JPWO2009011148A1 - 圧電薄膜共振素子及びこれを用いた回路部品 - Google Patents
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Abstract
圧電薄膜共振素子（１）は、楕円の平面形状を有し、外周に２５°〜５５°の範囲内の所定の角度（例えば、およそ３０°）で傾斜した傾斜部（３ａ）を有する下面電極（３）と楕円の平面形状を有する上面電極（５）と両電極に挟まれた圧電膜（４）との積層構造からなる共振部を具備する。上面電極（５）の下面電極（３）の傾斜部（３ａ）が対向する位置の一部に付加膜（８）が設けられ、これにより共振部の下面電極（３）の傾斜部（３ａ）における積層厚のうち一部の積層厚Ｈcが共振部の下面電極（３）の傾斜部（３ａ）より内側部分における積層厚ＨAよりも厚くなっている。
Description
本発明は、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプやＳＭＲ(Solidly Mounted Resonator)タイプの圧電薄膜共振素子、この圧電薄膜共振素子を用いたフィルタや分波器などの回路部品に関する。
圧電薄膜共振素子は、周知のように、圧電膜の上面及び下面を電極で挟み、下面電極の下部に空隙または音響多層膜を設けた構造を有している。圧電薄膜共振素子は、圧電膜の上面電極と下面電極との間に電気信号を入力し、圧電膜によって機械的変位に変換するとともに、圧電膜、上面電極及び下面電極の部分の膜厚と下面電極下部の空隙または音響多層膜によって特定の周波数の機械的変位のみを抽出し、その機械的変位を電気信号に再変換して外部に出力する機能を有する。
圧電薄膜共振素子のうち、下面電極の下部に空隙を設けたタイプは「ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）」と呼ばれ、下面電極の下部に音響多層膜を形成したタイプは「ＳＭＲ(Solidly Mounted Resonator)」と呼ばれている。
例えば、ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振素子は、基本的な構造として、図２２、図２３に示す構造を有している。なお、図２２は、ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振素子の平面図であり、図２３は、図２２のＸ−Ｘ線断面図である。図２２の点描部は圧電薄膜共振素子の共振部を示している。
圧電薄膜共振素子１００は、主要構成要素として基板１０１、下面電極１０２、圧電膜１０３、上面電極１０４、端子電極１０２Ａ及び端子電極１０４Ａを有している。下面電極１０２、圧電膜１０３及び上面電極１０４は、矩形形状をなし、基板１０１の上面にこの順に積層されている。下面電極１０２と上面電極１０４はほぼ同じ面積を有し、圧電膜１０３は下面電極１０２及び上面電極１０４よりも広い面積を有している。基板１０１の下面電極１０２と上面電極１０４が対向する位置に、その対向する部分よりも僅かに広い開口面を有する空隙１０５が形成されている。
上面電極１０４と下部電極１０２との間に高周波信号を印加すると，圧電膜１０３の内部に、逆圧電効果によって弾性波が励振される。この弾性波は、圧電膜１０３の膜厚方向の面（図２３のｚｙ面）に沿って振動する波１０６ｂ（以下、「縦振動波」という。）と圧電膜１０３の膜に平行な方向の面（図２２のｘｙ面）に沿って振動する波１０６ａ（以下、「横振動波」という。）を含む。
縦振動波１０６ｂは圧電膜１０３の上面電極１０４側の端面と下面電極１０２側の端面でそれぞれ反射されるので、圧電膜１０３内では、圧電膜１０３、上面電極１０４及び下面電極１０２の各膜厚の合計Ｈとこれらの材料によって決定される弾性波の伝播速度Ｖによって決定される所定の周波数の縦弾性波１０６ｂに対して共振が生じ、それ以外の周波数の縦弾性波１０６ｂは減衰する。従って、縦弾性波１０６ｂの周波数ｆにはｆ＝ｎ×Ｖ／２Ｈ（ｎは整数）の関係を満たす周波数（共振周波数）が含まれ、その共振周波数の縦弾性波１０６ｂが電気信号に再変換されて外部に出力される。
圧電薄膜共振素子１００は、上記のように、高周波の電気信号（電気エネルギー）を逆圧電効果と機械構造に基づく共振現象を利用して特定の周波数の弾性波（機械エネルギー）に変換する構成と、特定の周波数の弾性波（機械エネルギー）をその周波数の電気信号（電気エネルギー）に再変換する構成とを有している。電気−機械エネルギー変換の部分で発生する弾性波のうち、横弾性波１０６ａの機械エネルギーは電気エネルギーに再変換され難いので、横弾性波１０６ａは圧電薄膜共振素子のエネルギー変換動作においてエネルギー損失を生じさせる。
また、横弾性波１０６ａは、圧電薄膜共振素子１００の共振特性にスプリアスを発生させ、その共振特性における振幅特性及び位相特性を悪化させる。この結果、例えば、複数個の圧電薄膜共振素子１００を組み合わせて作成されるフィルタの通過帯域にリップルを生じさせるとともに、挿入損失や群遅延の特性などを悪化させる要因となる。
ところで、圧電薄膜共振素子は、高周波の電気信号から特定の周波数を抽出するフィルタに適した素子であり、例えば、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）を用いた共振素子よりも低損失で、耐電力性やＥＳＤ（electro-static discharge;静電気放電）特性等に優れていることから、携帯型無線機器等の送受信用のフィルタや分波器などの構成素子として需要が高まっている。
そして、携帯型無線機器等の送信用のフィルタや分波器では低消費電力が要求され、受信用のフィルタでは高受信感度が要求されることから、圧電薄膜素子にはエネルギー損失の低減と高いＱ値が求められている。
そこで、従来、圧電薄膜共振素子のＱ値を高める方法や横弾性波の発生を抑制し、エネルギー損失やスプリアスを低減する方法が提案されている。
例えば、特表２００３−５０５９０６の公報（特許文献１）や特開２００６−５９２４の公報（特許文献２）には、圧電膜１０３を、角周波数ωが遮断周波数ωcより低い領域で波数ｋが実数となる分散関係ｋ（ω）を有する材料で構成し、図２４に示すように、上面電極１０４の外縁部の膜厚をそれよりも内側部分の膜厚よりも薄くすることにより、スプリアスを低減させることが示されている。なお、図２４は、図２３において、上面電極１０４の外縁部に段差を設け、その段差部分１０４ａの膜厚Ｈ２をそれよりも内側部分の膜厚Ｈ１よりも薄くしたものである。上記の分散関係ｋ（ω）を有する圧電膜１０３は、ポアソン比が１／３以下の均質な材料を用いた場合が該当し、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いて実現される。
また、特開２００６−１０９４７２（特許文献３）の公報には、圧電膜１０３を上記の分散関係ｋ（ω）を有する材料で構成し、図２５に示すように、上面電極１０４の外縁部の膜厚をそれよりも内側部分の膜厚よりも厚くすることにより、共振特性のＱ値を高めることが示されている。なお、図２５は、図２３において、上面電極１０４の外縁部に突出部１０４ｂを設け、その突出部１０４ｂの膜厚Ｈ３をそれよりも内側部分の膜厚Ｈ１よりも厚くしたものである。
また、特開２００６−１２８９９３の公報（特許文献４）には、図２６に示すように、圧電膜１０３の上面電極１０４からはみ出している部分を除去することにより、横弾性波１０６ａの漏れを抑制することが示されている。なお、図２６では、圧電膜１０３の幅（ｙ方向の寸法）を上面電極１０４の幅よりも僅かに長くしているが、圧電膜１０３の存在を示すために作図上、そのように描いたもので、圧電膜１０３の幅は上面電極１０４の幅と略同一である。
また、特開２００６−１２８９９３の公報（特許文献４）には、図２７に示すように、上面電極１０４の端子電極１０４Ａの上面に付加電極１０７を設けることにより、横弾性波１０６ａの漏れを抑制し、共振特性のＱ値および電気機械結合係数の改善を図ることが示されている。なお、図２７において、付加電極１０７の先端と下面電極１０２の先端との間に距離Ｄを設けているのは、付加電極１０７の先端と下面電極１０２の先端とが重複すると特性が劣化するので、製造上で両先端が重複しないようにするためである。
ところで、特表２００３−５０５９０６、特開２００６−５９２４及び特開２００６−１０９４７２の各公報に示される、圧電薄膜共振素子１００の上面電極１０４の外縁部の膜厚を調整してスプリアスを低減したり、共振特性のＱ値を改善したりする方法は、膜厚を厚くすると、スプリアス特性は改善されるが、共振特性のＱ値は悪化し、逆に膜厚を薄くすると、共振特性のＱ値は改善されるが、スプリアス特性は悪化する傾向がある。
このような傾向が生じる原因は、図２８を用いて、以下のように解釈することができる。なお、図２８は、図２５において、下面電極１０２、圧電膜１０３及び上面電極１０４の積層部分の領域を、上面電極１０４の外縁部に設けられた突出部１０４ｂと下面電極１０２とが対向する領域を領域（Ｂ）、その領域（Ｂ）よりも外側の領域を領域（Ｃ）、領域（Ｂ）よりも内側の領域を領域（Ａ）の３つの領域に分割し、各領域（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）の音響インピーダンスをＺA，ＺB，ＺCと定義した図である。
上面電極１０４の外縁部に突出部１０４ｂを設けた場合、領域（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）の各領域の厚みＨA，ＨB，ＨCはＨC＜ＨA＜ＨBの関係になるから、音響インピーダンスＺA，ＺB，ＺCの大小関係はＺC＜ＺA＜ＺBとなる。領域（Ｂ)の音響インピーダンスＺBが領域（Ａ)，（Ｃ)の音響インピーダンスＺA，ＺCよりも大きくなることにより、領域(Ａ)と領域（Ｃ)の音響インピーダンスの不整合は増大されるので、高次の対称および非対称の横モードの弾性波が領域（Ｂ)で反射され、領域（Ｃ）には漏洩し難くなる。
この結果、主振動の周波数近傍での横弾性波の漏洩の減少が圧電薄膜共振素子１００の共振特性のＱ値の向上に寄与することになるが，領域（Ａ）では、領域（Ｂ）での横弾性波の反射によりスプリアスの発生要因となる横弾性波の定在波が生じ易くなるので、圧電薄膜共振素子１００のスプリアス特性は逆に悪化することになる。
一方、図２４に示すように、上面電極１０４の外縁部に段差１０４ａを設けた場合、領域（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）の各領域の厚みＨA，ＨB，ＨCはＨC＜ＨB＜ＨAの関係になるから、音響インピーダンスＺA，ＺB，ＺCの大小関係はＺC＜ＺB＜ＺAとなる。領域（Ｂ)の音響インピーダンスＺBが領域（Ａ)，（Ｃ)の音響インピーダンスＺA，ＺCの中間になることにより、領域(Ａ)と領域（Ｃ)の音響インピーダンスの不整合は緩和されるので、高次の対称および非対称の横モードの弾性波が領域（Ｃ）に漏洩し易くなる。
この結果、領域（Ａ）では、領域（Ｂ）から領域（Ｃ）への横弾性波の漏洩によりスプリアスの発生要因となる横弾性波の定在波が生じ難くなるので、圧電薄膜共振素子１００のスプリアス特性は改善されるが、同時に主振動の周波数近傍での横弾性波の漏洩も増加するので、圧電薄膜共振素子１００の共振特性のＱ値は逆に悪化することになる。
従って、単純に領域（Ｂ）の厚みを領域（Ａ），（Ｃ）より厚くしたり、領域（Ａ），（Ｃ）の中間にするように調整するだけでは、圧電薄膜共振素子１００の共振特性のＱ値とアプリアス特性の両方を改善することは困難である。
次に、特開２００６−１２８９９３の公報に示される、上面電極１０４の端子電極１０４Ａの上面に付加電極１０７を設ける方法には以下の問題がある。
圧電薄膜共振素子１００の製造において、下面電極１０２のエッジ部分が直角になっていると、このエッジ部分を基点としてクラックが入り、共振部を形成するメンブレンが破壊しやすく信頼性に問題があるので、下面電極１０２の先端には、図２９に示すように、傾斜面１０２ａが設けられている。このため、下面電極１０２の上側に積層される圧電膜１０３に傾斜が生じ、圧電膜１０３の上側に積層される上面電極１０４にも傾斜面１０４ｃが生じ易い。この結果、下面電極１０２、圧電膜１０３及び上面電極１０４の傾斜部分の膜厚がそれ以外の部分の膜厚よりも薄くなり、この傾斜部分で音響インピーダンスが変化する。
すなわち、図２９に示すように、下面電極１０２、圧電膜１０３及び上面電極１０４の積層部分の領域を、下面電極１０２の傾斜面１０２ａと上面電極１０４の傾斜面１０４ｃとが対向する領域を領域（Ｂ）、その領域（Ｂ）よりも外側の領域を領域（Ｃ）、領域（Ｂ）よりも内側の領域を領域（Ａ）の３つの領域に分割し、各領域（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）の音響インピーダンスをＺA，ＺB，ＺCとすると、ＺC＜ＺB＜ＺAとなる。
この音響インピーダンスの大小関係は、図２４に示した上面電極１０４の外縁部に段差１０４ａを設けた場合と同じであり、上面電極１０４の端子電極１０４Ａの上面に付加電極１０７を設ける方法は圧電薄膜共振素子１００の共振特性のＱ値が悪化する要因を含むという問題がある。
本発明は、上記問題に鑑みて考案されたものであり，共振特性の高Ｑ化とスプリアス及びエネルギー損失の低減とを図った圧電薄膜共振素子とこの圧電薄膜共振素子を用いたフィルタや分波器などの回路部品を提供することを目的とする。
本発明の第１の側面によって提供される圧電薄膜共振素子は、所定の平面形状を有する圧電膜と、この圧電膜の下面に形成され、外周に膜面に対して所定の角度で傾斜した傾斜部を有する下面電極と、前記圧電膜の上面に形成される上面電極との積層構造からなる共振部を具備した圧電薄膜共振素子であって、前記傾斜部の角度が２５°から５５°の範囲に設定されていることを特徴としている。
なお、上記の圧電薄膜共振素子において、前記傾斜部は、前記下面電極の外周の一部に設けられているとよい。
本発明の第２の側面によって提供される圧電薄膜共振素子は、所定の平面形状を有する圧電膜と、この圧電膜の下面に形成され、外周に膜面に対して所定の角度で傾斜した傾斜部を有する下面電極と、前記圧電膜の上面に形成される上面電極との積層構造からなる共振部を具備し、前記共振部の前記下面電極の傾斜部における積層領域の一部の音響インピーダンスが前記共振部の前記下面電極の傾斜部より内側の積層領域の音響インピーダンスよりも大きく設定されていることを特徴としている。
本発明の第３の側面によって提供される圧電薄膜共振素子は、所定の平面形状を有する圧電膜と、この圧電膜の下面に形成され、外周に膜面に対して所定の角度で傾斜した傾斜部を有する下面電極と、前記圧電膜の上面に形成される上面電極との積層構造からなる共振部を具備し、前記上面電極の前記傾斜部が対向する位置の一部に付加膜を設けることにより、前記共振部の前記下面電極の傾斜部における積層厚のうち一部の積層厚が前記共振部の前記下面電極の傾斜部より内側部分における積層厚よりも厚くなっていることを特徴としている。
なお、上記の圧電薄膜共振素子において、前記上面電極には外部接続用の端子電極が延設されており、前記付加膜は前記上面電極の上面の前記傾斜部が対向する位置から前記端子電極に渡って設けられているとよい。
あるいは、上記の圧電薄膜共振素子において、前記上面電極には外部接続用の端子電極が延設されており、前記付加膜は、前記上面電極の前記下面電極の傾斜部よりも内側から当該傾斜部が対向する位置を通って前記上面電極の前記端子電極に渡って設けられているとよい。
更に、上記の圧電薄膜共振素子において、前記付加膜に代えて、前記上面電極の当該付加膜が設けられる部分の膜厚をそれ以外の部分の膜厚よりも厚くすることにより、前記共振部の前記下面電極の傾斜部における積層厚のうち一部の積層厚が前記共振部の前記下面電極の傾斜部より内側部分における積層厚よりも厚くなっているようにしてもよい。
また、上記の圧電薄膜共振素子において、前記共振部の前記下面電極の傾斜部より内側部分の積層厚と略同一の積層厚を有する前記共振部の外周部分における前記圧電膜に、膜面に対して所定の角度で傾斜した傾斜部が設けられ、前記圧電膜の外周が前記上面電極の外周より内側に設定されているとよい。
また、本発明の第２または第３の側面によって提供される圧電薄膜共振素子において、前記傾斜部の角度が２５°から５５°の範囲に設定されているとよい。
また、本発明の第１ないし第３の側面によって提供される圧電薄膜共振素子において、前記圧電膜は、（００２）方向を主軸とする配向性を有する窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛で形成するとよい。
本発明の第４の側面によって提供される回路部品は、本発明に係る圧電薄膜共振素子を少なくとも一つ含むことを特徴としている。
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
図１は、本発明に係る圧電薄膜共振素子の第１実施形態の基本的な構造を示す図である。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。なお、図１（ａ）では付加膜８を端子電極７より僅かに内側に描いているが、端子電極７の存在を示すために作図上、そのように描いたもので、付加膜８と端子電極７はほぼ同じサイズである。また、上面電極５及び端子電極７は見やすくするために太線で描き、付加膜８には点描を付している。これらの点は他の対応する平面図でも同様である。
図１に示す圧電薄膜共振素子１はＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプである。圧電薄膜共振素子１は主要構成要素として基板２、下面電極３、圧電膜４、上面電極５、端子電極６、端子電極７及び付加膜８を有している。
下面電極３は楕円形状をなし、その楕円形状を長軸で二分した一方の楕円状の端部（図１では左側の端部）に短軸に沿って端子電極６が延設されている。同様に、上面電極５も楕円形状をなし、その楕円形状を長軸で二分した他方の楕円状の端部（図１では右側の端部）に短軸に沿って端子電極７が延設されている。従って、下面電極３及び端子電極６と上面電極５及び端子電極７とはそれぞれ全体として前方後円形の電極膜となっている。
下面電極３のうち共振部を構成する部分は、エッジが直角になっているとクラックなどにより破壊するおそれがあるので、図１（ｂ）に示すように、その端部を基板２の上面に対して傾斜させている。特に、図１（ａ）の（イ）から時計回りに（ロ）までの範囲Ｗ１では、弾性波の横漏れを防ぐための最適な傾斜角αがあり、上面電極５の範囲Ｗ１の部分の傾斜角αは、２５°〜５５°の範囲内の最適な傾斜角（例えば、およそ３０°）に設定されている。なお、傾斜角αを２５°〜５５°の範囲に選定する技術的意義については後述する。
なお、下面電極３及び端子電極６は一体的にパターニングがされるので、本実施形態では、下面電極３及び端子電極６の前方後円形の電極膜の端部をおよそ３０°の傾斜角αで傾斜させている。
また、上面電極５及び端子電極７の前方後円形の電極膜についても、下面電極３及び端子電極６と同様に、その端部におよそ３０°の傾斜角αが設けられている。特に、図１（ａ）の（イ）から反時計回りに（ロ）までの範囲Ｗ２の部分の傾斜角αはおよそ３０°に設定されている。
圧電膜４は上面電極５及び端子電極７とほぼ同じ前方後円形の形状を有している。付加膜８は端子電極７とほぼ同じ矩形形状を有しているが、上面電極５に一部重なるように、付加膜８の上面電極５側を臨む端部（図１では左側の端部）が端子電極７よりも僅かに長く延びている。その端部は、上面電極５の傾斜部分を超え、平坦部に寸法ｄ１だけ食み出すように延びている。
圧電膜４の端部の周囲は、図１（ｂ）に示すように、下面電極３の上面に対して角度β（例えば、５０°〜６０°程度）で傾斜している。なお、図１（ｂ）では、圧電膜４の右端の断面も傾斜させているが、この傾斜は積極的に傾斜させたものではない。
下面電極３及び端子電極５の各電極膜、圧電膜４、下面電極５及び端子電極７の各電極膜、付加膜８は基板２の上面にこの順に積層されている。基板２の下面電極３と上面電極５が対向する位置に、その対向する部分よりも僅かに広い開口面を有する空隙９が形成されている。
基板２はシリコン（Ｓｉ）基板やガラス基板で構成される。空隙９は基板２の裏面から、例えば、フッ素系のガスでドライエッチングを行うことにより形成される。なお、空隙９は基板表面に設けた犠牲層にウェットエッチング等を行うことによっても形成することができる。
下面電極３及び端子電極６の各電極膜と上面電極５及び端子電極７の各電極膜はアルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ），モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ），タンタル（Ｔａ），白金（Ｐｔ），ルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ），イリジウム（Ｉｒ）等を含む金属電極膜で構成される。圧電膜４はポアソン比が１／３以下の均質な材料を用いた薄膜で構成される。圧電膜４には、（００２）方向を主軸とする配向性を示す窒化アルミニウム（ＡｌＮ），酸化亜鉛（ＺｎＯ），チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）等を用いた薄膜が含まれる。
下面電極３及び端子電極６の各電極膜、上面電極５及び端子電極７の各電極膜、圧電膜４は、例えば、製膜，露光，エッチング工程により形成される。下面電極３の傾斜部３ａは、例えば、イオンミリング法を用いて斜めにエッチングすることにより角度αに傾斜させて形成される。或いは、フォトレジストをマスク材としてＡｒイオンによるドライエッチング法を用いて下面電極３を形成する場合は、フォトレジストの端部形状を制御することにより下面電極３の端部の傾斜角αを所望の角度に形成される。なお、フォトレジストの端部形状は、現像後の過熱温度、過熱時間、加熱雰囲気を制御することにより調整することができる。また、圧電膜４の傾斜した部分４ａ（以下、「傾斜部４ａ」という。）はウェットエッチング法を用いて圧電膜４をエッチングすることにより所望の角度βに傾斜させて形成される。
付加膜８は金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）等を含む金属膜で構成される。例えば、付加膜８は下地膜としてチタン（Ｔｉ）の薄膜を形成し、その上に金（Ａｕ）の薄膜を形成した二層膜によって構成される。付加膜８を金（Ａｕ）とチタン（Ｔｉ）の二層膜で形成する場合は、この二層膜をフリップチップ実装のためのバンプ形成用の下地に兼用することができるので、製造工程を複雑化させることがない利点がある。
次に、圧電薄膜共振素子１の共振動作について説明する。
図１において、下面電極３、圧電膜４及び上面電極５が重なる部分は弾性波が共振する部分（以下、「共振部」という。）であり、それ以外の部分は弾性波が共振しない部分（以下、「非共振部」という。）である。下面電極３及び上面電極５の重なる部分は楕円形状であるので、圧電薄膜共振素子１の中央の楕円形状の部分が共振部となる。
図１（ｂ）に示すように、楕円形状の共振部の短軸方向の領域を、下面電極３の傾斜部３ａと上面電極５及び付加膜８とが重なる領域を領域（Ｃ）、この領域（Ｃ）よりも外側の圧電膜４と上面電極５及び付加膜８とが重なる領域を領域（Ｄ）、領域（Ｃ）よりも内側の領域で下面電極３と上面電極５及び付加膜８とが重なる領域（付加膜８の端部が上面電極５にｄ１だけ延び出した領域）を領域（Ｂ）、この領域（Ｂ）よりも内側の下面電極３と上面電極５とが重なる領域を領域（Ａ）の４つの領域に分割し、各領域（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の膜厚をＨA，ＨB，ＨC，ＨDとし、音響インピーダンスをＺA，ＺB，ＺC，ＺDとする。
なお、音響インピーダンスは材料の密度と音速の積で表され、材料が決まると、その材料の固有の値を有する。領域（Ａ）の音響インピーダンスＺAは、下面電極３、圧電膜４及び上面電極５の積層部分全体で決定される固有の値であり、領域（Ｂ），（Ｃ）の音響インピーダンスＺB，ＺCは、下面電極３、圧電膜４、上面電極５及び付加膜８の積層部分全体で決定される固有の値であり、領域（Ｄ）の音響インピーダンスＺDは、圧電膜４、上面電極５及び付加膜８の積層部分全体で決定される固有の値である。
領域（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の膜厚の大小関係を、図１（ｂ）に示されるように、ＨA＜ＨD＜ＨC＜ＨBとし、音響インピーダンスの大小関係もＺA＜ＺD＜ＺC＜ＺBとなるように設定する。領域（Ｂ），（Ｃ）の音響インピーダンスＺB，ＺCが領域（Ａ)，（Ｄ）の音響インピーダンスＺA，ＺDよりも大きくなることにより領域(Ａ)と領域（Ｄ)の音響インピーダンスの不整合は増大するので、楕円形状の共振部の中心Ｏから放射状に伝播した横弾性波のうち端子電極７側に伝播した高次の対称および非対称の横モードの弾性波（より具体的には、図１（ａ）の（イ）から時計回りに（ロ）までの範囲Ｗ１に伝播した横弾性波）が領域（Ｂ)で反射され、領域（Ｃ），（Ｄ）には漏洩し難くなる。
一方、楕円形状の共振部のうち、図１（ａ）の（イ）から反時計回りに（ロ）までの範囲Ｗ２は、圧電膜４の断面形状が、図１（ｂ）に示すように下面電極３の上面に対して角度βで傾斜し、上面電極５の端部が庇のように突出しているので、このような断面形状を有していない場合に比べて共振部の反共振インピーダンスが大きい。従って、楕円形状の共振部の中心Ｏから放射状に伝播した横弾性波のうち上記の範囲Ｗ２に伝播した横弾性波の非共振部側への漏洩が抑制される。
この結果、横弾性波の非共振部側への漏洩が抑制され、圧電薄膜共振素子１のエネルギー損失の低減と共振特性のＱ値の向上を図ることができる。
また、楕円形状の共振部の外周に付加膜８を設けた場合、その付加膜８の幅寸法によってスプリアスの発生周波数が変化するが、付加膜８は、図１（ａ）に示すように、楕円形状の共振部の端子電極７との境界部分にのみ設けられ、それ以外の部分には設けられていないので、共振部の付加膜８が設けられている部分（図１（ａ）の（イ）から時計回りに（ロ）までの範囲Ｗ１の部分）とそれ以外の部分で共振部におけるスプリアスの発生周波数が異なることになる。
すなわち、共振部におけるスプリアスの発生は非対称になる。このため、共振部における付加膜８が設けられている部分と設けられていない部分で発生するスプリアスが相互に打ち消し合う作用をすることになり、スプリアス発生も抑制される。
すなわち、従来では共振特性のＱ値、スプリアス特性及びエネルギー損失の全てを改善することはできなかったが、本実施形態に係る圧電薄膜共振素子１によれば、共振特性の高Ｑ化とスプリアスの低減とを図ることができる。
また、付加膜８を導体で構成しているので、上面電極５及び端子電極７の抵抗を下げることができ、圧電薄膜共振素子１のＱ値がより改善される。
また、付加膜８を領域（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）に亘って形成するので、上部電極５及び端子電極７の傾斜部分にクラックが発生することを防止することができ、信頼性を向上させることができる。
図２は、約２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振素子１を試作し、１ポート特性のリターンロスを測定した測定結果を示す図である。
試作した圧電薄膜共振素子１は、シリコンの基板２に、ルテニウム（Ｒｕ）２４０ｎｍｍとクロム（Ｃｒ）１００ｎｍの２層膜からなる下面電極３及び端子電極６、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）１１５０ｎｍの１層膜からなる圧電膜４、ルテニウム（Ｒｕ）２４０ｎｍｍの１層膜からなる上面電極５及び端子電極７、金（Ａｕ）５００ｎｍとチタン（Ｔｉ）１００ｎｍの２層膜からなる付加膜８を積層したものである。共振部は長軸２００μｍ、短軸１６５μｍのサイズを有する楕円形状である。下面電極３の傾斜部３ａの傾斜角は約３０°である。付加膜８が上面電極５側に延出している寸法ｄ１は２μｍである。
図２において、Ｐ点は共振周波数ｆP（１９６３ＭＨｚ）であり、Ｑ点は反共振周波数ｆQ（２０２４ＭＨｚ）である。縦軸は減衰量（ｄＢ）を示し、横軸は周波数（ＭＨｚ）を示している。
０ｄＢからの減衰量が小さいほど、圧電薄膜共振素子１のＱ値が高いことを意味する。また、共振周波数ｆP以下の領域で減衰量が頻繁に急変しているのは、スプリアスの発生状態を示している。この変動量が小さいほど、スプリアスが小さいことを意味する。
図３は、図２の特性を評価するために試作した約２ＧＨｚの共振周波数を有する比較用の圧電薄膜共振素子の基本的な構造を示す図であり、図４は、その比較用の圧電薄膜共振素子の１ポート特性のリターンロスを測定した測定結果を示す図である。
図３に示す比較用の圧電薄膜共振素子の基本的な構造は、図１に示す第１実施形態の圧電薄膜共振素子１の基本的な構造に対して、付加膜８の短軸方向における長さが異なるのみである。
すなわち、図３（ａ）と図１（ａ）を対比すれば明らかなように、従来構成の圧電薄膜共振素子１’の付加膜８は、領域（Ｄ）の空隙９に重ならない部分にのみ設けられ、領域（Ｂ），（Ｃ）の部分まで延びていない構成となっている。なお、領域（Ｄ）の空隙９と重なる部分の寸法ｄ２は約５μｍである。
図２と図４のリターンロスの特性を比較すると、第１実施形態に係る圧電薄膜共振素子１の方がＰ点（共振周波数ｆp）で約０．０２５ｄＢ、Ｑ点（反共振周波数ｆQ）で約０．０６ｄＢ、減衰量が小さく、いずれの周波数でもＱ値が高いことが分かる。また、共振周波数ｆp以下の領域の減衰量の変動幅も平均して第１実施形態に係る圧電薄膜共振素子１の方が小さく、スプリアスも小さくなっていることが分かる。
従って、ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振素子１を図１に示す構造とすることにより、共振特性の高Ｑ化とスプリアスの低減とを図ることができると言える。
次に、下面電極３の傾斜角αを２５°〜５５°の範囲に選定する技術的意義について説明する。
図５は、下面電極の端部の傾斜が圧電薄膜共振素子の共振特性に及ばす影響を数値解析によって考察するための圧電共振素子のモデル図である。図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
図５に示す圧電薄膜共振素子のモデル図は、図１に示す圧電薄膜共振素子１に対して、付加膜８を設けていない点と、圧電膜４を端子電極６の上面まで設けている点で基本構成が異なるだけである。基板２の材料はシリコン、圧電膜４の材料は窒化アルミニウム、下部電極３及び端子電極６と上部電極５及び端子電極７の材料はルテニウムである。また、基板２の厚みＨは３００μｍ、圧電膜４の厚みＨ２は１２００ｎｍ、下部電極３及び端子電極６の厚みＤ１と上部電極５及び端子電極７の厚みＤ２はそれぞれ２５０ｎｍである。
数値解析は、簡単化のために波動は圧電層４の奥行き方向（図５（ａ）のＹ方向）には伝播せず、縦横方向（図５（ｂ）のＺ方向およびＸ方向）にのみ伝播し、圧電層４の右端面（図５の右側の端面）では波動エネルギーが全て吸収され、反射が生じないと仮定して、圧電性を考慮した有限要素法により圧電層４内の変位を計算することにより行った。
図６は、下部電極３の端部の傾斜角αをパラメータとして共振周波数ｆｒにおけるインピーダンスＺfr（以下、「共振周波数インピーダンスＺfr」という。）を計算した結果を示し、図７は、下部電極３の端部の傾斜角αをパラメータとして反共振周波数ｆｎにおけるインピーダンスＺfn（以下、「反共振周波数インピーダンスＺfr」という。）を計算した結果を示す図である。
図６，図７によれば、共振周波数インピーダンスＺfrは傾斜角αに関係なくほぼ一定であるが、反共振周波数インピーダンスＺfnは傾斜角αの影響を受け、３０°付近に極大値を有することが分かる。
ところで、反共振周波数インピーダンスＺfnは、圧電膜４内での静電エネルギーと運動エネルギーの相互変換によって決定されるもので、静電エネルギーと運動エネルギーとが損失なく相互に変換される理想的な状態では無限大となるが、実際には必ず損失が生じるから、反共振周波数インピーダンスＺfnは有限の値を有することになる。そして、反共振周波数インピーダンスＺfnが大きければ大きいほど損失が少なく、共振素子のＱ値は高いと言える。
図７によれば、図５に示すモデルの構造を備えた圧電薄膜共振素子は、反共振周波数インピーダンスＺfnが傾斜角αに依存する特性を有し、しかもその特性は極大値を有するものであるから、傾斜角αを反共振周波数インピーダンスＺfnが極大値となるおよそ３０°の角度に選択すると、圧電薄膜共振素子のＱ値を可及的に高くできることが分かる。
図８，図９は、傾斜角αを９０°としたときの反共振周波数ｆｎにおける圧電膜４の変位分布を数値解析した結果を示し、図１０，図１１は、傾斜角αを８°としたときの反共振周波数ｆｎにおける圧電膜４の変位分布を数値解析した結果を示す図である。なお、圧電膜４の変位分布を計算するモデルは、図５（ｂ）に示すモデル図において、共振部のほぼ中央のＮを対称境界と仮定し、圧電膜４と基板２との界面が完全に固定されていると仮定したものである。
図８，図１０は、圧電層４の厚み方向（図５（ｂ）のＺ方向）における変位の分布を示し、図９，図１１は、圧電層４の横方向（図５（ｂ）のＸ方向）における変位の分布を示している。また、図８〜図１１のＭは、圧電層４の表面の傾斜が始まる位置を示し、図５（ｂ）のＭの位置に相当している。図８〜図１１では、Ｍよりも左側の領域が共振部に相当し、右側の領域が非共振部に相当する。また、圧電層４内の縞模様は等変位線を描いたもので、縞の密度が高い部分は変位が大きく、縞の密度が小さい部分は変位が小さいことを示している。
図１０，図１１によれば、傾斜角８°ではＸ方向の変位とＺ方向の変位のいずれも共振部の方が非共振部よりも大きく、弾性波が共振部に集中していることが分かる。すなわち、傾斜角８°では共振部で発生した弾性波の非共振部への漏れが少ないと言える。一方、図８，図９によれば、傾斜角９０°では、Ｚ方向の変位は共振部の方が非共振部よりも大きいが、Ｘ方向の変位は共振部と非共振部とに差がなく、共振部で発生した弾性波の非共振部への漏れが大きくなっていることが分かる。
圧電薄膜共振素子１は、厚み方向（図５のＺ方向）の振動（縦弾性波）を利用するものであるから、圧電膜４はＺ方向に分極軸を有し、Ｚ方向の振動（機械エネルギー）は電気エネルギーに変換されるが、Ｘ方向の振動（横弾性波）は電気エネルギーに変換されず、エネルギー損失となる。従って、傾斜角αが９０°のときは、傾斜角αが８°よりもエネルギー損失が大きいと言える。
図８〜図１１に示す変位分布解析は、図７に示す反共振周波数インピーダンスＺfnの特性において、傾斜角αの範囲の両側付近で比較的インピーダンス値が近い８°と９０°について調べたものである。図８〜図１１の変位分布は、極大値を有する傾斜角３０°よりも小さい領域の傾斜角８°と傾斜角３０°よりも大きい領域の傾斜角９０°とで弾性波の圧電層４における伝播モードが異なり、極大値を有する傾斜角３０°の付近で伝播モードが変化することを示唆するものである。
図１２は、図７の反共振周波数インピーダンスＺfnの特性に、図５に示す圧電薄膜共振素子のモデルにおいて、右側の端面２ａを完全に固定したと仮定した場合（すなわち、端面２ａで弾性波が反射すると仮定した場合）の反共振周波数インピーダンスＺfnの特性を重ねたものである。特性Ａは、図７に示す反共振周波数インピーダンスＺfnの特性であり、特性Ｂが端面２ａで弾性波が反射する仮定した場合の特性である。また、図１３は、図１２に示した特性Ｂと特性Ａの差分の特性を示したものである。
図１３によれば、傾斜角αがおよそ２５°から５０°までほぼ直線的に上昇し、６０°から９０°ではほぼ平坦に変化する。直線Ｔ１は、２５°から５０°までの直線的な変化を代表する線であり、直線Ｔ２は６０°から９０°までの平坦な変化の代表する線である。直線Ｔ１と直線Ｔ２とが交差する点Ｒの傾斜角αはおよそ５５°である。
反共振周波数インピーダンスＺfnの差分の特性を点Ｒで直線Ｔ１と直線Ｔ２を結合した折れ線で近似すると、傾斜角αがおよそ２５°以下では、反共振周波数インピーダンスＺfnの差分の特性は不安定であるが、２５°以上では安定し、しかも、２５°〜５５°の領域と５５°〜９０°の領域で特性が急変することが分かる。
２５°〜５５°の領域で反共振周波数インピーダンスＺfnの差分の特性が直線的に上昇しているのは、傾斜角αが増加するのに応じて（下部電極３のエッジが立つのに応じて）、共振部で発生した弾性波（振動エネルギー）の非共振部への漏洩が増加することを示すものであり、５５°以上になると、その特性が平坦になるのは、下部電極３のエッジによる弾性波の非共振部への漏洩の抑制効果が殆ど作用しなくなるからであると考えられる。従って、傾斜角αを９０°以下にすれば、振動エネルギーの非共振部への漏洩を抑制できるようになるが、その抑制を効果的に作用させるには、５５°以下に設定すれば良いと言える。
一方、傾斜角αを２５°以下にすると、反共振周波数インピーダンスＺfnの差分の特性が不安定になるが、これは、共振部にＸ方向の振動（横弾性波）が励起されることに起因していると考えられる。従って、傾斜角αを少なくとも２５°〜５５°の範囲に設定すれば、共振部での横弾波の励起を抑えるとともに、共振部で発生した縦弾性波の非共振部への漏洩を効果的に抑制することができる。
特に、図７によれば、傾斜角αをおよそ３０°にすると、反共振周波数インピーダンスＺfnが極大値を有するから、傾斜角αを３０°付近に設定するのが好ましく、これによっても圧電薄膜共振素子１の高Ｑ化が図られる。
第１実施形態では、図１に示すように、付加膜８を端子電極７から上面電極５まで延ばすように形成していたが、付加膜８の形成方法はこの方法に限定されるものではない。例えば、図１４〜図１６に示す形状で付加膜８を形成してもよい。
図１４に示す圧電薄膜共振素子１Ａは、付加膜８を領域（Ｃ）（下面電極３の傾斜部３ａと上面電極５とが重なる領域）の部分にのみ設けるようにしたものである。以下、この実施形態を第２実施形態という。
第２実施形態に係る圧電薄膜共振素子１Ａの領域（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の膜厚の大小関係を、図１４（ｂ）に示されるように、ＨD＜ＨB＝ＨA＜ＨCとし、音響インピーダンスの大小関係をＺD＜ＺB＝ＺA＜ＺCと設定する。第２実施形態でも領域（Ｃ)の音響インピーダンスＺCが領域（Ａ)，（Ｂ），（Ｄ）の音響インピーダンスＺA，ＺB，ＺDよりも大きくなるので、領域（Ａ），（Ｂ）と領域（Ｄ)の音響インピーダンスの不整合は増大する。従って、楕円形状の共振部の中心Ｏから放射状に伝播した横弾性波のうち端子電極７側に伝播した高次の対称および非対称の横モードの弾性波が領域（Ｃ)で反射され、領域（Ｄ）には漏洩し難くなる。
従って、圧電薄膜共振素子１Ａのエネルギー損失の低減と共振特性のＱ値の向上を図ることができる。また、下部電極３の端部の傾斜角αをおよそ３０°に設定することにより高Ｑ化が図られる。
図１５に示す圧電薄膜共振素子１Ｂは、付加膜８を領域（Ｂ），（Ｃ）（下面電極３の傾斜部３ａと上面電極５とが重なる領域とその内側の一部領域）の部分にのみ設けるようにしたものである。以下、この実施形態を第３実施形態という。
第３実施形態に係る圧電薄膜共振素子１の領域（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の膜厚の大小関係を、図１５（ｂ）に示されるように、ＨD＜ＨA＜Ｈc＜ＨBとし、音響インピーダンスの大小関係もＺD＜ＺA＜Ｚc＜ＺBと設定する。第３実施形態でも領域（Ｂ)，（Ｃ)の音響インピーダンスＺB，ＺCが領域（Ａ)，（Ｄ）の音響インピーダンスＺA，ＺDよりも大きくなる。従って、領域（Ａ）と領域（Ｄ)の音響インピーダンスの不整合は増大するので、楕円形状の共振部の中心Ｏから放射状に伝播した横弾性波のうち端子電極７側に伝播した高次の対称および非対称の横モードの弾性波が領域（Ｂ)で反射され、領域（Ｄ）には漏洩し難くなる。
従って、圧電薄膜共振素子１Ｂでもエネルギー損失の低減と共振特性のＱ値の向上を図ることができる。また、下部電極３の端部の傾斜角αをおよそ３０°に設定することにより高Ｑ化が図られる。
また、付加膜８を領域（Ｂ），（Ｃ）に亘って形成するので、上部電極５及び端子電極７の傾斜部分にクラックが発生することを防止することができ、信頼性を向上させることができる。
図１６に示す圧電薄膜共振素子１Ｃは、付加膜８を領域（Ｃ），（Ｄ）（下面電極３の傾斜部３ａと上面電極５とが重なる領域とその外側の領域）の部分にのみ設けるようにしたものである。以下、この実施形態を第４実施形態という。
第４実施形態に係る圧電薄膜共振素子１の領域（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の膜厚の大小関係を、図１６（ｂ）に示されるように、ＨB＝ＨA＜ＨD＜ＨCとし、音響インピーダンスの大小関係をＺB＝ＺA＜ＺD＜ＺCと設定する。第４実施形態では領域（Ｃ）の音響インピーダンスＺCが領域（Ｄ）の音響インピーダンスＺDよりも大きくなり、領域（Ａ)，（Ｂ)の音響インピーダンスＺA，ＺBは領域（Ｄ）の音響インピーダンスＺDよりも小さくなる。従って、第４実施形態でも領域（Ａ）と領域（Ｄ)の音響インピーダンスの不整合は増大するので、楕円形状の共振部の中心Ｏから放射状に伝播した横弾性波のうち端子電極７側に伝播した高次の対称および非対称の横モードの弾性波が領域（Ｃ)で反射され、領域（Ｄ）には漏洩し難くなる。
従って、圧電薄膜共振素子１Ｃでもエネルギー損失の低減と共振特性のＱ値の向上を図ることができる。また、下部電極３の端部の傾斜角αをおよそ３０°に設定することにより高Ｑ化が図られる。
なお、第２実施形態〜第４実施形態における付加膜８が楕円形状の共振部の端子電極７との境界部分にのみ設けられ、それ以外の部分には設けられていない点は第１実施形態と共通であるから、第２実施形態〜第４実施形態においても第１実施形態と同様の作用によりスプリアス特性が抑制される。
第１実施形態〜第４実施形態において、所望の効果を得るための付加膜８の膜厚は、Ａｕ／Ｔｉの場合にはＡｕ（２００ｎｍ）／Ｔｉ（１００ｎｍ）以上が望ましい。また、第１実施形態においては、付加膜８の膜厚と幅ｄ１の最適値はお互いの値によっても影響を受け、圧電薄膜共振素子１の共振周波数、材料等にも依存するので、適宜ＦＥＭ（Finite Element Method）等のシミュレーションと実験値から決定するとよい。
また、第１実施形態〜第４実施形態において、付加膜８に代えて上面電極５の付加膜８が形成される部分の膜厚を厚くするようにしてもよい。すなわち、図１、図１４〜図１６の付加膜８に代えて、上面電極５の付加膜８の形成部分の膜厚を当該付加膜８の厚み分だけ厚くするようにしても良い。
このように、付加膜８に代えて上面電極５の膜厚を部分的に変化させた場合にも上述した領域（Ａ）〜（Ｄ）の音響インピーダンスＺA〜ＺDの大小関係を作ることができるので、上述した作用・効果と同様の作用・効果を得ることができる。
付加膜８が形成される領域や上面電極５の膜厚を厚くする範囲は、適宜ＦＥＭ等のシミュレーションおよび実験値から最適値を導出するとよい。
また、付加膜８が形成される箇所は上面電極５の上面に限らず、下面電極３の上面や下面、あるいは圧電膜４の上面等であってもよい。領域（Ａ）〜（Ｄ）の各領域の厚みを変える方法として、上面電極５や付加膜８に限らず、圧電膜４の膜厚を変えるようにしてもよい。
上記の第１実施形態〜第４実施形態ではＦＡＲタイプの圧電薄膜共振素子１について説明したが、本発明はＳＭＲタイプの圧電薄膜共振素子にも適用できる。
図１７は、ＳＭＲタイプの圧電薄膜共振素子に上記の第１実施形態に係る付加膜８を設けた実施形態の基本的な構造を示す図である。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
図１７は、図１と比べれば明らかなように、図１の構造において、基板２に空隙９を設けず、この空隙９に代えて下面電極３及び端子電極６の電極と基板２との間に音響反射膜１０を設けたものである。音響反射膜１０は、周知のように音響インピーダンスの高い膜１０ａと音響インピーダンスの低い膜１０ｂを交互にλ／４（λは弾性波の波長）の膜厚で積層したものである。
図１７に示すＳＭＲタイプの圧電薄膜共振素子１Ｄ（以下、この実施形態を「第５実施形態」という。）でも付加膜８により領域（Ａ）〜（Ｄ）の膜厚の大小関係は、ＨA＜ＨD＜ＨC＜ＨBとなるので、音響インピーダンスの大小関係もＺA＜ＺD＜ＺC＜ＺBとなり、第１実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。
なお、第５実施形態に係る圧電薄膜共振素子１Ｄの付加膜８の形状を図１４〜図１６に示す第２実施形態〜第４実施形態の形状に変えても良い。
本発明の効果を得るに当たり、上記の第１実施形態〜第５実施形態において、基板２、下面電極３、圧電膜４、上面電極５、端子電極６及び端子電極７の各材料は上記に限定されず，他の材料を使用してもよい。
また、下面電極３の下側に、例えば、補強材若しくはエッチングのストップ層としての役割を担う誘電体膜が設けられていても良い。また、上面電極５の上側に、例えば、パシベーション膜あるいは周波数調整用としての役割を担う誘電体膜が設けられていても良い。更に、下面電極３の下側や上面電極５の上側に設けられる誘電体膜の膜厚を変えることで、上記の第１実施形態〜第５実施形態における領域（Ａ）〜（Ｄ）の各領域の厚みを変えるようにしてもよい。
上記の第１実施形態〜第５実施形態では、共振部の形状を楕円形状としたが、これに代えて平行な二辺を含まない多角形形状としても上記の作用・効果と同様の作用・効果を得ることができる。
図１８は、本発明に係るフィルタの構造を示す平面図である。また、図１９は、図１８に示すフィルタの電気回路を示す図である。図１８，図１９に示すフィルタは、第１実施形態に係る圧電薄膜共振素子１を７個組み合わせたラダー型バンドパスフィルタである。なお、図１９では上面電極５及び端子電極７は見やすくするために太線で描き、付加膜８には点描を付している。
バンドパスフィルタ１１は２個の共振素子を逆Ｌ字型に接続してなるフィルタ（以下、「フィルタ単位」という。）を４個縦列させた４段構成のラダー型バンドパスフィルタである。なお、１段目のフィルタ単位と２段目のフィルタ単位は入出力の向きを逆にして接続され、３段目のフィルタ単位と４段目のフィルタ単位も入出力の向きを逆にして接続された構成であるので、２段目のフィルタ単位の並列共振素子と３段目のフィルタ単位の並列共振素子とは並列共振素子Ｐ２が共用されている。
図１８において、符号Ｉｎ，Ｏｕｔ，ａ，ｂ，ｃはそれぞれ図１９の入出力端子Ｉｎ，Ｏｕｔと接続点ａ，ｂ，ｃに対応し、符号Ｇは接地点を示している。また、楕円形状の上面電極５の部分は共振部であり、各共振部に付したＰ１〜Ｐ３，Ｓ１〜〜Ｓ４は図１９の共振素子Ｐ１〜Ｐ３，Ｓ１〜〜Ｓ４に対応している。
直列共振素子Ｓ１と並列共振素子Ｐ１は上面電極５側の端子電極７によって接続され、直列共振素子Ｓ１及び並列共振素子Ｐ１の端子電極７を一体化した電極の部分が入力端子Ｉｎとなっている。同様に、直列共振素子Ｓ４と並列共振素子Ｐ３も上面電極５側の端子電極７によって接続され、直列共振素子Ｓ４及び並列共振素子Ｐ３の端子電極７を一体化した電極の部分が出力端子Ｏｕｔとなっている。
直列共振素子Ｓ１と直列共振素子Ｓ２は下面電極３側の端子電極６によって接続され、直列共振素子Ｓ１及び直列共振素子Ｓ２の端子電極６は一体的に形成されている。同様に、直列共振素子Ｓ３と直列共振素子Ｓ４は下面電極３側の端子電極６によって接続され、直列共振素子Ｓ３及び直列共振素子Ｓ４の端子電極６は一体的に形成されている。更に、直列共振素子Ｓ２、並列共振素子Ｐ２及び直列共振素子Ｓ３は上面電極５側の端子電極７によって接続され、直列共振素子Ｓ２、並列共振素子Ｐ２及び直列共振素子Ｓ３の端子電極７は一体的に形成されている。
図２０は、図１８に示すラダー型バンドパスフィルタを試作し、そのバンドパスフィルタの通過特性を測定した測定結果を示す図である。
なお、第１実施形態の図２の説明では、試作した圧電薄膜共振素子１は、上面電極５及び端子電極７をルテニウム（Ｒｕ）２４０ｎｍｍの１層膜で構成していたが、試作したバンドパスフィルタ１１では、入力端子Ｉｎ、出力端子Ｏｕｔ及び接続点ｂの電極に相当する並列共振素子Ｓ１〜Ｓ４の上面電極５及び端子電極７はルテニウム（Ｒｕ）２４０ｎｍｍとクロム（Ｃｒ）１１０ｎｍの２層膜で構成している。
図２０において、特性Ａは本発明に係るバンドパスフィルタの特性である。特性Ｂは、図２０において直列共振素子Ｓ１〜Ｓ４及び並列共振素子Ｐ１〜Ｐ３の構造を図３に示す圧電薄膜共振素子の構造として試作したバンドパスフィルタ（以下、「比較用バンドパスフィルタ」という。）の特性である。比較用バンドパスフィルタは、図１８において、付加膜８を端子電極７から上面電極５内まで延ばさない構成としたものである。
図２０に示すように、本発明に係るバンドパスフィルタの方が比較用バンドパスフィルタよりも最小の挿入損失が約０．１ｄＢ改善され（１９３０ＭＨｚ〜１９７０ＭＨｚ参照）、−１．７ｄＢ帯域幅で約４ＭＨｚの広帯域化となっている。また、帯域内におけるリップルも本発明に係るバンドパスフィルタの方が小さくなっている。
以上のように、本発明に係る圧電薄膜共振素子を用いることにより、フィルタを構成した場合にもそのフィルタの挿入損失及びリップルの低減、広帯域化を図ることができる。
また、上記のラダー型バンドパスフィルタを、図２１に示す整合回路１２１、送信用フィルタ１２２及び受信用フィルタ１２３を含む分波器１２の送信用フィルタ１２２及び受信用フィルタ１２３に適用すれば、送信帯域内及び受信帯域内でリップルが少なく、低損失の分波器１２を実現することができる。なお、図２１において、整合回路１２１はアンテナ端子と送信用フィルタ１２２及び受信用フィルタ１２３のインピーダンス調整のための回路で、例えば、位相器などで構成される。この整合回路１２１は必要に応じて設けられるので、分波器１２では省略することができる。
なお、フィルタを構成する共振子の数やレイアウト等は上記に限定されるものではない。
上記実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）所定の平面形状を有する圧電膜と、この圧電膜の下面に形成され、外周に膜面に対して所定の角度で傾斜した傾斜部を有する下面電極と、前記圧電膜の上面に形成される上面電極との積層構造からなる共振部を具備した圧電薄膜共振素子であって、前記傾斜部の角度が２５°から５５°の範囲に設定されていることを特徴とする圧電薄膜共振素子。
（付記２）前記傾斜部は、前記下面電極の外周の一部に設けられていることを特徴とする付記１に記載の圧電薄膜共振素子。
（付記３）所定の平面形状を有する圧電膜と、この圧電膜の下面に形成され、外周に膜面に対して所定の角度で傾斜した傾斜部を有する下面電極と、前記圧電膜の上面に形成される上面電極との積層構造からなる共振部を具備し、前記共振部の前記下面電極の傾斜部における積層領域の一部の音響インピーダンスが前記共振部の前記下面電極の傾斜部より内側の積層領域の音響インピーダンスよりも大きく設定されていることを特徴とする圧電薄膜共振素子。
（付記４）所定の平面形状を有する圧電膜と、この圧電膜の下面に形成され、外周に膜面に対して所定の角度で傾斜した傾斜部を有する下面電極と、前記圧電膜の上面に形成される上面電極との積層構造からなる共振部を具備し、前記上面電極の前記傾斜部が対向する位置の一部に付加膜を設けることにより、前記共振部の前記下面電極の傾斜部における積層厚のうち一部の積層厚が前記共振部の前記下面電極の傾斜部より内側部分における積層厚よりも厚くなっていることを特徴とする圧電薄膜共振素子。
（付記５）前記付加膜は，前記上面電極の上面に設けられていることを特徴とする付記４に記載の圧電薄膜共振素子。
（付記６）前記上面電極には外部接続用の端子電極が延設されており、前記付加膜は前記上面電極の前記傾斜部が対向する位置から前記端子電極に渡って設けられていることを特徴とする付記５に記載の圧電薄膜共振素子。
（付記７）前記上面電極には外部接続用の端子電極が延設されており、前記付加膜は、前記上面電極の前記下面電極の傾斜部よりも内側から当該傾斜部が対向する位置を通って前記上面電極の前記端子電極に渡って設けられていることを特徴とする付記５に記載の圧電薄膜共振素子。
（付記８）前記付加膜は，導体であることを特徴とする付記４ないし付記７のいずれかに記載の圧電薄膜共振素子。
（付記９）前記付加膜に代えて、前記上面電極の当該付加膜が設けられる部分の膜厚をそれ以外の部分の膜厚よりも厚くすることにより、前記共振部の前記下面電極の傾斜部における積層厚のうち一部の積層厚が前記共振部の前記下面電極の傾斜部より内側部分における積層厚よりも厚くなっていることを特徴とする付記４ないし付記７のいずれかに記載の圧電薄膜共振素子。
（付記１０）所定の平面形状を有する圧電膜と、この圧電膜の下面に形成され、外周に所定の角度で傾斜した傾斜部を有する下面電極と、前記圧電膜の上面に形成される上面電極との積層構造からなる共振部を具備し、前記傾斜部に対向する前記圧電膜の膜厚を前記共振部の前記下面電極の傾斜部より内側部分に対向する前記圧電膜の膜厚より厚くすることにより、前記共振部の前記下面電極の傾斜部における積層厚のうち一部の積層厚が前記共振部の前記内側部分における積層厚よりも厚くなっていることを特徴とする圧電薄膜共振素子。
（付記１１）所定の平面形状を有する圧電膜と、この圧電膜の下面に形成され、外周に所定の角度で傾斜した傾斜部を有する下面電極と、前記圧電膜の上面に形成される上面電極と、前記下面電極の下面と前記上面電極の上面のいずれか一方又は両方に形成される誘電体膜の積層構造からなる共振部を具備し、前記傾斜部に対向する前記誘電体膜の膜厚を前記共振部の前記下面電極の傾斜部より内側部分に対向する前記誘電体膜の膜厚より厚くすることにより、前記共振部の前記下面電極の傾斜部における積層厚のうち一部の積層厚が前記共振部の前記内側部分における積層厚よりも厚くなっていることを特徴とする圧電薄膜共振素子。
（付記１２）前記共振部の前記下面電極の傾斜部より内側部分の積層厚と略同一の積層厚を有する前記共振部の外周部分における前記圧電膜に、膜面に対して所定の角度で傾斜した傾斜部が設けられ、前記圧電膜の外周が前記上面電極の外周より内側に設定されていることを特徴とする付記４ないし付記７、付記１０、付記１１のいずれかに記載の圧電薄膜共振素子。
（付記１３）前記傾斜部の角度が２５°から５５°の範囲に設定されていることを特徴とする付記４ないし付記７、付記１０、付記１１のいずれに記載の圧電薄膜共振素子。
（付記１４）前記圧電膜は、（００２）方向を主軸とする配向性を有する窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛であることを特徴とする付記１ないし付記７、付記１０、付記１１のいずれかに記載の圧電薄膜共振素子。
（付記１５）前記共振部の平面形状は、楕円又は平行な二辺を含まない多角形であることを特徴とする付記１ないし付記７、付記１０、付記１１のいずれかに記載の圧電薄膜共振素子。
（付記１６）付記１ないし付記７、付記１０、付記１１のいずれかに記載の圧電薄膜共振素子を少なくとも一つ含むことを特徴とする回路部品。
付記１，２，１３に記載の圧電薄膜共振素子によれば、下部分極の傾斜部の角度が２５°から５５°の範囲に設定されているので、圧電薄膜共振素子のＱ値の向上を図ることができる。
付記３，４，９〜１１，１４に記載の圧電薄膜共振素子によれば、共振部の下面電極の傾斜部における積層領域の一部の音響インピーダンスが共振部の下面電極の傾斜部より内側の積層領域の音響インピーダンスよりも大きくなるので、横方向の弾性波の漏洩を抑制し、圧電薄膜共振素子のＱ値の向上を図ることができる。また、共振部の平面視における音響インピーダンスの変化が非対称になるので、スプリアスの低減も図ることができる。
付記５に記載の圧電薄膜共振素子によれば、製造上悪影響を及ぼすことなく、付加膜を容易に設けることができる。
付記６に記載の圧電薄膜共振素子によれば、上面電極の端子電極にも付加膜を形成することにより、付加膜を導体とした場合、上面電極の端子電極の抵抗を下げることができる。これにより、さらに圧電薄膜共振素子のＱ値を改善することができる。
付記７に記載の圧電薄膜共振素子によれば、上面電極における下面電極の傾斜部が対向する位置の付加膜の膜厚を所望の膜厚に安定して設定することができるので、圧電薄膜共振素子のＱ値の向上、エネルギー損失とスプリアスの低減の特性改善を確実に果たすことができる。
付記８に記載の圧電薄膜共振素子によれば、上面電極の端子電極の抵抗を下げることができるので、圧電薄膜共振素子のＱ値の改善に有利である。
付記１２に記載の圧電薄膜共振素子によれば、共振部の外周で音響インピーダンスが中心部よりも高く設定されていない部分では、圧電膜の外周を上面電極の外周よりも内側にすることにより反共振インピーダンスが大きくなり、この部分での横方向の弾性波の漏洩も抑制することができる。これにより、更に圧電薄膜共振素子のＱ値の向上を図ることができる。
付記１５に記載の圧電薄膜共振素子によれば、スプリアスをある程度低減できるので、さらにスプリアスの少ない圧電薄膜共振素子を実現することができる。
付記１６に記載の回路部品によれば、スプリアスの少ない、低損失のフィルタや分波器などの回路部品を実現することができる。
Claims (11)
- 所定の平面形状を有する圧電膜と、この圧電膜の下面に形成され、外周に膜面に対して所定の角度で傾斜した傾斜部を有する下面電極と、前記圧電膜の上面に形成される上面電極との積層構造からなる共振部を具備した圧電薄膜共振素子であって、
前記傾斜部の角度が２５°から５５°の範囲に設定されていることを特徴とする圧電薄膜共振素子。 - 前記傾斜部は、前記下面電極の外周の一部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜共振素子。
- 所定の平面形状を有する圧電膜と、この圧電膜の下面に形成され、外周に膜面に対して所定の角度で傾斜した傾斜部を有する下面電極と、前記圧電膜の上面に形成される上面電極との積層構造からなる共振部を具備し、前記共振部の前記下面電極の傾斜部における積層領域の一部の音響インピーダンスが前記共振部の前記下面電極の傾斜部より内側の積層領域の音響インピーダンスよりも大きく設定されていることを特徴とする圧電薄膜共振素子。
- 所定の平面形状を有する圧電膜と、この圧電膜の下面に形成され、外周に膜面に対して所定の角度で傾斜した傾斜部を有する下面電極と、前記圧電膜の上面に形成される上面電極との積層構造からなる共振部を具備し、前記上面電極の前記傾斜部が対向する位置の一部に付加膜を設けることにより、前記共振部の前記下面電極の傾斜部における積層厚のうち一部の積層厚が前記共振部の前記下面電極の傾斜部より内側部分における積層厚よりも厚くなっていることを特徴とする圧電薄膜共振素子。
- 前記上面電極には外部接続用の端子電極が延設されており、前記付加膜は前記上面電極の上面の前記傾斜部が対向する位置から前記端子電極に渡って設けられていることを特徴とする請求項４に記載の圧電薄膜共振素子。
- 前記上面電極には外部接続用の端子電極が延設されており、前記付加膜は、前記上面電極の前記下面電極の傾斜部よりも内側から当該傾斜部が対向する位置を通って前記上面電極の前記端子電極に渡って設けられていることを特徴とする請求項４に記載の圧電薄膜共振素子。
- 前記付加膜に代えて、前記上面電極の当該付加膜が設けられる部分の膜厚をそれ以外の部分の膜厚よりも厚くすることにより、前記共振部の前記下面電極の傾斜部における積層厚のうち一部の積層厚が前記共振部の前記下面電極の傾斜部より内側部分における積層厚よりも厚くなっていることを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の圧電薄膜共振素子。
- 前記共振部の前記下面電極の傾斜部より内側部分の積層厚と略同一の積層厚を有する前記共振部の外周部分における前記圧電膜に、膜面に対して所定の角度で傾斜した傾斜部が設けられ、前記圧電膜の外周が前記上面電極の外周より内側に設定されていることを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の圧電薄膜共振素子。
- 前記傾斜部の角度が２５°から５５°の範囲に設定されていることを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の圧電薄膜共振素子。
- 前記圧電膜は、（００２）方向を主軸とする配向性を有する窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の圧電薄膜共振素子。
- 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の圧電薄膜共振素子を少なくとも一つ含むことを特徴とする回路部品。
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