形状であり、かつ、第２、第３、第５及び第６の電極部が扇形状である。この場合、第１の電極部の円中心と第２及び第３の電極部の円弧中心とが一致し、かつ、第４の電極部の円中心と第５及び第６の電極部の円弧中心とが一致していることが望ましい。また、第１の電極部と第２の電極部との間隔及び第１の電極部と第３の電極部との間隔は、圧電体の厚さ以上であることが好ましい。これ以外に、第１から第６の電極部がすべて多角形状であってもよい。

典型的な支持部は、キャビティが設けられた基板で構成されるか、基板と基板上にキャビティを形成するために積層された支持層とで構成されるか、基板と音響的に高インピーダンスとなる層と低インピーダンスとなる層とが交互に積層されてなる音響ミラーとで構成される。そして、第４から第６の電極部が、キャビティ又は音響ミラーの上に配置される。なお、第４の電極部と第５の電極部とを又は第４の電極部と第６の電極部とを一体で形成することも可能である。

上述した本発明の薄膜弾性波共振子によれば、単体共振子の構造で、薄膜弾性波共振子間のモード結合度を向上させてエネルギー損失の低減を図り、かつ、広い通過帯域を有するバンドパスフィルタを実現し、且つ、バランス−アンバランス変換を実現することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の構造上面図 図２Ａは、本発明の第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の構造断面図（図１のａ−ａ断面図） 図２Ｂは、本発明の薄膜弾性波共振子の基本的な構造断面図 図３は、本発明の第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の回路記号例 図４は、本発明の第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の等価回路図 図５は、本発明の第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子が発生する２つの振動モードを説明する図 図６は、本発明の第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子がバンドパスフィルタを構成する原理を説明する図 図７は、本発明の第１の実施形態に係る他の薄膜弾性波共振子の構造上面図 図８は、本発明の第１の実施形態に係る他の薄膜弾性波共振子の構造断面図（図７のｂ−ｂ断面図） 図９は、本発明の第２の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の構造上面図 図１０Ａは、本発明の第２の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の構造断面図（図９のｃ−ｃ断面図） 図１０Ｂは、本発明の第２の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の他の構造断面図 図１１は、本発明の第２の実施形態に係る他の薄膜弾性波共振子の構造上面図 図１２Ａは、本発明の第２の実施形態に係る他の薄膜弾性波共振子の構造断面図（図１１のｄ−ｄ断面図） 図１２Ｂは、本発明の第２の実施形態に係る他の薄膜弾性波共振子の他の構造断面図 図１３は、本発明の第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の構造上面図 図１４は、本発明の第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の構造断面図（図１３のｅ−ｅ断面図） 図１５は、本発明の第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子が発生する２つの振動モードを説明する図 図１６は、本発明の第４の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の構造上面図 図１７Ａは、本発明の第４の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の構造断面図（図１６のｆ−ｆ断面図） 図１７Ｂは、本発明の第４の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の他の構造断面図 図１８は、本発明の薄膜弾性波共振子を用いたラダー型フィルタの構成例を示す図 図１９は、本発明の薄膜弾性波共振子を用いたインピーダンス変換を説明する図 図２０は、第２の電極部と第３の電極部との接続例を示す図 図２１は、本発明の第１〜第４の実施形態に係る薄膜弾性波共振子を応用した他の構造断面図 図２２は、本発明の薄膜弾性波共振子を用いた通信機器の構成例を示す図 図２３は、従来の薄膜弾性波共振子を説明するための図 図２４は、従来の薄膜弾性波共振子を用いたフィルタの構成図

符号の説明

１〜４、５００ 薄膜弾性波共振子
１０、５０５ 半導体基板
１１、５０４ キャビティ
２０ 音響ミラー
２１、２２ 音響インピーダンス層
３０ 下部電極
３１〜３６、５１〜５６、５０２、５０３ 電極部
４０、５０１ 圧電体
５０ 上部電極
６０ 振動部
１１１、１１２ アンテナ
１１３ スイッチ
１１４ フィルタ

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１の構造例を示す上面図である。図１に示した薄膜弾性波共振子１のａ−ａ線に沿った最も基本的な構造断面は、図２Ｂに示すものであるが、この第１の実施形態では、薄膜弾性波共振子１が図２Ａに示す構造断面を有する場合を例に挙げて説明する。図１及び図２Ａにおいて、第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１は、半導体基板１０の上に、音響ミラー２０、下部電極３０、圧電体４０及び上部電極５０が順に形成された構造である。下部電極３０、圧電体４０及び上部電極５０によって、振動部６０が構成される。下部電極３０及び上部電極５０は、例えばモリブデン（Ｍｏ）で形成される。圧電体４０は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電材料で形成される。図３は、第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１を回路記号で表した場合の一例を示している。

まず、第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１の構造の詳細を説明する。
音響ミラー２０は、振動部６０の共振振動を振動部６０内に閉じ込めるために設けられる。この音響ミラー２０は、少なくとも異なる音響インピーダンスを有する２種類の層、この例では高音響インピーダンス層２１と低音響インピーダンス層２２とを、交互に積層することによって構成される。高音響インピーダンス層２１及び低音響インピーダンス層２２の厚さは、それぞれに対応した音響波長の１／４の厚さである。下部電極３０の下には、低音響インピーダンス層２２が配置される。

上部電極５０は、円形状に形成された第１の電極部５１と、第１の電極部５１の外側に扇形状で形成された第２の電極部５２及び第３の電極部５３とで構成される。第１の電極部５１、第２の電極部５２及び第３の電極部５３は、相互に絶縁領域を介して電気的に分離されている。第２の電極部５２及び第３の電極部５３は、図１に示すように内縁線、外縁線及びこの内縁線と外縁線とを結ぶ２つの線で囲まれた扇形である。このとき、第２の電極部５２及び第３の電極部５３の内縁線及び外縁線の中心が、第１の電極部５１の中心と一致していることが好ましい。また、第１の電極部５１と第２の電極部５２との間隔及び第１の電極部５１と第３の電極部５３との間隔は、それぞれ圧電体４０の厚さ以上であることが好ましい。

同様に、下部電極３０は、円形状に形成された第４の電極部３１と、第４の電極部３１の外側に扇形状で形成された第５の電極部３２及び第６の電極部３３とで構成される。第４の電極部３１、第５の電極部３２及び第６の電極部３３は、相互に絶縁領域を介して電気的に分離されている。第５の電極部３２及び第６の電極部３３は、図１に示すように内縁線、外縁線及びこの内縁線と外縁線とを結ぶ２つの線で囲まれた扇形である。このとき、第５の電極部３２及び第６の電極部３３の内縁線及び外縁線の中心が、第４の電極部３１の中心と一致していることが好ましい。また、第４の電極部３１と第５の電極部３２との間隔及び第４の電極部３１と第６の電極部３３との間隔は、それぞれ圧電体４０の厚さ以上であることが好ましい。さらに、第４の電極部３１が圧電体４０を介して第１の電極部５１と対向する位置に、第５の電極部３２が圧電体４０を介して第２の電極部５２と対向する位置に、第６の電極部３３が圧電体４０を介して第３の電極部５３と対向する位置に、それぞれ設けられることが特性上最も好ましい。

次に、上記構造による第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１によって、バランス−アンバランス変換機能を備えたバンドパスフィルタを実現できる原理を説明する。図４は、第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１の等価回路を示した図である。図５は、第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１が発生する２つの振動モードを説明する図である。図６は、図５で示した２つの振動モードによって、第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１がバンドパスフィルタを構成することとなる原理を説明する図である。

薄膜弾性波共振子１を振動させるための電気信号は、第１の電極部５１又は第４の電極部３１に印加される。印加された電気信号は、逆圧電効果によって機械振動を励振させる。この励振された振動は、圧電体４０を伝搬して、第２の電極部５２と第５の電極部３２とで挟まれた領域及び第３の電極部５３と第６の電極部３３とで挟まれた領域に、それぞれ伝えられる。そして、伝搬された振動は、圧電効果によって、第２の電極部５２と第５の電極部３２との間、又は第３の電極部５３と第５の電極部３２との間から、電気信号に変換されて取り出される。ここで、第２の電極部５２と第５の電極部３２との間、及び第３の電極部５３と第６の電極部３３との間は、基本的に厚さが半波長に等しくなる周波数の共振で動作するため、第２の電極部５２及び第６の電極部３３から出力される電気信号、又は第３の電極部５３及び第５の電極部３２から出力される電気信号は、理想的に同振幅かつ逆位相のバランス信号となる。
このとき、第１の電極部５１と第４の電極部３１とで励振される機械振動には、下記で説明するように、異なる振動パターンの２つの振動モードが存在する。
なお、電気信号の印加は、第２の電極部５２と第６の電極部３３、又は第３の電極部５３と第５の電極部３２でもよく、この場合には上記と逆に第１の電極部５１と第４の電極部３１から電気信号が取り出されることになる。

薄膜弾性波共振子１の構造を等価回路で表現すると、図４に示すように２つの共振回路が存在することになる。この２つの共振回路は、電極の位置に対応して次のようにそれぞれ異なるパターンで振動する。第１のパターンは、第１の電極部５１及び第４の電極部３１の中心を正振動のピークとし、かつ、第２の電極部５２及び第５の電極部３２も第３の電極部５３及び第６の電極部３３も正振動となる振動をするパターンである（図５の振動モードＡ）。第２のパターンは、第１の電極部５１及び第４の電極部３１の中心を正振動のピークとし、かつ、第２の電極部５２、第３の電極部５３、第５の電極部３２及び第６の電極部３３の幅の中心を負振動のピークとして振動するパターンである（図５の振動モードＢ）。すなわち、第１の電極部５１、第２の電極部５２及び第３の電極部５３と、第４の電極部３１、第５の電極部３２及び第６の電極部３３との間の、全てで振動するパターンである。

振動モードＡでは、振幅による発生する電荷は、共振周波数ｆｒ（Ａ）で最大となり、反共振周波数ｆａ（Ａ）で最小となる。一方、振動モードＢでは、振幅により発生する電荷は、共振周波数ｆｒ（Ａ）とは異なる共振周波数ｆｒ（Ｂ）で最大となり、反共振周波数ｆａ（Ａ）とは異なる反共振周波数ｆａ（Ｂ）で最小となる。よって、振動モードＡの反共振周波数ｆａ（Ａ）と振動モードＢの共振周波数ｆｒ（Ｂ）とが近接した周波数領域では、薄膜弾性波共振子１の通過損失が小さくなり、かつ、その両側周波数領域においてプラス電荷とマイナス電荷のキャンセルが見られ、図６に示すような広い通過帯域を持ったフィルタ特性を実現することができる。
また、このとき、振動モードＡの反共振周波数ｆａ（Ａ）と振動モードＢの共振周波数ｆｒ（Ｂ）とが略一致するように各電極及び圧電体をそれぞれ適切に設定してやれば、通過帯域での損失をさらに小さくすることが可能であり、薄膜弾性波共振子１の低損失化を図ることができる。

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１によれば、単体共振子の構造で、モード結合度の向上によりエネルギー損失の低減を図り、かつ、広い通過帯域を有するバンドパスフィルタを実現することができる。また、対角位置にある上部電極及び下部電極（第２の電極部５２と第６の電極部３３、第３の電極部５３と第５の電極部３２）から電気信号を入出力することによって、バランス変換を実現することができる。
なお、第１の実施形態の薄膜弾性波共振子１では、下部電極３０に第４の電極部３１、第５の電極部３２及び第６の電極部３３の３つを形成する例を説明したが、図７及び図８に示すように下部電極３０に形成する電極部は２つであっても構わない。この構造による薄膜弾性波共振子は、上記と同様の効果を奏することができる。

（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る薄膜弾性波共振子２の構造例を示す上面図である。図１０Ａは、図９に示した薄膜弾性波共振子２のｃ−ｃ線に沿った断面図である。図９及び図１０Ａにおいて、第２の実施形態に係る薄膜弾性波共振子２は、キャビティ１１が形成された半導体基板１０の上に、下部電極３０、圧電体４０及び上部電極５０が順に形成された構造である。下部電極３０、圧電体４０及び上部電極５０は、振動部６０を構成する。

図１０Ａでわかるように、第２の実施形態に係る薄膜弾性波共振子２は、上記第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１の音響ミラー２０に代えて、半導体基板１０にキャビティ１１を設けた構造である。このキャビティ１１は、音響ミラー２０と同様に、振動部６０の共振振動を振動部６０内に閉じ込めるために設けられる。

よって、第２の実施形態に係る薄膜弾性波共振子２も上記第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１と同様に、単体共振子の構造で、モード結合度の向上によりエネルギー損失の低減を図り、かつ、広い通過帯域を有するバンドパスフィルタを実現することができる。また、対角位置にある上部電極及び下部電極から電気信号を入出力することによって、バランス変換を実現することができる。なお、図１０Ａでは、半導体基板１０の一部をエッチング等により陥没させてキャビティ１１を形成しているが、図１０Ｂのように半導体基板１０の上に支持層７０を積層してキャビティ１１を形成してもよい。

また、第２の実施形態の薄膜弾性波共振子２では、下部電極３０に第４の電極部３１、第５の電極部３２及び第６の電極部３３の３つを形成する例を説明したが、図１１及び図１２Ａに示すように下部電極３０に形成する電極部は２つであっても構わない。この構造による薄膜弾性波共振子でも、上記と同様の効果を奏することができる。なお、この構造の場合でも、図１２Ｂのように半導体基板の上に支持層を積層してキャビティを形成してもよい。

（第３の実施形態）
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子３の構造例を示す上面図である。図１４は、図１３に示した薄膜弾性波共振子３のｅ−ｅ線に沿った断面図である。図１３及び図１４において、第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子３は、半導体基板１０の上に、音響ミラー２０、下部電極３０、圧電体４０及び上部電極５０が順に形成された構造である。この構造は、上述した第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１と同様であるが、下部電極３０及び上部電極５０に形成される電極の形状が以下のように異なる。

上部電極５０は、多角形状に形成された第１の電極部５４と、第１の電極部５４の外側に多角形状に形成された第２の電極部５５及び第３の電極部５６とで構成される。第１の電極部５４、第２の電極部５５及び第３の電極部５６は、相互に絶縁領域を介して電気的に分離されている。第２の電極部５５及び第３の電極部５６は、図１３に示すように内辺、外辺及びこの内辺と外辺とを結ぶ２つの線で囲まれた多角形である。この第２の電極部５５と第３の電極部５６とを絶縁領域部分で結んだ図形（多辺環）の外辺及び内辺の形状は、第１の電極部５４の多角形状の外辺縁と相似形である。このとき、多辺環の中心が、第１の電極部５４の中心と一致していることが好ましい。また、第１の電極部５４と第２の電極部５５との間隔及び第１の電極部５４と第３の電極部５６との間隔は、それぞれ圧電体４０の厚さ以上であることが好ましい。図１３は、第１の電極部５４の多角形として正方形を用いた例を示す。

同様に、下部電極３０は、多角形状に形成された第４の電極部３４と、第４の電極部３４の外側に多角形状に形成された第５の電極部３５及び第６の電極部３６とで構成される。第４の電極部３４、第５の電極部３５及び第６の電極部３６は、相互に絶縁領域を介して電気的に分離されている。第５の電極部３５及び第６の電極部３６は、内辺、外辺及びこの内辺と外辺とを結ぶ２つの線で囲まれた多角形である。この第５の電極部３５と第６の電極部３６とを絶縁領域部分で結んだ図形（多辺環）の外辺及び内辺の形状は、第４の電極部３４の多角形状の外辺縁と相似形である。このとき、多辺環の中心が、第４の電極部３４の中心と一致していることが好ましい。また、第４の電極部３４と第５の電極部３５との間隔及び第４の電極部３４と第６の電極部３６との間隔は、それぞれ圧電体４０の厚さ以上であることが好ましい。さらに、第４の電極部３４が圧電体４０を介して第１の電極部５４と対向する位置に、第５の電極部３５が圧電体４０を介して第２の電極部３６と対向する位置に、第６の電極部３６が圧電体４０を介して第３の電極部５６と対向する位置に、それぞれ設けられることが特性上最も好ましい。

上記構造による第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子３でも、第１の電極部５４と第４の電極部３４との間（又は、第２の電極部５５と第６の電極部３６との間、あるいは第３の電極部５６と第５の電極部３５との間）に電気信号が印加されると、図１５に示すように振動パターンの異なる振動モードＡ及び振動モードＢによる振動が生じる。よって、振動モードＡの反共振周波数ｆａ（Ａ）と振動モードＢの共振周波数ｆｒ（Ｂ）とが略一致するように各電極及び圧電体をそれぞれ適切に設定してやれば、広い通過帯域を持ったフィルタ特性を実現することができる（図６を参照）。

以上のように、本発明の第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子３によれば、単体共振子の構造で、モード結合度の向上によりエネルギー損失の低減を図り、かつ、広い通過帯域を有するバンドパスフィルタを実現することができる。また、対角位置にある上部電極及び下部電極から電気信号を入出力することによって、バランス変換を実現することができる。

（第４の実施形態）
図１６は、本発明の第４の実施形態に係る薄膜弾性波共振子４の構造例を示す上面図である。図１７Ａは、図１６に示した薄膜弾性波共振子４のｆ−ｆ線に沿った断面図である。図１６及び図１７Ａにおいて、第４の実施形態に係る薄膜弾性波共振子４は、キャビティ１１が形成された半導体基板１０の上に、下部電極３０、圧電体４０及び上部電極５０が順に形成された構造である。下部電極３０、圧電体４０及び上部電極５０は、振動部６０を構成する。

図１７Ａでわかるように、第４の実施形態に係る薄膜弾性波共振子４は、上記第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子３の音響ミラー２０に代えて、半導体基板１０にキャビティ１１を設けた構造である。このキャビティ１１は、音響ミラー２０と同様に、振動部６０の共振振動を振動部６０内に閉じ込めるために設けられる。

よって、第４の実施形態に係る薄膜弾性波共振子４も上記第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子３と同様に、単体共振子の構造で、モード結合度の向上によりエネルギー損失の低減を図り、かつ、広い通過帯域を有するバンドパスフィルタを実現することができる。また、対角位置にある上部電極及び下部電極から電気信号を入出力することによって、バランス変換を実現することができる。なお、図１７Ａでは、半導体基板１０の一部をエッチング等により陥没させてキャビティ１１を形成しているが、図１７Ｂのように半導体基板１０の上に支持層７０を積層してキャビティ１１を形成してもよい。

なお、本発明の薄膜弾性波共振子１〜４は、上述したように単独でフィルタとして使用される以外にも、他の薄膜弾性波共振子と任意に組み合わせて使用することができる。例えば、図１８に示すように、本発明の薄膜弾性波共振子１〜４をラダー型フィルタの最後段に挿入することができる。

また、本発明の薄膜弾性波共振子１〜４は、入力された電気信号を一旦振動に変換した後で再び電気信号に再変換して取り出す構造であるため、入力側の容量値Ｃｉｎと出力側の容量値Ｃｏｕｔとを変えることで、インピーダンス変換を行うことも可能となる（図１９を参照）。容量値Ｃは、誘電率ε、電極面積Ｓ及び圧電体厚さｔとすると、Ｃ＝εＳ／ｔで求められる。

また、上記第１〜第４の実施形態で説明したように、本発明の薄膜弾性波共振子では、第２の電極部と第３の電極部とが、第５の電極部と第６の電極部とが、それぞれ絶縁されていることが特性上最も好ましい。しかしながら、図２０に示すような配線を用いて、第２の電極部と第３の電極部とを、第５の電極部と第６の電極部とを、それぞれ接続しても構わない。

さらに、上記第１〜第４の実施形態において、下部電極３０と上部電極５０とで挟まれる圧電体４０は、一体で成膜されるため厚みは一定となる。その結果、第１の電極部と第３の電極部との間では、下部電極３０の厚さ分だけ圧電体４０の上面が窪んだ構造となる。しかし、例えば、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等の平坦化プロセスを用いることで、図２１のように、圧電体４０の上面をフラットにすることも可能である。この場合、第１の電極部と第３の電極部、及びその間の部分での共振周波数が近接するため、所望の振動（振動モードＡ及び振動モードＢ）がより励振しやすい等、使用上の利点も大きい。

（薄膜弾性波共振子を用いた通信機器の実施例）
図２２は、本発明の薄膜弾性波共振子を用いた通信機器の構成例を示す図である。図２２に示す通信装置は、第１〜第４の実施形態で説明した薄膜弾性波共振子１〜４をフィルタに用いた装置である。この通信機器は、少なくともアンテナと、送受信の周波数を切り替えるスイッチ素子又は共用器と、アンバランス信号をバランス信号へと変換しかつフィルタ機能を備えたフィルタとで構成される。

本発明の薄膜弾性波共振子は、エネルギー損失の低減を図り、かつ、広い通過帯域を有するバンドパスフィルタを、単体で実現させたい場合等の利用に適している。

【書類名】明細書
【発明の名称】薄膜弾性波共振子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜弾性波共振子に関し、より特定的には、単一の共振子でバンドパスフィルタを構成することが可能、且つバランス−アンバランス変換を実現する薄膜弾性波共振子、及び当該薄膜弾性波共振子を用いたフィルタや通信機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯機器等の電子機器に内蔵される部品は、より小型化及び軽量化されることが要求されている。例えば、携帯機器に使用されるフィルタには、小型化が要求されると共に、周波数特性の精密な調整が可能であることが要求される。これらの要求を満たすフィルタの１つとして、薄膜弾性波共振子を用いたフィルタが知られている（特許文献１を参照）。
【０００３】
以下、図２３を参照して、従来の薄膜弾性波共振子を説明する。
図２３（ａ）は、従来の薄膜弾性波共振子５００の基本構造を示した断面図である。薄膜弾性波共振子５００は、圧電体５０１を上部電極部５０２と下部電極部５０３とで挟んだ構造である。この薄膜弾性波共振子５００は、キャビティ５０４が形成された半導体基板５０５の上に載置されて使用される。キャビティ５０４は、微細加工法を用いて、半導体基板５０５の裏面から部分的にエッチングすることによって形成可能である。この薄膜弾性波共振子５００は、上部電極部５０２及び下部電極部５０３によって、厚さ方向に電界が印加され、厚さ方向の振動を生じる。次に、薄膜弾性波共振子５００の動作説明を、無限平板の厚み縦振動を用いて行う。
【０００４】
図２３（ｂ）は、従来の薄膜弾性波共振子５００の動作を説明するための概略的な斜視図である。薄膜弾性波共振子５００は、上部電極部５０２と下部電極部５０３との間に電界が加えられると、圧電体５０１で電気エネルギーが機械エネルギーに変換される。誘起された機械振動は厚さ方向伸び振動であり、電界と同じ方向に伸び縮みを行う。一般に、薄膜弾性波共振子５００は、圧電体５０１の厚さ方向の共振振動を利用し、厚さが半波長に等しくなる周波数の共振で動作する。図２３（ａ）に示したキャビティ５０４は、この圧電体５０１の厚み縦振動を確保するために利用される。
【０００５】
この薄膜弾性波共振子５００の等価回路は、図２３（ｄ）に示すように、直列共振と並列共振とを合わせ持った等価回路となる。この等価回路は、コンデンサＣ１、インダクタＬ１及び抵抗Ｒ１からなる直列共振部と、直列共振部に並列接続されたコンデンサＣ０とで構成される。この回路構成によって、等価回路のアドミッタンス周波数特性は、図２３（ｃ）に示すように、共振周波数ｆｒでアドミッタンスが極大となり、反共振周波数ｆａでアドミッタンスが極小となる。ここで、共振周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとは、次の関係にある。
ｆｒ＝１／｛２π√（Ｌ１×Ｃ１）｝
ｆａ＝ｆｒ√（１＋Ｃ１／Ｃ０）
【０００６】
このようなアドミッタンス周波数特性を有する薄膜弾性波共振子５００をフィルタとして応用した場合、圧電体５０１の共振振動を利用するため、小型で低損失のフィルタを実現することが可能となる。２つの薄膜弾性波共振子を直列と並列に接続すれば（図２４（ａ））、バンドパスフィルタを容易に構成することができる（図２４（ｂ））。
【０００７】
なお、実際には、薄膜弾性波共振子は必ず基板に固定されているため、振動部で生じる厚み縦振動の全てが主共振振動として励振されるわけではなく、一部の振動が基板に漏れてしまう。この基板への振動漏れ（不要振動）は、本来圧電体内部で振動の励振に使用されるエネルギーの一部が損失として扱われることを意味する。そこで、エネルギー損失の低減を図った発明が、特許文献２等で開示されている。
また、高周波帯を利用する通信機器では、各種電子部品を接続する基板上の伝送線路（配線）に雑音が発生するため、バランス型（差動型）伝送線路を採用する対策が採られている。ここで、バランス型伝送線路とは、同振幅かつ逆位相の２つの信号を取り扱う平行伝送線路である。これに伴い、薄膜弾性波共振子又は薄膜弾性波共振子を利用したバンドパスフィルタには、バランス−アンバランス変換機能の付加が求められている。バランス変換型の薄膜弾性波共振子については、圧電体を共通にするように２つの薄膜弾性波共振子を隣接して配置し、振動部で発生した横モード振動の伝搬（結合）を利用した構造が、しばしば採用されている。薄膜弾性波共振子は、基本的に厚さが半波長に等しくなる周波数の共振で動作するため、上下電極間で、位相差が理想的に１８０度となり、バランス変換を実現することは公知である。
【特許文献１】特開昭６０−６８７１１号公報
【特許文献２】特許第２６４４８５５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した特許文献２に開示されている発明では、上部電極を弾性波の伝搬方向と直角な方向に分離して振動部で発生した横モード振動の伝搬を防止することで、振動部から基板への振動漏れを抑えている。従って、薄膜弾性波共振子単体での良好なフィルタ特性が期待できる。
【０００９】
しかしながら、特許文献２に開示の薄膜弾性波共振子を用いて、ある程度広い通過帯域幅を持ったバンドパスフィルタを構成する場合、上述したように独立した２つの薄膜弾性波共振子が必要不可欠となる（図２４（ａ））。このため、フィルタの半導体チップ占有面積が大きくなりコストが高くなるという問題がある。
また、複数の薄膜弾性波共振子を隣接して配置した場合、薄膜弾性波共振子間のモード結合度が低いためにエネルギー損失が大きいという問題がある。
また、従来の薄膜弾性波共振子を横方向に隣接して配置したバランス−アンバランス変換型薄膜弾性波共振子は、同様に結合度が低いためエネルギー損失が大きく、且つバンドパスフィルタ機能も同時に実現するのは困難であった。
【００１０】
それ故に、本発明の目的は、薄膜弾性波共振子間のモード結合度を向上させてエネルギー損失の低減を図り、かつ、広い通過帯域を有するバンドパスフィルタを、単体で実現させ、且つバランス−アンバランス変換を実現させた薄膜弾性波共振子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、所定の周波数で振動する薄膜弾性波共振子、その薄膜弾性波共振子を用いたフィルタ及び通信機器に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明の薄膜弾性波共振子は、圧電体と、圧電体の一方面上に形成された第１の電極部と、圧電体の一方面上の第１の電極部と絶縁された位置に、第１の電極部の外周部を取り囲むように延在して形成された第２の電極部と、圧電体の一方面上の第１の電極部及び第２の電極部と絶縁された位置に、第１の電極部の外周部を取り囲むように延在して形成された第３の電極部と、圧電体の一方面と対向する他方面上に形成された第４の電極部と、圧電体の他方面上の第４の電極部と絶縁された位置に、第４の電極部の外周部を取り囲むように延在して形成された第５の電極部と、圧電体の他方面上の第４の電極部及び第５の電極部と絶縁された位置に、第４の電極部の外周部を取り囲むように延在して形成された第６の電極部と、基板を少なくとも構成に含み、圧電体及び第１〜第６の電極部で形成される構成を支持する支持部とを備える。第１の電極部は、第２の電極部と第３の電極部とにより取り囲まれており、第４の電極部は、第５の電極部と第６の電極部とにより取り囲まれており、第１の電極部と第４の電極部とは、圧電体を挟んで対向して配置されており、第２の電極部と第５の電極部とは、圧電体を挟んで対向して配置されており、第３の電極部と第６の電極部とは、圧電体を挟んで対向して配置されている。そして、この構成による薄膜弾性波共振子は、第１の電極部又は第４の電極部に電気信号が入力され、第２の電極部と第６の電極部又は第３の電極部と第５の電極部から電気信号が出力されるか、或いは第２の電極部と第６の電極部又は第３の電極部と第５の電極部に電気信号が入力され、第１の電極部と第４の電極部との間から電気信号が出力されることを特徴とする。
【００１２】
各電極部は、第１の電極部の面積と第４の電極部の面積とが略等しく、かつ、第２の電極部の面積と第５の電極部の面積とが略等しく、かつ、第３の電極部の面積と第６の電極部の面積とが略等しく形成される。また、第２の電極部と第５の電極部とが、及び第３の電極部と第６の電極部とが、それぞれ圧電体を介して対称的な位置に設けられる。好ましい電極部の形状は、第１及び第４の電極部が円形状であり、かつ、第２、第３、第５及び第６の電極部が扇形状である。この場合、第１の電極部の円中心と第２及び第３の電極部の円弧中心とが一致し、かつ、第４の電極部の円中心と第５及び第６の電極部の円弧中心とが一致していることが望ましい。また、第１の電極部と第２の電極部との間隔及び第１の電極部と第３の電極部との間隔は、圧電体の厚さ以上であることが好ましい。これ以外に、第１から第６の電極部がすべて多角形状であってもよい。
【００１３】
典型的な支持部は、キャビティが設けられた基板で構成されるか、基板と基板上にキャビティを形成するために積層された支持層とで構成されるか、基板と音響的に高インピーダンスとなる層と低インピーダンスとなる層とが交互に積層されてなる音響ミラーとで構成される。そして、第４から第６の電極部が、キャビティ又は音響ミラーの上に配置される。なお、第４の電極部と第５の電極部とを又は第４の電極部と第６の電極部とを一体で形成することも可能である。
【発明の効果】
【００１４】
上述した本発明の薄膜弾性波共振子によれば、単体共振子の構造で、薄膜弾性波共振子間のモード結合度を向上させてエネルギー損失の低減を図り、かつ、広い通過帯域を有するバンドパスフィルタを実現し、且つ、バランス−アンバランス変換を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１の構造例を示す上面図である。図１に示した薄膜弾性波共振子１のａ−ａ線に沿った最も基本的な構造断面は、図２Ｂに示すものであるが、この第１の実施形態では、薄膜弾性波共振子１が図２Ａに示す構造断面を有する場合を例に挙げて説明する。図１及び図２Ａにおいて、第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１は、半導体基板１０の上に、音響ミラー２０、下部電極３０、圧電体４０及び上部電極５０が順に形成された構造である。下部電極３０、圧電体４０及び上部電極５０によって、振動部６０が構成される。下部電極３０及び上部電極５０は、例えばモリブデン（Ｍｏ）で形成される。圧電体４０は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電材料で形成される。図３は、第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１を回路記号で表した場合の一例を示している。
【００１８】
まず、第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１の構造の詳細を説明する。
音響ミラー２０は、振動部６０の共振振動を振動部６０内に閉じ込めるために設けられる。この音響ミラー２０は、少なくとも異なる音響インピーダンスを有する２種類の層、この例では高音響インピーダンス層２１と低音響インピーダンス層２２とを、交互に積層することによって構成される。高音響インピーダンス層２１及び低音響インピーダンス層２２の厚さは、それぞれに対応した音響波長の１／４の厚さである。下部電極３０の下には、低音響インピーダンス層２２が配置される。
【００１９】
上部電極５０は、円形状に形成された第１の電極部５１と、第１の電極部５１の外側に扇形状で形成された第２の電極部５２及び第３の電極部５３とで構成される。第１の電極部５１、第２の電極部５２及び第３の電極部５３は、相互に絶縁領域を介して電気的に分離されている。第２の電極部５２及び第３の電極部５３は、図１に示すように内縁線、外縁線及びこの内縁線と外縁線とを結ぶ２つの線で囲まれた扇形である。このとき、第２の電極部５２及び第３の電極部５３の内縁線及び外縁線の中心が、第１の電極部５１の中心と一致していることが好ましい。また、第１の電極部５１と第２の電極部５２との間隔及び第１の電極部５１と第３の電極部５３との間隔は、それぞれ圧電体４０の厚さ以上であることが好ましい。
【００２０】
同様に、下部電極３０は、円形状に形成された第４の電極部３１と、第４の電極部３１の外側に扇形状で形成された第５の電極部３２及び第６の電極部３３とで構成される。第４の電極部３１、第５の電極部３２及び第６の電極部３３は、相互に絶縁領域を介して電気的に分離されている。第５の電極部３２及び第６の電極部３３は、図１に示すように内縁線、外縁線及びこの内縁線と外縁線とを結ぶ２つの線で囲まれた扇形である。このとき、第５の電極部３２及び第６の電極部３３の内縁線及び外縁線の中心が、第４の電極部３１の中心と一致していることが好ましい。また、第４の電極部３１と第５の電極部３２との間隔及び第４の電極部３１と第６の電極部３３との間隔は、それぞれ圧電体４０の厚さ以上であることが好ましい。さらに、第４の電極部３１が圧電体４０を介して第１の電極部５１と対向する位置に、第５の電極部３２が圧電体４０を介して第２の電極部５２と対向する位置に、第６の電極部３３が圧電体４０を介して第３の電極部５３と対向する位置に、それぞれ設けられることが特性上最も好ましい。
【００２１】
次に、上記構造による第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１によって、バランス−アンバランス変換機能を備えたバンドパスフィルタを実現できる原理を説明する。図４は、第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１の等価回路を示した図である。図５は、第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１が発生する２つの振動モードを説明する図である。図６は、図５で示した２つの振動モードによって、第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１がバンドパスフィルタを構成することとなる原理を説明する図である。
【００２２】
薄膜弾性波共振子１を振動させるための電気信号は、第１の電極部５１又は第４の電極部３１に印加される。印加された電気信号は、逆圧電効果によって機械振動を励振させる。この励振された振動は、圧電体４０を伝搬して、第２の電極部５２と第５の電極部３２とで挟まれた領域及び第３の電極部５３と第６の電極部３３とで挟まれた領域に、それぞれ伝えられる。そして、伝搬された振動は、圧電効果によって、第２の電極部５２と第５の電極部３２との間、又は第３の電極部５３と第５の電極部３２との間から、電気信号に変換されて取り出される。ここで、第２の電極部５２と第５の電極部３２との間、及び第３の電極部５３と第６の電極部３３との間は、基本的に厚さが半波長に等しくなる周波数の共振で動作するため、第２の電極部５２及び第６の電極部３３から出力される電気信号、又は第３の電極部５３及び第５の電極部３２から出力される電気信号は、理想的に同振幅かつ逆位相のバランス信号となる。
このとき、第１の電極部５１と第４の電極部３１とで励振される機械振動には、下記で説明するように、異なる振動パターンの２つの振動モードが存在する。
なお、電気信号の印加は、第２の電極部５２と第６の電極部３３、又は第３の電極部５３と第５の電極部３２でもよく、この場合には上記と逆に第１の電極部５１と第４の電極部３１から電気信号が取り出されることになる。
【００２３】
薄膜弾性波共振子１の構造を等価回路で表現すると、図４に示すように２つの共振回路が存在することになる。この２つの共振回路は、電極の位置に対応して次のようにそれぞれ異なるパターンで振動する。第１のパターンは、第１の電極部５１及び第４の電極部３１の中心を正振動のピークとし、かつ、第２の電極部５２及び第５の電極部３２も第３の電極部５３及び第６の電極部３３も正振動となる振動をするパターンである（図５の振動モードＡ）。第２のパターンは、第１の電極部５１及び第４の電極部３１の中心を正振動のピークとし、かつ、第２の電極部５２、第３の電極部５３、第５の電極部３２及び第６の電極部３３の幅の中心を負振動のピークとして振動するパターンである（図５の振動モードＢ）。すなわち、第１の電極部５１、第２の電極部５２及び第３の電極部５３と、第４の電極部３１、第５の電極部３２及び第６の電極部３３との間の、全てで振動するパターンである。
【００２４】
振動モードＡでは、振動により発生する電荷は、共振周波数ｆｒ（Ａ）で最大となり、反共振周波数ｆａ（Ａ）で最小となる。一方、振動モードＢでは、振動により発生する電荷は、共振周波数ｆｒ（Ａ）とは異なる共振周波数ｆｒ（Ｂ）で最大となり、反共振周波数ｆａ（Ａ）とは異なる反共振周波数ｆａ（Ｂ）で最小となる。よって、振動モードＡの反共振周波数ｆａ（Ａ）と振動モードＢの共振周波数ｆｒ（Ｂ）とが近接した周波数領域では、薄膜弾性波共振子１の通過損失が小さくなり、かつ、その両側周波数領域においてプラス電荷とマイナス電荷のキャンセルが見られ、図６に示すような広い通過帯域を持ったフィルタ特性を実現することができる。
また、このとき、振動モードＡの反共振周波数ｆａ（Ａ）と振動モードＢの共振周波数ｆｒ（Ｂ）とが略一致するように各電極及び圧電体をそれぞれ適切に設定してやれば、通過帯域での損失をさらに小さくすることが可能であり、薄膜弾性波共振子１の低損失化を図ることができる。
【００２５】
以上のように、本発明の第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１によれば、単体共振子の構造で、モード結合度の向上によりエネルギー損失の低減を図り、かつ、広い通過帯域を有するバンドパスフィルタを実現することができる。また、対角位置にある上部電極及び下部電極（第２の電極部５２と第６の電極部３３、第３の電極部５３と第５の電極部３２）から電気信号を入出力することによって、バランス変換を実現することができる。
なお、第１の実施形態の薄膜弾性波共振子１では、下部電極３０に第４の電極部３１、第５の電極部３２及び第６の電極部３３の３つを形成する例を説明したが、図７及び図８に示すように下部電極３０に形成する電極部は２つであっても構わない。この構造による薄膜弾性波共振子は、上記と同様の効果を奏することができる。
【００２６】
（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る薄膜弾性波共振子２の構造例を示す上面図である。図１０Ａは、図９に示した薄膜弾性波共振子２のｃ−ｃ線に沿った断面図である。図９及び図１０Ａにおいて、第２の実施形態に係る薄膜弾性波共振子２は、キャビティ１１が形成された半導体基板１０の上に、下部電極３０、圧電体４０及び上部電極５０が順に形成された構造である。下部電極３０、圧電体４０及び上部電極５０は、振動部６０を構成する。
【００２７】
図１０Ａでわかるように、第２の実施形態に係る薄膜弾性波共振子２は、上記第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１の音響ミラー２０に代えて、半導体基板１０にキャビティ１１を設けた構造である。このキャビティ１１は、音響ミラー２０と同様に、振動部６０の共振振動を振動部６０内に閉じ込めるために設けられる。
【００２８】
よって、第２の実施形態に係る薄膜弾性波共振子２も上記第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１と同様に、単体共振子の構造で、モード結合度の向上によりエネルギー損失の低減を図り、かつ、広い通過帯域を有するバンドパスフィルタを実現することができる。また、対角位置にある上部電極及び下部電極から電気信号を入出力することによって、バランス変換を実現することができる。なお、図１０Ａでは、半導体基板１０の一部をエッチング等により陥没させてキャビティ１１を形成しているが、図１０Ｂのように半導体基板１０の上に支持層７０を積層してキャビティ１１を形成してもよい。
【００２９】
また、第２の実施形態の薄膜弾性波共振子２では、下部電極３０に第４の電極部３１、第５の電極部３２及び第６の電極部３３の３つを形成する例を説明したが、図１１及び図１２Ａに示すように下部電極３０に形成する電極部は２つであっても構わない。この構造による薄膜弾性波共振子でも、上記と同様の効果を奏することができる。なお、この構造の場合でも、図１２Ｂのように半導体基板の上に支持層を積層してキャビティを形成してもよい。
【００３０】
（第３の実施形態）
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子３の構造例を示す上面図である。図１４は、図１３に示した薄膜弾性波共振子３のｅ−ｅ線に沿った断面図である。図１３及び図１４において、第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子３は、半導体基板１０の上に、音響ミラー２０、下部電極３０、圧電体４０及び上部電極５０が順に形成された構造である。この構造は、上述した第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子１と同様であるが、下部電極３０及び上部電極５０に形成される電極の形状が以下のように異なる。
【００３１】
上部電極５０は、多角形状に形成された第１の電極部５４と、第１の電極部５４の外側に多角形状に形成された第２の電極部５５及び第３の電極部５６とで構成される。第１の電極部５４、第２の電極部５５及び第３の電極部５６は、相互に絶縁領域を介して電気的に分離されている。第２の電極部５５及び第３の電極部５６は、図１３に示すように内辺、外辺及びこの内辺と外辺とを結ぶ２つの線で囲まれた多角形である。この第２の電極部５５と第３の電極部５６とを絶縁領域部分で結んだ図形（多辺環）の外辺及び内辺の形状は、第１の電極部５４の多角形状の外辺縁と相似形である。このとき、多辺環の中心が、第１の電極部５４の中心と一致していることが好ましい。また、第１の電極部５４と第２の電極部５５との間隔及び第１の電極部５４と第３の電極部５６との間隔は、それぞれ圧電体４０の厚さ以上であることが好ましい。図１３は、第１の電極部５４の多角形として正方形を用いた例を示す。
【００３２】
同様に、下部電極３０は、多角形状に形成された第４の電極部３４と、第４の電極部３４の外側に多角形状に形成された第５の電極部３５及び第６の電極部３６とで構成される。第４の電極部３４、第５の電極部３５及び第６の電極部３６は、相互に絶縁領域を介して電気的に分離されている。第５の電極部３５及び第６の電極部３６は、内辺、外辺及びこの内辺と外辺とを結ぶ２つの線で囲まれた多角形である。この第５の電極部３５と第６の電極部３６とを絶縁領域部分で結んだ図形（多辺環）の外辺及び内辺の形状は、第４の電極部３４の多角形状の外辺縁と相似形である。このとき、多辺環の中心が、第４の電極部３４の中心と一致していることが好ましい。また、第４の電極部３４と第５の電極部３５との間隔及び第４の電極部３４と第６の電極部３６との間隔は、それぞれ圧電体４０の厚さ以上であることが好ましい。さらに、第４の電極部３４が圧電体４０を介して第１の電極部５４と対向する位置に、第５の電極部３５が圧電体４０を介して第２の電極部５５と対向する位置に、第６の電極部３６が圧電体４０を介して第３の電極部５６と対向する位置に、それぞれ設けられることが特性上最も好ましい。
【００３３】
上記構造による第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子３でも、第１の電極部５４と第４の電極部３４との間（又は、第２の電極部５５と第６の電極部３６との間、あるいは第３の電極部５６と第５の電極部３５との間）に電気信号が印加されると、図１５に示すように振動パターンの異なる振動モードＡ及び振動モードＢによる振動が生じる。よって、振動モードＡの反共振周波数ｆａ（Ａ）と振動モードＢの共振周波数ｆｒ（Ｂ）とが略一致するように各電極及び圧電体をそれぞれ適切に設定してやれば、広い通過帯域を持ったフィルタ特性を実現することができる（図６を参照）。
【００３４】
以上のように、本発明の第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子３によれば、単体共振子の構造で、モード結合度の向上によりエネルギー損失の低減を図り、かつ、広い通過帯域を有するバンドパスフィルタを実現することができる。また、対角位置にある上部電極及び下部電極から電気信号を入出力することによって、バランス変換を実現することができる。
【００３５】
（第４の実施形態）
図１６は、本発明の第４の実施形態に係る薄膜弾性波共振子４の構造例を示す上面図である。図１７Ａは、図１６に示した薄膜弾性波共振子４のｆ−ｆ線に沿った断面図である。図１６及び図１７Ａにおいて、第４の実施形態に係る薄膜弾性波共振子４は、キャビティ１１が形成された半導体基板１０の上に、下部電極３０、圧電体４０及び上部電極５０が順に形成された構造である。下部電極３０、圧電体４０及び上部電極５０は、振動部６０を構成する。
【００３６】
図１７Ａでわかるように、第４の実施形態に係る薄膜弾性波共振子４は、上記第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子３の音響ミラー２０に代えて、半導体基板１０にキャビティ１１を設けた構造である。このキャビティ１１は、音響ミラー２０と同様に、振動部６０の共振振動を振動部６０内に閉じ込めるために設けられる。
【００３７】
よって、第４の実施形態に係る薄膜弾性波共振子４も上記第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子３と同様に、単体共振子の構造で、モード結合度の向上によりエネルギー損失の低減を図り、かつ、広い通過帯域を有するバンドパスフィルタを実現することができる。また、対角位置にある上部電極及び下部電極から電気信号を入出力することによって、バランス変換を実現することができる。なお、図１７Ａでは、半導体基板１０の一部をエッチング等により陥没させてキャビティ１１を形成しているが、図１７Ｂのように半導体基板１０の上に支持層７０を積層してキャビティ１１を形成してもよい。
【００３８】
なお、本発明の薄膜弾性波共振子１〜４は、上述したように単独でフィルタとして使用される以外にも、他の薄膜弾性波共振子と任意に組み合わせて使用することができる。例えば、図１８に示すように、本発明の薄膜弾性波共振子１〜４をラダー型フィルタの最後段に挿入することができる。
【００３９】
また、本発明の薄膜弾性波共振子１〜４は、入力された電気信号を一旦振動に変換した後で再び電気信号に再変換して取り出す構造であるため、入力側の容量値Ｃｉｎと出力側の容量値Ｃｏｕｔとを変えることで、インピーダンス変換を行うことも可能となる（図１９を参照）。容量値Ｃは、誘電率ε、電極面積Ｓ及び圧電体厚さｔとすると、Ｃ＝εＳ／ｔで求められる。
【００４０】
また、上記第１〜第４の実施形態で説明したように、本発明の薄膜弾性波共振子では、第２の電極部と第３の電極部とが、第５の電極部と第６の電極部とが、それぞれ絶縁されていることが特性上最も好ましい。しかしながら、図２０に示すような配線を用いて、第２の電極部と第３の電極部とを、第５の電極部と第６の電極部とを、それぞれ接続しても構わない。
【００４１】
さらに、上記第１〜第４の実施形態において、下部電極３０と上部電極５０とで挟まれる圧電体４０は、一体で成膜されるため厚みは一定となる。その結果、第１の電極部と第３の電極部との間では、下部電極３０の厚さ分だけ圧電体４０の上面が窪んだ構造となる。しかし、例えば、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等の平坦化プロセスを用いることで、図２１のように、圧電体４０の上面をフラットにすることも可能である。この場合、第１の電極部と第３の電極部、及びその間の部分での共振周波数が近接するため、所望の振動（振動モードＡ及び振動モードＢ）がより励振しやすい等、使用上の利点も大きい。
【００４２】
（薄膜弾性波共振子を用いた通信機器の実施例）
図２２は、本発明の薄膜弾性波共振子を用いた通信機器の構成例を示す図である。図２２に示す通信装置は、第１〜第４の実施形態で説明した薄膜弾性波共振子１〜４をフィルタに用いた装置である。この通信機器は、少なくともアンテナと、送受信の周波数を切り替えるスイッチ素子又は共用器と、アンバランス信号をバランス信号へと変換しかつフィルタ機能を備えたフィルタとで構成される。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の薄膜弾性波共振子は、エネルギー損失の低減を図り、かつ、広い通過帯域を有するバンドパスフィルタを、単体で実現させたい場合等の利用に適している。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の構造上面図
【図２Ａ】本発明の第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の構造断面図（図１のａ−ａ断面図）
【図２Ｂ】本発明の薄膜弾性波共振子の基本的な構造断面図
【図３】本発明の第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の回路記号例
【図４】本発明の第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の等価回路図
【図５】本発明の第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子が発生する２つの振動モードを説明する図
【図６】本発明の第１の実施形態に係る薄膜弾性波共振子がバンドパスフィルタを構成する原理を説明する図
【図７】本発明の第１の実施形態に係る他の薄膜弾性波共振子の構造上面図
【図８】本発明の第１の実施形態に係る他の薄膜弾性波共振子の構造断面図（図７のｂ−ｂ断面図）
【図９】本発明の第２の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の構造上面図
【図１０Ａ】本発明の第２の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の構造断面図（図９のｃ−ｃ断面図）
【図１０Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の他の構造断面図
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る他の薄膜弾性波共振子の構造上面図
【図１２Ａ】本発明の第２の実施形態に係る他の薄膜弾性波共振子の構造断面図（図１１のｄ−ｄ断面図）
【図１２Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る他の薄膜弾性波共振子の他の構造断面図
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の構造上面図
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の構造断面図（図１３のｅ−ｅ断面図）
【図１５】本発明の第３の実施形態に係る薄膜弾性波共振子が発生する２つの振動モードを説明する図
【図１６】本発明の第４の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の構造上面図
【図１７Ａ】本発明の第４の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の構造断面図（図１６のｆ−ｆ断面図）
【図１７Ｂ】本発明の第４の実施形態に係る薄膜弾性波共振子の他の構造断面図
【図１８】本発明の薄膜弾性波共振子を用いたラダー型フィルタの構成例を示す図
【図１９】本発明の薄膜弾性波共振子を用いたインピーダンス変換を説明する図
【図２０】第２の電極部と第３の電極部との接続例を示す図
【図２１】本発明の第１〜第４の実施形態に係る薄膜弾性波共振子を応用した他の構造断面図
【図２２】本発明の薄膜弾性波共振子を用いた通信機器の構成例を示す図
【図２３】従来の薄膜弾性波共振子を説明するための図
【図２４】従来の薄膜弾性波共振子を用いたフィルタの構成図
【符号の説明】
【００１６】
１〜４、５００ 薄膜弾性波共振子
１０、５０５ 半導体基板
１１、５０４ キャビティ
２０ 音響ミラー
２１、２２ 音響インピーダンス層
３０ 下部電極
３１〜３６、５１〜５６、５０２、５０３ 電極部
４０、５０１ 圧電体
５０ 上部電極
６０ 振動部
１１１、１１２ アンテナ
１１３ スイッチ
１１４ フィルタ

Claims (23)

1. 所定の周波数で振動する薄膜弾性波共振子であって、
   圧電体と、
   前記圧電体の一方面上に形成された第１の電極部と、
   前記第１の電極部の外側に前記第１の電極部と絶縁された位置で、前記圧電体の一方面上に形成された第２の電極部と、
   前記第１の電極部の外側に前記第１の電極部及び前記第２の電極部と絶縁された位置で、前記圧電体の一方面上に形成された第３の電極部と、
   前記圧電体の一方面と対向する他方面上に形成された第４の電極部と、
   前記第４の電極部の外側に前記第４の電極部と絶縁された位置で、前記圧電体の他方面上に形成された第５の電極部と、
   前記第４の電極部の外側に前記第４の電極部及び前記第５の電極部と絶縁された位置で、前記圧電体の他方面上に形成された第６の電極部と、
   基板を少なくとも構成に含み、前記圧電体及び前記第１〜第６の電極部で形成される構成を支持する支持部とを備え、
   前記第１の電極部又は前記第４の電極部に電気信号が入力され、前記第２の電極部と前記第６の電極部又は前記第３の電極部と前記第５の電極部から電気信号が出力されるか、或いは前記第２の電極部と前記第６の電極部又は前記第３の電極部と前記第５の電極部に電気信号が入力され、前記第１の電極部又は前記第４の電極部から電気信号が出力されることを特徴とする、薄膜弾性波共振子。
2. 前記第１の電極部の面積と前記第４の電極部の面積とが略等しく、かつ、前記第２の電極部の面積と前記第５の電極部の面積とが略等しく、かつ、前記第３の電極部の面積と前記第６の電極部の面積とが略等しいことを特徴とする、請求項１に記載の薄膜弾性波共振子。
3. 前記第２の電極部と前記第５の電極部とが、及び前記第３の電極部と前記第６の電極部とが、それぞれ前記圧電体を介して対称的な位置に設けられていることを特徴とする、請求項２に記載の薄膜弾性波共振子。
4. 前記第１及び第４の電極部が円形状であり、かつ、前記第２、第３、第５及び第６の電極部が扇形状であることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜弾性波共振子。
5. 前記第１及び第４の電極部が円形状であり、かつ、前記第２、第３、第５及び第６の電極部が扇形状であることを特徴とする、請求項２に記載の薄膜弾性波共振子。
6. 前記第１から第６の電極部がすべて多角形状であることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜弾性波共振子。
7. 前記第１から第６の電極部がすべて多角形状であることを特徴とする、請求項２に記載の薄膜弾性波共振子。
8. 前記第１の電極部の円中心と前記第２及び第３の電極部の円弧中心とが一致し、かつ、前記第４の電極部の円中心と前記第５及び第６の電極部の円弧中心とが一致していることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜弾性波共振子。
9. 前記第１の電極部の円中心と前記第２及び第３の電極部の円弧中心とが一致し、かつ、前記第４の電極部の円中心と前記第５及び第６の電極部の円弧中心とが一致していることを特徴とする、請求項２に記載の薄膜弾性波共振子。
10. 前記支持部は、キャビティが設けられた基板で構成され、当該キャビティの上に前記第４から第６の電極部が配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜弾性波共振子。
11. 前記支持部は、基板と、基板上にキャビティを形成するために積層された支持層とで構成され、当該キャビティの上に前記第４から第６の電極部が配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜弾性波共振子。
12. 前記支持部は、基板と、音響的に高インピーダンスとなる層と低インピーダンスとなる層とが交互に積層されてなる音響ミラーとで構成され、当該音響ミラーの上に前記第４から第６の電極部が配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜弾性波共振子。
13. 前記第１の電極部と前記第２の電極部との間隔及び前記第１の電極部と前記第３の電極部との間隔は、前記圧電体の厚さ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜弾性波共振子。
14. 所定の周波数で振動する薄膜弾性波共振子であって、
    圧電体と、
    前記圧電体の一方面上に形成された第１の電極部と、
    前記第１の電極部の外側に前記第１の電極部と絶縁された位置で、前記圧電体の一方面上に形成された第２の電極部と、
    前記第１の電極部の外側に前記第１の電極部及び前記第２の電極部と絶縁された位置で、前記圧電体の一方面上に形成された第３の電極部と、
    前記圧電体の一方面と対向する他方面上に、前記第１の電極部及び前記第３の電極部と対称的な位置に形成された第４の電極部と、
    前記第４の電極部と絶縁され、かつ、前記第２の電極部と対称的な位置で、前記圧電体の他方面上に形成された第５の電極部と、
    基板を少なくとも構成に含み、前記圧電体及び前記第１〜第５の電極部で形成される構成を支持する支持部とを備え、
    前記第１の電極部に電気信号が入力され、前記第３の電極部と前記第５の電極部から電気信号が出力されるか、又は前記第３の電極部と前記第５の電極部に電気信号が入力され、前記第１の電極部から電気信号が出力されることを特徴とする、薄膜弾性波共振子。
15. 前記第１の電極部が円形状であり、かつ、前記第２及び第３の電極部が扇形状であることを特徴とする、請求項１４に記載の薄膜弾性波共振子。
16. 前記第１から第３の電極部が多角形状であることを特徴とする、請求項１４に記載の薄膜弾性波共振子。
17. 前記第１の電極部の中心と前記第２及び第３の電極部の中心とが一致していることを特徴とする、請求項１４に記載の薄膜弾性波共振子。
18. 前記支持部は、キャビティが設けられた基板で構成され、当該キャビティの上に前記第４及び第５の電極部が配置されていることを特徴とする、請求項１４に記載の薄膜弾性波共振子。
19. 前記支持部は、基板と、基板上にキャビティを形成するために積層された支持層とで構成され、当該キャビティの上に前記第４及び第５の電極部が配置されていることを特徴とする、請求項１４に記載の薄膜弾性波共振子。
20. 前記支持部は、基板と、音響的に高インピーダンスとなる層と低インピーダンスとなる層とが交互に積層されてなる音響ミラーとで構成され、当該音響ミラーの上に前記第４及び第５の電極部が配置されていることを特徴とする、請求項１４に記載の薄膜弾性波共振子。
21. 前記第１の電極部と前記第２及び第３の電極部との間隔は、前記圧電体の厚さ以上であることを特徴とする、請求項１４に記載の薄膜弾性波共振子。
22. 複数の薄膜弾性波共振子からなるフィルタであって、
    前記複数の薄膜弾性波共振子のうち少なくとも１つが、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の薄膜弾性波共振子である、フィルタ。
23. 請求項２２に記載のフィルタを備えた、通信機器。

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