JP2010521114A

JP2010521114A - 指向性バルク超音波連動素子

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Publication number: JP2010521114A
Application number: JP2009553135A
Authority: JP
Inventors: ルイーレ、ヴェルナー; ロースラー、ウルリケ; ハウザー、マルクス
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2010-06-17
Also published as: WO2008110576A1; US20100231330A1; DE102007012383A1; DE102007012383B4

Abstract

少なくとも１つの基材（１）と該基材上に配置され波動伝播に適した１つの層系（３）とを有する指向性バルク超音波連動素子を開示する。層系は、金属化層（３３）と第１誘電体層（３１）と第２誘電体層（３２）とを含む。音波の速度は、第１誘電体層（３１）中よりも第２誘電体層（３２）中で大きい。少なくとも１つの誘電体層はＴｅＯ_２を含む。
【選択図】図１

Description

ＧＢＡＷすなわち指向性バルク超音波と連動する素子を開示する。ＧＢＡＷは指向性バルク超音波（ＧｕｉｄｅｄＢｕｌｋＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ）の略称である。指向性バルク超音波は、”境界音響波”とも呼ばれる。ＧＢＡＷ連動素子は、特許文献１、特許文献２、特許文献３および特許文献４に開示される。

欧州特許出願公開第１５３８７４８号明細書米国特許出願公開第２００６／０１７５９２８号明細書米国特許第６０４６６５６号明細書米国特許出願公開第２００７／００１８５３６号明細書

解決すべき課題の１つは、温度応答の小さな周波数のＧＢＡＷ連動素子を開示することである。

少なくとも１つの基材と、該基材上に配置され波動伝播に適した１つの層系とを有する指向性バルク超音波連動素子を開示する。層系は、金属化層と第１誘電体層と第２誘電体層とを含む。音波の速度は、第１誘電体層中よりも第２誘電体層中で大きい。一方の誘電体層はＴｅＯ_２を含む。他方の誘電体層は、好ましくは、ＳｉＯ_２を含む。

その上に金属化層が形成される、圧電基材あるいは圧電層を含む基材は、一般的に弾性係数の負の温度応答を特徴とする。ＴｅＯ_２は逆の、すなわち、弾性係数の正の温度応答を特徴とする。そこで、ＴｅＯ_２は、いくつかの領域でこの基材と隣接する第１誘電体層の材料として、低い温度応答の周波数を有する全素子を得るための基材の温度応答の補償に関して有利である。

金属化層は、電気音響変換器、反射体、導体線、および、好ましくは外部から接触することができる接触面の電極構造を形成するように構造化される。

第１と第２の誘電体層間の境界面は、好ましくは、凹凸を有する。しかし、第１と第２の誘電体層間の境界面は、平らであっても、特に、平坦化されていてもよい。

第１誘電体層の表面の凹凸は、特に、構造化された金属化層上にこの層が戴置されるため、生じる。

以下では、第１と第２の実施形態に係る素子の有利な構造を説明する。第１と第２の実施形態は互いに組み合わせてもよい。

金属化層は基材上に配置される。第１誘電体層は、金属化層と第２誘電体層との間に配置される。第１誘電体層は、好ましくは、金属化層と直接に隣接する。第１誘電体層は、金属化層の構造を覆い、こうした構造のない区域で基材とぴったり重なる。

ある変形例では、第２誘電体層は、第１誘電体層とカバー層との間に配置される。第２誘電体層は、少なくとも１つの電気絶縁層を有する。カバー層は、好ましくは、例えば、樹脂、フォトレジスト、あるいは、音波を減衰させるために適したその他の有機材料などの材料を含む。

両誘電体層間の比較的大きな速度差は、波動伝播に、あるいは、音波のエネルギーを（垂直方向に対して）可能な限り狭い空間に集中させることに有利である。第１と第２の誘電体層間の音速の差は、好ましくは、少なくとも１．５倍である。

両誘電体層間の音響インピーダンスの比較的小さな差は、この場合、素子の低い許容差を達成することに関して、これらの層の間に形成される境界面の特質に影響を与えないため有利である。このため、特に第１誘電体層の厚さが素子の所定の周波数に達するように変化させる周波数トリミング後、この層の表面の平坦化のための費用のかさむ平坦化工程を、第２誘電体層の戴置前に省くことができる。第１と第２の誘電体層間の音響インピーダンスの差は、好ましくは、最大でも５０％である。

金属化層とそれに隣接する誘電体層との間の音響インピーダンスの比較的大きな差は、電極構造の端での比較的大きな音響反射を得るために有利である。

第１誘電体層の厚さは、好ましくは、垂直方向の音波の完全な減衰には不十分なため、その波のエネルギーの一部は第２誘電体層に残る。第１誘電体層の厚さは、好ましくは、素子の動作周波数での波長をλとするとき、０．２λと１．０λとの間である。

第２誘電体層は、垂直方向の音波の好ましくは完全な減衰に十分な厚さを有する。第２誘電体層の厚さは、好ましくは、少なくともλであり、ある有利な変形例では、少なくとも２λである。基材の全体の厚さは、波が基材内で完全に減衰するように選ばれる。基材の全体の厚さは、例えば、少なくとも５λである。

ある有利な実施形態では、第１誘電体層は、ＴｅＯ_２を含み、第２誘電体層は、ＴｅＯ_２よりも速い音速を有するＳｉＯ_２を含む。

基材は、例えば、ニオブ酸リチウム単結晶であってもよい。結晶断面ＬｉＮｂＯ_３φＹＸ、このときφ＝５°〜２５°、例えばφ＝１５°、が、大きな電気機械結合を達成するために、特に有利である。大きな結合は、素子の広帯域に関して有利である。

基材は、代わりに、ニオブ酸リチウムから作られる少なくとも１つの層を有していてもよい。代わりに、タンタル酸リチウムあるいは他の圧電材料を使用してもよい。

ある変形例では、素子中で励起された音波は、水平に分極された横波である。別の変形例では、他の音響モードを使用することも可能である。

誘電体層の少なくとも１つは、好ましくは、波にとって決定的な弾性係数に関して、基材のものとは逆の温度応答を有する。ある変形例では、それは第１誘電体層であり、別の変形例では、それは第２誘電体層である。別の変形例では、それは誘電体層の両方に当てはまる。

ある変形例では、誘電体層の少なくとも１つに関して、好ましくは、誘電体層の両方に関して、対応する材料の弾性は温度Ｔの上昇に伴って増加し、基材の弾性は温度上昇に伴って減少する。これは、ｄｃ／ｄＴ＞０を意味する。ｃは、波にとって決定的な弾性指数であり、例えば、ｃ＝ｃ_１１またはｃ_４４である。好ましくは、水平に分極された横波が励起され、これはｃ_４４によって決定され、好ましくは、ｄｃ_４４／ｄＴ＞０である。縦波と連動する素子に関して、それはｄｃ_１１／ｄＴ＞０に従う。

別の変形例では、誘電体層の少なくとも１つに関して、好ましくは、誘電体層の両方に関して、対応する材料の弾性は温度Ｔの上昇に伴って減少し、基材の弾性は温度上昇に伴って増加する。これは、ｄｃ／ｄＴ＞０を、すなわち、音響モードによれば、ｄｃ_４４／ｄＴ＞０あるいはｄｃ_１１／ｄＴ＞０を意味する。

基材と層系との弾性特性の温度応答の補償を介して、温度応答の極めて小さな動作周波数のＧＢＡＷ連動素子を生産することが可能となる。

金属化層は、好ましくは、アルミニウムのものよりも高い音響インピーダンスを特徴とする材料の、少なくとも１つの導電層を有する。以下の材料、Ｃｕ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｔａ，Ｎｉが考えられ、また同様に高い音響インピーダンスを有する別の導電材料が考えられる。これらの材料の音響インピーダンスは、第１誘電体層のものよりも顕著に高い。そのため、電極構造の端で、特に高い音響反射を得ることができる。

ある変形例では、金属化層は、アルミニウムを含む少なくとも１つの導電層を有する。音響インピーダンスが比較的小さく、隣接する誘電体層のものと同程度の、比較的軽量な少なくとも１つのＡｌ層に加えて、好ましくは、上記材料から作られる比較的重い少なくとも１つの金属層が使用される。

基材は、その上に金属化層が配置される少なくとも１つの圧電層を有する。金属化層は、好ましくは、圧電層に直接に隣接する。これは、圧電層での音速が、いくつかの区域において圧電層とぴったり重なる第１誘電体層での音速よりも速いときに有利である。

ある変形例では、圧電層は、例えば、ＬＴＣＣあるいはＨＴＣＣセラミック、シリコン、ガラス、Ａｌ_２Ｏ_３、あるいは、例えばＦＲ４などの有機プラスチックを含む非圧電層上に配置される。この場合、極めて厚さの薄い圧電層を形成し、圧電層のための担体基材と成長基材との一方あるいは両方として基材の非圧電層を使用することが可能となる。圧電層の厚さは、好ましくは、音波がこの層内で実質的に完全に減衰するように選ばれる。

非圧電層での音速は、好ましくは、圧電層での音速より速いので、波は可能な限り急速に減衰する。これは、特に、エネルギーの一部が非圧電層に存在する場合に当てはまる。これは、圧電層と非圧電層との速度差が比較的大きく、例えば、少なくとも１．５倍であるときに有利である。

以下では、開示した素子とその有利な構造を、原寸に比例して描かれていない模式図を参照しながら説明する。

ＧＢＡＷ素子の横断面図を示す。ＧＢＡＷ素子の別の横断面図を示す。ＧＢＡＷと連動する共鳴装置の図である。

図１では、基材１と該基材上に配置される層系３とを有する指向性バルク超音波連動素子を示す。層系３は、金属化層３３、第１誘電体層３１、および、第２誘電体層３２を含む。

ある変形例では、音響減衰材料、すなわち、弾性の低い材料から作られるカバー層２が、層系３に強固に接続されてもよい。第２誘電体層３２は、第１誘電体層３１とカバー層２との間に配置される。しかし、第２誘電体層３２は、露出面を有する末端層を意味するものであってもよい。

変換器４１、反射体４２，４３、トラックコンダクタ、および、電気接触面を形成するために構造化された金属化層３３が、基材１上に生成される。ここで、トラックコンダクタは変換器を互いに、および、接触面に接続する（図示せず）。変換器４１と反射体４２，４３とは帯状の電極構造を有する。

そして、例えば、ＴｅＯ_２から作られる第１誘電体層３１は、構造化された金属化層３３を有する基材上に、蒸着法あるいは別の堆積法を介して、戴置される。この層は、電極構造を覆い、基材１の表面とぴったり重なる。この層の表面は、電極構造によって”押し出される”ため、滑らかではない。素子の周波数位置が求められ、第１誘電体層３１は、この周波数位置を増加させるときは薄く作られ、動作周波数を減少させるときは厚く作られる。薄くすることは、エッチング法で行なうことができ、厚くすることは、スパッタリング法あるいは別の、好ましくは、経済的な方法を介して行なうことができる。薄くすることは、材料の機械的除去を介して行なうこともできる。素子の周波数位置の調整はトリミングと呼ばれる。

トリミング後、好ましくは二酸化ケイ素から作られる第２誘電体層３２が、層３１上に、例えば、蒸着法あるいはスパッタリング法によって、生成される。

金属化層３３で形成される電気音響的能動部品構造４１，４２，４３の電気的接触は、基材の一面と他面との一方あるいは両方から行なわれてもよい。このようにして、基材１と、任意ではあるがカバー層２と、また任意ではあるが誘電体層３１，３２とが接続される。

図２に示す変形例では、金属化層３３は、第１導電層３３１と、この層上に配置される第２導電層３３２とを有する。ある変形例では、第１導電層３３１は金属アルミニウムを含み、第２導電層３３２は高い音響インピーダンスを有する金属を含む。別の変形例では、第１導電層３３１は高い音響インピーダンスを有する金属を含み、第２導電層３３２は金属アルミニウムを含む。

図１に係る変形例では、基材１は圧電特性を有する。図２に係る変形例では、圧電層１２は、基材１を形成するために非圧電層１１上に生成される。

図３では、１つの変換器４１と２つの反射体４２，４３とを有し、ＧＢＡＷと連動する共鳴装置を示す。変換器４１は、反射体４２，４３間に配置される。変換器４１は、図示した変形例では、交互に２つの異なる母線に接続される帯状の電極構造を有する。音波は、２つの異なる極性の電極構造間で励起される。

明記したＧＢＡＷ素子は、その実施形態に制限されるものではなく、また、図で示し明記した材料に制限されるものでもない。言及した材料は、音響インピーダンスと音速に関して類似した性質を有する別の材料と置き換えてもよい。

１基材
１１基材１の非圧電層
１２圧電層
２カバー層
３層系
３１第１誘電体層
３２第２誘電体層
３３金属化層
３３１第１導電層
３３２第２導電層
４１変換器
４２，４３反射体

Claims

少なくとも１つの基材（１）と、該基材上に配置され、波動伝播に適した１つの層系（３）とを有する、
指向性バルク超音波と連動する素子であって、
前記層系（３）は、金属層（３３）と、第１誘電体層（３１）と、第２誘電体層（３２）とを有し、
前記超音波の前記第２誘電体層（３２）での速度は、第１誘電体層（３１）での速度よりも大きく、
前記誘電体層（３１，３２）のうち１つはＴｅＯ_２を含む、
素子。
前記第１誘電体層（３１）はＴｅＯ_２を含む、請求項１に記載の素子。
前記第２誘電体層（３２）はＴｅＯ_２を含む、請求項１に記載の素子。
前記第１誘電体層（３１）はＳｉＯ_２を有する、請求項１または３に記載の素子。
前記第２誘電体層（３２）はＳｉＯ_２を有する、請求項１，２または４に記載の素子。
前記金属化層（３３）は前記基材（１）上に配置され、前記第１誘電体層（３１）は前記金属化層（３３）と前記第２誘電体層（３２）との間に配置される、請求項１から５のいずれか１項に記載の素子。
前記第１と第２の誘電体層（３１，３２）間の音速の差が少なくとも１．５倍である、請求項１から６のいずれか１項に記載の素子。
前記第１と第２の誘電体層（３１，３２）間の音響インピーダンスの差が最大５０％である、請求項１から７のいずれか１項に記載の素子。
前記第１と第２の誘電体層（３１，３２）の弾性の温度応答が、前記基材（１）の弾性の温度応答とは逆である、請求項１から８のいずれか１項に記載の素子。
前記第１と第２の誘電体層（３１，３２）では、対応する材料の弾性は温度上昇に伴って増加し、
前記基材（１）の弾性は温度上昇に伴って減少する、
請求項９に記載の素子。
前記第１と第２の誘電体層（３１，３２）では、対応する材料の弾性は温度上昇に伴って減少し、
前記基材（１）の弾性は温度上昇に伴って増加する、
請求項９に記載の素子。
λを素子の動作周波数の波長とするとき、前記第１誘電体層（３１）の厚さは０．２λからλの間である、請求項１から１１のいずれか１項に記載の素子。
前記第２誘電体層（３２）の厚さは少なくともλである、請求項１から１２のいずれか１項に記載の素子。
前記第１と第２の誘電体層（３１，３２）間の境界面は凹凸を有する、請求項１から１３のいずれか１項に記載の素子。
前記第１誘電体層（３１）は前記金属化層（３３）に隣接し、
前記金属化層（３３）は、前記第１誘電体層の少なくとも２倍の音響インピーダンスを有する素材からなる少なくとも１つの電気伝導層を有する、
請求項１から１４のいずれか１項に記載の素子。
前記金属化層は、アルミニウムのインピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有する素材からなる少なくとも１つの電気伝導層を有する、請求項１から１５のいずれか１項に記載の素子。
前記金属化層（３３）は、アルミニウムを含む少なくとも１つの電気伝導層を有する、請求項１から１６のいずれか１項に記載の素子。
前記基材（１）は、その上に前記金属化層（３３）が配置される少なくとも１つの圧電層（１２）を有する、請求項１から１７のいずれか１項に記載の素子。
前記圧電層（１２）は非圧電層（１１）上に配置される、請求項１８に記載の素子。