WO2005099089A1

WO2005099089A1 - 弾性表面波デバイス

Info

Publication number: WO2005099089A1
Application number: PCT/JP2005/003998
Authority: WO
Inventors: Takao Morita; Takuya Ohwaki
Original assignee: Toyo Communication Equipment Co., Ltd.
Priority date: 2004-04-01
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2005-10-20
Also published as: EP1732216A1; US7589451B2; US20070194657A1; EP1732216B1; JPWO2005099089A1; KR20060132991A; KR100858324B1; JP4148294B2; EP1732216A4

Abstract

　水晶基板を用いたＳＡＷデバイスにおいて、従来構造よりデバイスサイズが小型で、Ｑ値が高く、周波数温度特性に優れたＳＡＷデバイスを提供することを目的とする。そのために、圧電基板１上に、それぞれ互いに間挿し合う複数本の電極指からなるＩＤＴ２と、該ＩＤＴ２の両側にグレーティング反射器３ａ、３ｂを配置する。前記圧電基板１は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°にした水晶平板であり、励振する弾性表面波はＳＨ波である。また、ＩＤＴ２及びグレーティング反射器３ａ、３ｂはＡｌ又はＡｌを主成分とする合金からなり、弾性表面波の波長をλとした時、波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２に設定する。

Description

明細書

弾性表面波デバイス

技術分野

[0001] 本発明は、水晶基板を用いた弾性表面波デバイスにおいて、デバイスサイズを小型にし、 Q値を高め、周波数温度特性を改善した弾性表面波デバイスに関する。背景技術

[0002] 近年、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：以下、 SAW)デバイスは移動体通信用端末や車載用機器等の部品として幅広く利用され、小型であること、 Q値が高いこと、周波数安定性が優れて、ることが強く要求されて、る。

[0003] これらの要求を実現する SAWデバイスとして、 STカット水晶基板を用いた SAWデバイスがある。 STカット水晶基板は結晶 X軸を回転軸として XZ面を結晶 Z軸より反時計方向に 42. 75° 回転した面 (ΧΖ'面）を持つ水晶板のカット名であり、結晶 X軸方向に伝搬するレイリー波と呼ばれる（P+SV)波である SAW (以下、 STカット水晶 SA Wと称す)を利用する。 STカット水晶 SAWデバイスの用途は、発振素子として用いられる SAW共振子や、移動体通信端末の RF段と IC間に配置される IF用フィルタなど幅広く存在する。

[0004] STカット水晶 SAWデバイスが小型で Q値の高、デバイスを実現できる理由として、 SAWの反射を効率良く利用できる点が挙げられる。以下、図 13に示す STカット水晶 SAW共振子を例に説明する。該 STカット水晶 SAW共振子は、 STカット水晶基板 101上にそれぞれ互いに間挿し合う複数本の電極指を有するくし形電極 (以下、 I DTと称す） 102を配置し、該 IDT102の両側に SAWを反射する為のグレーティング反射器 103a、 103bを配置した構造である。 STカット水晶 SAWは圧電基板の表面に沿って伝搬する波であるので、グレーティング反射器 103a、 103bにより効率良く反射され、 SAWのエネルギーを IDT102内に十分閉じ込めることができるので、小型で且つ Q値の高!、デバイスが得られる。

[0005] 更に、 SAWデバイスを使用する上で重要な要素に周波数温度特性がある。上述の STカット水晶 SAWにおいては、周波数温度特性の 1次温度係数が零であり、その特性は 2次曲線で表され、頂点温度を使用温度範囲の中心に位置するように調整すると周波数変動量が格段に小さくなるので周波数安定性に優れていることが一般的に知られている。

[0006] し力しながら、前記 STカット水晶 SAWデバイスは、 1次温度係数は零である力 2 次温度係数は 0. 034 (ppm/°C²)と比較的大きいので、使用温度範囲を拡大すると周波数変動量が極端に大きくなつてしまうという問題があった。

[0007] 前記問題を解決する手法として、 Meirion Lewis, "Surface Skimming Bulk Wave,

SSBW", IEEE Ultrasonics Symp. Proc, pp.744— 752 (1977)及び特公昭 62— 01605 0号に開示された SAWデバイスがある。この SAWデバイスは、図 14に示すように回転 Yカット水晶基板のカット角 0を結晶 Z軸より反時計方向に 50° 回転した付近に設定し、且つ、 SAWの伝搬方向を結晶 X軸に対して垂直方向（Ζ'軸方向）にしたことが特徴である。なお、前述のカット角をオイラー角で表示する場合は (0° , Θ + 90 ° , 90° ) = (0° , 40° , 90° )となる。この SAWデバイスは、圧電基板の表面直下を伝搬する SH波を IDTによって励起し、その振動エネルギーを電極直下に閉じ込めることを特徴としていて、周波数温度特性が 3次曲線となり、使用温度範囲における周波数変動量が極めて少なくなるので良好な周波数温度特性が得られる。

[0008] し力しながら、前記 SH波は基本的に基板内部に潜って進んでいく波である為、圧電基板表面に沿って伝搬する STカット水晶 SAWと比較してグレーティング反射器による SAWの反射効率が悪い。従って、小型で高 Qな SAWデバイスを実現し難いという問題がある。また、前述の先行文献においても SAWの反射を利用しない遅延線としての応用については開示されているものの、 SAWの反射を利用する手段は提案されておらず実用は困難であると言われてヽた。

[0009] この問題を解決すベぐ特公平 01— 034411号では、図 15に示すように回転 Yカツト水晶基板のカット角 Θを 50° 付近に設定し、 SAWの伝搬方向を結晶 X軸に対し垂直方向（Ζ'軸方向）にした圧電基板 111上に 800± 200対もの多対の IDT112を形成することにより、グレーティング反射器を利用せず IDT112自体の反射だけで S AWエネルギーを閉じ込め高 Q化を図った所謂多対 IDT型 SAW共振子が開示されている。 [0010] しカゝしながら、前記多対 IDT型 SAW共振子はグレーティング反射器を設けた SAW 共振子と比較して効率的なエネルギー閉じ込め効果が得られず、高い Q値を得るのに必要な IDT対数が 800± 200対と非常に多くなつてしまうので、 STカット水晶 SA W共振子よりもデバイスサイズが大きくなつてしま、、近年の小型化の要求に応えることができな!/ヽと!ヽぅ問題があった。

[0011] また、前記特公平 01— 034411号に開示されている SAW共振子においては、 IDT にて励振された SAWの波長をえとした時、電極膜厚を 2% λ以上、好ましくは 4% λ 以下にすることにより Q値を高めることができるとされており、共振周波数 200MHzの場合、 4% λ付近で Q値が飽和に達する力その時の Q値は 20000程度し力得られず STカット水晶 SAW共振子と比較してもほぼ同等の Q値し力得られない。この原因として、膜厚が 2% λ以上 4% λ以下の範囲では SAWが圧電基板表面に十分集まつて、な、ので反射が効率良く利用できな！/、ことが考えられる。

特許文献 1：特公昭 62 - 016050号

特許文献 2：特公平 01 - 034411号

非特許文献 1 : Meirion Lewis, "Surface Skimming Bulk Wave, SSBW", IEEE

Ultrasonics Symp. Proc, pp.744一 752 (1977)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0012] 解決しょうとする問題点は、圧電基板に STカット水晶基板を用いると周波数温度特性の 2次温度係数が 0. 034 (ppm/°C²)と大きいので実用上の周波数変動量が極端に大きくなつてしまう点であり、また特公平 01— 034411号に開示されている SAW デバイスの構造では、 IDTの対数を非常に多くしなければならな、のでデバイスサイズが大型になってしまう点である。

課題を解決するための手段

[0013] 上記課題を解決するために本発明に係る SAWデバイスの請求項 1に記載の発明は、圧電基板と、該圧電基板上に形成され A1又は A1を主成分とする合金からなる ID Tとを備え、励振波を SH波とした SAWデバイスであって、前記圧電基板は回転 Y力ット水晶基板のカット角 Θを結晶 Z軸より反時計方向に 64. 0° < Θ 49. 3° の範囲に設定し、且つ、 SAWの伝搬方向を結晶 X軸に対し 90° ± 5° とした水晶平板であり、励振する SAWの波長をえとした時、前記 IDTの波長で基準化した電極膜厚 H / を 0. 04<Η/ λ < 0. 12としたことを特徴とする。

[0014] 請求項 2に記載の発明は、前記 SAWデバイスはカット角 Θ及び電極膜厚 HZ λの関係が、—1.34082 X 10—⁴ X 0 -2.34969 X 10— ² X Θ -1.37506 X Θ -26.7895<Η/ λ < - 1.02586 X 10—⁴ X Θ ³— 1.73238 X 10— ² X Θ -0.977607 X Θ— 18.3420を満足していること特徴とする。

[0015] 請求項 3に記載の発明は、前記 IDTを構成する電極指の電極指幅 Ζ (電極指幅 + 電極指間のスペース）をライン占有率 mrとした時に、カット角 Θ及び電極膜厚とライン占有率の積 ΗΖ λ X mrの関係力 —8.04489 X 10— ⁵ X Θ ³— 1.40981 X 10— ² X Θ ²— 0.825038 X θ -16.0737<Η/ λ X mr<— 6.15517 X 10— ⁵ X θ ³— 1.03943 X 10— ² X θ ² -0.586564 X θ—11.0052を満足していることを特徴とする。

[0016] 請求項 4に記載の発明は、圧電基板と、該圧電基板上に形成され A1又は A1を主成分とする合金カゝらなる IDTとを備え、励振波を SH波とした SAWデバイスであって、前記圧電基板は回転 Yカット水晶基板のカット角 Θを結晶 Z軸より反時計方向に 61 . 4° < Θく— 51. 1° の範囲に設定し、且つ、 SAWの伝搬方向を結晶 X軸に対し 9 0° ± 5° とした水晶平板であり、励振する SAWの波長をえとした時、前記 IDTの波長で基準化した電極膜厚 Η/ λを 0. 05く Η/ λく 0. 10としたことを特徴とする。

[0017] 請求項 5に記載の発明は、カット角 Θ及び電極膜厚 ΗΖ λの関係が、 -1.44605 X

10— ⁴ X Θ ³— 2.50690 X 10— ² X Θ -1.45086 X θ -27.9464<Η/ λ < -9.87591 X 10"⁵ X 0 3—1.70304 X 10— ² X Θ -0.981173 X 0—18.7946を満足していることを特徴とする

[0018] 請求項 6に記載の発明は、前記 IDTを構成する電極指の電極指幅 Ζ (電極指幅 + 電極指間のスペース）をライン占有率 mrとした時に、カット角 Θ及び電極膜厚とライン占有率の積 ΗΖ λ 1111：の関係カー8.67632 10—⁵ Θ ³— 1.50414 X 10— ² X Θ - 0.870514 X θ -16.7678<Η/ λ X mr<—5.92554 X 10— ⁵ X θ ³— 1.02183 X 10— ² X θ ² -0.588704 X θ—11.2768を満足していることを特徴とする。

[0019] 請求項 7乃至 14に記載の発明は、前記 SAWデバイスは、 1ポート SAW共振子、 2 ポート SAW共振子、横結合型多重モードフィルタ、縦結合型多重モードフィルタ、ラダー型 SAWフィルタ、 SAWを双方向或、は一方向に伝搬させる IDTを配置したトランスバーサル SAWフィルタ、又は SAWセンサの!/、ずれかであることを特徴とする。

[0020] 請求項 15に記載の発明は、前記 SAWデバイスは IDTの両側にグレーティング反射器を有することを特徴とする。

[0021] 請求項 16に記載の発明は、請求項 1乃至 15のいずれかに記載の SAWデバイスを用いたモジュール装置、又は発振回路であることを特徴とする。

発明の効果

[0022] 本発明の請求項 1、 4に記載の SAWデバイスは、カット角 Θ力 64. 0° く 0く 4 9. 3° 、好ましくは 61. 4° < Θく— 51. 1° の範囲にある回転 Yカット水晶基板を用い、 SAWの伝搬方向が結晶 X軸に対して 90° ± 5° として励振される SH波を用 V、、 IDTやグレーティング反射器の電極材料を Aほたは A1を主とした合金にて構成し、波長で基準化した電極膜厚 ΗΖ λを 0.04く ΗΖ λく 0.12、好ましくは 0. 05く Η/ λ < 0. 10とすることで、本来基板内部に潜って進んでいく波を基板表面に集中させてグレーティング反射器等により SAWの反射を効率良く利用できるようにしたので、 STカット水晶 SAWデバイスと比較して小型で Q値が高ぐ且つ周波数安定性が優れた SAWデバイスを提供することができる。

[0023] 請求項 2、 5に記載の電極膜厚 HZ λとカット角 Θの条件を満足することにより、頂点温度 Tp (°C)を実用的な温度範囲内に設定することができる。

[0024] 請求項 3、 6に記載の電極膜厚とライン占有率の積 HZ λ X mrとカット角 Θの条件を満足することにより、頂点温度 Tp (°C)を実用的な温度範囲内に設定することができる。

[0025] 請求項 7乃至 14のいずれかに記載の種々の方式の SAWデバイスを用いれば、小型で Q値が高ぐ且つ周波数安定性が優れた SAWデバイスを提供することができる

[0026] 請求項 15に記載の SAWデバイスは、 IDTの両側にグレーティング反射器を配置して SAWのエネルギーを前記 IDT内に十分閉じ込めることができるので、小型で Q値が高、SAWデバイスを提供することができる。 [0027] 請求項 16に記載のモジュール装置、又は発振回路は、本発明の SAWデバイスを用いているので小型で高性能なモジュール装置、又は発振回路を提供することができる。

発明を実施するための最良の形態

[0028] 以下、本発明を図面に図示した実施の形態例に基づいて詳細に説明する。図 1 (a )は本発明に係る SAW共振子の平面図を示しており、圧電基板 1上に正電極指と負電極指とがそれぞれ互いに間挿し合う IDT2と、該 IDT2の両側に SAWを反射する為のグレーティング反射器 3a、 3bとを配置する。そして、前記 IDT2の入出力パッド 4 a、 4bとパッケージ 6の入出力用端子とを金属ワイヤ 5a、 5bにより電気的に導通し、ノッケージ 6の開口部を蓋 (リツド)で気密封止する。圧電基板 1は、図 14に示すように回転 Yカット水晶基板のカット角 0を結晶 Z軸より反時計方向に—50° 回転した付近に設定し、 SAWの伝搬方向を結晶 X軸に対しほぼ垂直方向（90° ± 5° )にした水晶平板であって、励振する SAWは SH波である。なお、 IDT2及びグレーティング反射器 3a、 3bの電極材料は A1又は A1を主成分とする合金である。また、図 1 (b)は I DT2の断面図を示しており、本実施例においては IDT2上を励振する SAWの波長を λとした時に電極膜厚を波長で基準化した値 HZ λで表し、 IDT2を構成する電極指の電極指幅 LZ (電極指幅 L+電極指間のスペース S)をライン占有率 mrとした時に mr=0. 60として!/ヽる。

[0029] 本発明においては、従来の欠点を鑑みて電極膜厚 ΗΖ λを従来より大きく設定することで、 SAWを圧電基板表面に集中させて、グレーティング反射器により SAWの反射を効率良く利用できるようにし、少なヽ IDT対数やグレーティング反射器本数でも SAWエネルギーを IDT内に閉じ込めるようにしてデバイスサイズの小型化を図つた。

[0030] 一般的に SAW共振子における最適設計とは、周波数温度特性が優れており、 Q が高く且つ容量比 γの小さいもの、即ち性能指数 (QZ y )が大きいことが重要である。ここで、本発明の SAW共振子の諸特性について調べた。図 2は、図 1に示す SA W共振子において、圧電基板 1に 51° 回転 Yカット 90° X伝搬水晶基板 (オイラー角表示では (0° ,39° ,90° ；) )を用い、共振周波数を 315MHz、電極膜厚 ΗΖ λ を 0. 06、 IDT2の対数を 100対、グレーティング反射器 3a、 3bの本数を各々 100本とした場合の共振子の諸特性を表している。図 2 (a)に Q値、性能指数、 2次温度係数を、図 2 (b)に周波数温度特性を実際の試作結果に基づき示している。また、比較の為に、圧電基板のサイズを同じにした STカット水晶 SAW共振子の諸特性を従来品として併記した。

[0031] 図 2より本発明の SAW共振子と従来の STカット水晶 SAW共振子とを比較すると、 Q値が 1. 8倍強、性能指数が約 2倍と大きい値が得られている。また、周波数温度特性については、頂点温度 Tpは約 + 25°Cが得られ、温度による周波数変動量は従来の約 0. 6倍程度に小さくなるという非常に優れた効果が確認された。

[0032] 更に、本発明の SAW共振子は STカット水晶 SAW共振子よりも良好な Q値を保ちながら圧電基板のサイズを小型化できる。これは、本発明の SAW共振子の電極膜厚 HZ λの増加に対する IDT又はグレーティング反射器での SAWの反射量の増加分が、 STカット水晶 SAW共振子と比較して著しく大きいことに起因する。即ち、本発明の SAW共振子は電極膜厚 HZ λを大きくすることで、 STカット水晶 SAW共振子よりも少な!/ヽ IDT対数又はグレーティング反射器本数で高ヽ Q値を実現可能である。

[0033] 図 3は本発明の SAW共振子における電極膜厚 HZ λと Q値の関係を示したものであり、共振子設計条件は前述と同等である。同図より、 0. 04<Η/ λ < 0. 12の範囲において STカット水晶 SAW共振子の Q値（ = 15000)を上回る値が得られること力 ^s分力る。更に、 0. 05<H / < 0. 10の範囲に設定することにより 20000以上ちの高い Q値が得られる。

[0034] また、特公平 01— 034411号にある多対 IDT型 SAW共振子と本発明の SAW共振子の Q値を比較すると、特公平 01— 034411号で得られている Q値は共振周波数が 207. 561 (MHz)における値であり、これを本実施例で適用している共振周波数 31 5 (MHz)に変換すると Q値は 15000程度となり、 STカット水晶 SAW共振子とほぼ同等である。また、共振子のサイズを比較すると、特公平 01— 034411号の多対 IDT型 SAW共振子は 800 ± 200対もの対数が必要なのに対し、本発明では IDTとグレーティング反射器の両方で 200対分の大きさで十分であるので格段に小型化できる。従って、電極膜厚を 0. 04<Η/ λ < 0. 12の範囲に設定し、グレーティング反射器を設けて効率良く SAWを反射することで、特公平 01— 034411号に開示されている多対 IDT型 SAW共振子よりも小型で且つ Q値が高い SAWデバイスを実現できる。

[0035] 次に、図 4は本発明の SAW共振子における電極膜厚 HZ λと 2次温度係数の関係を示したものであり、共振子設計条件は前述と同等である。同図より、高い Q値が得られる 0. 04< Η/ λ < 0. 12の範囲において STカット水晶 SAW共振子の 2次温度係数 0. 034 (ppmZ°C²)よりも良好な値が得られることが分かる。

[0036] 以上より、電極膜厚 ΗΖ λを 0. 04< Η/ λ < 0. 12の範囲に設定することで、 ST カット水晶 SAWデバイス及び特公平 01— 034411号に開示されている SAWデバイスよりも小型で Q値が高ぐ且つ周波数安定性に優れた SAWデバイスを提供できる。

[0037] また、これまでカット角 Θを 51° とした場合についてのみ示してきた力本発明の SAW共振子においてはカット角 Θを変えても膜厚依存性は大きく変化せず、—51° から数度ずれたカット角にお、ても電極膜厚を 0.04 < Η/ λ < 0.12の範囲に設定することで、良好な Q値と 2次温度係数が得られる。

[0038] ところで、本発明の SAW共振子は、非常に広、温度範囲では 3次的な温度特性となるが、特定の狭い温度範囲では 2次特性と見なすことができ、その頂点温度 Tpは電極膜厚やカット角によって変化する。従って、いくら周波数温度特性が優れていても頂点温度 Tpが使用温度範囲外となってしまうと周波数安定性は著しく劣化してしまうので、実用的な使用温度範囲 (一 50°C— + 125°C)において優れた周波数安定性を実現するには、 2次温度係数だけでなく頂点温度 Tpについても詳細に検討する必要がある。

[0039] 図 5 (a)は、本発明の SAW共振子においてカット角 0を 50. 5° とした時の電極膜厚 ΗΖ λと頂点温度 Tpの関係を示している。同図から明らかなように、電極膜厚 H / λを大きくすると頂点温度 Tpは下がり、電極膜厚 HZ λと頂点温度 Tpの関係は次の近似式で表わされる。

Τρ(Η/ λ )=-41825 X (Η/ λ )² + 2855.4 X (Η/ λ )-26.42 · · · (1)

また、—50° 近傍のカット角においても切片を除けばおおよそ（1)式が適用できる。

[0040] また、図 5 (b)は、本発明の SAW共振子において電極膜厚 HZ λを 0. 06とした時のカット角 Θと頂点温度 Tpの関係を示している。同図から明らかなように、カット角 Θ の絶対値を小さくすると頂点温度 Tpは下がり、カット角 Θと頂点温度 Τρの関係は次の近似式で表わされる。

Τρ( Θ )=-43.5372 X Θ -2197.14 · · · (2)

[0041] 式（1)及び式（2)から電極膜厚 ΗΖ λを 0. 04く ΗΖ λく 0. 12とした時に頂点温度 Tpを実用的な使用温度範囲 (一 50— + 125°C)に設定するには、カット角 Θを 5

9. 9° ≤ Θ 48. 9° の範囲に設定すれば良いことが分力る。

[0042] また、電極膜厚 ΗΖ λとカット角 Θの双方を考慮する場合、頂点温度 Tpは式（1) 及び式（2)力次の近似式で表わされる。

Τρ(Η/ λ , θ )=Τρ(Η/ λ )+Τρ( θ )=-41825 X (Η/ λ )²+2855.4 X (Η/ λ )-43.5372 X θ -2223.56 · · · (3)

式（3)より、頂点温度 Tpを使用温度範囲 (-50— + 125°C)に設定するには、次式で表される範囲に電極膜厚 ΗΖ λ及びカット角 Θを設定すれば良い。

0.9613≤-18.498 X (Η/ λ )²+1.2629 X (Η/ λ )-0.019255 X Θ≤ 1.0387 · · · (4)

[0043] このように、本発明ではカット角 Θ力 59. 9° ≤ 0≤-48. 9° の範囲にある回転 Υカット水晶基板を用い、 SAWの伝搬方向が X軸に対してほぼ垂直方向として励振される SH波を用い、 IDTやグレーティング反射器の電極材料を Aほたは A1を主とした合金にて構成し、その電極膜厚 Η/ λを 0. 04< Η/ λ < 0. 12とすることで、 ST カット水晶 SAWデバイスより小型で、且つ Q値が大きぐ且つ周波数安定性の優れて!、る SAWデバイスを実現できる。

[0044] ここで、より最適な条件について検討すると、電極膜厚 HZ λは図 3より Q値が 200 00以上得られる 0. 05< Η/ λ < 0. 10の範囲に設定するのが好ましい。また、頂点温度 Tpをより実用的な使用温度範囲（0° — + 70°C)に設定する為には、カット角 Θ は 55. 7° ≤ Θ ≤-50. 2° の範囲に設定するのが好ましぐ更には、式（3)より得られる次式の範囲にカット角 Θ及び電極膜厚 ΗΖ λを設定するのが好ましい。

0.9845≤-18.518 X (Η/ λ )²+ 1.2643 X (Η/ λ )-0.019277 X Θ≤ 1.0155 · · · (5)

[0045] 以上では、図 5 (a)のカット角 Θを 50. 5° とした時の電極膜厚 HZ λと頂点温度 Tpの関係、及び図 5 (b)の電極膜厚 ΗΖ λを 0. 06とした時のカット角 Θと頂点温度 Tpの関係から、頂点温度 Tpが実用的な使用温度範囲に入るような電極膜厚 HZ λ とカット角 Θの関係式を導き出したが、更にカット角 Θの範囲を広げて実験を行ったところ、より詳細な条件を見出すことができたので以下説明する。

[0046] 図 6は、前記 SAW共振子において頂点温度 Tp(°C)が Tp=—50, 0, +70, +12 5である時の水晶基板のカット角 Θと電極膜厚 ΗΖλの関係を示しており、各 Τρ特性の近似式は以下の通りである。

Tp=-50(°C)： Η/λ =-1.02586 X10"⁴X 0³— 1.73238 X 10— ² X Θ -0.977607 X Θ -18.3420

Tp = 0(°C)： Η/λ =-9.87591 X10"⁵X 0³— 1.70304 X 10— ² X θ -0.981173 X θ— 18.7946

Tp= + 70(°C)： Η/λ =-1.44605 XI 0"⁴Χ 0³— 2.50690 X 10— ² X θ -1.45086 X θ -27.9464

Tp= + 125(°C)： Η/λ =-1.34082 Χ10"⁴Χ 0 -2.34969 X 10— ² X θ -1.37506 X θ -26.7895

[0047] 図 6から、頂点温度 Τρ (°C)を実用的な範囲である— 50≤Tp≤ + 125に設定するには、 Tp=— 50°C及び Tp= + 125°Cの曲線に囲まれた領域、即ち、 1.34082X10 — ⁴Χ Θ ³— 2.34969 XI 0—² X Θ -1.37506 X 0— 26.7895 <Η /えく—1.02586 X 10— ⁴ X Θ ³— 1.73238 X 10— ² X Θ -0.977607 X Θ—18.3420となるようにカット角 Θ及び電極膜厚 ΗΖ λを設定すれば良いことが分かる。また、この時の電極膜厚 ΗΖ λの範囲は、従来の STカット水晶デバイスより優れた特性が得られる 0.04<Η/λ<0.12とし、カット角 Θの範囲は図 6の点 Αから点 Βに示す範囲の— 64.0< Θ <一 49.3とする必要がある。

[0048] 更に、より最適な条件について検討すると、頂点温度 Tp (°C)はより実用的な使用温度範囲である 0≤Tp≤ +70に設定するのが望ましい。 Tp(°C)を前述の範囲に設定するには、図 6に示す Tp = 0°C及び Tp= + 70°Cの曲線に囲まれた領域、即ち、 1.44605X10— ⁴ X 0³— 2.50690 X 10— ² X Θ -1.45086 X θ -27.9464<Η/ λ <- 9.87591X10— ⁵Χ 0³— 1.70304 X 10— ² X θ -0.981173 X θ—18.7946となるようにカット角 Θ及び電極膜厚 ΗΖ λを設定すれば良い。また、電極膜厚 ΗΖ λは Q値が 2000 0以上得られる 0.05<Η/λ<0.10の範囲にするのが望ましぐ電極膜厚を前述の範囲とし、頂点温度 Tp(°C)を 0≤Tp≤+70の範囲内に設定するには、カット角 Θ を図 6(a)の点 Cから点 Dに示す範囲の— 61.4< Θく— 51. 1に設定する必要がある

[0049] 以上、詳細に検討した結果、カット角 Θカ 64. 0° < Θく 49. 3° 、好ましくは— 61.4° く 0く— 51. 1° の範囲にある回転 Υカット水晶基板を用い、 SAWの伝搬方向が X軸に対してほぼ垂直方向として励振される SH波を用ヽ、 IDTやグレーティング反射器の電極材料を Aほたは A1を主とした合金にて構成し、その電極膜厚 H/ λを 0. 04<Η/λ <0. 12、好ましくは 0. 05<Η/λ <0. 10とすることで、 ST力ット水晶 SAWデバイスより Q値が大きく優れた温度特性が得られると共に、頂点温度 Tpを実用的な使用温度範囲内に設定できることを見出した。

[0050] ところで、これまで IDTのライン占有率 mrを 0. 60と固定した時の例について説明してきたが、以下ではライン占有率を変数に含めた場合の Tp特性について検討した。

[0051] 図 7は、電極膜厚とライン占有率の積 HZ λ Xmrと頂点温度 Tpの関係を示している。なお、縦軸は頂点温度 Tp(°C)を、横軸は電極膜厚とライン占有率との積 ΗΖλ Xmrを示しており、この時の水晶基板のカット角 Θは 51. 5° としている。同図に示すように、電極膜厚とライン占有率の積 ΗΖλ Xmrの値を大きくする程、頂点温度 T pは下がることが分かる。

[0052] 次に、図 8は頂点温度 Tp(°C)が Tp=—50, 0, +70, + 125である時の水晶基板のカット角 Θと電極膜厚とライン占有率の積 ΗΖλ Xmrの関係を示している。なお、各 Tp特性の近似式は以下の通りである。

Tp=-50(°C) :Η/λ Xmr=— 6.15517X10— ⁵ X 0³— 1.03943 X 10— ² X θ - 0.586564 X Θ 11.0052

Tp = 0(°C) :Η/λ Xmr=— 5.92554X10— ⁵ X 0³— 1.02183 X 10— ² X Θ -0.588704 X Θ -11.2768

Tp= + 70(°C) :Η/λ Xmr =-8.67632 X10"⁵X 0³— 1.50414 X 10— ² X Θ - 0.870514 X Θ -16.7678

Tp= + 125(°C) :Η/λ Xmr=— 8.04489X10— ⁵ X 0 -1.40981 X 10— ² X Θ - 0.825038 X Θ -16.0737 [0053] 図 8から、頂点温度 Tp (°C)を実用的な範囲である— 50≤Tp≤ + 125に設定するには、 Tp=—50°C及び Tp= + 125°Cの曲線に囲まれた領域、即ち、 8.04489 X 10 — ⁵ X 0 3—1.40981 X 10— ² X Θ -0.825038 X θ -16.0737<Η/ λ X mrく— 6.15517 X 10— ⁵ X θ ³— 1.03943 X I 0—² X θ -0.586564 X θ—11.0052となるようにカット角 Θ及び電極膜厚とライン占有率の積 ΗΖ λ X mrを設定すれば良いことが分かる。また、この時の電極膜厚 HZ λの範囲は従来の STカット水晶デバイスより優れた特性が得られる 0. 04<Η/ λ < 0. 12とし、カット角 Θの範囲は一 64. 0< Θ <一 49. 3とする必要がある。

[0054] また、頂点温度 Tp (°C)をより実用的な使用温度範囲である 0≤Tp≤ + 70に設定するには、図 8に示す Tp = 0°C及び Tp= + 70°Cの曲線に囲まれた領域、即ち、 8.67632 X 10— ⁵ X 0 ³— 1.50414 X 10— ² X Θ -0.870514 X θ -16.7678<Η/ λ X mr< 5.92554 X 10— ⁵ X θ ³— 1.02183 X 10— ² X θ -0.588704 X θ—11.2768となるようにカツト角 Θ及び電極膜厚とライン占有率の積 ΗΖ λ X mrを設定すれば良い。また、この時の電極膜厚 ΗΖ λは Q値が 20000以上得られる 0. 05<Η/ λ < 0. 10とするのが望ましぐ電極膜厚を前述の範囲とし、且つ、頂点温度丁 (° を0≤丁 ≤+ 70の範囲内に設定するには、カット角 Θは— 61. 4< Θ <一 51. 1とするのが望ましい。

[0055] これまで、図 1に示すような 1ポートの SAW共振子についてのみ言及してきた力それ以外の SAWデバイスにおいても本発明を適用できる。以下、種々の SAWデバイスの構造にっ、て説明する。

[0056] 図 9は圧電基板 31上に SAWの伝搬方向に沿って IDT32、 33を配置し、その両側にグレーティング反射器 34a、 34bを配置した 2ポート SAW共振子を示しており、 1ポート SAW共振子と同じく高い Q値を実現できる。

[0057] 図 10は、共振子フィルタの 1つの方式として SAW共振子の音響結合を利用した 2 重モード SAW (DMS)フィルタを示しており、 (a)は圧電基板 41上に SAW共振子 4 2を伝搬方向に対して平行に近接配置した横結合型 DMSフィルタ、 (b)は圧電基板 51上に IDT52からなる SAW共振子を SAWの伝搬方向に沿って配置した 2ポートの縦結合型 DMSフィルタである。前記横結合型 DMSフィルタは伝搬方向に対し垂直方向の音響結合を利用し、前記縦結合型 DMSフィルタは伝搬方向に対し水平方向の音響結合を利用している。これら DMSフィルタは平坦な通過帯域と良好な帯域外抑圧度が得られる特徴がある。なお、前記縦結合型 DMSフィルタは、通過域近傍を高減衰にするために SAW共振子を接続する場合がある。また、更に高次のモードを利用した多重モード SAWフィルタや、伝搬方向に対し垂直方向と水平方向の双方で音響結合させた多重モード SAWフィルタにも応用できる。

[0058] 図 11は、共振子フィルタの別の方式として、圧電基板 61上に複数の 1ポート SAW 共振子 62を直列、並列、直列と梯子 (ラダー)状に配置してフィルタを構成したラダー型 SAWフィルタを示して!/、る。ラダー型 SAWフィルタは前記 DMSフィルタと比較して通過域近傍の減衰傾度が急峻なフィルタ特性が得られる。

[0059] 図 12は、トランスバーサル SAWフィルタを示しており、（a)は圧電基板 71上に SA Wの伝搬方向に沿って入力用 IDT72と出力用 IDT73を所定の間隙をあけて配置したトランスバーサル SAWフィルタである。なお、前記 IDT72、 73は双方向に SAWを伝搬させる。また、入出力端子間の直達波の影響を防ぐためにシールド電極 74を設けたり、基板端面力もの不要な反射波を抑圧するために圧電基板 71の両端に吸音材 75を塗布する場合がある。トランスバーサル SAWフィルタは、振幅特性と位相特性を別々に設計可能であり、帯域外抑圧度が高いため IF用フィルタとして多用されている。

[0060] 前記トランスバーサル SAWフィルタにおいて、 SAWは伝搬方向に沿って左右に等しく伝搬するためフィルタの挿入損失が大きくなつてしまうという問題がある。この問題を解決する手法として、図 12 (b)に示すように電極指配列や電極指幅を変化させることにより SAWの励振及び反射に重み付けを施して SAWの励振を一方向性にした所謂単相一方向性電極（Single Phase Uni- Directional Transducer: SPUDT) 82、 8 3を配置したトランスバーサル SAWフィルタがある。 SAWの励振が一方向性となるので低損失なフィルタ特性が得られる。また、他の構造として、 IDTの励振電極間にグレーティング反射器を配置した所謂反射バンク型トランスバーサル SAWフィルタ等がある。

[0061] 以上の種々の SAWデバイスにおいて、圧電基板に回転 Yカット水晶基板のカット角 Θを結晶 Z軸より反時計方向に 64. 0° < Θ <一 49. 3° 、好ましくは 61. 4° < 0 <— 51. 1° の範囲に設定し、弾性表面波の伝搬方向を結晶 X軸に対し 90° ± 5° した水晶平板を用い、電極膜厚 ΗΖ λを 0. 04く ΗΖ λく 0. 12、好ましくは 0 . 05<Η/ λ < 0. 10の範囲に設定すれば、本発明と同様な効果が得られることは明らかである。

[0062] また、上述の SAWデバイスにおいて、 IDTやグレーティング反射器上に SiO等の

2 保護膜や A1を陽極酸ィ匕した保護膜等を形成したり、 A1電極の上部あるいは下部に密着層あるいは耐電力向上等の目的で別の金属薄膜を形成した場合においても、本発明と同様の効果を得られることは明らかである。また、センサ装置やモジュール装置、発振回路等に本発明の SAWデバイスが適用できることは言うまでもない。また、電圧制御 SAW発振器 (VCSO)等に本発明の SAWデバイスを用いれば、容量比 yを小さくできるので周波数可変幅を大きくとれる。

[0063] また、本発明の SAWデバイスは、図 1に示すような SAWチップとパッケージをワイャボンディングした構造以外でも良ぐ SAWチップの電極パッドとパッケージの端子とを金属バンプで接続したフリップチップボンディング (FCB)構造や、配線基板上に SAWチップをフリップチップボンディングし SAWチップの周囲を榭脂封止した CSP ( Chip Size Package)構造、或いは、 SAWチップ上に金属膜や榭脂層を形成することによりパッケージや配線基板を不要とした WLCSP (Wafer Level Chip Size Package) 構造等にしても良い。更には、水晶デバイスを水晶又はガラス基板で挟んで積層封止した AQP (M Quartz Package)構造としても良い。前記 AQP構造は、水晶又はガラス基板で挟んだだけの構造であるのでパッケージが不要で薄型化が可能であり、低融点ガラス封止や直接接合とすれば接着剤によるアウトガスが少なくなりエージング特性に優れた効果を奏する。

図面の簡単な説明

[0064] [図 1]本発明に係る SAW共振子を説明する図であり、（a)は平面図、（b)は IDTの断面図である。

[図 2]本発明に係る SAW共振子と従来品の比較を示したものであり、 (a)は Q値及び性能指数及び 2次温度係数の比較を示す図、 (b)は周波数温度特性の比較を示す図である。 [図 3]本発明に係る SAW共振子の電極膜厚 Η/ λと Q値との関係を示す図である。

[図 4]本発明に係る SAW共振子の電極膜厚 H, λと 2次温度係数との関係を示す図である。

[図 5] (a)は本発明に係る SAW共振子の電極膜厚 HZ λと頂点温度 Τρの関係を示す図、（b)はカット角 Θと頂点温度 Tpの関係を示す図である。

[図 6]本発明に係る SAW共振子の頂点温度 Tp (°C)が Τρ =—50, 0, + 70, + 125 である時のカット角 Θと電極膜厚 ΗΖ λの関係を示す図である。

[図 7]本発明に係る SAW共振子の電極膜厚とライン占有率の積 H, λ X mrと頂点温度 Tpの関係を示す図である。

[図 8]本発明に係る SAW共振子の頂点温度 Tp (°C)が Tp =—50, 0, + 70, + 125 である時のカット角 Θと電極膜厚とライン占有率の積 ΗΖ λ X mrの関係を示す図である。

[図 9]本発明に係る 2ポート SAW共振子を説明する図である。

[図 10]本発明に係る DMSフィルタを説明する図であり、 (a)は横結合型 DMSフィルタを示す図、（b)は縦結合型 DMSフィルタを示す図である。

[図 11]本発明に係るラダー型 SAWフィルタを説明する図である。

[図 12]本発明に係るトランスバーサル SAWフィルタを説明する図であり、 (a)は双方向に SAWを励振させる IDTを配置したトランスバーサル SAWフィルタを示す図、（b

)は一方向に SAWを励振させる IDTを配置したトランスバーサル SAWフィルタを示す図である。

[図 13]従来の STカット水晶 SAW共振子を説明する図である。

[図 14] (a)及び (b)は 50° 回転 Yカット 90° X伝搬水晶基板を説明する図である。

[図 15]従来の多対 IDT型 SAW共振子を説明する図である。

符号の説明

1 圧電基板

2 IDT

3a, 3b グレーティング反射器

4a, 4b 入出力用パッド a、 5b 金属ワイヤ

パッケージ

1 圧電基板

2、 33 IDT

4a、 34b グレーティング反射器1 圧電基板

2 SAW共振子

1 圧電基板

2 IDT

1 圧電基板

2 1ポート SAW共振子1 圧電基板

2 入力用 IDT

3 出力用 IDT

シールド電極

5 吸音材

2、 83 —方向性電極

Claims

請求の範囲

[1] 圧電基板と、該圧電基板上に形成され A1又は A1を主成分とする合金からなる IDT とを備え、励振波を SH波とした弾性表面波デバイスであって、

前記圧電基板は、回転 Yカット水晶基板のカット角 Θを結晶 Z軸より反時計方向に -64. 0° < Θ <一 49. 3° の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶 X 軸に対し 90° ±5° とした水晶平板であり、

励振する弾性表面波の波長をえとした時、前記 IDTの波長で基準化した電極膜厚 ΗΖλを 0. 04<Η/λ <0. 12とすることを特徴とした弾性表面波デバイス。

[2] 前記弾性表面波デバイスは、カット角 Θ及び電極膜厚 ΗΖ λの関係が、 -1.34082

X10— ⁴Χ Θ ³— 2.34969 XI 0—² X Θ -1.37506 X Θ— 26.7895 <Η/λ <— 1.02586 X 10 — ⁴Χ Θ ³ -1.73238 Χ10"²Χ θ -0.977607 X 0—18.3420を満足していることを特徴とした請求項 1に記載の弾性表面波デバイス。

[3] 前記 IDTを構成する電極指の電極指幅 Ζ (電極指幅 +電極指間のスペース)をライン占有率 mrとした時に、カット角 Θ及び電極膜厚とライン占有率の積 ΗΖλ Xmr の関係力 8.04489 X 10— ⁵ X 0³— 1.40981 X 10— ² X Θ -0.825038 X Θ— 16.0737<H / λ Xmrく— 6.15517X10— ⁵Χ 0³— 1.03943 X 10— ² X θ -0.586564 X 0—11.0052を満足して!/ヽることを特徴とした請求項 1に記載の弾性表面波デバイス。

[4] 圧電基板と、該圧電基板上に形成され A1又は A1を主成分とする合金からなる IDT とを備え、励振波を SH波とした弾性表面波デバイスであって、

前記圧電基板は、回転 Υカット水晶基板のカット角 Θを結晶 Ζ軸より反時計方向に -61.4° < Θく—51. 1° の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶 X 軸に対し 90° ±5° とした水晶平板であり、

励振する弾性表面波の波長をえとした時、前記 IDTの波長で基準化した電極膜厚 ΗΖλを 0. 05く Η/λく 0. 10とすることを特徴とした弾性表面波デバイス。

[5] 前記弾性表面波デバイスは、カット角 Θ及び電極膜厚 ΗΖ λの関係が、 -1.44605

X10— ⁴Χ Θ ³— 2.50690X10— ² X Θ -1.45086 X θ -27.9464<Η/ λ <-9.87591 X 10 — ⁵Χ 0³— 1.70304 XI 0—² X θ -0.981173 X 0—18.7946を満足していることを特徴とした請求項 4に記載の弾性表面波デバイス。

[6] 前記 IDTを構成する電極指の電極指幅 Z (電極指幅 +電極指間のスペース)をライン占有率 mrとした時に、カット角 Θ及び電極膜厚とライン占有率の積 ΗΖλ X mr の関係力 8.67632 X 10— ⁵ X 0 ³— 1.50414 X 10— ² X Θ -0.870514 X Θ— 16.7678< H / λ X mrく— 5.92554 X 10— ⁵ X 0 ³— 1.02183 X 10— ² X Θ -0.588704 X 0—11.2768を満足していることを特徴とした請求項 4に記載の弾性表面波デバイス。

[7] 前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板上に IDTを少なくとも 1個配置した 1ポ一トの弹性表面波共振子であることを特徴とした請求項 1乃至 6のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。

[8] 前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板の弾性表面波の伝搬方向に沿って ID Tを少なくとも 2個配置した 2ポートの弾性表面波共振子であることを特徴とした請求項 1乃至 6のいずれか〖こ記載の弾性表面波デバイス。

[9] 前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板の弾性表面波の伝搬方向に対して複数個の弾性表面波共振子を平行に近接配置した横結合型多重モードフィルタであることを特徴とした請求項 1乃至 6のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。

[10] 前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板の弾性表面波の伝搬方向に沿って複数個の IDTからなる 2ポートの弾性表面波共振子を配置した縦結合型多重モードフィルタであることを特徴とした請求項 1乃至 6のいずれかに記載の弾性表面波デバイス。

[11] 前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板上に複数個の弾性表面波共振子を梯子状に接続したラダー型弾性表面波フィルタあることを特徴とした請求項 1乃至 6の Vヽずれかに記載の弾性表面波デバイス。

[12] 前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板上に弾性表面波を双方向に伝搬させる IDTを所定の間隔を空けて複数個配置したトランスバーサル SAWフィルタであることを特徴とした請求項 1乃至 6のいずれか〖こ記載の弾性表面波デバイス。

[13] 前記弾性表面波デバイスは、前記圧電基板上に弾性表面波を一方向に伝搬させる IDTを少なくとも 1つ配置したトランスバーサル SAWフィルタであることを特徴とした請求項 1乃至 6のいずれか〖こ記載の弾性表面波デバイス。

[14] 前記弾性表面波デバイスは、弾性表面波センサであることを特徴とした請求項 1乃至 6の、ずれかに記載の弾性表面波デバイス。

[15] 前記弾性表面波デバイスは、 IDTの両側にグレーティング反射器を有することを特徴とした請求項 1乃至 14のいずれか〖こ記載の弾性表面波デバイス。

[16] 請求項 1乃至 15のいずれかに記載の弾性表面波デバイスを用いたモジュール装置、又は発振回路。