KR20190109502A - 탄성파 장치, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치 - Google Patents

탄성파 장치, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치 Download PDF

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KR20190109502A
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츠토무 타카이
료 나카가와
타카시 야마네
마사노리 오타가와
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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

메인 모드의 양호한 특성을 유지하면서, 고차 모드를 억제하는 것이 가능한 탄성파 장치를 제공한다.
오일러 각(φ1, θ1, ψ1)을 가지며, 오일러 각(φ1, θ1, ψ1)에서의 탄성 정수가 하기 식(1)로 나타내지는 재료층(2)과, 재료층(2)에 직접적으로 또는 간접적으로 적층되어 있고, 오일러 각(φ2, θ2, ψ2)을 가지며, 오일러 각(φ2, θ2, ψ2)에서의 탄성 정수가 하기 식(1)로 나타내지는 단결정으로 이루어지는 압전체(3)와, 압전체(3)의 제1 주면 및 제2 주면 중 적어도 한쪽에 마련되어 있는 IDT 전극(4)을 포함하고, 재료층의 탄성 정수 C11~C66 중 0이 아닌 적어도 하나의 탄성 정수와, 압전체의 탄성 정수 C11~C66 중 0이 아닌 적어도 하나의 탄성 정수가 반대 부호로 되어 있는, 탄성파 장치(1).
Figure pct00017

Description

탄성파 장치, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치
본 발명은 단결정으로 이루어지는 압전체를 가지는 탄성파 장치, 상기 탄성파 장치를 가지는 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치에 관한 것이다.
종래, 실리콘으로 이루어지는 지지 기판 상에 직접 또는 간접적으로 압전체가 적층되어 있는 탄성파 장치가 다양하게 제안되고 있다. 예를 들면, 하기 특허문헌 1 및 2에 기재된 탄성파 장치에서는 실리콘 기판 상에 SiO2막을 개재하여 LiTaO3 단결정 압전체가 적층되어 있다. 하기 특허문헌 3에 기재된 탄성파 장치에서는 실리콘의 (111)면, (100)면 또는 (110)면 상에 SiO2막을 개재하여 LiTaO3로 이루어지는 단결정의 압전체가 적층되어 있다.
특허문헌 3에서는 (111)면을 이용함으로써 내열성을 높일 수 있다고 되어 있다.
일본 공개특허공보 특개평11-55070호 일본 공개특허공보 특개2005-347295호 일본 공개특허공보 특개2010-187373호
특허문헌 1~3에 기재된 바와 같은 종래의 탄성파 장치에서는 이용하는 탄성파로서의 메인 모드의 에너지를 압전체 내에 집중시킬 수 있다. 그러나 메인 모드뿐만 아니라, 메인 모드의 고주파수 측에 위치하고 있는 고차 모드도 동시에 압전체 내에 갇히는 경우가 있는 것을 알게 되었다. 그 때문에, 고차 모드가 스퓨리어스가 되고, 탄성파 장치의 특성이 열화(劣化)된다는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 메인 모드의 양호한 특성을 유지하면서 고차 모드를 억제하는 것이 가능한 탄성파 장치, 상기 탄성파 장치를 가지는 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치는 오일러 각(φ1, θ1, ψ1)을 가지며, 상기 오일러 각(φ1, θ1, ψ1)에서의 탄성 정수가 하기 식(1)로 나타내지는 재료층과, 서로 대향하는 제1 및 제2 주면(主面)을 가지며, 상기 제2 주면 측으로부터 상기 재료층에 직접적으로 또는 간접적으로 적층되어 있고, 오일러 각(φ2, θ2, ψ2)을 가지며, 상기 오일러 각(φ2, θ2, ψ2)에서의 탄성 정수가 하기 식(1)로 나타내지는 압전체와, 상기 압전체의 상기 제1 주면 및 상기 제2 주면 중 적어도 한쪽에 마련되어 있는 IDT 전극을 포함하고, 상기 재료층의 탄성 정수 C11~C66 중 0이 아닌 적어도 하나의 탄성 정수와, 상기 압전체의 탄성 정수 C11~C66 중 0이 아닌 적어도 하나의 탄성 정수가 반대 부호로 되어 있다.
Figure pct00001
본 발명에 따른 탄성파 장치의 어느 특정 국면에서는 상기 재료층의 회전 조작 전의 탄성 정수 cab 0으로 했을 때에, 상기 오일러 각(φ1, θ1, ψ1)에서의 상기 탄성 정수 cab는 식 (cab)=[α]-1[cab 0][β]로 구해지고, 상기 압전체의 상기 오일러 각(φ2, θ2, ψ2)에서의 상기 탄성 정수 cab는 회전 조작 전의 상기 압전체의 탄성 정수를 cab 1로 했을 때에, 식 (cab)=[α]-1[cab 1][β]로 구해진다.
식 중 α 및 β는 이하와 같다.
Figure pct00002
또한, l1, l2, l3, m1, m2, m3, n1, n2 및 n3은 이하와 같다.
l1=cosψcosφ-cosθsinφsinψ
l2=-sinψcosφ-cosθsinφcosψ
l3=sinθsinφ
m1=cosψsinφ+cosθcosφsinψ
m2=-sinψsinφ+cosθcosφcosψ
m3=-sinθcosφ
n1=sinψsinθ
n2=cosψsinθ
n3=cosθ
본 발명에 따른 탄성파 장치의 어느 특정 국면에서는 상기 반대 부호로 되어 있는 탄성 정수가 상기 식(1)에서의 C41~C43, C51~C54, C61~C65, C14, C24, C34, C15, C25, C35, C45, C16, C26, C36, C46 및 C56 중 적어도 하나이다. 이 경우에는 오일러 각의 ψ를 조정함으로써, 탄성 정수의 부호를 용이하게 반전시킬 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 반대 부호로 되어 있는 탄성 정수가 상기 식(1) 중의 탄성 정수 C41 또는 C14를 포함한다. 이 경우에는 고차 모드를 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 반대 부호로 되어 있는 탄성 정수가 상기 식(1) 중의 탄성 정수 C42 또는 C24를 포함한다. 이 경우에는 고차 모드를 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 반대 부호로 되어 있는 탄성 정수가 상기 식(1) 중의 탄성 정수 C56 또는 C65를 포함한다. 이 경우에는 고차 모드를 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 IDT 전극에 의해 여진(勵振)되는 고차 모드의 적어도 일부가 상기 재료층과 상기 압전체 양쪽을 전파한다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 반대 부호로 되어 있는 탄성 정수의 절대값이 1㎬ 이상이다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 재료층이 상기 압전체를 전파하는 탄성파의 음속보다도 벌크파의 음속이 고속인 고음속 재료이다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 재료층이 압전체 이외의 재료로 이루어진다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 재료층이 단결정으로 이루어진다. 압전체 이외의 단결정인 경우, 압전 효과가 재료층에서 생기지 않기 때문에, 추가적인 고차 모드의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 압전체가 단결정으로 이루어진다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 압전체의 두께가 10λ 이하이다. 이 경우에는 고차 모드를 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 압전체의 두께가 3.5λ 이하이다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 압전체의 두께가 2.5λ 이하이다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 압전체의 두께가 1.5λ 이하이다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 압전체의 두께가 0.5λ 이하이다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 재료층이 지지 기판이다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 압전체가 압전 기판이다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 압전체는 탄탈산리튬이다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 압전체는 니오브산리튬이다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 재료층은 실리콘으로 이루어진다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 재료층에서의 상기 압전체가 적층되어 있는 측과는 반대 측의 면에 적층되어 있는 지지 기판이 더 포함되어 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 압전체가 압전 기판이고, 상기 압전 기판에 직접적으로 또는 간접적으로 재료층이 적층되어 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 압전체와 상기 재료층이 적층된 판파의 모드를 여진하는 구조이다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 재료층과, 상기 압전체 사이에 마련되어 있고, 전파하는 벌크파의 음속이 상기 압전체를 전파하는 탄성파의 음속보다도 저속인 저음속막이 더 포함되어 있다. 바람직하게는 상기 저음속막이 산화규소막이다. 이 경우에는 주파수 온도 특성을 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 저음속막의 두께가 2λ 이하이다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 저음속막과 상기 재료층 사이에 적층되어 있고, 전파하는 벌크파의 음속이 상기 압전체를 전파하는 탄성파의 음속보다도 고속인 고음속막이 더 포함되어 있다. 이 경우에는 메인 모드에 가장 가까운 주파수 위치에 생기는 고차 모드를 효과적으로 억제할 수 있다. 상기 고음속막으로는 바람직하게는 질화규소막이 사용된다. 보다 바람직하게는 질화규소막의 막 두께는 0.25λ 이상, 0.55λ 이하로 된다. 이 경우에는 고차 모드를 한층 더 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 탄성파 장치가 탄성 표면파 장치이다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 판파를 여진하는 탄성파 장치이다.
본 발명에 따른 고주파 프론트 엔드 회로는 본 발명에 따라 구성된 탄성파 장치와 파워 앰프를 포함한다.
본 발명에 따른 통신 장치는 본 발명에 따라 구성된 탄성파 장치와, 파워 앰프를 가지는 고주파 프론트 엔드 회로와, RF 신호 처리 회로를 포함한다.
본 발명에 따른 탄성파 장치, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치에 의하면, 메인 모드의 양호한 특성을 유지하면서, 메인 모드의 고주파 측에 위치하고 있는 고차 모드를 효과적으로 억제하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 탄성파 장치의 전극 구조를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 3은 제1 실시형태 및 제1 비교예의 각 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3 중의 원(A)으로 나타내지고 있는 부분 부근을 확대하여 나타내는 도면이다.
도 5는 Li2B4O7의 오일러 각이 (0°, 0°, 0°)인 경우에 실리콘 단결정의 오일러 각이 (-45°, -54.7°, 180°) 및 (-45°, -54.7°, 0°)인 경우의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 6은 제2 실시형태 및 제3 실시형태의 각 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 7은 좌표계(X, Y, Z)와 오일러 각(φ, θ, ψ)의 관계를 나타내는 모식도이다.
도 8은 실리콘 단결정으로 이루어지는 지지 기판의 탄성 정수 C41을 탄탈산리튬으로 이루어지는 압전 단결정의 탄성 정수 C41에 대하여 부호를 반전시킨 탄성파 장치와, 반전시키지 않은 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 9는 실리콘 단결정으로 이루어지는 기판의 탄성 정수 C42를 탄탈산리튬으로 이루어지는 압전 단결정의 탄성 정수 C42에 대하여 부호를 반전시킨 탄성파 장치와, 반전시키지 않은 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 10은 실리콘 단결정으로 이루어지는 기판의 탄성 정수 C56을 탄탈산리튬으로 이루어지는 압전 단결정의 탄성 정수 C56에 대하여 부호를 반전시킨 탄성파 장치와, 반전시키지 않은 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 11은 탄성 정수 C56의 크기와, 고차 모드의 위상 최대값의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 압전체의 막 두께와, 고차 모드 위상 차의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제5 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다.
도 14는 제5 실시형태의 탄성파 장치 및 제2 비교예의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 제6 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다.
도 16은 제5 실시형태 및 제6 실시형태에 따른 각 탄성파 장치의 위상 특성을 나타내는 도면이다.
도 17은 도 16의 일부를 확대하여 나타내는 도면이다.
도 18은 제7 실시형태의 탄성파 장치에서의 질화규소막의 막 두께와, 고차 모드 위상 최대값의 관계를 나타내는 도면이다.
도 19는 질화규소막의 막 두께와 고차 모드의 위상 최대값의 관계를 나타내는 도면이다.
도 20은 제1 실시형태의 변형예에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다.
도 21은 실리콘의 결정 방위의 정의를 설명하기 위한 모식도이다.
도 22는 제8 실시형태의 탄성파 장치 및 제3 비교예의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 23은 제9 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다.
도 24는 제9 실시형태 및 제4 비교예에서 니오브산리튬을 전파하는 레일리파를 이용한 경우의 고차 모드의 응답을 나타내는 도면이다.
도 25는 재료층과 압전체의 오일러 각이 모두 (0°, 0°, 0°)인 경우에서의 양자의 좌표축의 관계를 나타내는 도면이다.
도 26은 고주파 프론트 엔드 회로를 가지는 통신 장치의 개략 구성도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명함으로써, 본 발명을 분명하게 한다.
한편, 본 명세서에 기재된 각 실시형태는 예시적인 것이며, 다른 실시형태간에 구성의 부분적인 치환 또는 조합이 가능한 것을 지적해 둔다.
(제1 실시형태)
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이고, 도 2는 제1 실시형태에 따른 탄성파 장치의 전극 구조를 나타내는 모식적 평면도이다.
탄성파 장치(1)는 단결정으로 이루어지는 재료층(2)을 가진다. 한편, 재료층(2)은 실리콘(Si) 단결정이다. 재료층(2) 상에 단결정으로 이루어지는 압전체(3)가 적층되어 있다. 압전체(3)는 Li2B4O7 단결정이다. 재료층(2)은 본 실시형태에서는 압전체(3)를 지지하고 있는 지지 기판의 기능도 가지고 있다.
압전체(3)는 서로 대향하는 제1, 제2 주면(3a, 3b)을 가진다. 상기 압전체(3)는 제2 주면(3b) 측으로부터 재료층(2) 상에 직접 적층되어 있다. 제1 주면(3a) 상에 IDT 전극(4) 및 반사기(5, 6)가 마련되어 있다. 그로써, 탄성파 장치(1)에서는 탄성파 공진자가 구성되어 있다. 한편, 탄성파 장치(1)는 압전체(3)를 전파하는 탄성 표면파를 이용하는 탄성 표면파 장치이다. 물론, 본 발명에서 탄성파 장치는 탄성 표면파를 이용한 것에 한정되지 않고, 탄성파를 이용한 것이면 된다.
IDT 전극(4) 및 반사기(5, 6)는 Al로 이루어진다. 물론, IDT 전극(4) 및 반사기(5, 6)는 다른 금속에 의해 구성되어도 된다. 또한, IDT 전극(4) 및 반사기(5, 6)는 복수개의 금속막을 적층한 적층 금속막으로 이루어지는 것이어도 된다.
상기 압전체(3)는 Li2B4O7 단결정으로 이루어지고, 즉 압전 단결정으로 이루어진다. 이 Li2B4O7 단결정의 오일러 각은 (0°, 45°, 0°)로 되어 있다. 또한, IDT 전극(4)의 전극지(電極指) 피치로 정해지는 파장을 λ로 했을 때에, 압전체(3)의 막 두께는 0.30λ로 되어 있다. IDT 전극(4)의 막 두께는 0.08λ로 되어 있다. 한편, 본 실시형태에서는 λ는 1.0㎛이다.
탄성파 장치(1)의 특징은 오일러 각(φ1, θ1, ψ1)을 가지며, 오일러 각(φ1, θ1, ψ1)에서의 탄성 정수가 하기 식(1)로 나타내지는 재료층과, 서로 대향하는 제1 및 제2 주면을 가지며, 제2 주면 측으로부터 재료층에 직접적으로 또는 간접적으로 적층되어 있고, 오일러 각(φ2, θ2, ψ2)을 가지며, 오일러 각(φ2, θ2, ψ2)에서의 탄성 정수가 하기 식(1)로 나타내지는 압전체와, 압전체의 제1 주면 및 제2 주면 중 적어도 한쪽에 마련되어 있는 IDT 전극을 포함하고 있고, 재료층의 탄성 정수 C11~C66 중 0이 아닌 적어도 하나의 탄성 정수와, 압전체의 탄성 정수 C11~C66 중 0이 아닌 적어도 하나의 탄성 정수가 반대 부호로 되어 있는 것이다. 그로써, 고차 모드의 억제가 도모되어 있다. 이를 이하에서 보다 상세하게 설명한다.
단결정 및 단결정에 거의 가까운 재료의 경우, 결정 방위에 따라 탄성 정수가 하기 식(1)로 나타내진다. 따라서, 압전체(3)는 단결정뿐만 아니라, 단결정에 거의 가까운 상태의 압전체도 포함한다. 또한, 재료층(2)은 단결정뿐만 아니라, 단결정에 거의 가까운 상태의 재료층도 포함한다. 이는 이하의 모든 실시형태에서 동일하다.
Figure pct00003
한편, 회전 조작 후의 탄성 정수를 cab로 한 경우, 즉 어느 오일러 각에서의 탄성 정수를 cab로 한 경우, 탄성 정수 cab는 일반적으로 알려져 있는 실리콘 탄성 정수의 텐서(tensor)에 대하여, 각각 3개의 오일러 각에 대응한 회전 처리를 한 후의 탄성 정수이다. 이 좌표 변환 방법에 의해 각 결정 방위에서의 탄성 정수를 도출할 수 있다.
즉, 상기 재료층의 회전 조작 전의 탄성 정수 cab 0로 했을 때에, 상기 오일러 각(φ1, θ1, ψ1)에서의 상기 탄성 정수 cab는 식 (cab)=[α]-1[cab 0][β]로 구해지고, 상기 압전체의 상기 오일러 각(φ2, θ2, ψ2)에서의 상기 탄성 정수 cab는 회전 조작 전의 상기 압전체의 탄성 정수를 cab 1로 했을 때에, 식 (cab)=[α]-1[cab 1][β]로 구해진다. 한편, 좌표 변환 방법에 대해서는 문헌 "탄성파 소자 기술 핸드북"(일본 학술진흥회 탄성파 소자 기술 제150위원회, 제1판 제1쇄, 2001년 11월 30일 발행, 549페이지)에 기재되어 있다.
도 3의 실선은 본 실시형태의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내고, 파선이 제1 비교예의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타낸다. 한편, 제1 실시형태에서는 재료층(2)을 구성하고 있는 실리콘 단결정의 오일러 각은 (-45°, -54.7°, 180°)이다. 이에 반해, 제1 비교예에서는 실리콘 단결정의 오일러 각은 (-45°, -54.7°, 0°)로 되어 있다.
여기서, 실리콘에서 φ=-45°, θ=-54.7°로 지정되는 면은 실리콘의 (111)면을 나타내고 있다. 본 실시형태 및 제1 비교예에서는 ψ가 180°와 0°인 2개의 방위의 결과를 나타냈는데, 이들 2개의 방위는 모두 실리콘 (111)면에서, 적층되는 압전체의 결정 구조에 대하여, 면 내에서 180° 회전하여 적층한 구조에 상당한다. 또한, (-45°, -54.7°, 180°)와 (-45°, -54.7°, 0°)인 2개의 방위의 실리콘 내를 전파하는 탄성파의 음속은 동일하다. 왜냐하면, 진행파와 후퇴파에서 탄성파의 속도는 변하지 않기 때문이다. 이를 바꿔 말하면, 2개의 방위에서 식(1)로 나타낸 각 탄성 정수의 절대값은 동일하고, 부호가 다른 것이 된다.
도 3에서는 제1 실시형태 및 제1 비교예 쌍방에서 3.8㎓ 부근에 메인 모드의 응답이 나타나 있다. 그리고 제1 비교예에서는 5.7㎓ 부근에 고차 모드에 의한 응답이 나타나 있다. 즉, 도 3의 원(A)으로 둘러싸인 부분에서, 제1 비교예에서는 고차 모드의 응답이 나타나 있다.
도 4는 도 3의 원(A)으로 나타내지고 있는 부근을 확대하여 나타내는 도면이다. 도 3 및 도 4로부터 분명한 바와 같이, 제1 비교예에서는 고차 모드에 의한 응답이 크게 나타나 있는 것에 반해, 본 실시형태에서는 5.7㎓ 부근에서 고차 모드의 응답이 거의 나타나 있지 않은 것을 알 수 있다. 따라서 본 실시형태에 의하면, 고차 모드에 의한 스퓨리어스가 억제되기 때문에, 공진 특성의 열화가 생기기 어려운 것을 알 수 있다.
도 3, 도 4에서 나타낸 2개의 실리콘의 방위에서는 탄성파의 음속은 동일하다. 종래는 적층 구조의 막 두께, 재료의 설계를 실시할 때에는 각 층의 음속만을 고려하여 설계를 실시하고 있었는데, 본 결과로부터 탄성파의 모드에 영향을 주는 파라미터는 음속뿐만 아니라, 탄성 정수의 부호도 영향을 주고 있는 것이 분명해졌다.
또한, 도 3으로부터 분명한 바와 같이, 제1 실시형태에서의 메인 모드의 응답의 크기는 제1 비교예와 동등하다. 따라서, 메인 모드의 특성을 유지하면서 고차 모드를 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.
상기한 바와 같이, 제1 실시형태에서 제1 비교예에 비해 고차 모드의 억제가 가능한 이유를 이하에서 설명한다.
본원 발명자들은 오일러 각(φ1, θ1, ψ1)을 가지며, 오일러 각(φ1, θ1, ψ1)에서의 탄성 정수가 식(1)로 나타내지는 재료층(2)과, 서로 대향하는 제1 및 제2 주면을 가지며, 제2 주면 측으로부터 재료층에 직접적으로 또는 간접적으로 적층되어 있고, 오일러 각(φ2, θ2, ψ2)을 가지며, 오일러 각(φ2, θ2, ψ2)에서의 탄성 정수가 식(1)로 나타내지는 압전체와, 압전체의 제1 주면 및 제2 주면 중 적어도 한쪽에 마련되어 있는 IDT 전극을 포함하는 구조에서는 압전체의 결정 방위와 재료층(2)에서의 결정 방위를 특정 범위로 함으로써, 상기 고차 모드의 여진을 억제할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 이루기에 이르렀다.
하기 식(2)는 Li2B4O7의 오일러 각(0°, 0°, 0°)에서 20℃에서의 탄성 정수를 나타낸다.
Figure pct00004
한편, 상기 식(2)는 N.M.Shorrocks et al.의 문헌(Proc.Ultrasonics Symposium(1981))에 나타내지고 있는 것이다.
한편, 단결정 방위를 회전 조작에 의해 회전시킨 경우, 상기 식(1)로 나타내지는 탄성 정수가 변화된다. 하기 표 1은 오일러 각이 (0°, 45°, 0°)일 때의 압전체로서의 Li2B4O7의 탄성 정수를 나타낸다. 한편, 이하에서는 식(1)로 나타낸 탄성 정수에 대해, 표 1과 같은 표 형식으로 나타내는 것으로 한다. 표 1에서 좌측단 세로축의 1~6은 Cab의 a를 나타낸다. 또한, 상단란의 1~6은 Cab의 b를 나타낸다.
Figure pct00005
상기 표 1로부터 분명한 바와 같이, 탄성 정수 C51~C54, C61~C64, C15, C16, C25, C26, C35, C36, C45, C46의 값은 0으로 되어 있고, 다른 탄성 정수는 0이 아니다.
한편, 재료층으로서의 오일러 각(-45°, -54.7°, 0°)의 실리콘 단결정의 탄성 정수는 하기 표 2에 나타내는 바와 같다. 또한, 제1 비교예에서 이용한 오일러 각(-45°, -54.7°, 180°)의 재료층으로서의 실리콘 단결정의 탄성 정수는 하기 표 3에 나타내는 바와 같다.
Figure pct00006
Figure pct00007
제1 실시형태의 압전체(3)의 탄성 정수를 나타내는 상기 표 1과, 제1 실시형태의 재료층(2)의 탄성 정수를 나타내는 상기 표 2를 대비하면, 탄성 정수 C41, C42, C65와, 이들과 대칭인 위치에 있는 탄성 정수 C14, C24 및 C56에서 양음(陽陰) 부호가 Li2B4O7과 실리콘 단결정 사이에서 역전되어 있다.
한편, 제1 비교예의 압전체(3)의 탄성 정수를 나타내는 상기 표 1과, 제1 비교예의 재료층(2)의 탄성 정수를 나타내는 상기 표 3을 대비하면 분명한 바와 같이, 제1 비교예에서는 C41, C42, C65와, 이들과 대칭인 위치에 있는 탄성 정수 C14, C24 및 C56이 Li2B4O7과 실리콘 단결정에서 부호가 반전되어 있지 않고, 동일한 부호인 것을 알 수 있다. 또한, 표 1과 표 3에서 0이 아닌 탄성 정수의 부호는 모두 동일한 부호이다.
본 실시형태에서는 재료층(2)의 탄성 정수 C11~C66 중 0이 아닌 적어도 하나의 탄성 정수와, 압전체(3)의 탄성 정수 C11~C66 중 0이 아닌 적어도 하나의 탄성 정수가 반대 부호로 되어 있다. 그로써, 고차 모드가 억제된다. 이 이유는 이하와 같다고 생각된다.
우선, 단결정 또는 단결정에 가까운 재료로 이루어지는 압전체(3)와, 단결정 또는 단결정에 가까운 재료로 이루어지는 재료층(2)을 직접적 또는 간접적으로 적층한 구조에서는 쌍방의 막 두께에 의해 결정되는 고차 모드가 발생한다. 이 고차 모드에 의해, 재료층(2)의 표면 중 압전체(3) 측의 표면에 고차 모드에 기인하는 응력이 생긴다. 이 응력에 의해 재료층(2)에 변위가 생기고, 도 3에 나타낸 고차 모드가 여진되어 있다고 생각된다. 한편, 상기 압전체(3)와 상기 재료층(2) 사이에서 반대 부호의 탄성 정수가 존재하고 있는 경우, 재료층(2)은 압전체(3) 측으로부터 가해진 응력 방향과는 반대 방향으로 변위하려고 하게 된다. 그 때문에, 고차 모드의 여진이 저해되고, 고차 모드가 억제되어 있다고 생각된다.
따라서, 본 실시형태와 같이 압전체(3) 및 재료층(2)에서의 식(1)의 탄성 정수 C11~C66 중 0이 아닌 적어도 하나의 탄성 정수가 압전체(3)와 재료층(2)에서 반대 부호로 되어 있으면 된다.
한편, 0이 아닌 탄성 정수의 부호, 즉 양음은 결정 방위를 변경함으로써 조정할 수 있다. 상기한 바와 같이, 재료층(2)에서 오일러 각(-45°, -54.7°, 180°)의 제1 비교예의 경우에 반해, 오일러 각의 ψ를 0°가 되도록 결정 방위를 조정함으로써, 제1 실시형태와 같이 C41, C42 및 C56 그리고 이들과 대칭인 위치에 있는 탄성 정수의 부호를 역전시킬 수 있다.
식(1)에서의 탄성 정수 중 압전체(3)의 탄성 정수와 재료층(2)의 탄성 정수가 반대 부호로 되어 있는 탄성 정수는 바람직하게는 C41~C43, C51~C54 및 C61~C65 그리고 이들과 대칭인 위치에 있는 탄성 정수 중 적어도 하나인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 이들 탄성 정수에 대해서는 상기 결정 방위의 조정에 의해 부호를 용이하게 반전시킬 수 있기 때문이다.
또한, 재료층(2)의 결정 방위를 조정한 경우, 재료층(2) 중을 전파하는 탄성파의 음속은 변화되는 경우가 있지만, 재료층(2)을 전파하는 탄성파의 음속은 메인 모드의 음속보다는 충분히 크다. 그 때문에, 상술한 바와 같이 압전체(3) 중에 많은 에너지가 존재하는 메인 모드는 큰 영향을 받지 않는다. 따라서, 메인 모드의 응답에 의한 특성을 유지하면서, 고차 모드를 독립적으로 억제할 수 있다.
상기한 바와 같이, 단결정 또는 단결정에 가까운 재료로 이루어지는 재료층(2) 상에 단결정 또는 단결정에 가까운 재료로 이루어지는 압전체(3)가 적층되어 있는 구조에서의 고차 모드의 억제가 재료층(2)의 탄성 정수의 부호와, 압전체(3)의 탄성 정수의 부호를 조정함으로써 달성할 수 있다. 즉, 오일러 각(φ1, θ1, ψ1)을 가지며, 오일러 각(φ1, θ1, ψ1)에서의 탄성 정수가 식(1)로 나타내지는 재료층(2) 상에 오일러 각(φ2, θ2, ψ2)을 가지며, 오일러 각(φ2, θ2, ψ2)에서의 탄성 정수가 식(1)로 나타내지는 압전체(3)가 적층되어 있는 구조에서의 고차 모드의 억제를 재료층(2)의 탄성 정수의 부호와, 압전체(3)의 탄성 정수의 부호를 조정함으로써 달성할 수 있다.
한편, Li2B4O7의 결정 방위가 오일러 각에서 (0°, 0°, 0°)이고, 실리콘 단결정의 결정 방위가 오일러 각에서 (-45°, -54.7°, 180°) 및 (-45°, -54.7°, 0°)인 경우의 임피던스 특성을 도 5에 나타낸다. 즉, 실리콘 단결정의 결정 방위는 상기 제1 실시형태 및 제1 비교예와 동일하지만, Li2B4O7의 결정 방위가 (0°, 0°, 0°)인 경우에는 식(2)에 나타낸 바와 같이 C41, C42, C65 및 이들과 대칭인 위치의 탄성 정수가 0으로 되어 있다. 따라서, 도 5에 나타내는 바와 같이, 고차 모드의 응답은 억제되어 있지 않다.
한편, 도 5에서는 실리콘 단결정의 결정 방위가 (-45°, -54.7°, 180°)인 경우를 실선으로, (-45°, -54.7°, 0°)인 경우를 파선으로 나타냈는데, 실제로는 실선과 파선이 거의 겹쳐 있다. 따라서, 실리콘 단결정의 결정 방위가 어느 경우에서도 Li2B4O7 단결정의 탄성 정수와, 0이 아닌 탄성 정수의 부호의 반전이 이루어져 있지 않다. 따라서, 고차 모드를 억제하는 것이 가능하지 않다.
즉, 본 발명에서는 상기한 바와 같이 C51~C54, C61~C64, C15, C16, C25, C26, C35, C36, C45, C46의 탄성 정수 중 적어도 하나가 0이 아닌 것이 필요하다.
(제2 실시형태)
제2 실시형태는 제1 실시형태와 마찬가지로 단결정 또는 단결정에 가까운 재료로 이루어지는 재료층(2) 상에 단결정 또는 단결정에 가까운 재료로 이루어지는 압전체(3)가 적층되어 있다. 즉, 오일러 각(φ1, θ1, ψ1)을 가지며, 오일러 각(φ1, θ1, ψ1)에서의 탄성 정수가 식(1)로 나타내지는 재료층(2) 상에 오일러 각(φ2, θ2, ψ2)을 가지며, 오일러 각(φ2, θ2, ψ2)에서의 탄성 정수가 식(1)로 나타내지는 압전체(3)가 적층되어 있다. 물론, 압전체(3)는 제2 실시형태에서는 LiTaO3으로 이루어지고, 그 막 두께는 0.30λ, 커트각은 50°Y로 했다. 따라서, LiTaO3의 오일러 각은 (0°, 140°, 0°)로 되어 있다.
그 밖의 구성, 즉 IDT 전극의 재료, 막 두께, 압전체의 막 두께, 및 λ는 제1 실시형태와 동일하게 했다.
제2 실시형태에서는 실리콘 단결정으로 이루어지는 재료층의 결정 방위는 오일러 각에서 (-45°, -54.7°, 180°)로 했다. 또한, 실리콘 단결정의 결정 방위를 오일러 각에서 (-45°, -54.7°, 0°)의 재료층을 가지는 것을 제외하고는 상기 제2 실시형태와 동일한 제3 실시형태의 탄성파 장치를 구성했다.
상기 (-45°, -54.7°, 180°)의 오일러 각의 재료층으로서의 실리콘 단결정의 탄성 정수를 하기 표 4에 나타낸다.
또한, (-45°, -54.7°, 0°)의 오일러 각의 재료층으로서의 실리콘 단결정의 탄성 정수를 하기 표 5에 나타낸다.
또한, 압전체로서의 LiTaO3의 오일러 각(0°, 140°, 0°)에서의 탄성 정수를 표 6에 나타낸다.
Figure pct00008
Figure pct00009
Figure pct00010
상기 제2 실시형태 및 제3 실시형태의 임피던스 특성을 도 6에 나타낸다. 도 6의 실선이 제2 실시형태의 결과를, 파선이 제3 실시형태의 결과를 나타낸다. 도 6으로부터 분명한 바와 같이, 제3 실시형태에 비해 제2 실시형태에 의하면, 5400㎒ 부근에 나타나 있는 고차 모드가 한층 더 효과적으로 억제되어 있는 것을 알 수 있다.
한편, 도 7은 좌표계(X, Y, Z)와 오일러 각(φ, θ, ψ)의 관계를 나타내는 모식도이다.
본 명세서에서 오일러 각(φ, θ, ψ)은 문헌 "탄성파 소자 기술 핸드북"(일본 학술진흥회 탄성파 소자 기술 제150위원회, 제1판 제1쇄, 2001년 11월 30일 발행, 549페이지)에 기재된 오른손 좌표계 오일러 각을 이용했다. 실리콘의 경우를 예로 설명하면, 도 21에 나타낸 바와 같이 실리콘의 결정축을 X축, Y축, Z축으로 정의한다. 오일러 각(φ, θ, ψ)이란, 오른나사의 회전 방향을 양으로 하고, 도 7에 나타내는 바와 같이 1) (X, Y, Z)를 Z축 둘레로 "φ"회전하고, (X1, Y1, Z1)로 하며, 다음으로 2) (X1, Y1, Z1)을 X1축 둘레로 "θ"회전하고, (X2, Y2, Z2)로 한다. 이 Z2축을 법선으로 하는 면이 재료층, 또는 압전체의 주면이 된다. 더욱이 3) (X2, Y2, Z2)를 Z2축 둘레로 "ψ"회전하고, (X3, Y3, Z3)으로 한다. 이 때, 상술한 회전 조작을 오일러 각으로 (φ, θ, ψ)로 나타낸다.
식(1)로 나타낸 탄성 정수란, 재료층, 또는 압전체의 탄성 정수의 문헌값에 대하여, 상술한 회전 조작에 의해 탄성 정수를 좌표 변환한 후의 탄성 정수를 말한다. 즉, 동일한 재료이어도 사용하는 오일러 각에 따라 탄성 정수의 각 성분은 각종 값, 부호를 취할 수 있다.
또한, 재료층과 압전체의 오일러 각이 모두 (0°, 0°, 0°)인 경우에서의 양자의 좌표축의 관계를 도 25에 나타낸다. 도 25의 X, Y, Z축이 재료층의 결정축이고, 도 25의 Xa, Ya, Za가 압전체의 결정축이다. 오일러 각이 (0°, 0°, 0°)인 경우에는 도 25에 나타낸 바와 같이 X와 Xa, Y와 Ya, Z와 Za가 동일한 방향이 되도록 정의한다. 압전체를 전파하는 탄성파가 X전파인 경우에는 Xa 방향과 IDT 전극이 수직이 된다.
탄성 정수 Cab와 응력 Ta 및 변형 Sb 사이에는 하기 식(3)에 나타내는 관계가 있다.
Figure pct00011
한편, 표 4 및 표 5에서는 상기 탄성 정수의 유효 숫자는 2자릿수로 되어 있다.
또한, 절대값이 1×109N/m2 이하인 탄성 정수는 값 자체가 작고, 고차 모드에 주는 영향이 작기 때문에 0으로 간주한다. 반대로 말하면, 본 발명에 의한 고차 모드 억제의 효과를 얻기 위해서는 절대값이 1×109N/m2 이상인 탄성 정수의 부호를 반전시킬 필요가 있다.
또한, 표 4 및 표 5에서 *를 붙인 란에서는 탄성 정수는 ψ의 180° 회전에서는 값이 변화되지 않는다. 이에 반해, 0이 아닌 나머지 탄성 정수는 ψ를 180° 회전시킨 경우, 절대값은 변하지 않지만 부호가 변화된다. 이 부호가 변화되는 탄성 정수로는 C41, C42, C65 및 이들과 대칭인 C14, C24 및 C56 등을 들 수 있다.
또한, 실리콘 단결정의 결정 방위가 (-45°, -54.7°, 0°)와 (-45°, -54.7°, 180°)인 경우의 실리콘 단결정의 탄성 정수C41(=C14), C42(=C24) 및 C65(=C56)의 부호는 하기 표 7에 나타내는 바와 같다.
Figure pct00012
한편, LiTaO3의 오일러 각은 (0°, 140°, 0°)이고, 이 경우 LiTaO3의 탄성 정수는 하기 표 8에 나타내는 바와 같다. 즉, 제2 실시형태 및 제3 실시형태에서의 압전체의 탄성 정수는 표 8에 나타내는 바와 같다.
Figure pct00013
따라서, 표 8에서의 C41=C14, C42=C24 및 C65=C56의 부호는 이하의 표 9에 나타내는 바와 같이 된다.
Figure pct00014
즉, 실리콘 단결정의 결정 방위를 오일러 각에서 (-45°, -54.7°, 180°)로 한 경우, (-45°, -54.7°, 0°)인 경우에 비해, C41 및 C65에서 부호는 역전되어 있음을 알 수 있다.
한편, 상기 탄성 정수 C41~C43, C51~C54 및 C61~C65 그리고 이들과 대칭인 위치에 있는 탄성 정수 중 압전체(3)의 탄성 정수와 재료층(2)의 탄성 정수에서 하나의 탄성 정수만 반대 부호로 한 경우의 임피던스 특성을 도 8~도 10에 각각 나타낸다. 구조는 제2 실시형태에 기재한 구조로, LiTaO3의 오일러 각은 (0°, 140°, 0°), 실리콘의 오일러 각이 (-45°, -54.7°, 0°)인 경우의 탄성 정수를 기준으로 하여, C41(=C14), C42(=C24), C65(=C56)의 값을 적절히 변경하여 평가를 실시했다. 한편, 기준으로 한 구조에서는 LiTaO3의 탄성파 장치와 실리콘의 탄성파 장치는 모두 동일한 부호이다. 이 기준으로 한 구조의 파형을 도 8~10의 파선으로 나타낸다.
도 8의 실선은 압전체(3)의 탄성 정수 C41(=C14)의 부호와, 재료층(2)의 탄성 정수 C41(=C14)의 부호만을 반대 부호로 한 경우, 파선은 탄성 정수 C41(=C14)을 동일한 부호로 한 경우의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타낸다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 부호의 반전에 의해 고차 모드가 근소하게 억제되어 있는 것을 알 수 있다.
도 9의 실선은 압전체(3)의 탄성 정수 C42(=C24)의 부호와, 재료층(2)의 탄성 정수 C41(=C14)의 부호만을 반대 부호로 한 경우의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타낸다. 파선은 탄성 정수 C42(=C24)를 동일한 부호로 한 경우의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타낸다.
도 10의 실선은 압전체(3)의 탄성 정수 C56(=C65)의 부호와, 재료층(2)의 탄성 정수 C41(=C14)의 부호만을 반대 부호로 한 경우의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타낸다. 도 10에서도 파선은 탄성 정수 C56(=C65)이 반대 부호로 되어 있지 않은 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타낸다.
도 9로부터 분명한 바와 같이, 압전체(3)의 탄성 정수 C42의 부호와, 재료층(2)의 탄성 정수 C41(=C14)의 부호만을 반대 부호로 한 경우, 고차 모드를 효과적으로 억압할 수 있는 것을 알 수 있다. 더욱이 도 10에 나타내는 바와 같이, 탄성 정수 C56의 부호를 반전시킨 경우에는 고차 모드를 한층 더 효과적으로 억제할 수 있고, 고차 모드에 의한 응답이 거의 나타나 있지 않은 것을 알 수 있다.
따라서, 바람직하게는 탄성 정수 C41, C42 및 C56 중 탄성 정수 C56=C65의 부호를 반전시키는 것이 가장 바람직하고, 탄성 정수 C42=C24를 반대 부호로 하는 것이 다음으로 바람직한 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 압전체(3)의 탄성 정수와 재료층(2)의 탄성 정수에서 반대 부호로 되어 있는 탄성 정수는 탄성 정수 C41을 포함하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 탄성 정수 C42를 포함하는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 탄성 정수 C56 또는 C65를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 제1 실시형태 및 제2 실시형태에서는 재료층(2)은 실리콘 단결정으로 이루어졌는데, 사파이어, 다이아몬드, SiC, GaN, AlN, GaAs, 각종 금속 재료 등의 다른 단결정 재료를 사용해도 동일한 효과가 얻어진다. 또한, 단결정에 한정되지 않고, 탄성 정수가 식(1)로 나타내지는 재료로 이루어지는 재료층(2)이라면 동일한 효과가 얻어진다. 실리콘의 경우는 열 전도율이 높고, 방열성이 양호하다. 또한, 열선 팽창 계수가 작고, 온도 특성의 개선이 가능해진다. 다이싱 등의 가공성도 양호하고, 재료층이 실리콘인 것이 바람직하다.
다만, 재료층은 단결정으로 이루어지는 것이 바람직하고, 압전체 이외의 단결정으로 이루어지는 재료층인 것이 보다 바람직하다. 압전체의 경우에는 압전 효과를 발현하기 때문에 새로운 고차 모드를 생기게 할 우려가 있다. 이에 반해, 압전체 이외의 단결정으로 이루어지는 재료층을 이용함으로써, 이와 같은 추가적인 고차 모드의 영향을 받기 어렵다.
또한, 제1 및 제2 실시형태에서는 Li2B4O7 또는 LiTaO3을 사용했는데, 압전체를 구성하는 압전 단결정에 대해서도 이들에 한정되는 것은 아니다.
(제3 실시형태)
제3 실시형태에서는 실리콘 단결정의 오일러 각이 (-45°, -54.7°, 0°)인 경우의 탄성 정수에 대하여, 탄성 정수 C56=C65의 값만을 변화시킨 가공의 탄성 정수를 가지는 재료층을 이용했다. 그 밖의 내용은 제2 실시형태와 동일하게 했다.
이 경우에서 C56=C65의 값을 다양하게 변화시켰다.
도 11은 탄성 정수 C56의 크기와, 고차 모드의 위상 최대값의 관계를 나타내는 도면이다. LiTaO3의 오일러 각이 (0°, 140°, 0°)인 경우, 탄성 정수 C56은 -3.7㎬이고, 음의 값이다.
따라서, 실리콘 단결정의 탄성 정수 C56이 양이면, 고차 모드를 억제할 수 있다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 실리콘 단결정의 탄성 정수 C56의 값이 양의 값인 0보다도 큰 영역에서 고차 모드의 위상 최대값을 -70° 레벨까지 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 실리콘 단결정의 탄성 정수 C56이 0보다도 큰 값이면, 탄성 정수 C56의 크기에 의존하지 않고 고차 모드를 효과적으로 억제할 수 있다. 보다 바람직하게는 1㎬ 이상으로 함으로써 고차 모드를 보다 효과적으로 억제하는 것이 가능해진다. 즉, 고차 모드의 억제에서는 탄성 정수의 절대값에는 의존하지 않는 것을 알 수 있다.
(제4 실시형태)
제4 실시형태에서는 제2 실시형태에서 LiTaO3으로 이루어지는 압전체(3)의 막 두께를 0.05λ~15λ의 범위에서 변화시켰다.
LiTaO3의 결정 방위는 오일러 각에서 (0°, 140°, 0°)로 하고, 실리콘 단결정의 결정 방위는 오일러 각에서 (-45°, -54.7°, 0°) 또는 (-45°, -54.7°, 180°)로 했다.
도 12의 가로축은 압전체의 막 두께 즉 LiTaO3의 막 두께이고, 세로축은 고차 모드 위상 차(°)이다. 여기서 고차 모드 위상 차란, 실리콘 단결정의 오일러 각이 (-45°, -54.7°, 0°)인 경우의 고차 모드 위상 차 최대값과, (-45°, -54.7°, 180°)인 경우의 고차 모드 위상 차 최대값의 차이를 나타낸다. 이 고차 모드 위상 차의 차가 클수록, 고차 모드 강도의 개선도가 크다.
도 12로부터 분명한 바와 같이, 압전체의 막 두께가 얇은 쪽이 고차 모드의 개선도가 높다. 이는 압전체가 얇으면 실리콘 단결정으로 이루어지는 재료층 내에 보다 많은 에너지가 분포되고, 고차 모드 억제 효과가 높아지기 때문이라고 생각된다.
또한 도 12에 의하면, 고차 모드 억제 효과는 압전체의 막 두께가 10λ 이하인 영역에서 효과적인 것을 알 수 있다. 따라서, 바람직하게는 압전체의 막 두께는 10λ 이하인 것이 바람직하다.
(제5 실시형태)
도 13은 본 발명의 제5 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다.
탄성파 장치(21)에서는 재료층(2)과 압전체(3) 사이에 저음속막(22)이 적층되어 있다. 저음속막(22)은 전파하는 벌크파의 음속이 압전체(3)를 전파하는 탄성파의 음속보다도 낮은 저음속 재료로 이루어진다. 이 저음속막(22)은 본 실시형태에서는 산화규소로 이루어진다. 한편, 산화규소는 SiO2이어도 된다. 저음속막을 구성하는 재료로는 압전막을 전파하는 탄성파보다도 저음속인 벌크파 음속을 가지는 적절한 재료를 사용할 수 있다. 이와 같은 저음속 재료로는 산화규소, 유리, 산질화규소, 산화탄탈, 또는 산화규소에 불소나 탄소나 붕소를 첨가한 화합물 등, 상기 재료를 주성분으로 한 매질을 사용할 수 있다.
제5 실시형태의 탄성파 장치에서도 재료층(2)과 압전체(3) 사이에서 상술한 식(1)로 나타내지는 탄성 정수 C11~C66 중 0이 아닌 적어도 하나의 탄성 정수가 반대 부호로 되어 있으면 된다. 그로써, 제1~제4 실시형태와 마찬가지로 고차 모드를 억제할 수 있다. 이를 보다 구체적인 실험예에 기초하여 설명한다.
제5 실시형태의 탄성파 장치(21)에서 LiTaO3으로 이루어지는 압전체(3)의 두께를 0.3λ, 오일러 각을 (0°, 140°, 0°)로 했다. 산화규소막으로서 SiO2막을 사용했다. 그리고 SiO2막으로 이루어지는 저음속막(22)의 두께는 0.35λ로 했다. 재료층(2)으로서 사용한 실리콘 단결정의 오일러 각을 제2 실시형태의 경우와 마찬가지로 (-45°, -54.7°, 0°) 또는 (-45°, -54.7°, 180°)로 했다.
IDT 전극(4)의 전극지 피치로 정해지는 파장 λ는 1.0㎛이고, IDT 전극(4)은 Al로 이루어지며, 그 막 두께는 0.08λ로 했다.
도 14의 실선은 제5 실시형태의 결과를 나타내고, 실리콘 단결정의 오일러 각이 (-45°, -54.7°, 180°)인 경우의 임피던스 특성이다. 파선은 제2 비교예의 특성을 나타내고, 실리콘 단결정의 오일러 각은 (-45°, -54.7°, 0°)이다. 파선으로 나타내는 특성에 비해, 실선으로 나타내는 특성에 의하면, 5.1㎓ 부근에 나타나 있는 고차 모드를 효과적으로 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 압전체(3)와 재료층(2) 사이에 저음속막(22)을 마련해도 된다. 이 경우, 저음속막(22)을 마련함으로써 압전체(3)에 대한 탄성파의 에너지 집중도를 높일 수 있다. 그로써 손실을 작게 할 수 있다. 또한, SiO2로 이루어지는 저음속막(22)의 경우에는 주파수 온도 특성을 개선할 수 있다. 더욱이, WO2012/086639에 개시되어 있는 바와 같이, SiO2막의 막 두께를 2λ 이하로 함으로써, 전기기계 결합 계수를 조정할 수 있다.
(제6 실시형태)
도 15는 제6 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다. 탄성파 장치(31)는 저음속막(22)과 재료층(2) 사이에 고음속막(32)이 적층되어 있다. 그 밖의 구성은 탄성파 장치(31)는 탄성파 장치(21)와 동일하다. 고음속막(32)은 전파하는 벌크파의 음속이 압전체(3)를 전파하는 탄성파의 음속보다도 고속인 고음속 재료로 이루어진다. 이와 같은 고음속 재료는 상기 음속 관계를 충족시키는 한 특별히 한정되지 않는다. 저음속막(22)은 상술한 적절한 저음속 재료로 구성할 수 있는데, 본 실시형태에서는 저음속막(22)은 산화규소이다. 또한, 고음속막(32)은 질화규소이다.
고음속막(32)용 고음속 재료로는 질화알루미늄, 산화알루미늄, 탄화규소, 질화규소, 산질화규소, 실리콘, 사파이어, 탄탈산리튬, 니오브산리튬, 수정, 알루미나, 지르코니아, 코디에라이트, 멀라이트, 스테아타이트, 포스테라이트, 마그네시아, DLC막 또는 다이아몬드, 이들 재료를 주성분으로 하는 매질, 이들 재료의 혼합물을 주성분으로 하는 매질 등을 사용할 수 있다.
이와 같이, 고음속막(32)을 추가로 적층한 탄성파 장치(31)에서도 재료층(2)의 탄성 정수 C41~C43, C51~C54, 및 C61~C65 그리고 이들과 대칭인 위치에 있는 탄성 정수 중 적어도 하나의 탄성 정수와, 압전체(3)의 탄성 정수 C41~C43, C51~C54, 및 C61~C65 그리고 이들과 대칭인 위치에 있는 탄성 정수 중 적어도 하나의 탄성 정수가 반대 부호로 되어 있으면 된다. 그로써, 고차 모드를 억제할 수 있다. 이를 도 16 및 도 17에 나타낸다.
질화규소로 이루어지는 고음속막의 막 두께를 0.45λ로 했다. LiTaO3의 오일러 각은 (0°, 140°, 0°)로 하고, 실리콘 단결정의 오일러 각은 제6 실시형태에서 (-45°, -54.7°, 180°)로 했다. 그 밖의 구성은 제5 실시형태와 동일하게 하여, 제6 실시형태에 따른 탄성파 장치를 준비했다. 비교를 위해, 제5 실시형태의 탄성파 장치를 준비했다.
도 16 및 도 17은 제6 실시형태 및 제5 실시형태의 탄성파 장치의 위상 특성을 나타내는 도면이다. 도 16 및 도 17에서 실선이 제6 실시형태의 결과를, 파선이 제5 실시형태의 결과를 나타낸다. 파선에 비해 실선의 특성에 따르면, 4600~4700㎒ 부근의 고차 모드를 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 4700~5000㎒ 부근에서의 위상 특성이 -90°에 가깝기 때문에, 손실의 저감도 달성하는 것이 가능하게 되어 있다. 더욱이, 5000~6000㎒ 부근에 약한 응답의 고차 모드가 생겨 있다. 그러나 질화규소막을 가지지 않는 경우에 비해, 고차 모드의 응답(위상 최대값)의 피크 자체는 작게 되어 있다.
즉, 고음속막(32)을 마련함으로써 고차 모드를 한층 더 효과적으로 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.
(제7 실시형태)
제7 실시형태로서 제6 실시형태의 탄성파 장치(31)에서 고음속막(32)으로서의 질화규소막의 막 두께를 변화시켰다. 도 18은 질화규소막의 막 두께와, 고차 모드의 위상 최대값의 관계를 나타내는 도면이다.
도 18로부터 분명한 바와 같이, 질화규소막의 막 두께가 0.25λ 이상이 되면, 고차 모드의 강도가 거의 -90° 부근까지 저하되는 것을 알 수 있다. 따라서, 바람직하게는 질화규소막의 막 두께는 0.25λ 이상이다. 한편, 도 19는 질화규소막의 막 두께를 변화시킨 경우의 4000㎒~6000㎒의 대역에 발생하는 고차 모드의 위상 최대값의 변화를 나타내는 도면이다.
도 19로부터 분명한 바와 같이, 질화규소막의 막 두께를 0.55λ 이하로 하면, 4000㎒~6000㎒에 나타나는 고차 모드의 위상을 -60°보다도 작게 할 수 있는 것을 알 수 있다.
따라서, 메인 모드로부터 가장 가까운 고차 모드를 억제하면서, 고차 모드의 전체 레벨을 억제하기 위해서는 질화규소막의 막 두께는 0.25λ 이상, 0.55λ 이하의 범위로 하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.
도 20은 제1 실시형태의 변형예에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다. 도 20에 나타내는 탄성파 장치(51)에서는 재료층(2)의 압전체(3)와 접촉하고 있는 측의 면과는 반대 측의 면에 지지 기판(52)이 적층되어 있다. 이와 같이, 재료층(2)을 지지하고 있는 지지 기판(52)이 더 포함되어 있어도 된다. 지지 기판(52)을 구성하는 재료로는 특별히 한정되지 않고, 알루미나, 실리콘 등의 적절한 절연성 세라믹스나 금속 등을 사용할 수 있다.
(제8 실시형태)
제8 실시형태에 따른 탄성파 장치의 적층 구조는 제1 실시형태의 탄성파 장치와 동일하다. 다만, 적층 구조는 이하와 같다. 실리콘으로 이루어지는 두께 0.1λ의 재료층 상에 두께 0.3λ의 LiTaO3으로 이루어지는 압전체가 적층되어 있다. 이 압전체 상에 두께 0.08λ의 Al로 이루어지는 IDT 전극이 마련되어 있다. LiTaO3의 오일러 각을 (0°, 140°, 0°) 로 하고, 실리콘의 오일러 각은 제8 실시형태에서는 (-45°, -54.7°, 180°)로 했다. 또한, 제3 비교예로서 실리콘의 오일러 각이 (-45°, -54.7°, 0°)인 것을 제외하고는 제8 실시형태와 동일하게 하여 탄성파 장치를 제작했다. 실리콘으로 이루어지는 재료층의 하면(下面)을 무반사 흡수단으로 하여 시뮬레이션하고, 고차 모드의 응답을 조사했다.
도 22의 실선은 제8 실시형태의 결과를, 파선은 제3 비교예의 결과를 나타낸다. 제8 실시형태에서도 탄성 정수의 부호가 압전체와 재료층에서 반대 부호로 되어 있다. 그 때문에, 도 22로부터 분명한 바와 같이 고차 모드를 효과적으로 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 재료층은 두께가 있는 지지 기판이 아닌, 얇은 재료층이어도 된다. 또한 제8 실시형태와 같이, 판파의 모드를 여진하는 구조에서도 고차 모드를 억제할 수 있다.
(제9 실시형태)
도 23은 제9 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다. 탄성파 장치(61)는 126.5° Y컷의 니오브산리튬으로 이루어지는 압전체(62)를 가진다. 압전체(62) 상에 IDT 전극(63)이 마련되어 있다. IDT 전극(63)은 Pt막 상에 Al막이 적층되어 있는 적층 금속막으로 했다. Al막의 두께는 0.06λ, Pt막의 두께는 0.02λ로 했다.
또한, IDT 전극(63)을 덮도록 두께 0.3λ의 산화규소막(SiO2막)(64)이 적층 되어 있고, 산화규소막(64) 상에 실리콘으로 이루어지는 재료층(65)이 적층되어 있다. 이와 같이, 압전체(62)의 IDT 전극(63)이 마련되어 있는 주면에 간접적으로 재료층(65)이 적층되어 있다. 제9 실시형태에서는 실리콘의 오일러 각은 (-45°, -54.7°, 180°)로 했다. 제4 비교예로서 실리콘의 오일러 각을 (-45°, -54.7°, 0°)로 한 것을 제외하고는 제9 실시형태와 동일하게 하여 탄성파 장치를 제작했다.
도 24는 제9 실시형태 및 제4 비교예에서 니오브산리튬을 전파하는 레일리파를 이용한 경우의 고차 모드의 응답을 나타내는 도면이다. 도 24의 파선으로 나타내는 바와 같이, 제4 비교예에서는 고차 모드의 응답이 4040㎒ 부근에서 강하게 나타나 있는 것에 반해, 실선으로 나타내는 제9 실시형태에서는 고차 모드의 응답이 거의 흐르고 있지 않은 것을 알 수 있다. 도 24로부터, 이 경우에도 압전체와 재료층에서 탄성 정수를 반대 부호로 함으로써 고차 모드를 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.
(압전체의 두께 및 산화규소막의 두께)
LiTaO3막으로 이루어지는 압전체의 막 두께는 3.5λ 이하가 바람직하다. 그 경우에는 3.5λ를 초과한 경우에 비해 Q값이 높아진다. 보다 바람직하게는 Q값을 보다 높이기 위해서는 LiTaO3막의 막 두께는 2.5λ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 압전체의 막 두께가 2.5λ 이하인 경우, 주파수 온도 계수 TCF의 절대값이 2.5λ를 초과한 경우에 비해 작게 할 수 있다. 보다 바람직하게는 막 두께를 2λ 이하로 하는 것이 바람직하고, 그 경우에는 주파수 온도 계수 TCF의 절대값을 10ppm/℃ 이하로 할 수 있다. 주파수 온도 계수 TCF의 절대값을 작게 하기 위해서는 압전체의 막 두께를 1.5λ 이하로 하는 것이 더 바람직하다.
전기기계 결합 계수 및 비대역의 조정 범위를 넓히기 위해서는 LiTaO3막의 막 두께는 0.05λ 이상, 0.5λ 이하의 범위가 바람직하다.
또한, 산화규소막의 압전체와는 반대 측의 면에 고음속막으로서 다양한 고음속 재료로 이루어지는 막을 적층할 수 있다. 이 경우의 고음속막으로는 질화규소막, 산화알루미늄막 또는 DLC막 등을 이용할 수 있다.
한편, 이 경우, 고음속막의 재질 및 산화규소막의 막 두께를 변경했다고 해도, 전기기계 결합 계수 및 음속이 거의 변화되지 않는 것이 확인되고 있다. 특히, 산화규소막의 막 두께가 0.1λ 이상, 0.5λ 이하에서는 고음속막의 재질 여하에 관계 없이, 전기기계 결합 계수는 거의 변하지 않는다. 또한, 산화규소막의 막 두께가 0.3λ 이상, 2λ 이하이면, 고음속막의 재질 여하에 관계 없이 음속이 변하지 않는다. 따라서, 바람직하게는 산화규소로 이루어지는 저음속막의 막 두께는 2λ 이하, 보다 바람직하게는 0.5λ 이하인 것이 바람직하다.
(탄성파 장치의 구조)
본 발명의 탄성파 장치는 탄성파 공진자이어도 되고, 대역 통과형 탄성파 필터이어도 되며, 탄성파 장치의 전극 구조는 특별히 한정되지 않는다.
도 26은 고주파 프론트 엔드 회로를 가지는 통신 장치의 개략 구성도이다. 통신 장치(240)는 안테나(202)와 고주파 프론트 엔드 회로(230)와 RF 신호 처리 회로(203)를 가진다. 고주파 프론트 엔드 회로(230)는 안테나(202)에 접속되는 회로 부분이다. 고주파 프론트 엔드 회로(230)는 멀티플렉서(210)와 증폭기(221~224)를 가진다. 멀티플렉서(210)는 제1~제4 필터(211~214)를 가진다. 이 제1~제4 필터(211~214)에 상술한 본 발명의 탄성파 장치를 이용할 수 있다. 멀티플렉서(210)는 안테나(202)에 접속되는 안테나 공통 단자(225)를 가진다. 안테나 공통 단자(225)에 수신 필터로서의 제1~제3 필터(211~213) 일단(一端)과, 송신 필터로서의 필터(214)의 일단이 공통 접속되어 있다. 제1~제3 필터(211~213)의 출력단이 증폭기(221~223)에 각각 접속되어 있다. 또한, 제4 필터(214)의 입력단에 증폭기(224)가 접속되어 있다.
증폭기(221~223)의 출력단이 RF 신호 처리 회로(203)에 접속되어 있다. 증폭기(224)의 입력단이 RF 신호 처리 회로(203)에 접속되어 있다.
한편, 멀티플렉서는 복수개의 송신 필터만을 가지는 것이어도 되고, 복수개의 수신 필터를 가지는 것이어도 된다.
본 발명의 탄성파 장치는 탄성파 공진자, 필터, 듀플렉서, 멀티 밴드 시스템에 적용할 수 있는 멀티플렉서, 프론트 엔드 회로 및 통신 장치로서 휴대전화 등의 통신기기에 널리 이용할 수 있다.
1: 탄성파 장치 2: 재료층
3: 압전체 3a, 3b: 제1, 제2 주면
4: IDT 전극 5, 6: 반사기
21, 31, 51, 61: 탄성파 장치 22: 저음속막
32: 고음속막 52: 지지 기판
62: 압전체 63: IDT 전극
64: 산화규소막 65: 재료층
202: 안테나 소자 203: RF 신호 처리 회로
210: 멀티플렉서 211~214: 제1~제4 필터
221~224: 증폭기 225: 안테나 공통 단자
230: 고주파 프론트 엔드 회로 240: 통신 장치

Claims (35)

  1. 오일러 각(φ1, θ1, ψ1)을 가지며, 상기 오일러 각(φ1, θ1, ψ1)에서의 탄성 정수가 하기 식(1)로 나타내지는 재료층과,
    서로 대향하는 제1 및 제2 주면(主面)을 가지며, 상기 제2 주면 측으로부터 상기 재료층에 직접적으로 또는 간접적으로 적층되어 있고, 오일러 각(φ2, θ2, ψ2)을 가지며, 상기 오일러 각(φ2, θ2, ψ2)에서의 탄성 정수가 하기 식(1)로 나타내지는 압전체와,
    상기 압전체의 상기 제1 주면 및 상기 제2 주면 중 적어도 한쪽에 마련되어 있는 IDT 전극을 포함하고,
    상기 재료층의 탄성 정수 C11~C66 중 0이 아닌 적어도 하나의 탄성 정수와, 상기 압전체의 탄성 정수 C11~C66 중 0이 아닌 적어도 하나의 탄성 정수가 반대 부호로 되어 있는, 탄성파 장치.
    Figure pct00015
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재료층의 회전 조작 전의 탄성 정수 cab 0으로 했을 때에, 상기 오일러 각(φ1, θ1, ψ1)에서의 상기 탄성 정수 cab는 식 (cab)=[α]-1[cab 0][β]로 구해지고, 상기 압전체의 상기 오일러 각(φ2, θ2, ψ2)에서의 상기 탄성 정수 cab는 회전 조작 전의 상기 압전체의 탄성 정수를 cab 1로 했을 때에, 식 (cab)=[α]-1[cab 1][β]로 구해지며,
    식 중 α 및 β는 이하와 같이
    Figure pct00016

    이고, 또한, l1, l2, l3, m1, m2, m3, n1, n2 및 n3은 이하와 같이
    l1=cosψcosφ-cosθsinφsinψ
    l2=-sinψcosφ-cosθsinφcosψ
    l3=sinθsinφ
    m1=cosψsinφ+cosθcosφsinψ
    m2=-sinψsinφ+cosθcosφcosψ
    m3=-sinθcosφ
    n1=sinψsinθ
    n2=cosψsinθ
    n3=cosθ
    인, 탄성파 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반대 부호로 되어 있는 탄성 정수가 상기 식(1)에서의 C41~C43, C51~C54, C61~C65, C14, C24, C34, C15, C25, C35, C45, C16, C26, C36, C46 및 C56 중 적어도 하나인, 탄성파 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반대 부호로 되어 있는 탄성 정수가 상기 식(1) 중의 탄성 정수 C41 또는 C14를 포함하는, 탄성파 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 반대 부호로 되어 있는 탄성 정수가 상기 식(1) 중의 탄성 정수 C42 또는 C24를 포함하는, 탄성파 장치.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반대 부호로 되어 있는 탄성 정수가 상기 식(1) 중의 탄성 정수 C56 또는 C65를 포함하는, 탄성파 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 IDT 전극에 의해 여진(勵振)되는 고차 모드의 적어도 일부가 상기 재료층과 상기 압전체 양쪽을 전파하는, 탄성파 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반대 부호로 되어 있는 탄성 정수의 절대값이 1㎬ 이상인, 탄성파 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료층이 상기 압전체를 전파하는 탄성파의 음속보다도 벌크파의 음속이 고속인 고음속 재료인, 탄성파 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료층이 압전체 이외의 재료로 이루어지는, 탄성파 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료층이 단결정으로 이루어지는, 탄성파 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전체가 단결정으로 이루어지는, 탄성파 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전체의 두께가 10λ 이하인, 탄성파 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 압전체의 두께가 3.5λ 이하인, 탄성파 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 압전체의 두께가 2.5λ 이하인, 탄성파 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 압전체의 두께가 1.5λ 이하인, 탄성파 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 압전체의 두께가 0.5λ 이하인, 탄성파 장치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료층이 지지 기판인, 탄성파 장치.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전체가 압전 기판인, 탄성파 장치.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전체는 탄탈산리튬인, 탄성파 장치.
  21. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전체는 니오브산리튬인, 탄성파 장치.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료층은 실리콘으로 이루어지는, 탄성파 장치.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료층에서의 상기 압전체가 적층되어 있는 측과는 반대 측의 면에 적층되어 있는 지지 기판을 더 포함하는, 탄성파 장치.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전체가 압전 기판이고, 상기 압전 기판에 직접적으로 또는 간접적으로 상기 재료층이 적층되어 있는, 탄성파 장치.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전체와 상기 재료층이 적층된 판파의 모드를 여진하는 구조인, 탄성파 장치.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료층과 상기 압전체 사이에 마련되어 있고, 전파하는 벌크파의 음속이 상기 압전체를 전파하는 탄성파의 음속보다도 저속인 저음속막을 더 포함하는, 탄성파 장치.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 저음속막이 산화규소막인, 탄성파 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 저음속막의 두께가 2λ 이하인, 탄성파 장치.
  29. 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저음속막과 상기 재료층 사이에 적층되어 있고, 전파하는 벌크파의 음속이 상기 압전체를 전파하는 탄성파의 음속보다도 고속인 고음속막을 더 포함하는, 탄성파 장치.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 고음속막이 질화규소막인, 탄성파 장치.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 질화규소막의 막 두께가 0.25λ 이상, 0.55λ 이하인, 탄성파 장치.
  32. 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    탄성 표면파 장치인, 탄성파 장치.
  33. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    판파를 여진하는 탄성파 장치인, 탄성파 장치.
  34. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 기재된 탄성파 장치와,
    파워 앰프를 포함하는, 고주파 프론트 엔드 회로.
  35. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 기재된 탄성파 장치와, 파워 앰프를 가지는 고주파 프론트 엔드 회로와,
    RF 신호 처리 회로를 포함하는, 통신 장치.
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