KR20030051385A - 표면탄성파소자 및 그것을 구비한 듀플렉서 - Google Patents

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KR20030051385A
KR20030051385A KR1020020081048A KR20020081048A KR20030051385A KR 20030051385 A KR20030051385 A KR 20030051385A KR 1020020081048 A KR1020020081048 A KR 1020020081048A KR 20020081048 A KR20020081048 A KR 20020081048A KR 20030051385 A KR20030051385 A KR 20030051385A
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사토다카시
오자키교스케
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알프스 덴키 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 2 GHz 등의 고주파 대역에 적용 가능하고, 스프리어스의 발생주파수 대역을 공진주파수 대역으로부터 제거할 수 있어, 공진파형의 첨예도에 뛰어난 표면탄성파소자와 그것을 구비한 듀플렉서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 빗살형 전극(IDT)(17)의 전극세그먼트간 피치 및 그레이팅 반사기(21, 22)의 반사 엘레먼트(21a, 22a)간 피치가 동일값으로서, 여기되는 표면탄성파의 파장(λ)의 1/2이 되어, 전극 단부와 그레이팅 반사기 단부와의 사이의 거리(L)가 이하의 수학식(1)으로 표시되는 것을 특징으로 한다.
(수학식 1)
L= { (5±n)/8 }λ
〔단, 상기 수학식(1)에 있어서, n은 0이나 4의 배수를 나타내고, 수학식(1)의 값은 양의 수를 나타낸다〕

Description

표면탄성파소자 및 그것을 구비한 듀플렉서{SURFACE ACOUSTIC ELEMENT AND DUPLEXER THEREWITH}
본 발명은 표면탄성파소자 및 그것을 구비한 듀플렉서에 관한 것으로, 특히 이동체 통신기기의 RF(무선주파수)필터나 안테나 공진기 등에 사용하기 적합한 표면탄성파소자 및 듀플렉서에 관한 것이다.
최근, 휴대전화나 PHS 등의 이동체 통신기기의 진보가 현저하고, 이들 기기에 있어서는 소형화, 경량화가 가능하기 때문에, 표면탄성파소자가 널리 사용되고 있다. 이 표면탄성파소자는 탄성체의 표면 또는 계면을 따라 전파하는표면탄성파(Surface Acoustic Wave: SAW)를 전송회로에 있어서의 주파수 선택소자로서 사용한 전기·기계변환소자로서 알려져 있다.
도 20은 종래의 표면탄성파소자의 1종인 1단자형의 표면탄성파(SAW) 필터를 나타내는 평면도이고, 이 예의 표면탄성파 필터에 있어서는, 탄탈산 리튬(LiTaO3), 니오브산 리튬(LiNbO3), 니오브산 칼륨(KNbO3) 등으로 이루어지는 압전체 단결정기판(100)의 표면에, 전기신호와 표면탄성파(SAW) 사이의 변환기로서 기능하는 한 세트의 빗살형 전극(IDT: Inter-Digital Transducer)(102, 103)이 서로 대향하도록 형성되고, 이 빗살형 전극(104)의 양측에 여기(여진)된 표면탄성파를 다중반사시켜 정재파를 발생시키기 위한 그레이팅 반사기(105, 106)가 형성되어 SAW 공진기(107)가 구성되어 있다.
이 표면탄성파 필터에 있어서는, 기판(100)의 표면을 전파하는 표면탄성파의 음속(V)과 빗살형 전극(102)의 전극세그먼트(102a)와 빗살형 전극(103)의 전극세그먼트(103a)의 간격(W)에 의해 SAW 공진기(107)의 공진주파수(f)가 결정된다. 이 공진주파수(f)는 일반적으로, 하기의 수학식(2)로 표시된다.
f= V/λ= V/4W
여기서 λ는 여기(여진)되는 표면탄성파의 파장을 나타내고, V는 음속을 나타낸다.
이 수학식(2)으로부터 전극세그먼트의 폭(W)이 작고, 음속(V)이 빠를수록 공진주파수(f)가 높아지는 관계에 있어, 고주파 대역에서 사용할 수 있음을 알 수 있다.
도 21에 2 GHz 대역용의 표면탄성파 공진기의 이상적인 주파수 - 리액턴스 커브를 나타낸다. 도 21에 나타내는 바와 같이 사용하는 2 GHz 주파수 대역에 있어서 공진파형의 첨예도(Q)가 높고, 파형에 흐트러짐이 없는 리액턴스 커브를 얻을 수 있는 것이 이상적이다.
그런데 이 종류의 표면탄성파 공진기에 있어서는, 그레이팅 반사기에 의해 완전파사가 이루어지 않고, 일부의 탄성표면파가 외부에 통과해 감에 의한 투과손, 기판 재료가 가지는 점성에 의한 고유손, 기판표면부근이 이상표면이 아닌 것에 의한 전파 흐트러짐에 의한 산란손, 표면파의 전파에 따라 빔형상으로 넓어짐에 의한 회절손, IDT나 그레이팅 반사기를 구성하는 금속전극의 전기저항에 기인하는 오믹손 등의 여러 손실요인에 더하여, 2 GHz 의 높은 주파수대에 있어서의 전극의 부가질량효과를 무시할 수 없게 되어, 도 22에 나타내는 바와 같이 파형에 큰 리플형상의 스프리어스(R)를 발생시키기 쉬워, 파형 자체도 둔해져 진폭이 작아져, Q값이 작아져 버리는 경향이 있다는 문제를 가지고 있었다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 2 GHz 등의 고주파 대역에 적용 가능하고, 스프리어스의 발생주파수 대역을 공진주파수 대역으로부터 제거할 수 있어, 공진파형의 첨예도에 뛰어난 표면탄성파소자와 그것을 구비한 듀플렉서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 관한 제 1 실시형태의 표면탄성파소자의 평면도,
도 2는 도 1에 나타내는 표면탄성파소자의 A-A 선에 따르는 부분단면도,
도 3은 도 1에 나타내는 표면탄성파소자에 사용하기 적합한 압전체 기판의 결정방위를 설명하는 도,
도 4는 도 1에 나타내는 표면탄성파소자의 전극 간격과 그레이팅 반사기의 전극세그먼트 간격과 이들 간격(L)의 관계를 나타내는 도,
도 5는 도 1에 나타내는 표면탄성파소자의 등가회로를 나타내는 도,
도 6은 도 1에 나타내는 표면탄성파소자를 적용한 러더형 SAW 필터의 일례를 나타내는 도,
도 7은 도 1에 나타내는 표면탄성파소자를 적용한 러더형 SAW 필터의 다른 예를 나타내는 도,
도 8은 도 6에 나타내는 러더형 SAW 필터로 이상적으로 얻어지는 감쇠파형과 스프리어스에 기인하는 파형 흐트러짐을 나타내는 선도,
도 9는 도 1에 나타내는 표면탄성파소자를 적용 가능한 휴대전화장치의 회로 구성의 일례를 나타내는 회로도,
도 10은 표면탄성파소자에 있어서, L= 9λ/8의 경우의 리액턴스 커브를 나타내는 도,
도 11은 표면탄성파소자에 있어서, L= 5λ/8의 경우의 리액턴스 커브를 나타내는 도,
도 12는 표면탄성파소자에 있어서, L= 1λ/8의 경우의 리액턴스 커브를 나타내는 도,
도 13은 표면탄성파소자에 있어서, L= 2λ/8의 경우의 리액턴스 커브를 나타내는 도,
도 14는 표면탄성파소자에 있어서, L= 3λ/8의 경우의 리액턴스 커브를 나타내는 도,
도 15는 표면탄성파소자에 있어서, L= 4λ/8의 경우의 리액턴스 커브를 나타내는 도,
도 16은 표면탄성파소자에 있어서, L= 6λ/8의 경우의 리액턴스 커브를 나타내는 도,
도 17은 표면탄성파소자에 있어서, L= 7λ/8의 경우의 리액턴스 커브를 나타내는 도,
도 18은 표면탄성파소자에 있어서, L= 8λ/8의 경우의 리액턴스 커브를 나타내는 도,
도 19는 표면탄성파소자에 있어서, IDT와 반사기 사이 거리(L)와 전극막두께, 공진주파수, 스프리어스 발생주파수와의 관계를 나타내는 도,
도 20은 종래의 표면탄성파소자의 일례를 나타내는 평면도,
도 21은 종래의 표면탄성파소자에서 얻어져야 할 이상적인 리액턴스 커브를 나타내는 도,
도 22는 종래의 표면탄성파소자에서 얻어지는 스프리어스를 포함하는 리액턴스 커브를 나타내는 도면이다.
※ 도면의 주요 부분에 있어서의 부호의 설명
R : 표면탄성파소자(SAW 공진기) L : 거리
λ : 공진주파수에 있어서의 파장 10, 11 : 기판
15, 16 : 전극 15a, 16a : 전극세그먼트
17 : 빗살형 전극(IDT) 21, 22 : 그레이팅 반사기
21a, 22a : 반사 엘레먼트 23 : 보호층
본 발명은 압전체상에 빗살형 전극이 대향 배치되어, 그 빗살형 전극의 양측에 그레이팅 반사기가 설치되고, 상기 그레이팅 반사기가 복수의 반사 엘레먼트를 소정의 간격으로 정렬하여 구성됨과 동시에, 상기 빗살형 전극의 전극세그먼트간 피치 및 상기 그레이팅 반사기의 반사 엘레먼트간 피치가 동일값으로서, 여기되는 표면탄성파의 파장(λ)의 1/2 가 된 경우, 상기 빗살형 전극 단부와 그레이팅 반사기 단부와의 사이의 거리(L)가 이하의 수학식(1)으로 나타나는 것을 특징으로 하는 것이다.
L= { (5±n)/8 }λ
〔단, 상기 수학식(1)에 있어서, n은 0이나 4의 배수를 나타내고, 수학식(1)의 값은 양의 수를 나타낸다〕
이 수학식(1)의 관계를 만족시키도록 빗살형 전극단부와 그레이팅 반사기 단부와의 사이의 거리(L)와 공진주파수(λ)와의 관계를 설정한다면, 스프리어스의 발생이 적고, 스프리어스의 발생주파수를 공진주파수 근방으로부터 제거할 수 있게 되어, Q값이 높은 특성이 얻어지기 쉽게 된다. 따라서, 목적의 대역에 있어서의 감쇠량이 큰, 파형이 좋은 감쇠커브를 얻을 수 있다.
본 발명은, 상기 압전체가 LiTaO3로 구성된 것을 특징으로 한다.
압전체로서 LiTaO3로 이루어지는 것을 사용한다면, 2 GHz 대역에 있어서도손실이 적은, 스프리어스의 발생이 적고, 공진파형의 첨예도(Q)가 높고, 스프리어스의 발생주파수를 공진주파수로부터 제거할 수 있는 것이 얻어지기 쉽다.
본 발명은, 상기 압전체가 LiTaO3의 단결정을 X축을 중심으로, Y축으로부터 38 내지 44°의 범위의 각도에서 회전시킨 방향을 가지는 것이다.
압전체로서, X축을 중심으로 Y축으로부터 38 내지 44°의 범위의 각도에서 회전시킨 방향의 LiTaO3로 이루어지는 것을 사용한다면, 2 GHz 대역에 있어서도 손실이 적은, 스프리어스의 발생이 적고, 공진파형의 첨예도(Q)가 높고, 스프리어스의 발생주파수를 공진주파수로부터 제거할 수 있는 것이 확실하게 얻어지기 쉽다.
본 발명은, 상기 빗살형 전극 및 반사 엘레먼트의 막두께를 H라 하면, 빗살형 전극의 규격화 막두께 및 상기 반사 엘레먼트의 규격화 막두께인 H/λ의 값이 0.02 내지 0.15의 범위, 보다 바람직하게는 0.02 내지 0.10의 범위로 된 것을 특징으로 한다.
빗살형 전극의 규격화 막두께 또는 상기 반사 엘레먼트의 규격화 막두께가 이 범위이라면, 2 GHz 대역에 있어서도 손실이 적은, 스프리어스의 발생이 적고, 공진파형의 첨예도(Q)가 높고, 스프리어스의 발생주파수를 공진주파수로부터 제거할 수 있는 것이 확실하게 얻어지기 쉽다.
본 발명의 2 GHz 대역용 듀플렉서는 상기 어느 하나에 기재된 표면탄성파소자를 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 표면탄성파소자를 구비한 듀플렉서이면, 2 GHz 대역에 있어서도 스프리어스의 영향이 적은, 공진파형의 첨예도(Q)가 높고, 감쇠량이 큰 파형이 좋은 감쇠특성을 얻을 수 있다.
다음에 도면을 사용하여 본 발명의 실시형태를 상세하게 설명한다.
또한 본 발명은 이하에 설명하는 실시형태에 한정되는 것은 아님은 물론임과 동시에, 이하의 도면에 있어서는 각 구성부분의 축척에 대하여 도면에 표기하는 것이 용이하게 되도록 구성부분별로 축척을 바꾸어 기재하고 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 표면탄성파소자의 1종인 1 단자쌍형의 표면탄성파(SAW) 공진기를 나타내는 평면도, 도 2는 도 1의 A-A 선을 따르는 부분단면도이다. 이 형태의 SAW 공진기(R)는 LiTaO3등의 압전체로 이루어지는 기판(11)과, 그 표면 중앙부에 전극층으로 이루어지는 한 세트의 전극(15, 16)을 서로 대향하도록 형성하여 전기신호와 표면탄성파(SAW) 사이의 변환기로서 기능하는 빗살형 전극(IDT)(17)과, 그 빗살형 전극(IDT)(17)의 양측에 형성된 그레이팅 반사기(21, 22)를 구비하여 구성되어 있다.
상기 그레이팅 반사기(21, 22)는 여기된 표면탄성파를 다중반사시켜 정재파를 생기게 하기 위한 것이고, 빗살형 전극(IDT)(17)을 중심으로 하여 좌우대칭위치에 형성되어 있다. 또 도 1에서는 생략되어 있으나, 기판(11)의 상면측에는 도 2에 나타내는 바와 같이 빗살형 전극(IDT)(17)과 그레이팅 반사기(21, 22) 및 기판(11)의 상면을 덮도록 이산화규소(SiO2)로 이루어지는 보호층(23)이 형성되어 있다.
상기 기판(11)은, 예를 들면 도 3에 나타내는 바와 같이, LiTaO3등과 같은 결정축(X, Y, Z)을 가지는 압전단결정을, 결정축(X)의 주위에서 Y축으로부터 Z축방향으로 회전각(θ)만큼 기울인 각도로 베어낸 상태의 기판(10)으로 구성되어 있다. 이와 같은 상태의 압전체 단결정기판(10)을 본 발명에서는 θ회전 Y-X 기판〔또는 면방향 θ° 전파방향(X)의 기판〕이라 칭하고, 이 압전체 단결정기판(10)으로부터 상기의 기판(11)을 구성하는 것이 2 GHz 대역 등의 고주파 대역에서의 사용면에서 바람직하다.
이 종류의 LiTaO3단결정기판을 사용하는 일반적인 SAW 공진기에 있어서는, θ 회전 Y-X 기판상에 형성된 공진기의 삽입손실을 고려하여, 회전각(θ)에 있어서 36°Y-X 기판〔환언하면, 면방향 36°Y의 전파방향(X)의 기판〕을 일반적으로 사용하고 있다. 이는 기판표면상에 형성되는 전극의 부가질량효과를 무시할 수 있는 비교적 파장이 긴 표면파에 대한 전파손실이 36°Y-X 기판에 있어서 최소가 되는 것에 의한다. 그러나 1 내지 2 GHz 대역과 같은 단파장영역에서는 전극의 두께가 여기되는 표면파의 파장에 대하여 무시할 수 없게 되기 쉬워, 전극의 부가질량효과가 나타나게 된다. 따라서 GHz 대역용, 예를 들면, 2 GHz 대역용 등으로는 상기 36°Y-X 기판보다도 42°Y-X 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
또 이 밖에 적용하는 것이 가능한 압전기판의 예로서, 면방향 15.7°Y의 전파방향(X)의 수정기판, 면방향 41°Y의 전파방향(X)의 LiNbO3기판, 면방향 64°Y의 전파방향(X)의 LiNbO3기판, 면방향 47.3°Z의 전파방향 90°X의 Li2B4O3기판 등의LSAW(Leaky SAW)으로서 알려지는 각종 압전체기판을 사용할 수 있다.
또한 이 형태에 있어서는 기판(11)의 전체를 42°Y-X 기판으로 구성하는 것이 바람직하나, 단체기판이 아니라, 압전체가 아닌 Si 기판 등의 일반적인 기판의 상면에 전파속도를 향상시키기 위한 다이아몬드층 등의 경질층을 피복 형성하고, 이 경질층상에 상기의 42°Y-X 기판에 상당하는 결정방위의 LiTaO3압전체층을 형성하고, 이것을 이 형태의 기판 대신으로서 사용하여도 좋은 것은 물론이다. 물론, LiTaO3압전체층 대신에, 면방향 15.7°Y의 전파방향(X)의 수정층, 면방향 41°Y의 전파방향(X)의 LiNbO3층, 면방향 64°Y의 전파방향(X)의 LiNbO3층, 면방향 47.3°Z의 전파방향 90°X의 Li2B4O3층 등의 LSAW(Leaky SAW)로서 알려지는 각종의 압전체층을 사용하여도 좋다.
상기 전극(15)은 빗살형을 구성하기 위하여 소정의 간격으로 배열된 복수개의 단책(短冊: 글씨를 쓰거나 물건에 매다는 조붓한 종이)형상의 전극세그먼트(15a)와, 이들을 일체로 접속하기 위하여 상기 복수의 전극세그먼트(15a)와 직각방향으로 배치된 띠형상의 단자부(15b)로 이루어지고, 전극(16)도 마찬가지로 복수개의 전극세그먼트(16a)와 이들 전극세그먼트(16a)를 접속하는 띠형상의 단자부(16b)로 이루어진다.
그리고 이들 전극(15, 16)은 단자부(15b, 16b)를 기판(11)의 단부측에 배치하고, 전극세그먼트(15a…, 16a…)끼리를 소정 간격으로 이간하면서 맞물리게 한 상태로 서로 접촉하지 않도록 대향 배치되어 빗살형 전극(IDT)(17)으로 되어 있다.이들의 전극(15, 16)은 Pt, Au, Ag, Pd, Ni, Al, Cu, Al-Cu 합금 등의 양도전성의 금속박막으로 이루어진다.
상기의 그레이팅 반사기(21)는 격자형상으로 배치된 복수의 반사 엘레먼트(21a)와 이들을 일체로 접속하는 접속부(22b)로 이루어지고, 그레이팅 반사기(22)도 마찬가지로 복수의 띠형상의 반사 엘레먼트(22a)와 이들의 직각방향으로 연장되어 이들을 일체로 접속하는 접속부(22b)로 구성되어 있다. 이들 그레이팅 반사기(21, 22)는 Pt, Au, Ag, Pd, Ni, Al, Cu 등의 금속박막으로, 또는 유전체박막으로 이루어지나, 이들의 박막을 생략하고, 기판(11)의 스트립부의 형성위치에 상당하는 부분에 가늘고 긴 홈부를 복수 형성하고, 이들의 홈부를 반사 엘레먼트로 함으로써 그레이팅 반사기를 구성하여도 좋다.
다음에 이 실시형태의 SAW 공진기(R)에 있어서, 도 4에 나타내는 바와 같이 그레이팅 반사기(21)의 복수의 반사 엘레먼트(21a) 사이의 간격은, 여기해야 할 표면탄성파의 파장(λ)의 1/2의 간격이 되어, 그레이팅 공진기(22)의 복수의 스트립부(22a) 사이의 간격도 여기해야 하는 표면탄성파의 파장(λ)의 1/2의 간격으로 되어 있다. 이와 같이 파장(λ)의 1/2의 간격으로 복수의 반사 엘레먼트(21a…) 또는 복수의 스트립부(22a…)를 배치함으로써 브래그(Bragg) 주파수로 누적효과에서 큰 반사계수를 얻을 수 있다. 여기서 반사 엘레먼트(21a, 21a)의 간격이란, 도 4에 나타내는 바와 같이 정렬형성된 반사 엘레먼트(21a…)에 있어서 하나의 반사 엘레먼트(21a)의 폭방향의 일측 가장자리부로부터 인접하는 다른 반사 엘레먼트(2a)의 폭방향의 일측 가장자리부까지의 거리를 나타내고, 전극세그먼트(15a, 16a)의간격은, 도 4에 나타내는 바와 같이 교대로 정렬형성된 전극세그먼트(15a, 16a, 15a, … )에 있어서 하나의 전극세그먼트(15a 또는 16a)의 폭방향의 일측 가장자리부로부터 인접하는 다른 전극세그먼트(16a 또는 15a)의 폭방향의 일측 가장자리부까지의 거리를 나타낸다.
또한, 상기 빗살형 전극(IDT)(17)에 대하여, 도 4에 나타내는 바와 같이 좌측 단부에 위치하는 전극세그먼트(15a)와 그것에 인접 배치된 그레이팅 반사기(21)의 우단부측의 반사 엘레먼트(21a) 사이의 간격(L)을 이 형태의 구조에 있어서는 이하의 수학식(1)의 관계를 만족시키도록 설치한다.
(수학식 1)
L= { (5±n)/8 }λ
〔단, 상기 수학식(1)에 있어서, n은 0이나 4의 배수를 나타내고, 수학식(1)의 값은 양의 수를 나타낸다〕
이 수학식(1)의 관계로부터, 예를 들면, n이 0인 경우, L= 5/8λ가 되고, n이 4인 경우, L은 9/8λ나 1/8λ가 되고, n이 8인 경우, 13/8λ가 된다.
다음에 상기 빗살형 전극(IDT)(17)에 대하여, 그 오른쪽 단부에 위치하는 전극세그먼트(15a)와 그것에 인접 배치된 그레이팅 반사기(22)의 좌단부측의 스트립부(22a)와의 사이의 간격(L)도 상기 수학식(1)의 관계를 만족시키도록 설치한다.
상기 수학식(1)의 관계로부터, 예를 들면 n이 0인 경우, L= 5/8λ가 되고, n이 4인 경우, L은 9/8λ나 1/8λ가 되고, n이 8인 경우, 13/8λ가 된다.
이상의 수학식(1)과 같이 빗살형 전극(IDT)(17)과 그 양측의 그레이팅 반사기(21, 22)와의 사이의 간격(L)을 수학식(1)과 같이 정한 것은, 뒤에서 설명하는 스프리어스가 없는 첨예한 공진특성을 얻기 위해서이다.
다음에, 상기 빗살형 전극(17) 및 상기 반사 엘레먼트(21, 22)의 막두께를 H라 가정하면, 상기 빗살형 전극(17)의 규격화 막두께 및 상기 반사 엘레먼트(21, 22)의 규격화 막두께인 H/λ의 값이 0.02 내지 0.10의 범위로 되는 것이 바람직하다. 여기서 빗살형 전극(17)의 막두께와 반사 엘레먼트(21, 22)의 막두께에 대해서는, 바람직하게는 0.05 내지 0.15 ㎛의 범위의 것이 적용된다.
GHz 대역 근방에서의 동작에 있어서는 전극의 두께가 여진되는 탄성표면파에 대하여 무시할 수 없게 되어, 전극의 질량부가효과의 영향이 현저하게 나타난다. 예를 들면, 전극의 두께를 증가시키면, 전기기계결합계수가 증가하여, SAW 필터의 통과대역폭이 넓어지나, 스프리어스의 발생이나 표면파의 전파손실이 증대하여 버리는 문제가 생긴다. 반대로, 전극막두께가 얇은 경우, SAW 필터의 통과대역내에 벌크파에 의한 스프리어스가 발생하는 문제가 있어, 막작성 등의 공정상의 실현성도 고려하면, H/λ= 0.02 내지 0.10의 범위가 적당하다.
도 5는 본 실시형태의 SAW 공진기(R)의 등가회로를 나타내는 도면으로, 등가병렬요령(Co)은 공진기가 단지 콘덴서로서 작용하고 있는 경우의 용량이다. 등가직렬 인덕턴스(L1) 및 등가직렬용량(C1)은 공진기가 전기기계 진동계로서 동작할 때의 등가정수이고, 등가직렬저항(R1)은 공진기에 있어서의 모든 종류의 손실분을 나타내고 있다.
도 6은 본 실시형태의 SAW 공진기(R)를 사용한 러더형 SAW 필터장치의 일례를 나타내는 도면이고, 이 예의 러더형 SAW 필터장치(37)는 1 단자쌍의 상기의 SAW 공진기(R, R)를 직렬로 접속하고, 이들 SAW 공진기(R, R) 사이 및 입출력측의 각각에 동일구조의 복수의 1단자쌍의 다른 SAW 공진기(R, R, R)를 병렬로 접속하고, 한쪽의 단자(33, 33)를 입력(IN)측, 다른쪽의 단자(34, 34)를 출력(OUT)측으로 한 구성이다.
도 7은 본 실시형태의 SAW 공진기(R)를 사용한 러더형 SAW 필터장치의 다른예를 나타내는 도면이고, 이 예의 러더형 SAW 필터장치(38)는 1 단자쌍의 상기의 SAW 공진기(R, R)를 직렬로 접속하고, 이들의 SAW 공진기(R, R) 간의 각각에 상기의 것과 동일구조의 다른 1 단자쌍의 SAW 공진기(R)를 병렬로 접속하고, 병렬 접속된 SAW 공진기(R)의 다른쪽의 단자를 어스하고, 직렬로 접속된 복수의 SAW 공진기(R)의 한쪽의 단자(33)를 입력(IN)측, 다른쪽의 단자(34)를 출력(OUT)측으로 한 구성이다.
도 8은 도 7에 나타내는 러더형 SAW 필터장치의 일례에 의해 얻어지는 이상적인 통과대역특성을 나타내는 도면이다. 이 도 8에 나타내는 이상적인 감쇠특성이 얻어지면, 통과대역 이외에서는 감쇠가 급준한 뛰어난 필터로 할 수 있다.
그러나 도 8의 실선에 나타내는 이상적인 감쇠특성에 대하여 보통의 SAW 필터장치를 사용한 경우는 도 8의 쇄선(a, b)에 나타내는 바와 같이 실선(c)의 감쇠특성에 대하여 흐트러지는 부분을 발생시킨다. 이는 SAW 공진기의 리액턴스 커브에 스프리어스라 칭해지는 흐트러짐이 생기는 것에 기인하고 있다.
이 스프리어스를 억제하기 위해서는, 상기의 실시형태에 있어서 설명한 수학식(1)과 같이 빗살형 전극(IDT)(17)과 그 양측의 그레이팅 반사기(21, 22)와의 사이의 거리(L)를 정하는 것이 바람직하다. 이에 의하여 스프리어스가 없는 공진특성을 얻을 수 있다.
상기의 수학식(1)의 관계를 만족시키도록 거리(L)와 공진주파수(λ)와의 관계를 설정한다면, 스프리어스의 발생이 적고, 스프리어스의 발생주파수를 공진주파수근방으로부터 제거할 수 있게 되어, 공진파형의 첨예도가 높은, 즉 Q값이 높은 특성이 얻어지기 쉽게 된다. 따라서, 목적의 대역에 있어서의 감쇠량이 큰, 파형이 좋은 감쇠커브를 얻을 수 있다.
도 9는 상기의 SAW 필터가 적용되는 휴대전화장치의 회로구성의 일례를 나타내는 것이고, 이 예의 회로구성에 있어서는, 안테나(40)에 듀플렉서(안테나 공용기)(41)가 접속되어, 이 듀플렉서(41)의 출력측에 로우 노이즈 앰플리파이어(증폭기)(42)와 단간 필터(48)와 혼합회로(43)를 거쳐 IF 회로(44)가 접속되고, 듀플렉서(41)의 입력측에 아이솔레이터(51)와 파워 앰플리파이어(증폭기)(45)와 혼합회로(46)를 거쳐 IF 회로(47)가 접속되고, 혼합회로(43, 46)에 분배 트랜스(49)를 거쳐 국부 발진기(50)가 접속되어 구성되어 있다.
상기의 듀플렉서(41)는, 예를 들면 상기 설명한 러더형 SAW 필터장치(38)를 2개 내장하여 구성되어 있다. 그리고 러더형 SAW 필터장치(38, 38)의 입력측의 단자가 각각 안테나(40)측에 접속되고, 한쪽의 러더형 SAW 필터장치(38)의 출력측의 단자가 로우 노이즈 앰플리파이어(증폭기)(42)에 접속되고, 다른쪽의 러더형 SAW필터장치(38)의 출력측의 단자가 아이솔레이터(51)에 접속되어 있다.
이와 같은 구성의 휴대전화장치에 있어서 안테나(40)로부터 입력된 신호를 선택할 때의 신호의 교체용에, 상기 예의 러더형에 조합된 SAW 필터장치(38)를 2개 조립하여 이루어지는 듀플렉서(41)를 사용할 수 있다.
상기의 형태의 SAW 필터장치라면, 1.8 내지 1.9 GHz 등의 2 GHz 대역에서의 급준한 신호감쇠특성을 발휘시켜, 스프리어스가 없는, 감쇠율이 높은 파형이 좋은 필터특성을 얻을 수 있으므로, 2 GHz 대역에서 이용되는 휴대전화장치에 적용할 수 있다.
한편, 예를 들면, 이 대역에서 사용되는 휴대전화에 있어서는, 송수신 중, 송신과 수신에서 사용하는 대역에 있어서, 예를 들면, 한쪽을 1.88 GHz를 중심으로하여 60 MHz의 폭을 사용하고, 다른쪽을 1.96 GHz를 중심으로 하여 60 MHz의 폭을 사용한다고 가정하면, 송수신에 사용하는 대역의 차이는 20 MHz 밖에 없는 것이 된다. 따라서 스프리어스가 없는 파형이 좋은 필터특성을 필요로 하고 있으므로, 상기의 형태의 SAW 필터를 사용함으로써 송수신에 사용하는 양 대역의 경계대역에 있어서 혼신이나 노이즈 등의 염려가 적은 안정된 송수신상태를 얻는 것을 용이하게 할 수 있다.
(실시예)
LiTaO3단결정으로 이루어지고, 결정방위 42°Y-X의 기판을 사용하여, 그 표면에 빗살형 전극으로 이루어지는 SAW 공진기를 제조하였다.
Cu 합금으로 이루어지는 막두께 600Å의 빗살형 전극의 전극세그먼트의 폭을 0.5 ㎛로서 그 피치를 1.0 ㎛, 빗살형 전극의 전극세그먼트의 단부로부터 그레이팅 반사기까지의 간격을 L ㎛로 하여, L= 1λ/8 내지 10λ/8 까지의 사이에서 변화시킨 경우의 주파수 2 GHz 근방의 리액턴스 커브를 구하였다. 그레이팅 반사기의 막두께는 빗살형 전극과 동일하게 하였다.
도 10은 L= 9λ/8 로 한 경우의 리액턴스 커브, 도 11은 L= 5λ/8 로 한 경우의 리액턴스 커브, 도 12는 L=λ/8 로 한 경우의 리액턴스 커브, 도 13은 L= 2λ/8 로 한 경우의 리액턴스 커브, 도 14는 L= 3λ/8 로 한 경우의 리액턴스 커브, 도 15는 L= 4λ/8 로 한 경우의 리액턴스 커브, 도 16은 L= 6λ/8 로 한 경우의 리액턴스 커브, 도 17은 L= 7λ/8 로 한 경우의 리액턴스 커브, 도 18은 L= 8λ/8=λ 로 한 경우의 리액턴스 커브를 각각 나타낸다.
또 이들 도면의 각 리액턴스 커브에 스프리어스가 발생한 부분의 주파수를 구함과 동시에, 각 리액턴스 커브에 대응하는 공진주파수를 구한 결과를 이하의 표 1과 도 19에 나타낸다. 또 전극세그먼트의 막두께와 반사 엘레먼트의 막두께에 대하여 600Å 외에 800Å, 1000Å의 경우의 각각의 계측값도 표 1과 도 19에 병기하였다.
시료No. L값 막두께600Å공진주파수 막두께800Å공진주파수 막두께1000Å공진주파수 막두께600Å스프리어스주파수 막두께800Å스프리어스주파수 막두께1000Å스프리어스주파수
12345678910 1λ/82λ/83λ/84λ/85λ/86λ/87λ/88λ/89λ/810λ/8 1.930251.929751.931251.93251.93351.930251.93051.932251.93351.9345 1.8871.886751.8881.889251.888751.888751.888751.889251.890251.89075 1.840751.841751.8431.843751.845251.84151.842751.843751.84451.84525 2.0062.04252.0061.96552.0672.04852.015251.97652.06852.05275 2.062.032251.986751.934252.064252.042252.0011.95252.06752.04825 2.0582.0241.966251.902752.064752.03251.986251.927752.06452.04625
표 1과 도 10 내지 도 19에 나타내는 결과로부터, 도 12의 L=λ/8 로 한 경우와, 도 11의 L= 5λ/8 로 한 경우와, 도 10의 L= 9λ/8 로 한 경우에 있어서, 스프리어스가 발생하는 주파수가 공진주파수로부터 크게 벗어나는 것이 분명해졌다. 스프리어스에 대해서는, 비록 다소 발생하였다고 하여도 공진주파수로부터 크게 벗어나는 주파수이면, 공진기로서의 사용상의 문제를 발생하기 어렵다고 생각할 수 있다.
이에 대하여 도 13의 L= 2λ/8의 경우와 도 16의 L= 6λ/8의 경우는, 리액턴스 커브의 피크값이 작게 되어 있어, 공진파형의 첨예도가 작게 되어 있다. 또 도 14의 L= 3λ/8의 경우와 도 17의 L= 7λ/8의 경우는, 스프리어스의 발생주파수가 공진주파수 근방에 있어, 리액턴스 커브의 피크값이 현저하게 작게 되어 있고, 공진파형의 첨예도가 현저하게 작게 되어 있음과 동시에, 스프리어스에 의해 파형 왜곡도 크게 되어 있다. 또한 도 15의 L= 4λ/8의 경우는, 스프리어스가 공진주파수 가까이에 생성되어 있어, 신호파형에 리플을 발생시킬 염려가 있고, 도 18의 L= 8λ/8의 경우는 스프리어스가 공진주파수 근방에 발생하여, 리액턴스 커브의 피크값이 작게 되어 공진파형의 첨예도가 작게 되어 있다.
이상의 측정결과로부터 L=λ/8의 경우와, L= 5λ/8의 경우와, L= 9λ/8의 경우에 있어서, 스프리어스의 발생주파수가 공진주파수로부터 크게 벗어나, 스프리어스발생의 영향이 작은 것이 판명되었으나, 이들 스프리어스의 발생주파수는 도 19에 나타내는 관계로부터 반복 주기성을 가지므로, 상기의 수학식(1), 즉 L= { (5±n)/8 }λ〔단, 상기 수학식(1)에 있어서, n은 0이나 4의 배수를 나타내고, 수학식(1)의 값은 양의 수를 나타낸다〕의 조건을 만족하도록 설정함으로써 L의 값으로서 스프리어스의 영향이 적은 값을 선택할 수 있는 것이 분명하다.
그러나, L=λ/8의 경우에 공진주파수로서 2 GHz 대역을 사용하는 것을 고려하면, L을 0.25㎛ 정도로 할 필요가 생기고, 현재의 일반적인 포토리소그래피공정의 정밀도를 고려하면, 양산시에 정확하게 L을 제어하는 것은 어렵다고 생각된다. 이 점에 있어서 L= 5λ/8이면, L이 1㎛의 간격이 되어, 양산시에 L의 제어를 확실하게 할 수 있으므로, 현상의 일반적인 포토리소그래피공정의 정밀도에서도 양산 가능하다. 따라서 양산시의 정밀도를 고려하면 실질적으로 L은 수학식(1)에 합치하는 조건 중에 있어도, 5λ/8 이상인 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, L= { (5±n)/8 }λ 식의 관계를 만족시키도록 빗살형 전극 단부와 그레이팅 반사기 단부와의 사이의 거리(L)와 공진주파수에서의 파장(λ)과의 관계를 설정한다면, 표면탄성파소자로서 스프리어스의 발생이 적고, 또 가령 스프리어스가 발생하였다고 하여도 그 발생주파수를 공진주파수근방으로부터 제거할 수 있게 되어, 공진파형의 첨예도인 Q값이 높은 특성이 얻어지기 쉬워진다. 따라서 목적의 대역에 있어서의 감쇠량이 큰, 파형이 좋은 감쇠커브를 가지는 표면탄성파소자를 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서, 압전체로서 LiTaO3로 이루어지는 것을 사용한다면, 2 GHz 대역에 있어서도 손실이 적은, 스프리어스의 발생이 적고, 공진파형의 첨예도(Q)가 높고, 스프리어스의 발생주파수를 공진주파수로부터 제거할 수 있는 것이 얻어지기 쉽다.
본 발명에서 압전체로서 LiTaO3의 단결정을 X축을 중심으로, Y축으로부터 38 내지 44°의 범위의 각도에서 회전시킨 방향을 가지는 것을 사용한다면, 2 GHz 대역에 있어서도 손실이 적은, 스프리어스의 발생이 적고, 공진파형의 첨예도(Q)가 높고, 스프리어스의 발생주파수를 공진주파수로부터 제거할 수 있는 것이 확실하게 얻어지기 쉽다.
본 발명에 있어서, 빗살형 전극 및 반사 엘레먼트의 막두께를 H라 하면, 빗살형 전극의 규격화 막두께 및 반사 엘레먼트의 규격화 막두께인 H/λ의 값을 0.02 내지 0.10의 범위로 한다면, 스프리어스의 발생이 적고, 전파손실이 적은, SAW 필터가 얻어진다. 또한 빗살형 전극형성공정에 있어서, 리프트 오프법이 용이하게 되기 때문에, 드라이에칭에서는 불가능한 Cu 합금계를 전극재료로서 용이하게 사용할 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

  1. 압전체상에 빗살형 전극이 대향 배치되어, 그 빗살형 전극의 양측에 그레이팅 반사기가 설치되고, 상기 그레이팅 반사기가 복수의 반사 엘레먼트를 소정의 간격으로 정렬하여 구성됨과 동시에, 상기 빗살형 전극의 전극간 피치 및 상기 그레이팅 반사기의 반사 엘레먼트간 피치가 동일값으로서, 여기되는 표면탄성파의 파장(λ)의 1/2 이 되어, 상기 빗살형 전극 단부와 그레이팅 반사기 단부와의 사이의 거리(L)가 이하의 수학식(1)으로 나타나는 것을 특징으로 하는 표면탄성파소자.
    (수학식 1)
    L= { (5±n)/8 }λ
    〔단, 상기 수학식(1)에 있어서, n은 0이나 4의 배수를 나타내고, 수학식(1)의 값은 양의 수를 나타낸다〕
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압전체가 LiTaO3로 구성된 것을 특징으로 하는 표면탄성파소자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 압전체가 LiTaO3의 단결정의 X축을 중심으로, Y축으로부터 40 내지 44°의 범위의 각도에서 회전시킨 방향을 가지는 것인 것을 특징으로 표면탄성파소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 빗살형 전극 및 상기 반사 엘레먼트의 막두께를 H라 하면, 상기 빗살형 전극의 규격화 막두께 및 상기 반사 엘레먼트의 규격화 막두께인 H/λ의 값이 0.02 내지 0.15의 범위로 된 것을 특징으로 하는 표면탄성파소자.
  5. 제 1항에 기재된 표면탄성파소자를 구비한 것을 특징으로 하는 2 GHz 대역용듀플렉서.
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