JP2011078072A - 一方向性分散型すだれ状電極変換器を用いた弾性表面波機能素子 - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域・低損失・超角型で、位相特性に優れた弾性表面波機能素子を実現する。
【解決手段】圧電性基板１または／或いは圧電性薄膜基板表面上に、弾性表面波を励振または受信するすだれ状電極を有する弾性表面波機能素子において、伝搬方向に向かって徐々に電極幅及び周期が短くなる正負の電極を交互に配置した、ダウン方向に一方向性をもつ分散型すだれ状電極、あるいは伝搬方向に向かって徐々に電極幅及び周期が長くなる正負の電極を交互に配置した、アップ方向に一方向性をもつ分散型すだれ状電極を構成し、これらを相互に組み合わせることにより、その方向性を向かい合わせ、周波数の変化に対して遅延時間が変化しない非分散型遅延線及びフィルター、又は周波数の増加ともに遅延時間が長く／短かくなるアップ／ダウン型分散型遅延線及びフィルターを実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は伝搬方向に周期の異なる分散型すだれ状電極一方向性変換器を用いた、低損失・広帯域・帯域内フラットな特性をもつ弾性表面波機能素子に関する。

従来の圧電基板上にすだれ状電極を設けた弾性表面波変換器では、伝搬方向に周期が一定の同周期構造のため、帯域幅が狭く、また帯域内フラットな特性とするためには、Ｓｉｎ Ｘ／Ｘ（Ｘは電極の位置）の関数などの幅方向重み付けが必要であり、逆位相で励振、受信するを電極を分布させる必要があり、低損失特性は得られない。一方、分散型遅延線や弾性表面波コンボルバーに用いられている、伝搬方向に周期の異なる分散型すだれ状電極変換器を用いた変換器では、広帯域特性と帯域内でフラットな特性をもつことが知られている。更に、この変換器は、Ｙカット・Ｘ伝搬のＬｉＮｂＯ_３基板では、電極の反射を用いて、ダウン方向に一方向性をもつことが、山之内らにより、文献（Ｋ．Ｙａｍａｎｏｕｃｈｉ，Ｊ．Ｏｇａｔａ，Ｎ．Ｍｉｈｏｔａ ａｎｄ Ｓ．Ｋａｔｏ，“Ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｅｌａｓｔｉｃ Ｃｏｎｖｏｌｖｅｒｓ”，１９９１ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｃｅｄｉｎｇｓ，Ｖｏｌ．１、ｐｐ．２５１−２５４）で発表されている。しかし、この構造の変換器では、一方向性特性がダウン方向のみであり、低損失フィルタは、分散型特性のみしか得られない。本特許は、これらの欠陥を取り除くために考案されたものである。

発明が解決しようとする課題

分散型すだれ状電極を用いたダウン方向に一方向性をもつ分散型フィルタでは、遅延時間周波数特性が周波数に対して大きく変化するため、通信用には、一部でしか応用できない。本特許は、新たな構造のアップ方向及びダウン方向に一方向性をもつ分散型すだれ状電極を開発し、この電極を用いた弾性表面波機能素子を得ることを目的としている。

発明が解決するための手段

本特許は、分散型すだれ状電極を用いたダウン方向、及びアップ方向に一方向性特性をもつ変換器において、電極幅を変化させることにより、ダウン方向とアップ方向に一方向性をもつ構造の分散型すだれ状電極を考案しあたことを基に、これらの電極を組み合せた、位相直線・低損失・角形の特性をもつフィルタ、弾性表面波機能素子が得られることを示している。

実施例の１は、圧電性基板または電歪性基板或いは圧電・電歪性薄膜基板表面上に、弾性表面波を励振または受信するすだれ状電極を有する弾性表面波機能素子において、上記第１の入力すだれ状電極は、上記第２の出力すだれ状電極に向かって徐々に電極幅及び周期が短くなる正負の電極を交互に配置したダウン方向分散型すだれ状電極であり、かつ第１のすだれ状電極がダウン方向に一方向性特性をもつ電極であり、かつ電極の構造として、図１のように、空隙の正電極間の中心間距離をλ（弾性表面波の波長λに対応する）として、電極幅がλ／８の正負電極からなり、正負電極間の中心にλ／８の浮き電極を挿入した構造であり、かつ電極膜厚 Ｈ_１／λがＨ_１／λ＝０．００５〜０．１の間にある構造の分散型すだれ状電極、及びλ／８の電極幅及びλ／８の浮き電極の幅が、±２０％の範囲にある分散型すだれ状、及びこの電極上に一様な誘電体薄膜を付着させた構造、及び電極上にグレーティング誘電体薄膜を付着させた分散型すだれ状電極、及びこのすだれ状電極を用いた弾性表面波機能素子が、実施例の１である。

実施例の２は、圧電性基板または電歪性基板或いは圧電・電歪性薄膜基板表面上に、弾性表面波を励振または受信するすだれ状電極を有する弾性表面波機能素子において、上記第３の入力すだれ状電極は、上記第４の出力すだれ状電極に向かって徐々に電極幅及び周期が長くなる正負の電極を交互に配置したアップ方向分散型すだれ状電極であり、かつ第３のすだれ状電極がアップ方向に一方向性特性をもつ電極であり、かつ電極の構造として、図２のように、電極幅が３λ／８の正負電極からなり、かつ電極膜厚Ｈ_２／λがＨ_２／λ＝０．０１〜０．１の間にある構造の分散型すだれ状電極、及び電極幅がλ／４から５λ／１２の範囲にある分散型すだれ状、及びこの電極上に一様な誘電体薄膜を付着させた構造、及び電極上にグレーティング誘電体薄膜を付着させた分散型すだれ状電極、及びこのすだれ状電極を用いた弾性表面波機能素子が、実施例の２である。

実施例の３は、特許請求の範囲の請求項１、２において、上記の第１の電極を入力電極、第３の電極を出力電極とし、その方向性を向かい合わせた周波数の変化に対して、遅延時間が変化しない非分散型遅延線及びフィルター、及び上記の第１の電極を入力電極、上記の第１の電極を出力電極とし、その方向性を向かい合わせた周波数の増加とともに、遅延時間が短くなるダウン型分散型遅延線及びフィルター、及び上記の第３の電極を入力電極、及び上記の第３の電極を出力電極とし、その方向性を向かい合わせた周波数の増加とともに遅延時間が長くなるアップ型分散型遅延線及びフィルター、及びこれらの電極を用いた弾性表面波機能素子が実施例の３である。

実施例の４は、特許請求の範囲の請求項１、２、３において、上記の第１の電極、及び第３電極が電極の幅方向に重み付けされた構造の電極、或いは上記の第１の電極との間、及び第３の電極との間、或いは第１の電極と第３の電極との間で伝搬方向に距離重み付けを行った構造の電極からなる弾性表面波機能素子が実施例の４である。

実施例の５は、上記のダウン方向の一方向性分散型すだれ状と上記のアップ方向の一方向性分散型すだれ状電極とを用いた弾性表面波機能素子において、送受の分散型電極の膜厚が同一の構造、及び送受の動作中心周波数が同一になるように電極膜厚が異なる構造からなる弾性表面波機能素子、或いは送受の誘電体薄膜の膜厚が同じ膜厚及び動作中心周波数が同一になるように膜厚が異なる構造からなる弾性表面波機能素子が実施例の５である。

実施例の６は、特許請求の範囲の請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５において、圧電性基板として、１２８°Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ_３の基板、或いはカット角が１２８°を中心として±１５°の範囲であり、伝搬方向が±５°の範囲にあるＬｉＮｂＯ_３の基板、或いは−１０°〜７０°Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ_３、Ｙ−Ｚ ＬｉＮｂＯ_３、２５°〜４５°Ｙ−Ｘ ＬｉＴａＯ_３、Ｘ−１１２°Ｙ ＬｉＴａＯ_３、回転Ｙ−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ_３である基板、或いはそれぞれのカット角が±１０°の範囲でありかつ伝搬方向が±５°の範囲の基板、ランガサイト、リチュウムテトラボレート、水晶、ＢＧＯ、ＢＳＯ、ＺｎＯ／基板、ＡｌＮ／基板でからなる弾性表面波基板、また、一様な膜及びグレーティング反射膜として、ＴｅＯ_２薄膜及びＴｅ_ｘＯ_ｙ薄膜、ＳｉＯ_２薄膜及びＳｉ_ｘＯ_ｙ薄膜、ＢＧＯ薄膜，ＢＧＳ薄膜、ＬｉＮｂＯ_３薄膜、ＬｉＴａＯ_３薄膜、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜、ＺｎＯ薄膜、ＡｌＮ薄膜からなる構造、また電極膜としてＡｌ薄膜、Ｃｕ薄膜、ＡｌとＣｕの合金からなる金属薄膜、Ａｕ，Ａｇ、Ｍｏ，Ｗ，Ｒｕ，Ｐｔ及びＡｌとＣｕを含むこれらの合金からなる金属薄膜及び構造の弾性表面波機能素子が実施例の６である。

発明の効果

分散型すだれ状電極の方向性は、すだれ状電極の反射係数が正の場合は、ダウン方向に一方向性をもつすだれ状電極、またすだれ状電極の反射係数が負の場合は、アップ方向に一方向性をもつすだれ状電極が得られる。図３は、電極幅に対する、Ａｌ電極膜厚をパラメーターとした電極一周期当たりの反射係数ｒ（電極の周期：ｐ，電極幅：ｗ）を示す。図から、ショートの場合、電極幅がλ／８電極は、一波長あたりの反射係数は正であり、ダウン方向の一方向性となる。一方、図からショート電極の場合、Ａｌ膜厚Ｈ_１／λ＝０．０６、電極幅ｗ／λ＝０．６では、反射係数はｒ＝−０．０３５と負であり、アップ方向の一方向性をもつことが判る。
上記の一方向性分散型すだれ状電極の一例として、基板に１２８°Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ_３を用い、上記第１の電極の電極幅がλ／８の場合の一方向特性の一例を図４に示す。図は、ダウン方向の一方向性をもち、Ｈ_１／λ＝０．０６、であり、短絡電極の反射係数ｒは、一波長当たり、ｒ＝０．０３５である。
上記の一方向性分散型すだれ状電極の一例として、基板に１２８°Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ_３を用い、上記第３の電極の一方向特性の一例を図５に示す。図は、アップ方向の一方向性をもち、Ｈ_２／λ＝０．０６、であり、短絡電極の反射係数ｒは、一波長当たり、ｒ＝−０．０３５である。ダウン方向とアップ方向の一方向性は、反射係数の符号の差から得られる。また、電極膜厚は、同一であり、一回のリソグラフィーでフィルターが作成できる。
上記第１の電極と上記第３の電極を用い、一方向特性の方向を向かい合わせ、かつ電極間に距離重み付けを行った順方向特性をの一例を図６に示す。図は、ダウン方向とアップ方向の電極の膜厚は、Ｈ_１／λ＝０．０６，Ｈ_２／λ＝０．０６、であり、短絡電極の反射係数ｒは、一波長当たり、ダウン方向がｒ＝＋０．０３５、アップ方向のが、ｒ＝−０．０３５である。挿入損失は、約０．５ｄＢと良好な特性が得られている。
また、図７は、電極幅に対する、Ｃｕ電極膜厚をパラメーターとした一周期当たりの反射係数を示す。図から、Ｃｕ電極の場合は、Ａｌ電極に比較して、薄い膜厚で大きな反射係数が得られており、Ａｌ電極より薄い電極膜厚で大きな方向性が得られることが判る。

λ／８電極幅構造の浮き電極一方向性分散型すだれ状電極を用いたすだれ状電極の断面図（ａ）と平面図（ｂ） ３λ／８電極幅構造の一方向性分散型すだれ状電極を用いたすだれ状電極の断面図（ａ）と平面図（ｂ） １２８°Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ_３基板、Ａｌ電極を用いた場合の電極膜厚をパラメーターとした電極幅に対する反射係数 ダウン型一方向性分散型すれば状電極の方向性の計算結果 アップ型一方向性分散型すれば状電極の方向性の計算結果 ダウン型とアップ型一方向性電極を用いた構造の非分散型構造のフィルタの実験結果 １２８°Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ_３基板、Ｃｕ電極を用いた場合の電極膜厚をパラメーターとした電極幅に対する反射係数

１−圧電性基板、２−分散型すだれ状電極、３−一方向性の方向、４−ブスバー、５−浮き電極、６−正電極すだれ状電極、７−負電極すだれ状電極、８−規格化周波数、９−挿入損失、１０−順方向特性、１１−逆方向特性、１２−１波長当たりの反射係数、１３−１周期当たりの電極幅

Claims (6)

1. 圧電性基板または電歪性基板或いは圧電・電歪性薄膜基板表面上に、弾性表面波を励振または受信するすだれ状電極を有する弾性表面波機能素子において、上記第１の入力すだれ状電極は、上記第２の出力すだれ状電極に向かって徐々に電極幅及び周期が短くなる正負の電極を交互に配置したダウン方向分散型すだれ状電極であり、かつ第１のすだれ状電極がダウン方向に一方向性特性をもつ電極であり、かつ電極の構造として、図１のように、空隙の正電極間の中心間距離をλ（弾性表面波の波長λに対応する）として、電極幅がλ／８の正負電極からなり、正負電極間の中心にλ／８の浮き電極を挿入した構造であり、かつ電極膜厚 Ｈ_１／λがＨ_１／λ＝０．００５〜０．１の間にある構造の分散型すだれ状電極、及びλ／８の電極幅及びλ／８の浮き電極の幅が、±２０％の範囲にある分散型すだれ状、及びこの電極上に一様な誘電体薄膜を付着させた構造、及び電極上にグレーティング誘電体薄膜を付着させた分散型すだれ状電極、及びこのすだれ状電極を用いた弾性表面波機能素子。
2. 圧電性基板または電歪性基板或いは圧電・電歪性薄膜基板表面上に、弾性表向波を励振または受信するすだれ状電極を有する弾性表面波機能素子において、上記第３の入力すだれ状電極は、上記第４の出力すだれ状電極に向かって徐々に電極幅及び周期が長くなる正負の電極を交互に配置したアップ方向分散型すだれ状電極であり、かつ第３のすだれ状電極がアップ方向に一方向性特性をもつ電極であり、かつ電極の構造として、図２のように、電極幅が３λ／８の正負電極からなり、かつ電極膜厚Ｈ_２／λがＨ_２／λ＝０．０１〜０．１の間にある構造の分散型すだれ状電極、及び電極幅がλ／４から５λ／１２の範囲にある分散型すだれ状、及びこの電極上に一様な誘電体薄膜を付着させた構造、及び電極上にグレーティング誘電体薄膜を付着させた分散型すだれ状電極、及びこのすだれ状電極を用いた弾性表面波機能素子。
3. 特許請求の範囲の請求項１、２において、上記の第１の電極を入力電極、第３の電極を出力電極とし、その方向性を向かい合わせた周波数の変化に対して、遅延時間が変化しない非分散型遅延線及びフィルター、及び上記の第１の電極を入力電極、上記の第１の電極を出力電極とし、その方向性を向かい合わせた周波数の増加とともに、遅延時間が短くなるダウン型分散型遅延線及びフィルター、及び上記の第３の電極を入力電極、及び上記の第３の電極を出力電極とし、その方向性を向かい合わせた周波数の増加とともに遅延時間が長くなるアップ型分散型遅延線及びフィルター、及びこれらの電極を用いた弾性表面波機能素子。
4. 特許請求の範囲の請求項１、２、３において、上記の第１の電極、及び第３電極が電極の幅方向に重み付けされた構造の電極、或いは上記の第１の電極との間、及び第３の電極との間、或いは第１の電極と第３の電極との間で伝搬方向に距離重み付けを行った構造の電極からなる弾性表面波機能素子。
5. 上記のダウン方向の一方向性分散型すだれ状と上記のアップ方向の一方向性分散型すだれ状電極とを用いた弾性表面波機能素子において、送受の分散型電極の膜厚が同一の構造、及び送受の動作中心周波数が同一になるように電極膜厚が異なる構造からなる弾性表面波機能素子、或いは送受の誘電体薄膜の膜厚が同じ膜厚及び動作中心周波数が同一になるように膜厚が異なる構造からなる弾性表面波機能素子。
6. 特許請求の範囲の請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５において、圧電性基板として、１２８°Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ_３の基板、或いはカット角が１２８°を中心として±１５°の範囲であり、伝搬方向が±５°の範囲にあるＬｉＮｂＯ_３の基板、或いは−１０°〜７０°Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ_３、Ｙ−Ｚ ＬｉＮｂＯ_３、２５°〜４５°Ｙ−Ｘ ＬｉＴａＯ_３、Ｘ−１１２°Ｙ ＬｉＴａＯ_３、回転Ｙ−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ_３である基板、或いはそれぞれのカット角が±１０°の範囲でありかつ伝搬方向が±５°の範囲の基板、ランガサイト、リチュウムテトラボレート、水晶、ＢＧＯ、ＢＳＯ、ＺｎＯ／基板、ＡｌＮ／基板でからなる弾性表面波基板、また、一様な膜及びグレーティング反射膜として、ＴｅＯ_２薄膜及びＴｅ_ｘＯ_ｙ薄膜、ＳｉＯ_２薄膜及びＳｉ_ｘＯ_ｙ薄膜、ＢＧＯ薄膜，ＢＧＳ薄膜、ＬｉＮｂＯ_３薄膜、ＬｉＴａＯ_３薄膜、Ｔａ_２Ｏ_５薄膜、ＺｎＯ薄膜、ＡｌＮ薄膜からなる構造、また電極膜としてＡｌ薄膜、Ｃｕ薄膜、ＡｌとＣｕの合金からなる金属薄膜、Ａｕ，Ａｇ、Ｍｏ，Ｗ，Ｒｕ，Ｐｔ及びＡｌとＣｕを含むこれらの合金からなる金属薄膜及び構造の弾性表面波機能素子。

Images