KR102629355B1 - 탄성파 장치 - Google Patents
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Abstract
전파하는 탄성파의 주성분이 종파이어도 양호한 임피던스 특성을 얻을 수 있는 탄성파 장치를 제공한다. 탄성파 장치(1)는 지지 기판(2)과 압전체층(3)과 IDT 전극(4)을 포함한다. 압전체층(3)은 지지 기판(2) 상에 직접 또는 간접적으로 마련되어 있다. IDT 전극(4)은 복수개의 전극지(41)를 포함하고, 압전체층(3)의 주면(31)에 마련되어 있다. 압전체층(3)의 두께가 IDT 전극(4)의 전극지 주기로 정해지는 탄성파의 파장을 λ로 한 경우에 1λ 이하이다. 지지 기판(2)은 A면 사파이어 기판이다.
Description
본 발명은 일반적으로 탄성파 장치에 관한 것이고, 보다 상세하게는 탄성파를 이용하는 탄성파 장치에 관한 것이다.
종래, 지지 기판과, 음속이 상대적으로 높은 고음속막과, 음속이 상대적으로 낮은 저음속막과, 압전막과, IDT(Interdigital Transducer) 전극을 포함하는 탄성파 장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
고음속막은 지지 기판 상에 적층되고, 저음속막은 고음속막 상에 적층되어 있다. 압전막은 저음속막 상에 적층되어 있다. 고음속막과 압전막 사이에 저음속막을 배치함으로써, 탄성파 에너지의 손실을 저감하고, Q값을 높일 수 있다.
특허문헌 1에 개시된 탄성파 장치에서 전파하는 탄성파의 주성분이 종파인 경우, 지지 기판의 재료 및 방위에 따라서는 횡파를 주성분으로 하는 탄성파를 전파하는 경우와 비교하여, 탄성파 에너지의 손실이 커지는 경우가 있다. 그 때문에 Q값이 낮아지는, 바꿔 말하면 양호한 임피던스 특성이 얻어지지 않는다는 문제가 있다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어졌고, 탄성파가 압전체층을 전파할 때에 양호한 임피던스 특성을 얻을 수 있는 탄성파 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 한 양태에 따른 탄성파 장치는 지지 기판과 압전체층과 IDT 전극을 포함한다. 상기 압전체층은 상기 지지 기판 상에 직접 또는 간접적으로 마련된다. 상기 IDT 전극은 복수개의 전극지(電極指)를 포함하고, 상기 압전체층의 주면(主面)에 마련된다. 상기 압전체층의 두께가 상기 IDT 전극의 전극지 주기로 정해지는 탄성파의 파장을 λ로 한 경우에 1λ 이하이다. 상기 지지 기판은 A면 사파이어 기판이다.
본 발명에 의하면, 전파하는 탄성파의 주성분이 종파이어도 양호한 임피던스 특성을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태에 따른 탄성파 장치의 단면도이다.
도 2는 상기 탄성파 장치의 임피던스비와 ψ의 관계를 설명하는 그래프 도면이다.
도 3은 상기 탄성파 장치가 포함하는 A면 사파이어 기판인 지지 기판의 ψ를 변화시킨 경우의 벌크파 음속을 설명하는 그래프 도면이다.
도 4는 R면 사파이어 기판을 이용한 경우의 임피던스 특성을 설명하는 그래프 도면이다.
도 5는 R면 사파이어 기판의 ψ를 변화시킨 경우의 벌크파 음속을 설명하는 그래프 도면이다.
도 6은 C면 사파이어 기판의 ψ를 변화시킨 경우의 벌크파 음속을 설명하는 그래프 도면이다.
도 7은 m면 사파이어 기판의 ψ를 변화시킨 경우의 벌크파 음속을 설명하는 그래프 도면이다.
도 8은 변형예 1에 따른 탄성파 장치의 단면도이다.
도 9는 상기 탄성파 장치의 임피던스 특성을 설명하는 그래프 도면이다.
도 10은 변형예 2에 따른 탄성파 장치의 단면도이다.
도 2는 상기 탄성파 장치의 임피던스비와 ψ의 관계를 설명하는 그래프 도면이다.
도 3은 상기 탄성파 장치가 포함하는 A면 사파이어 기판인 지지 기판의 ψ를 변화시킨 경우의 벌크파 음속을 설명하는 그래프 도면이다.
도 4는 R면 사파이어 기판을 이용한 경우의 임피던스 특성을 설명하는 그래프 도면이다.
도 5는 R면 사파이어 기판의 ψ를 변화시킨 경우의 벌크파 음속을 설명하는 그래프 도면이다.
도 6은 C면 사파이어 기판의 ψ를 변화시킨 경우의 벌크파 음속을 설명하는 그래프 도면이다.
도 7은 m면 사파이어 기판의 ψ를 변화시킨 경우의 벌크파 음속을 설명하는 그래프 도면이다.
도 8은 변형예 1에 따른 탄성파 장치의 단면도이다.
도 9는 상기 탄성파 장치의 임피던스 특성을 설명하는 그래프 도면이다.
도 10은 변형예 2에 따른 탄성파 장치의 단면도이다.
이하에 설명하는 실시형태 및 변형예는 본 발명의 일례에 불과하고, 본 발명은 실시형태 및 변형예에 한정되지 않는다. 이하의 실시형태 및 변형예 이외이어도 본 발명에 따른 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위이면, 설계 등에 따라 다양한 변경이 가능하다.
(실시형태)
이하, 본 실시형태에 따른 탄성파 장치에 대해 도 1~도 7을 이용하여 설명한다.
이하의 실시형태 등에서 참조하는 도 1, 도 8 및 도 10은 모두 모식적인 도면이며, 도면 중의 각 구성 요소의 크기나 두께 각각의 비가 반드시 실제의 치수비를 반영하고 있다고는 할 수 없다.
(1) 탄성파 장치의 전체 구성
실시형태에 따른 탄성파 장치(1)는 예를 들면, 탄성파로서 판파를 이용하는 탄성파 장치이다. 탄성파 장치(1)는 도 1에 나타내는 바와 같이, 지지 기판(2)과 압전체층(3)과 빗살형 전극인 IDT(IDT: Interdigital Transducer) 전극(4)을 포함한다. 압전체층(3)은 지지 기판(2) 상에 형성되어 있다. IDT 전극(4)은 압전체층(3) 상에 형성되어 있다.
(2) 탄성파 장치의 각 구성 요소
다음으로, 탄성파 장치(1)의 각 구성 요소에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
(2.1) 지지 기판
지지 기판(2)은 도 1에 나타내는 바와 같이, 압전체층(3)과 IDT 전극(4)의 적층체를 지지하고 있다. 지지 기판(2)은 그 두께방향(D1)(이하, 제1 방향(D1)이라고도 함)에서 서로 반대 측에 있는 제1 주면(21) 및 제2 주면(22)을 가진다. 제1 주면(21) 및 제2 주면(22)은 서로 배향(背向)한다. 지지 기판(2)의 평면에서 본 형상(지지 기판(2)을 두께방향(D1)으로부터 보았을 때의 바깥둘레 형상)은 장방형상인데, 장방형상에 한정되지 않고, 예를 들면 정방형상이어도 된다.
지지 기판(2)은 A면 사파이어 기판이다. 여기서 A면 사파이어 기판이란 제1 주면(21)을 사파이어의 A면으로 한 사파이어 기판을 나타낸다. 사파이어의 결정 구조는 능면체 정계인데, 육방정에 근사해도 가능하다. 또한, 사파이어는 이방성 재료이다. A면 사파이어 기판은, 면지수에서는 (11-20)으로 표현되고, 오일러 각에서는 (90°, 90°, ψ)로 표현된다. 한편, 사파이어의 오일러 각은 (90°±5, 90°±5, ψ)이어도 된다.
본 실시형태에서는 ψ가 120° 이상 165° 이하의 범위 내이다.
(2.2) 압전체층
압전체층(3)은 예를 들면, X컷 Y전파 LiNbO3(니오브산리튬) 압전 단결정으로 형성되어 있다. X컷 Y전파 LiNbO3 압전 단결정은 LiNbO3 압전 단결정의 3개의 결정 축을 X축, Y축, Z축으로 한 경우에 Y축을 중심축으로 하여 X축으로부터 Z축방향으로 회전한 축을 법선으로 하는 면에서 절단한 LiNbO3 단결정이며, Y축방향으로 탄성 표면파가 전파하는 단결정이다. 본 실시형태에서는 압전체층(3)의 오일러 각을 (φ, θ, ψ)로 한다. 한편, 압전체층(3)의 오일러 각은 결정학적으로 등가인 오일러 각을 포함하는 것으로 한다. LiNbO3은 삼방 정계의 3m 점군에 속하는 결정이기 때문에, 이하의 식이 성립한다.
F(θ, φ, ψ)=F(60°+θ, -φ, ψ)
= F(60°-θ, -φ, 180°-ψ)
= F(θ, 180°+φ, 180°-ψ)
= F(φ, θ, 180°+ψ)
한편, 압전체층(3)은 X컷 Y전파 LiNbO3 압전 단결정에 한정되지 않고, 예를 들면, X컷 Y전파 LiNbO3 압전 세라믹스이어도 된다.
압전체층(3)은 지지 기판(2)의 제1 주면(21) 상에 형성된다. 압전체층(3)의 두께(제1 방향(D1)에서의 길이)는 IDT 전극(4)의 전극지 주기로 정해지는 탄성파의 파장을 λ로 했을 때에, 1λ 이하이다. 이로써, 탄성파 장치(1)에서는 IDT 전극(4)에 의해 판파가 여진(勵振)되고, 판파가 전파한다. 본 실시형태의 탄성파 장치(1)에서는 예를 들면, 탄성파의 파장이 1㎛이며, 압전체층(3)의 두께가 0.2㎛이다. 압전체층(3)의 두께를 1λ 이하로 함으로써, Q값이 높아진다. 더욱이, 탄성파의 음속 조정을 용이하게 할 수 있다.
본 실시형태에서의 압전체층(3)의 오일러 각은 (90°, 90°, 40°)이다. 즉, 본 실시형태의 압전체층(3)은 X컷 40° Y전파 LiNbO3 압전 단결정으로 형성되어 있다.
한편, 압전체층(3)에서는 일례로서 오일러 각 표시로 (90°, 90°, 40°)가 되는 방위를 결정 방위로 하고 있다. 그러나 압전체층(3)의 결정 방위는 이에 한정되지 않는다. 오일러 각 (90°, 90°, ψ)는 X컷 기판이며, X컷 기판 상에는 종파가 우세한 탄성 표면파가 여진되고, ψ에 의해 전기기계 결합 계수가 변화된다. 따라서, 압전체층(3)의 결정 방위는 원하는 전기기계 결합 계수에 맞추어 임의로 선택할 수 있다. 예를 들면, ψ가 40°±20°의 범위에서 비교적 큰 전기기계 결합 계수를 얻을 수 있다. 마찬가지로, φ가 90°±5° 또는 θ가 90°±5°의 범위이어도 비교적 큰 전기기계 결합 계수를 얻을 수 있다. 즉, 압전체층(3)의 오일러 각은 (90°±5°, 90°±5°, 40°±20°)의 범위로 정해도 된다. 또한, 본 실시형태에서는, 종파란 음속이 6000m/s 이상 7000m/s 이하인 탄성파이다.
탄성파 장치(1)에서는 압전체층(3)을 전파하는 탄성파의 모드로서 종파, SH파, 혹은 SV파, 또는 이들이 복합된 모드가 존재한다. 탄성파 장치(1)에서는 종파를 주성분으로 하는 모드를 메인 모드로서 사용하고 있다. 압전체층(3)을 전파하는 탄성파의 모드가 "종파를 주성분으로 하는 모드를 메인 모드"인지 여부에 대해서는 예를 들면, 압전체층(3)의 파라미터(재료, 오일러 각 및 두께 등), IDT 전극(4)의 파라미터(재료, 두께 및 전극지 주기 등)의 파라미터를 이용하여 유한 요소법에 의해 변위 분포를 해석하고, 일그러짐을 해석함으로써 확인할 수 있다. 압전체층(3)의 오일러 각은 분석에 의해 구할 수 있다.
한편, 여기서 말하는 메인 모드란, 탄성파 장치(1)가 공진자인 경우에는 필터의 통과 대역 내에 공진 주파수 및 반공진 주파수 중 적어도 한쪽이 존재하면서 공진 주파수에서의 임피던스와 반공진 주파수에서의 임피던스의 차가 가장 큰 파의 모드이다. 또한, 탄성파 장치(1)가 필터인 경우에는 필터의 통과 대역을 형성하기 위해 사용되는 파의 모드이다.
(2.3) IDT 전극
IDT 전극(4)은 복수개의 전극지(41)와 2개의 버스바(busbar)(도시하지 않음)를 포함하고, 압전체층(3)의 주면(31)에 마련되어 있다. 복수개의 전극지(41)는 제1 방향(D1)에 직교하는 제2 방향(D2)에서 서로 이격되어 나란히 마련되어 있다. 도시하지 않은 2개의 버스바는 제2 방향(D2)을 긴 쪽 방향으로 하는 장척상(長尺狀)으로 형성되어 있고, 복수개의 전극지(41)와 전기적으로 접속되어 있다. 보다 상세하게는 복수개의 전극지(41)는 복수개의 제1 전극지와, 복수개의 제2 전극지를 가진다. 복수개의 제1 전극지는 2개의 버스바 중 제1 버스바와 전기적으로 접속되어 있다. 복수개의 제2 전극지는 2개의 버스바 중 제2 버스바와 전기적으로 접속되어 있다.
제1 전극지 및 제2 전극지의 폭을 WA(도 1 참조)로 하고, 서로 이웃하는 제1 전극지와 제2 전극지의 스페이스 폭을 SA로 한 경우, IDT 전극(4)에서 듀티비는 WA/(WA+SA)로 정의된다. IDT 전극(4)의 듀티비는 예를 들면, 0.5이다. IDT 전극(4)의 전극지 주기로 정해지는 탄성파의 파장을 λ로 했을 때, 파장 λ는 전극지 주기와 동일하다. IDT 전극(4)의 전극지 주기는 복수개의 제1 전극지 및 복수개의 제2 전극지의 반복 주기로 정의된다. 따라서, 반복 주기와 파장 λ는 동일하다. IDT 전극(4)의 듀티비는 전극지 주기의 2분의 1의 값(WA+SA)에 대한 제1 전극지 및 제2 전극지의 폭(WA)의 비이다.
IDT 전극(4)의 재료는 예를 들면, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 티탄(Ti), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 혹은 텅스텐(W), 또는 이들 금속 중 어느 하나를 주체로 하는 합금 등 적절한 금속 재료이다. 또한, IDT 전극(4)은 이들 금속 또는 합금으로 이루어지는 복수개의 금속막을 적층한 구조를 가져도 된다. 본 실시형태에서는 IDT 전극(4)의 재료는 구리이다. 또한, IDT 전극(4)의 두께(제1 방향(D1)에서의 길이)는 예를 들면 50㎚이다.
또한, IDT 전극(4)의 적어도 일부를 덮도록 보호막이나 주파수 조정막이 마련되어도 된다.
(3) 탄성파 장치의 특성
도 2는 탄성파 장치(1)를 1포트 공진자로서 이용한 경우에 지지 기판(2)의 오일러 각의 한 요소인 ψ의 각도를 변화시켰을 때의 ψ와 임피던스비의 관계를 나타내는 그래프이다.
임피던스[㏈]는 탄성파 장치(1)의 임피던스를 Z로 한 경우, 20×log10|Z|로 구해지는 값이다. 또한, 임피던스비는 수식 "임피던스비=(20×log10|Z1|)-(20×log10|Z2|)"로 구해지는 값이다. 여기서, Z2는 탄성파 장치(1)의 공진 주파수에서의 임피던스이다. 또한, Z1은 탄성파 장치(1)의 반공진 주파수에서의 임피던스이다.
임피던스비는 공진 리스폰스의 크기의 지표를 나타내고, 그 값이 클수록 공진 주파수에서의 임피던스가 양호하다고 할 수 있다. 도 2에서 나타내는 바와 같이, ψ가 120° 이상 165° 이하인 범위 내인 경우는 임피던스비가 60[㏈]를 초과한다. 그 때문에, ψ가 120° 이상 165° 이하인 범위 내에서는 공진 주파수에서의 임피던스가 양호하다.
도 3은 A면 사파이어 기판(지지 기판(2))의 ψ를 변화시킨 경우의 벌크파 음속을 나타낸다. 구체적으로는 위상 속도와 ψ의 관계를 나타낸다. 종파와 횡파의 벌크파 음속은 다르며, 사파이어는 이방성 재료이기 때문에, 횡파에는 속도가 빠른 모드(빠른 횡파)와 속도가 느린 모드(느린 횡파)가 전파한다. 즉, A면 사파이어 기판을 전파하는 탄성 벌크파는 종파, 빠른 횡파 및 느린 횡파를 포함한다. 이들 파의 속도는 ψ에 따라 다르다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 종파의 음속은 ψ의 값에 관계 없이 속도 10000m/s를 초과하는 음속이다. 한편, 빠른 횡파 및 느린 횡파 각각의 음속은 속도 6000m/s 부근의 음속이다. 여기서, 공진 주파수에서의 임피던스가 양호해지는 ψ의 범위(120° 이상 165° 이하인 범위)에서는 빠른 횡파 및 느린 횡파 쌍방이 모두 6600m/s 이상이 되고, A면 사파이어 기판에서도 특이적으로 음속이 빨라지는 영역이다.
본 실시형태에서는 종파형 탄성파 모드의 공진 주파수점의 음속이 약 6000m/s이고, 반공진 주파수점의 음속은 6600m/s보다도 작으므로, A면 사파이어 기판의 음속이 공진 주파수점 및 반공진 주파수점에서의 음속보다도 빠른 경우는 공진 주파수와 반공진 주파수 사이에서 A면 사파이어 기판(지지 기판(2)) 측으로 탄성파 에너지가 누설되지 않고, 압전체층(3) 근방에 에너지가 집중된 상태에서 탄성파가 전파된다. 그 때문에 양호한 임피던스 특성(임피던스비)이 얻어진다. 즉, 양호한 탄성 표면파의 특성이 얻어진다.
한편, 임피던스가 양호해지는 ψ의 범위(120° 이상 165° 이하인 범위)와 결정학적으로 등가인 범위(300° 이상 345° 이하의 범위)에서도 빠른 횡파 및 느린 횡파 쌍방이 모두 6600m/s 이상이 된다. 그 때문에, ψ가 300° 이상 345° 이하의 범위에서도 양호한 임피던스 특성이 얻어진다. 그 결과, 압전체층(3) 근방에 에너지가 집중된 상태에서 탄성파가 전파되므로, 양호한 탄성 표면파의 특성이 얻어진다.
ψ가 120°보다 작은 경우, 165°보다 크고 300°보다 작은 경우, 또는 345°보다 큰 경우에는 빠른 횡파 및 느린 횡파 중 적어도 한쪽의 음속이 6600[m/s]보다도 작다. 그 때문에, 반공진 주파수 근방에서 A면 사파이어 기판(지지 기판(2))으로의 에너지 누설이 발생하기 때문에, 양호한 임피던스 특성이 얻어지지 않는다.
(4) 이점
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에서는 탄성파 장치(1)는 오일러 각이 (90°, 90°, 40°)인 압전체층(3)과, 오일러 각이 (90°, 90°, ψ)인 A면 사파이어 기판인 지지 기판(2)을 포함한다. 여기서, ψ는 120° 이상 165° 이하이다. ψ가 120° 이상 165° 이하의 범위 내의 값인 경우, 도 2 및 도 3에서 나타내는 바와 같이, 공진 주파수에서의 양호한 임피던스 특성이 얻어진다. 그 때문에, 본 실시형태의 탄성파 장치(1)는 지지 기판(2) 측으로 탄성파 에너지가 누설되지 않고, 압전체층(3) 근방에 에너지가 집중된 상태에서 탄성파를 전파할 수 있다. 그 결과, 양호한 탄성 표면파의 특성이 얻어진다. 즉, Q값을 높일 수 있다.
한편, 지지 기판으로서 R면 사파이어 기판 또는 C면 사파이어 기판을 이용하는 것을 생각할 수 있다.
예를 들면, 실시형태 1에서 나타내는 지지 기판(2) 대신에 오일러 각이 (0°, 122.23°, 0°)인 R면 사파이어 기판(비교예의 지지 기판)을 이용한 경우에서의 임피던스 특성을 도 4에 나타낸다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 주파수가 5500㎒ 이상 6500㎒ 이하에서 임피던스의 최대값과 최소값의 차분은 크지 않다. 즉, 임피던스비는 작다. 그 때문에, 비교예의 지지 기판(R면 사파이어 기판)에서는 양호한 임피던스 특성을 얻을 수 없다.
더욱이, 도 5에 R면 사파이어 기판(비교예의 지지 기판)의 ψ를 변화시킨 경우의 벌크파 음속, 즉 위상 속도와 ψ의 관계를 나타낸다. R면 사파이어 기판을 이용한 경우, 오일러 각 (0°, 122.23°, ψ)에서 ψ의 값에 관계 없이, 느린 횡파의 음속은 6000m/s 부근이다. 즉, 느린 횡파의 음속은 공진 주파수점의 음속에 가깝기 때문에, 벌크 방사에 의해 양호한 임피던스 특성이 얻어지지 않는다.
또한, 도 6에 C면 사파이어 기판의 ψ를 변화시킨 경우의 벌크파 음속, 즉 위상 속도와 ψ의 관계를 나타낸다. C면 사파이어 기판을 이용한 경우, ψ의 값에 관계 없이 R면 사파이어 기판과 마찬가지로 느린 횡파의 음속은 6000m/s 부근이다. 즉, 느린 횡파의 음속은 공진 주파수점의 음속에 가깝기 때문에, C면 사파이어 기판을 이용한 경우에도 벌크 방사에 의해 양호한 임피던스 특성이 얻어지지 않는다.
더욱이, 지지 기판으로서 m면 사파이어 기판을 이용하는 것도 생각할 수 있다. 도 7에 m면 사파이어 기판의 ψ를 변화시킨 경우의 벌크파의 음속, 즉 위상 속도와 ψ의 관계를 나타낸다. m면 사파이어 기판을 지지 기판으로 한 경우, ψ의 값에 관계 없이 R면 사파이어 기판 및 C면 사파이어 기판과 마찬가지로 느린 횡파의 음속은 6000m/s 부근이다. 즉, 느린 횡파의 음속은 공진 주파수점의 음속에 가깝기 때문에, m면 사파이어 기판을 이용한 경우에도 벌크 방사에 의해 양호한 임피던스 특성이 얻어지지 않는다.
따라서, C면 사파이어 기판, R면 사파이어 기판 및 m면 사파이어 기판에서는 탄성파를 전파할 때에는 기판 측으로 탄성파 에너지가 누설되나, A면 사파이어 기판을 지지 기판(2)으로서 이용함으로써, 지지 기판(2) 측으로 탄성파 에너지를 누설시키지 않고 탄성파를 전파할 수 있다.
또한, 실시형태에 따른 탄성파 장치(1)에서는 IDT 전극(4)의 전극지 주기로 정해지는 탄성파의 파장을 λ로 했을 때에 압전체층(3)의 두께가 1λ 이하이다. 이로써, 실시형태에 따른 탄성파 장치(1)에서는 판파를 여진할 수 있다.
또한, 실시형태에 따른 탄성파 장치(1)에서는 탄성파가 판파이다. 이로써, 실시형태에 따른 탄성파 장치(1)에서는 판파를 이용하는 탄성파 장치로서 사용하는 것이 가능해진다.
상기 실시형태는 본 발명의 다양한 실시형태 중 하나에 불과하다. 상기 실시형태는 본 발명의 목적을 달성할 수 있으면 설계 등에 따라 다양한 변경이 가능하다.
(5) 변형예
이하에 변형예에 대해 열기한다. 한편, 이하에 설명하는 변형예는 상기 실시형태와 적절히 조합하여 적용 가능하다.
(5.1) 변형예 1
본 실시형태의 변형예 1로서 도 8에 나타내는 바와 같이, 탄성파 장치(1A)는 실시형태의 탄성파 장치(1)와 비교하여 중간층(5)을 더 포함하는 구성이어도 된다.
중간층(5)은 예를 들면, 산화규소층이며, 지지 기판(2)과 압전체층(3) 사이에 마련된다. 바꿔 말하면, 중간층(5)은 지지 기판(2)의 제1 주면(21) 상에 적층 되고, 중간층(5) 상에 압전체층(3)이 적층된다. 중간층(5)의 두께는 예를 들면 50㎚이다. 중간층(5)을 마련함으로써, 탄성파 장치(1A)에서의 주파수 온도 특성을 개선할 수 있다. 한편, 중간층(5)을 생성하는 재료는 산화규소 외에, 질화규소, 질화알루미늄 등이어도 된다.
도 9는 탄성파 장치(1A)를 1포트 공진자로 이용한 경우에 지지 기판(2)의 오일러 각의 한 요소인 ψ의 각도를 변화시켰을 때의 임피던스 특성을 나타낸다. 본 변형예에서는 ψ로서 105°, 120°, 140°, 165°, 및 180°를 적용한 경우의 임피던스 특성을 도 9에 나타낸다.
상술한 바와 같이, 임피던스비는 수식 "임피던스비=(20×log10|Z1|)-(20×log10|Z2|)"로 구해지는 값이다. Z2는 탄성파 장치(1)의 공진 주파수에서의 임피던스이며, 임피던스 특성의 극대값에 상당한다. 또한, Z1은 탄성파 장치(1)의 반공진 주파수에서의 임피던스이며, 임피던스 특성의 극대값에 상당한다.
도 9에서는 ψ가 105° 및 180°인 경우에는 임피던스비는 약 53㏈이다. ψ가 120°인 경우에는 임피던스비는 약 80㏈이고, ψ가 140°인 경우에는 임피던스비는 약 83㏈이며, ψ가 165°인 경우에는 임피던스비는 약 85㏈이다. 즉, ψ가 120° 이상 165° 이하의 범위 내인 경우에는 임피던스비로서 80㏈ 부근의 값이 얻어진다. 따라서, ψ가 120° 이상 165° 이하인 범위 내에서는 양호한 임피던스 특성이 얻어진다. 즉, 양호한 탄성 표면파의 특성이 얻어진다.
여기서, 지지 기판(2)은 A면 사파이어로 이루어지기 때문에, 고음속 기판으로서 기능한다. 중간층(5)은 산화규소층이기 때문에, 저음속막으로서 기능한다. 고음속 기판에서는 압전체층(3)을 전파하는 탄성파의 음속보다도 고음속 기판을 전파하는 벌크파의 음속이 고속이다. 저음속막에서는 압전체층(3)을 전파하는 벌크파의 음속보다도 저음속막을 전파하는 벌크파의 음속이 저속이다.
따라서, 탄성파 장치(1A)의 지지 기판(2)은 탄성 표면파를 압전체층(3) 및 중간층(5)(저음속막)이 적층되어 있는 부분에 가두고, 탄성 표면파가 지지 기판(2)보다 아래의 구조로 누설되지 않도록 기능한다.
한편, 중간층(5)으로서의 저음속막을 구성하는 재료로는 압전체층(3)을 전파하는 벌크파보다도 저음속막의 벌크파 음속을 가지는 적절한 재료를 사용할 수 있다. 예를 들면, 산화규소, 유리, 산질화규소, 산화탄탈, 또는 산화규소에 불소나 탄소나 붕소를 첨가한 화합물 등, 이들 재료를 주성분으로 한 매질을 사용해도 된다.
또한, 압전체층(3)과 지지 기판(2) 사이에 마련되는 중간층(5)은 하나의 층에 한정되지 않는다. 압전체층(3)과 지지 기판(2) 사이에는 복수개의 중간층(5)이 마련되어도 된다. 요컨대, 압전체층(3)과 지지 기판(2) 사이에 적어도 하나의 중간층(5)이 마련되어도 되고, 상기 실시형태와 같이 중간층(5)은 마련되지 않아도 된다. 즉, 압전체층(3)은 지지 기판(2) 상에 직접 또는 간접적으로 마련되어 있으면 된다.
(5.2) 변형예 2
압전체층(3)과 지지 기판(2) 사이에 적어도 하나의 고음향 임피던스층과 적어도 하나의 저음향 임피던스층을 각각 중간층으로서 마련해도 된다. 여기서, 고음향 임피던스층은 저음향 임피던스층보다도 음향 임피던스가 높은 층이다. 예를 들면 도 10에 나타내는 바와 같이, 압전체층(3)과 지지 기판(2) 사이에 3개의 고음향 임피던스층(51)과 3개의 저음향 임피던스층(52)을 마련해도 된다.
이하에서는 설명의 편의 상, 3개의 고음향 임피던스층(51)을 지지 기판(2)의 제1 주면(21)에 가까운 순서대로 제1 고음향 임피던스층(511), 제2 고음향 임피던스층(512), 제3 고음향 임피던스층(513)이라고 칭하는 경우도 있다. 또한, 3개의 저음향 임피던스층(52)을 지지 기판(2)의 제1 주면(21)에 가까운 순서대로 제1 저음향 임피던스층(521), 제2 저음향 임피던스층(522), 제3 저음향 임피던스층(523)이라고 칭하는 경우도 있다.
탄성파 장치(1B)에서는 지지 기판(2) 측으로부터 제1 고음향 임피던스층(511), 제1 저음향 임피던스층(521), 제2 고음향 임피던스층(512), 제2 저음향 임피던스층(522), 제3 고음향 임피던스층(513) 및 제3 저음향 임피던스층(523)이, 이 순서대로 늘어서 있다. 따라서, 탄성파 장치(1B)에서는 제3 저음향 임피던스층(523)과 제3 고음향 임피던스층(513)의 계면, 제2 저음향 임피던스층(522)과 제2 고음향 임피던스층(512)의 계면, 제1 저음향 임피던스층(521)과 제1 고음향 임피던스층(511)의 계면 각각에서 압전체층(3)으로부터의 탄성파(판파)를 반사하는 것이 가능하다.
복수개의 고음향 임피던스층(51)의 재료는 예를 들면, Pt(백금)이다. 또한, 복수개의 저음향 임피던스층(52)의 재료는 예를 들면, 산화규소이다. 탄성파 장치(1B)는 3개의 고음향 임피던스층(51) 각각이 Pt에 의해 형성되어 있으므로, 3개의 도전층을 포함하고 있다.
복수개의 고음향 임피던스층(51)의 재료는 Pt(백금)에 한정되지 않고, 예를 들면, W(텅스텐), Ta(탄탈) 등의 금속이어도 된다. 또한, 탄성파 장치(1B)는 고음향 임피던스층(51)이 도전층인 예에 한정되지 않고, 저음향 임피던스층(52)이 도전층이어도 된다.
또한, 복수개의 고음향 임피던스층(51)은 서로 동일한 재료인 경우에 한정되지 않고, 예를 들면, 서로 다른 재료이어도 된다. 또한, 복수개의 저음향 임피던스층(52)은 서로 동일한 재료인 경우에 한정되지 않고, 예를 들면, 서로 다른 재료이어도 된다.
또한, 고음향 임피던스층(51) 및 저음향 임피던스층(52) 각각의 수는 2개 또는 4개 이상이어도 된다. 또한, 고음향 임피던스층(51)의 수와 저음향 임피던스층(52)의 수는 달라도 된다. 또한, 탄성파 장치(1B)는 적어도 하나의 고음향 임피던스층(51)과 적어도 하나의 저음향 임피던스층(52)이 지지 기판(2)의 두께방향(D1)에서 중복되어 있으면 된다.
압전체층(3)과 지지 기판(2) 사이에 적어도 하나의 고음향 임피던스층(51)과 적어도 하나의 저음향 임피던스층(52)을 마련한 경우이어도, 지지 기판(2)의 오일러 각의 한 요소인 ψ가 120° 이상 165° 이하인 범위 내에서는 양호한 임피던스 특성이 얻어진다. 즉, 양호한 탄성 표면파의 특성이 얻어진다.
(5.3) 변형예 3
상기 실시형태에서는 압전체층(3)의 오일러 각은 (90°±5°, 90°±5°, 40°±20°)의 범위 내에서 정해지는 방위라고 했는데, 이에 한정되지 않는다. 압전체층(3)의 오일러 각은 종파가 우세한 탄성 표면파로서 여진되는 방위이면 된다. 예를 들면, 압전체층(3)에서 종파가 우세한 탄성 표면파로서 여진되는 방위로서 (90°±5°, 90°±5°, 40°±20°)의 범위 내에서 정해지는 방위 외에, (0°±5°, 35°±20°, 90°±20°)의 범위 내에서 정해지는 방위 및 (0°±5°, 85°±20°, 90°±20°)의 범위 내에서 정해지는 방위가 있다.
또는 압전체층(3)의 오일러 각은 (90°±5°, 90°±5°, 40°±20°), (0°±5°, 35°±20°, 90°±20°) 중 어느 하나의 범위 내에서 정해지는 오일러 각과 결정학적으로 등가인 방위로 해도 된다.
(5.4) 변형예 4
압전체층(3)의 재료는 LiNbO3에 한정되지 않는다. 예를 들면, 압전체층(3)의 재료는 LiTaO3(탄탈산리튬)이어도 된다. 즉, 압전체층(3)이 Y컷 X전파 LiNbO3 압전 단결정 또는 압전세라믹스이어도 된다. 예를 들면, 오일러 각이 (0°, 130°, 0°)인 LiNbO3으로 생성된 압전체층에서는 SH파가 우세한 탄성파가 여진되는 결정 방위인데, SH파는 종파보다도 음속이 느리다. 그 때문에, A면 사파이어(지지 기판(2))의 오일러 각의 한 요소인 ψ를 120° 이상 165° 이하의 범위 내로 함으로써 양호한 임피던스 특성이 얻어진다. 즉, 양호한 탄성 표면파의 특성이 얻어진다.
압전체층(3)의 단결정 재료, 커트 각에 대해서는 예를 들면, 필터의 요구사양(통과 특성, 감쇠 특성, 온도 특성 및 대역 폭 등의 필터 특성) 등에 따라 적절히 결정하면 된다.
(5.5) 변형예 5
상기 실시형태에서는 탄성파 장치(1)를 1포트 공진자로 한 경우에 대해 설명했다. 그러나 탄성파 장치(1)의 적용은 1포트 공진자에 한정되지 않는다.
탄성파 장치(1)는 복수개 포트의 공진자로 해도 된다. 또한, 탄성파 장치(1)는 복수개의 공진자를 조합하여 필터, 듀플렉서 및 멀티플렉서로 해도 된다.
(정리)
이상 설명한 바와 같이, 제1 양태의 탄성파 장치(1; 1A; 1B)는 지지 기판(2)과 압전체층(3)과 IDT 전극(4)을 포함한다. 압전체층(3)은 지지 기판(2) 상에 직접 또는 간접적으로 마련되어 있다. IDT 전극(4)은 복수개의 전극지(41)를 포함하고, 압전체층(3)의 주면(31)에 마련되어 있다. 압전체층(3)의 두께가 IDT 전극(4)의 전극지 주기로 정해지는 탄성파의 파장을 λ로 한 경우에 1λ 이하이다. 지지 기판(2)은 A면 사파이어 기판이다.
이 구성에 의하면, 지지 기판(2)으로서 A면 사파이어 기판을 이용하므로, 전파하는 탄성파의 주성분이 종파이어도 양호한 임피던스 특성을 얻을 수 있다. 그 때문에, 종파가 압전체층(3)을 전파할 때의 에너지 손실을 저감할 수 있다.
제2 양태의 탄성파 장치(1; 1A; 1B)에서는 제1 양태에 있어서, 압전체층(3)은 탄탈산리튬 또는 니오브산리튬으로 생성된다. 압전체층(3)의 오일러 각은 (90°±5°, 90°±5°, 40°±20°), ( 0°±5°, 35°±20°, 90°±20°) 및 (0°±5°, 85°±20°, 90°±20°) 중 어느 하나의 범위로 정해지는 방위, 또는 어느 하나의 범위 내에서 정해지는 오일러 각과 결정학적으로 등가인 방위이다.
이 구성에 의하면, 전파하는 탄성파의 주성분을 종파로 할 수 있다.
제3 양태의 탄성파 장치(1; 1A; 1B)에서는 제1 또는 제2 양태에 있어서, 압전체층(3)을 전파하는 탄성파는 종파를 포함한다.
이 구성에 의하면, 전파하는 종파의 에너지 손실을 저감할 수 있다.
제4 양태의 탄성파 장치(1; 1A; 1B)에서는 제1 내지 제3 중 어느 하나의 양태에 있어서, 지지 기판(2)의 오일러 각은 (90°±5°, 90°±5°, ψ)로 정해지는 방위이며 ψ가 120° 이상 165° 이하의 범위 내이다. 또는 지지 기판(2)의 오일러 각은 (90°±5°, 90°±5°, ψ)이면서 ψ가 120° 이상 165° 이하의 범위 내에서 정해지는 방위에 결정학적으로 등가인 방위이다.
이 구성에 의하면, 전파하는 탄성파의 주성분이 종파이어도 양호한 임피던스 특성을 얻을 수 있다.
제5 양태의 탄성파 장치(1A; 1B)에서는 제1 내지 제4 중 어느 하나의 양태에 있어서, 지지 기판(2)과 압전체층(3) 사이에 적어도 하나의 중간층(5; 51; 52)을 더 포함한다.
이 구성에 의하면, 중간층(5; 51; 52)을 더 포함한 경우이어도 양호한 임피던스 특성을 얻을 수 있다.
제6 양태의 탄성파 장치(1A; 1B)에서는 제5 양태에 있어서, 상기 적어도 하나의 중간층(5; 51; 52)은 산화규소층(5; 52)을 포함한다.
이 구성에 의하면, 온도 특성을 개선하면서, 전파하는 탄성파의 주성분이 종파이어도 양호한 임피던스 특성을 얻을 수 있다.
1: 탄성파 장치
2: 지지 기판
3: 압전체층
4: IDT 전극
5: 중간층
21: 제1 주면
22: 제2 주면
31: 주면
41: 전극지
51: 고음향 임피던스층(중간층)
52: 저음향 임피던스층(중간층)
511: 제1 고음향 임피던스층(중간층)
512: 제2 고음향 임피던스층(중간층)
513: 제3 고음향 임피던스층(중간층)
521: 제1 저음향 임피던스층(중간층)
522: 제2 저음향 임피던스층(중간층)
523: 제3 저음향 임피던스층(중간층)
D1: 제1 방향(두께방향)
D2: 제2 방향
2: 지지 기판
3: 압전체층
4: IDT 전극
5: 중간층
21: 제1 주면
22: 제2 주면
31: 주면
41: 전극지
51: 고음향 임피던스층(중간층)
52: 저음향 임피던스층(중간층)
511: 제1 고음향 임피던스층(중간층)
512: 제2 고음향 임피던스층(중간층)
513: 제3 고음향 임피던스층(중간층)
521: 제1 저음향 임피던스층(중간층)
522: 제2 저음향 임피던스층(중간층)
523: 제3 저음향 임피던스층(중간층)
D1: 제1 방향(두께방향)
D2: 제2 방향
Claims (7)
- 지지 기판과,
상기 지지 기판 상에 직접 또는 간접적으로 마련된 압전체층과,
복수개의 전극지(電極指)를 포함하고 상기 압전체층의 주면(主面)에 마련된 IDT 전극을 포함하며,
상기 압전체층의 두께가 상기 IDT 전극의 전극지 주기로 정해지는 탄성파의 파장을 λ로 한 경우에 1λ 이하이고,
상기 지지 기판은 A면 사파이어 기판이며,
상기 지지 기판의 오일러 각은 (90°±5°, 90°±5°, ψ)로 정해지는 방위이며 ψ가 120° 이상 165° 이하의 범위 내이거나, 또는 상기 지지 기판의 오일러 각이 (90°±5°, 90°±5°, ψ)이면서 ψ가 120° 이상 165° 이하의 범위 내에서 정해지는 방위에 결정학적으로 등가인 방위인, 탄성파 장치. - 지지 기판과,
상기 지지 기판 상에 직접 또는 간접적으로 마련된 압전체층과,
복수개의 전극지(電極指)를 포함하고 상기 압전체층의 주면(主面)에 마련된 IDT 전극을 포함하며,
상기 압전체층의 두께가 상기 IDT 전극의 전극지 주기로 정해지는 탄성파의 파장을 λ로 한 경우에 1λ 이하이고,
상기 압전체층은 탄탈산리튬 또는 니오브산리튬으로 생성되고,
상기 압전체층의 오일러 각은 (90°±5°, 90°±5°, 40°±20°)의 범위로 정해지는 방위, 또는 상기 범위 내에서 정해지는 오일러 각과 결정학적으로 등가인 방위인, 탄성파 장치. - 제1항에 있어서,
상기 압전체층은 탄탈산리튬 또는 니오브산리튬으로 생성되고,
상기 압전체층의 오일러 각은 (90°±5°, 90°±5°, 40°±20°), (0°±5°, 35°±20°, 90°±20°) 및 (0°±5°, 85°±20°, 90°±20°) 중 어느 하나의 범위로 정해지는 방위, 또는 어느 하나의 범위 내에서 정해지는 오일러 각과 결정학적으로 등가인 방위인, 탄성파 장치. - 제2항에 있어서,
상기 지지 기판의 오일러 각은 (90°±5°, 90°±5°, ψ)로 정해지는 방위이며 ψ가 120° 이상 165° 이하의 범위 내이거나, 또는 상기 지지 기판의 오일러 각이 (90°±5°, 90°±5°, ψ)이면서 ψ가 120° 이상 165° 이하의 범위 내에서 정해지는 방위에 결정학적으로 등가인 방위인, 탄성파 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전체층을 전파하는 탄성파는 종파를 포함하는, 탄성파 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지 기판과 상기 압전체층 사이에 적어도 하나의 중간층을 더 포함하는, 탄성파 장치. - 제6항에 있어서,
상기 적어도 하나의 중간층은 산화규소층을 포함하는, 탄성파 장치.
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