JP2005260484A - 圧電共振器およびそれを備えた電子部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数のトランスデューサが積層形成された構造の圧電共振器において通過特性の広帯域化を図ること。
【解決手段】 圧電膜１３，１４ならびに圧電膜１３，１４の両面にそれぞれ形成された第１の電極膜１５ａ，１６ａおよび第２の電極膜１５ｂ，１６ｂで構成されて相互に積層配置された第１および第２のトランスデューサ１７，１８を有し、圧電膜１３，１４の内部を伝搬するバルク波により所定の共振周波数の信号を得る圧電共振器１０であって、バルク波の伝搬面積が当該バルク波の伝搬方向に変化するようにする。例えば、第１のトランスデューサ１７の面積と第２のトランスデューサ１８の面積とを相互に異ならせる。
【選択図】 図１

Description

本発明は圧電共振器およびそれを備えた電子部品に関し、特に、トランスデューサが積層されてなる圧電共振器における通過特性の広帯域化に適用して有効な技術に関するものである。

近年、高速大容量通信への対応のため、小型で低損失かつ広帯域な通過帯域幅を有するフィルタへの需要が高まっている。この要求に応えるものとして、小型で低損失な特徴を有する弾性表面波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタおよびＳＡＷフィルタを用いたアンテナ分波器が多用されている。しかしながら、さらなる高速大容量通信への要求から、使用する周波数の高周波化が図られようとしている。

ＳＡＷフィルタは、圧電基板上に、伝搬させる弾性表面波の波長λの１／４程度幅もつ電極指を交互に配置した交差指状電極を用いて弾性表面波を励振・受信するものである。２ＧＨｚ帯のシステムで使用されているＳＡＷフィルタの電極指線幅は、およそ０．４μｍ程度である。そして、さらなる高周波化に対応するには、０．４μｍ以下の電極指を精度よく加工する必要があり、製造性が著しく低下する可能性が大きい。

なお、ＳＡＷフィルタについては、たとえば特開平５−１６７３８８号公報に開示されている

こういった状況の中、たとえば特開２００３−２２０７４号公報に記載のように、バルク波（Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）を用いるデバイスの一種である圧電薄膜を用いたトランスデューサ（ＢＡＷデバイス）が注目されている。ＢＡＷデバイスの動作周波数は、入出力電極で挟んだ圧電膜の厚みで決まる。

ここで、従来のセラミックや水晶を用いたトランスデューサフィルタでは、精度よく圧電膜を薄く加工することが困難であるため、高周波の用途には用いられなかった。そして、薄膜トランスデューサフィルタは、圧電膜をスパッタ等の成膜装置を用いて形成するため、所望の厚みの圧電膜を容易に得ることができ、高周波化に優位性を有している。また、薄膜トランスデューサフィルタで使用する電極は平板電極であることから、ＳＡＷフィルタのように、細い電極を使用する必要がないため、大電力の信号を扱うことが可能となる。

従来の積層型トランスデューサからなる圧電共振器を図９に示す。

図示するように、圧電共振器４０は、たとえばシリコンからなる基板１１上に、相互に音響インピーダンスの異なる第１の反射膜１２ａおよび第２の反射膜１２ｂが交互に積層された音響多層反射膜１２が形成され、この音響多層反射膜１２上に、第１の電極膜２０ａ、圧電膜２１および第２の電極膜２０ｂを順次積層してトランスデューサ２２を形成したものからなる。そして、このように圧電膜２１を上下の電極膜２０ａ，２０ｂで挟むトランスデューサ２２を平面的に複数配置し、それぞれのトランスデューサ２２を電気的にラダー型接続してフィルタや分波器を構成していた。
特開平５−１６７３８８号公報 特開２００３−２２０７４号公報

しかしながら、このような構造のフィルタでは、通常５から７個程度のトランスデューサを用いるため、（トランスデューサ数×トランスデューサの面積）以下のチップ面積を実現することはできなかった。

また、圧電膜を２つ以上積層して立体的にトランスデューサを配置した積層トランスデューサフィルタ（ＳＣＦ：Ｓｔａｃｋｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ Ｆｉｌｔｅｒ）や、トランスデューサの間に伝搬層を設けた多重モードトランスデューサフィルタ（ＣＲＦ：Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｆｉｌｔｅｒ）が知られているが、ＳＣＦは、狭帯域のフィルタとなることから広帯域には不向きであり、ＣＲＦは、多重モードを用いるため広帯域化には有利であるが、今後の高速大容量通信への展開によるさらなる広帯域化には十分とは言えない。

そこで、本発明は、複数のトランスデューサが積層形成された構造の圧電共振器における通過特性の広帯域化を図ることのできる技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る圧電共振器は、圧電膜ならびに当該圧電膜の両面にそれぞれ形成された第１の電極膜および第２の電極膜で構成されて相互に積層配置された複数のトランスデューサを含み、前記圧電膜の内部を伝搬するバルク波により所定の共振周波数の信号を得る圧電共振器であって、前記バルク波の伝搬面積が当該バルク波の伝搬方向に変化していることを特徴とする。

本発明の好ましい形態において、少なくとも一部の前記トランスデューサの面積が相互に異なることで前記バルク波の伝搬面積が当該バルク波の伝搬方向に変化することを特徴とする。

本発明のさらに好ましい形態において、前記トランスデューサは、交互に積層形成された所定の音響インピーダンスを有する第１の反射膜およびこの第１の反射膜と異なる音響インピーダンスを有する第２の反射膜から構成されて前記バルク波を反射する音響多層反射膜上に形成され、前記音響多層反射膜に接した前記トランスデューサの面積が他の前記トランスデューサの面積よりも狭くなっていることを特徴とする。

本発明のさらに好ましい形態において、前記トランスデューサの間に伝搬層が形成され、当該伝搬層の面積が少なくとも一部の前記トランスデューサの面積と異なることで前記バルク波の伝搬面積が当該バルク波の伝搬方向に変化することを特徴とする。

本発明のさらに好ましい形態において、前記伝搬層の面積は少なくとも一部の前記トランスデューサの面積よりも狭くなっていることを特徴とする。

本発明のさらに好ましい形態において、前記トランスデューサは、交互に積層形成された所定の音響インピーダンスを有する第１の反射膜およびこの第１の反射膜と異なる音響インピーダンスを有する第２の反射膜から構成されて前記バルク波を反射する音響多層反射膜上に形成され、前記伝搬層の面積は、前記音響多層反射膜に接した前記トランスデューサ以外のトランスデューサの面積と同一であることを特徴とする。

本発明のさらに好ましい形態において、前記圧電共振器は、ＳＭＲ型圧電共振器またはダイヤフラム型圧電共振器であることを特徴とする。

そして、上記課題を解決するため、本発明に係る電子部品は、このような圧電共振器を備えたことを特徴とする。

本発明によれば以下の効果を奏することができる。

すなわち、本発明によれば、バルク波の伝搬面積がバルク波の伝搬方向に変化しているので、広帯域な通過特性を有する圧電共振器を実現することが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しつつさらに具体的に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。

（実施の形態１）

図１は本発明の実施の形態１における圧電共振器を示す斜視図、図２は図１の圧電共振器の周波数特性を示すグラフ、図３は本発明に対する比較例としての圧電共振器を示す斜視図、図４は図３の圧電共振器の周波数特性を示すグラフである。

図１に示す圧電共振器１０はＳＭＲ（Ｓｏｌｉｄｌｙ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）型圧電共振器と呼ばれるもので、シリコンやガラスからなる基板１１の片面に、音響インピーダンスが高い薄膜と低い薄膜、たとえばＡｌＮ膜（第１の反射膜）１２ａとＳｉＯ_２膜（第２の反射膜）１２ｂとが交互に積層されてなる音響多層反射膜１２が形成されている。なお、図示する場合には、ＡｌＮ膜１２ａが基板１１の直上に形成されて交互に積層されているが、以下に説明する場合を含め、ＳｉＯ_２膜１２ｂが基板１１の直上に形成されて交互に積層されていてもよい。

音響多層反射膜１２上には、２層の圧電膜１３，１４が積層方向に形成されており、音響多層反射膜１２側に位置する一方の圧電膜１３の両面には、下部電極（第１の電極膜）１５ａと上部電極（第２の電極膜）１５ｂとがそれぞれ形成されている。また、他方の圧電膜１４の両面には、圧電膜１３の上部電極（第２の電極膜）１５ｂと共用する下部電極（第１の電極膜）１６ａと上部電極（第２の電極膜）１６ｂとがそれぞれ形成されている。そして、圧電膜１３とこの圧電膜１３の両側に位置する下部電極１５ａと上部電極１５ｂとで第１のトランスデューサ１７が構成され、圧電膜１４とこの圧電膜１４の両側に位置する下部電極１６ａと上部電極１６ｂとで第２のトランスデューサ１８が構成されている。

そして、図示するように、第１のトランスデューサ１７の面積は、第２のトランスデューサ１８の面積に比べて狭く形成されている。なお、図１に示す場合には音響多層反射膜１２に接した第１のトランスデューサ１７の面積が第２のトランスデューサ１８の面積よりも狭くなっているが、逆に第１のトランスデューサ１７の面積の方が広くなっていてもよい。

電極１５ａ，１５ｂ（１６ａ），１６ｂは例えばＡｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｏなどからなり、圧電膜１３，１４は例えばＡｌＮやＺｎＯなどからなる。

なお、音響多層反射膜１２は形成されていなくてもよく、この場合には基板１１上に直接下部電極１５ａが形成される。

なお、以下に説明する場合を含め、本発明ではトランスデューサは２つに限定されるものではなく、複数が相互に積層配置されていればよい。そして、トランスデューサが３つ以上積層配置されている場合では、トランスデューサの面積は相互に全てが異なっていてもよいが、一部のみが異なっていてもよい。

また、同じく以下に説明する場合を含め、トランスデューサ１７，１８や後述する伝搬層の形状は矩形となっているが、正方形、円形、楕円等、どのような形状であってもよい。

ここで、膜中を伝搬する音波の波長をλとしたとき、ＡｌＮ膜１２ａおよびＳｉＯ_２膜１２ｂの厚さは波長λの１／４にほぼ等しく、つまり当該圧電共振器１０の共振周波数付近において、それぞれの膜を伝搬する音波の波長λの１／４となるよう設定されている。

なお、本実施の形態において、第１の反射膜であるＡｌＮ膜１２ａの膜厚は０．６４μｍ、第２の反射膜であるＳｉＯ_２膜１２ｂの膜厚は１．２μｍとなっている。また、２つの圧電膜１３，１４はＡｌＮからなり、その膜厚は２．２５μｍ、第１のトランスデューサ１７の面積は０．０２６ｍｍ^２、第２のトランスデューサ１８の面積は０．１ｍｍ^２となっている。但し、本発明がこれらの数値に限定されるものではないことはもちろんである。

以上の構成を有する圧電共振器１０において、電極１５ｂ（１６ａ）に接地電位を印加し、第１のトランスデューサ１７の下部電極１５ａに入力信号を印加すると、入力信号の周波数とそれぞれの層におけるバルク波の速度で決まる音響的位相長の合計がｎ×λ／２（ｎ＝１，２，３・・・）を満たすとき（共振周波数）、定在波が励振されて第２のトランスデューサの電極１６ａ，１６ｂ間に強い信号が現れる。それ以外の周波数では定在波が励振されず、よってほとんど信号が伝送されない。これにより、所定の周波数帯域を通過帯域とするフィルタ特性が得られる。

そして、前述のように、本実施の形態の圧電共振器１０では第１のトランスデューサ１７の面積が第２のトランスデューサ１８の面積に比べて狭くなっているので、バルク波の伝搬面積がバルク波の伝搬方向（つまり、積層方向）には一定ではなくなっている。すなわち、バルク波の伝搬面積がバルク波の伝搬方向に対して変化している。

なお、本明細書において、バルク波の伝搬面積とは、バルク波の伝搬方向と直交する方向で、且つ実際にバルク波が伝搬する領域の断面積を指す概念である。

図１に示す圧電共振器１０の周波数特性を図２に示す。

図示するように、２つの通過域が現れている。この２つの通過域は、音響位相長がλおよび（３／２）λに対応する共振ピークである。なお、（１／２）λの共振ピークは（１／４）λ反射膜の反射帯域から外れているため観測されない。そして、図２に示す場合には、各通過域のピーク間の周波数差は３６０ＭＨｚ程度となっている。

ここで、比較例としての圧電共振器３０を図３に、その周波数特性を図４に示す。

図示する圧電共振器３０は、図１に示す本実施の形態の圧電共振器１０と異なり、第１のトランスデューサ１７の面積と第２のトランスデューサ１８の面積とが等しくなっている。したがって、バルク波の伝搬面積はバルク波の伝搬方向に対して変化しておらず、一定である。なお、図３において、第１の反射膜であるＡｌＮ膜１２ａの膜厚は０．６４μｍ、第２の反射膜であるＳｉＯ_２膜１２ｂの膜厚は１．２μｍ、ＡｌＮからなる圧電膜１３，１４の膜厚は２．２５μｍ、そして第１のトランスデューサ１７と第２のトランスデューサ１８の面積は何れも０．０２６ｍｍ^２となっている。

そして、このような圧電共振器３０の周波数特性は、図４に示すように、２つの通過域におけるピーク間の周波数差は６００ＭＨｚ程度と大きく、したがって非常に狭帯域な通過特性となっている。これでは２つのピークを利用した広範な通過帯域を得ることは困難である。

これに対して、本実施の形態の圧電共振器１０では、前述のように第１のトランスデューサ１７の面積を第２のトランスデューサ１８の面積より狭くしてバルク波の伝搬面積をバルク波の伝搬方向に対して変化させているので、定在波が励振される各モードの縮退が生じる。その結果、図２に示すように、ピーク間の周波数差が３６０ＭＨｚ程度と図４に示す比較例の周波数差に比べて小さくなっている。

そして、このような特性であれば、外部回路等により所定のインピーダンスに整合を施せば、この周波数差を含む帯域を通過帯域とする極めて広帯域な周波数性を得ることが可能になる。

（実施の形態２）

図５は本発明の実施の形態２における圧電共振器を示す斜視図、図６は図５の圧電共振器の周波数特性を示すグラフである。

図５に示す圧電共振器１０では、第１のトランスデューサ１７と第２のトランスデューサ１８との間に、例えばＳｉＯ_２や絶縁性アルミナなどの誘電体材料からなる伝搬層１９が形成されている。そして、第１のトランスデューサ１７と第２のトランスデューサ１８とは同一の面積で、伝搬層１９の面積がトランスデューサ１７，１８の面積よりも狭くなっており、これによりバルク波の伝搬面積がバルク波の伝搬方向に対して変化している。

なお、伝搬層１９の面積は全てのトランスデューサに対して異なっていてもよいが、一部のみのトランスデューサに対して異なっていてもよい。つまり、一部のトランスデューサとは同一の面積であってもよい。また、図示する場合には伝搬層１９の面積の方が狭くなっているが、逆に伝搬層１９の面積の方が広くなっていてもよい。さらに、伝搬層１９の面積を異ならせる手段として、本実施の形態のように伝搬層１９の外形をトランスデューサ１７，１８と異ならせるのではなく、伝搬層１９の外形はトランスデューサ１７，１８と一致させ、伝搬層の内部を適当に間引くことにより異ならせてもよい。

本実施の形態において、第１の反射膜であるＡｌＮ膜１２ａの膜厚は０．６４μｍ、第２の反射膜であるＳｉＯ_２膜１２ｂの膜厚は１．２μｍとなっている。また、２つの圧電膜１３，１４はＡｌＮからなり、その膜厚は２．２５μｍ、第１のトランスデューサ１７および第２のトランスデューサ１８の面積は０．１ｍｍ^２となっている。そして、伝搬層１９の膜厚は０．５５μｍ、面積が０．０８５ｍｍ^２となっている。但し、本発明がこれらの数値に限定されるものではないことはもちろんである。

図５に示す圧電共振器１０の周波数特性を図６に示す。

本実施の形態の圧電共振器１０では、伝搬層１９の面積をトランスデューサ１７，１８の面積と異ならせてバルク波の伝搬面積をバルク波の伝搬方向に対して変化させているので、定在波が励振される各モードの縮退が生じる。その結果、図６の実線に示すように、ピーク間の周波数差が１６０ＭＨｚ程度と、実施の形態１に示す場合よりも一層小さくなっている。

そして、これにより、外部回路等により所定のインピーダンスに整合を施せば、この周波数差を含む帯域を通過帯域とする極めて広帯域な周波数性を得ることが可能になる。

整合回路として、入出力に５ｎＨの直列のインダクタンス素子Ｌを付加した場合の周波数特性を図６の点線で示す。図示するように、２ｄＢ帯域幅で２００ＭＨｚ程度の広帯域な通過特性を得られていることが分かる。

（実施の形態３）

図７は本発明の実施の形態３における圧電共振器を示す斜視図、図８は図７の圧電共振器の周波数特性を示すグラフである。

図７に示す圧電共振器１０では、第１のトランスデューサ１７と第２のトランスデューサ１８との間に形成された伝搬層１９の面積は、音響多層反射膜１２に接した第１のトランスデューサ１７より狭く、この第１のトランスデューサ１７以外のトランスデューサである第２のトランスデューサ１８と同一の面積となっている。そして、これによりバルク波の伝搬面積がバルク波の伝搬方向に対して変化している。

本実施の形態において、第１の反射膜であるＡｌＮ膜１２ａの膜厚は０．６μｍ、第２の反射膜であるＳｉＯ_２膜１２ｂの膜厚は１．１μｍとなっている。また、ＡｌＮからなる圧電膜１３の膜厚は２．２５μｍ、同じくＡｌＮからなる圧電膜１４の膜厚は１．９５μｍ、第１のトランスデューサ１７の面積は０．１ｍｍ^２、伝搬層１９および第２のトランスデューサ１８の面積は０．０６５ｍｍ^２、伝搬層１９の膜厚は０．５５μｍとなっている。但し、本発明がこれらの数値に限定されるものではないことはもちろんである。

図７に示す圧電共振器１０の周波数特性を図８に示す。

本実施の形態の圧電共振器１０では、伝搬層１９の面積を第１のトランスデューサ１７より狭く、かつ第２のトランスデューサ１８と同一にしてバルク波の伝搬面積をバルク波の伝搬方向に対して変化させているので、定在波が励振される各モードの縮退が生じる。その結果、図８の実線に示すように、ピーク間の周波数差が２３０ＭＨｚ程度と小さくなっている。

そして、これにより、外部回路等により所定のインピーダンスに整合を施せば、この周波数差を含む帯域を通過帯域とする極めて広帯域な周波数性を得ることが可能になる。

整合回路としてインダクタンス素子Ｌを付加した場合の周波数特性を図８の点線で示す。図示するように、２ｄＢ帯域幅で４９０ＭＨｚ程度の広帯域な通過特性を得られていることが分かる。

以上の説明では、第１のトランスデューサ１７の面積を第２のトランスデューサ１８の面積よりも狭く形成することにより（実施の形態１）、伝搬層１９の面積を第１および第２のトランスデューサ１７，１８の面積よりも狭く形成することにより（実施の形態２）、第２のトランスデューサ１８と伝搬層１９の面積を第１のトランスデューサ１７より狭く形成することにより（実施の形態３）、それぞれバルク波の伝搬面積をバルク波の伝搬方向に対して変化させているが、本発明はこれらの面積の広狭パターンに限定されるものではなく、少なくとも何れか一つのトランスデューサまたは伝搬層の面積が他と異なっていればよく、バルク波の伝搬面積がバルク波の伝搬方向に対して変化する限り、面積の広狭は種々のパターンで実現することができる。

以上の説明においては、本発明をＳＭＲ型の圧電共振器に適用した場合について説明したが、本発明は、基板の一部を切り欠いてバルク波を伝搬しやすくしたダイヤフラム型の圧電共振器など、圧電膜を用いた積層型の圧電共振器全般に適用することができる。

なお、ダイヤフラム型の圧電共振器にあっても、ＳＭＲ型の圧電共振器と同様に音響多層膜は形成されていても、いなくてもよい。但し、音響多層膜が形成されていないダイヤフラム型の圧電共振器では、下部電極の振動部分をほぼ自由振動させるために、ＳＭＲ型の圧電共振器とは異なり、下部電極の直下の基板はエッチングなどにより除去されて存在しない。

また、本発明は、以上に説明した圧電共振器を備えたフィルタや分波器などの電子部品に適用することができる。

本発明の実施の形態１における圧電共振器を示す斜視図である。 図１の圧電共振器の周波数特性を示すグラフである。 本発明に対する比較例としての圧電共振器を示す斜視図である。 図３の圧電共振器の周波数特性を示すグラフである。 本発明の実施の形態２における圧電共振器を示す斜視図である。 図５の圧電共振器の周波数特性を示すグラフである。 本発明の実施の形態３における圧電共振器を示す斜視図である。 図７の圧電共振器の周波数特性を示すグラフである。 従来の圧電共振器を示す斜視図である。

符号の説明

１０ 圧電共振器
１１ 基板
１２ 音響多層反射膜
１２ａ ＡｌＮ膜（第１の反射膜）
１２ｂ ＳｉＯ_２膜（第２の反射膜）
１３，１４ 圧電膜
１５ａ 下部電極（第１の電極膜）
１５ｂ 上部電極（第２の電極膜）
１６ａ 下部電極（第１の電極膜）
１６ｂ 上部電極（第２の電極膜）
１７ 第１のトランスデューサ
１８ 第２のトランスデューサ
１９ 伝搬層
２０ａ 第１の電極膜
２０ｂ 第２の電極膜
２１ 圧電膜
２２ トランスデューサ
３０ 圧電共振器
４０ 圧電共振器
Ｌ インダクタンス素子

Claims (8)

1. 圧電膜ならびに当該圧電膜の両面にそれぞれ形成された第１の電極膜および第２の電極膜で構成されて相互に積層配置された複数のトランスデューサを含み、前記圧電膜の内部を伝搬するバルク波により所定の共振周波数の信号を得る圧電共振器であって、
   前記バルク波の伝搬面積が当該バルク波の伝搬方向に変化していることを特徴とする圧電共振器。
2. 少なくとも一部の前記トランスデューサの面積が相互に異なることで前記バルク波の伝搬面積が当該バルク波の伝搬方向に変化することを特徴とする請求項１記載の圧電共振器。
3. 前記トランスデューサは、交互に積層形成された所定の音響インピーダンスを有する第１の反射膜およびこの第１の反射膜と異なる音響インピーダンスを有する第２の反射膜から構成されて前記バルク波を反射する音響多層反射膜上に形成され、
   前記音響多層反射膜に接した前記トランスデューサの面積が他の前記トランスデューサの面積よりも狭くなっていることを特徴とする請求項２記載の圧電共振器。
4. 前記トランスデューサの間に伝搬層が形成され、当該伝搬層の面積が少なくとも一部の前記トランスデューサの面積と異なることで前記バルク波の伝搬面積が当該バルク波の伝搬方向に変化することを特徴とする請求項１記載の圧電共振器。
5. 前記伝搬層の面積は少なくとも一部の前記トランスデューサの面積よりも狭くなっていることを特徴とする請求項４記載の圧電共振器。
6. 前記トランスデューサは、交互に積層形成された所定の音響インピーダンスを有する第１の反射膜およびこの第１の反射膜と異なる音響インピーダンスを有する第２の反射膜から構成されて前記バルク波を反射する音響多層反射膜上に形成され、
   前記伝搬層の面積は、前記音響多層反射膜に接した前記トランスデューサ以外のトランスデューサの面積と同一であることを特徴とする請求項５記載の圧電共振器。
7. 前記圧電共振器は、ＳＭＲ型圧電共振器またはダイヤフラム型圧電共振器であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の圧電共振器。
8. 請求項７に記載の圧電共振器を備えたことを特徴とする電子部品。
   

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