WO2021221162A1 - 弾性波装置 - Google Patents

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WO2021221162A1
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峰文 大内
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株式会社村田製作所
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    • H03H9/14517Means for weighting
    • H03H9/14526Finger withdrawal

Definitions

  • the present invention relates to an elastic wave device having a piezoelectric layer made of lithium niobate or lithium tantalate.
  • Patent Document 1 discloses an elastic wave device using a Lamb wave as a plate wave.
  • the IDT electrode is provided on the upper surface of the piezoelectric film made of LiNbO 3 or LiTaO 3.
  • a voltage is applied between the plurality of electrode fingers connected to one potential of the IDT electrode and the plurality of electrode fingers connected to the other potential. This encourages Lamb waves.
  • Reflectors are provided on both sides of the IDT electrode. As a result, an elastic wave resonator using a plate wave is constructed.
  • elastic wave devices are required to have a small response to unnecessary waves other than the main mode to be used.
  • An object of the present invention is to provide an elastic wave device capable of increasing the Q value and suppressing ripples due to unnecessary waves even when miniaturization is promoted.
  • the first invention of the present application includes a piezoelectric layer made of lithium niobate or lithium tantalate, and first and second electrodes facing each other in a direction intersecting the thickness direction of the piezoelectric layer, and is in a thickness slip mode.
  • a bulk wave is used, and the dimension in the extending direction of the first electrode and the second electrode in the region where the first electrode and the second electrode face each other is defined as the crossing width, and the first electrode and the second electrode are described.
  • the cross width is 4.6p or more, which is an elastic wave device.
  • the second invention of the present application includes a piezoelectric layer made of lithium niobate or lithium tantalate, and a first electrode and a second electrode facing each other in a direction intersecting the thickness direction of the piezoelectric layer, and the first electrode. And the second electrode is adjacent electrodes, and when the thickness of the piezoelectric layer is d and the distance between the centers of the first electrode and the second electrode is p, d / p is 0.5 or less.
  • the crossing width is 4.6p or more.
  • the Q value is increased even when miniaturization is promoted. It is possible to suppress ripples caused by unnecessary waves.
  • FIG. 1 (a) and 1 (b) are a schematic perspective view showing the appearance of the elastic wave device according to the first embodiment of the present invention and a plan view showing an electrode structure on the piezoelectric layer.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a portion along the line AA in FIG. 1 (a).
  • FIG. 3A is a schematic front sectional view for explaining a Lamb wave propagating in a piezoelectric film of a conventional elastic wave device
  • FIG. 3B is an elastic wave according to an embodiment of the present invention. It is a schematic front sectional view for demonstrating the bulk wave of the thickness slip mode propagating in the piezoelectric layer in an apparatus.
  • FIG. 4 is a diagram showing the amplitude direction of the bulk wave in the thickness slip mode.
  • FIG. 5 is a diagram showing the resonance characteristics of the elastic wave device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between d / 2p and the specific band as a resonator when the distance between the centers of adjacent electrodes is p and the thickness of the piezoelectric layer is d.
  • FIG. 7 is a diagram showing an impedance-frequency characteristic which is a characteristic as a resonator when the intersection width is 0.31p, 0.92p, 1.54p or 3.08p.
  • FIG. 8 is a diagram showing impedance-frequency characteristics which are characteristics as a resonator when the intersection width is 3.08p, 4.62p, 6.15p, 7.69p or 9.23p.
  • FIG. 9 (a) and 9 (b) are diagrams showing impedance-frequency characteristics which are characteristics as a resonator when the bus bar width is 1.54p, 0.15p or 0.03p.
  • FIG. 10 is a front sectional view of the elastic wave device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a plan view of the elastic wave device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a front sectional view of the elastic wave device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing a map of the specific band when d / p is made as close to 0 as possible in LiNbO 3 with Euler angles (0 °, ⁇ , ⁇ ).
  • the first and second inventions of the present application include a piezoelectric layer made of lithium niobate or lithium tantalate, and first and second electrodes facing each other in a direction intersecting the thickness direction of the piezoelectric layer.
  • a bulk wave in a thickness slip mode is used.
  • the thickness of the piezoelectric layer is d, and the distance between the centers of the first electrode and the second electrode is p, d / p. Is 0.5 or less.
  • FIG. 1A is a schematic perspective view showing the appearance of the elastic wave device according to the first embodiment of the first and second inventions
  • FIG. 1B is an electrode structure on a piezoelectric layer
  • 2 is a cross-sectional view of a portion along the line AA in FIG. 1A.
  • the elastic wave device 1 has a piezoelectric layer 2 made of LiNbO 3 as lithium niobate.
  • the piezoelectric layer 2 may be made of LiTaO 3 as lithium tantalate.
  • the cut angle of LiNbO 3 and LiTaO 3 is Z cut in this embodiment, but may be rotary Y cut or X cut.
  • the thickness of the piezoelectric layer 2 is not particularly limited, but is preferably 40 nm or more and 1000 nm or less in order to effectively excite the thickness slip mode.
  • the piezoelectric layer 2 has first and second main surfaces 2a and 2b facing each other. Electrodes 3 and electrodes 4 are provided on the first main surface 2a.
  • the electrode 3 is an example of the “first electrode”
  • the electrode 4 is an example of the “second electrode”.
  • a plurality of electrodes 3 are connected to the first bus bar 5.
  • the plurality of electrodes 4 are connected to the second bus bar 6.
  • the plurality of electrodes 3 and the plurality of electrodes 4 are interleaved with each other.
  • the electrode 3 and the electrode 4 have a rectangular shape and have a length direction. On the first main surface 2a, the electrode 3 and the adjacent electrode 4 face each other in a direction orthogonal to this length direction.
  • the length direction of the electrodes 3 and 4 and the direction orthogonal to the length direction of the electrodes 3 and 4 are directions that intersect with each other in the thickness direction of the piezoelectric layer 2. Therefore, it can be said that the electrode 3 and the adjacent electrode 4 face each other in the direction of intersecting with each other in the thickness direction of the piezoelectric layer 2. Further, the length directions of the electrodes 3 and 4 may be replaced with the directions orthogonal to the length directions of the electrodes 3 and 4 shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). That is, in FIGS. 1A and 1B, the electrodes 3 and 4 may be extended in the direction in which the first bus bar 5 and the second bus bar 6 are extended.
  • first bus bar 5 and the second bus bar 6 extend in the direction in which the electrodes 3 and 4 extend in FIGS. 1 (a) and 1 (b). Then, a plurality of pairs of structures in which the electrode 3 connected to one potential and the electrode 4 connected to the other potential are adjacent to each other are provided in a direction orthogonal to the length direction of the electrodes 3 and 4. There is.
  • the case where the electrode 3 and the electrode 4 are adjacent to each other does not mean that the electrode 3 and the electrode 4 are arranged so as to be in direct contact with each other, but that the electrode 3 and the electrode 4 are arranged so as to be spaced apart from each other. Points to. Further, when the electrode 3 and the electrode 4 are adjacent to each other, the electrode connected to the hot electrode or the ground electrode, including the other electrodes 3 and 4, is not arranged between the electrode 3 and the electrode 4. This logarithm does not have to be an integer pair, and may be 1.5 pairs, 2.5 pairs, or the like.
  • the distance between the centers of the electrodes 3 and 4, that is, the pitch is preferably in the range of 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the distance between the centers of the electrodes 3 and 4 is the center of the width dimension of the electrode 3 in the direction orthogonal to the length direction of the electrode 3 and the width dimension of the electrode 4 in the direction orthogonal to the length direction of the electrode 4. It is the distance connecting the center of.
  • the width of the electrodes 3 and 4, that is, the dimensions of the electrodes 3 and 4 in the opposite direction are preferably in the range of 50 nm or more and 1000 nm or less.
  • the direction orthogonal to the length direction of the electrodes 3 and 4 is the direction orthogonal to the polarization direction of the piezoelectric layer 2. This does not apply when a piezoelectric material having another cut angle is used as the piezoelectric layer 2.
  • “orthogonal” is not limited to the case of being strictly orthogonal, and is substantially orthogonal (the angle formed by the direction orthogonal to the length direction of the electrodes 3 and 4 and the polarization direction is, for example, 90 ° ⁇ 10 °). Within the range).
  • a support member 8 is laminated on the second main surface 2b side of the piezoelectric layer 2 via an insulating layer 7.
  • the insulating layer 7 and the support member 8 have a frame-like shape, and as shown in FIG. 2, have openings 7a and 8a. As a result, the air gap 9 is formed.
  • the air gap 9 is provided so as not to interfere with the vibration of the excitation region of the piezoelectric layer 2. Therefore, the support member 8 is laminated on the second main surface 2b via the insulating layer 7 at a position where it does not overlap with the portion where at least one pair of electrodes 3 and 4 are provided.
  • the insulating layer 7 may not be provided. Therefore, the support member 8 can be directly or indirectly laminated on the second main surface 2b of the piezoelectric layer 2.
  • the air gap 9 is not limited to the through hole provided over the insulating layer 7 and the support member 8, and may be composed of the through hole provided in the insulating layer 7 and the recess provided in the support member 8. In this case, the air gap 9 is provided between the piezoelectric layer 2 and the bottom of the support member 8 at a position overlapping the portion where at least one pair of electrodes 3 and 4 are provided in a plan view. Become.
  • the insulating layer 7 is made of silicon oxide. However, in addition to silicon oxide, an appropriate insulating material such as silicon nitride or alumina can be used.
  • the support member 8 is made of Si. The plane orientation of Si on the surface of the piezoelectric layer 2 side may be (100), or may be (100) or (111). Preferably, high resistance Si having a resistivity of 4 k ⁇ or more is desirable. However, the support member 8 can also be configured by using an appropriate insulating material or semiconductor material.
  • the plurality of electrodes 3 and 4 and the first and second bus bars 5 and 6 are made of an appropriate metal or alloy such as an Al or AlCu alloy.
  • the electrodes 3 and 4 and the first and second bus bars 5 and 6 have a structure in which an Al film is laminated on a Ti film.
  • An adhesion layer other than the Ti film may be used.
  • an AC voltage is applied between the plurality of electrodes 3 and the plurality of electrodes 4. More specifically, an AC voltage is applied between the first bus bar 5 and the second bus bar 6. Thereby, it is possible to obtain a resonance characteristic using the bulk wave of the thickness slip mode excited in the piezoelectric layer 2.
  • d / p is 0. It is said to be 5 or less. Therefore, the bulk wave in the thickness slip mode is effectively excited, and good resonance characteristics can be obtained. More preferably, d / p is 0.24 or less, in which case even better resonance characteristics can be obtained.
  • the center-to-center distance p of the adjacent electrodes 3 and 4 is the center-to-center distance of the adjacent electrodes 3 and 4.
  • the Q value is unlikely to decrease even if the logarithm of the electrodes 3 and 4 is reduced in order to reduce the size. This is because the propagation loss is small even if the number of electrode fingers in the reflectors on both sides is reduced. Further, the reason why the number of the electrode fingers can be reduced is that the bulk wave in the thickness slip mode is used. The difference between the Lamb wave used in the conventional elastic wave device and the bulk wave in the thickness slip mode will be described with reference to FIGS. 3 (a) and 3 (b).
  • FIG. 3A is a schematic front sectional view for explaining a Lamb wave propagating in a piezoelectric film of an elastic wave device as described in Patent Document 1.
  • the wave propagates in the piezoelectric film 201 as indicated by an arrow.
  • the first main surface 201a and the second main surface 201b face each other, and the thickness direction connecting the first main surface 201a and the second main surface 201b is the Z direction.
  • the X direction is the direction in which the electrode fingers of the IDT electrodes are lined up.
  • the wave propagates in the X direction as shown in the figure.
  • the piezoelectric film 201 vibrates as a whole because it is a plate wave, the wave propagates in the X direction, so reflectors are arranged on both sides to obtain resonance characteristics. Therefore, wave propagation loss occurs, and the Q value decreases when the size is reduced, that is, when the logarithm of the electrode fingers is reduced.
  • the vibration displacement is in the thickness sliding direction, so that the waves are generated by the first main surfaces 2a and the second of the piezoelectric layer 2.
  • the amplitude direction of the bulk wave in the thickness slip mode is opposite between the first region 451 included in the excitation region of the piezoelectric layer 2 and the second region 452 included in the excitation region.
  • FIG. 4 schematically shows a bulk wave when a voltage at which the electrode 4 has a higher potential than that of the electrode 3 is applied between the electrodes 3 and 4.
  • the first region 451 is a region of the excitation region between the virtual plane VP1 orthogonal to the thickness direction of the piezoelectric layer 2 and dividing the piezoelectric layer 2 into two, and the first main surface 2a.
  • the second region 452 is a region between the virtual plane VP1 and the second main surface 2b in the excitation region.
  • the elastic wave device 1 As described above, in the elastic wave device 1, at least one pair of electrodes consisting of the electrodes 3 and 4 is arranged, but since the wave is not propagated in the X direction, the elastic wave device 1 is composed of the electrodes 3 and 4.
  • the number of pairs of electrodes does not have to be multiple. That is, at least one pair of electrodes need only be provided.
  • the electrode 3 is an electrode connected to a hot potential
  • the electrode 4 is an electrode connected to a ground potential.
  • the electrode 3 may be connected to the ground potential and the electrode 4 may be connected to the hot potential.
  • at least one pair of electrodes is an electrode connected to a hot potential or an electrode connected to a ground potential as described above, and is not provided with a floating electrode.
  • FIG. 5 is a diagram showing the resonance characteristics of the elastic wave device according to the first embodiment of the present invention.
  • the design parameters of the elastic wave device 1 that has obtained this resonance characteristic are as follows.
  • Insulation layer 7 1 ⁇ m thick silicon oxide film.
  • Support member 8 Si.
  • the length of the excitation region is a dimension along the length direction of the electrodes 3 and 4 in the excitation region.
  • the distances between the electrode pairs of the electrodes 3 and 4 are all equal in the plurality of pairs. That is, the electrodes 3 and 4 were arranged at equal pitches.
  • d / p is more preferably 0.5 or less. Is 0.24 or less. This will be described with reference to FIG.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between this d / 2p and the specific band as a resonator of the elastic wave device.
  • the specific band when d / 2p exceeds 0.25, that is, when d / p> 0.5, the specific band is less than 5% even if d / p is adjusted.
  • the specific band in the case of d / 2p ⁇ 0.25, that is, d / p ⁇ 0.5, the specific band can be set to 5% or more by changing d / p within that range. That is, a resonator having a high coupling coefficient can be constructed.
  • the specific band when d / 2p is 0.12 or less, that is, when d / p is 0.24 or less, the specific band can be increased to 7% or more.
  • p is the distance between the centers of adjacent electrodes 3 and 4.
  • FIG. 13 is a diagram showing a map of the specific band with respect to the Euler angles (0 °, ⁇ , ⁇ ) of LiNbO 3 when d / p is brought as close to 0 as possible.
  • the portion shown with hatching in FIG. 13 is a region where a specific band of at least 5% or more can be obtained, and when the range of the region is approximated, the following equations (1), (2) and (3) ).
  • Equation (1) (0 ° ⁇ 10 °, 20 ° ⁇ 80 °, 0 ° ⁇ 60 ° (1- ( ⁇ -50) 2/900) 1/2) or (0 ° ⁇ 10 °, 20 ° ⁇ 80 °, [180 ° -60 ° (1- ( ⁇ - 50) 2/900) 1/2] ⁇ 180 °) ... equation (2) (0 ° ⁇ 10 °, [ 180 ° -30 ° (1- ( ⁇ -90) 2/8100) 1/2] ⁇ 180 °, any [psi) ... Equation (3)
  • the specific band can be sufficiently widened, which is preferable.
  • the thickness d of the piezoelectric layer if the piezoelectric layer 2 has a thickness variation, a value obtained by averaging the thickness may be adopted.
  • the crossing width refers to the dimension in the extending direction of the first electrode and the second electrode in the region where the first electrode and the second electrode face each other. That is, in FIG. 1B, the electrode 3 or the electrode 4 extends in the region where the electrode 3 as the first electrode and the electrode 4 as the second electrode face each other, that is, the region where they overlap in the X direction.
  • the dimension in the direction be the intersection width K. If the intersection width K is 4.6p or more as described above, ripple due to unnecessary waves can be suppressed. Note that p is the repeating pitch between the electrode 3 and the electrode 4, and is the distance between the center of the electrode finger between the electrode 3 and the electrode 4.
  • the electrode finger pitch p 3.25 ⁇ m and the cross width K is 0.31p, 0.92p, 1.54p, or 3.08p.
  • the elastic wave device was constructed in the same manner as the design parameters of the elastic wave device obtained with the resonance characteristics of FIG. 5 described above.
  • the impedance-frequency characteristics, which are the characteristics of these elastic wave devices as resonators, are shown in FIG.
  • intersection width K is 0.31p, 0.92p, 1.54p, or 3.08p
  • a large number of ripples due to unnecessary waves appear near the resonance frequency and near the resonance frequency. ing.
  • FIG. 8 shows an elastic wave device obtained with the resonance characteristics of FIG. 5 described above, except that the intersection width K is 3.08p, 4.62p, 6.15p, 7.69p, or 9.23p. It is a figure which shows the impedance-frequency characteristic which is the characteristic as a resonator of each elastic wave apparatus configured in the same manner as the design parameter of.
  • the cross width K needs to be 4.6p or more.
  • intersection width K is large, but if the intersection width K becomes too large, the loss increases. Therefore, in order to suppress the loss, it is desirable that the cross width K is 30 p or less.
  • the bus bar width is 9.23p or less.
  • the bus bar widths of the first and second bus bars 5 and 6 are small.
  • 9 (a) and 9 (b) show that the bus bar widths of the first and second bus bars 5 and 6 are 1.54 p (5 ⁇ m) or 0.15 p (0.5 ⁇ m), or 0.03 p (0. It is a figure which shows the impedance-frequency characteristic which is a characteristic as a resonator in the case of 1 ⁇ m). The other design parameters were the same as in the case of the elastic wave device having the resonance characteristics shown in FIGS. 7 and 8.
  • the bus bar width is preferably 9.23p or less.
  • FIG. 10 is a front sectional view of the elastic wave device according to the second embodiment.
  • the protective film 22 is laminated on the first main surface 2a of the piezoelectric layer 2 so as to cover at least one pair of electrodes 3 and 4.
  • an insulating material such as silicon oxide or silicon nitride can be preferably used.
  • the protective film 22 also covers the gap region between the electrodes 3 and 4, the gap region may be partially covered.
  • FIG. 11 is a plan view of the elastic wave device according to the third embodiment.
  • a pair of electrodes having electrodes 3 and 4 is provided on the first main surface 2a of the piezoelectric layer 2.
  • K in FIG. 11 is the intersection width.
  • the logarithm of the electrodes may be one pair. Even in this case, if the d / p is 0.5 or less, the bulk wave in the thickness slip mode can be effectively excited.
  • FIG. 12 is a front sectional view of the elastic wave device according to the fourth embodiment.
  • the acoustic multilayer film 42 is laminated on the second main surface 2b of the piezoelectric layer 2.
  • the acoustic multilayer film 42 has a laminated structure of low acoustic impedance layers 42a, 42c, 42e having a relatively low acoustic impedance and high acoustic impedance layers 42b, 42d having a relatively high acoustic impedance.
  • the bulk wave in the thickness slip mode can be confined in the piezoelectric layer 2 without using the air gap 9 in the elastic wave device 1.
  • the elastic wave device 41 by setting the d / p to 0.5 or less, resonance characteristics based on the bulk wave in the thickness slip mode can be obtained.
  • the number of layers of the low acoustic impedance layers 42a, 42c, 42e and the high acoustic impedance layers 42b, 42d is not particularly limited. It is sufficient that at least one high acoustic impedance layer 42b, 42d is arranged on the side farther from the piezoelectric layer 2 than the low acoustic impedance layers 42a, 42c, 42e.
  • the low acoustic impedance layers 42a, 42c, 42e and the high acoustic impedance layers 42b, 42d can be made of an appropriate material as long as the relationship of the acoustic impedance is satisfied.
  • the material of the low acoustic impedance layers 42a, 42c, 42e silicon oxide, silicon oxynitride, or the like can be mentioned.
  • the materials of the high acoustic impedance layers 42b and 42d include alumina, silicon nitride, and metal.
  • Elastic wave device 2 Hydraulic layer 2a ... First main surface 2b ... Second main surface 3,4 ... Electrodes 5, 6 ... First, second bus bar 7 ... Insulation layer 8 ... Support members 7a, 8a ... Opening 9 ... Air gap 21 ... Elastic wave device 22 ... Protective film 31 ... Elastic wave device 41 ... Elastic wave device 42 ... Acoustic multilayer film 42a, 42c, 42e ... Low acoustic impedance layers 42b, 42d ... High acoustic impedance layer 201 ... piezoelectric film 201a ... first main surface 201b ... second main surface 451 ... first region 452 ... second region VP1 ... virtual plane

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Abstract

小型化を進めた場合であってもQ値が高く、かつ不要波によるリップルを抑制することができる、弾性波装置を提供する。 ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムからなる圧電層2と、圧電層2の厚み方向に交差する方向において対向する第1電極3及び第2電極4とを備え、第1電極及び前記第2電極は隣り合う電極同士であり、圧電層2の厚みをd、第1電極3と第2電極4との中心間距離をpとした場合、d/pが0.5以下であり、前記第1電極3と第2電極4とが対向している領域の第1電極3及び第2電極4の延びる方向の寸法を交差幅Kとし、交差幅Kが4.6p以上である、弾性波装置1。

Description

弾性波装置
 本発明は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムからなる圧電層を有する弾性波装置に関する。
 従来、LiNbOまたはLiTaOからなる圧電膜を伝搬する板波を利用した弾性波装置が知られている。例えば、下記の特許文献1では、板波としてのラム波を利用した弾性波装置が開示されている。ここでは、LiNbOまたはLiTaOからなる圧電膜の上面にIDT電極が設けられている。IDT電極の一方電位に接続される複数の電極指と、他方電位に接続される複数の電極指との間に電圧が印加される。それによって、ラム波が励振される。このIDT電極の両側には反射器が設けられている。それによって、板波を利用した弾性波共振子が構成されている。
特開2012-257019号公報
 特許文献1に記載の弾性波装置において、小型化を図るために、電極指の本数を少なくすることが考えられる。しかしながら、電極指の本数を少なくすると、Q値が低くなる。
 また、弾性波装置では、利用するメインモード以外の不要波の応答は小さいことが求められている。
 本発明の目的は、小型化を進めた場合であっても、Q値を高めることができ、かつ不要波によるリップルを抑制することができる、弾性波装置を提供することにある。
 本願の第1の発明は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムからなる圧電層と、前記圧電層の厚み方向に交差する方向において対向する第1電極及び第2電極と、を備え、厚み滑りモードのバルク波を利用しており、前記第1電極と前記第2電極とが対向している領域の前記第1電極及び前記第2電極の延びる方向の寸法を交差幅とし、前記第1電極と前記第2電極との中心間距離をpとした場合、前記交差幅が4.6p以上である、弾性波装置である。
 本願の第2の発明は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムからなる圧電層と、前記圧電層の厚み方向に交差する方向において対向する第1電極及び第2電極と、を備え、前記第1電極及び前記第2電極は隣り合う電極同士であり、前記圧電層の厚みをd、前記第1電極と前記第2電極との中心間距離をpとした場合、d/pが0.5以下であり、前記第1電極と前記第2電極とが対向している領域の前記第1電極及び前記第2電極の延びる方向の寸法を交差幅とした場合、前記交差幅が4.6p以上である、弾性波装置である。
 本発明(以下、第1の発明及び第2の発明を総称して、適宜、本発明とする。)に係る弾性波装置では、小型化を進めた場合であっても、Q値を高めることができ、かつ不要波によるリップルを抑制することができる。
図1(a)及び図1(b)は、本発明の第1の実施形態に係る弾性波装置の外観を示す略図的斜視図及び圧電層上の電極構造を示す平面図である。 図2は、図1(a)中のA-A線に沿う部分の断面図である。 図3(a)は、従来の弾性波装置の圧電膜を伝搬するラム波を説明するための模式的正面断面図であり、図3(b)は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置における、圧電層を伝搬する厚み滑りモードのバルク波を説明するための模式的正面断面図である。 図4は、厚み滑りモードのバルク波の振幅方向を示す図である。 図5は、本発明の第1の実施形態に係る弾性波装置の共振特性を示す図である。 図6は、隣り合う電極の中心間距離をp、圧電層の厚みをdとした場合のd/2pと共振子としての比帯域との関係を示す図である。 図7は、交差幅が0.31p、0.92p、1.54pまたは3.08pの場合の共振子としての特性であるインピーダンス-周波数特性を示す図である。 図8は、交差幅が3.08p、4.62p、6.15p、7.69pまたは9.23pである場合の共振子としての特性であるインピーダンス-周波数特性を示す図である。 図9(a),図9(b)は、バスバー幅が、1.54p、0.15pまたは0.03pである場合の共振子としての特性であるインピーダンス-周波数特性を示す図である。 図10は、本発明の第2の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。 図11は、本発明の第3の実施形態に係る弾性波装置の平面図である。 図12は、本発明の第4の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。 図13は、オイラー角(0°,θ,ψ)のLiNbOにおいて、d/pを限りなく0に近づけた場合の比帯域のマップを示す図である。
 以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
 なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。
 本願の第1,第2の発明は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムからなる圧電層と、圧電層の厚み方向に交差する方向において対向する第1電極及び第2電極とを備える。
 第1の発明では、厚み滑りモードのバルク波が利用されている。また、第2の発明では、第1電極及び第2電極は隣り合う電極同士であり、圧電層の厚みをd、第1電極及び第2電極の中心間距離をpとした場合、d/pが0.5以下とされている。それによって、第1,第2の発明では、小型化を進めた場合であっても、Q値を高めることができる。
 図1(a)は、第1,第2の発明についての第1の実施形態に係る弾性波装置の外観を示す略図的斜視図であり、図1(b)は、圧電層上の電極構造を示す平面図であり、図2は、図1(a)中のA-A線に沿う部分の断面図である。
 弾性波装置1は、ニオブ酸リチウムとしてのLiNbOからなる圧電層2を有する。圧電層2は、タンタル酸リチウムとしてのLiTaOからなるものであってもよい。LiNbOやLiTaOのカット角は、本実施形態では、Zカットであるが、回転YカットやXカットであってもよい。圧電層2の厚みは、特に限定されないが、厚み滑りモードを効果的に励振するには、40nm以上、1000nm以下が好ましい。
 圧電層2は、対向し合う第1,第2の主面2a,2bを有する。第1の主面2a上に、電極3及び電極4が設けられている。ここで電極3が「第1電極」の一例であり、電極4が「第2電極」の一例である。図1(a)及び図1(b)では、複数の電極3が、第1のバスバー5に接続されている。複数の電極4は、第2のバスバー6に接続されている。複数の電極3及び複数の電極4は、互いに間挿し合っている。電極3及び電極4は、矩形形状を有し、長さ方向を有する。第1の主面2a上では、この長さ方向と直交する方向において、電極3と、隣りの電極4とが対向している。電極3,4の長さ方向、及び、電極3,4の長さ方向と直交する方向はいずれも、圧電層2の厚み方向に交差する方向である。このため、電極3と、隣りの電極4とは、圧電層2の厚み方向に交差する方向において対向しているともいえる。また、電極3,4の長さ方向が図1(a)及び図1(b)に示す電極3,4の長さ方向に直交する方向と入れ替わってもよい。すなわち、図1(a)及び図1(b)において、第1のバスバー5及び第2のバスバー6が延びている方向に電極3,4を延ばしてもよい。その場合、第1のバスバー5及び第2のバスバー6は、図1(a)及び図1(b)において電極3,4が延びている方向に延びることとなる。そして、一方電位に接続される電極3と、他方電位に接続される電極4とが隣り合う1対の構造が、上記電極3,4の長さ方向と直交する方向に、複数対設けられている。
 ここで電極3と電極4とが隣り合うとは、電極3と電極4とが直接接触するように配置されている場合ではなく、電極3と電極4とが間隔を介して配置されている場合を指す。また、電極3と電極4とが隣り合う場合、電極3と電極4との間には、他の電極3,4を含む、ホット電極やグラウンド電極に接続される電極は配置されない。この対数は、整数対である必要はなく、1.5対や2.5対などであってもよい。
 電極3,4間の中心間距離すなわちピッチは、1μm以上、10μm以下の範囲が好ましい。また、電極3,4間の中心間距離とは、電極3の長さ方向と直交する方向における電極3の幅寸法の中心と、電極4の長さ方向と直交する方向における電極4の幅寸法の中心とを結んだ距離となる。また、電極3,4の幅、すなわち電極3,4の対向方向の寸法は、50nm以上、1000nm以下の範囲が好ましい。
 また、本実施形態では、Zカットの圧電層を用いているため、電極3,4の長さ方向と直交する方向は、圧電層2の分極方向に直交する方向となる。圧電層2として他のカット角の圧電体を用いた場合には、この限りでない。ここにおいて、「直交」とは、厳密に直交する場合のみに限定されず、略直交(電極3,4の長さ方向と直交する方向と分極方向とのなす角度が例えば90°±10°の範囲内)でもよい。
 圧電層2の第2の主面2b側には、絶縁層7を介して支持部材8が積層されている。絶縁層7及び支持部材8は、枠状の形状を有し、図2に示すように、開口部7a,8aを有する。それによって、エアギャップ9が形成されている。エアギャップ9は、圧電層2の励振領域の振動を妨げないために設けられている。従って、上記支持部材8は、少なくとも1対の電極3,4が設けられている部分と重ならない位置において、第2の主面2bに絶縁層7を介して積層されている。なお、絶縁層7は設けられずともよい。従って、支持部材8は、圧電層2の第2の主面2bに直接または間接に積層され得る。また、エアギャップ9は、絶縁層7及び支持部材8にわたり設けられた貫通孔に限られず、絶縁層7に設けられた貫通孔及び支持部材8に設けられた凹部により構成されていてもよい。この場合、平面視して少なくとも1対の電極3,4が設けられている部分と重なる位置においては、エアギャップ9が圧電層2と支持部材8の底部との間に設けられていることとなる。
 絶縁層7は、酸化ケイ素からなる。もっとも、酸化ケイ素の他、酸窒化ケイ素、アルミナなどの適宜の絶縁性材料を用いることができる。支持部材8は、Siからなる。Siの圧電層2側の面における面方位は(100)であってもよく、(100)、(111)であってもよい。好ましくは、抵抗率4kΩ以上の高抵抗のSiが望ましい。もっとも、支持部材8についても適宜の絶縁性材料や半導体材料を用いて構成することができる。
 上記複数の電極3,4及び第1,第2のバスバー5,6は、Al、AlCu合金などの適宜の金属もしくは合金からなる。本実施形態では、電極3,4及び第1,第2のバスバー5,6は、Ti膜上にAl膜を積層した構造を有する。なお、Ti膜以外の密着層を用いてもよい。
 駆動に際しては、複数の電極3と、複数の電極4との間に交流電圧を印加する。より具体的には、第1のバスバー5と第2のバスバー6との間に交流電圧を印加する。それによって、圧電層2において励振される厚み滑りモードのバルク波を利用した、共振特性を得ることが可能とされている。また、弾性波装置1では、圧電層2の厚みをd、複数対の電極3,4のうちいずれかの隣り合う電極3,4の中心間距離をpとした場合、d/pは0.5以下とされている。そのため、上記厚み滑りモードのバルク波が効果的に励振され、良好な共振特性を得ることができる。より好ましくは、d/pは0.24以下であり、その場合には、より一層良好な共振特性を得ることができる。なお、本実施形態のように電極3,4の少なくとも一方が複数本ある場合、すなわち、電極3,4を1対の電極組とした場合に電極3,4が1.5対以上ある場合、隣り合う電極3,4の中心間距離pは、各隣り合う電極3,4の中心間距離である。
 本実施形態の弾性波装置1では、上記構成を備えるため、小型化を図ろうとして、電極3,4の対数を少なくしたとしても、Q値の低下が生じ難い。これは、両側の反射器における電極指の本数を少なくしても、伝搬ロスが少ないためである。また、上記電極指の本数を少なくできるのは、厚み滑りモードのバルク波を利用していることによる。従来の弾性波装置で利用したラム波と、上記厚み滑りモードのバルク波の相違を、図3(a)及び図3(b)を参照して説明する。
 図3(a)は、特許文献1に記載のような弾性波装置の圧電膜を伝搬するラム波を説明するための模式的正面断面図である。ここでは、圧電膜201中を矢印で示すように波が伝搬する。ここで、圧電膜201では、第1の主面201aと、第2の主面201bとが対向しており、第1の主面201aと第2の主面201bとを結ぶ厚み方向がZ方向である。X方向は、IDT電極の電極指が並んでいる方向である。図3(a)に示すように、ラム波では、波が図示のように、X方向に伝搬していく。板波であるため、圧電膜201が全体として振動するものの、波はX方向に伝搬するため、両側に反射器を配置して、共振特性を得ている。そのため、波の伝搬ロスが生じ、小型化を図った場合、すなわち電極指の対数を少なくした場合、Q値が低下する。
 これに対して、図3(b)に示すように、本実施形態の弾性波装置では、振動変位は厚み滑り方向であるから、波は、圧電層2の第1の主面2aと第2の主面2bとを結ぶ方向、すなわちZ方向にほぼ伝搬し、共振する。すなわち、波のX方向成分がZ方向成分に比べて著しく小さい。そして、このZ方向の波の伝搬により共振特性が得られるため、反射器の電極指を少なくしても、伝搬損失は生じない。さらに、小型化を進めようとして、電極3,4からなる電極対の対数を減らしたとしても、Q値の低下が生じ難い。
 なお、厚み滑りモードのバルク波の振幅方向は、図4に示すように、圧電層2の励振領域に含まれる第1領域451と、励振領域に含まれる第2領域452とで逆になる。図4では、電極3と電極4との間に、電極4が電極3よりも高電位となる電圧が印加された場合のバルク波を模式的に示してある。第1領域451は、励振領域のうち、圧電層2の厚み方向に直交し圧電層2を2分する仮想平面VP1と、第1の主面2aとの間の領域である。第2領域452は、励振領域のうち、仮想平面VP1と、第2の主面2bとの間の領域である。
 上記のように、弾性波装置1では、電極3と電極4とからなる少なくとも1対の電極が配置されているが、X方向に波を伝搬させるものではないため、この電極3,4からなる電極対の対数は複数対ある必要はない。すなわち、少なくとも1対の電極が設けられてさえおればよい。
 例えば、上記電極3がホット電位に接続される電極であり、電極4がグラウンド電位に接続される電極である。もっとも、電極3がグラウンド電位に、電極4がホット電位に接続されてもよい。本実施形態では、少なくとも1対の電極は、上記のように、ホット電位に接続される電極またはグラウンド電位に接続される電極であり、浮き電極は設けられていない。
 図5は、本発明の第1の実施形態に係る弾性波装置の共振特性を示す図である。なお、この共振特性を得た弾性波装置1の設計パラメータは以下の通りである。
 圧電層2:オイラー角(0°,0°,90°)のLiNbO、厚み=400nm。電極3と電極4の長さ方向と直交する方向に視たときに、電極3と電極4とが重なっている領域、すなわち励振領域の長さ=40μm、電極3,4からなる電極の対数=21対、電極間中心距離=3μm、電極3,4の幅=500nm、d/p=0.133。
 絶縁層7:1μmの厚みの酸化ケイ素膜。
 支持部材8:Si。
 なお、励振領域の長さとは、励振領域の電極3,4の長さ方向に沿う寸法である。
 本実施形態では、電極3,4からなる電極対の電極間距離は、複数対において全て等しくした。すなわち、電極3と電極4とを等ピッチで配置した。
 図5から明らかなように、反射器を有しないにもかかわらず、比帯域が12.5%である良好な共振特性が得られている。
 ところで、上記圧電層2の厚みをd、電極3と電極4との電極の中心間距離をpとした場合、前述したように、本実施形態では、d/pは0.5以下、より好ましくは0.24以下である。これを、図6を参照して説明する。
 図5に示した共振特性を得た弾性波装置と同様に、但しd/2pを変化させ、複数の弾性波装置を得た。図6は、このd/2pと、弾性波装置の共振子としての比帯域との関係を示す図である。
 図6から明らかなように、d/2pが0.25を超えると、すなわちd/p>0.5では、d/pを調整しても、比帯域は5%未満である。これに対して、d/2p≦0.25、すなわちd/p≦0.5の場合には、その範囲内でd/pを変化させれば、比帯域を5%以上とすることができ、すなわち高い結合係数を有する共振子を構成することができる。また、d/2pが0.12以下の場合、すなわちd/pが0.24以下の場合には、比帯域を7%以上と高めることができる。加えて、d/pをこの範囲内で調整すれば、より一層比帯域の広い共振子を得ることができ、より一層高い結合係数を有する共振子を実現することができる。従って、本願の第2の発明のように、d/pを0.5以下とすることにより、上記厚み滑りモードのバルク波を利用した、高い結合係数を有する共振子を構成し得ることがわかる。
 前述したように、上記pは、隣り合う電極3,4の中心間距離とする。
 なお、図13は、d/pを限りなく0に近づけた場合のLiNbOのオイラー角(0°,θ,ψ)に対する比帯域のマップを示す図である。図13のハッチングを付して示した部分が、少なくとも5%以上の比帯域が得られる領域であり、当該領域の範囲を近似すると、下記の式(1)、式(2)及び式(3)で表される範囲となる。
 (0°±10°,0°~20°,任意のψ)  …式(1)
 (0°±10°,20°~80°,0°~60°(1-(θ-50)/900)1/2) または (0°±10°,20°~80°,[180°-60°(1-(θ-50)/900)1/2]~180°)  …式(2)
 (0°±10°,[180°-30°(1-(ψ-90)/8100)1/2]~180°,任意のψ)  …式(3)
 従って、上記式(1)、式(2)または式(3)のオイラー角範囲の場合、比帯域を十分に広くすることができ、好ましい。
 また、圧電層の厚みdについては、圧電層2が厚みばらつきを有する場合、その厚みを平均化した値を採用してもよい。
 本発明に係る弾性波装置では、下記の交差幅が4.6p以上であることにより、厚み滑りモードのバルク波以外の不要モードによるリップルを効果的に抑制することができる。これを、以下において説明する。
 ここで交差幅とは、第1電極と第2電極とが対向している領域の第1電極及び第2電極の延びる方向の寸法をいう。すなわち、図1(b)において、第1電極としての電極3と、第2電極としての電極4とが対向している領域、すなわちX方向において重なり合っている領域の、電極3または電極4の延びる方向の寸法を交差幅Kとする。この交差幅Kが、上記のように4.6p以上であれば、不要波によるリップルを抑圧することができる。なお、pは、電極3と電極4との繰り返しピッチであり、電極3と電極4との電極指中心間距離である。第1の実施形態の弾性波装置1において、電極指ピッチp=3.25μmとし、交差幅Kを、0.31p、0.92p、1.54p、または3.08pとしたことを除いては、前述した図5の共振特性を得た弾性波装置の設計パラメータと同様にして、弾性波装置を構成した。これらの弾性波装置の共振子としての特性であるインピーダンス-周波数特性を図7に示す。
 図7から明らかなように、交差幅Kが、0.31p、0.92p、1.54p、または3.08pのいずれにおいても、共振周波数付近及び共振周波数近傍において、不要波によるリップルが数多く現れている。
 図8は、交差幅Kを、3.08p、4.62p、6.15p、7.69p、または9.23pとしたことを除いては、前述した図5の共振特性を得た弾性波装置の設計パラメータと同様にして構成された各弾性波装置の共振子としての特性であるインピーダンス-周波数特性を示す図である。
 図8から明らかなように、交差幅Kが3.08pの場合には、図7に示した共振特性のように、共振周波数及びその近傍において、不要波によるリップルが多く現れている。これに対して、交差幅Kが4.6p以上の場合には、上記リップルが抑制され、良好な共振特性を得られることがわかる。
 従って、本発明においては、上記交差幅Kは、4.6p以上であることが必要である。
 なお、不要波によるリップルを抑制するためには、交差幅Kは大きい方が好ましいが、交差幅Kが大きくなり過ぎると損失が大きくなる。従って、損失を抑制するためには、交差幅Kは30p以下であることが望ましい。
 弾性波装置1では、好ましくは、第1のバスバー5及び第2のバスバー6の電極3または電極4が延びる方向の寸法をバスバー幅とした場合、バスバー幅は、9.23p以下である。
 小型化を進めるには、第1,第2のバスバー5,6のバスバー幅は小さい方が好ましい。図9(a),図9(b)は、第1,第2のバスバー5,6のバスバー幅が1.54p(5μm)もしくは0.15p(0.5μm)、または0.03p(0.1μm)である場合の共振子としての特性であるインピーダンス-周波数特性を示す図である。なお、他の設計パラメータは、図7及び図8に示した共振特性の弾性波装置の場合と同様とした。
 図9(a),図9(b)から明らかなように、バスバー幅が1.54pである場合に比べ、バスバー幅を0.15pと細くしても、共振特性はほぼ同等であった。
 さらに、バスバー幅が0.15pの場合に比べ、バスバー幅を0.03pと細くしても、共振特性はほぼ同等であった。従って、上記バスバー幅は、0.03pまで細くしても特性に影響しないことがわかる。また、上記バスバー幅が大きくなり過ぎても共振特性は劣化し難いが、バスバー幅が大きくなり過ぎると、弾性波装置の寸法が大きくなる。従って、小型化を図るには、バスバー幅は9.23p以下であることが好ましい。
 上記の通り、本願の第1,第2の発明に係る弾性波装置では、反射器を必要とせずに、良好な共振特性を得ることができ、従って小型化を進めた場合でも、高いQ値を実現することができる。また、上記の通り、本発明に係る弾性波装置では、不要波によるリップルを効果的に抑制することも可能とされている。以下、本発明の他の実施形態及び変形例を説明する。
 図10は、第2の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。弾性波装置21では、少なくとも1対の電極3,4を覆うように、圧電層2の第1の主面2a上に、保護膜22が積層されている。保護膜22としては、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素などの絶縁性材料を好適に用いることができる。なお、保護膜22は、電極3と電極4との間のギャップ領域をも覆っているが、ギャップ領域を部分的に覆っていてもよい。
 図11は、第3の実施形態に係る弾性波装置の平面図である。弾性波装置31では、圧電層2の第1の主面2a上において、電極3と電極4とを有する1対の電極が設けられている。なお、図11中のKが交差幅となる。前述したように、本発明の弾性波装置では、電極の対数は1対であってもよい。この場合においても、上記d/pが0.5以下であれば、厚み滑りモードのバルク波を効果的に励振することができる。
 図12は、第4の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。弾性波装置41では、圧電層2の第2の主面2bに音響多層膜42が積層されている。音響多層膜42は、音響インピーダンスが相対的に低い低音響インピーダンス層42a,42c,42eと、音響インピーダンスが相対的に高い高音響インピーダンス層42b,42dとの積層構造を有する。音響多層膜42を用いた場合、弾性波装置1におけるエアギャップ9を用いずとも、厚み滑りモードのバルク波を圧電層2内に閉じ込めることができる。弾性波装置41においても、上記d/pを0.5以下とすることにより、厚み滑りモードのバルク波に基づく共振特性を得ることができる。なお、音響多層膜42においては、その低音響インピーダンス層42a,42c,42e及び高音響インピーダンス層42b,42dの積層数は特に限定されない。低音響インピーダンス層42a,42c,42eよりも、少なくとも1層の高音響インピーダンス層42b,42dが圧電層2から遠い側に配置されておりさえすればよい。
 上記低音響インピーダンス層42a,42c,42e及び高音響インピーダンス層42b,42dは、上記音響インピーダンスの関係を満たす限り、適宜の材料で構成することができる。例えば、低音響インピーダンス層42a,42c,42eの材料としては、酸化ケイ素または酸窒化ケイ素などを挙げることができる。また、高音響インピーダンス層42b,42dの材料としては、アルミナ、窒化ケイ素または金属などを挙げることができる。
1…弾性波装置
2…圧電層
2a…第1の主面
2b…第2の主面
3,4…電極
5,6…第1,第2のバスバー
7…絶縁層
8…支持部材
7a,8a…開口部
9…エアギャップ
21…弾性波装置
22…保護膜
31…弾性波装置
41…弾性波装置
42…音響多層膜
42a,42c,42e…低音響インピーダンス層
42b,42d…高音響インピーダンス層
201…圧電膜
201a…第1の主面
201b…第2の主面
451…第1領域
452…第2領域
VP1…仮想平面

Claims (10)

  1.  ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムからなる圧電層と、
     前記圧電層の厚み方向に交差する方向において対向する第1電極及び第2電極と、を備え、
     厚み滑りモードのバルク波を利用しており、
     前記第1電極と前記第2電極とが対向している領域の前記第1電極及び前記第2電極の延びる方向の寸法を交差幅とし、前記第1電極と前記第2電極との中心間距離をpとした場合、前記交差幅が4.6p以上である、弾性波装置。
  2.  ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムからなる圧電層と、
     前記圧電層の厚み方向に交差する方向において対向する第1電極及び第2電極と、を備え、
     前記第1電極及び前記第2電極は隣り合う電極同士であり、
     前記圧電層の厚みをd、前記第1電極と前記第2電極との中心間距離をpとした場合、d/pが0.5以下であり、
     前記第1電極と前記第2電極とが対向している領域の前記第1電極及び前記第2電極の延びる方向の寸法を交差幅とした場合に、前記交差幅が4.6p以上である、弾性波装置。
  3.  前記交差幅が、30p以下である、請求項1または2に記載の弾性波装置。
  4.  前記第1電極が接続される第1のバスバーと、
     前記第2電極が接続される第2のバスバーと、をさらに備える、請求項1~3のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  5.  前記第1のバスバー及び前記第2のバスバーの前記第1電極または前記第2電極が延びる方向の寸法をバスバー幅とした場合、バスバー幅が9.23p以下である、請求項4に記載の弾性波装置。
  6.  前記第1電極及び前記第2電極が長さ方向を有し、前記第1電極及び前記第2電極が前記長さ方向と直交する方向において対向している、請求項1~5のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  7.  前記圧電層における前記第1電極及び前記第2電極が設けられている側とは反対側において、前記第1電極及び前記第2電極が設けられている部分と重ならない位置に直接または間接に積層されている支持部材をさらに備える、請求項1~6のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  8.  前記圧電層における前記第1電極及び前記第2電極が設けられている側とは反対側において、前記支持部材がない領域にはエアギャップを有する、請求項7に記載の弾性波装置。
  9.  前記圧電層における前記第1電極及び前記第2電極が設けられている側とは反対側において積層された音響多層膜をさらに備え、前記音響多層膜は、音響インピーダンスが相対的に低い低音響インピーダンス層と、音響インピーダンスが相対的に高い高音響インピーダンス層との積層構造を有する、請求項1~7のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  10.  前記第1電極と前記第2電極とが、前記圧電層の同一主面上で対向している、請求項1~9のいずれか1項に記載の弾性波装置。
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