KR20100023892A - 압전 박막 공진 소자 및 이를 이용한 회로 부품 - Google Patents

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Abstract

압전 박막 공진 소자(1)는, 타원의 평면 형상을 갖고, 외주에 25°∼55°의 범위 내의 소정의 각도(예를 들면, 약 30°)로 경사진 경사부(3a)를 갖는 하면 전극(3)과 타원의 평면 형상을 갖는 상면 전극(5)과 양 전극 사이에 끼워진 압전막(4)과의 적층 구조로 이루어지는 공진부를 구비한다. 상면 전극(5)의 하면 전극(3)의 경사부(3a)가 대향하는 위치의 일부에 부가막(8)이 형성되고, 이에 의해 공진부의 하면 전극(3)의 경사부(3a)에서의 적층 두께 중 일부의 적층 두께 HC가 공진부의 하면 전극(3)의 경사부(3a)보다 내측 부분에서의 적층 두께 HA보다도 두껍게 되어 있다.
압전 박막 공진 소자, 경사부, 상면 전극, 압전막, 하면 전극, 부가막

Description

압전 박막 공진 소자 및 이를 이용한 회로 부품{PIEZOELECTRIC THIN FILM RESONANT ELEMENT AND CIRCUIT COMPONENT USING THE SAME}
본 발명은, FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 타입이나 SMR(Solidly Mounted Resonator) 타입의 압전 박막 공진 소자, 이 압전 박막 공진 소자를 이용한 필터나 분파기 등의 회로 부품에 관한 것이다.
압전 박막 공진 소자는, 주지한 바와 같이, 압전막의 상면 및 하면을 전극 사이에 끼워, 하면 전극의 하부에 공극 또는 음향 다층막을 형성한 구조를 갖고 있다. 압전 박막 공진 소자는, 압전막의 상면 전극과 하면 전극 사이에 전기 신호를 입력하고, 압전막에 의해 기계적 변위로 변환함과 함께, 압전막, 상면 전극 및 하면 전극의 부분의 막 두께와 하면 전극 하부의 공극 또는 음향 다층막에 의해 특정한 주파수의 기계적 변위만을 추출하고, 그 기계적 변위를 전기 신호로 재변환하여 외부에 출력하는 기능을 갖는다.
압전 박막 공진 소자 중, 하면 전극의 하부에 공극을 형성한 타입은 「FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)」이라고 불리고, 하면 전극의 하부에 음향 다층막을 형성한 타입은 「SMR(Solidly Mounted Resonator)」이라고 불리고 있다.
예를 들면, FBAR 타입의 압전 박막 공진 소자는, 기본적인 구조로서, 도 22, 도 23에 도시한 구조를 갖고 있다. 또한, 도 22는, FBAR 타입의 압전 박막 공진 소자의 평면도이며, 도 23은, 도 22의 X-X선 단면도이다. 도 22에서 점으로 표시한 부분은 압전 박막 공진 소자의 공진부를 도시하고 있다.
압전 박막 공진 소자(100)는, 주요 구성 요소로서 기판(101), 하면 전극(102), 압전막(103), 상면 전극(104), 단자 전극(102A) 및 단자 전극(104A)을 갖고 있다. 하면 전극(102), 압전막(103) 및 상면 전극(104)은, 사각형 형상을 이루고, 기판(101)의 상면에 이 순서대로 적층되어 있다. 하면 전극(102)과 상면 전극(104)은 거의 동일한 면적을 갖고, 압전막(103)은 하면 전극(102) 및 상면 전극(104)보다도 넓은 면적을 갖고 있다. 기판(101)의 하면 전극(102)과 상면 전극(104)이 대향하는 위치에, 그 대향하는 부분보다도 약간 넓은 개구면을 갖는 공극(105)이 형성되어 있다.
상면 전극(104)과 하부 전극(102) 사이에 고주파 신호를 인가하면, 압전막(103)의 내부에, 역압전 효과에 의해 탄성파가 여진된다. 이 탄성파는, 압전막(103)의 막 두께 방향의 면(도 23의 zy면)을 따라서 진동하는 파(106b)(이하, 「세로 진동파」라고 함)와 압전막(103)의 막에 평행한 방향의 면(도 22의 xy면)을 따라서 진동하는 파(106a)(이하, 「가로 진동파」라고 함)를 포함한다.
세로 진동파(106b)는 압전막(103)의 상면 전극(104)측의 끝면과 하면 전극(102)측의 끝면에서 각각 반사되므로, 압전막(103) 내에서는, 압전막(103), 상면 전극(104) 및 하면 전극(102)의 각 막 두께의 합계 H와 이들 재료에 의해 결정되는 탄성파의 전파 속도 V에 의해 결정되는 소정의 주파수의 세로 탄성파(106b)에 대해 공진이 생기고, 그 이외의 주파수의 세로 탄성파(106b)는 감쇠한다. 따라서, 세로 탄성파(106b)의 주파수 f에는 f=n×V/2H(n은 정수)의 관계를 충족시키는 주파수(공진 주파수)가 포함되고, 그 공진 주파수의 세로 탄성파(106b)가 전기 신호로 재변환되어 외부에 출력된다.
압전 박막 공진 소자(100)는, 상기한 바와 같이, 고주파의 전기 신호(전기 에너지)를 역 압전 효과와 기계 구조에 기초하는 공진 현상을 이용하여 특정한 주파수의 탄성파(기계 에너지)로 변환하는 구성과, 특정한 주파수의 탄성파(기계 에너지)를 그 주파수의 전기 신호(전기 에너지)로 재변환하는 구성을 갖고 있다. 전기-기계 에너지 변환의 부분에서 발생하는 탄성파 중, 가로 탄성파(106a)의 기계 에너지는 전기 에너지로 재변환되기 어려우므로, 가로 탄성파(106a)는 압전 박막 공진 소자의 에너지 변환 동작에서 에너지 손실을 발생시킨다.
또한, 가로 탄성파(106a)는, 압전 박막 공진 소자(100)의 공진 특성에 스퓨리어스를 발생시키고, 그 공진 특성에서의 진폭 특성 및 위상 특성을 악화시킨다. 이 결과, 예를 들면, 복수개의 압전 박막 공진 소자(100)를 조합하여 작성되는 필터의 통과 대역에 리플을 발생시킴과 함께, 삽입 손실이나 군 지연의 특성 등을 악화시키는 요인으로 된다.
그런데, 압전 박막 공진 소자는, 고주파의 전기 신호로부터 특정한 주파수를 추출하는 필터에 적합한 소자이며, 예를 들면, SAW(Surface Acoustic Wave)를 이용한 공진 소자보다도 저손실이고, 내전력성이나 ESD(electro-static discharge ; 정전기 방전) 특성 등이 우수하므로, 휴대형 무선 기기 등의 송수신용의 필터나 분파 기 등의 구성 소자로서 수요가 높아지고 있다.
그리고, 휴대형 무선 기기 등의 송신용의 필터나 분파기에서는 저소비 전력이 요구되고, 수신용의 필터에서는 고수신 감도가 요구되므로, 압전 박막 소자에는 에너지 손실의 저감과 높은 Q값이 요구되고 있다.
따라서, 종래, 압전 박막 공진 소자의 Q값을 높이는 방법이나 가로 탄성파의 발생을 억제하여, 에너지 손실이나 스퓨리어스를 저감시키는 방법이 제안되어 있다.
예를 들면, 일본 특허 공표 제2003-505906의 공보(특허 문헌1)나 일본 특허 공개 제2006-5924의 공보(특허 문헌 2)에는, 압전막(103)을, 각 주파수 ω가 차단 주파수 ωc보다 낮은 영역에서 주파수 k가 실수로 되는 분산 관계 k(ω)를 갖는 재료로 구성하고, 도 24에 도시한 바와 같이, 상면 전극(104)의 외연부의 막 두께를 내측 부분의 막 두께보다도 얇게 함으로써, 스퓨리어스를 저감시키는 것이 도시되어 있다. 또한, 도 24는, 도 23에서, 상면 전극(104)의 외연부에 단차를 형성하고, 그 단차 부분(104a)의 막 두께 H2를 내측 부분의 막 두께 H1보다도 얇게 한 것이다. 상기의 분산 관계 k(ω)를 갖는 압전막(103)은, 포아슨비가 1/3 이하인 균질한 재료를 이용한 경우에 해당하고, 예를 들면, 질화 알루미늄(AlN)을 이용하여 실현된다.
또한, 일본 특허 공개 제2006-109472(특허 문헌 3)의 공보에는, 압전막(103)을 상기의 분산 관계 k(ω)를 갖는 재료로 구성하고, 도 25에 도시한 바와 같이, 상면 전극(104)의 외연부의 막 두께를 내측 부분의 막 두께보다도 두껍게 함으로써, 공진 특성의 Q값을 높이는 것이 도시되어 있다. 또한, 도 25는, 도 23에서, 상면 전극(104)의 외연부에 돌출부(104b)를 형성하고, 그 돌출부(104b)의 막 두께 H3을 내측 부분의 막 두께 H1보다도 두껍게 한 것이다.
또한, 일본 특허 공개 제2006-128993의 공보(특허 문헌 4)에는, 도 26에 도시한 바와 같이, 압전막(103)의 상면 전극(104)으로부터 비어져 나와 있는 부분을 제거함으로써, 가로 탄성파(106a)의 누설을 억제하는 것이 도시되어 있다. 또한, 도 26에서는, 압전막(103)의 폭(y 방향의 치수)을 상면 전극(104)의 폭보다도 약간 길게 하고 있지만, 압전막(103)의 존재를 나타내기 위해 작도상, 그와 같이 그린 것이고, 압전막(103)의 폭은 상면 전극(104)의 폭과 대략 동일하다.
또한, 일본 특허 공개 제2006-128993의 공보(특허 문헌 4)에는, 도 27에 도시한 바와 같이, 상면 전극(104)의 단자 전극(104A)의 상면에 부가 전극(107)을 설치함으로써, 가로 탄성파(106a)의 누설을 억제하여, 공진 특성의 Q값 및 전기 기계 결합 계수의 개선을 도모하는 것이 도시되어 있다. 또한, 도 27에서, 부가 전극(107)의 선단과 하면 전극(102)의 선단 사이에 거리 D를 두고 있는 것은, 부가 전극(107)의 선단과 하면 전극(102)의 선단이 중복되면 특성이 열화되므로, 제조상에서 양 선단이 중복되지 않도록 하기 위해서이다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 공표 제2003-505906
특허 문헌 2 : 일본 특허 공개 제2006-5924
특허 문헌 3 : 일본 특허 공개 제2006-109472
특허 문헌 4 : 일본 특허 공개 제2006-128993
그런데, 일본 특허 공표 제2003-505906, 일본 특허 공개 제2006-5924 및 일본 특허 공개 제2006-109472의 각 공보에 개시되는, 압전 박막 공진 소자(100)의 상면 전극(104)의 외연부의 막 두께를 조정하여 스퓨리어스를 저감하거나, 공진 특성의 Q값을 개선하거나 하는 방법은, 막 두께를 두껍게 하면, 스퓨리어스 특성은 개선되지만, 공진 특성의 Q값은 악화되고, 반대로 막 두께를 얇게 하면, 공진 특성의 Q값은 개선되지만, 스퓨리어스 특성은 악화되는 경향이 있다.
이와 같은 경향이 생기는 원인은, 도 28을 이용하여, 이하와 같이 해석할 수 있다. 또한, 도 28은, 도 25에서, 하면 전극(102), 압전막(103) 및 상면 전극(104)의 적층 부분의 영역을, 상면 전극(104)의 외연부에 형성된 돌출부(104b)와 하면 전극(102)이 대향하는 영역을 영역 (B), 그 영역 (B)보다도 외측의 영역을 영역 (C), 영역 (B)보다도 내측의 영역을 영역 (A)라고 하는 3개의 영역으로 분할하고, 각 영역 (A), (B), (C)의 음향 임피던스를 ZA, ZB, ZC로 정의한 도면이다.
상면 전극(104)의 외연부에 돌출부(104b)를 형성한 경우, 영역 (A), (B), (C)의 각 영역의 두께 HA, HB, HC는 HC<HA<HB의 관계로 되므로, 음향 임피던스 ZA, ZB, ZC의 대소 관계는 ZC<ZA<ZB로 된다. 영역 (B)의 음향 임피던스 ZB가 영역 (A), (C)의 음향 임피던스 ZA, ZC보다도 커지게 됨으로써, 영역 (A)와 영역 (C)의 음향 임피던스의 부정합은 증대되므로, 고차의 대칭 및 비대칭의 가로 모드의 탄성파가 영역 (B)에서 반사되어, 영역 (C)에는 누설되기 어려워진다.
이 결과, 주진동의 주파수 근방에서의 가로 탄성파의 누설의 감소가 압전 박막 공진 소자(100)의 공진 특성의 Q값의 향상에 기여하게 되지만, 영역 (A)에서는, 영역 (B)에서의 가로 탄성파의 반사에 의해 스퓨리어스의 발생 요인으로 되는 가로 탄성파의 정재파가 생기기 쉬워지므로, 압전 박막 공진 소자(100)의 스퓨리어스 특성은 반대로 악화되게 된다.
한편, 도 24에 도시한 바와 같이, 상면 전극(104)의 외연부에 단차(104a)를 형성한 경우, 영역 (A), (B), (C)의 각 영역의 두께 HA, HB, HC는 HC<HB<HA의 관계로 되므로, 음향 임피던스 ZA, ZB, ZC의 대소 관계는 ZC<ZB<ZA로 된다. 영역 (B)의 음향 임피던스 ZB가 영역 (A), (C)의 음향 임피던스 ZA, ZC의 중간으로 됨으로써, 영역 (A)와 영역 (C)의 음향 임피던스의 부정합은 완화되므로, 고차의 대칭 및 비대칭의 가로 모드의 탄성파가 영역 (C)에 누설되기 쉬워진다.
이 결과, 영역 (A)에서는, 영역 (B)로부터 영역 (C)에의 가로 탄성파의 누설에 의해 스퓨리어스의 발생 요인으로 되는 가로 탄성파의 정재파가 생기기 어려워지므로, 압전 박막 공진 소자(100)의 스퓨리어스 특성은 개선되지만, 동시에 주진동의 주파수 근방에서의 가로 탄성파의 누설도 증가되므로, 압전 박막 공진 소자(100)의 공진 특성의 Q값은 반대로 악화되게 된다.
따라서, 단순히 영역 (B)의 두께를 영역 (A), (C)보다 두껍게 하거나, 영역 (A), (C)의 중간으로 하도록 조정하는 것만으로는, 압전 박막 공진 소자(100)의 공진 특성의 Q값과 스퓨리어스 특성을 모두 개선하는 것은 곤란하다.
다음으로, 일본 특허 공개 제2006-128993의 공보에 개시되는, 상면 전극(104)의 단자 전극(104A)의 상면에 부가 전극(107)을 설치하는 방법에는 이하의 문제가 있다.
압전 박막 공진 소자(100)의 제조에서, 하면 전극(102)의 엣지 부분이 직각으로 되어 있으면, 이 엣지 부분을 기점으로 하여 크랙이 들어가, 공진부를 형성하는 멤브레인이 파괴되기 쉬워 신뢰성에 문제가 있으므로, 하면 전극(102)의 선단에는, 도 29에 도시한 바와 같이, 경사면(102a)이 형성되어 있다. 이 때문에, 하면 전극(102)의 상측에 적층되는 압전막(103)에 경사가 생기고, 압전막(103)의 상측에 적층되는 상면 전극(104)에도 경사면(104c)이 생기기 쉽다. 이 결과, 하면 전극(102), 압전막(103) 및 상면 전극(104)의 경사 부분의 막 두께가 그 이외의 부분의 막 두께보다도 얇게 되어, 이 경사 부분에서 음향 임피던스가 변화한다.
즉, 도 29에 도시한 바와 같이, 하면 전극(102), 압전막(103) 및 상면 전극(104)의 적층 부분의 영역을, 하면 전극(102)의 경사면(102a)과 상면 전극(104)의 경사면(104c)이 대향하는 영역을 영역 (B), 그 영역 (B)보다도 외측의 영역을 영역 (C), 영역 (B)보다도 내측의 영역을 영역 (A)라고 하는 3개의 영역으로 분할하고, 각영역 (A), (B), (C)의 음향 임피던스를 ZA, ZB, ZC로 하면，ZC<ZB<ZA로 된다.
이 음향 임피던스의 대소 관계는, 도 24에 도시한 상면 전극(104)의 외연부에 단차(104a)를 형성한 경우와 동일하며, 상면 전극(104)의 단자 전극(104A)의 상면에 부가 전극(107)을 설치하는 방법은 압전 박막 공진 소자(100)의 공진 특성의 Q값이 악화되는 요인을 포함한다고 하는 문제가 있다.
<발명의 개시>
본 발명은, 상기 문제를 감안하여 고안된 것이며, 공진 특성의 고Q화와 스퓨리어스 및 에너지 손실의 저감을 도모한 압전 박막 공진 소자와 이 압전 박막 공진 소자를 이용한 필터나 분파기 등의 회로 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 측면에 의해 제공되는 압전 박막 공진 소자는, 소정의 평면 형상을 갖는 압전막과, 이 압전막의 하면에 형성되고, 외주에 막면에 대해 소정의 각도로 경사진 경사부를 갖는 하면 전극과, 상기 압전막의 상면에 형성되는 상면 전극과의 적층 구조로 이루어지는 공진부를 구비한 압전 박막 공진 소자로서, 상기 경사부의 각도가 25° 내지 55°의 범위로 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 압전 박막 공진 소자에서, 상기 경사부는, 상기 하면 전극의 외주의 일부로 형성되어 있으면 된다.
본 발명의 제2 측면에 의해 제공되는 압전 박막 공진 소자는, 소정의 평면 형상을 갖는 압전막과, 이 압전막의 하면에 형성되고, 외주에 막면에 대해 소정의 각도로 경사진 경사부를 갖는 하면 전극과, 상기 압전막의 상면에 형성되는 상면 전극과의 적층 구조로 이루어지는 공진부를 구비하고, 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부에서의 적층 영역의 일부의 음향 임피던스가 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부보다 내측의 적층 영역의 음향 임피던스보다도 크게 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제3 측면에 의해 제공되는 압전 박막 공진 소자는, 소정의 평면 형상을 갖는 압전막과, 이 압전막의 하면에 형성되고, 외주에 막면에 대해 소정의 각도로 경사진 경사부를 갖는 하면 전극과, 상기 압전막의 상면에 형성되는 상면 전극과의 적층 구조로 이루어지는 공진부를 구비하고, 상기 상면 전극의 상기 경사부가 대향하는 위치의 일부에 부가막을 형성함으로써, 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부에서의 적층 두께 중 일부의 적층 두께가 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부보다 내측 부분에서의 적층 두께보다도 두껍게 되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 압전 박막 공진 소자에서, 상기 상면 전극에는 외부 접속용의 단자 전극이 연장 설치되어 있고, 상기 부가막은 상기 상면 전극의 상면의 상기 경사부가 대향하는 위치로부터 상기 단자 전극에 걸쳐서 형성되어 있으면 된다.
혹은, 상기의 압전 박막 공진 소자에서, 상기 상면 전극에는 외부 접속용의 단자 전극이 연장 설치되어 있고, 상기 부가막은, 상기 상면 전극의 상기 하면 전극의 경사부보다도 내측으로부터 그 경사부가 대향하는 위치를 통과하여 상기 상면 전극의 상기 단자 전극에 걸쳐서 형성되어 있으면 된다.
또한, 상기의 압전 박막 공진 소자에서, 상기 부가막 대신에, 상기 상면 전극의 그 부가막이 형성되는 부분의 막 두께를 그 이외의 부분의 막 두께보다도 두껍게 함으로써, 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부에서의 적층 두께 중 일부의 적층 두께가 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부보다 내측 부분에서의 적층 두께보다도 두껍게 되어 있도록 하여도 된다.
또한, 상기의 압전 박막 공진 소자에서, 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경 사부보다 내측 부분의 적층 두께와 대략 동일한 적층 두께를 갖는 상기 공진부의 외주 부분에서의 상기 압전막에, 막면에 대해 소정의 각도로 경사진 경사부가 형성되고, 상기 압전막의 외주가 상기 상면 전극의 외주보다 내측에 설정되어 있으면 된다.
또한, 본 발명의 제2 또는 제3 측면에 의해 제공되는 압전 박막 공진 소자에서, 상기 경사부의 각도가 25° 내지 55°의 범위로 설정되어 있으면 된다.
또한, 본 발명의 제1 내지 제3 측면에 의해 제공되는 압전 박막 공진 소자에서, 상기 압전막은, (002) 방향을 주축으로 하는 배향성을 갖는 질화 알루미늄 또는 산화 아연으로 형성하면 된다.
본 발명의 제4 측면에 의해 제공되는 회로 부품은, 본 발명에 따른 압전 박막 공진 소자를 적어도 1개 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 FAR 타입의 압전 박막 공진 소자의 제1 실시 형태의 기본적인 구조를 도시하는 도면으로서, (a)는 평면도, (b)는 (a)의 A-A선 단면도.
도 2는 약 2㎓의 공진 주파수를 갖는 제1 실시 형태의 압전 박막 공진 소자를 시작하고, 1 포트 특성의 리턴 로스를 측정한 측정 결과를 도시하는 도면.
도 3은 약 2㎓의 공진 주파수를 갖는 비교용의 압전 박막 공진 소자의 기본적인 구조를 도시하는 도면.
도 4는 도 3에 도시한 압전 박막 공진 소자의 1 포트 특성의 리턴 로스를 측정한 측정 결과를 도시하는 도면.
도 5는 하면 전극의 단부의 경사가 압전 박막 공진 소자의 공진 특성에 미치는 영향을 수치 해석에 의해 고찰하기 위한 압전 공진 소자의 모델도.
도 6은 하부 전극의 단부의 경사각을 파라미터로 하여 공진 주파수에서의 임피던스를 계산한 결과를 도시하는 도면.
도 7은 하부 전극의 단부의 경사각을 파라미터로 하여 반공진 주파수에서의 임피던스를 계산한 결과를 도시하는 도면.
도 8은 경사각을 90°로 하였을 때의 반공진 주파수에서의 압전막의 두께 방향의 변위 분포를 수치 해석한 결과를 도시하는 도면.
도 9는 경사각을 90°로 하였을 때의 반공진 주파수에서의 압전막의 가로 방향의 변위 분포를 수치 해석한 결과를 도시하는 도면.
도 10은 경사각을 8°로 하였을 때의 반공진 주파수에서의 압전막의 두께 방향의 변위 분포를 수치 해석한 결과를 도시하는 도면.
도 11은 경사각을 8°로 하였을 때의 반공진 주파수에서의 압전막의 가로 방향의 변위 분포를 수치 해석한 결과를 도시하는 도면.
도 12는 도 7의 반공진 주파수 임피던스의 특성에, 도 5에 도시한 압전 박막 공진 소자의 모델에서, 우측의 끝면을 완전히 고정하였다고 가정한 경우의 반공진 주파수 임피던스의 특성을 거듭한 도면.
도 13은 도 12에 도시한 반공진 주파수 임피던스의 2개의 특성의 차분의 특성을 도시하는 도면.
도 14는 본 발명에 따른 FAR 타입의 압전 박막 공진 소자의 제2 실시 형태의 기본적인 구조를 도시하는 도면으로서, (a)는 평면도, (b)는 (a)의 A-A선 단면도.
도 15는 본 발명에 따른 FAR 타입의 압전 박막 공진 소자의 제3 실시 형태의 기본적인 구조를 도시하는 도면으로서, (a)는 평면도, (b)는 (a)의 A-A선 단면도.
도 16은 본 발명에 따른 FAR 타입의 압전 박막 공진 소자의 제4 실시 형태의 기본적인 구조를 도시하는 도면으로서, (a)는 평면도, (b)는 (a)의 A-A선 단면도.
도 17은 본 발명에 따른 SMR 타입의 압전 박막 공진 소자의 기본적인 구조를 도시하는 도면으로서, (a)는 평면도, (b)는 (a)의 A-A선 단면도.
도 18은 본 발명에 따른 필터의 구조를 도시하는 평면도.
도 19는 도 18에 도시한 필터의 전기 회로를 도시하는 도면.
도 20은 도 19에 도시한 래더형 밴드 패스 필터의 통과 특성을 측정한 결과를 도시하는 도면.
도 21은 분파기의 기본적인 블록 구성도.
도 22는 FBAR 타입의 압전 박막 공진 소자의 기본적인 구조를 도시하는 평면도.
도 23은 도 22의 X-X선 단면도.
도 24는 종래의 FBAR에서의 스퓨리어스를 저감하는 구조를 도시하는 단면도.
도 25는 종래의 FBAR에서의 Q값의 개선을 도모하는 구조를 도시하는 단면도.
도 26은 종래의 FBAR에서의 가로 탄성파의 누설을 억제하는 구조를 도시하는 단면도.
도 27은 종래의 FBAR에서의 가로 탄성파의 누설을 억제하여, 공진 Q값 및 전 기 기계 결합 계수의 개선을 도모하는 구조를 도시하는 단면도.
도 28은 도 25의 구조에 음향 임피던스가 서로 다른 3개의 영역을 정의한 도면.
도 29는 도 27의 구조에서, 하면 전극의 단부에 경사가 생긴 상태를 도시하는 주요부 단면도.
<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1은, 본 발명에 따른 압전 박막 공진 소자의 제1 실시 형태의 기본적인 구조를 도시하는 도면이다. 도 1의 (a)는 평면도, 도 1의 (b)는 도 1의 (a)의 A-A선 단면도이다. 또한, 도 1의 (a)에서는 부가막(8)을 단자 전극(7)보다 약간 내측에 그렸지만, 단자 전극(7)의 존재를 나타내기 위해 작도상, 그와 같이 그린 것으로, 부가막(8)과 단자 전극(7)은 거의 동일한 사이즈이다. 또한, 상면 전극(5) 및 단자 전극(7)은 보기 쉽게 하기 위해 굵은 선으로 그리고, 부가막(8)에는 점으로 표시하였다. 이들 점은 다른 대응하는 평면도에서도 마찬가지이다.
도 1에 도시한 압전 박막 공진 소자(1)는 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 타입이다. 압전 박막 공진 소자(1)는 주요 구성 요소로서 기판(2), 하면 전극(3), 압전막(4), 상면 전극(5), 단자 전극(6), 단자 전극(7) 및 부가막(8)을 갖고 있다.
하면 전극(3)은 타원 형상을 이루고, 그 타원 형상을 장축에서 이분한 한쪽 의 타원 형상의 단부(도 1에서는 좌측의 단부)에 단축을 따라서 단자 전극(6)이 연장 설치되어 있다. 마찬가지로, 상면 전극(5)도 타원 형상을 이루고, 그 타원 형상을 장축에서 이분한 다른 쪽의 타원 형상의 단부(도 1에서는 우측의 단부)에 단축을 따라서 단자 전극(7)이 연장 설치되어 있다. 따라서, 하면 전극(3) 및 단자 전극(6)과 상면 전극(5) 및 단자 전극(7)은 각각 전체적으로 전방 후 원형의 전극막으로 되어 있다.
하면 전극(3) 중 공진부를 구성하는 부분은, 엣지가 직각으로 되어 있으면 크랙 등에 의해 파괴될 우려가 있으므로, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 그 단부를 기판(2)의 상면에 대해 경사시키고 있다. 특히, 도 1의 (a)의 (가)부터 시계 방향으로 (나)까지의 범위 W1에서는, 탄성파의 가로 누설을 방지하기 위한 최적의 경사각 α가 있고, 상면 전극(5)의 범위 W1의 부분의 경사각 α는, 25°∼55°의 범위 내의 최적의 경사각(예를 들면, 약 30°)으로 설정되어 있다. 또한, 경사각 α를 25°∼55°의 범위로 선정하는 기술적 의의에 대해서는 후술한다.
또한, 하면 전극(3) 및 단자 전극(6)은 일체적으로 패터닝이 이루어지므로, 본 실시 형태에서는, 하면 전극(3) 및 단자 전극(6)의 전방 후 원형의 전극막의 단부를 약 30°의 경사각 α로 경사시키고 있다.
또한, 상면 전극(5) 및 단자 전극(7)의 전방 후 원형의 전극막에 대해서도, 하면 전극(3) 및 단자 전극(6)과 마찬가지로, 그 단부에 약 30°의 경사각 α가 설정되어 있다. 특히, 도 1의 (a)의 (가)부터 반시계 방향으로 (나)까지의 범위 W2의 부분의 경사각 α는 약 30°로 설정되어 있다.
압전막(4)은 상면 전극(5) 및 단자 전극(7)과 거의 동일한 전방 후 원형의 형상을 갖고 있다. 부가막(8)은 단자 전극(7)과 거의 동일한 사각형 형상을 갖고 있지만, 상면 전극(5)에 일부 겹쳐지도록, 부가막(8)의 상면 전극(5)측을 향하는 단부(도 1에서는 좌측의 단부)가 단자 전극(7)보다도 약간 길게 연장되어 있다. 그 단부는, 상면 전극(5)의 경사 부분을 초과하여, 평탄부에 치수 d1만큼 비어져 나오도록 연장되어 있다.
압전막(4)의 단부의 주위는, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 하면 전극(3)의 상면에 대해 각도 β(예를 들면, 50°∼60° 정도)로 경사져 있다. 또한, 도 1의 (b)에서는, 압전막(4)의 우단의 단면도 경사시키고 있지만, 이 경사는 적극적으로 경사시킨 것은 아니다.
하면 전극(3) 및 단자 전극(5)의 각 전극막, 압전막(4), 하면 전극(5) 및 단자 전극(7)의 각 전극막, 부가막(8)은 기판(2)의 상면에 이 순서대로 적층되어 있다. 기판(2)의 하면 전극(3)과 상면 전극(5)이 대향하는 위치에, 그 대향하는 부분보다도 약간 넓은 개구면을 갖는 공극(9)이 형성되어 있다.
기판(2)은 실리콘(Si) 기판이나 글래스 기판으로 구성된다. 공극(9)은 기판(2)의 이면으로부터, 예를 들면, 불소계의 가스로 드라이 에칭을 행함으로써 형성된다. 또한, 공극(9)은 기판 표면에 형성한 희생층에 웨트 에칭 등을 행함으로써도 형성할 수 있다.
하면 전극(3) 및 단자 전극(6)의 각 전극막과 상면 전극(5) 및 단자 전극(7)의 각 전극막은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 백 금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir) 등을 함유하는 금속 전극막으로 구성된다. 압전막(4)은 포아슨비가 1/3 이하인 균질한 재료를 이용한 박막으로 구성된다. 압전막(4)에는, (002) 방향을 주축으로 하는 배향성을 나타내는 질화 알루미늄(AlN), 산화 아연(ZnO), 티탄산 지르콘산납(PZT), 티탄산납(PbTiO3) 등을 이용한 박막이 함유된다.
하면 전극(3) 및 단자 전극(6)의 각 전극막, 상면 전극(5) 및 단자 전극(7)의 각 전극막, 압전막(4)은, 예를 들면, 막 제조, 노광, 에칭 공정에 의해 형성된다. 하면 전극(3)의 경사부(3a)는, 예를 들면, 이온 밀링법을 이용하여 비스듬히 에칭함으로써 각도 α로 경사시켜 형성된다. 혹은, 포토레지스트를 마스크재로 하여 Ar 이온에 의한 드라이 에칭법을 이용하여 하면 전극(3)을 형성하는 경우는, 포토레지스트의 단부 형상을 제어함으로써 하면 전극(3)의 단부의 경사각 α를 원하는 각도로 형성된다. 또한, 포토레지스트의 단부 형상은, 현상 후의 과열 온도, 과열 시간, 가열 분위기를 제어함으로써 조정할 수 있다. 또한, 압전막(4)의 경사진 부분(4a)(이하, 「경사부(4a)」라고 함)은 습식 엣칭법을 이용하여 압전막(4)을 에칭함으로써 원하는 각도 β로 경사시켜 형성된다.
부가막(8)은 금(Au), 티탄(Ti) 등을 함유하는 금속막으로 구성된다. 예를 들면, 부가막(8)은 기초막으로서 티탄(Ti)의 박막을 형성하고, 그 위에 금(Au)의 박막을 형성한 2층막에 의해 구성된다. 부가막(8)을 금(Au)과 티탄(Ti)의 2층막으로 형성하는 경우에는, 이 2층막을 플립 칩 실장을 위한 범프 형성용의 기초에 겸 용할 수 있으므로, 제조 공정을 복잡화시키는 일이 없는 이점이 있다.
다음으로, 압전 박막 공진 소자(1)의 공진 동작에 대해서 설명한다.
도 1에서, 하면 전극(3), 압전막(4) 및 상면 전극(5)이 겹치는 부분은 탄성파가 공진하는 부분(이하, 「공진부」라고 함)이며, 그 이외의 부분은 탄성파가 공진하지 않는 부분(이하, 「비공진부」라고 함)이다. 하면 전극(3) 및 상면 전극(5)이 겹치는 부분은 타원 형상이므로, 압전 박막 공진 소자(1)의 중앙의 타원 형상의 부분이 공진부로 된다.
도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 타원 형상의 공진부의 단축 방향의 영역을, 하면 전극(3)의 경사부(3a)와 상면 전극(5) 및 부가막(8)이 겹치는 영역을 영역 (C), 이 영역 (C)보다도 외측의 압전막(4)과 상면 전극(5) 및 부가막(8)이 겹치는 영역을 영역 (D), 영역 (C)보다도 내측의 영역에서 하면 전극(3)과 상면 전극(5) 및 부가막(8)이 겹치는 영역(부가막(8)의 단부가 상면 전극(5)에 d1만큼 연장된 영역)을 영역 (B), 이 영역 (B)보다도 내측의 하면 전극(3)과 상면 전극(5)이 겹치는 영역을 영역 (A)의 4개의 영역으로 분할하고, 각 영역 (A), (B), (C), (D)의 막 두께를 HA, HB, HC, HD로 하고, 음향 임피던스를 ZA, ZB, ZC, ZD로 한다.
또한, 음향 임피던스는 재료의 밀도와 음속의 곱으로 표현되고, 재료가 결정되면, 그 재료의 고유한 값을 갖는다. 영역 (A)의 음향 임피던스 ZA는, 하면 전극(3), 압전막(4) 및 상면 전극(5)의 적층 부분 전체에 의해 결정되는 고유한 값이며, 영역 (B), (C)의 음향 임피던스 ZB, ZC는, 하면 전극(3), 압전막(4), 상면 전 극(5) 및 부가막(8)의 적층 부분 전체에 의해 결정되는 고유한 값이며, 영역 (D)의 음향 임피던스 ZD는, 압전막(4), 상면 전극(5) 및 부가막(8)의 적층 부분 전체에 의해 결정되는 고유한 값이다.
영역 (A), (B), (C), (D)의 막 두께의 대소 관계를, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, HA<HD<HC<HB로 하고, 음향 임피던스의 대소 관계도 ZA<ZD<ZC<ZB로 되도록 설정한다. 영역 (B), (C)의 음향 임피던스 ZB, ZC가 영역 (A), (D)의 음향 임피던스 ZA, ZD보다도 커짐으로써 영역 (A)와 영역 (D)의 음향 임피던스의 부정합은 증대하므로, 타원 형상의 공진부의 중심 O로부터 방사 형상으로 전파한 가로 탄성파 중 단자 전극(7)측에 전파한 고차의 대칭 및 비대칭의 가로 모드의 탄성파(보다 구체적으로는, 도 1의 (a)의 (가)부터 시계 방향으로 (나)까지의 범위 W1에 전파한 가로 탄성파)가 영역 (B)에서 반사되어, 영역 (C), (D)에는 누설되기 어려워진다.
한편, 타원 형상의 공진부 중, 도 1의 (a)의 (가)부터 반시계 방향으로 (나)까지의 범위 W2는, 압전막(4)의 단면 형상이, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이 하면 전극(3)의 상면에 대해 각도 β로 경사져, 상면 전극(5)의 단부가 차양과 같이 돌출되어 있으므로, 이와 같은 단면 형상을 갖고 있지 않는 경우에 비해 공진부의 반공진 임피던스가 크다. 따라서, 타원 형상의 공진부의 중심 O로부터 방사 형상으로 전파한 가로 탄성파 중 상기의 범위 W2에 전파한 가로 탄성파의 비공진부측에의 누설이 억제된다.
이 결과, 가로 탄성파의 비공진부측에의 누설이 억제되어, 압전 박막 공진 소자(1)의 에너지 손실의 저감과 공진 특성의 Q값의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 타원 형상의 공진부의 외주에 부가막(8)을 형성한 경우, 그 부가막(8)의 폭 치수에 따라서 스퓨리어스의 발생 주파수가 변화하지만, 부가막(8)은, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 타원 형상의 공진부의 단자 전극(7)과의 경계 부분에만 형성되고, 그 이외의 부분에는 형성되어 있지 않으므로, 공진부의 부가막(8)이 형성되어 있는 부분(도 1의 (a)의 (가)부터 시계 방향으로 (나)까지의 범위 W1의 부분)과 그 이외의 부분에서 공진부에서의 스퓨리어스의 발생 주파수가 상이하게 된다.
즉, 공진부에서의 스퓨리어스의 발생은 비대칭으로 된다. 이 때문에, 공진부에서의 부가막(8)이 형성되어 있는 부분과 형성되어 있지 않은 부분에서 발생하는 스퓨리어스가 서로 부정하는 작용을 하게 되어, 스퓨리어스 발생도 억제된다.
즉, 종래에서는 공진 특성의 Q값, 스퓨리어스 특성 및 에너지 손실을 모두 개선할 수는 없었지만, 본 실시 형태에 따른 압전 박막 공진 소자(1)에 따르면, 공진 특성의 고Q화와 스퓨리어스의 저감을 도모할 수 있다.
또한, 부가막(8)을 도체로 구성하고 있으므로, 상면 전극(5) 및 단자 전극(7)의 저항을 내릴 수 있어, 압전 박막 공진 소자(1)의 Q값이 보다 개선된다.
또한, 부가막(8)을 영역 (B), (C), (D)에 걸쳐서 형성하므로, 상부 전극(5) 및 단자 전극(7)의 경사 부분에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있어, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 2는, 약 2㎓의 공진 주파수를 갖는 압전 박막 공진 소자(1)를 시작하고, 1 포트 특성의 리턴 로스를 측정한 측정 결과를 도시하는 도면이다.
시작한 압전 박막 공진 소자(1)는, 실리콘의 기판(2)에, 루테늄(Ru) 240㎚와 크롬(Cr) 100㎚의 2층막으로 이루어지는 하면 전극(3) 및 단자 전극(6), 질화 알루미늄(AlN) 1150㎚의 1층막으로 이루어지는 압전막(4), 루테늄(Ru) 240㎚의 1층막으로 이루어지는 상면 전극(5) 및 단자 전극(7), 금(Au) 500㎚와 티탄(Ti) 100㎚의 2층막으로 이루어지는 부가막(8)을 적층한 것이다. 공진부는 장축 200㎛, 단축 165㎛의 사이즈를 갖는 타원 형상이다. 하면 전극(3)의 경사부(3a)의 경사각은 약 30°이다. 부가막(8)이 상면 전극(5)측으로 연장되어 있는 치수 d1은 2㎛이다.
도 2에서, P점은 공진 주파수 fP(1963㎒)이며, Q점은 반공진 주파수 fQ(2024㎒)이다. 종축은 감쇠량(㏈)을 나타내고, 횡축은 주파수(㎒)를 나타내고 있다.
0㏈로부터의 감쇠량이 작을수록, 압전 박막 공진 소자(1)의 Q값이 높은 것을 의미한다. 또한, 공진 주파수 fP 이하의 영역에서 감쇠량이 빈번하게 급변하고 있는 것은, 스퓨리어스의 발생 상태를 나타내고 있다. 이 변동량이 작을수록, 스퓨리어스가 작은 것을 의미한다.
도 3은, 도 2의 특성을 평가하기 위해 시작한 약 2㎓의 공진 주파수를 갖는 비교용의 압전 박막 공진 소자의 기본적인 구조를 도시하는 도면이며, 도 4는, 그 비교용의 압전 박막 공진 소자의 1 포트 특성의 리턴 로스를 측정한 측정 결과를 도시하는 도면이다.
도 3에 도시한 비교용의 압전 박막 공진 소자의 기본적인 구조는, 도 1에 도 시한 제1 실시 형태의 압전 박막 공진 소자(1)의 기본적인 구조에 대해, 부가막(8)의 단축 방향에서의 길이가 상이할 뿐이다.
즉, 도 3의 (a)와 도 1의 (a)를 대비하면 명백한 바와 같이, 종래 구성의 압전 박막 공진 소자(1')의 부가막(8)은, 영역 (D)의 공극(9)에 겹쳐지지 않은 부분에만 형성되고, 영역 (B), (C)의 부분까지 연장되어 있지 않은 구성으로 되어 있다. 또한, 영역 (D)의 공극(9)과 겹쳐지는 부분의 치수 d2는 약 5㎛이다.
도 2와 도 4의 리턴 로스의 특성을 비교하면, 제1 실시 형태에 따른 압전 박막 공진 소자(1)의 쪽이 P점(공진 주파수 fP)에서 약 0.025㏈, Q점(반공진 주파수 fQ)에서 약 0.06㏈, 감쇠량이 작고, 어느 쪽의 주파수에서도 Q값이 높은 것을 알 수 있다. 또한, 공진 주파수 fP 이하의 영역의 감쇠량의 변동 폭도 평균적으로 제1 실시 형태에 따른 압전 박막 공진 소자(1)의 쪽이 작고, 스퓨리어스도 작아지고 있는 것을 알 수 있다.
따라서, FBAR 타입의 압전 박막 공진 소자(1)를 도 1에 도시한 구조로 함으로써, 공진 특성의 고Q화와 스퓨리어스의 저감을 도모할 수 있다고 할 수 있다.
다음으로, 하면 전극(3)의 경사각 α를 25°∼55°의 범위로 선정하는 기술적 의의에 대해서 설명한다.
도 5는, 하면 전극의 단부의 경사가 압전 박막 공진 소자의 공진 특성에 미치는 영향을 수치 해석에 의해 고찰하기 위한 압전 공진 소자의 모델도이다. 도 5의 (a)는 평면도, 도 5의 (b)는 (a)의 A-A선 단면도이다.
도 5에 도시한 압전 박막 공진 소자의 모델도는, 도 1에 도시한 압전 박막 공진 소자(1)에 대해, 부가막(8)을 형성하고 있지 않은 점과, 압전막(4)을 단자 전극(6)의 상면까지 형성하고 있는 점에서 기본 구성이 상이할 뿐이다. 기판(2)의 재료는 실리콘, 압전막(4)의 재료는 질화 알루미늄, 하부 전극(3) 및 단자 전극(6)과 상부 전극(5) 및 단자 전극(7)의 재료는 루테늄이다. 또한, 기판(2)의 두께 H는 300㎛, 압전막(4)의 두께 H2는 1200㎚, 하부 전극(3) 및 단자 전극(6)의 두께 D1과 상부 전극(5) 및 단자 전극(7)의 두께 D2는 각각 250㎚이다.
수치 해석은, 간단화하기 위해 파동은 압전층(4)의 깊이 방향(도 5의 (a)의 Y 방향)에는 전파하지 않고, 종횡 방향(도 5의 (b)의 Z 방향 및 X 방향)으로만 전파하고, 압전층(4)의 우단면(도 5의 우측의 끝면)에서는 파동 에너지가 모두 흡수되어, 반사가 생기지 않는다고 가정하여, 압전성을 고려한 유한 요소법에 의해 압전층(4) 내의 변위를 계산함으로써 행하였다.
도 6은, 하부 전극(3)의 단부의 경사각 α를 파라미터로 하여 공진 주파수 fr에서의 임피던스 Zfr(이하, 「공진 주파수 임피던스 Zfr」이라고 함)을 계산한 결과를 도시하고, 도 7은, 하부 전극(3)의 단부의 경사각 α를 파라미터로 하여 반공진 주파수 fn에서의 임피던스 Zfn(이하, 「반공진 주파수 임피던스 Zfr」이라고 함)을 계산한 결과를 도시하는 도면이다.
도 6, 도 7에 따르면, 공진 주파수 임피던스 Zfr은 경사각 α에 관계없이 거의 일정하지만, 반공진 주파수 임피던스 Zfn은 경사각 α의 영향을 받아, 30° 부근 에 극대값을 갖는 것을 알 수 있다.
그런데, 반공진 주파수 임피던스 Zfn은, 압전막(4) 내에서의 정전 에너지와 운동 에너지의 상호 변환에 의해 결정되는 것으로, 정전 에너지와 운동 에너지가 손실없이 서로 변환되는 이상적인 상태에서는 무한대로 되지만, 실제로는 반드시 손실이 생기므로, 반공진 주파수 임피던스 Zfn은 유한한 값을 갖게 된다. 그리고, 반공진 주파수 임피던스 Zfn이 크면 클수록 손실이 적어, 공진 소자의 Q값은 높다고 할 수 있다.
도 7에 따르면, 도 5에 도시한 모델의 구조를 구비한 압전 박막 공진 소자는, 반공진 주파수 임피던스 Zfn이 경사각 α에 의존하는 특성을 갖고, 게다가 그 특성은 극대값을 갖는 것이기 때문에, 경사각 α를 반공진 주파수 임피던스 Zfn이 극대값으로 되는 대략 30°의 각도로 선택하면, 압전 박막 공진 소자의 Q값을 가급적으로 높게 할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 8, 도 9는, 경사각 α를 90°로 하였을 때의 반공진 주파수 fn에서의 압전막(4)의 변위 분포를 수치 해석한 결과를 도시하고, 도 10, 도 11은, 경사각 α를 8°로 하였을 때의 반공진 주파수 fn에서의 압전막(4)의 변위 분포를 수치 해석한 결과를 도시하는 도면이다. 또한, 압전막(4)의 변위 분포를 계산하는 모델은, 도 5의 (b)에 도시한 모델도에서, 공진부의 거의 중앙의 N을 대칭 경계라고 가정하고, 압전막(4)과 기판(2)과의 계면이 완전히 고정되어 있는 것으로 가정한 것이다.
도 8, 도 10은, 압전층(4)의 두께 방향(도 5의 (b)의 Z 방향)에서의 변위의 분포를 도시하고, 도 9, 도 11은, 압전층(4)의 가로 방향(도 5의 (b)의 X 방향)에서의 변위의 분포를 도시하고 있다. 또한, 도 8∼도 11의 M은, 압전층(4)의 표면의 경사가 시작되는 위치를 나타내고, 도 5의 (b)의 M의 위치에 상당하고 있다. 도 8∼도 11에서는, M보다도 좌측의 영역이 공진부에 상당하고, 우측의 영역이 비공진부에 상당하다. 또한, 압전층(4) 내의 줄무늬 모양은 등변위선을 그린 것으로, 줄무늬의 밀도가 높은 부분은 변위가 크고, 줄무늬의 밀도가 작은 부분은 변위가 작은 것을 나타내고 있다.
도 10, 도 11에 따르면, 경사각 8°에서는 X 방향의 변위와 Z 방향의 변위 중 모두 공진부의 쪽이 비공진부보다도 크고, 탄성파가 공진부에 집중하고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 경사각 8°에서는 공진부에서 발생한 탄성파의 비공진부에의 누설이 적다고 할 수 있다. 한편, 도 8, 도 9에 따르면, 경사각 90°에서는, Z 방향의 변위는 공진부의 쪽이 비공진부보다도 크지만, X 방향의 변위는 공진부와 비공진부에 차가 없으며, 공진부에서 발생한 탄성파의 비공진부에의 누설이 커지고 있는 것을 알 수 있다.
압전 박막 공진 소자(1)는, 두께 방향(도 5의 Z 방향)의 진동(세로 탄성파)을 이용하는 것이므로, 압전막(4)은 Z 방향으로 분극축을 갖고，Z 방향의 진동(기계 에너지)은 전기 에너지로 변환되지만, X 방향의 진동(가로 탄성파)은 전기 에너지로 변환되지 않아, 에너지 손실로 된다. 따라서, 경사각 α가 90°일 때는, 경사각 α가 8°보다도 에너지 손실이 크다고 할 수 있다.
도 8∼도 11에 도시한 변위 분포 해석은, 도 7에 도시한 반공진 주파수 임피던스 Zfn의 특성에서, 경사각 α의 범위의 양측 부근에서 비교적 임피던스값이 가까운 8°와 90°에 대해서 조사한 것이다. 도 8∼도 11의 변위 분포는, 극대값을 갖는 경사각 30°보다도 작은 영역의 경사각 8°와 경사각 30°보다도 큰 영역의 경사각 90°에서 탄성파의 압전층(4)에서의 전파 모드가 서로 다르며, 극대값을 갖는 경사각 30°의 부근에서 전파 모드가 변화하는 것을 시사하는 것이다.
도 12는, 도 7의 반공진 주파수 임피던스 Zfn의 특성에, 도 5에 도시한 압전 박막 공진 소자의 모델에서, 우측의 끝면(2a)을 완전히 고정하였다고 가정한 경우(즉, 끝면(2a)에서 탄성파가 반사한다고 가정한 경우)의 반공진 주파수 임피던스 Zfn의 특성을 겹친 것이다. 특성 A는, 도 7에 도시한 반공진 주파수 임피던스 Zfn의 특성이며, 특성 B가 끝면(2a)에서 탄성파가 반사한다고 가정한 경우의 특성이다. 또한, 도 13은, 도 12에 도시한 특성 B와 특성 A의 차분의 특성을 도시한 것이다.
도 13에 따르면, 경사각 α가 약 25°부터 50°까지 거의 직선적으로 상승하고, 60° 내지 90°에서는 거의 평탄하게 변화한다. 직선 T1은, 25°부터 50°까지의 직선적인 변화를 대표하는 선이며, 직선 T2는 60°부터 90°까지의 평탄한 변화를 대표하는 선이다. 직선 T1과 직선 T2가 교차하는 점 R의 경사각 α는 약 55°이다.
반공진 주파수 임피던스 Zfn의 차분의 특성을 점 R에서 직선 T1과 직선 T2를 결합한 꺽음선으로 근사하면, 경사각 α가 약 25°이하에서는, 반공진 주파수 임피 던스 Zfn의 차분의 특성은 불안정하지만, 25° 이상에서는 안정되고, 게다가, 25°∼55°의 영역과 55°∼90°의 영역에서 특성이 급변하는 것을 알 수 있다.
25°∼55°의 영역에서 반공진 주파수 임피던스 Zfn의 차분의 특성이 직선적으로 상승하고 있는 것은, 경사각 α가 증가함에 따라서(하부 전극(3)의 엣지가 섬에 따라서), 공진부에서 발생한 탄성파(진동 에너지)의 비공진부에의 누설이 증가되는 것을 나타내는 것이며, 55° 이상으로 되면, 그 특성이 평탄하게 되는 것은, 하부 전극(3)의 엣지에 의한 탄성파의 비공진부에의 누설의 억제 효과가 거의 작용하지 않게 되기 때문인 것으로 생각된다. 따라서, 경사각 α를 90°이하로 하면, 진동 에너지의 비공진부에의 누설을 억제할 수 있게 되지만, 그 억제를 효과적으로 작용시키기 위해서는, 55° 이하로 설정하면 된다고 할 수 있다.
한편, 경사각 α를 25° 이하로 하면, 반공진 주파수 임피던스 Zfn의 차분의 특성이 불안정하게 되지만, 이것은, 공진부에 X 방향의 진동(가로 탄성파)이 여기되는 것에 기인하고 있는 것으로 생각된다. 따라서, 경사각 α를 적어도 25°∼55°의 범위로 설정하면, 공진부에서의 가로 탄성파의 여기를 억제함과 함께, 공진부에서 발생한 세로 탄성파의 비공진부에의 누설을 효과적으로 억제할 수 있다.
특히, 도 7에 따르면, 경사각 α를 약 30°로 하면, 반공진 주파수 임피던스 Zfn이 극대값을 갖기 때문에, 경사각 α를 30° 부근으로 설정하는 것이 바람직하고, 이에 의해서도 압전 박막 공진 소자(1)의 고Q화가 도모된다.
제1 실시 형태에서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 부가막(8)을 단자 전극(7) 부터 상면 전극(5)까지 연장시키도록 형성하고 있었지만, 부가막(8)의 형성 방법은 이 방법에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 14∼도 16에 도시한 형상으로 부가막(8)을 형성하여도 된다.
도 14에 도시한 압전 박막 공진 소자(1A)는, 부가막(8)을 영역 (C)(하면 전극(3)의 경사부(3a)와 상면 전극(5)이 겹치는 영역)의 부분에만 형성하도록 한 것이다. 이하, 이 실시 형태를 제2 실시 형태라고 한다.
제2 실시 형태에 따른 압전 박막 공진 소자(1A)의 영역 (A), (B), (C), (D)의 막 두께의 대소 관계를, 도 14의 (b)에 도시된 바와 같이, HD<HB=HA<HC로 하고, 음향 임피던스의 대소 관계를 ZD<ZB=ZA<ZC로 설정한다. 제2 실시 형태에서도 영역 (C)의 음향 임피던스 ZC가 영역 (A), (B), (D)의 음향 임피던스 ZA, ZB, ZD보다도 커지므로, 영역 (A), (B)와 영역 (D)의 음향 임피던스의 부정합은 증대한다. 따라서, 타원 형상의 공진부의 중심 O로부터 방사 형상으로 전파한 가로 탄성파 중 단자 전극(7)측에 전파한 고차의 대칭 및 비대칭의 가로 모드의 탄성파가 영역 (C)에서 반사되어, 영역 (D)에는 누설되기 어려워진다.
따라서, 압전 박막 공진 소자(1A)의 에너지 손실의 저감과 공진 특성의 Q값의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 하부 전극(3)의 단부의 경사각 α를 약 30°로 설정함으로써 고Q화가 도모된다.
도 15에 도시한 압전 박막 공진 소자(1B)는, 부가막(8)을 영역 (B), (C)(하면 전극(3)의 경사부(3a)와 상면 전극(5)이 겹치는 영역과 그 내측의 일부 영역)의 부분에만 형성하도록 한 것이다. 이하, 이 실시 형태를 제3 실시 형태라고 한다.
제3 실시 형태에 따른 압전 박막 공진 소자(1)의 영역 (A), (B), (C), (D)의 막 두께의 대소 관계를, 도 15의 (b)에 도시된 바와 같이, HD<HA<HC<HB로 하고, 음향 임피던스의 대소 관계도 ZD<ZA<ZC<ZB로 설정한다. 제3 실시 형태에서도 영역 (B), (C)의 음향 임피던스 ZB, ZC가 영역 (A), (D)의 음향 임피던스 ZA, ZD보다도 커진다. 따라서, 영역 (A)와 영역 (D)의 음향 임피던스의 부정합은 증대하므로, 타원 형상의 공진부의 중심 O로부터 방사 형상으로 전파한 가로 탄성파 중 단자 전극(7)측에 전파한 고차의 대칭 및 비대칭의 가로 모드의 탄성파가 영역 (B)에서 반사되어, 영역 (D)에는 누설되기 어려워진다.
따라서, 압전 박막 공진 소자(1B)에서도 에너지 손실의 저감과 공진 특성의 Q값의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 하부 전극(3)의 단부의 경사각 α를 약 30°로 설정함으로써 고Q화가 도모된다.
또한, 부가막(8)을 영역 (B), (C)에 걸쳐서 형성하므로, 상부 전극(5) 및 단자 전극(7)의 경사 부분에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있어, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 16에 도시한 압전 박막 공진 소자(1C)는, 부가막(8)을 영역 (C), (D)(하면 전극(3)의 경사부(3a)와 상면 전극(5)이 겹치는 영역과 그 외측의 영역)의 부분에만 형성하도록 한 것이다. 이하, 이 실시 형태를 제4 실시 형태라고 한다.
제4 실시 형태에 따른 압전 박막 공진 소자(1)의 영역 (A), (B), (C), (D)의 막 두께의 대소 관계를, 도 16의 (b)에 도시된 바와 같이, HB=HA<HD<HC로 하고, 음향 임피던스의 대소 관계를 ZB=ZA<ZD<ZC로 설정한다. 제4 실시 형태에서는 영역 (C)의 음향 임피던스 ZC가 영역 (D)의 음향 임피던스 ZD보다도 커지고, 영역 (A), (B)의 음향 임피던스 ZA, ZB는 영역 (D)의 음향 임피던스 ZD보다도 작아진다. 따라서, 제4 실시 형태에서도 영역 (A)와 영역 (D)의 음향 임피던스의 부정합은 증대하므로, 타원 형상의 공진부의 중심 O로부터 방사 형상으로 전파한 가로 탄성파 중 단자 전극(7)측에 전파한 고차의 대칭 및 비대칭의 가로 모드의 탄성파가 영역 (C)에서 반사되어, 영역 (D)에는 누설되기 어려워진다.
따라서, 압전 박막 공진 소자(1C)에서도 에너지 손실의 저감과 공진 특성의 Q값의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 하부 전극(3)의 단부의 경사각 α를 약 30°로 설정함으로써 고Q화가 도모된다.
또한, 제2 실시 형태∼제4 실시 형태에서의 부가막(8)이 타원 형상의 공진부의 단자 전극(7)과의 경계 부분에만 형성되고, 그 이외의 부분에는 형성되어 있지 않은 점은 제1 실시 형태와 공통이므로, 제2 실시 형태∼제4 실시 형태에서도 제1 실시 형태와 마찬가지의 작용에 의해 스퓨리어스 특성이 억제된다.
제1 실시 형태∼제4 실시 형태에서, 원하는 효과를 얻기 위한 부가막(8)의 막 두께는, Au/Ti의 경우에는 Au(200㎚)/Ti(100㎚) 이상이 바람직하다. 또한, 제1 실시 형태에서는, 부가막(8)의 막 두께와 폭 d1의 최적값은 서로의 값에 의해서도 영향을 받아, 압전 박막 공진 소자(1)의 공진 주파수, 재료 등에도 의존하므로, 적 절히 FEM(Finite Element Method) 등의 시뮬레이션과 실험값으로부터 결정하면 된다.
또한, 제1 실시 형태∼제4 실시 형태에서, 부가막(8) 대신에 상면 전극(5)의 부가막(8)이 형성되는 부분의 막 두께를 두껍게 하도록 하여도 된다. 즉, 도 1, 도 14∼도 16의 부가막(8) 대신에, 상면 전극(5)의 부가막(8)의 형성 부분의 막 두께를 그 부가막(8)의 두께 분만큼 두껍게 하도록 하여도 된다.
이와 같이, 부가막(8) 대신에 상면 전극(5)의 막 두께를 부분적으로 변화시킨 경우에도 전술한 영역 (A)∼(D)의 음향 임피던스 ZA∼ZD의 대소 관계를 만들 수 있으므로, 전술한 작용ㆍ효과와 마찬가지의 작용ㆍ효과를 얻을 수 있다.
부가막(8)이 형성되는 영역이나 상면 전극(5)의 막 두께를 두껍게 하는 범위는, 적절히 FEM 등의 시뮬레이션 및 실험값으로부터 최적값을 도출하면 된다.
또한, 부가막(8)이 형성되는 개소는 상면 전극(5)의 상면에 한하지 않고, 하면 전극(3)의 상면이나 하면, 혹은 압전막(4)의 상면 등이어도 된다. 영역 (A)∼(D)의 각 영역의 두께를 바꾸는 방법으로서, 상면 전극(5)이나 부가막(8)에 한하지 않고, 압전막(4)의 막 두께를 바꾸도록 하여도 된다.
상기의 제1 실시 형태∼제4 실시 형태에서는 FAR 타입의 압전 박막 공진 소자(1)에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 SMR 타입의 압전 박막 공진 소자에도 적용할 수 있다.
도 17은, SMR 타입의 압전 박막 공진 소자에 상기의 제1 실시 형태에 따른 부가막(8)을 형성한 실시 형태의 기본적인 구조를 도시하는 도면이다. 도 17의 (a)는 평면도, 도 17의 (b)는 도 17의 (a)의 A-A선 단면도이다.
도 17은, 도 1과 비교하면 명백한 바와 같이, 도 1의 구조에서, 기판(2)에 공극(9)을 형성하지 않고, 이 공극(9) 대신에 하면 전극(3) 및 단자 전극(6)의 전극과 기판(2) 사이에 음향 반사막(10)을 형성한 것이다. 음향 반사막(10)은, 주지한 바와 같이 음향 임피던스가 높은 막(10a)과 음향 임피던스가 낮은 막(10b)을 교대로 λ/4(λ는 탄성파의 파장)의 막 두께로 적층한 것이다.
도 17에 도시한 SMR 타입의 압전 박막 공진 소자(1D)(이하, 이 실시 형태를 「제5 실시 형태」라고 함)에서도 부가막(8)에 의해 영역 (A)∼(D)의 막 두께의 대소 관계는, HA<HD<HC<HB로 되므로, 음향 임피던스의 대소 관계도 ZA<ZD<ZC<ZB로 되고, 제1 실시 형태와 마찬가지의 작용ㆍ효과를 발휘할 수 있다.
또한, 제5 실시 형태에 따른 압전 박막 공진 소자(1D)의 부가막(8)의 형상을 도 14∼도 16에 도시한 제2 실시 형태∼제4 실시 형태의 형상으로 바꾸어도 된다.
본 발명의 효과를 얻을 때에, 상기의 제1 실시 형태∼제5 실시 형태에서, 기판(2), 하면 전극(3), 압전막(4), 상면 전극(5), 단자 전극(6) 및 단자 전극(7)의 각 재료는 상기에 한정되지 않고, 다른 재료를 사용하여도 된다.
또한, 하면 전극(3)의 하측에, 예를 들면, 보강재 혹은 에칭의 스톱층으로서의 역할을 하는 유전체막이 형성되어 있어도 된다. 또한, 상면 전극(5)의 상측에, 예를 들면, 패시베이션막 혹은 주파수 조정용으로서의 역할을 하는 유전체막이 형 성되어 있어도 된다. 또한, 하면 전극(3)의 하측이나 상면 전극(5)의 상측에 형성되는 유전체막의 막 두께를 바꿈으로써, 상기의 제1 실시 형태∼제5 실시 형태에서의 영역 (A)∼(D)의 각 영역의 두께를 바꾸도록 하여도 된다.
상기의 제1 실시 형태∼제5 실시 형태에서는, 공진부의 형상을 타원 형상으로 하였지만, 이에 대신하여 평행한 2변을 포함하지 않는 다각형 형상으로 하여도 상기의 작용ㆍ효과와 마찬가지의 작용ㆍ효과를 얻을 수 있다.
도 18은, 본 발명에 따른 필터의 구조를 도시하는 평면도이다. 또한, 도 19는, 도 18에 도시한 필터의 전기 회로를 도시하는 도면이다. 도 18, 도 19에 도시한 필터는, 제1 실시 형태에 따른 압전 박막 공진 소자(1)를 7개 조합한 래더형 밴드 패스 필터이다. 또한, 도 19에서는 상면 전극(5) 및 단자 전극(7)은 보기 쉽게 하기 위해 태선으로 그리고, 부가막(8)에는 점으로 표시하였다.
밴드 패스 필터(11)는 2개의 공진 소자를 역L자형으로 접속하여 이루어지는 필터(이하, 「필터 단위」라고 함)를 4개 종렬시킨 4단 구성의 래더형 밴드 패스 필터이다. 또한，1단째의 필터 단위와 2단째의 필터 단위는 입출력의 방향을 반대로 하여 접속되고, 3단째의 필터 단위와 4단째의 필터 단위도 입출력의 방향을 반대로 하여 접속된 구성이므로, 2단째의 필터 단위의 병렬 공진 소자와 3단째의 필터 단위의 병렬 공진 소자는 병렬 공진 소자 P2가 공용되어 있다.
도 18에서, 부호 In, Out, a, b, c는 각각 도 19의 입출력 단자 In, Out과 접속점 a, b, c에 대응하고, 부호 G는 접지점을 나타내고 있다. 또한, 타원 형상의 상면 전극(5)의 부분은 공진부이며, 각 공진부에 붙인 P1∼P3, S1∼S4는 도 19 의 공진 소자 P1∼P3, S1∼S4에 대응하고 있다.
직렬 공진 소자 S1과 병렬 공진 소자 P1은 상면 전극(5)측의 단자 전극(7)에 의해 접속되고, 직렬 공진 소자 S1 및 병렬 공진 소자 P1의 단자 전극(7)을 일체화한 전극의 부분이 입력 단자 In으로 되어 있다. 마찬가지로, 직렬 공진 소자 S4와 병렬 공진 소자 P3도 상면 전극(5)측의 단자 전극(7)에 의해 접속되고, 직렬 공진 소자 S4 및 병렬 공진 소자 P3의 단자 전극(7)을 일체화한 전극의 부분이 출력 단자 Out으로 되어 있다.
직렬 공진 소자 S1과 직렬 공진 소자 S2는 하면 전극(3)측의 단자 전극(6)에 의해 접속되고, 직렬 공진 소자 S1 및 직렬 공진 소자 S2의 단자 전극(6)은 일체적으로 형성되어 있다. 마찬가지로, 직렬 공진 소자 S3과 직렬 공진 소자 S4는 하면 전극(3)측의 단자 전극(6)에 의해 접속되고, 직렬 공진 소자 S3 및 직렬 공진 소자 S4의 단자 전극(6)은 일체적으로 형성되어 있다. 또한, 직렬 공진 소자 S2, 병렬 공진 소자 P2 및 직렬 공진 소자 S3은 상면 전극(5)측의 단자 전극(7)에 의해 접속되고, 직렬 공진 소자 S2, 병렬 공진 소자 P2 및 직렬 공진 소자 S3의 단자 전극(7)은 일체적으로 형성되어 있다.
도 20은, 도 18에 도시한 래더형 밴드 패스 필터를 시작하고, 그 밴드 패스 필터의 통과 특성을 측정한 측정 결과를 도시하는 도면이다.
또한, 제1 실시 형태의 도 2의 설명에서는, 시작한 압전 박막 공진 소자(1)는, 상면 전극(5) 및 단자 전극(7)을 루테늄(Ru) 240㎚의 1층막으로 구성하고 있었지만, 시작한 밴드 패스 필터(11)에서는, 입력 단자 In, 출력 단자 Out 및 접속점 b의 전극에 상당하는 병렬 공진 소자 S1∼S4의 상면 전극(5) 및 단자 전극(7)은 루테늄(Ru) 240㎚와 크롬(Cr) 110㎚의 2층막으로 구성하고 있다.
도 20에서, 특성 A는 본 발명에 따른 밴드 패스 필터의 특성이다. 특성 B는, 도 20에서 직렬 공진 소자 S1∼S4 및 병렬 공진 소자 P1∼P3의 구조를 도 3에 도시한 압전 박막 공진 소자의 구조로서 시작한 밴드 패스 필터(이하, 「비교용 밴드 패스 필터」라고 함)의 특성이다. 비교용 밴드 패스 필터는, 도 18에서, 부가막(8)을 단자 전극(7)부터 상면 전극(5) 내까지 연장시키지 않는 구성으로 한 것이다.
도 20에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 밴드 패스 필터의 쪽이 비교용 밴드 패스 필터보다도 최소의 삽입 손실이 약 0.1㏈ 개선되고(1930㎒∼1970㎒ 참조), -1.7㏈ 대역폭에서 약 4㎒의 광대역화로 되어 있다. 또한, 대역 내에서의 리플도 본 발명에 따른 밴드 패스 필터의 쪽이 작게 되어 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 압전 박막 공진 소자를 이용함으로써, 필터를 구성한 경우에도 그 필터의 삽입 손실 및 리플의 저감, 광대역화를 도모할 수 있다.
또한, 상기의 래더형 밴드 패스 필터를, 도 21에 도시한 정합 회로(121), 송신용 필터(122) 및 수신용 필터(123)를 포함하는 분파기(12)의 송신용 필터(122) 및 수신용 필터(123)에 적용하면, 송신 대역 내 및 수신 대역 내에서 리플이 적어, 저손실의 분파기(12)를 실현할 수 있다. 또한, 도 21에서, 정합 회로(121)는 안테나 단자와 송신용 필터(122) 및 수신용 필터(123)의 임피던스 조정을 위한 회로이 며, 예를 들면, 위상기 등으로 구성된다. 이 정합 회로(121)는 필요에 따라서 설치되므로, 분파기(12)에서는 생략할 수 있다.
또한, 필터를 구성하는 공진자의 수나 레이아웃 등은 상기에 한정되는 것은 아니다.
상기 실시 형태에 관하여, 이하의 부기를 더 개시한다.
<부기 1>
소정의 평면 형상을 갖는 압전막과, 이 압전막의 하면에 형성되고, 외주에 막면에 대해 소정의 각도로 경사진 경사부를 갖는 하면 전극과, 상기 압전막의 상면에 형성되는 상면 전극과의 적층 구조로 이루어지는 공진부를 구비한 압전 박막 공진 소자로서, 상기 경사부의 각도가 25° 내지 55°의 범위로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진 소자.
<부기 2>
상기 경사부는, 상기 하면 전극의 외주의 일부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 부기 1에 기재된 압전 박막 공진 소자.
<부기 3>
소정의 평면 형상을 갖는 압전막과, 이 압전막의 하면에 형성되고, 외주에 막면에 대해 소정의 각도로 경사진 경사부를 갖는 하면 전극과, 상기 압전막의 상면에 형성되는 상면 전극과의 적층 구조로 이루어지는 공진부를 구비하고, 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부에서의 적층 영역의 일부의 음향 임피던스가 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부보다 내측의 적층 영역의 음향 임피던스보다도 크게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진 소자.
<부기 4>
소정의 평면 형상을 갖는 압전막과, 이 압전막의 하면에 형성되고, 외주에 막면에 대해 소정의 각도로 경사진 경사부를 갖는 하면 전극과, 상기 압전막의 상면에 형성되는 상면 전극과의 적층 구조로 이루어지는 공진부를 구비하고, 상기 상면 전극의 상기 경사부가 대향하는 위치의 일부에 부가막을 형성함으로써, 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부에서의 적층 두께 중 일부의 적층 두께가 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부보다 내측 부분에서의 적층 두께보다도 두껍게 되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진 소자.
<부기 5>
상기 부가막은, 상기 상면 전극 상면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 부기 4에 기재된 압전 박막 공진 소자.
<부기 6>
상기 상면 전극에는 외부 접속용의 단자 전극이 연장 설치되어 있고, 상기 부가막은 상기 상면 전극의 상기 경사부가 대향하는 위치로부터 상기 단자 전극에 걸쳐서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 부기 5에 기재된 압전 박막 공진 소자.
<부기 7>
상기 상면 전극에는 외부 접속용의 단자 전극이 연장 설치되어 있고, 상기 부가막은, 상기 상면 전극의 상기 하면 전극의 경사부보다도 내측으로부터 그 경사부가 대향하는 위치를 통과하여 상기 상면 전극의 상기 단자 전극에 걸쳐서 형성되 어 있는 것을 특징으로 하는 부기 5에 기재된 압전 박막 공진 소자.
<부기 8>
상기 부가막은, 도체인 것을 특징으로 하는 부기 4 내지 부기 7 중 어느 하나에 기재된 압전 박막 공진 소자.
<부기 9>
상기 부가막 대신에, 상기 상면 전극의 그 부가막이 형성되는 부분의 막 두께를 그 이외의 부분의 막 두께보다도 두껍게 함으로써, 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부에서의 적층 두께 중 일부의 적층 두께가 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부보다 내측 부분에서의 적층 두께보다도 두껍게 되어 있는 것을 특징으로 하는 부기 4 내지 부기 7 중 어느 하나에 기재된 압전 박막 공진 소자.
<부기 10>
소정의 평면 형상을 갖는 압전막과, 이 압전막의 하면에 형성되고, 외주에 소정의 각도로 경사진 경사부를 갖는 하면 전극과, 상기 압전막의 상면에 형성되는 상면 전극과의 적층 구조로 이루어지는 공진부를 구비하고, 상기 경사부에 대향하는 상기 압전막의 막 두께를 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부보다 내측 부분에 대향하는 상기 압전막의 막 두께보다 두껍게 함으로써, 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부에서의 적층 두께 중 일부의 적층 두께가 상기 공진부의 상기 내측 부분에서의 적층 두께보다도 두껍게 되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진 소자.
<부기 11>
소정의 평면 형상을 갖는 압전막과, 이 압전막의 하면에 형성되고, 외주에 소정의 각도로 경사진 경사부를 갖는 하면 전극과, 상기 압전막의 상면에 형성되는 상면 전극과, 상기 하면 전극의 하면과 상기 상면 전극 상면 중 어느 한쪽 또는 양방에 형성되는 유전체막의 적층 구조로 이루어지는 공진부를 구비하고, 상기 경사부에 대향하는 상기 유전체막의 막 두께를 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부보다 내측 부분에 대향하는 상기 유전체막의 막 두께보다 두껍게 함으로써, 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부에서의 적층 두께 중 일부의 적층 두께가 상기 공진부의 상기 내측 부분에서의 적층 두께보다도 두껍게 되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진 소자.
<부기 12>
상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부보다 내측 부분의 적층 두께와 대략 동일한 적층 두께를 갖는 상기 공진부의 외주 부분에서의 상기 압전막에, 막면에 대해 소정의 각도로 경사진 경사부가 형성되고, 상기 압전막의 외주가 상기 상면 전극의 외주보다 내측에 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 부기 4 내지 부기 7, 부기 10, 부기 11 중 어느 하나에 기재된 압전 박막 공진 소자.
<부기 13>
상기 경사부의 각도가 25° 내지 55°의 범위로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 부기 4 내지 부기 7, 부기 10, 부기 11 중 어느 하나에 기재된 압전 박막 공진 소자.
<부기 14>
상기 압전막은, (002) 방향을 주축으로 하는 배향성을 갖는 질화 알루미늄 또는 산화 아연인 것을 특징으로 하는 부기 1 내지 부기 7, 부기 10, 부기 11 중 어느 하나에 기재된 압전 박막 공진 소자.
<부기 15>
상기 공진부의 평면 형상은, 타원 또는 평행한 2변을 포함하지 않는 다각형인 것을 특징으로 하는 부기 1 내지 부기 7, 부기 10, 부기 11 중 어느 하나에 기재된 압전 박막 공진 소자.
<부기 16>
부기 1 내지 부기 7, 부기 10, 부기 11 중 어느 하나에 기재된 압전 박막 공진 소자를 적어도 1개 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 부품.
부기 1, 2, 13에 기재된 압전 박막 공진 소자에 따르면, 하면 전극의 경사부의 각도가 25° 내지 55°의 범위로 설정되어 있으므로, 압전 박막 공진 소자의 Q값의 향상을 도모할 수 있다.
부기 3, 4, 9∼11, 14에 기재된 압전 박막 공진 소자에 따르면, 공진부의 하면 전극의 경사부에서의 적층 영역의 일부의 음향 임피던스가 공진부의 하면 전극의 경사부보다 내측의 적층 영역의 음향 임피던스보다도 커지므로, 가로 방향의 탄성파의 누설을 억제하여, 압전 박막 공진 소자의 Q값의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 공진부를 평면에서 볼 때의 음향 임피던스의 변화가 비대칭으로 되므로, 스퓨리어스의 저감도 도모할 수 있다.
부기 5에 기재된 압전 박막 공진 소자에 따르면, 제조상 악영향을 미치지 않 고, 부가막을 용이하게 형성할 수 있다.
부기 6에 기재된 압전 박막 공진 소자에 따르면, 상면 전극의 단자 전극에도 부가막을 형성함으로써, 부가막을 도체로 한 경우, 상면 전극의 단자 전극의 저항을 내릴 수 있다. 이에 의해, 더욱 압전 박막 공진 소자의 Q값을 개선할 수 있다.
부기 7에 기재된 압전 박막 공진 소자에 따르면, 상면 전극에서의 하면 전극의 경사부가 대향하는 위치의 부가막의 막 두께를 원하는 막 두께로 안정적으로 설정할 수 있으므로, 압전 박막 공진 소자의 Q값의 향상, 에너지 손실과 스퓨리어스의 저감의 특성 개선을 확실히 할 수 있다.
부기 8에 기재된 압전 박막 공진 소자에 따르면, 상면 전극의 단자 전극의 저항을 내릴 수 있으므로, 압전 박막 공진 소자의 Q값의 개선에 유리하다.
부기 12에 기재된 압전 박막 공진 소자에 따르면, 공진부의 외주에서 음향 임피던스가 중심부보다도 높게 설정되어 있지 않은 부분에서는, 압전막의 외주를 상면 전극의 외주보다도 내측으로 함으로써 반공진 임피던스가 커지고, 이 부분에서의 가로 방향의 탄성파의 누설도 억제할 수 있다. 이에 의해, 더욱 압전 박막 공진 소자의 Q값의 향상을 도모할 수 있다.
부기 15에 기재된 압전 박막 공진 소자에 따르면, 스퓨리어스를 어느 정도 저감할 수 있으므로, 더욱 스퓨리어스가 적은 압전 박막 공진 소자를 실현할 수 있다.
부기 16에 기재된 회로 부품에 따르면, 스퓨리어스가 적은, 저손실의 필터나 분파기 등의 회로 부품을 실현할 수 있다.

Claims (11)

  1. 소정의 평면 형상을 갖는 압전막과, 이 압전막의 하면에 형성되고, 외주(外周)에 막면에 대해 소정의 각도로 경사진 경사부를 갖는 하면 전극과, 상기 압전막의 상면에 형성되는 상면 전극과의 적층 구조로 이루어지는 공진부를 구비한 압전 박막 공진 소자로서,
    상기 경사부의 각도가 25° 내지 55°의 범위로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경사부는, 상기 하면 전극의 외주의 일부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진 소자.
  3. 소정의 평면 형상을 갖는 압전막과, 이 압전막의 하면에 형성되고, 외주에 막면에 대해 소정의 각도로 경사진 경사부를 갖는 하면 전극과, 상기 압전막의 상면에 형성되는 상면 전극과의 적층 구조로 이루어지는 공진부를 구비하고, 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부에서의 적층 영역의 일부의 음향 임피던스가 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부보다 내측의 적층 영역의 음향 임피던스보다도 크게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진 소자.
  4. 소정의 평면 형상을 갖는 압전막과, 이 압전막의 하면에 형성되고, 외주에 막면에 대해 소정의 각도로 경사진 경사부를 갖는 하면 전극과, 상기 압전막의 상면에 형성되는 상면 전극과의 적층 구조로 이루어지는 공진부를 구비하고, 상기 상면 전극의 상기 경사부가 대향하는 위치의 일부에 부가막을 형성함으로써, 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부에서의 적층 두께 중 일부의 적층 두께가 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부보다 내측 부분에서의 적층 두께보다도 두껍게 되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상면 전극에는 외부 접속용의 단자 전극이 연장 설치되어 있고, 상기 부가막은 상기 상면 전극 상면의 상기 경사부가 대향하는 위치로부터 상기 단자 전극에 걸쳐서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진 소자.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 상면 전극에는 외부 접속용의 단자 전극이 연장 설치되어 있고, 상기 부가막은, 상기 상면 전극의 상기 하면 전극의 경사부보다도 내측으로부터 그 경사부가 대향하는 위치를 통과하여 상기 상면 전극의 상기 단자 전극에 걸쳐서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진 소자.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부가막 대신에, 상기 상면 전극의 그 부가막이 형성되는 부분의 막 두께를 그 이외의 부분의 막 두께보다도 두껍게 함으로써, 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부에서의 적층 두께 중 일부의 적층 두께가 상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부보다 내측 부분에서의 적층 두께보다도 두껍게 되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진 소자.
  8. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진부의 상기 하면 전극의 경사부보다 내측 부분의 적층 두께와 대략 동일한 적층 두께를 갖는 상기 공진부의 외주 부분에서의 상기 압전막에, 막면에 대해 소정의 각도로 경사진 경사부가 형성되고, 상기 압전막의 외주가 상기 상면 전극의 외주보다 내측에 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진 소자.
  9. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경사부의 각도가 25° 내지 55°의 범위로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진 소자.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전막은, (002) 방향을 주축으로 하는 배향성을 갖는 질화 알루미늄 또는 산화 아연인 것을 특징으로 하는 압전 박막 공진 소자.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 압전 박막 공진 소자를 적어도 1개 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 부품.
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