JP2008005443A - 音響波共振子およびフィルタならびに通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数可変型共振子において、共振体を構成する圧電体層と電極層との剥離を効果的に防止することにより、信頼性の優れた音響波共振子およびそれを用いたフィルタならびに通信装置を提供する。
【解決手段】音響波共振子は、直方体形状のその上面に凹部１を有する基体２と、基体２上に設けられ、音響波を発する圧電体層３を下部電極層４及び上部電極層５とで上下から挟持した共振体６と、共振体６上に設けられたチューニング層７と、チューニング層７上に設けられた導電層８とを含んで構成されており、前記チューニング層７は、絶縁性の弾性体であり、前記導体層８と前記上部電極層５との間に電圧が印加されると、導体層８と上部電極層５との間に静電引力が発生し、その力によってチューニング層７が圧縮されて、チューニング層７の厚みが変形することにより、共振周波数を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、音響波共振子およびそれを用いたフィルタならびに通信装置に関する。

近時の通信速度の高速化等に伴い、無線通信や電気回路に用いられる音響波共振子、フィルタには、例えば２ＧＨｚ以上の高周波数信号に対応したものや、使用周波数帯を可変するものが求められている。

従来の音響波共振子としては、図９に示すように、基体上に、音響波を発し振動する圧電体層を厚み方向の両側より電極層で挟んだ共振体を形成し、共振体の振動が基体側に漏洩するのを抑制するために、基体に開口を形成した構造のものが知られている。

ここで、音響波共振子の共振周波数は、共振体の振動が伝播する層の厚みに依存している。

なお、共振体を曲げて共振体の厚み寸法を変えることで、音響波共振子の共振周波数を可変する発明が提案されている（特許文献１参照）。
特開平７−２２６６４８号公報

しかしながら、上述した従来の音響波共振子の如く共振体を曲げて、音響波共振子の共振周波数を可変する場合、曲がった状態の共振体を振動させると、圧電体層と電極層との界面に負荷がかかって該界面の密着性が低下し、圧電体層と電極層とが剥離して破損する等、信頼性の面で問題があった。

本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであって、信頼性を向上させることが可能な音響波共振子およびそれを用いたフィルタならびに通信装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の音響波共振子においては、基体と、前記基体上に設けられ、音響波を発生する圧電体層を厚み方向の両側より電極層で挟んだ共振体と、前記共振体上に設けられ、厚み方向に変形可能なチューニング層と、前記チューニング層上に設けられた導体層と、を備え、チューニング層の厚みに応じて共振周波数を調整する。

また、本発明の音響波共振子においては、前記チューニング層は、前記導体層に印加される電圧に応じて、厚み方向に変形することを特徴とする。

また、本発明の音響波共振子においては、前記チューニング層は、絶縁性の弾性体であって、前記導体層と前記電極層との間に発生する静電引力に応じて、厚みが変形することを特徴とする。

また、本発明のフィルタにおいては、入力端子と出力端子とグランド端子とを有し、前記入力端子と前記出力端子とをつなぐ入出力ライン上、および前記入出力ラインとグランド端子との間に上記構成のいずれかの本発明の音響波共振子をそれぞれ設ける。

また、本発明の通信装置においては、上記構成のフィルタと、電気信号を送信する送信回路と、電気信号を受信する受信回路とを有し、前記送信回路と前記受信回路との間に前記フィルタを配置して電気信号をフィルタリング処理する。

本発明によれば、共振体上に厚み方向に変形可能なチューニング層を設け、チューニングの厚みを変形することで、音響波共振子の共振周波数を変えることができ、圧電体層と電極層との剥離を抑制し、音響波共振子の信頼性の向上に寄与することができる。

以下に、本発明にかかる音響波共振子およびそれを用いたフィルタならびに通信装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

＜本発明の音響波共振子の一例＞
本発明の音響波共振子の実施の形態の一例について、図１（ａ）に平面図を、図１（ｂ）に図１（ａ）のＡ−Ａ’部分の断面図を示す。

図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る音響波共振子は、直方体形状のその上面に凹部１を有する基体２と、基体２上に設けられ、音響波を発する圧電体層３を下部電極層４及び上部電極層５とで上下から挟持した共振体６と、共振体６上に設けられたチューニング層７と、チューニング層７上に設けられた導電層８とを含んで構成されている。

基体２は、共振体６を支持する機能を有し、例えば厚みが０．０５〜１ｍｍの鏡面研磨されたＳｉウエハーが用いることができる。また、基体２としては、Ｓｉウエハーの他にも、Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ガラス等の板状体を使用することができる。

基体２の開口１は、圧電体層３から発せられる音響波が基体１側に漏洩するのを防止し、圧電体層３の振動が弱まるのを抑制することができる。かかる凹部１は、基体２上に共振体６を形成した後に、例えばＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）もしくは異方性エッチングによって、基体２の裏面側からエッチングすることにより形成される。

なお、凹部１を基体２上の上面側からエッチングする方法の一例として、例えば、最初にＳｉからなる基体２上にエッチングで凹部１の型を形成し、その表面にＣＶＤ法でＳｉＯ_２膜を形成する。次に、ＳｉＯ_２膜が形成された凹部１の型に、ＣＶＤ法でａ−Ｓｉを形成する。更に、基体２のａ−Ｓｉが形成された凹部１上に、上面側から下面側に向けて予め空洞を設けた共振体６を形成する。そして、共振体６側から基体２に向けて、ａ−Ｓｉが形成された凹部１の型に空洞を介してエッチング液を流し、ＳｉＯ_２膜までエッチングをすることで、凹部１を設けることができる。

共振体６における下部電極層４及び上部電極層５は、圧電体層３に高周波電圧を印加する機能を有する部材であり、例えばＷ、Ｍｏ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ等の金属材料で形成される。下部電極層４及び上部電極層５は、例えばスパッタリング法やＣＶＤ法等の薄膜プロセスで凹部１を設ける前の基体２上に所定の厚さで形成され、フォトリソグラフィ技術等により所定の形状に加工される。下部電極層４及び上部電極層５は共振体６を構成する機能を有するため、音響波共振子が必要な共振特性を発揮するために、下部電極層４及び上部電極層５の厚みは、材料の固有音響インピーダンスや密度，材料を伝搬する音響波の速度，音響波の波長等を考慮して、設定する必要がある。最適な電極厚みは、使用周波数，音響波共振子の設計，圧電体層３の材料，両電極材料等によって異なるが、２ＧＨｚの共振周波数を設定する場合、例えば、圧電体層３の材料をＺｎＯ、その厚みを０．９μｍ、両電極材料をＡｕとして形成すると、０．０１〜０．５μｍで設定される。

圧電体層３は、例えばＺｎＯやＡｌＮ，ＰＺＴ等の圧電体材料からなり、下部電極層４及び上部電極層５によって印加された高周波電圧に応じて伸縮する。圧電体層３は、例えばスパッタリング法やＣＶＤ法等の薄膜プロセスで下部電極層４上に所定の厚さで形成され、フォトリソグラフィ技術等により所定の形状に加工される。音響波共振子が必要な共振特性を発揮するために、圧電体層３の厚みは、材料の固有音響インピーダンスや密度，材料を伝搬する音響波の速度，音響波の波長等を考慮して、設定する必要がある。最適な厚みは、使用周波数，共振子の設計，圧電体層３の材料，下部電極層４及び上部電極層５の材料等によって異なるが、２ＧＨｚの共振周波数を設定する場合、例えば、圧電体層３の材料をＺｎＯ、両電極材料をＡｕ、その厚みを０．１μｍとして形成すると、０．３〜１．５μｍで設定される。

共振体６上に形成されるチューニング層７は、例えば弾性体もしくは後記する流体からなり、変形可能な材料から形成される。

チューニング層７が弾性材料からなる場合、チューニング層７の材料は、音響波損失、誘電損失、音響インピーダンス等の電気・音響波特性の他に、耐熱性、化学的安定性等の観点から選定する必要があり、例えば絶縁性のシリコーンゴム等の低弾性樹脂、合成ゴム、多孔質ポリイミド等の多孔質合成樹脂を好適に使用できる。弾性材料からなるチューニング層７は、例えばスピンコート、スプレーコート又は蒸着法で形成することができる。

弾性体のチューニング層７上に形成される導体層８は、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ等の金属材料で形成され、例えばスパッタリング法やＣＶＤ法等のチューニング層７上に所定の厚さで形成され、フォトリソグラフィ技術等により所定の形状に加工される。導体層８の厚みは、共振周波数が２ＧＨｚの場合、０．００１〜０．５μｍである。導体層８は、図示しない直流電圧源に電気的に接続されており、該直流電圧源から電圧を印加される。かかる導体層８と上部電極層５との間に電圧が印加されると、導体層８と上部電極層５との間に静電引力が発生し、その力によってチューニング層７が圧縮されて、チューニング層７の厚みが変形する。なお、導体層８と上部電極層５との間に印加する電圧値を変化させることで、導体層８と上部電極層５との間に発生する静電引力を変え、チューニング層７の厚みを制御することができる。

図２（ａ）、（ｂ）は、チューニング層７が弾性体の場合の、本発明の音響波共振子の動作の一例を示す断面図である。図２（ａ）は導体層８への電圧印加前、図２（ｂ）は電圧印加後の状態を示す。導体層８に電圧を印加することで、導体層８と上部電極層５との間に静電引力を発生させて、導体層８を上部電極層５側に引き付けてチューニング層７に外力を加え、チューニング層７の厚みをＴ１からＴ２へと短くすることができる。

図３は、本発明の音響波共振子における、チューニング層７が弾性体の場合の一例の周波数変化特性を示すシミュレーション結果である。音響波共振子の構成としては、基体２上に、下部電極層４、上部電極層５として０．１μｍのＡｕを、圧電体層３として０．９μｍのＺｎＯを、チューニング層７として固有音響インピーダンス１．５ＭＲａｙｌのシリコーンゴムを、導体層８として０．０１μｍのＡｕとした。図３に示すように、チューニング層７の厚みｄ１の取りうる範囲は、例えば、シリコーンゴムを使用した場合、シリコーンゴム中を進行する音響波の波長λは０．４７μｍであるから、０．０４７μｍ≦ｄ１≦０．１９μｍとなる。

導体層８と上部電極層５との間に電圧を印加し、チューニング層７の厚みを変化させた場合、図３から判るように、音響波共振子の共振周波数fs、反共振周波数fpが変化するが、音響波共振子の機械的振動を電気的信号に変換する効率を示す、電気機械結合係数K_eff ²は、殆ど変化していない。これらのことから、音響波共振子の共振周波数を変化させたとしても、効率良く機械的振動を電気的信号に変換できることがわかる。

本発明の音響波共振子は、上記したようにチューニング層７の厚みを変化させることで、圧電体層３の発する音響波の伝播する層の厚みを変えて、音響波共振子の共振周波数を可変することができる。かかるチューニング層７の厚みの変化は、共振体６の厚みの変化に影響を与えるものではない。また、共振体６は、直接外力が印加され厚み方向に大きく曲がることがないため、両電極層と圧電体層３との界面に必要以上の負荷が印加されることがない。そのため、両電極層と圧電体層３との界面の密着性を十分に維持することができ、圧電体層３と両電極層との剥離を効果的に抑制し、音響波共振子の信頼性を向上することができる。

上記構成では、共振体６は基体２で支持しているが、図４に示すように、凹部１を有する基体２に代えて、共振体６の直下に固有音響インピーダンスが互いに異なる低固有音響インピーダンス層１０ａと、高固有音響インピーダンス層１０ｂとを有する反射器１０を形成したものであっても構わない。なお、共振体６に最も近い反射器１０の層は共振体６の振動を妨げないように、低固有音響インピーダンス層１０ａである必要がる。低固有音響インピーダンス層１０ａの材料としては、ＳｉＯ_２等の誘電体材料、ポリイミド、ＢＣＢ（Benzocyclobutene）、ＭＳＱ（Methylsises Quioxane）等の樹脂材料が使用される。また、高固有音響インピーダンス層１０ｂの材料としては、Ｗ、Ｍｏ等の金属材料、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔa_２Ｏ_５、ＡｌＮ、ＺｎＯなど誘電体材料が使用される。

また、上記構成では、導体層８と上部電極層５との間に静電引力を発生させて、チューニング層７の厚みを制御したが、もちろん、チューニング層７の厚みを可変するはこの方式に留まらず、チューニング層７上に圧電体又はバイメタルを形成し、圧電体又はバイメタルの形状を変化させてチューニング層７に外力を印加し、チューニング層７の厚みを変える方式であっても構わない。なお、圧電体は電圧が印加されることで、圧電体全体が厚み方向に湾曲し、チューニング層７を押圧することができる。また、バイメタルは熱膨張係数の異なる金属を重ね合わせた構造であって、バイメタルに熱が印加されることで、バイメタル全体が厚み方向に湾曲し、チューニング層７を押圧することができる。

更に、本発明の音響波共振子を構成する各層の間に、各層を密着させる密着層、バッファ層、共振特性を微調整する付加層等の別の層が存在しても、本発明の動作原理を逸脱しなければ、本発明の目的を達成することは可能である。

本発明の薄膜バルク音響波共振子の具体例について以下に説明する。ここでは、２ＧＨｚで共振する薄膜バルク音響波共振子を作製した。

まず、高抵抗のＳｉ基板２を準備した。次に、基板２上に、スパッタリング法によって０．１μｍの厚みのＡｕからなる金属膜を形成し、該金属膜にフォトリソグラフィを行なって下部電極層４とした。その後、下部電極層４上に、スパッタリング法により０．９μｍの厚みのＺｎＯ膜から成る圧電体を成膜し、フォトリソグラフィおよび希塩酸によるウエットエッチングを行なって圧電体層３を形成した。そして、圧電体層３上に、厚み０．１μｍのＡｕをスパッタリング法により形成し、同様にフォトリソグラフィによりパターン形成を行なって上部電極層５を形成した。次に、上部電極層５上に、０．５μｍの厚みのシリコーン樹脂をスピンコートにより成膜し、１５０℃にてキュアしてチューニング層７を形成した。その後、チューニング層７上に、導体層８として０．０１μｍの厚みのＡｕを成膜し、フォトリソグラフィにより加工して、音響波共振子を作製した。

作製した音響波共振子の共振特性をインピーダンスアナライザにて行ったところ、共振周波数fsが１．８６２ＧＨｚであり、Ｑ値が２００であった。導体層８に４０Ｖの直流電圧を印加して、導体層８と上部電極層５との間に静電引力を発生させて、チューニング層７の厚みを変形させたところ、共振周波数fsが１．８６２ＭＨｚから１．８７６ＭＨｚと、１４ＭＨｚ上昇した。

＜本発明の音響波共振子の他の例＞
以下では、図５を参照して、上記実施形態に係る構成の変形例について説明する。なお、上述の図１に示す構成や製造方法については、同一の参照符号を付して説明を省略し、異なる箇所について説明する。

チューニング層７は、上述した弾性体に限らず流体を使用するようにしてもよい。

図５に示すように、共振体６上に共振体６を取り囲むように筺体９を設け、筺体９内に流体を満たし、筺体９内に導体層８を配置する構成とする。この場合、筺体９内に満たした流体のうち、導体層８と上部電極層５との間に挟まれた範囲がチューニング層７に該当する。

チューニング層７が流体の場合は、導体層８そのものが上部電極層５側へ流体中を移動するため、チューニング層７の厚みがＴ３からＴ４に短くなる。ここで、圧電体層３が発する音響波の振動エネルギーの一部はチューニング層７に分布するため、そのチューニング層７の厚みが減少することにより、音響波の伝播する層の厚みを変化させることができる。

チューニング層７に使用する流体として、例えば絶縁性の流体を使用することが望ましい。この場合、音響波共振子の電気特性を劣化させること無く、良好な特性の得ることができる。絶縁性の流体としては、音響波損失、誘電損失、音響インピーダンス等の電気・音響波特性の他に、耐熱性、科学的安定性、流体としての流れ性等の観点から選定する必要があるが、フロンや電解液を利用することができる。また、粘性の高い流体を使用すると、外界からの衝撃による周波数の変動が低減される。更に、導体層８が流体によって錆びないように、不活性の液体を使用することが望ましく、例えばフロリナート、シリコーンオイル、電解コンデンサーの電解液を使用することができる。

図６は、本発明の音響波共振子における、チューニング層７が流体の場合の一例の周波数変化特性を示すシミュレーション結果である。音響波共振子の構成としては、基体２上に、下部電極層４、上部電極層５として０．１μｍのＡｕを、圧電体層３として０．９μｍのＺｎＯを、チューニング層７として固有音響インピーダンス１．５ＭＲａｙｌの電解液を、導体層８として０．０１μｍのＡｕとした。なお、図６に示すように、流体からなるチューニング層７の厚みｄ２は、例えば、フロリナートを使用した場合、フロリナート中を進行する音響波の波長λは０．２９μｍであるから、０＜ｄ２≦０．０１７μｍの範囲となる。

導体層８に電圧を印加し、流体からなるチューニング層７の厚みを変化させた場合、図６から判るように、チューニング層７の厚みが変化すると、音響波共振子の共振周波数fs、反共振周波数fpは変化するが、電気機械結合係数K_eff ²は、殆ど変化していない。これらのことから、チューニング層７に流体を使用して、音響波共振子の共振周波数を変化させたとしても、効率良く機械的振動を電気的信号に変換できることがわかる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、種々の変更・改良が可能であることはいうまでもない。

＜本発明のフィルタの一例＞
次に、上述した音響波共振子を用いたフィルタの一例について説明する。なお、図７において、図１と同様の箇所には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。また、フィルタの構造が分かり易いように、各部の大きさ、配置箇所を適宜修正した。

図７（ａ）に、本発明のフィルタの実施の形態の一例を示す平面図を、図７（ｂ）に、その回路図をそれぞれ示す。図７（ａ）に示すフィルタは、図７（ｂ）に示す通り、２段ラダー型フィルタであり、２つの直列共振子と２つの並列共振子が接続された構成となっている。

直列共振子として、２つの音響波共振子で上部電極層５を共有することで両者を電気的に接続し、第１の直列共振子１１の下部電極層４に形成された入力端子１２から、第２の直列共振子１３の下部電極層４に形成された出力端子１４まで両者を直列に接続する。

並列共振子として、第１の並列共振子１５は、第１の直列共振子１１と上部電極層５を共有することで両者を電気的に接続し、下部電極層４をグランド（ＧＮＤ）端子１６に接続することで入出力ライン１７に対して並列接続する。

第２の並列共振子１８は、上部電極層５と第２の直列共振子１３の下部電極層４とを電気的に接続し、下部電極層４をグランド（ＧＮＤ）端子１６に接続することで入出力ライン１７に対して並列接続する。なお、第１の並列共振子１５と第２の並列共振子１８は、下部電極層４を共有することで電気的に接続されている。このような構成とすることで、共振体６を構成する各層３、４、５のパターニング形状を変えるだけで複数の音響波共振子を接続し、フィルタを構成することができる。

本発明の音響波共振子によれば、従来品よりも低損失、信頼性の高いフィルタを低コストで提供することができるため、従来よりも低損失、低コストで、信頼性の高いフィルタを提供することができる。本発明の音響波共振子を用いて本発明のフィルタを構成したものとしては、共振子を電気的に結合させたラダー型フィルタやラティス型フィルタの他に、共振子を音響的に結合させたスタックト・クリスタル（Stacked Crystal）型フィルタやカップルド・レゾネータ（Coupled Resonator）フィルタ等が挙げられる。

＜本発明の通信装置の一例＞
次に、上述した音響波共振子を用いた通信装置の一例について説明する。なお、上述した音響波共振子及びフィルタの重複する説明については省略する。

本発明の通信装置の実施の形態の一例について、図８に示すブロック回路図を用いて説明する。通信装置は、フィルタと電気信号を送信する送信回路１９と、電気信号を受信する受信回路２０とを有し、前記送信回路１９と前記受信回路２０との間に前記フィルタ２１を配置して電気信号をフィルタリング処理するものであって、図８は、携帯電話の高周波回路のブロック回路図を示すものである。送信回路１９から送信される高周波信号は、フィルタ２１ａによりその不要信号がフィルタリング処理され、パワーアンプ２２で増幅された後、アイソレータ２３と分波器２４を通り、アンテナ２５から放射される。また、アンテナ２５で受信された高周波信号は、分波器２４を通りローノイズアンプ２６で増幅されフィルタ２１ｂでその不要信号をフィルタリング処理された後、アンプ２７で再増幅されミキサ２８で低周波信号に変換されて、その後受信回路２０に送られる。

このように、信頼性が高く、高性能で小型な本発明のフィルタをフィルタリング処理として用いることにより、回路中での損失が小さくなり、不要な波の除去性能が高くなり、より感度が良く、信頼性が高い通信装置を低価格で提供することができる。

本発明の音響波共振子の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’部分の断面図である。 本発明の音響波共振子の動作の一例を示し、（ａ）はチューニング層の厚みが変化する前、（ｂ）はチューニング層の厚みが変化した後の状態を示す断面図である。 本発明の音響波共振子におけるチューニング層が弾性体の場合の周波数可変特性を示すシミュレーション結果である。 本発明の音響波共振子の一例を示した断面図である。 本発明の音響波共振子の動作の一例を示し、（ａ）はチューニング層の厚みが変化する前、（ｂ）はチューニング層の厚みが変化した後の状態を示す断面図である。 本発明の音響波共振子におけるチューニング層が流体の場合の周波数可変特性を示すシミュレーション結果である。 本発明のフィルタの実施の形態の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は等価回路図である。 本発明の通信装置の実施の形態の一例を示すブロック回路図である。 従来の音響波共振子の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ 凹部
２ 基体
３ 圧電体層
４ 上部電極層
５ 下部電極層
６ 共振体
７ チューニング層
８ 導体層
１２ 入力端子
１４ 出力端子
１６ グランド端子
１７ 入出力ライン
１９ 送信回路
２０ 受信回路
２１ フィルタ

Claims (5)

1. 基体と、
   前記基体上に設けられ、音響波を発生する圧電体層を厚み方向の両側より電極層で挟んだ共振体と、
   前記共振体上に設けられ、厚み方向に変形可能なチューニング層と、
   前記チューニング層上に設けられた導体層と、
   を備え、
   チューニング層の厚みに応じて共振周波数を調整せしめるようになした音響波共振子。
2. 前記チューニング層は、前記導体層に印加される電圧に応じて、厚み方向に変形することを特徴とする請求項１に記載の音響波共振子。
3. 前記チューニング層は、絶縁性の弾性体であって、前記導体層と前記電極層との間に発生する静電引力に応じて、厚みが変形することを特徴とする請求項２に記載の音響波共振子。
4. 入力端子と出力端子とグランド端子とを有し、前記入力端子と前記出力端子とをつなぐ入出力ライン上、および前記入出力ラインとグランド端子との間に請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の音響波共振子をそれぞれ設けてなるフィルタ。
5. 請求項４に記載のフィルタと、電気信号を送信する送信回路と、電気信号を受信する受信回路とを有し、前記送信回路と前記受信回路との間に前記フィルタを配置して電気信号をフィルタリング処理する通信装置。

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