JP5125728B2 - 弾性波素子と、これを用いた共振器、フィルタ、及び電子機器 - Google Patents
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Description
本発明は、弾性波素子と、これを用いた共振器、フィルタ、及び電子機器に関するものである。
従来の弾性波素子を図１３を用いて説明する。図１３は、従来の弾性波素子の断面模式図である。
図１３において、従来の弾性波素子１は、圧電基板２と、この圧電基板２の上に設けられた櫛歯電極３と、圧電基板２の上に櫛歯電極３を覆うように設けられた第１誘電体層４と、この第１誘電体層４の上に設けられた第２誘電体層５を備える。この第２誘電体層５を伝搬するバルク波のうち横波の速度Ｖｓは櫛歯電極３において励振される弾性波の速度Ｖより速くなるように、第２誘電体層５の材料は決定されていた。
これにより、櫛歯電極３付近に励振される弾性波を閉じ込めることができ、その結果、境界波素子としての弾性波素子１を実現していた。
なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００７−２６７３６６号公報
このような従来の弾性波素子１において、第２誘電体層５を伝搬するバルク波のうち横波の速度Ｖｓは櫛歯電極３において励振される横波主体の弾性波の速度Ｖより速くなるように、第２誘電体層５の材料は決定されていたので、この第２の誘電体層５の影響を受け、櫛歯電極３において励振される横波主体の弾性波の速度Ｖが速くなっていた。その結果、櫛歯電極３において励振される横波主体の弾性波の速度Ｖが、圧電基板２を伝搬するバルク波のうち最も遅い横波の速度Ｖｂよりも速くなり、櫛歯電極３において励振される弾性波がバルク波として圧電基板２内に漏洩することで、弾性波素子１を共振子として用いたときの挿入損失の劣化を招いていた。即ち、弾性波素子１が第２誘電体層２を有する境界波素子である場合に、このバルク放射による損失が大きな問題となっていたのである。
そこで本発明は、弾性波素子が境界波素子である場合に、バルク放射による損失を抑制することを目的とする。
そして、この目的を達成するために本発明の弾性波素子は、圧電基板と、この圧電基板の上に設けられた櫛歯電極と、圧電基板の上にこの櫛歯電極を覆うように設けられた第１誘電体層と、この第１誘電体層の上に設けられた第２誘電体層を備え、この第２誘電体層を伝搬するバルク波のうち横波の速度Ｖｓは櫛歯電極において励振される横波主体の弾性波の速度Ｖより速く、かつ、櫛歯電極において励振される横波主体の弾性波の速度Ｖは、圧電基板を伝搬するバルク波のうち最も遅い横波の速度Ｖｂより遅く、かつ、圧電基板における回転Ｙ板のカット角が１５度以上２５度以下であることを特徴とする。
この構成により、櫛歯電極において励振される横波主体の弾性波の速度Ｖが、圧電基板を伝搬するバルク波のうち最も遅い横波の速度Ｖｂよりも遅くなり、櫛歯電極において励振される弾性波がバルク波として圧電基板内に漏洩することを抑制することができる。その結果、弾性波素子を共振子として用いたときの挿入損失の劣化を防止することができる。
また、圧電基板における回転Ｙ板のカット角を２５度以下にすることにより、櫛歯電極において励振される横波主体の弾性波の結合係数を大きくすることができる。
さらに、圧電基板における回転Ｙ板のカット角を１５度以上にすることにより、櫛歯電極において励振される伝搬方向と圧電基板の厚み方向の変位成分を主体とし、不要波として現れるＳＶ（shear vertical）波の結合係数を小さくすることができ、スプリアス応答の少ない弾性波素子を実現することができる。
すなわち、上記構成において、圧電基板における回転Ｙ板のカット角を１５度以上２５度以下にすることにより、櫛歯電極において励振される横波主体の弾性波の結合係数の確保とスプリアス応答の抑制とを両立することができるのである。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における弾性波素子について図面を参照しながら説明する。図１は、実施の形態１における弾性波素子の断面模式図である。
以下、本発明の実施の形態１における弾性波素子について図面を参照しながら説明する。図１は、実施の形態１における弾性波素子の断面模式図である。
図１において、弾性波素子６は、圧電基板７と、この圧電基板７の上に設けられた櫛歯電極８と、圧電基板７の上にこの櫛歯電極８を覆うように設けられた第１誘電体層９と、この第１誘電体層９の上に設けられた第２誘電体層１０を備える。また、この弾性波素子６は、この第２誘電体層１０を伝搬するバルク波のうち横波の速度Ｖｓは櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波の速度Ｖより速く、かつ、櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波の速度Ｖは、圧電基板７を伝搬するバルク波のうち最も遅い横波の速度Ｖｂより遅く、圧電基板７における回転Ｙ板のカット角が１５度以上２５度以下であることを特徴としている。
圧電基板７は、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、又はニオブ酸カリウムからなる。例えば、圧電基板７がニオブ酸リチウムの場合、圧電基板７を伝搬するバルク波のうち最も遅い横波の速度Ｖｂは、4024ｍ／秒である。
櫛歯電極８は、例えば、アルミニウム、銅、銀、若しくは金からなる単体金属、又はこれらを含む合金である。
第１誘電体層９は、例えば、酸化ケイ素、５酸化タンタル、又は２酸化テルルである。ここで、第１誘電体層９として酸化ケイ素を用いることが望ましい。これは、酸化ケイ素の温度特性係数が圧電基板７の温度特性係数と逆の符号を持つため、温度特性補償効果を得ることができるからである。また、酸化ケイ素を伝搬する横波の速度は、圧電基板７を伝搬するバルク波のうち最も遅い横波の速度Ｖｂよりも遅いため、櫛歯電極８付近に励振される横波主体の弾性波の速度を効果的に下げることにより圧電基板７内へのバルク放射を抑制する効果も期待できる。
第２誘電体層１０は、例えば、窒化ケイ素、又は窒化アルミである。例えば、この第２誘電体層１０が窒化ケイ素の場合、第２誘電体層１０を伝搬するバルク波のうち横波の速度Ｖｓは、略６１００ｍ／秒である。これは櫛歯電極８により励振される横波主体の弾性波の速度Ｖよりも十分速く、更に、櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波の波長をλとすると、第２誘電体層１０の厚みを１λ以上と十分に大きくすることで、第２誘電体層１０の上面に変位を持たない境界波素子を実現しているのである。
このような弾性波素子６において、第２誘電体層１０を伝搬するバルク波のうち横波の速度Ｖｓは櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波の速度Ｖより十分速くなるように、第２誘電体層１０の材料は決定されていたので、この第２の誘電体層１０の影響を受け、櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波の速度Ｖが速くなっていた。そこで、従来の弾性波素子１のような挿入損失の劣化を抑制するために、実施の形態１の弾性波素子６は、櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波の速度Ｖが圧電基板７を伝搬するバルク波のうち最も遅い横波の速度Ｖｂより遅くなるという特徴を有している。
これにより、櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波の速度Ｖが、圧電基板７を伝搬するバルク波のうち最も遅い横波の速度Ｖｂよりも遅くなり、櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波がバルク波として圧電基板７内に漏洩することを抑制することができる。その結果、弾性波素子６を共振子として用いたときの挿入損失の劣化を防止することができる。
櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波の速度Ｖが圧電基板７を伝搬するバルク波のうち最も遅い横波の速度Ｖｂより遅くなる条件について、図２を用いて説明する。ここで、圧電基板７は、ニオブ酸リチウムであり、第１誘電体９は酸化ケイ素であり、第２誘電体１０は、窒化ケイ素である。また、圧電基板７の回転Ｙ板のカット角をθ、櫛歯電極８の密度の銅密度に対する比をａ、櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波の波長をλ、櫛歯電極８の膜厚をｈ、第１誘電体層９の膜厚をＨとする。図２の縦軸は、櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波の波長λによって規格化された第１誘電体層９の規格化膜厚Ｈ／λを示す。また、図２の横軸は、圧電基板７の回転Ｙ板のカット角θである。
シミュレーションによって櫛歯電極８により励振される横波主体の弾性波の速度Ｖと、圧電基板７内を伝搬するバルク波のうち最も遅い横波の速度Ｖｂとが同一である第１誘電体層９の規格化膜厚Ｈ／λと圧電基板７における回転Ｙ板のカット角θの関係を求めた。図２に示す５本の直線は、例えば、各々電極膜厚ｈが0.09λ/a, 0.10λ/a, 0.11λ/a, 0.12λ/a, 0.13λ/aである場合の第１誘電体層９の規格化膜厚Ｈ／λと圧電基板７における回転Ｙ板のカット角θの関係を一次方程式で線形近似したものである。すなわち、上記条件を満たす領域は、図２中に示す各々の直線の上側の領域となる。
図２の５つの例示のように、櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波の速度Ｖが圧電基板７を伝搬するバルク波のうち最も遅い横波の速度Ｖｂより遅くなる条件は、
0.085λ/a＜h<0.095λ/aの場合、Ｈ/λ＞-0.0018θ+0.1909
0.095λ/a＜h<0.105λ/aの場合、Ｈ/λ＞-0.0014θ+0.1376
0.0105λ/a＜h<0.115λ/aの場合、Ｈ/λ＞-0.0013θ+0.1017
0.115λ/a＜h<0.125λ/aの場合、Ｈ/λ＞-0.0011θ+0.0754
0.125λ/a＜h<0.135λ/aの場合、Ｈ/λ＞-0.0009θ+0.0536
である。
0.085λ/a＜h<0.095λ/aの場合、Ｈ/λ＞-0.0018θ+0.1909
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0.125λ/a＜h<0.135λ/aの場合、Ｈ/λ＞-0.0009θ+0.0536
である。
これらの条件を満たす圧電基板７の回転Ｙ板のカット角θ、櫛歯電極８の膜厚ｈ、第１誘電体層９の膜厚Ｈを採用することにより、櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波の速度Ｖが、圧電基板７を伝搬するバルク波のうち最も遅い横波の速度Ｖｂよりも遅くなり、櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波がバルク波として圧電基板７内に漏洩することを抑制することができるのである。
また、図３、図４、図５、図６、図７に、各々電極膜厚ｈが0.09λ/a, 0.10λ/a, 0.11λ/a, 0.12λ/a, 0.13λ/aである場合の櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波の結合係数の第１誘電体層９の規格化膜厚Ｈ／λと回転Ｙ板のカット角θに対する依存性を示す。これを見ると回転Ｙ板のカット角を２５度以下とすることで結合係数は略１５％以上となることがわかる。このように、圧電基板７における回転Ｙ板のカット角を２５度以下にすることにより、櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波の結合係数を大きくすることができる。例えば、弾性波素子６をＷ−ＣＤＭＡ等の広い帯域を有するシステムに適用する場合、櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波の結合係数は略１５％以上が望ましい。そこで、例えば、圧電基板７がニオブ酸リチウムであり、第１誘電体９が酸化ケイ素であり、規格化した第１誘電体９の膜厚が０．０９λ〜０．１１／aの場合、回転Ｙ板のカット角を２５度以下とすることで櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波の結合係数を略１５％以上とすることができるのである。
また図８、図９、図１０、図１１、図１２に各々電極膜厚ｈが0.09λ/a, 0.10λ/a, 0.11λ/a, 0.12λ/a, 0.13λ/aである場合の櫛歯電極８において励振される伝搬方向と圧電基板７の厚み方向の変位成分を主体とし、不要波として現れるＳＶ波の結合係数の第１誘電体層９の規格化膜厚Ｈ／λと回転Ｙ板のカット角θに対する依存性を示す。これを見ると回転Ｙ板のカット角が高くなるほどＳＶ波の結合係数は減少しており、スプリアスは抑制することができることがわかる。このように、圧電基板７における回転Ｙ板のカット角を１５度以上にすることにより、櫛歯電極８において励振される伝搬方向と圧電基板７の厚み方向の変位成分を主体とし、不要波として現れるＳＶ波の結合係数を小さくすることができ、スプリアス応答の少ない弾性波素子を実現することができるのである。
すなわち、上記構成において、圧電基板７における回転Ｙ板のカット角を１５度以上２５度以下にすることにより、櫛歯電極８において励振される横波主体の弾性波の結合係数の確保とスプリアス応答の抑制とを両立することができるのである。
また、このバルク放射による損失を抑制する弾性波素子６を共振器（図示せず）に適用しても構わないし、ラダー型フィルタもしくはＤＭＳフィルタ等のフィルタ（図示せず）に適応しても構わない。さらに、弾性波素子６を、このフィルタと、フィルタに接続された半導体集積回路素子(図示せず)と、半導体集積回路素子（図示せず）に接続された再生装置とを備えた電子機器に適用しても良い。これにより、共振器、フィルタ、及び電子機器における信号損失を抑制することができるのである。
本発明にかかる弾性波素子は、弾性波素子が境界波素子である場合に、バルク放射による損失を抑制するという効果を有し、携帯電話等の電子機器において有用である。
６ 弾性波素子
７ 圧電基板
８ 櫛歯電極
９ 第１誘電体層
１０ 第２誘電体層
７ 圧電基板
８ 櫛歯電極
９ 第１誘電体層
１０ 第２誘電体層
Claims (4)
- 圧電基板と、
前記圧電基板の上に設けられた櫛歯電極と、
前記圧電基板の上に前記櫛歯電極を覆うように設けられた第１誘電体層と、
前記第１誘電体層の上に設けられた第２誘電体層を備え、
前記第２誘電体層を伝搬するバルク波のうち横波の速度Ｖｓは前記櫛歯電極において励振される横波主体の弾性波の速度Ｖより速く、かつ、
前記櫛歯電極において励振される弾性波の速度Ｖは、前記圧電基板を伝搬するバルク波のうち最も遅い横波の速度Ｖｂより遅く、かつ
前記圧電基板における回転Ｙ板のカット角が１５度以上２５度以下であり、
前記圧電基板は、ニオブ酸リチウムであり、前記第１誘電体は酸化ケイ素であり、
前記圧電基板の回転Ｙ板のカット角をθ（度）、前記櫛歯電極の密度の銅密度に対する比をａ、前記櫛歯電極において励振される横波主体の弾性波の波長をλ、前記櫛歯電極の膜厚をｈ、前記第１誘電体層の膜厚をＨとすると、
0.085λ/a＜h<0.095λ/aの場合、Ｈ/λ＞-0.0018θ+0.1909
0.095λ/a＜h<0.105λ/aの場合、Ｈ/λ＞-0.0014θ+0.1376
0.105λ/a＜h<0.115λ/aの場合、Ｈ/λ＞-0.0013θ+0.1017
0.115λ/a＜h<0.125λ/aの場合、Ｈ/λ＞-0.0011θ+0.0754
0.125λ/a＜h<0.135λ/aの場合、Ｈ/λ＞-0.0009θ+0.0536
を満たし、
かつ、前記第２誘電体層の厚みは１λ以上である弾性波素子。 - 請求項１の弾性波素子を用いた共振器。
- 請求項１の弾性波素子を用いたフィルタ。
- 請求項３に記載のフィルタと、
前記フィルタに接続された半導体集積回路素子と、
前記半導体集積回路素子に接続された再生装置とを備えた電子機器。
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