JPWO2010004741A1 - 板波素子と、これを用いた電子機器 - Google Patents
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Abstract
板波素子は、圧電体と、圧電体の上面に配置された櫛歯電極と、圧電体の上面に櫛歯電極を覆うように配置された媒質層とを備える。櫛歯電極はラム波を主要波として励振させる。媒質層は、圧電体とは逆の周波数温度特性を有する。この板波素子は優れた周波数温度特性を有する。
Description
本発明は、板波が伝播する板波素子と、これを用いた電子機器に関する。
図１７は特許公報１に開示されている従来の板波素子１０１の断面模式図である。板波素子１０１は、ベース基板１０２と、ベース基板１０２上に形成された圧電体１０３とを有する。圧電体１０３はベース基板１０２の上面１０２Ａ上に形成されており、圧電体１０３の一部がベース基板１０２の上面１０２Ａから浮かされている。この浮かされている部分において、圧電体１０３の下面１０３Ａがベース基板１０２の上面１０２Ａと空間１１１を隔てて対向している。下面１０３Ａの裏面である圧電体１０３の上面１０３Ｂに櫛歯電極１０４が形成されている。櫛歯電極１０４により板波が励振され、板波素子１０１により共振子やフィルタを構成することが出来る。
従来の板波素子１０１は、バルク放射によるロスを考慮しなくとも良く、高音速な波を励振させることができる可能性を有する。しかし、従来の板波素子１０１は、周波数温度特性が良好でない。また、板波素子１０１では、櫛歯電極１０４で板波を励振させようとした場合、圧電体１０３の厚みを非常に薄くする必要があり、圧電体１０３に応力が加わった時に割れが発生するなど、その強度に問題を有している。
板波素子は、圧電体と、圧電体の上面に配置された櫛歯電極と、圧電体の上面に櫛歯電極を覆うように配置された媒質層とを備える。櫛歯電極はラム波を主要波として励振させる。媒質層は、圧電体とは逆の周波数温度特性を有する。この板波素子は優れた周波数温度特性を有する。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１における板波素子１０５の断面模式図である。板波素子１０５は、圧電体１０６と、圧電体１０６の上面１０６Ａに設けられた櫛歯電極１０７と、圧電体１０６の上面１０６Ａと櫛歯電極１０７の上面１０７Ａに櫛歯電極１０７を覆うように設けられた媒質層１０８と、圧電体１０６の下面１０６Ｂに設けられた媒質層１０９とを備える。櫛歯電極１０７は圧電体１０６の上面１０６Ａの励振領域１０６Ｃに設けられている。媒質層１０９は励振領域１０６Ｃの真下方に位置する。櫛歯電極１０７は圧電体１０６の励振領域１０６Ｃを励振して板波を圧電体１０６に発生させて伝播させる。板波素子１０５では伝播する板波の主要な成分はラム波である。圧電体１０６や櫛歯電極１０７、媒質層１０８、１０９は圧電体１０６の上面１０６Ａと下面１０６Ｂに直角の法線方向Ｎ１０１に積層されている。圧電体１０６は法線方向Ｎ１０１の厚みＨ１を有し、媒質層１０８、１０９は法線方向Ｎ１０１の厚みＨ２を有する。媒質層１０９は圧電体１０６を介して櫛歯電極１０７に対向している。
図１は実施の形態１における板波素子１０５の断面模式図である。板波素子１０５は、圧電体１０６と、圧電体１０６の上面１０６Ａに設けられた櫛歯電極１０７と、圧電体１０６の上面１０６Ａと櫛歯電極１０７の上面１０７Ａに櫛歯電極１０７を覆うように設けられた媒質層１０８と、圧電体１０６の下面１０６Ｂに設けられた媒質層１０９とを備える。櫛歯電極１０７は圧電体１０６の上面１０６Ａの励振領域１０６Ｃに設けられている。媒質層１０９は励振領域１０６Ｃの真下方に位置する。櫛歯電極１０７は圧電体１０６の励振領域１０６Ｃを励振して板波を圧電体１０６に発生させて伝播させる。板波素子１０５では伝播する板波の主要な成分はラム波である。圧電体１０６や櫛歯電極１０７、媒質層１０８、１０９は圧電体１０６の上面１０６Ａと下面１０６Ｂに直角の法線方向Ｎ１０１に積層されている。圧電体１０６は法線方向Ｎ１０１の厚みＨ１を有し、媒質層１０８、１０９は法線方向Ｎ１０１の厚みＨ２を有する。媒質層１０９は圧電体１０６を介して櫛歯電極１０７に対向している。
圧電体１０６は、ＺカットＸ伝搬であるニオブ酸リチウム単結晶基板により構成されているが、タンタル酸リチウム単結晶基板やニオブ酸カリウム単結晶基板により構成されていてもよい。また、単結晶基板に限らず、圧電体１０６は圧電薄膜で構成されていてもよい。
実施の形態１において、櫛歯電極１０７はアルミニウムにより構成されているが、アルミニウムを主成分とする合金もしくは、銅、銀、金からなる単体金属、又はこれらを主成分とする合金で構成されていてもよい。
実施の形態１において、媒質層１０８、１０９は酸化ケイ素（ＳｉＯ２）により構成されているが、圧電体１０６とは逆の周波数温度係数（ＴＣＦ）を有する媒質で構成されていればよい。圧電体１０６の周波数温度係数とは逆の周波数温度係数を有する酸化ケイ素よりなる媒質層１０８、１０９により、板波素子１０５の周波数温度係数を小さくして周波数温度特性を向上することができる。さらに、ラム波であるＡ１モードの変位の伝搬方向の成分は圧電体１０６の中央で振幅の節を持ち、圧電体１０６の表面で振幅の腹を有する。したがって、媒質層１０８、１０９が圧電体１０６を上面１０６Ａと下面１０６Ｂから挟み込むことで、エネルギーの多くを圧電体１０６及び媒質層１０８内に集中させることが可能であり、効果的に周波数温度特性を向上させることができる。
また、櫛歯電極１０７の上面１０７Ａに櫛歯電極１０７を覆うように設けた媒質層１０８は、圧電体１０６及び櫛歯電極１０７を保護する効果をも有する。したがって、板波素子１０５を気密封止することなく、媒質層１０８又は１０９の外面に電極を引き出すことにより、板波素子１０５を回路基板等に実装することが可能となる。
また、実施の形態１における板波素子１０５は、媒質層１０９の下面に設けられた支持基板をさらに備えてもよい。この支持基板により、板波素子の強度を向上させることが可能となる。支持基板としてシリコンなどを用いることで支持基板を媒質層１０９に容易に接合できる。
図１に示す実施の形態１による板波素子１０５について、圧電体１０６にニオブ酸リチウムを用いた場合の櫛歯電極１０７により励振される波長λの弾性波である板波に対する圧電体１０６の厚みＨ１の比Ｈ１／λと、周波数温度係数ＴＣＦとの関係を検証した。この際、Ｃａｍｐｂｅｌｌらによる方法を用い、その方法におけるニオブ酸リチウムの材料定数としてＳｍｉｔｈらによる定数を用いた。
板波とは、バルク波の一種であり基板の上下面で変位を繰り返しながら伝搬する弾性波である。板波の一種として、速度分散性を強く持つラム波、横波成分が主体であるＳＨ波などがある。ラム波とは、ＳＶ波と縦波（粗密波）とが板の両面でモード変化を起こし、複雑に結合して発生する板波である。ＳＨ波は横波主体のモードである。
櫛歯電極１０７により圧電体１０６に励振される板波のモードとして、代表的なものに屈曲波と呼ばれるＡ０モード、横波主体のＳＨ０モード、縦波主体のＳ０モード、縦波主体の高次モードであるラム波と呼ばれるＡ１モード等がある。
ＳＨ０モードは結合係数ｋ２が大きいが音速が低く、高周波のデバイスに利用可能な板波素子を提供することは難しい。またＳ０、Ａ０モードは結合係数ｋ２が小さく、広帯域のデバイスに利用可能な板波素子を提供することが難しい。そこでＡ１モードを用いることにより、デバイスの高周波化及び広帯域化に有利となる。Ａ１モードのラム波が伝播する板波素子であるラム波素子においては圧電体１０６の厚みと櫛歯電極１０７が有する櫛歯電極指の周期によって共振周波数が定まる。そのため、高音速なモードを用いることでより高い周波数に対応した板波素子を容易に提供することができる。また圧電体１０６の厚みＨ１を厚くすることが可能となり、板波素子を容易に製造でき歩留まりが向上する。特に圧電体の厚みＨ１が０．４λ以下の場合、Ｓ０モードの共振によるスプリアスを抑制可能である。したがって、ラム波素子をフィルタ、共用器などとして利用した場合、スプリアスの影響による周波数特性の劣化が抑制される。
媒質層１０８、１０９を備えない比較例の板波素子の各モードでの周波数温度係数ＴＣＦと比Ｈ１／λとの関係を図２に示す。図２に示すように、Ａ１モードの周波数温度係数ＴＣＦは０．１＜Ｈ１／λ＜１．０において−７６ｐｐｍ／℃〜−９２ｐｐｍ／℃と良好ではない。
図１に示す実施の形態１における板波素子１０５において、比Ｈ１／λを０．１５としたときの、媒質層１０８、１０９の厚みＨ２の波長λに対する比Ｈ２／λと周波数温度係数ＴＣＦの関係を図３に示す。図３に示すように、厚みＨ２の増加すなわち比Ｈ２／λの増加に伴いＡ０モードとＡ１モードの周波数温度係数はＳ０モード、ＳＨ０モードに比べ小さくなっており、周波数温度が大きく改善している。Ａ０モードは音速が低くデバイスの高周波化が困難であるので、Ａ１モードを用いることが望ましい。Ａ１モードにおいて、比Ｈ２／λが０．０８であるときに周波数温度係数がゼロになっている。周波数温度係数を小さくして周波数温度特性を向上させることにより、温度変化による特性劣化の少ない板波素子１０５を提供することが出来る。
Ａ１、Ａ０モードにおいては圧電体１０６の上面１０６Ａと下面１０６Ｂで集中的に変位が分布している。酸化ケイ素よりなる媒質層１０８、１０９は圧電体１０６の逆の周波数温度特性を有し、すなわち、圧電体１０６の周波数温度係数の逆の符号の周波数温度係数を有する。媒質層１０８、１０９の周波数温度係数の絶対値は圧電体１０６の周波数温度係数の絶対値と等しいことが好ましい。したがって、圧電体１０６の上面１０６Ａと下面１０６Ｂにそれぞれ設けられた媒質層１０８、１０９により圧電体１０６の周波数温度特性が補償される効果が大きく表れる。このように反対称モードであるＡ１モードを用い、かつ圧電体１０６の上面１０６Ａと下面１０６Ｂに媒質層１０８、１０９をそれぞれ設けることで、ＳＨ成分を主成分とした擬似弾性表面波やレイリー波等の表面波を用いた素子に比べて、周波数温度特性をより大きく改善する効果を得ることが可能となる。
次に、圧電体１０６の厚みＨ１を変化させた場合のＡ１モードにおける、媒質層１０８、１０９の厚みＨ２の波長λに対する比Ｈ２／λと周波数温度係数（ＴＣＦ）との関係を図４に示す。図４に示すように、圧電体１０６の厚みＨ１が薄くなるにつれ、媒質層１０８、１０９による周波数温度特性の改善効果は高くなっている。すなわち、圧電体１０６の厚みＨ１の比Ｈ１／λが０．１０である場合にはＨ２／λが０．０６であると周波数温度係数がゼロとなる。同様に、比Ｈ１／λが０．１５である場合には比Ｈ２／λが０．０８であると周波数温度係数がゼロとなる。比Ｈ１／λが０．２０である場合には比Ｈ２／λが０．１０であると周波数温度係数がゼロとなる。比Ｈ１／λが０．２５である場合には比Ｈ２／λが０．１３であると周波数温度係数がゼロとなる。比Ｈ１／λが０．３０である場合には比Ｈ２／λが０．１６であると周波数温度係数がゼロとなる。
周波数温度係数の絶対値を２０ｐｐｍ／℃以下とすることで、板波素子１０５を狭い送受信周波数間隔を有する共用器の特性を向上することができる。
すなわち、図４に示す検証結果から、比Ｈ１／λが０．１０の場合には比Ｈ２／λを０．０４８〜０．０８０とする。また、比Ｈ１／λが０．１５の場合には比Ｈ２／λを０．０６７〜０．１０８とする。また、比Ｈ１／λが０．２０の場合には比Ｈ２／λを０．０８４〜０．１３６とする。また、比Ｈ１／λが０．２５の場合には比Ｈ２／λを０．１０３〜０．１７５とする。
板波素子１０５を実際に作製するために、比Ｈ１／λの上記の値を±０．０２５の範囲に広げて比Ｈ２／λに上記の範囲を適用する。すなわち、比Ｈ１／λが０．０７５〜０．１２５の場合には比Ｈ２／λを０．０４８〜０．０８０に設定する。また、比Ｈ１／λが０．１２５〜０．１７５の場合には比Ｈ２／λを０．０６７〜０．１０８に設定する。また、比Ｈ１／λが０．１７５〜０．２２５の場合には比Ｈ２／λを０．０８４〜０．１３６に設定する。また、比Ｈ１／λが０．２２５〜０．２７５の場合には比Ｈ２／λを０．１０３〜０．１７５に設定する。
比Ｈ１／λや比Ｈ２／λをこれらの範囲に設定することにより周波数温度係数の絶対値を２０ｐｐｍ／℃以下とし、良好な周波数温度特性を有する板波素子１０５を実現できる。
また、圧電体１０６の厚みＨ１を変化させた場合のＡ１モードにおける電気機械結合係数と媒質層１０８、１０９の厚みＨ２の関係を図５に示す。媒質層１０８、１０９の厚みＨ２が厚くなるに伴い電気機械結合係数ｋ２は一旦増加して、その後減少し極大値を取る。電気機械係数ｋ２を小さくしないように、図５に示すように、比Ｈ１／λが０．１０の場合には比Ｈ２／λを０より大きくかつ０．０３２より小さく設定する。また、比Ｈ１／λが０．１５の場合には比Ｈ２／λを０より大きくかつ０．０４６より小さく設定する。また、比Ｈ１／λが０．２０の場合には比Ｈ２／λを０より大きくかつ０．０６１より小さく設定する。また、比Ｈ１／λが０．２５の場合には比Ｈ２／λを０よりかつ大きく０．０８４より小さく設定する。また、比Ｈ１／λが０．３０の場合には比Ｈ２／λを０より大きくかつ０．１１０より小さく設定する。
図４と同様に、図５の検証の結果により板波素子１０５を実際に作製するために、比Ｈ１／λの上記の値を±０．０２５の範囲に広げて比Ｈ２／λを上記の範囲を適用する。
すなわち、比Ｈ１／λが０．０７５〜０．１２５の場合には比Ｈ２／λを０より大きくかつ０．０３２より小さく設定する。また、比Ｈ１／λが０．１２５〜０．１７５の場合には比Ｈ２／λを０より大きくかつ０．０４６より小さく設定する。また、比Ｈ１／λが０．１７５〜０．２２５の場合には比Ｈ２／λを０より大きくかつ０．０６１より小さく設定する。また、比Ｈ１／λが０．２２５〜０．２７５の場合には比Ｈ２／λを０より大きくかつ０．０８４より小さく設定する。また、比Ｈ１／λが０．２７５〜０．３２５の場合には比Ｈ２／λを０より大きくかつ０．１１０より小さく設定する。
比Ｈ１／λや比Ｈ２／λをこれらの範囲に設定することで、媒質層１０８、１０９により電気機械結合係数ｋ２を小さくすることなく板波素子１０５の周波数温度特性を改善することが可能となる。
実施の形態１においては圧電体１０６の上面１０６Ａと下面１０６Ｂにそれぞれ媒質層１０８、１０９を備えるが、実施の形態１による板波素子は媒質層１０８、１０９の一方を備えていなくてもよく、その場合でも、周波数温度特性を改善する効果が得られる。
圧電体１０６が上面１０６Ａの法線方向Ｎ１０１を結晶のｃ軸を一致させてカットされた圧電単結晶基板である場合、板波素子１０５のＡ１モードの結合係数を効果的に上げることができる。
また、圧電体１０６の結晶構造が上面１０６Ａの法線方向Ｎ１０１を結晶のｃ軸としてｃ軸を中心とした回転相晶である場合、板波素子１０５のＡ１モードの結合係数を効果的に上げることができると共に、対称モードであるＳＨ０モードが励振されにくくスプリアス応答として表れることを防止することができる。
図６は実施の形態１における板波素子１０５を備えた電子機器１０５Ｃのブロック図である。ラダー型フィルタもしくはＤＭＳフィルタ等のフィルタ１０５Ｂは共振器として板波素子１０５を備える。携帯電話等の電子機器１０５Ｃは、フィルタ１０５Ｂと、フィルタ１０５Ｂに接続された半導体集積回路素子と、その半導体集積回路素子に接続された再生装置とを備えている。電子機器１０５Ｃは板波素子１０５に接続された信号線１１０５を備える。これにより、共振器（板波素子１０５）、フィルタ１０５Ｂ、及び電子機器１０５Ｃにおける信号損失を抑制することができる。板波素子１０５は、周波数温度特性が良好であるという特徴を有し、携帯電話等の電子機器１０５Ｃにおける、フィルタ、共用器等などに適用が可能である。
（実施の形態２）
図７は、実施の形態２における板波素子２０５の断面模式図である。板波素子２０５は、圧電体２０６と、圧電体２０６の上面２０６Ａに設けられた櫛歯電極２０７と、圧電体２０６の上面２０６Ａと櫛歯電極２０７の上面２０７Ａに櫛歯電極２０７を覆うように設けられた媒質層２０８と、圧電体２０６の下面２０６Ｂに設けられた媒質層２０９とを備える。櫛歯電極２０７は圧電体２０６の上面２０６Ａの励振領域２０６Ｃに設けられている。媒質層２０９は励振領域２０６Ｃの真下方に位置する。圧電体２０６や櫛歯電極２０７、媒質層２０８、２０９は圧電体２０６の上面２０６Ａと下面２０６Ｂに直角の法線方向Ｎ２０１に積層されている。圧電体２０６は法線方向Ｎ２０１の厚みＨ２１を有し、媒質層２０８、２０９は法線方向Ｎ２０１の厚みＨ２２を有する。なお、媒質層２０８、２０９の法線方向Ｎ２０１の厚みは同一の厚みＨ２２であるとして説明するが、異なる厚みであってもよい。媒質層２０９は圧電体２０６を介して櫛歯電極２０７に対向している。櫛歯電極２０７は法線方向Ｎ２０１の厚みＴ１１を有する。媒質層２０８は、櫛歯電極２０７によって励振される板波の速度よりも速い速度で横波が伝搬する。媒質層２０９は、圧電体２０６を伝搬する板波の速度よりも速い速度で横波が伝搬する。
図７は、実施の形態２における板波素子２０５の断面模式図である。板波素子２０５は、圧電体２０６と、圧電体２０６の上面２０６Ａに設けられた櫛歯電極２０７と、圧電体２０６の上面２０６Ａと櫛歯電極２０７の上面２０７Ａに櫛歯電極２０７を覆うように設けられた媒質層２０８と、圧電体２０６の下面２０６Ｂに設けられた媒質層２０９とを備える。櫛歯電極２０７は圧電体２０６の上面２０６Ａの励振領域２０６Ｃに設けられている。媒質層２０９は励振領域２０６Ｃの真下方に位置する。圧電体２０６や櫛歯電極２０７、媒質層２０８、２０９は圧電体２０６の上面２０６Ａと下面２０６Ｂに直角の法線方向Ｎ２０１に積層されている。圧電体２０６は法線方向Ｎ２０１の厚みＨ２１を有し、媒質層２０８、２０９は法線方向Ｎ２０１の厚みＨ２２を有する。なお、媒質層２０８、２０９の法線方向Ｎ２０１の厚みは同一の厚みＨ２２であるとして説明するが、異なる厚みであってもよい。媒質層２０９は圧電体２０６を介して櫛歯電極２０７に対向している。櫛歯電極２０７は法線方向Ｎ２０１の厚みＴ１１を有する。媒質層２０８は、櫛歯電極２０７によって励振される板波の速度よりも速い速度で横波が伝搬する。媒質層２０９は、圧電体２０６を伝搬する板波の速度よりも速い速度で横波が伝搬する。
板波とは、バルク波の一種であり、圧電体２０６の上面２０６Ａと下面２０６Ｂで反射を繰り返しながら伝搬する弾性波である。板波の一種として、速度分散性を強く持つラム波、横波成分が主体であるＳＨ波などがある。ラム波とは、ＳＶ波と縦波（粗密波）とが圧電体２０６の両面でモード変化を起こし、複雑に結合することによって発生する板波である。
実施の形態２において圧電体２０６は、ＺカットＸ伝搬であるニオブ酸リチウム単結晶基板により構成されているが、タンタル酸リチウム単結晶基板やニオブ酸カリウム単結晶基板により構成されていてもよい。また、単結晶基板に限らず、圧電体２０６は圧電薄膜で構成されていてもよい。
実施の形態２において櫛歯電極２０７は、アルミニウムにより構成されているが、アルミニウムを主成分とする合金もしくは、銅、銀、金からなる単体金属、又はこれらを主成分とする合金で構成されていてもよい。
媒質層２０８、２０９は、ダイアモンド、シリコン、窒化シリコン、窒化アルミニウム、または酸化アルミニウムのうち少なくとも一種からなる。
圧電体２０６を伝搬する板波の速度が、媒質層２０８、２０９を伝搬する横波の速度よりも小さくなるように、圧電体２０６の厚みＨ２１及び櫛歯電極２０７の厚みＴ１１が決定されている。
板波素子２０５において、圧電体２０６を上面２０６Ａと下面２０６Ｂから挟み込む媒質層２０８、２０９を、櫛歯電極２０７によって励振される板波の速度よりも大きい速度で横波が伝搬するので、圧電体２０６へ板波を閉じ込める効果が得られる。以下にその効果を詳述する。
圧電体２０６をニオブ酸リチウムで構成し、さらに、媒質層２０８、２０９をダイアモンドで構成した場合の櫛歯電極２０７により励振される板波の変位の分布を検証した。その結果を図８に示す。図８において、縦軸はピーク値で規格化した変位の振幅を表し、横軸は伝播する板波の波長λで規格化した法線方向Ｎ２０１での圧電体２０６の中心からの位置を表し、すなわち波長λで規格化された位置を表す。図８において横軸の正の方向は圧電体２０６から媒質層２０８に向かう方向を示し、負の方向は圧電体２０６から媒質層２０９に向かう方向を示す。櫛歯電極２０７は圧電体２０６を励振して、圧電体２０６に波長λを有する板波を発生させて伝播させる。圧電体２０６の厚みを０．４λ、媒質層２０８、２０９の厚みを２λとした。このように、媒質層２０８、２０９の厚みＨ２２は板波の波長λより大きい。ここで解析法としてはＣａｍｐｂｅｌｌらによる方法を用いて振幅を算出し、ニオブ酸リチウムの材料定数としてＳｍｉｔｈらによる定数を用いた。図８において、伝播する板波の変位は互いに直角の３つの成分ｕ１、ｕ２、ｕ３を有する。変位の成分ｕ１は圧電体２０６の上面２０６Ａ、下面２０６Ｂに平行でかつ板波が伝播する方向の成分である。変位の成分ｕ２は圧電体２０６の上面２０６Ａ、下面２０６Ｂに平行でかつ成分ｕ１と直角の方向の成分である。変位の成分ｕ３は圧電体２０６の上面２０６Ａ、下面２０６Ｂと直角の法線方向Ｎ２０１の成分である。すなわち、成分ｕ３は成分ｕ１、ｕ２に直角である。板波の伝搬モードは、成分ｕ１を主成分とした非対称モードであるＡ１モードである。図８に示すように、板波のエネルギーは、圧電体２０６に集中している。媒質層２０８、２０９の厚みＨ２２を１λ以上とすることで、媒質層２０８の上面２０８Ａと媒質層２０９の下面２０９Ｂで十分に板波が減衰している。
図１７に示す従来の板波素子１０１で板波を伝搬させるためにはベース基板１０２に対向する圧電体１０３の面１０３Ａと圧電体１０３に対向するベース基板１０２の面１０２Ａとの間には空間１１１を設ける必要があり、櫛歯電極１０４の設けられた圧電体１０３の面１０３Ｂを保護するためにパッケージがさらに必要となり、板波素子１０１は厚くなる。また、圧電体１０３は非常に薄く強度に乏しい。
実施の形態２による板波素子２０５では、媒質層２０８の上面２０８Ａと媒質層２０９の下面２０９Ｂにおいて板波が十分に減衰しているので、媒質層２０８、２０９をパッケージとして用いることが可能であり、空隙が不要で薄い板波素子２０５を提供することができる。
また、実施の形態２の板波素子２０５では、圧電素子として従来より用いられている表面弾性波素子および境界波素子に比べ高速度な板波を主要波として励振させることができる。
例えば、圧電体としてニオブ酸リチウムを用い、リーキー波等の表面波を主要波とする表面弾性波素子及び境界波素子では、櫛歯電極で励振させる波を４０２４ｍ／ｓ以上に高速度化すると、通常、厚い圧電体への主要波の漏洩が起きる。しかし、実施の形態２の板波素子２０５では、主要波として板波を伝播させることで、圧電体２０６方向への波の漏洩をそもそも考慮しなくともよく、高音速な弾性波を励振可能となる。さらに、媒質層２０８、２０９を、主要波の音速よりも速く横波が伝搬する媒質で構成することで、媒質層２０８、２０９への主要波の漏洩を抑制することができる。すなわち、実施の形態２の板波素子２０５では、表面波を主要波とする境界波素子では得ることのできない４０２４ｍ／ｓ以上の速度で伝搬する弾性波で信号を伝達し、漏洩による性能劣化を抑制した弾性波素子を実現することができる。
尚、媒質層２０８、２０９の厚みは略同一であることが望ましい。これにより、応力に対する板波素子２０５の反りを軽減することができる。
また、媒質層２０８、２０９は同一媒質により構成することが望ましい。これにより、応力に対する板波素子２０５の反りを軽減することができる。
さらにまた、圧電体２０６の結晶構造は、上面２０６Ａの法線方向Ｎ２０１をｃ軸と一致させてｃ軸を中心とした回転相晶であることが望ましい。この場合、対称モードであるＳＨ０モード、Ｓ０モードの励振が防止され、スプリアス応答として表れることを抑制する。
図９は実施の形態２による他の板波素子１２０５の断面模式図である。図９において、図７に示す板波素子２０５と同じ部分には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。図２０３に示す板波素子１２０５は、媒質層２０８の上面２０８Ａに配置された吸音層２１０と、媒質層２０９の下面２０９Ｂに配置された吸音層２６０とをさらに備えることが望ましい。吸音層２１０、２６０はレジスト等などの樹脂よりなる。主要波として板波が伝播する時に発生する高い周波数の高次モードの不要波が媒質層２０８、２０９を介して吸音層２１０、２６０に誘い込み、抑圧することが可能となる。
検証により求めた高次モードの変位の分布を図１０に示す。図８と同様に、図１０の縦軸はピーク値で規格化した変位の振幅を表し、横軸は波長λで規格化した法線方向Ｎ２０１での位置を示す。ここで、高次モードの伝搬モードとして板波の伝搬する方向の成分ｕ１を主成分とした対称モードであるＳ２モードを選択した。図１０に示すように、高次モードの波が伝搬する速度は媒質層２０８、２０９を伝搬する横波の速度より大きいので、媒質層２０８の上面２０８Ａと媒質層２０９の下面２０９Ｂにおいても高次モードの変位の成分ｕ２が減衰せずに存在している。したがって、高次モードの波の速度を、媒質層２０８、２０９を伝搬する横波の速度よりも大きくなるように媒質層の構成や電極の構成を決定することで、高次モードの波を吸音層２１０、２６０に誘い込み、抑圧することが可能となる。吸音層２１０、２６０内を伝搬する高次モードの横波の速度が、媒質層２０８、２０９を伝搬する横波の速度より小さくすることで、吸音層２１０、２６０に媒質層２０８、２０９をそれぞれ経由して入った波が媒質層２０８、２０９に戻らず、効果的にその波を吸音層２１０、２６０内で吸収させることができる。一方、媒質層２０８、２０９では主要波の速度よりも大きい速度で横波が伝搬するので、主要波は、媒質層２０８、２０９のうちの圧電体２０６の付近の部分に閉じ込められ、吸音層２１０、２６０に吸収されることを防止することができる。
図１１は実施の形態２によるさらに他の板波素子２２０５の断面模式図である。図１１において、図７に示す板波素子２０５と同じ部分には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。図１１に示す板波素子２２０５は、媒質層２０８と圧電体２０６との間に設けられた媒質層２１１と、媒質層２０９と圧電体２０６との間に設けられた媒質層２６１とをさらに備える。すなわち、板波素子２２０５は、圧電体２０６と、圧電体２０６の上面２０６Ａに設けられた櫛歯電極２０７と、圧電体２０６の上面２０６Ａと櫛歯電極２０７の上面２０７Ａに櫛歯電極２０７を覆うように設けられた媒質層２１１と、媒質層２１１の上面２１１Ａに設けられた媒質層２０８と、圧電体２０６の下面２０６Ｂに設けられた媒質層２６１と、媒質層２６１の下面２６１Ｂに設けられた媒質層２０９とを備える。櫛歯電極２０７は圧電体２０６の上面２０６Ａの励振領域２０６Ｃに設けられている。媒質層２６１、２０９は励振領域２０６Ｃの真下方に位置する。媒質層２０８は励振領域２０６Ｃの真上方位置する。圧電体２０６や櫛歯電極２０７、媒質層２０８、２０９、２１１、２６１は圧電体２０６の上面２０６Ａと下面２０６Ｂに直角の法線方向Ｎ２０１に積層されている。圧電体２０６は法線方向Ｎ２０１の厚みＨ２１を有し、媒質層２０８、２０９は法線方向Ｎ２０１の厚みＨ２２を有する。媒質層２１１、２６１は法線方向Ｎ２０１の厚みＨ２３を有する。媒質層２６１は圧電体２０６を介して櫛歯電極２０７に対向している。櫛歯電極２０７は法線方向Ｎ２０１の厚みＴ１１を有する。板波素子２２０５は、媒質層２１１、２６１の一方を備えていなくてもよい。すなわち、媒質層２０８、２０９のうちの一方は圧電体２０６に当接してもよい。媒質層２１１、２６１には、媒質層２０８、２０９を伝搬する横波の速度より小さい速度で横波が伝搬する低音速層である。これにより、板波素子２０５の結合係数を大きくすることができ、以下にそれを説明する。
櫛歯電極２０７によって圧電体２０６に励振される板波は波長λを有する。ニオブ酸リチウムからなる圧電体２０６の厚みＨ２１の波長λに対する比Ｈ２１／λを０．４とする。ダイアモンドからなる媒質層２０８、媒質層２０９の厚みＨ２２の波長λに対する比Ｈ２２／λを２とする。媒質層２１１、２６１は酸化ケイ素で構成されている。媒質層２１１、２６１の厚みＨ２３を変化させた場合の板波素子２０５の電気機械結合係数ｋ２の検証結果を図１２に示す。図１２の縦軸は板波素子２０５の電気機械結合係数ｋ２を表し、横軸は主要波の波長λで規格化した媒質層２１１、２６１の厚みＨ２３、すなわち比Ｈ２３／λを表す。図１２において、比Ｈ２３／λが０である板波素子は図７に示す板波素子２０５である。図１２に示すように、媒質層２１１、２６１の厚みＨ２３が大きくなるに伴い、板波素子２０５の電気機械結合係数ｋ２が大きくなり著しく改善している。次に、低音速層である媒質層２１１、２６１を備えていない板波素子２０５と、比Ｈ２３／λが０．１の厚みＨ２３を有する媒質層２１１、２０６を備えた板波素子２２０５の変位分布の検証結果を図１３に示す。図８と同様に、図１３において、縦軸はピーク値で規格化した振幅を表し、横軸は波長λで規格化した法線方向Ｎ２０１での位置を示す。図１３に示すように、低音速層である媒質層２１１、２６１を設けることにより櫛歯電極２０７の存在する圧電体２０６と媒質層２１１の界面に変位分布のピークを近づけることができる。このように、櫛歯電極２０７の周辺に変位分布を集中させることで板波素子２０５の電気機械結合係数ｋ２を大きくすることが可能となる。
媒質層２１１、２６１が酸化ケイ素など、圧電体２０６と逆の周波数温度特性を有する誘電体で構成することで、板波素子２２０５の周波数温度係数を小さくして、周波数温度特性を向上させることができる。
圧電体２０６が単結晶基板である場合には、媒質層２０９と圧電体２０６を直接接合などの技術で接合することができる。圧電体２０６が薄膜より構成されている場合は、媒質層２０９の上面に圧電体２０６が配向することが可能なバッファ層を設け、そのバッファ層の上面にスパッタリングやＣＶＤなどの技術を用いて圧電体２０６となる圧電薄膜を形成することができる。また、媒質層２０９として、ガラス、サファイヤ、シリコンなどの熱膨張係数の小さい素材を用いることで周波数温度係数の小さい周波数温度特性の向上した板波素子２０５を実現することが可能となる。
図１４は実施の形態２によるさらに他の板波素子３２０５の断面模式図である。図１４において、図１１に示す板波素子２２０５と同じ部分には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。図１４に示す板波素子３２０５は、圧電体２０６の上面２０６Ａは、励振領域２０６Ｃの他に、励振領域２０６Ｄ、２０６Ｅをさらに有する。上面２０６Ａの励振領域２０６Ｄ、２０６Ｅには櫛歯電極２１７、２２７がそれぞれ設けられている。媒質層２１１は、櫛歯電極２０７、２１７、２２７を覆うように、圧電体２０６の上面２０６Ａと櫛歯電極２０７、２１７、２２７の上面２０７Ａ、２１７Ａ、２２７Ａに設けられている。圧電体２０６の励振領域２０６Ｃにおける部分１２０６は法線方向Ｎ２０１の厚みＨ２１を有する。圧電体２０６の励振領域２０６Ｄにおける部分２２０６は法線方向Ｎ２０１の厚みＨ３１を有する。圧電体２０６の励振領域２０６Ｅにおける部分３２０６は法線方向Ｎ２０１の厚みＨ４１を有する。圧電体２０６の厚みＨ２１、Ｈ３１、Ｈ４１は互いに異なり、厚みＨ２１は厚みＨ３１より小さく、厚みＨ３１は厚みＨ４１より小さい。媒質層２０８の上面２０８Ａには、図９に示す板波素子１２０５の吸音層２１０が設けられている。圧電体２０６の部分１２０６、２２０６での下面２０６Ｂには媒質層２６１が設けられている。圧電体２０６の部分３２０６での下面２０６Ｂは媒質層２６１が設けられていない。媒質層２６１の下面２６１Ｂと圧電体の部分３２０６での下面２０６Ｂには、図９に示す板波素子１２０５の吸音層２６０が設けられている。このように、櫛歯電極２０７、２１７、２２７が設けられている励振領域２０６Ｃ、２０６Ｄ、２０６Ｅでのそれぞれの圧電体２０６の厚みＨ２１、Ｈ３１、Ｈ４１を互いに異ならせることで、単体の板波素子３２０５において、異なる複数の板波素子の特性を得ることが出来る。
図１５は実施の形態２によるさらに他の板波素子４２０５の断面模式図である。図１５において、図１４に示す板波素子３２０５と同じ部分には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。図１５に示す板波素子４２０５では、櫛歯電極２１７と圧電体２０６の上面２０６Ａの励振領域２０６Ｄが露出している。励振領域２０６Ｄでは櫛歯電極２１７により励振された弾性表面波が伝播し、圧電体２０６の部分２２０６は弾性表面波素子として機能する。このように、板波素子４２０５は、板波素子と弾性表面波素子とを備えたハイブリッド素子として機能する。
図１６は実施の形態２における板波素子２０５（１２０５〜４２０５）を備えた電子機器２０５Ｃのブロック図である。ラダー型フィルタもしくはＤＭＳフィルタ等のフィルタ２０５Ｂは共振器として板波素子２０５（１２０５〜４２０５）を備える。携帯電話等の電子機器２０５Ｃは、フィルタ２０５Ｂと、フィルタ２０５Ｂに接続された半導体集積回路素子と、その半導体集積回路素子に接続された再生装置とを備えている。電子機器２０５Ｃは板波素子２０５（１２０５〜４２０５）に接続された信号線１２０５を備える。これにより、共振器（板波素子２０５、１２０５〜４２０５）、フィルタ２０５Ｂ、及び電子機器２０５Ｃにおける信号損失を抑制することができる。板波素子２０５（１２０５〜４２０５）は、周波数温度特性が良好であるという特徴を有し、携帯電話等の電子機器２０５Ｃにおける、フィルタ、共用器等などに適用が可能である。
なお、実施の形態１、２において、「上面」「下面」「上方」「真上方」「下方」「真下方」等の方向を示す用語は、圧電体や櫛歯電極等の板波素子の構成部品の相対的な位置関係にのみ依存する相対的な方向を示し、上下方向等の絶対的な方向を示すものではない。
本発明にかかる板波素子は優れた周波数温度特性を有し、携帯電話等の電子機器における、フィルタ、共用器等などに適用可能である。
１０６ 圧電体
１０７ 櫛歯電極
１０８ 媒質層（第１の媒質層）
１０９ 媒質層（第２の媒質層）
２０６ 圧電体
２０７ 櫛歯電極
２０８ 媒質層（第１の媒質層、第３の媒質層）
２０９ 媒質層（第２の媒質層、第４の媒質層）
２１０ 吸音層（第１の吸音層）
２６０ 吸音層（第２の吸音層）
２１１ 媒質層（第１の媒質層）
２６１ 媒質層（第２の媒質層）
１０７ 櫛歯電極
１０８ 媒質層（第１の媒質層）
１０９ 媒質層（第２の媒質層）
２０６ 圧電体
２０７ 櫛歯電極
２０８ 媒質層（第１の媒質層、第３の媒質層）
２０９ 媒質層（第２の媒質層、第４の媒質層）
２１０ 吸音層（第１の吸音層）
２６０ 吸音層（第２の吸音層）
２１１ 媒質層（第１の媒質層）
２６１ 媒質層（第２の媒質層）
図１に示す実施の形態１における板波素子１０５において、比Ｈ１／λを０．１５としたときの、媒質層１０８、１０９の厚みＨ２の波長λに対する比Ｈ２／λと周波数温度係数ＴＣＦの関係を図３に示す。図３に示すように、厚みＨ２の増加すなわち比Ｈ２／λの増加に伴いＡ０モードとＡ１モードの周波数温度係数はＳ０モード、ＳＨ０モードに比べ小さくなっており、周波数温度特性が大きく改善している。Ａ０モードは音速が低くデバイスの高周波化が困難であるので、Ａ１モードを用いることが望ましい。Ａ１モードにおいて、比Ｈ２／λが０．０８であるときに周波数温度係数がゼロになっている。周波数温度係数を小さくして周波数温度特性を向上させることにより、温度変化による特性劣化の少ない板波素子１０５を提供することが出来る。
また、圧電体１０６の結晶構造が上面１０６Ａの法線方向Ｎ１０１を結晶のｃ軸としてｃ軸を中心とした回転双晶である場合、板波素子１０５のＡ１モードの結合係数を効果的に上げることができると共に、対称モードであるＳＨ０モードが励振されにくくスプリアス応答として表れることを防止することができる。
さらにまた、圧電体２０６の結晶構造は、上面２０６Ａの法線方向Ｎ２０１をｃ軸と一致させてｃ軸を中心とした回転双晶であることが望ましい。この場合、対称モードであるＳＨ０モード、Ｓ０モードの励振が防止され、スプリアス応答として表れることを抑制する。
図９は実施の形態２による他の板波素子１２０５の断面模式図である。図９において、図７に示す板波素子２０５と同じ部分には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。図９に示す板波素子１２０５は、媒質層２０８の上面２０８Ａに配置された吸音層２１０と、媒質層２０９の下面２０９Ｂに配置された吸音層２６０とをさらに備えることが望ましい。吸音層２１０、２６０はレジスト等などの樹脂よりなる。主要波として板波が伝播する時に発生する高い周波数の高次モードの不要波が媒質層２０８、２０９を介して吸音層２１０、２６０に誘い込み、抑圧することが可能となる。
櫛歯電極２０７によって圧電体２０６に励振される板波は波長λを有する。ニオブ酸リチウムからなる圧電体２０６の厚みＨ２１の波長λに対する比Ｈ２１／λを０．４とする。ダイアモンドからなる媒質層２０８、媒質層２０９の厚みＨ２２の波長λに対する比Ｈ２２／λを２とする。媒質層２１１、２６１は酸化ケイ素で構成されている。媒質層２１１、２６１の厚みＨ２３を変化させた場合の板波素子２０５の電気機械結合係数ｋ２の検証結果を図１２に示す。図１２の縦軸は板波素子２０５の電気機械結合係数ｋ２を表し、横軸は主要波の波長λで規格化した媒質層２１１、２６１の厚みＨ２３、すなわち比Ｈ２３／λを表す。図１２において、比Ｈ２３／λが０である板波素子は図７に示す板波素子２０５である。図１２に示すように、媒質層２１１、２６１の厚みＨ２３が大きくなるに伴い、板波素子２０５の電気機械結合係数ｋ２が大きくなり著しく改善している。次に、低音速層である媒質層２１１、２６１を備えていない板波素子２０５と、比Ｈ２３／λが０．１の厚みＨ２３を有する媒質層２１１、２６１を備えた板波素子２２０５の変位分布の検証結果を図１３に示す。図８と同様に、図１３において、縦軸はピーク値で規格化した振幅を表し、横軸は波長λで規格化した法線方向Ｎ２０１での位置を示す。図１３に示すように、低音速層である媒質層２１１、２６１を設けることにより櫛歯電極２０７の存在する圧電体２０６と媒質層２１１の界面に変位分布のピークを近づけることができる。このように、櫛歯電極２０７の周辺に変位分布を集中させることで板波素子２０５の電気機械結合係数ｋ２を大きくすることが可能となる。
Claims (25)
- 圧電体と、
前記圧電体の上面に配置されてラム波を主要波として励振させる櫛歯電極と、
前記圧電体の前記上面に前記櫛歯電極を覆うように配置されて前記圧電体とは逆の周波数温度特性を有する第１の媒質層と、
を備えた板波素子。 - 前記圧電体の下面に設けられて前記圧電体とは逆の周波数温度特性を有する第２の媒質層をさらに備えた、請求項１に記載の板波素子。
- 前記第１の媒質層は酸化ケイ素よりなる、請求項１に記載の板波素子。
- 前記圧電体はニオブ酸リチウムよりなり、
前記圧電体の厚みＨ１の前記ラム波の波長λに対する比Ｈ１／λが
０．０７５〜０．１２５の場合には前記第１の媒質層の厚みＨ２の波長λに対する比Ｈ２／λが０．０４８〜０．０８０であり、
比Ｈ１／λが０．１２５〜０．１７５の場合には比Ｈ２／λは０．０６７〜０．１０８であり、
比Ｈ１／λが０．１７５〜０．２２５の場合には比Ｈ２／λは０．０８４〜０．１３６であり、
比Ｈ１／λが０．２２５〜０．２７５の場合には比Ｈ２／λは０．１０３〜０．１７５である、請求項３に記載の板波素子。 - 前記圧電体はニオブ酸リチウムよりなり、
前記圧電体の厚みＨ１の前記ラム波の波長λに対する比Ｈ１／λが
０．０７５〜０．１２５の場合には前記第１の媒質層の厚みＨ２の波長λに対する比Ｈ２／λが０より大きくかつ０．０３２より小さく、
比Ｈ１／λが０．１２５〜０．１７５の場合には比Ｈ２／λは０より大きくかつ０．０４６より小さく、
比Ｈ１／λが０．１７５〜０．２２５の場合には比Ｈ２／λは０より大きくかつ０．０６１より小さく、
比Ｈ１／λが０．２２５〜０．２７５の場合には比Ｈ２／λは０より大きくかつ０．０８４より小さく、
比Ｈ１／λが０．２７５〜０．３２５の場合には比Ｈ２／λは０より大きくかつ０．１１０より小さい、請求項３に記載の板波素子。 - 前記圧電体は、結晶のｃ軸を法線とする平面でカットされた圧電単結晶基板よりなる、請求項１に記載の板波素子。
- 前記圧電体の結晶構造は、ｃ軸として前記圧電体の前記上面の法線を中心とした回転双晶である、請求項６に記載の板波素子。
- 前記圧電体は、前記圧電体の前記上面の法線をｃ軸として配向された圧電薄膜よりなる、請求項１に記載の板波素子。
- 請求項１に記載の板波素子と、
前記板波素子に接続された信号線と、
を備えた電子機器。 - 圧電体と、
前記圧電体の上面に配置されて板波を励振させる櫛歯電極と、
前記櫛歯電極を覆うように前記圧電体の前記上面に配置されて、前記板波の速度よりも大きい速度で横波が伝搬する第１の媒質層と、
前記圧電体の下面に配置されて、前記板波の速度よりも大きい速度で横波が伝搬する第２の媒質層と、
を備えた板波素子。 - 前記第１の媒質層の厚み及び前記第２の媒質層の厚みが前記板波の波長より大きい、請求項１０に記載の板波素子。
- 前記板波の速度が、前記第１の媒質層を伝搬する横波の速度及び前記第２媒質層を伝搬する横波の速度よりも遅くなるように、前記圧電体の厚み及び前記櫛歯電極の厚みが決定されている、請求項１０に記載の板波素子。
- 前記第１媒質の上面に配置された第１の吸音層と、
前記第２媒質の下面に配置された第２の吸音層と、
をさらに備えた、請求項１０に記載の板波素子。 - 前記櫛歯電極はラム波を主要波として励振させる、請求項１０に記載の板波素子。
- 前記第１の媒質層の厚みと前記第２の媒質の厚みは略同一である、請求項１０に記載の板波素子。
- 前記第１の媒質層と前記第２の媒質層は同一の媒質よりなる、請求項１０に記載の板波素子。
- 前記圧電体の結晶構造は、ｃ軸として前記圧電体の前記上面の法線を中心とした回転双晶である、請求項１０に記載の板波素子。
- 請求項１０に記載の板波素子と、
前記板波素子に接続された信号線と、
を備えた電子機器。 - 圧電体と、
前記圧電体の上面に配置されて板波を励振させる櫛歯電極と、
前記櫛歯電極を覆うように前記圧電体の前記上面に配置された第１の媒質層と、
前記圧電体の下面に配置された第２の媒質層と、
前記第１の媒質層の上面に配置されて、前記板波の速度よりも大きい速度で横波が伝搬する第３の媒質層と、
前記第２の媒質層の下面に配置されて、前記板波の速度よりも大きい速度で横波が伝搬する第４の媒質層と、
前記第１の媒質層には、前記第１媒質層を伝搬する横波の速度よりも小さい速度で横波が伝搬し、
前記第２の媒質層には、前記第４の媒質層を伝搬する横波の速度よりも小さい速度で横波が伝搬する、板波素子。 - 前記第１の媒質層と前記第２の媒質層は酸化ケイ素よりなる、請求項１９に記載の板波素子。
- 前記櫛歯電極はラム波を主要波として励振させる、請求項１９に記載の板波素子。
- 前記第３の媒質層の厚みと前記第４の媒質の厚みは略同一である、請求項１９に記載の板波素子。
- 前記第３の媒質層と前記第４の媒質層は同一の媒質よりなる、請求項１９に記載の板波素子。
- 前記圧電体の結晶構造は、ｃ軸として前記圧電体の前記上面の法線を中心とした回転双晶である、請求項１９に記載の板波素子。
- 請求項１９に記載の板波素子と、
前記板波素子に接続された信号線と、
を備えた電子機器。
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