KR20100098316A

KR20100098316A - 탄성 표면파 공진자 및 탄성 표면파 발진기

Info

Publication number: KR20100098316A
Application number: KR1020100017171A
Authority: KR
Inventors: 구니히토 야마나카
Original assignee: 엡슨 토요콤 가부시키 가이샤
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2010-09-06
Also published as: CN103219966A; US8305162B2; US20100219913A1; CN103124166A; EP2224591A3; CN103124166B; CN103219966B; JP4645923B2; EP2224591B1; US8502625B2; US20130027147A1; CN101820265B; JP2010233203A; EP2224591A2; CN101820265A

Abstract

양호한 주파수 온도 특성을 실현할 수 있는 탄성 표면파 공진자를 제공하는 것으로서, 상기 과제를 해결하기 위한 SAW 공진자는, 오일러각((－1°≤φ≤1°, 117°≤θ≤142°, 42.79°≤｜Ψ｜≤49.57°)의 수정 기판(30)을 이용하여, 스톱 밴드 상단 모드의 SAW를 여진하는 IDT(12)와, 상기 IDT(12)를 구성하는 전극 핑거(18)간에 위치하는 기판을 움푹 패게 한 전극 핑거간 홈(32)을 가지는 SAW 공진자(10)로서, SAW의 파장을 λ, 홈의 깊이를 G로 한 경우에,
<수식 35>
0.01λ≤G
를 만족하고, 또한, 상기 IDT2의 라인 점유율을 η로 한 경우에, 홈(32)의 깊이(G)와 상기 라인 점유율(η)이
<수식 36>

의 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.

Description

탄성 표면파 공진자 및 탄성 표면파 발진기{SURFACE ACOUSTIC WAVE RESONATOR AND SURFACE ACOUSTIC WAVE OSCILLATOR}

본 발명은, 탄성 표면파 공진자 및 이를 탑재한 탄성 표면파 발진기에 관한 것으로, 특히 기판 표면에 홈을 설치한 타입의 탄성 표면파 공진자 및 이를 탑재한 탄성 표면파 발진기에 관한 것이다.

탄성 표면파(SAW：surface acoustic wave) 장치(예를 들면 SAW 공진자)에 있어서, 주파수 온도 특성의 변화에는, SAW의 스톱 밴드나 수정 기판의 컷각, 및 IDT(Interdigital transducer)의 형성 형태 등이 미치는 영향이 크다.

예를 들면 특허 문헌 1에는, SAW의 스톱 밴드의 상단 모드, 하단 모드의 각각을 여기시키는 구성, 및 스톱 밴드의 상단 모드, 하단 모드에 있어서의 각각의 정재파(定在波)의 분포 등이 개시되어 있다.

또한, 특허 문헌 2∼5에는, SAW에 있어서의 스톱 밴드의 상단 모드가, 스톱 밴드의 하단 모드보다도 주파수 온도 특성이 양호한 점이 기재되어 있다. 그리고, 특허 문헌 2, 3에는, 레일리(Rayleigh)파를 이용한 SAW 장치에 있어서 양호한 주파수 온도 특성을 얻기 위해서, 수정 기판의 컷각을 조정함과 더불어, 전극의 기준화 막두께(H/λ)를 0.1정도까지 두껍게 하는 것이 기재되어 있다.

또한, 특허 문헌 4에는, 레일리파를 이용한 SAW 장치에 있어서 수정 기판의 컷각을 조정함과 더불어, 전극의 기준화 막 두께(H/λ)를 0.045정도 이상 두껍게 하는 취지가 기재되어 있다.

또한, 특허 문헌 5에는, 회전 Y컷 X전반(傳搬)의 수정 기판을 이용하여, 스톱 밴드의 상단의 공진을 이용함으로써, 스톱 밴드의 하단의 공진을 이용하는 경우보다도 주파수 온도 특성이 향상되는 취지가 기재되어 있다.

또한, 특허 문헌 6, 및 비특허 문헌 1에는, ST 컷 수정 기판을 이용한 SAW 장치에 있어서, IDT를 구성하는 전극 핑거간이나 반사기를 구성하는 도체 스트립간에 홈(그루브)을 설치하는 것이 기재되어 있다. 또한 비특허 문헌 1에는, 홈의 깊이에 따라 주파수 온도 특성이 변화하는 취지가 기재되어 있다.

또한, 특허 문헌 7에는, LST 컷의 수정 기판을 이용한 SAW 장치에 있어서, 주파수 온도 특성을 나타내는 곡선을 삼차원 곡선으로 하기 위한 구성이 기재되어 있음과 더불어, 레일리파를 이용한 SAW 장치에 있어서는, 삼차원 곡선으로 나타나는 것과 같은 온도 특성을 가지는 컷각의 기판은 발견할 수 없었던 취지가 기재되어 있다.

일본국 특허공개 평 11－214958호 공보 일본국 특허공개 2006－148622호 공보 일본국 특허공개 2007－208871호 공보 일본국 특허공개 2007－267033호 공보 일본국 특허공개 2002－100959호 공보 일본국 특허공개 소 57－5418호 공보 일본 특허 제 3851336호 공보

그루브형 SAW 공진기의 제조 조건과 특성(전자 통신 학회 기술 연구 보고 MW82－59(1982))

상기와 같이, 주파수 온도 특성을 개선하기 위한 요소는 다방면으로 나뉘고, 특히 레이리파를 이용한 SAW 장치에서는, IDT를 구성하는 전극의 막 두께를 두껍게 하는 것이 주파수 온도 특성에 기여하는 요인의 하나라고 생각된다. 그러나 본원 출원인은, 전극의 막 두께를 두껍게 하면, 경시 변화 특성이나 내온도 충격 특성 등의 내환경 특성이 열화하는 것을 실험적으로 발견했다. 또한, 주파수 온도 특성의 개선을 주목적으로 한 경우에는, 전술한 것처럼 전극 막 두께를 두껍게 하지 않으면 안되어, 이에 따라 경시 변화 특성이나 내온도 충격 특성 등의 열화를 피할 수 없게 되어 있었다. 이는 Q값에 관해서도 적용되는 것으로, 전극 막 두께를 두껍게 하지 않고 고 Q화를 실현시키는 것은 곤란했다.

따라서 본원 발명에 있어서 탄성 표면파 공진자, 및 탄성 표면파 발진기를 제공할 때의 과제는 첫째로, 양호한 주파수 온도 특성의 실현, 두번째로 내환경 특성의 향상, 세번째로 높은 Q값을 얻는다는 것이다.

본 발명은 상기 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 이하의 형태 또는 적용예로서 실현되는 것이 가능하다.

[적용예 1] 오일러각(－1.5° ≤φ≤1.5°, 117°≤θ≤142°, 41.9°≤｜Ψ｜≤49.5749°)의 수정 기판 상에 설치되고, 스톱 밴드 상단 모드의 탄성 표면파를 여진하는 IDT와, 상기 IDT를 구성하는 전극 핑거간에 위치하는 기판을 움푹 패게 한 전극 핑거간 홈을 가지는 탄성 표면파 공진자로서, 상기 탄성 표면파의 파장을 λ, 상기 전극 핑거간 홈의 깊이를 G로 한 경우에,

<수식 1>

0.01λ≤G

를 만족하고, 또한, 상기 IDT의 라인 점유율을 η로 한 경우에, 상기 전극 핑거간 홈의 깊이(G)와 상기 라인 점유율(η)이

<수식 2>

의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 공진자.

[적용예 2] 적용예 1에 기재된 탄성 표면파 공진자로서, 상기 전극 핑거간 홈의 깊이(G)가,

<수식 3>

0.01λ≤G≤0.0695λ

[적용예 3] 적용예 1 또는 적용예 2에 기재된 탄성 표면파 공진자로서, 상기 IDT의 전극 막 두께를 H로 한 경우에,

<수식 4>

0＜H≤0.035λ

［적용예 4］적용예 3에 기재된 탄성 표면파 공진자로서, 상기 라인 점유율(η)이,

<수식 5>

적용예 3에 있어서의 전극 막 두께의 범위 내에 있어서 수식 5를 만족하도록 η를 정함으로써, 2차 온도 계수를 대략, ±0.01ppm/℃² 이내로 억제하는 것이 가능해진다.

[적용예 5] 적용예 3 또는 적용예 4에 기재된 탄성 표면파 공진자로서, 상기 전극 핑거간 홈의 깊이(G)와 상기 전극 막 두께(H)의 합이,

<수식 6>

0.0407λ≤G＋H

전극 핑거간 홈의 깊이(G)와 전극 막 두께(H)의 합을 수식 6과 같이 정함으로써, 종래의 탄성 표면파 공진자보다도 높은 Q값을 얻을 수 있다.

［적용예 6］ 적용예 1 내지 적용예 5중 어느 1예에 기재된 탄성 표면파 공진자로서, 상기 Ψ와 상기 θ가,

<수식 7>

[적용예 7］ 적용예 1 내지 적용예 6중 어느 1예에 기재된 탄성 표면파 공진자로서, 상기 IDT에 있어서의 스톱 밴드 상단 모드의 주파수를 ft2, 상기 IDT를 탄성 표면파의 전반 방향으로 사이에 두도록 배치되는 반사기에 있어서의 스톱 밴드 하단 모드의 주파수를 fr1, 상기 반사기의 스톱 밴드 상단 모드의 주파수를 fr2로 했을 때,

<수식 8>

fr1＜ft2＜fr2

[적용예 8] 적용예 1 내지 적용예 7중 어느 1예에 기재된 탄성 표면파 공진자로서, 상기 반사기를 구성하는 도체 스트립간에 도체 스트립간 홈을 설치하고, 상기 전극 핑거간 홈보다도 상기 도체 스트립간 홈의 깊이가 얕은 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 공진자.

[적용예 9］ 적용예 1 내지 적용예 8중 어느 1예에 기재된 탄성 표면파 공진자와, 상기 IDT를 구동하기 위한 IC를 구비한 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 발진기.

적용예 1에 의한 특징을 가지는 탄성 표면파 공진자에 의하면, 주파수 온도 특성의 향상을 도모할 수 있다.

적용예 2에 의한 특징을 가지는 탄성 표면파 공진자에 의하면, 전극 핑거간 홈의 깊이(G)가 제조 시의 오차에 의해 어긋난 경우에도, 개체간에 있어서의 공진 주파수의 시프트를 보정 범위 내로 억제할 수 있다.

적용예 3에 의한 특징을 가지는 탄성 표면파 공진자에 의하면, 동작 온도 범위 내에 있어서 양호한 주파수 온도 특성을 나타내는 것을 실현할 수 있다. 또한, 이러한 특징을 가지는 것에 의하면, 전극 막 두께의 증상에 따른 내환경 특성의 열화를 억제하는 것이 가능해진다.

적용예 6에 의한 특징을 가지는 컷각으로 잘려진 수정 기판을 이용하여 탄성 표면파 공진자를 제조함으로써, 넓은 범위에서 양호한 주파수 온도 특성을 나타내는 탄성표면파 공진자로 할 수 있다.

적용예 7에 의한 특징을 가짐으로써, IDT의 스톱 밴드 상단 모드의 주파수(ft2)에 있어서, 반사기의 반사 계수 ｜Γ｜가 커져, IDT로부터 여진된 스톱 밴드 상단 모드의 탄성 표면파가, 반사기에서 높은 반사 계수로 IDT측에 반사되게 된다. 그리고 스톱 밴드 상단 모드의 탄성 표면파의 에너지 가둠이 강해져, 저손실의 탄성 표면파 공진자를 실현할 수 있다.

적용예 8에 의한 특징을 가짐으로써, 반사기의 스톱 밴드를 IDT의 스톱 밴드보다도 고역측에 주파수 시프트시킬 수 있다. 이 때문에, 수식 8의 관계를 실현시키는 것이 가능해진다.

도 1은 실시 형태에 관한 SAW 디바이스의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 스톱 밴드 상단 모드와 하단 모드의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 전극 핑거간 홈의 깊이와 동작 온도 범위 내에 있어서의 주파수 변동의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 스톱 밴드 상단 모드의 공진점과 스톱 밴드 하단 모드의 공진점에 있어서의 라인 점유율(η)의 변화에 따른 2차 온도 계수의 변화의 차이를 나타내는 그래프이다.
도 5는 전극 막 두께를 0으로 하고 전극 핑거간 홈의 깊이를 바꾼 경우에 있어서의 라인 점유율(η)과 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 전극 막 두께를 0으로 한 경우에 있어서의 2차 온도 계수가 0이 되는 전극 핑거간 홈의 깊이와 라인 점유율(η)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 전극 막 두께를 0으로 하고 전극 핑거간 홈의 깊이를 바꾼 경우에 있어서의 라인 점유율(η)과 주파수 변동량ΔF의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 전극 핑거간 홈의 깊이가 ±0.001λ 어긋난 경우에 있어서의 특정한 전극 핑거간의 홈의 깊이와, 어긋남에 따른 SAW 공진자간에 발생하는 주파수차의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 전극 막 두께를 변화시킨 경우에 있어서의 2차 온도 계수가 0이 되는 전극 핑거간 홈의 깊이와 라인 점유율(η)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 각 전극 막 두께에 있어서의 2차 온도 계수가 0이 되는 η1과 전극 핑거간 홈의 관계를 1개의 그래프로 통합한 도면이다.
도 11은 전극 막 두께 H≒0부터 H＝0.035λ까지의 전극 핑거간 홈과 라인 점유율(η)의 관계를 근사 직선으로 표시한 도면이다.
도 12는 전극 막 두께를 0.01λ로 하고 전극 핑거간 홈의 깊이를 바꾼 경우에 있어서의 라인 점유율(η)과 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13은 전극 막 두께를 0.015λ로 하고 전극 핑거간 홈의 깊이를 바꾼 경우에 있어서의 라인 점유율(η)과 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 전극 막 두께를 0.02λ로 하고 전극 핑거간 홈의 깊이를 바꾼 경우에 있어서의 라인 점유율(η)과 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 전극 막 두께를 O.025λ로 하고 전극 핑거간 홈의 깊이를 바꾼 경우에 있어서의 라인 점유율(η)과 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16은 전극 막 두께를 O.03λ로 하고 전극 핑거간 홈의 깊이를 바꾼 경우에 있어서의 라인 점유율(η)과 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 17은 전극 막 두께를 0.035λ로 하고 전극 핑거간 홈의 깊이를 바꾼 경우에 있어서의 라인 점유율(η)과 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18은 전극 막 두께를 0.01λ로 하고 전극 핑거간 홈의 깊이를 바꾼 경우에 있어서의 라인 점유율(η)과 주파수 변동량ΔF의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 19는 전극 막 두께를 0.015λ로 하고 전극 핑거간 홈의 깊이를 바꾼 경우에 있어서의 라인 점유율(η)과 주파수 변동량ΔF의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 20은 전극 막 두께를 0.02λ로 하고 전극 핑거간 홈의 깊이를 바꾼 경우에 있어서의 라인 점유율(η)과 주파수 변동량ΔF의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 21은 전극 막 두께를 0.025λ로 하고 전극 핑거간 홈의 깊이를 바꾼 경우에 있어서의 라인 점유율(η)과 주파수 변동량ΔF의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 22는 전극 막 두께를 0.03λ로 하고 전극 핑거간 홈의 깊이를 바꾼 경우에 있어서의 라인 점유율(η)과 주파수 변동량ΔF의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 23은 전극 막 두께를 0.035λ로 하고 전극 핑거간 홈의 깊이를 바꾼 경우에 있어서의 라인 점유율(η)과 주파수 변동량ΔF의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 24는 전극 막 두께, 라인 점유율(η)을 정했을 때의 전극 핑거간 홈과 오일러각(ψ)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 25는 전극 막 두께를 바꾼 전극 핑거간 홈과 오일러각(ψ)의 관계의 그래프를 1개의 그래프에 통합한 도면이다.
도 26은 2차 온도 계수(β)가 ―0.01ppm/℃²로 되는 전극 핑거간 홈과 오일러각(ψ)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 27은 2차 온도 계수(β)가 ＋0.01ppm/℃²로 되는 전극 핑거간 홈과 오일러각(ψ)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 28은 전극 막 두께 0.02λ, 전극 핑거간 홈의 깊이 0.04λ에 있어서의 오일러각(θ)과 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 29는 오일러각(ψ)과 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 30은 주파수 습도 특성이 양호해지는 오일러각(θ)과 오일러각(ψ)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 31은 주파수 온도 특성이 가장 양호해진 조건 하에 있어서의 4개의 시험편에서의 주파수 온도 특성 데이터의 예를 나타내는 도면이다.
도 32는 전극 핑거간 홈과 전극 막 두께의 합인 단차와 CI값의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 33은 본 실시 형태에 관한 SAW 공진자에 있어서의 등가 회로 정수나 정(靜)특성의 예를 나타내는 표이다.
도 34는 본 실시 형태에 관한 SAW 공진자에 있어서의 임피던스 커브 데이터이다.
도 35는 종래의 SAW 공진자에 있어서의 단차와 Q값의 관계와 본 실시 형태에 관한 SAW 공진자 단차와 Q값의 관계를 비교하기 위한 그래프이다.
도 36은 IDT와 반사기의 SAW 반사 특성을 나타내는 도면이다.
도 37은 히트 사이클 시험에 있어서의 전극 막 두께와 주파수 변동의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 38은 실시 형태에 관한 SAW 발진기의 구성을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 탄성 표면파 공진자 및 탄성 표면파 발진기에 관한 실시의 형태에 대해서 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

우선, 도 1을 참조하여, 본 발명의 탄성 표면파(SAW) 공진자에 관한 제1의 실시 형태에 대해서 설명한다. 또한 도 1에 있어서, 도 1(A)는 SAW 공진자의 평면도이고, 도 1(B)는 부분 확대 단면도, 도 1(C)는 동 도면(B)에 있어서의 상세를 설명하기 위한 확대도이다.

본 실시 형태에 관한 SAW 공진자(10)는, 수정 기판(30)과, IDT(12) 및 반사기(20)를 기본으로 하여 구성된다. 수정 기판(30)은, 결정축을 X축(전기축), Y축(기계축), 및 Z축(광축)으로 표시하는 것을 이용한다.

본 실시 형태에서는 수정 기판(30)으로서, 오일러각(－1°≤φ≤1°, 117°≤θ≤142°, 41.9°≤｜ψ｜≤49.57°)로 표시되는 면내 회전 ST 컷 수정 기판을 채용했다. 여기서, 오일러각에 대해서 설명한다. 오일러각(0°, 0°, 0°)으로 표시되는 기판은, Z축에 수직인 주면을 가지는 Z 컷 기판이 된다. 여기서, 오일러각(φ,θ,ψ)의 φ는 Z 컷 기판의 제1의 회전에 관한 것이며, Z축을 회전축으로 하여, ＋X축으로부터 ＋Y축측으로 회전하는 방향을 양의 회전 각도로 한 제1 회전 각도이다. 오일러각의 θ는 Z컷 기판의 제1의 회전 후에 행하는 제2의 회전에 관한 것이며, 제1의 회전 후의 X축을 회전축으로 하고, 제1의 회전 후의 ＋Y축으로부터 ＋Z축으로 회전하는 방향을 양의 회전 각도로 한 제2의 회전 각도이다. 압전 기판의 컷면은, 제1 회전각도(φ)와 제2 회전 각도(θ)로 결정된다. 오일러각의 ψ은 Z 컷 기판의 제2의 회전 후에 행하는 제3의 회전에 관한 것이며, 제2의 회전 후의 Z축을 회전축으로 하여, 제2의 회전 후의 ＋X축으로부터 제2의 회전 후의 ＋Y축측으로 회전하는 방향을 양의 회전 각도로 한 제3 회전 각도이다. SAW의 전반 방향은, 제2의 회전 후의 X축에 대한 제3 회전 각도(ψ)로 표시된다.

IDT(12)는, 복수의 전극 핑거(18)의 기단부를 버스바(busbar)(16)로 접속한 빗살형상 전극(14a, 14b)을 한쌍 가지고, 한쪽의 빗살형상 전극(14a)(또는 14b)을 구성하는 전극 핑거(18)와 다른쪽의 빗살형상 전극(14b)(또는 14a)을 구성하는 전극 핑거(18)를 소정의 간격을 두고 교대로 배치하고 있다. 여기서, 전극 핑거(18)는, 탄성 표면파의 전파 방향인 X’축과 직교하는 방향으로 배치된다. 이와 같이 하여 구성되는 SAW 공진자(10)에 의해 여기되는 SAW는, 레일리형의 SAW이며, 제3의 회전 후의 Z축과 제3의 회전 후의 X축의 양쪽에 진동 변위 성분을 가진다. 그리고 이와 같이, SAW의 전파 방향을 수정의 결정축인 X축으로부터 비켜놓음으로써, 스톱 밴드 상단 모드의 SAW를 여기하는 것이 가능해지는 것이다.

여기서, 스톱 밴드 상단 모드의 SAW와 하단 모드의 SAW의 관계에 대해서 설명한다. 도 2에 도시하는 것과 같은 정규형 IDT(12)(도 2에 나타내는 것은 IDT(12)를 구성하는 전극 핑거(18))에 의해 형성되는 스톱 밴드 하단 모드, 및 상단 모드의 SAW에 있어서, 각각의 정재파는, 배(또는 마디)의 위치가 서로 π／2 어긋나 있다. 도 2는, 정규형 IDT(12)에 있어서의 스톱 밴드 상단 모드 및 하단 모드의 정재파의 분포를 도시하는 도면이다.

도 2에 의하면 상술한 것처럼, 실선으로 표시하는 스톱 밴드 하단 모드의 정재파는, 전극 핑거(18)의 중앙 위치, 즉 반사 중심 위치에 배가 존재하고, 일점 쇄선으로 표시한 스톱 밴드 상단 모드의 정재파는 반사 중심 위치에 마디가 존재한다.

또한, 반사기(20)는, 상기 IDT(12)를 SAW의 전파 방향으로 사이에 두도록 한쌍이 설치된다. 구체적 구성으로는, IDT(12)를 구성하는 전극 핑거(18)와 평행하게 설치되는 복수의 도체 스트립(22)의 양 끝을 각각 접속한 것이다.

또한, 수정 기판의 SAW 전반 방향의 단면으로부터의 반사파를 적극적으로 이용하는 단면 반사형 SAW 공진자나, IDT의 전극 핑거 쌍의 수를 많게 함으로써 IDT 자체로 SAW의 정재파를 여기하는 다수 쌍 IDT형 SAW 공진자에 있어서는, 반사기는 반드시 필요하지 않다.

이와 같이 하여 구성되는 IDT(12)나 반사기(20)를 구성하는 전극막의 재료로는, 알루미늄(Al)이나 Al를 주체로 한 합금을 이용할 수 있다. 또한, 전극막 재료로서 합금을 이용하는 경우, 주성분이 되는 Al 이외의 금속은 중량비로 10% 이하로 하면 된다.

상기와 같은 기본 구성을 가지는 SAW 공진자(10)에 있어서의 수정 기판(30)은, IDT(12)의 전극 핑거간이나 반사기(20)의 도체 스트립간에 홈(전극 핑거간 홈)(32)을 설치하고 있다.

수정 기판(30)에 설치하는 홈(32)은, 스톱 밴드 상단 모드에 있어서의 SAW의 파장을 λ로 하고, 홈 깊이를 G로 한 경우,

<수식 9>

0.01λ≤G

로 하면 좋다. 또한 홈 깊이(G)에 대해서 상한값을 정하는 경우에는, 도 3을 참조함으로써 읽어낼 수 있도록,

<수식 10>

0.01λ≤G≤0.094λ

의 범위로 하면 좋다. 홈 깊이(G)를 이러한 범위로 정함으로써, 동작 온도 범위 내(―40℃∼＋85℃)에 있어서의 주파수 변동량을, 상세를 후술하는 목표치로서의 25ppm 이하로 할 수 있기 때문이다. 또한, 홈 깊이(G)에 대해서 바람직하게는,

<수식 11>

0.01λ≤G≤0.0695λ

의 범위로 하면 좋다. 홈 깊이(G)를 이러한 범위로 정함으로써, 홈 깊이(G)에 제조 상의 편차가 생긴 경우에도, SAW 공진자(10) 개체간에 있어서의 공진 주파수의 시프트량을 보정 범위 내로 억제할 수 있다.

또한, 라인 점유율(η)이란 도 1(C)에 나타내는 바와같이, 전극 핑거(18)의 선폭(수정 볼록부만인 경우에는 볼록부의 폭을 말한다)(L)을 전극 핑거(18)간의 피치 λ／2(＝L＋S)로 나눈 값이다. 따라서, 라인 점유율(η)은, 수식 12로 표시할 수 있다.

<수식 12>

여기서 본 실시 형태에 관한 SAW 공진자(10)는, 라인 점유율(η)을 수식 13과 같은 범위로 정하면 좋다. 또한, 수식 13으로부터도 알 수 있듯이 η은 홈(32)의 깊이(G)를 정함으로써 도출할 수 있다.

<수식 13>

또한, 본 실시 형태에 관한 SAW 공진자(10)에 있어서의 전극막 재료(IDT(12)나 반사기(20) 등)의 막 두께는,

<수식 14>

0＜H≤0.035λ

의 범위로 하는 것이 바람직하다.

또한, 라인 점유율(η)에 대해서 수식 14로 표시한 전극막의 두께를 고려한 경우, η은 수식 15에 의해 구할 수 있다.

<수식 15>

라인 점유율(η)은, 전극 막 두께가 두꺼울수록 전기적 특성(특히 공진 주파수)의 제조 편차가 커지고, 전극 막 두께(H)가 수식 14의 범위 내에 있어서 ±0.04 이내의 제조 편차, H＞0.035λ에 있어서는 ±0.04보다 큰 제조 편차가 생길 가능성이 크다. 그러나, 전극 막 두께(H)가 수식 14의 범위 내이고, 또한 라인 점유율(η)의 편차가 ±0.04 이내이면, 2차 온도 계수(β)가 작은 SAW 디바이스를 실현할 수 있다. 즉 라인 점유율(η)은, 수식 15에 ±0.04의 공차를 더한 수식 16의 범위까지 허용할 수 있다.

<수식 16>

상기와 같은 구성의 본 실시 형태에 관한 SAW 공진자(10)에서는, 2차 온도 계수(β)를 ±0.01ppm/℃² 이내로 하고, 바람직하게는 SAW의 동작 온도 범위를 －40℃∼＋85℃로 한 경우에, 당해 동작 온도 범위 내에 있어서의 주파수 변동량ΔF를 25ppm 이하로 할 수 있는 정도까지, 주파수 온도 특성을 향상시키는 것을 목적으로 하고 있다. 또한, 2차 온도 계수(β)는, SAW의 주파수 온도 특성을 나타내는 곡선의 다항식 근사에 있어서의 2차 계수이므로, 2차 온도 계수의 절대값이 작은 것은 주파수 변동량이 작은 것을 의미하고, 주파수 온도 특성이 양호하다고 할 수 있다. 이하는, 상기와 같은 구성의 SAW 디바이스가, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 요소를 갖추는 것에 대한 시뮬레이션을 이용한 증명이다.

또한, ST 컷으로 불리는 수정 기판을 이용하여 전반 방향을 결정 X축 방향으로 한 SAW 공진자는, 동작 온도 범위를 동일하게 한 경우, 동작 온도 범위 내에 있어서의 주파수 변동량ΔF는 약 117ppm으로 되고, 2차 온도 계수(β)는, －0.030ppm/℃² 정도로 된다. 또한, 수정 기판의 컷각과 SAW 전반 방향을 오일러각 표시로 (0, 123°, 45°)로 하고, 동작 온도 범위를 동일하게 한 면내 회전 ST 컷수정 기판을 이용한 SAW 공진자의 경우, 주파수 변동량ΔF는 약 63ppm, 2차 온도 계수(β)는 －0.016ppm/℃² 정도로 된다.

SAW 공진자(10)의 주파수 온도 특성의 변화에는 상술한 것처럼, IDT(12)에 있어서의 전극 핑거(18)의 라인 점유율(η)이나 전극 막 두께(H), 및 홈 깊이(G) 등이 관계되어 있다. 그리고 본 실시 형태에 관한 SAW 공진자(10)는, 스톱 밴드 상단 모드의 여진을 이용한다.

도 4는, 라인 점유율(η)을 변화시켜 수정 기판(30)에 SAW를 전파시킨 경우에 있어서의 2차 온도 계수(β)의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 4에 있어서 도 4(A)는 홈 깊이(G)를 0.02λ로 한 경우의 스톱 밴드 상단 모드의 공진에 있어서의 2차 온도 계수(β)를 나타내고, 도 4(B)는 홈 깊이(G)를 0.02λ로 한 경우의 스톱 밴드 하단 모드의 공진에 있어서의 2차 온도 계수(β)를 나타낸다. 또한, 도 4에 있어서 도 4(C)는 홈 깊이(G)를 0.04λ로 한 경우의 스톱 밴드 상단 모드의 공진에 있어서의 2차 온도 계수(β)를 나타내고, 도 4(D)는 홈 깊이(G)를 0.04λ로 한 경우의 스톱 밴드 하단 모드의 공진에 있어서의 2차 온도 계수(β)를 나타낸다. 또한, 도 4에 도시하는 시뮬레이션은, 주파수 온도 특성을 변동시키는 인자를 줄이기 위해서, 전극막을 설치하지 않은 수정 기판(30)에 어떠한 형태로 SAW를 전반시킨 경우의 예를 나타내는 것이다. 또한, 수정 기판(30)의 컷각은, 오일러각(0°, 123°, Ψ)인 것을 사용했다. 또한, Ψ에 관해서는, 2차 온도 계수(β)의 절대값이 최소로 되는 값을 적절히 선택하고 있다.

도 4에서는, 스톱 밴드 상단 모드인 경우나 하단 모드인 경우도, 라인 점유율(η)이 O.6∼0.7이 되는 근처에서 2차 온도 계수(β)가 크게 변화하고 있는 것을 읽어낼 수 있다. 그리고, 스톱 밴드 상단 모드에 있어서의 2차 온도 계수(β)의 변화와 스톱 밴드 하단 모드에 있어서의 2차 온도 계수(β)의 변화를 비교하면, 다음과 같은 것을 읽어낼 수 있다. 즉, 스톱 밴드 하단 모드에 있어서의 2차 온도 계수(β)의 변화는, 마이너스측으로부터 더 마이너스측으로 변화함에 따라 특성이 저하한다(2차 온도 계수(β)의 절대값이 커진다). 이에 대해, 스톱 밴드 상단 모드에 있어서의 2차 온도 계수(β)의 변화는, 마이너스측으로부터 플러스측으로 변화함으로써 특성이 향상되는(2차 온도 계수(β)의 절대값이 작아진다) 것이다.

이로부터, SAW 디바이스에 있어서 양호한 주파수 온도 특성을 얻기 위해서는, 스톱 밴드 상단 모드의 진동을 이용하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.

다음에 발명자는, 홈 깊이(G)를 다양하게 변화시킨 수정 기판에 있어서 스톱 밴드 상단 모드의 SAW를 전반시켰을 때에 있어서의 라인 점유율(η)과 2차 온도 계수(β)의 관계에 대해서 조사했다.

도 5는, 홈 깊이(G)를 0.01λ(1%λ)부터 0.08λ(8%λ)까지 변화시켰을 때의 라인 점유율(η)과 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 시뮬레이션의 그래프이다. 도 5에서는, 홈 깊이(G)를 0.Ol25λ(1.25%λ)로 한 부근으로부터 β＝0이 되는 점, 즉 주파수 온도 특성을 나타내는 근사 곡선이 3차 곡선을 표시하는 점이 나타나기 시작하는 것을 읽어낼 수 있다. 그리고, 도 5에서는, β＝0이 되는 η가 각각 2개소(η가 큰 쪽에 있어서의 β＝0이 되는 점(η1)이나, η가 작은 쪽에 있어서의 β＝0이 되는 점(η2))가 있다. 또한 도 5에서는, η2가, η1보다도 홈 깊이(G)의 변화에 대한 라인 점유율(η)의 변동량이 크다는 것도 읽어낼 수 있다.

이 점에 대해서는, 도 6을 참조함으로써 그 이해를 깊게 할 수 있다. 도 6은, 홈 깊이(G)를 바꾼 경우에 있어서 2차 온도 계수(β)가 0이 되는 η1, η2를 각각 플롯한 그래프이다. 도 6은, 홈 깊이(G)가 커짐에 따라, η1, η2는 서로 작아지는데, η2의 쪽은, 홈 깊이 G＝0.04λ로 된 근처에서 0.5λ∼0.9λ의 범위로 나타난 그래프를 스케일 아웃해 버릴수록 변동량이 크다는 것을 읽어낼 수 있다. 즉,η2은, 홈 깊이(G)의 변화에 대한 변동량이 크다고 할 수 있다.

도 7은, 도 5에 있어서의 세로축을 2차 온도 계수(β)로 바꾸어 주파수 변동량 ΔF로서 나타낸 그래프이다. 도 7에서는 당연히, β＝0이 되는 2개의 점(η1,η2)에 있어서, 주파수 변동량 ΔF가 저하하는 것을 읽어낼 수 있다. 또한 도 7에서는, β＝0이 되는 2개의 점에서는, 홈 깊이(G)를 바꾼 어떠한 그래프에 있어서도, η1에 해당하는 점이, 주파수 변동량 ΔF가 작게 억제된다는 것을 읽어낼 수 있다.

상기 경향에 의하면, 제조 시에 오차가 생기기 쉬운 양산품에 관해서는, 홈 깊이(G)의 변동에 대한 β＝O이 되는 점의 변동량이 적은 쪽, 즉 η1을 채용하는 것이 바람직하다고 생각된다. 도 3에는, 각 홈 깊이(G)에 있어서 2차 온도 계수(β)가 최소로 되는 점(η1)에서의 주파수 변동량 ΔF와 홈 깊이(G)의 관계의 그래프를 나타낸다. 도 3에 의하면, 주파수 변동량 ΔF가 목표값인 25ppm 이하로 되는 홈 깊이(G)의 하한값은, 홈 깊이(G)가 0.O1λ로 되고, 홈 깊이(G)의 범위는 그 이상, 즉 0.01≤G로 된다.

또한, 도 3에는 시뮬레이션에 의해, 홈 깊이(G)가 0.08 이상이 되는 경우의 예도 추가했다. 이 시뮬레이션에 의하면 홈 깊이(G)는, O.01λ 이상에서 주파수 변동량 ΔF가 25ppm 이하로 되고, 그 후, 홈 깊이(G)가 늘어날 때마다 주파수 변동량 ΔF가 작아진다. 그러나, 홈 깊이(G)가 약 0.9λ 이상으로 된 경우에, 주파수 변동량 ΔF는 다시 증가하고, 0.094λ를 초과하면 주파수 변동량 ΔF가 25ppm을 초과하게 된다.

도 3에 나타내는 그래프는 수정 기판(30) 상에, IDT(12)나 반사기(20) 등의 전극막을 형성하지 않은 상태에서의 시뮬레이션인데, 상세를 이하에 나타내는 도 16∼도 21을 참조하면 알 수 있듯이, SAW 공진자(10)는 전극막을 설치한 쪽이 주파수 변동량 ΔF를 작게 할 수 있다고 생각된다. 따라서 홈 깊이(G)의 상한값을 정한다고 하면 전극막을 형성하지 않은 상태에서의 최대치, 즉 G≤0.94λ로 하면 되고, 목표를 달성하기 위해서 매우 적합한 홈 깊이(G)의 범위로는,

<수식 17>

0.01λ≤G≤0.094λ

로 나타낼 수 있다.

또한, 양산 공정에 있어서 홈 깊이(G)는, 최대 ±0.001λ 정도의 편차를 가진다. 따라서, 라인 점유율(η)을 일정하게 한 경우에 있어서, 홈 깊이(G)가 ±O.001λ만큼 어긋난 경우에 있어서의 SAW 공진자(10)의 개개의 주파수 변동량 Δf에 대해서 도 8에 나타낸다. 도 8에 의하면, G＝0.04λ인 경우에 있어서, 홈 깊이(G)가 ±0.001λ 어긋난 경우, 즉 홈 깊이가 0.039λ≤G≤0.041λ의 범위에 있어서는, 주파수 변동량 Δf가 ±500ppm정도라는 것을 읽어낼 수 있다.

여기서, 주파수 변동량 Δf가 ±1000ppm 미만이면, 다양한 주파수 미세조정 수단에 의해 주파수 조정이 가능하다라고 생각된다. 그러나, 주파수 변동량 Δf가 ±1000ppm 이상으로 된 경우에는, 주파수의 조정에 의해 Q값, CI(crystal impedance)값 등의 정특성이나, 장기 신뢰성에의 영향이 발생하여, SAW 공진자(10)로서 양품율의 저하로 연결된다.

도 8에 도시하는 플롯을 연결하는 직선에 대해서, 주파수 변동량 Δf[ppm]과 홈 깊이(G)의 관계를 나타내는 근사식을 유도하면, 수식 18을 얻을 수 있다.

<수식 18>

Δf＝16334G－137

여기서, Δf＜1000ppm으로 되는 G의 값을 구하면, G≤0.0695λ로 된다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 홈 깊이(G)의 범위로서 적합하게는,

<수식 19>

0.01λ≤G≤0.0695λ

로 하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.

다음에, 도 9에, 2차 온도 계수 β＝0으로 되는 η, 즉 3차 온도 특성을 나타내는 라인 점유율(η)과 홈 깊이(G)의 관계를 그래프에 나타낸다. 수정 기판(30)은, 오일러각을 (0°, 123°, Ψ)로 했다. 여기서 Ψ에 대해서는, 주파수 온도 특성이 3차 곡선의 경향을 나타내는 각도, 즉 2차 온도 계수 β＝0이 되는 각도를 적절히 선택하고 있다. 또한, 도 9와 동일한 조건에 있어서, β＝0이 되는 η을 얻었을 때의 오일러각(Ψ)과 홈 깊이(G)의 관계를 도 24에 도시한다. 도 24의 전극 막 두께 H＝0.02λ의 그래프에 있어서, Ψ＜42°의 플롯이 표시되어 있지 않은데, 이 그래프의 η2의 플롯은 G＝0.03λ에서 Ψ＝41.9°로 되어 있다. 각 전극 막 두께에 있어서의 홈 깊이(G)와 라인 점유율(η)의 관계에 대해서는, 상세를 후술하는 도 12∼도 17에 의거하여 플롯을 얻고 있다.

도 9에서는, 어떠한 막 두께에 있어서나, 상술한 것처럼, η1은 η2에 비해 홈 깊이(G)의 변화에 의한 변동이 적다고 하는 것을 읽어낼 수 있다. 이 때문에, 도 9에 있어서의 각각의 막 두께의 그래프에 대해서, η1을 추출하여, 도 10에 정리했다. 도 10에서는, 파선으로 표시하는 라인 중에 η1이 집중하고 있는 것을 읽어낼 수 있다. 또한, 도 10에 의하면, 라인 점유율(η)의 상한을 나타내는 플롯은, 전극 막 두께 H＝0.01λ로 한 SAW 공진자이며, 라인 점유율(η)의 하한을 나타내는 플롯은, 전극 막 두께 H＝0.035λ로 한 SAW 공진자이다. 즉, 전극 막 두께(H)를 두껍게 함에 따라 2차 온도 계수 β＝0으로 할 수 있는 라인 점유율(η)이 작아진다고 할 수 있다.

이들에 의거하여, 라인 점유율(η)의 상한을 나타내는 플롯과 하한을 나타내는 플롯의 각각에 대해서 근사식을 구하면, 수식 18과, 수식 19를 유출할 수 있다.

<수식 20>

<수식 21>

수식 20, 수식 21에서, 도 10에 있어서 파선으로 둘러싼 범위에 있어서 η은, 수식 22의 범위에서 정할 수 있다고 할 수 있다.

<수식 22>

여기서, 2차 온도 계수(β)를 ±0.01ppm/℃² 이내까지 허용하는 경우, 수식 19와 수식 22를 모두 만족함으로써, 2차 온도 계수(β)가 ±0.01ppm/℃² 이내로 되는 것을 확인했다.

또한, 수식 20∼22에 의거하여 전극 막 두께 H≒0, 0.01λ, 0.02λ, O.03λ, 0.035λ로 한 SAW 공진자(10)에 대해서 각각, β＝0으로 되는 홈 깊이(G)와 라인 점유율(η)의 관계를 근사 직선으로 표시하면 도 11과 같이 된다. 또한, 전극막을 설치하지 않은 수정 기판(30)에 있어서의 홈 깊이(G)와 라인 점유율(η)의 관계에 대해서는, 도 6에 도시한 대로이다.

이들 전극 막 두께(H)에 의거한 근사 직선을 나타내는 근사식에 의거하여 주파수 온도 특성이 양호해지는 홈 깊이(G)와 라인 점유율(η)의 관계식은, 수식 23과 같이 된다.

<수식 23>

라인 점유율(η)은, 전극 막 두께가 두꺼울수록 전기적 특성(특히 공진 주파수)의 제조 편차가 커지고, 전극 막 두께(H)가 수식 14의 범위 내에 있어서는 ±0.04 이내의 제조 편차, H＞0.035λ에 있어서는 ±0.04보다 큰 제조 편차가 발생할 가능성이 크다. 그러나, 전극 막 두께(H)가 수식 14의 범위 내이고, 또한 라인 점유율(η)의 편차가 ±0.04 이내이면, 2차 온도 계수(β)가 작은 SAW 디바이스를 실현할 수 있다. 즉, 라인 점유율의 제조 편차를 고려한 위에 2차 온도 계수(β)를 ±0.01ppm/℃² 이내로 하는 경우, 라인 점유율(η)은, 수식 23에 ±0.04의 공차를 더한 수식 24의 범위까지 허용할 수 있다.

<수식 24>

도 12∼도 17에, 전극 막 두께를 각각 0.01λ(1%λ), 0.015λ(1.5%λ), 0.02λ(2%λ), 0.025λ(2.5%λ), 0.03λ(3%λ), 0.035λ(3.5%λ)로 한 경우에 있어서, 홈 깊이(G)를 변화시킨 경우에 있어서의 라인 점유율(η)과 2차 온도 계수(β)의 관계의 그래프를 나타낸다.

또한, 도 18∼도 23에는, 도 12∼도 17에 대응한 SAW 공진자(10)에 있어서의 라인 점유율(η)과 주파수 변동량 ΔF의 관계의 그래프를 나타낸다. 또한, 수정 기판은 어떠한 것이나 오일러각(0°, 123°, Ψ)인 것을 사용하고, Ψ에 대해서는 적절히 ΔF가 최소로 되는 각도를 선택한다.

여기서, 도 12는, 전극 막 두께(H)를 0.01λ로 한 경우의 라인 점유율(η)과 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 도면이며, 도 18은 전극 막 두께(H)를 0.O1λ로 한 경우의 라인 점유율(η)과 주파수 변동량 ΔF의 관계를 나타내는 도면이다.

또한, 도 13은, 전극 막 두께(H)를 0.015λ로 한 경우의 라인 점유율(η)과 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 도면이며, 도 19는 전극 막 두께(H)를 0.015λ로 한 경우의 라인 점유율(η)과 주파수 변동량 ΔF의 관계를 나타내는 도면이다.

또한, 도 14는, 전극 막 두께(H)를 0.02λ로 한 경우의 라인 점유율(η)과 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 도면이며, 도 20은 전극 막 두께(H)를 0.02λ로 한 경우의 라인 점유율(η)과 주파수 변동량 ΔF의 관계를 나타내는 도면이다.

또한, 도 15는, 전극 막 두께(H)를 0.025λ로 한 경우의 라인 점유율(η)과 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 도면이며, 도 21은 전극 막 두께(H)를 0.025λ로 한 경우의 라인 점유율(η)과 주파수 변동량 ΔF의 관계를 나타내는 도면이다.

또한, 도 16은, 전극 막 두께(H)를 0.03λ로 한 경우의 라인 점유율(η)과 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 도면이며, 도 22는 전극 막 두께(H)를 0.03λ로 한 경우의 라인 점유율(η)과 주파수 변동량 ΔF의 관계를 나타내는 도면이다.

또한, 도 17은, 전극 막 두께(H)를 0.035λ로 한 경우의 라인 점유율(η)과 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 도면이며, 도 23은 전극 막 두께(H)를 O.035λ로 한 경우의 라인 점유율(η)과 주파수 변동량 ΔF의 관계를 나타내는 도면이다.

이들 도면(도12∼도 23)에 있어서는, 어떠한 그래프에 있어서나 미소한 차이는 있지만, 그 변화의 경향에 관해서는, 수정 기판(30)만에 있어서의 라인 점유율(η)과 2차 온도 계수(β), 및 라인 점유율(η)과 주파수 변동량 ΔF의 관계를 나타내는 그래프인 도 5, 도 7과 비슷한 것을 알 수 있다.

즉, 본 실시 형태에 관한 효과는, 전극막을 제거한 수정 기판(30) 단체(單體)에 있어서의 탄성 표면파의 전파에 있어서도 발휘될 수 있다고 할 수 있다.

도 25에, 도 24에 나타내는 그래프에 있어서의 η1에 의해 얻어지는 Ψ과 홈 깊이(G)의 관계를 정리했다. 또한, η1을 선택한 이유에 대해서서는 상술한대로이다. 도 25에 도시하는 바와같이, 전극막의 막 두께가 변화한 경우에도, Ψ의 각도에는 거의 차이는 없고, Ψ의 최적 각도는 홈 깊이(G)의 변동에 따라서 변화해 가는 것을 알 수 있다. 이것도, 2차 온도 계수(β)의 변화가 수정 기판(30)의 형태에 기인하는 비율이 높은 것을 뒷받침하는 것이라고 할 수 있다.

상기와 마찬가지로 하여, 2차 온도 계수 β＝－0.01ppm/℃²로 되는 Ψ과 β＝＋0.01ppm/℃²로 되는 Ψ에 대해서 홈 깊이(G)와의 관계를 구하여, 도 26, 도 27에 정리했다. 이들 그래프(도 25∼도 27)에서 －0.01≤β≤＋0.01로 할 수 있는 Ψ의 각도를 구하면, 상기 조건 하에 있어서의 적합한 Ψ의 각도 범위는 43°＜Ψ＜45°로 정할 수 있고, 더욱 적합하게는 43.2°≤Ψ≤44.2로 정할 수 있다.

다음에, 도 28에 θ의 각도를 나누었을 때의 2차 온도 계수(β)의 변화, 즉θ와 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타낸다. 여기서, 시뮬레이션에 이용한 SAW 디바이스는, 컷각과 SAW 전반 방향을 오일러각 표시로 (0, θ, Ψ)로 하고, 홈 깊이(G)를 0.04λ로 한 수정 기판이며, 전극 막 두께(H)는 0.02λ로 하고 있다. 또한, Ψ에 관해서는, θ의 설정 각도에 의거하여, 상술한 각도 범위 내에 있어서, 적절하게 2차 온도 계수(β)의 절대값이 최소로 되는 값을 선택했다. 또한, η에 관해서는, 상기 수식 23에 따라, 0.6383으로 했다.

이러한 조건 하, θ와 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 도 28에서는, θ가 117°이상 142°이하의 범위 내이면, 2차 온도 계수(β)의 절대값이 0.01ppm/℃²의 범위 내에 있는 것을 읽어낼 수 있다. 따라서, 상기와 같은 설정값에 있어서, θ을 117°≤θ≤142°의 범위로 정하는 것에 의하면, 양호한 주파수 온도 특성을 가진 SAW 공진자(10)를 구성할 수 있다고 할 수 있다.

도 29는, 오일러각 표시로 (φ, 123°, 43.77°)의 수정 기판(30)을 이용하여, 홈 깊이(G)를 0.04λ, 전극 막 두께(H)를 0.02λ, 및 라인 점유율(η)을 O.65로 한 경우에 있어서, φ의 각도와 2차 온도 계수(β)의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 29에서는, φ가 －2°, ＋2°인 경우에는 각각 2차 온도 계수(β)가 －0.01보다 낮아져 버리는데, φ이 －1.5°부터 ＋1.5°의 범위이면 확실하게, 2차 온도 계수(β)의 절대값이 0.01의 범위 내에 있는 것을 읽어 낼 수 있다. 따라서, 상기와 같은 설정값에 있어서 φ를 －1.5°≤φ≤＋1.5°, 적합하게는 －1°≤φ≤＋1°의 범위로 정하는 것에 의하면, 양호한 주파수 온도 특성을 가진 SAW 공진자(10)를 구성할 수 있다.

상기 설명에서는, φ,θ,Ψ는 각각, 일정 조건 하에 홈 깊이(G)와의 관계에 있어서 최적값의 범위를 도출하고 있다. 이에 대해서, 도 30에서는, －40℃∼＋85℃에 있어서의 주파수 변동량이 최소로 되는 매우 바람직한 θ와 Ψ의 관계를 나타내고 있고, 그 근사식을 구하고 있다. 도 30에 의하면, Ψ의 각도는, θ의 각도 상승에 따라 변화하고, 3차 곡선을 그리도록 상승한다. 또한, 도 30의 예에서는,θ＝117°로 한 경우의 Ψ은 42.79°이며, θ＝142°로 한 경우의 Ψ은 49.57°이다. 이들 플롯을 근사 곡선으로서 표시하면 도 30 중 파선으로 표시하는 곡선으로 되고, 근사식으로는 수식 25로 나타낼 수 있다.

<수식 25>

이로부터, Ψ는 θ이 정해짐으로써 정할 수 있고, θ의 범위를 117°≤θ≤142°로 한 경우에 있어서의 Ψ의 범위는 42.79°≤Ψ≤49.57°로 할 수 있다. 또한, 시뮬레이션에 있어서의 홈 깊이(G), 전극 막 두께(H)는 각각, G＝0.04λ, H＝0.02λ로 했다.

상기와 같은 이유에 의해, 본 실시 형태에 있어서 다양하게 정한 조건에 의해 SAW 공진자(10)를 구성하는 것에 의하면, 목표값을 만족하는 양호한 주파수 온도 특성을 실현 가능한 SAW 공진자로 할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 관한 SAW 공진자(10)에서는, 수식 14나 도 12∼23에 도시한 바와같이, 전극막의 막 두께(H)를 0＜H≤0.035λ의 범위로 한 위에 주파수 온도 특성의 개선을 도모하고 있다. 이는, 종래와 같이 막 두께(H)를 극도로 두껍게 하여 주파수 온도 특성의 개선을 도모하는 것과는 달리, 내환경 특성을 유지한 채로 주파수 온도 특성의 개선을 실현하는 것이다. 도 37에, 히트 사이클 시험에 있어서의 전극 막 두께(Al 전극 막 두께)와 주파수 변동의 관계를 나타낸다. 또한, 도 37에 도시한 히트 사이클 시험의 결과는, －55℃ 분위기 하에서 SAW 공진자를 30분간 노출시킨 다음에 분위기 온도 ＋125℃까지 상승시켜 30분 노출시키는 사이클을 8회 계속한 후의 것이다. 도 37에서는, 전극 막 두께(H)를 0.06λ로 하고, 또한 전극 핑거간 홈을 설치하지 않는 경우에 비해, 본 실시 형태에 관한 SAW 공진자(10)의 전극 막 두께(H)의 범위에서는, 주파수 변동(F변동)이, 1/3 이하로 되는 것을 읽어낼 수 있다. 또한, 도 37은 어떠한 플롯이나 H＋G＝0.06λ로 하고 있다.

또한, 도 37과 동일한 조건으로 제조된 SAW 공진자에 대해서, 125℃ 분위기로 1000시간 방치하는 고온 방치 시험을 행한 바, 종래의 SAW 공진자(H＝0.06λ 또한 G＝0)에 비해, 본 실시 형태에 관한 SAW 공진자(H＝0.03λ 또한 G＝0.03λ, H＝0.02λ 또한 G＝0.04λ, HG＝O.015λ 또한 G＝0.045λ, H＝0.O1λ 또한 G＝0.05λ의 4조건)의 시험 전후의 주파수 변동량이 1/3 이하로 되는 것을 확인했다.

상기와 같은 조건 하, H＋G＝0.067λ(알루미늄 막 두께 2000Å, 홈 깊이 4700Å), IDT의 라인 점유율 ηi＝0.6, 반사기의 라인 점유율 ηr＝0.8, 오일러각(0°, 123°, 43.5°), IDT의 쌍 수 120쌍, 교차폭 40λ(λ＝10㎛), 반사기 갯수(편측당) 72개(36쌍), 전극 핑거의 경사 각도 무(전극 핑거의 배열 방향과 SAW의 위상 속도 방향이 일치)의 조건으로 제조된 SAW 공진자(10)에서는, 도 31에 나타내는 것과 같은 주파수 온도 특성을 나타내게 된다.

도 31은, 시험편 개수 n＝4개에 의한 주파수 온도 특성을 플롯한 것이다. 도 31에 의하면, 이들 시험편에 의한 동작 온도 범위 내에 있어서의 주파수 변동량 ΔF는 약 20ppm 이하로 억제되어 있는 것을 읽어낼 수 있다.

본 실시 형태에서는 홈 깊이(G)나 전극 막 두께(H) 등에 의한 주파수 온도 특성에의 영향을 설명했다. 그러나 홈 깊이(G)와 전극 막 두께(H)를 맞춘 깊이(단차)는, 등가 회로 정수나 CI값 등의 정특성이나 Q값에도 영향을 준다. 예를 들면, 도 32, 단차를 0.062λ∼0.071λ까지 변화시킨 경우에 있어서의 단차와 CI값의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 32에 의하면 CI값은, 단차를 0.067λ로 했을 때에 수속하고, 단차를 그 이상 크게 한 경우라도 양화(良化)하지 않는다는(낮게 되지 않는다) 것을 읽어낼 수 있다.

도 31에 나타내는 것과 같은 주파수 온도 특성을 나타내는 SAW 공진자(10)에 있어서의 주파수와 등가 회로 정수 및 정특성을 도 33에 정리했다. 여기서, F는 주파수, Q는 Q값, γ는 용량비, CI는 CI(Crystal Impedance)값, M은 성능 지수(Figure of Merit)를 각각 나타낸다.

또한, 도 35에는, 종래의 SAW 공진자와, 본 실시 형태에 관한 SAW 공진자(10)에 있어서의 단차와 Q값의 관계를 비교하기 위한 그래프를 나타낸다. 또한, 도 35에 있어서는, 굵은 선으로 표시하는 그래프가 본 실시 형태에 관한 SAW 공진자(10)의 특성을 나타내는 것이며, 전극 핑거간에 홈을 설치하고, 또한 스톱 밴드 상단 모드의 공진을 이용한 것이다. 가는 선으로 표시하는 그래프가 종래의 SAW 공진자의 특성을 나타내는 것이며, 전극 핑거간에 홈을 설치하지 않고 스톱 밴드 상단 모드의 공진을 이용한 것이다. 도 35로부터 명백한 바와같이, 전극 핑거간에 홈을 설치하고, 또한 스톱 밴드 상단 모드의 공진을 이용하면, 단차(G＋H)가 0.0407λ(4.07%λ) 이상의 영역에 있어서, 전극 핑거간에 홈을 설치하지 않고 스톱 밴드 하단 모드의 공진을 이용한 경우보다도 높은 Q값을 얻을 수 있다.

또한, 시뮬레이션에 관한 SAW 공진자의 기본 데이터는 이하와 같다. 본 실시 형태에 관한 SAW 공진자(10)의 기본 데이터

H : O.02λ

G：변화

IDT 라인 점유율 ηi：0.6

반사기 라인 점유율 ηr：0.8

오일러각(0°, 123°, 43.5°)

쌍 수：120

교차폭：40λ(λ＝10㎛)

반사기 갯수(편측당) : 60

전극 핑거의 경사 각도 무

·종래의 SAW 공진자의 기본 데이터

H：변화

G：제로

IDT 라인 점유율 ηi：0.4

반사기 라인 점유율 ηr：0.3

오일러각(0°, 123°, 43.5°)

쌍 수: 120

교차폭 : 40λ(λ＝10㎛)

반사기 갯수(편측당) : 60

전극 핑거의 경사 각도 무

이들 SAW 공진자의 특성을 비교하기 위해 도 33이나 도 35를 참조하면, 본 실시 형태에 관한 SAW 공진자(10)가, 얼마나 고Q화되어 있는지를 이해할 수 있다. 이러한 고 Q화는, 에너지 가둠 효과의 향상에 의한 것으로 생각되고, 이하의 이유에 의한다.

스톱 밴드의 상단 모드로 여진한 탄성 표면파를 효율적으로 에너지 가두기 위해서는, 도 36과 같이, IDT(12)의 스톱 밴드 상단의 주파수(ft2)를, 반사기(20)의 스톱 밴드 하단의 주파수(fr1)와 반사기(20)의 스톱 밴드 상단의 주파수(fr2)의 사이로 설정하면 좋다. 즉,

<수식 26>

fr1＜ft2＜fr2

의 관계를 만족하도록 설정하면 된다. 이에 따라, IDT(12)의 스톱 밴드 상단의 주파수(ft2)에 있어서, 반사기(20)의 반사 계수(Γ)가 커지고, IDT(12)로부터 여진된 스톱 밴드 상단 모드의 SAW가, 반사기(20)에서 높은 반사 계수로 IDT(12)측에 반사되게 된다. 그리고 스톱 밴드 상단 모드의 SAW의 에너지 가둠이 강해져, 저손실의 공진자를 실현할 수 있다.

이에 대해, IDT(12)의 스톱 밴드 상단의 주파수(ft2)와 반사기(20)의 스톱 밴드 하단의 주파수(fr1), 반사기(20)의 스톱 밴드 상단의 주파수(fr2)의 관계를 ft2＜fr1의 상태나 fr2＜ft2의 상태로 설정해 버리면, IDT(12)의 스톱 밴드 상단 주파수(ft2)에 있어서 반사기(20)의 반사 계수(Γ)가 작아져 버려, 강한 에너지 가둠 상태를 실현하는 것이 곤란해진다.

여기서, 수식 26의 상태를 실현하기 위해서는, 반사기(20)의 스톱 밴드를 IDT(12)의 스톱 밴드보다도 고역측에 주파수 시프트할 필요가 있다. 구체적으로는, IDT(12)의 전극 핑거(18)의 배열 주기보다도, 반사기(20)의 도체 스트립(22)의 배열 주기를 작게 함으로써 실현할 수 있다. 또한, 다른 방법으로는, IDT(12)의 전극 핑거(18)로서 형성된 전극막의 막 두께보다도 반사기(20)의 도체 스트립(22)으로서 형성된 전극막의 막 두께를 얇게 하거나, IDT(12)의 전극 핑거간 홈의 깊이보다도 반사기(20)의 도체 스트립간 홈의 깊이를 얕게 함으로써 실현할 수 있다. 또한, 이들의 수법을 복수 조합하여 적용해도 된다.

또한 도 33에 의하면, 고Q화의 외, 높은 피규어 오브 메리트(M)를 얻을 수 있는 것이 가능하다. 또한, 도 34는, 도 33을 얻은 SAW 공진자에 있어서의 임피던스(Z)와 주파수의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 34에서는, 공진점 부근에 소용없는 스퓨리어스(spurious)가 존재하지 않는 것을 읽어낼 수 있다.

상기 실시 형태에서는, SAW 공진자(10)를 구성하는 IDT(12)는 모든 전극 핑거가 교대로 교차하고 있도록 나타냈다. 그러나, 본 발명에 관한 SAW 공진자(10)는, 그 수정 기판만에 의해서도 상당한 효과를 발휘할 수 있다. 이 때문에, IDT(12)에 있어서의 전극 핑거(18)를 솎아낸 경우에도, 동일한 효과를 발휘할 수 있다.

또한, 홈(32)에 관해서도, 전극 핑거(18)간이나 반사기(20)의 도체 스트립(22)간에 부분적으로 설치하도록 해도 된다. 특히, 진동 변위가 높은 IDT(12)의 중앙부는 주파수 온도 특성에 지배적인 영향을 주기 때문에, 그 부분에만 홈(32)을 설치하는 구조로 해도 된다. 이러한 구조여도, 주파수 온도 특성이 양호한 SAW 공진자(10)로 할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 전극막으로서 Al 또는 Al을 주체로 하는 합금을 이용하는 취지를 기재했다. 그러나, 상기 실시 형태와 동일한 효과를 발휘할 수 있는 금속이면, 다른 금속 재료를 이용하여 전극막을 구성해도 된다.

또한, 상기 실시 형태는 IDT를 1개만 설치한 1단자쌍 SAW 공진자인데, 본 발명은 IDT를 복수개 설치한 2단자쌍 SAW 공진자에도 적용 가능하고, 세로 결합형이나 가로 결합형의 이중 모드 SAW 필터나 다중 모드 SAW 필터에도 적용 가능하다.

다음에, 본 발명에 관한 SAW 발진기에 대해서, 도 38을 참조하여 설명한다. 본 발명에 관한 SAW 발진기는 도 38에 나타내는 바와같이, 상술한 SAW 공진자(10)와, 이 SAW 공진자(10)의 IDT(12)에 전압을 인가하여 구동 제어하는 IC(integrated circuit)(50)와, 이들을 수용하는 패키지로 이루어진다. 또한, 도 38에 있어서, 도 38(A)는 뚜껑을 제거한 평면도이며, 도 38(B)는, 동 도면(A)에 있어서의 A―A 단면을 나타내는 도면이다.

실시 형태에 관한 SAW 발진기(100)에서는, SAW 공진자(10)와 IC(50)를 동일한 패키지(56)에 수용하고, 패키지(56)의 바닥판(56a)에 형성된 전극 패턴(54a∼54g)과 SAW 공진자(10)의 빗살 형상 전극(14a, 14b) 및 IC(50)의 패드(52a∼52f)를 금속 와이어(60)에 의해 접속하고 있다. 그리고, SAW 공진자(10)와 IC(50)를 수용한 패키지(56)의 캐비티는, 뚜껑(58)에 의해 기밀하게 실링되어 있다. 이러한 구성으로 함으로써, IDT(12)(도 1 참조)와 IC(50) 및 패키지(56)의 바닥면에 형성된 도시하지 않은 외부 실장 전극을 전기적으로 접속할 수 있다.

10 : 탄성 표면파 공진자(SAW 공진자) 12 : IDT
14a, 14b : 빗살형상 전극 16 : 버스 바(bus bar)
18 : 전극 핑거 20 : 반사기
22 : 도체 스트립 30 : 수정 기판
32 : 홈

Claims

오일러각(－1.5°≤φ≤1.5°, 117°≤θ≤142°, 41.9°≤｜Ψ｜≤49.57°)의 수정 기판 상에 설치되고, 스톱 밴드 상단 모드의 탄성 표면파를 여진하는 IDT와, 상기 IDT를 구성하는 전극 핑거간에 위치하는 기판을 움푹 패게 한 전극 핑거간 홈을 가지는 탄성 표면파 공진자로서,
상기 탄성 표면파의 파장을 λ, 상기 전극 핑거간 홈의 깊이를 G로 한 경우에,
<수식 27>
0.01λ≤G
를 만족하고, 또한, 상기 IDT의 라인 점유율을 η로 한 경우에, 상기 전극 핑거간 홈의 깊이(G)와 상기 라인 점유율(η)이
<수식 28>

의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 공진자.
청구항 1에 있어서,
상기 전극 핑거간 홈의 깊이(G)가,
<수식 29>
0.01λ≤G≤0.0695λ
의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 공진자.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 IDT의 전극 막 두께를 H로 한 경우에,
<수식 30>
0＜H≤0.035λ
의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 공진자.
청구항 3에 있어서,
상기 라인 점유율(η)이,
<수식 31>

의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 공진자.
청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
상기 전극 핑거간 홈의 깊이(G)와 상기 전극 막 두께(H)의 합이,
<수식 32>
0.0407λ≤G＋H
의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 공진자.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 Ψ와 상기 θ가,
<수식 33>

의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 공진자.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 IDT에 있어서의 스톱 밴드 상단 모드의 주파수를 ft2, 상기 IDT를 탄성 표면파의 전반(傳搬) 방향으로 사이에 두도록 배치되는 반사기에 있어서의 스톱 밴드 하단 모드의 주파수를 fr1, 상기 반사기의 스톱 밴드 상단 모드의 주파수를 fr2로 했을 때,
<수식 34>
fr1＜ft2＜fr2
의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 공진자.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
반사기를 구성하는 도체 스트립간에 도체 스트립간 홈을 설치하고,
상기 전극 핑거간 홈보다도 상기 도체 스트립간 홈의 깊이가 얕은 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 공진자.
청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 탄성 표면파 공진자와, 상기 IDT를 구동하기 위한 IC를 구비한 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 발진기.